凸輪是一種旋轉元件，通過直接接觸為從動件（該機器的另一個組件）提供振蕩或往復運動。[6]該部件主要用于將旋轉運動轉換為另一部件的直線運動。根據應用的不同，可以有不同類型的凸輪輪廓，例如盤形或板形凸輪、圓柱形凸輪、平移凸輪、楔形凸輪和螺旋凸輪。從動件，也稱為滾子，是直接跟隨凸輪運動的旋轉或擺動機器部件。從動件的類型有刀口從動件、滾子從動件、平面從動件、球形從動件和偏置從動件。了解凸輪和從動機構對于發動機所需的性能至關重要，因為內燃機的入口閥和輸出閥均由這些機構控制。

關于凸輪從動件的研究較多，現總結如下。HD德賽等人。[1]為了預測從動件何時脫離凸輪，本研究的作者對凸輪和從動件進行了徹底的運動學和動力學分析。通過動態力分析確定設計失敗的凸輪接觸力和運動學參數值。但作者在分析時并未考慮材料選擇的影響。古拉布勞·帕蒂爾和蘇塔里亞[2]研究了潤滑油中不同濃度的抗磨添加劑對凸輪從動件副摩擦學參數的影響。作者得出的結論是，抗磨添加劑的最佳濃度取決于具體應用以及凸輪從動件對中使用的材料類型。Nega Tesfie Asfaw [3]專注于使用有限元方法對凸輪和從動件系統進行磨損分析（有限元法）。在結果部分，作者介紹了特定凸輪和從動件系統的磨損分析，其中包括顯示磨損模式和磨損量的圖表。作者還對模擬獲得的磨損與物理實驗中觀察到的實際磨損進行了比較。本研究的結果是，根據理論和 ABAQUS 軟件結果，對于氣門機構的上升動作，接觸壓力隨著凸輪角度的增加而增加。總的來說，本文為摩擦學領域做出了寶貴的貢獻通過演示使用有限元方法進行凸輪和從動件系統的磨損分析。然而，該研究僅限于特定的凸輪和從動件系統，需要進一步研究來探索材料對摩擦學性能的影響。Patel [4]作者全面概述了有關凸輪和從動件系統建模、設計和分析的文獻。除了討論當前研究的局限性和差距之外，作者還介紹了眾多研究論文及其對該領域的貢獻。桑杰·庫馬爾等人。[5]在本文中，作者對摩擦學性能進行了研究凸輪和從動件的，包括接觸壓力；von 錯過了凸輪/從動件接觸的應力和表面磨損分析。作者進行了不同轉速下凸輪表面磷酸錳和鉻涂層的實驗。他們的研究發現，磷酸錳在減少磨損方面更有效，而且經濟且容易在市場上獲得。盡管如此，這項研究采用了兩種涂層中相似的凸輪材料。

摩擦學是相對運動中相互作用的表面的科學和工程。傳統的摩擦學研究側重于發動機和機器零件的有效性、耐用性和性能。在摩擦學的許多領域，接觸壓力、磨損率和赫茲接觸應力等摩擦學特性至關重要。發動機和其他應用的性能取決于對凸輪和從動件特性的分析，這是摩擦學的一部分。上述文獻綜述表明，人們對凸輪從動件進行了許多研究。研究人員已經證明了潤滑的效果磨損率、抗磨添加劑在潤滑中的作用、凸輪從動件副的運動學和動力學分析等。但目前缺乏對凸輪和從動件材料選擇的單獨影響的研究。這是我們發現的研究差距，我們的研究證明了更好的凸輪和從動件材料對其摩擦學性能的影響。本研究的目的是展示如何選擇更好的材料來降低摩托車內燃機凸輪從動件接觸的接觸壓力和赫茲接觸應力。使用ANSYS軟件進行比較分析，并對結果進行討論。我們的研究結果確定了凸輪軸高旋轉速度下最有可能發生疲勞的接觸位置。因此，這項研究對于防止摩托車內燃機氣門機構機構中部件的磨損和疲勞也很有效。

可以使用不同的材料來制造凸輪和從動件。[10]凸輪和從動件是否必須由相同材料或不同材料制成由制造商決定，具體取決于發動機要求。然而，在整個研究過程中，凸輪和從動件采用的材料是相同的。也就是說，我們首先使用結構鋼制成的凸輪從動件對，然后使用灰口鑄鐵。此外，摩托車內燃機中最常見的凸輪類型是盤形凸輪，凸輪輪廓是根據從動件精確打開和關閉內燃機中氣缸閥門所需的運動類型而制作的。引擎。球形從動件通常用于內燃機，因此我們還創建了球形從動件的幾何形狀。我們本研究的目的是僅分析摩擦學特性，因此我們創建了僅包含 5 個組件的氣門機構的簡化版本，即 凸輪軸、凸輪、從動件、底座和彈簧。在 ANSYS 中分析裝配體時需要牢記一些注意事項。首先，用于分析的凸輪和從動件的尺寸是摩托車內燃機的尺寸。使用的 3D 幾何形狀必須精確。此外，在預期的運行速度下，凸輪上的轉動慣量應防止凸輪發生故障。也就是說，必須以凸輪不會承受失效應力的方式選擇轉速。凸輪上的轉動慣量應防止凸輪發生故障。也就是說，必須以凸輪不會承受失效應力的方式選擇轉速。凸輪上的轉動慣量應防止凸輪發生故障。也就是說，必須以凸輪不會承受失效應力的方式選擇轉速。

2.1 . 凸輪和從動件建模

SolidWorks 是 Dassault Systems 發布的實體建模計算機輔助設計 (CAD) 和計算機輔助工程 (CAE) 應用程序。我們使用該軟件創建了零件和最終裝配，并將其保存為 IGES 格式，以便可以將該幾何圖形導入 ANSYS Mechanical 軟件中以進行進一步的有限元分析。這可以從圖2.1、圖2.2中看出。

圖2.1. 凸輪和從動件組件的 3D 模型

圖2.2. ANSYS 中凸輪從動件組件的尺寸

2.2 . 材料和性能

歐洲使用的結構鋼牌號有多種，包括 S195、S235、S275、S355、S420 和 S460。這三種結構鋼經常用于整個歐盟的各種類型的建筑項目。然而，本研究采用的是 S555 的材料特性。S355具有重量％最多0.23％的C、重量％最多1.60％的Mn、重量％最多0.05％的P、重量％最多0.05％的S和重量％最多0.05％的Si。灰鑄鐵含有 2.5%–4% 的 C、1%–3% 的硅，并添加了按重量計 0.1% 至 1.2% 的錳。[7] .

為了找到邊界值問題的粗略解決方案，需要使用一種稱為有限元法的數值技術（FEM）將系統劃分為更簡單和更小的部分。對結構進行結構研究的一種方法是有限元法。任何結構的研究都從其幾何形狀的定義開始，這取決于將要執行的模擬分析的類型。由于我們的研究重點是尋找相對運動的兩個物體之間的參數，因此我們必須對其進行有限元分析。進行靜態結構分析，為此需要一些假設。首先，凸輪與從動件表面之間的摩擦系數是恒定的。其次，在特定的模擬過程中，所有部件均由相同的材料制成。最后，結構對凸輪軸恒定轉速的響應相對于時間而言極其緩慢；材料是各向同性的；沒有振動；并且空氣動力阻力可以忽略不計。

將模型導入ANSYS仿真軟件中，利用ANSYS中的共享拓撲特征對從動活塞進行進一步劃分。共享拓撲操作的目標是保證鏈接的實體具有共享的面，這使得創建共形網格變得更加容易。彈簧端粘合到支撐件上，并且從動件支架使用固定支撐件命令進行固定，因為它為彈簧提供了阻力。（表1）

表 1 . 在 SolidWorks 中獲取的裝配尺寸[3]

分析涉及多個步驟。首先，對齊幾何形狀，使從動件和凸輪相互接觸（而不是穿透）。調整彈簧使其接觸從動件；如果彈簧穿透從動件，則將其分開并刪除穿透部分。要創建結構化網格，請將零件分為多個部分。定義適當的材料屬性。我們使用了表 2中給出的那個以下 。在 ANSYS 中，在有限元分析之前應用接頭和接觸至關重要。邊界條件如下：對于關節：從動件有 1 個平移關節，凸輪有 1 個旋轉關節（轉速為 2000）。凸輪與從動件之間采用系數為0.1的摩擦接觸進行接觸。在彈簧和從動件之間形成粘合接觸。為從動支架（底座）創建固定支撐，因為它為彈簧提供阻力。向凸輪提供 2000 rpm 的旋轉速度。我們在彈簧接觸設置中使用法向剛度系數 0.001。

表 2 . 材料的特性[7] , [8]

3.1 . 模型網格劃分

使用 FEA 模型提供正確結果的基本要素之一是網格劃分。網格中的元素必須考慮許多因素才能正確離散化應力梯度。我們試圖盡可能實現結構化網格。為此，我們將從動件的幾何形狀劃分為子部分。使用空間聲明中的“共享拓撲”選項，我們連接了相同部分的節點。我們執行了多區域、膨脹、邊緣尺寸調整、主體尺寸調整、面網格劃分等操作，以結構化方式對對象進行網格劃分。混合網格的 3D 網格由用于彈簧的 4 節點四面體元素和用于凸輪、活塞和底座的六面體元素創建。底部的固定支撐將限制其處節點的自由度（圖 3.1a）。

圖3.1a. 凸輪與從動件嚙合裝配

網格劃分后，從靜態結構樹中選擇分析設置，并定義步驟和子步驟的數量。之后，從解決方案樹中選擇所有所需的參數。在本次模擬中，凸輪旋轉了 225°，我們沒有進行 360° 旋轉的模擬，因為凸輪的上部是球形的，因此對于恒定的半徑，應力將是恒定的。為了減少計算時間，我們對225°進行了分析，即凸輪將旋轉225°，并且其間必須達到最大赫茲接觸應力和接觸壓力的值。計算時間或模擬結束時間的計算如下，

凸輪旋轉速度：2,000 RPM。

輸入角度 = 225°

這意味著我們的模擬將運行 0.01875 秒。

接觸力學的兩個重要參數是赫茲接觸應力和接觸壓力。[9]當兩個曲面接觸并由于施加的載荷而逐漸變形時產生的局部應力稱為赫茲接觸應力。而典型載荷（接觸力）與實際接觸面積的比值就是接觸壓力。接觸應力是由于壓力而產生的。由于仿真時間很短，因此在ANSYS中進行靜態結構分析。我們的研究重點是摩擦學參數，因此顯示了接觸區域的模擬結果。與該研究相關的所有結果和討論如下。

4.1 . 赫茲接觸應力

圖3.1b. 凸輪與從動件接觸處嚙合

4.2 . 接觸壓力

表3給出了從ANSYS軟件獲得的參數的比較值。圖4.1a顯示結構鋼材料的赫茲接觸應力最大值為9.89 MPa。該最大應力值是在凸輪角度 100.116° 時在 0.0083438 秒內獲得的。圖 4.1b顯示灰口鑄鐵材料的赫茲接觸應力最大值為 5.52 MPa。該應力最大值是在 100.68° 凸輪角度下 0.0083906 秒時獲得的。

表 3 . 從 ANSYS 軟件獲取的參數值

圖4.1a. 結構鋼的赫茲接觸應力。最大值 = 9.89 MPa

圖4.1b. 灰鑄鐵的赫茲接觸應力。最大值 = 5.52 MPa

由圖 4.2a可知，結構鋼材料的最大接觸壓力值為 16.20 MPa。在 97.8° 凸輪角時，在 0.0081563 s 內獲得最大接觸壓力。同樣，圖 4.2b顯示灰鑄鐵材料的接觸壓力最大值為 8.96 MPa。最大接觸壓力在 98.43° 凸輪角處于 0.0082031 秒內獲得。這些比較結果清楚地表明，對于相同的凸輪旋轉速度，灰鑄鐵材料具有低得多的最大赫茲接觸應力和接觸壓力。研究中還獲得了其他參數，這些參數在上面的表 3中明確提到。

圖4.2a. 結構鋼的接觸壓力。最大值 = 16.20 MPa

圖4.2b. 灰口鑄鐵的接觸壓力。最大值 = 8.96 MPa

4.3 . 輪廓區域

無花果。4.3 (a) 和 (b) 分別突出顯示灰口鑄鐵和結構鋼材料的最大赫茲接觸應力位置區域。它表明最大應力將出現在從動件的球形半徑內。紅色輪廓表示該區域。這解釋了為什么從動件在凸輪軸高轉速的情況下更容易出現故障。無花果。4.4(a) 和 (b) 分別突出顯示灰鑄鐵和結構鋼材料的最大和最小接觸壓力的位置。從圖中可以看出，最大接觸壓力將出現在中間接觸點，最小接觸壓力將出現在接觸邊緣。最大壓力區域由紅色等高線表示，最小壓力區域由深藍色等高線表示。因此，我們確定了失敗可能性最高的區域。

圖4.3. 最大赫茲接觸應力的位置

圖4.4. 最大和最小接觸壓力的位

4.4 . 地塊

在分析的后處理中，我們獲得了各種圖表。這些在下面的本節中給出。

圖 4.1a和圖 4.1b分別顯示了結構鋼和灰鑄鐵材料的赫茲接觸應力與接觸壓力圖。該圖表的行為幾乎是線性的，應力值隨著接觸壓力的增加而增加。

圖4.1a. 結構鋼材料的應力與壓力圖

圖 4.1b. 灰鑄鐵材料的應力與壓力圖

圖 4.2 (a) 和 (b) 為結構鋼材料。圖 4.2 (a) 顯示了最大赫茲接觸應力與凸輪角度的關系。最大應力明顯增加，然后在凸輪角度 100.116° 處達到最大值后減小。圖 4.2 (b) 顯示了最大接觸壓力與凸輪角度的關系。接觸壓力在凸輪角度為 97.8° 時明顯增加到最大值，然后下降。

圖4.2. (a) 和 (b) 結構鋼材料

表 4.3 (a) 和 (b) 適用于灰口鑄鐵材料。圖 4.3 (a) 顯示了最大赫茲接觸應力與凸輪角度的關系。它表明應力最初增加，在 100.68° 凸輪角處達到最大值，然后減小。圖 4.3 (b) 顯示了最大接觸壓力與凸輪角度的關系。結果表明，接觸壓力在凸輪角度為 98.43° 時增加到最大值，然后下降。

圖4.3.  (a) 和 (b) 灰口鑄鐵材料

在本文中，我們使用 ANSYS 進行了有限元分析 (FEA)，該分析用于確定摩托車內燃機凸輪和從動件對的重要摩擦學參數，例如接觸壓力和赫茲接觸應力。凸輪和從動件/滾子的材料選擇對于內燃機氣門機構機構的性能至關重要。因此，我們使用了灰口鑄鐵和結構鋼材料，這兩種材料都是優良的制造材料。在本研究中，我們以固定的旋轉速度旋轉凸輪不同的凸輪角度。確定并比較了兩種類型材料的赫茲接觸應力和接觸壓力值。我們的分析結果表明，與結構鋼相比，灰鑄鐵材料的赫茲接觸應力和接觸壓力值較低。因此，灰鑄鐵是制造內燃機凸輪和從動件的更優選的替代品。重要的是要記住，凸輪從動件的材料選擇不僅取決于其機械性能。材料的選擇還會受到成本、制造工藝和設計要求等其他因素的影響。重要的是要記住，在選擇凸輪材料之前，用實驗數據檢查 FEA 結果始終是一個好習慣。這有助于確保 FEA 的準確性并提高模擬結果的可信度。

我們工作的其他發現還表明，最大應力將在從動件的球形半徑內產生。這解釋了為什么從動件在凸輪軸高轉速的情況下更容易發生故障。此外，最大接觸壓力將出現在中間的接觸點處，而最小接觸壓力將出現在接觸邊緣處。因此，我們確定了失敗風險最大的領域。

原始文獻：

Kumar Vardaan, Paras Kumar,

Tribological parameters analysis of cam and follower pair used in IC engine using ANSYS,

Materials Today: Proceedings,

2023,

,

ISSN 2214-7853,

https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.05.525.

(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214785323031607)

聲明：部分圖片轉自網絡，如有不當、涉及侵權請聯系我們刪除。歡迎分享，禁止私自轉載，轉載請聯系我們。

文章來源：本碩博工程師俱樂部