Page 91 - 《摩擦学学报》2020年第3期

第 3 期 王军锋, 等: 基于载荷谱的凸轮机构关键摩擦副优化研究 357

是25 000个运动循环，以此得到试验的柱面试样旋转 摩擦副材料.
圈数：
3 试验结果

 6.52×25000
Cam/Roller : N C = = 3706


 2π×ρ m (2) 3.1 凸轮/滚子摩擦副的摩擦学行为



Roller/Roller shaft : N R = N C /2 = 1853
3.1.1 摩擦系数和磨损特性
其中：滚子的外半径是内半径的2倍，因此假定两个摩 图5(a)是凸轮/滚子摩擦副试验的摩擦系数，图中
擦副在运动中都全程滑动的情况下，滚子/滚子轴摩擦 的摩擦系数是UMT摩擦磨损试验机三维力传感器采
副的摩擦行程为凸轮/滚子的一半，所以有N =N /2. 集到的切向力与正压力之商，图5(b~d)是平面试样(滚
C
R
另外，在实际工况中，两个摩擦副不会都全程滑动，所 子材料)磨损特性表征. 据图可知，3种摩擦副材料在
以设定循环圈数减半的试验，作为对照试验，即 相对滑动过程中，在100 s以内其摩擦系数快速增加，
N =N /2=1853，N =N /2=927. 这是因为表面吸附膜的破坏 ，而后进入稳定状态.
[14]
R2
C
R
C2
根据图4所示的机构的凸轮/滚子相对滑动速度示 在稳定阶段，A1组摩擦副材料的摩擦系数最低，A2和
意图求得试验转速n，在凸轮和滚子相对滑动的情况 A3组接近. 从摩擦系数方面分析，A1组的滚子材料具
下，滚子相对凸轮的滑动速度为v ，对应的试验转速为 有最佳的减缓机构阻力矩增势的效果. 然而，根据
r
(3) 图5(b~c)的磨痕轮廓可知，A2组的滚子材料相对凸轮
n C = |v r |/ρ m
在滚子和滚子轴相对滑动的情况下，其对应的试 材料具有最佳的耐磨性，A1和A3接近. 根据表1，A1的
验转速为 滚子材料022Cr12Ni9Cu2NbTi和A3的滚子材料90Cr
18MoV具有接近的硬度，而A2的滚子材料1Cr18Ni9Ti
n R = n C /2 (4)
硬度较低. 根据Archard理论及其修正 [15-18] ，材料的抗
其中|v |根据图4所示的示意图求得：
r
磨损能力与硬度具有正相关关系，且与材料的塑性、
√
2
2
|v r | = |v a | +|v e | −2×|v a |×|v e |×cosα (5) 脆性等其他属性相关. 对于1Cr18Ni9Ti这种较软的材
其中：v 为滚子上与凸轮接触点(牵连点)的绝对速度， 料，其低的磨损量可能与其高韧性有关系.
a
v 为其牵连速度，α为v 和v 的矢量夹角，v 、v 和α根据 3.1.2 磨损机理
a
e
e
a
e
图2(a)的凸轮转动轴运动规律和机构尺寸求得. 结合 图6是A1组滚子材料的磨痕SEM和EDS表征. 根
试验设备，设定凸轮/滚子摩擦副的试验转速n =60 r/min， 据图6(a~b)可知，半程试验后，滚子材料022Cr12Ni9Cu2
C
NbTi表面具有明显的刮痕(Point1处)和颗粒黏着物
滚子/滚子轴摩擦副的试验转速n =30 r/min.
R
(Point2处). 刮痕处的成分比重接近滚子本身材料的成
每组试验进行3次，取其数据平均值作为最终数
分比重，说明此处发生磨粒磨损；颗粒黏着物处含有
据. 试验结束后，采用JSM6610LV扫描电子显微镜观
较多的Ti、Fe和O，说明此处含有凸轮材料的黏着，发
察磨痕表面形貌和成分以分析磨损机理，使用白光干
涉仪测得平面试样的磨痕轮廓以分析磨损程度. 最 生氧化黏着磨损.
根据图6(c~d)可知，全程试验后，滚子材料上布满
终，结合摩擦系数、磨损程度和磨损机理，选择最佳的
了黏着层(Point3处)和粗糙的剥层颗粒(Point4处)，这
两处均含有大量的Ti和O，说明此时滚子材料表面完
Follower shaft 全被凸轮材料的氧化物黏着. 在A1组的凸轮和滚子材
料按照与机构实际工作下的载荷、滑动速度和行程相
同的试验中，主要发生黏着磨损，凸轮材料(硬度较
r f
v r
低)氧化黏着于滚子材料(硬度较高)之上，符合Archard
α
r c 的理论.
v a
图7是A2组滚子材料的SEM和EDS表征. 无论是
半程试验还是全程试验后的滚子材料，其表面均具有
v e
明显的挤压覆层，并且覆层处包含大量的Ti和O，而滚

Fig. 4 Relative slide speed schematic of the cam/roller 子材料1Cr18Ni9Ti只有<0.8%的Ti，所以，当1Cr18Ni9Ti
图 4 凸轮/滚子相对滑动速度示意图 与TC4发生滑动摩擦时，TC4的氧化物极大程度地黏