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TiAl合金发动机配气机构动力学仿真与摩擦学特性研究
| 论文题名： | TiAl合金发动机配气机构动力学仿真与摩擦学特性研究 |
| 关键词： | 配气机构;凸轮轴;动力学仿真;TiAl合金;摩擦学特性;汽车发动机 |
| 摘要： | 随着汽车工业的进步，发动机技术越来越朝着节能减排的方向发展，轻量化设计是必然趋势。配气机构是发动机的重要构件，工作在高速高温环境下对关键零件凸轮轴磨损严重。急需制备在高温环境下具有自润滑特性的新型材料来解决凸轮轴的磨损失效问题。新型TiAl材料比重轻、强度高，高温下仍能保证较高强度和刚度，同时具有良好的抗蠕变和极高的抗氧化性;自润滑组分的添加使得其在高温下具有自润滑作用，能减轻摩擦磨损，是传统材料的理想替代材料。 本文制备新型TiAl合金，通过试验研究了新材料的摩擦学特性，通过仿真研究了新型TiAl合金作凸轮轴材料配气机构的动力学特性，认为新材料能够满足配气机构的使用要求，有利于配气机构的轻量化设计。 本文以Ti44Al2Cr8Nb3V0.5B0.5Al2O3为基体，添加固体润滑剂BaF2-CaF2(62∶38)共晶体制备了新型TiAl材料。测得其密度为3.545g/cm3，与凸轮轴传统材料相比，相同尺寸零件重量减轻50％以上;测得其洛氏硬度为55HRC，硬度值较高，符合使用要求。对试件进行摩擦磨损试验，结果发现新型TiAl材料摩擦系数高温下比室温下低，新型TiAl材料更适用于高温工况。摩擦系数在常温与高温下变化趋势一致，随转速、载荷的增加而有所降低，但常温下这一趋势更为明显;磨损率随着转速、载荷的增加而增大，但是增大的幅度会降低，高温下这一趋势更为明显。这是因为固体润滑剂在摩擦过程中逐渐析出，起到减小摩擦作用。对材料的自润滑机理做了分析，高温下润滑效果优于常温。对材料磨损机理做了探讨，发现摩擦表面的失效形式主要是疲劳点蚀和粘着磨损。 以单质量模型为例推导了凸轮直接驱动配气机构的解析方程，给出其解析方法;根据赫兹接触理论推导了凸轮接触应力校核公式。对凸轮轴做了模态分析，研究表明材料不会影响模态振型变化，且固有频率不会与发动机激振频率重合，不会产生共振现象。在一定范围内各阶模态固有频率随转速升高而有所降低，随转速进一步升高，各阶固有频率有阶跃性上升。对配气机构做了动力学仿真，结果发现使用新型TiAl材料能减小凸轮挺柱之间接触力;分析挺柱运动规律，其位移、速度、加速度曲线符合设计要求。 |
| 作者： | 栾加航 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 杨丽颖 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 济南大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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