表面涂层技术应用于凸轮挺柱的试验研究

作     者：唐其超 

作者单位：北京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周勇

授予年度：2016年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0826[工学-兵器科学与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：凸轮挺柱摩擦副 涂层技术 摩擦学试验 应用分析 

摘      要：凸轮挺柱是发动机配气机构的基础部件,承担着按气缸工作循环和点火顺序要求打开或关闭各气缸的进、排气门,确保发动机换气过程达到最佳的重要任务。凸轮挺柱摩擦副是发动机里面的三大摩擦副之一,其复杂的工况及其摩擦磨损情况在很大程度上决定着发动机的使用寿命。随着发动机功率密度的日益提高,凸轮挺柱摩擦副工作于大接触应力、润滑不足、强烈震动等复杂工况之下,其摩擦副表面的摩擦磨损问题已经成为保证发动机使用寿命的重要课题。本文以装甲车辆高功率密度发动机的凸轮挺柱摩擦副为研究对象,在发动机配气机构工作原理分析的基础上,着重分析了凸轮挺柱摩擦副的失效机理,对其工作循环中的接触应力进行了理论分析。通过配气机构的单质量运动学模型分析,获取了计入配气机构弹性变形因素挺柱的位移、速度、加速度等运动规律,得到了凸轮挺柱间的接触力与接触应力随凸轮转角的变化规律。以此为依据,进一步进行了凸轮挺柱摩擦副的摩擦学分析,明确了改进该摩擦副摩擦学性能的表面结构设计要素。尝试通过表面涂层技术来强化和改善凸轮挺柱摩擦副表面的摩擦学性能是本论文研究的核心内容。分别采取WC-12Co涂层制备和Ni Cr-CrC涂层制备两种工艺对凸轮挺柱摩擦副试件进行表面涂层处理,以期同时解决摩擦副表面耐磨与减摩的问题。按照“四因素三水平正交试验的要求制作了六组试件,以获得试件的金相组织观测、材料性能分析为基础,确认了以超音速火焰喷涂的方法制备WC-12Co耐磨涂层,以激光熔覆方法制备Ni Cr-CrC减摩涂层的有效应用。进一步,以凸轮挺柱摩擦副的实际工况分析和模拟为依据,对凸轮挺柱摩擦副的摩擦学试验进行试验设计,并运用MRH-3高速环块磨损试验机对凸轮挺柱的磨损过程进行磨损试验,对比测试了两种涂层四种表面的摩擦系数。试验表明,采用WC-12Co的耐磨涂层制备比采用Ni Cr-CrC减摩涂层技术所制作的摩擦副表面试件更能有效地降低摩擦系数、增强表面的耐磨性能,并对提高凸轮挺柱摩擦副使用寿命起到明显的应用效果。