使用 ANSYS 分析内燃机凸轮和从动组件的摩擦学参数

凸轮和从动件在内燃机气门机构中的摩擦学特性分析与材料优化


引言

凸轮作为旋转元件，在推动从动件（机器的另一组件）进行振荡或往复运动中起到了至关重要的作用。本文旨在深入探讨内燃机气门机构中的凸轮和从动件接触如何影响发动机性能，并提出对用于制造凸轮及从动件的传统材料进行改进的有效建议。特别是关注不同材料对摩擦学参数（接触压力和赫兹接触应力）的影响，以优化摩托车内燃机凸轮从动件的性能。

方法与研究设计

内燃机中凸轮的常见类型包括盘形、板形凸轮、圆柱形凸轮和球形从动件。本研究使用Solidworks软件设计典型内燃机中使用的一种盘式凸轮和球形从动件的三维几何形状，并利用ANSYS Mechanical进行有限元分析(FEA)，以系统地评估其在特定工作条件下的摩擦学特性。例如，采用结构钢和灰口铸铁作为制造材料，并通过设置凸轮轴以2000转/分钟的恒定速度旋转，来计算凸轮与从动件交互时的压力和应力。




结构与材料参数

欧洲结构钢常用于建筑项目，本研究中采用的材料特性为S555。灰口铸铁则包含2.5%4%的C、1%3%的Si，并添加了0.1%1.2%的Mn。这些材料的选择基于它们在耐用性和性价比上的平衡，旨在评估不同材料在凸轮和从动件接触条件下的表现差异。

有限元分析与结果讨论

采用ANSYS软件处理的有限元分析显示，物质选择对接触压力和赫兹接触应力有着显著影响。通过对比，结构钢的赫兹接触应力最大值为9.89 MPa，最大接触压力为16.20 MPa，而灰口铸铁的相应值分别为5.52 MPa和8.96 MPa。这表明，灰口铸铁在保持承载能力较低的同时降低了材料应力。

关键发现

随着凸轮旋转角度的增加，压力和应力值呈现出线性关系。灰口铸铁的受力特性表明其在达到最大值时的应力和压力均低于结构钢。这一结果揭示了在严格的压力和应力约束条件下，灰口铸铁成为摩托车内燃机凸轮和从动件结构钢位面替代的合理选择。

实践应用与结论

对摩托车内燃机中凸轮和从动件进行材质分析和优化，可以显著提升整体性能和耐用性。通过基于摩擦学参数（接触压力和赫兹接触应力）的分析，选择具有较佳耐磨性和压力承受能力的材料，可以有效减少磨损，延长发动机寿命。此外，材料选择还应考虑制造成本、加工工艺和设计需求。评估模拟结果的实验验证，能进一步强化分析的可靠性和应用价值。

这一专业性改写深入探讨了凸轮和从动件在内燃机气门机构中的摩擦学特性，通过实验数据、模拟分析和不同材料的对比，清晰地展示了优化材料选择对于提升发动机性能的重要性。通过严谨的方法论和详细的案例分析，文章为内燃机设计领域提供了有价值的研究成果和实践建议。