球軸承對凸輪軸摩擦力的影響研究

王冠 段超陽

摘要：在可預見的將來，內燃機仍然是主要的汽車驅動力來源。隨著油耗法規的不斷嚴苛，持續提升內燃機熱效率十分必要，發動機減摩是降低油耗提高熱效率的主要途徑之一，其中，凸輪軸采用球軸承替代滑動軸承是發動機減摩的重要研究方向。本文以我司1.5T直列4缸發動機為研究對象，通過改變凸輪軸頭端軸承類型來研究球軸承對凸輪軸轉動摩擦力的影響，實驗結果表明，加裝球軸承后，凸輪軸的轉動扭矩在低速工況下有一定的改善，中高速工況滑動軸承摩擦力更小。

Abstract： In the foreseeable future， the internal combustion engine will still be the main driving force of automobile. With the increasingly stringent fuel consumption regulations， it is necessary to continuously improve the thermal efficiency of internal combustion engine. Engine friction reduction is one of the main ways to reduce fuel consumption and improve thermal efficiency. Among them， the use of ball bearing instead of sliding bearing for camshaft is an important research direction of engine friction reduction. Taking our 1.5T in-line 4-cylinder engine as the research object， this paper studies the influence of ball bearing on the rotational friction force of camshaft by changing the type of bearing at the head end of camshaft. The experimental results show that the rotational torque of camshaft is improved in low speed condition， and the friction force of sliding bearing is smaller under medium and high speed conditions.

關鍵詞：發動機;凸輪軸;降摩擦;球軸承

Key words： engine;camshaft;friction reduction;ball bearing

中圖分類號：U464.134+.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）05-0001-04

0? 引言

雖然目前汽車的動力來源呈現多樣化的趨勢，但是近期內燃機驅動在成本和可靠性方面仍然有著不可比擬的優勢。

隨著油耗法規要求的不斷提高，內燃機的熱效率必須得到持續的提升。在內燃機正常工作過程中，機械摩擦損失占到燃料能量的4～15%，配氣機構摩擦損失在整機中占有相當大的比重[1]。因此，進行配氣機構凸輪軸減磨措施的研究與應用，對提高整機熱效率、降低油耗具有重要的意義。

根據摩擦學理論知識，滾動摩擦損失比滑動摩擦損失低一個數量級，因此理論上來講，如果將凸輪軸的滑動軸承替換為滾動軸承，可以大幅降低配氣系統的摩擦功損失。近年來，相關的研究和應用相繼出現，但是由于發動機的高度集成性和結構復雜性，結果各不相同[2-4]。

為了探究凸輪軸球軸承的對汽車發動機減摩擦的作用，以及影響球軸承對配氣系統減磨效果的因素，本文首先介紹凸輪軸及軸承相關內容，之后以我司的1.5L直列4缸發動機為研究對象，采用改變凸輪軸頭端軸承類型以及止推方式的方法，通過實驗驗證凸輪軸球軸承的應用對發動機減摩擦的貢獻，并探究影響減磨效果的因素。

1? 凸輪軸及軸承介紹

1.1 凸輪軸

凸輪軸是發動機配氣機構的重要組成部分，包括進氣凸輪軸和排氣凸輪軸，其主要功能是驅動氣門的開啟和關閉，保證發動機吸入新鮮空氣并排出廢氣。目前市場上主流發動機均采用頂置氣門和頂置凸輪軸的設計，凸輪軸直接驅動或者通過搖臂驅動氣門，這樣的設計機構緊湊，系統剛度高，能夠滿足乘用車汽油機配氣系統的高轉速、高效率、低噪音需求。

1.2 滑動軸承

滑動軸承即在滑動摩擦下工作的軸承。滑動軸承結構簡單，承載力大，工作可靠，振動噪聲小，是目前發動機設計中常見的主軸承。滑動軸承的摩擦阻力取決于潤滑油的粘度，滑動工作面的材料以及表面粗糙度。在發動機中，滑動軸承一般需要強制機油潤滑，增大機油泵的功率，從而消耗發動機熱效率。

1.3 滾動軸承

滾動軸承一般由內外滾道、滾動體和保持架組成，類型可以分成兩種：球軸承和滾針軸承。深溝球軸承是滾動軸承中最常見的一種軸承，可以承受徑向和軸向雙向載荷，適用于高轉速，低振動沖擊的工作條件，在發動機附件上有較多的應用;滾針軸承的滾動體一般為長徑比在3～10之間的滾針，具備較大的徑向載荷承受能力，不承受軸向載荷。

2? 凸輪軸球軸承的應用

2.1 凸輪軸結構

以我司某1.5T 4缸直列發動機為研究對象，該發動機每個氣缸各有兩個進氣門和排氣門，其中排氣門略大于進氣門。每個氣缸對應的兩個凸輪之間有一個滑動軸承，凸輪軸頭端有一個滑動軸承，若凸輪軸尾端有油泵凸輪或者其他零件，相應的增加一個軸承。如圖2所示，該發動機進排氣凸輪軸各有6個滑動軸承。

為控制凸輪軸的軸向移動，需要設計凸輪軸的止推結構。滾針軸承無法承受軸向載荷，所以采用標準化深溝球軸承取代凸輪軸上的止推結構，球軸承內圈與凸輪軸頭部過盈配合，采用壓裝的方式將球軸承內圈壓至與軸肩貼合如圖3所示。球軸承外圈與分體式軸承座過盈配合，由此控制凸輪軸的軸向移動，并防止球軸承跑圈。

2.2 球軸承游隙控制

凸輪軸頭端第一檔軸頸上的油孔為VVT供油道，所以軸承直徑與軸承座直徑有配合要求，不易更改。為確保在安裝球軸承的狀態下，第一檔軸頸不參與工作，需要嚴格控制球軸承游隙。發動機正常工作狀態下，機油溫度在90℃左右，在這個溫度下，要保證球軸承游隙小于第一檔軸頸的軸頸間隙。表1為游隙調查結果。

從結果可以看出，在不考慮軸承座同軸度的情況下，90℃時實際游隙小于第一檔軸頸的軸頸間隙值，理論上由球軸承支撐凸輪軸旋轉，不存在第一檔軸頸滑動摩擦情況。

2.3 球軸承過盈量調查

出于輕量化的需求，目前軸承座材料為鋁合金，發動機的工作溫差較大，從表2可以看出[5]，鋁合金材料與合金鋼材料的膨脹系數有較大差別，合金鋼之間的線膨脹系數差別不大，所以需要額外考慮球軸承外圈與軸承座過盈量隨溫度變化，以防止球軸承外圈跑圈。

由實際過盈量計算得出，球軸承實際最高適配溫度約為86-93℃，和發動機穩定運行溫度90℃幾乎一致，拆機后復檢球軸承未發現跑圈現象。（表3）

3? 凸輪軸摩擦力對比試驗

為探究凸輪軸在加裝球軸承前后摩擦力的差異，需要通過測量有無球軸承所帶來的轉動扭矩的差異來實現。為了使試驗結果更具有參考意義，制定合理的試驗策略必不可少。

3.1 凸輪軸止推工裝

因滾動軸承具有軸向止推的功能，所以在設計之初為了簡化凸輪軸結構，并未專門設計止推結構。因此在凸輪軸頭端為滑動軸承情況下，需要設計專門的止推工裝來控制凸輪軸的軸向躥動。止推工裝設計有兩種方案。

第一種是類似于球軸承結構的止推工裝，該工裝進排氣凸輪軸均可使用，如圖4所示：該工裝分為內環和外環兩個部分，內環跟隨凸輪軸轉動，兩者過盈配合，需要將內環壓裝到凸輪軸上并與軸肩貼合;外環與分體式軸承座過盈配合，處于固定狀態。

如圖5所示，止推工裝的外環和內環間隙配合，軸承座和內環間隙配合，從而達到限制內環左右躥動的目的。內環可左右移動的理論距離為0.225mm，這也是球軸承的軸向游隙。內外環之間在徑向方向有較大的間隙，該間隙一定大于頭端滑動軸承的軸頸間隙，能夠確保在工裝安裝狀態下，內外環在徑向方向不接觸，頭端滑動軸承處于工作狀態。

如圖6所示，第二種是采用凸輪軸尾端軸頸套裝止推工裝的方法，該工裝只能用于進氣凸輪軸，排氣凸輪軸由于油泵凸輪遮擋無法使用該工裝。

如圖7所示，工裝由兩個同規格的止推環組成，該止推環與凸輪軸鋼管過盈配合。在裝止推環之前，需要將信號輪拆下，兩止推環與軸承座為間隙配合，通過調整止推環間隙的大小來控制凸輪軸的軸向竄動量。

3.2 試驗臺架

將發動機的缸蓋、凸輪軸罩蓋、前罩蓋、進排氣凸輪軸裝到配氣機構試驗臺上，不安裝搖臂、氣門等零部件。通過電機直接驅動進氣凸輪軸或者排氣凸輪軸，并在驅動過程中測量驅動扭矩。臺架采用外部設備供油，機油溫度可在20-130之間調節，油壓可在0.5-5bar之間調節。試驗臺架如圖8所示。

3.3 試驗方案

試驗采用標號為0W-20的機油，外部供油設備以恒定壓力P供油。凸輪軸轉速的設定參照發動機轉速范圍區間，從660～6000rpm，所以凸輪軸轉速工況點設定為330rpm，500rpm，750rpm，1000rpm，……，3000rpm，總共12個轉速工況點，每輪實驗均采集這12個轉速工況點的扭矩數據。

摩擦力的影響因素有很多，其中機油粘度是主要因素之一。在機油標號確定的情況下，機油粘度主要受機油溫度的影響，為此，在設計實驗工況時，要考慮到設定不同的機油溫度進行對比試驗。發動機正常工作情況下，其溫度穩定在90℃左右，因此試驗將設定機油溫度為40℃和90℃兩種工況。

由于頭端止推工裝的外環與分體式軸承座是過盈配合，軸承座在過盈配合狀態下產生的形變，有可能會對凸輪軸的摩擦扭矩帶來不利的影響，因此需要開展兩種止推工裝下凸輪軸轉動扭矩的對比試驗。

為了提高試驗效率，試驗一共分成四輪做完。第一輪試驗進排氣凸輪軸全部壓裝球軸承上臺架，設定機油溫度為40℃，分別驅動進氣凸輪軸和排氣凸輪軸，得到40℃油溫下的實驗數據;第二輪試驗將機油溫度提升到90℃，重復第一輪試驗的內容;之后將臺架拆開，進氣凸輪軸更換尾端止推工裝，排氣凸輪軸更換頭端止推工裝，再將臺架重新安裝好;第三輪和第四輪試驗工況設定參照第一和第二輪試驗。

4? 曲軸轉動扭矩對比試驗及結果分析

4.1 油溫對比

FMEP（Friction Mean Effective Pressure），即摩擦平均有效壓力，其單位是bar，與轉動扭矩的換算關系為：

1bar=12Nm。

通過4輪試驗得到相關結果如圖9所示，圖9中轉速為發動機轉速，數據位排氣凸輪軸的數據，非球軸承狀態下均為頭部止推方式。

當機油溫度為40℃時，根據安裝球軸承與安裝頭端止推工裝的實驗結果，無論是哪種軸承，隨著曲軸轉速的增高，相應的摩擦扭矩都在增大。低轉速時，球軸承的摩擦扭矩小于滑動軸承，隨著轉速的提高，球軸承摩擦扭矩上升速度大于滑動軸承，轉速以2200rpm為轉折點，轉速超過2200rpm以后，滾動軸承的摩擦阻力大于滑動軸承。

當機油溫度為90℃時，與40℃油溫時相比，隨著轉速的升高，轉動扭矩先下降，后升高，除此之外，高油溫時，隨著轉速的升高，其轉動扭矩上升的速度要小于低油溫。以2200rpm為分界線，低于這個轉速時，球軸承摩擦阻力較小，高于這個轉速后，滑動軸承摩擦阻力更小，這點趨勢和低油溫時相同。

兩種油溫下對試驗結果進行分析，低油溫時，轉動扭矩隨轉速增加的速度要大于高油溫。高溫下機油粘度低，油膜厚度較低，在低轉速下，較薄的油膜厚度不利于軸承的潤滑，隨著轉速的升高，較薄的油膜厚度和較低的機油粘度反而有利于減小滑動軸承和滾動軸承的摩擦阻力。

4.2 止推方式對比

在機油溫度均為90℃的情況下，不同止推方式的試驗結果如圖10所示。

兩種凸輪軸的轉動扭矩相比較從數值上來看，采用尾端止推工裝的進氣凸輪軸轉動扭矩更小。除此之外，尾端止推方式的凸輪軸的轉動扭矩并沒有出現隨轉速增大先降低后升高的情況。

如圖2所示，進氣凸輪軸與排氣凸輪軸主要結構、材料以及加工工藝完全相同，軸徑數量與參數也相同，軸承座沒有區別，兩者唯一的區別在于止推方式不同，那么可以認為是由于止推方式的不同導致兩者轉動扭矩的差異。

頭端止推工裝外環與軸承座過盈配合，分體式軸承座為鋁合金材料，擋軸承座螺栓打緊后，軸承座頭端受到較大的脹大力，從而導致軸承座發生形變，在這種情況下，頭端第一檔軸徑孔的同軸度會變差，從而使凸輪軸轉動摩擦力變大，尾端止推不存在這種情況。另外也不排除由于零部件自身尺寸原因而導致這樣的結果。

由圖10還可以看出，與圖9中的趨勢一樣，以2200rpm為分界線，低于該轉速時，加裝球軸承的凸輪軸轉動扭矩較小，高于該轉速后，加裝球軸承的凸輪軸轉動扭矩反而偏大。對試驗結果進行對比分析，認為這樣的結果與機油溫度、軸承類型以及止推方式無關，初步排查后，認為這樣的結果有可能與機油泄漏量有關。在油壓P下，高壓機油會從第一檔軸徑間隙中噴出，噴出的機油直接流向球軸承，并從球軸承內外滾道之間泄露出去，滾珠在內外滾道之間滾動，隨著轉速的提高，大量的機油會成為滾珠滾動的阻力，這是導致高轉速下球軸承摩擦功反而大于滑動軸承摩擦功的主要原因。為驗證該猜想的正確性，后續將設計組織相關試驗。

5? 總結

本文以我司一款1.5T直列4缸發動機為研究對象，為探究影響凸輪軸摩擦功的影響因素，設計了兩種凸輪軸止推工裝，用帶替代球軸承的止推功能，在此基礎上，利用配氣機構臺架完成了有無球軸承狀態下的凸輪軸轉動扭矩的對比試驗。由實驗結果得出以下結論：

①凸輪軸的摩擦功受機油粘度的影響，一定程度上，機油粘度越高，凸輪軸轉動扭矩隨轉速上升的也就越快，同轉速下，機油粘度相應的轉動扭矩也會比較大;若機油粘度過低，有可能會導致油膜厚度過小，低速下不利于凸輪軸減磨。

②在本文的試驗結果中，轉速在2000rpm以下時，球軸承轉動扭矩小于滑動軸承，超過2500rpm以后，滑動軸承的轉動扭矩反而小于滾動軸承，即在低轉速工況下，安裝球軸承對凸輪軸減磨擦有一定的效果。

參考文獻：

[1]李明杰，吳楚.滾動軸承在發動機凸輪軸上的研究與應用[J].內燃機，2018（6）：18-21.

[2]謝井紅，孟祥慧，謝友柏，等.汽車發動機主軸承滾動化可行性分析[J].機械設計與研究，2015，31（3）：81-86.

[3]Tuckmantel Nonato Silva. The Application of Camshaft Rolling Element Bearings as A Solution for CO2 Emission Reduction on Internal Combustion Engines[R].SAE Technical Paper 2012-36-0254，Warrendale，Pa： SAE，2012.

[4]Stewart Mackay. Comparison Between Journal and Rolling Element Bearings in A Camshaft Application[R].SAE Technical Paper 2012-01-1324，Warrendale，Pa： SAE，2012.

[5]秦大同，謝里陽.現代機械設計手冊，第一卷[M].2版.北京：化學工業出版社，2019.