【摘要】：缸套-活塞環(huán)系統(tǒng)的潤(rùn)滑減摩與機(jī)油消耗是內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排的關(guān)鍵,一方面減小摩擦可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率,另一方面需同時(shí)降低機(jī)油消耗以減少顆粒物的排放。因此,對(duì)缸套-活塞環(huán)摩擦副進(jìn)行低摩擦、低機(jī)油耗設(shè)計(jì)顯得尤為重要。隨著表界面科學(xué)的不斷發(fā)展,在機(jī)械表面利用微納加工手段加工出規(guī)則微觀形貌的表面織構(gòu)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,其在內(nèi)燃機(jī)缸套-活塞環(huán)摩擦系統(tǒng)中具有巨大的應(yīng)用潛力。由于缸套-活塞環(huán)運(yùn)行工況的變動(dòng),一個(gè)工作循環(huán)中存在多種潤(rùn)滑狀態(tài),因此需考慮不同潤(rùn)滑狀態(tài)下的潤(rùn)滑減摩需求,本文探討了在缸套表面不同行程區(qū)域差異織構(gòu)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。本文基于某四缸汽油機(jī),首先建立了織構(gòu)化缸套-活塞環(huán)潤(rùn)滑摩擦模型和機(jī)油消耗模型,研究凹坑織構(gòu)陣列模式、幾何尺度和空間分布對(duì)該摩擦副潤(rùn)滑性能和機(jī)油消耗性能的影響。理論計(jì)算結(jié)果表明,與其他凹坑排列方式相比,方形排列的油膜壓力峰值較大,且壓力分布區(qū)域更大且更均勻,具有最佳的潤(rùn)滑摩擦性能,這一結(jié)論也得到了發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖試驗(yàn)的驗(yàn)證;基于此種排列方式,根據(jù)協(xié)同優(yōu)化缸套-活塞環(huán)的摩擦和機(jī)油消耗的設(shè)計(jì)要求,確定最佳凹坑尺寸為半徑25μm、深度8μm、面積占有率5-10%。其次,根據(jù)活塞環(huán)行程不同位置的不同減摩潤(rùn)滑需求,進(jìn)行缸套分區(qū)織構(gòu)的理論研究,確定了分區(qū)差異織構(gòu)的設(shè)計(jì)思路,即在低速高載荷的著火上止點(diǎn)附近,以提高油膜厚度減小微凸體摩擦為設(shè)計(jì)目標(biāo),而在高速低載荷的行程中部區(qū)域,則以降低摩擦功耗為設(shè)計(jì)目標(biāo)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在缸套上止點(diǎn)附近區(qū)域內(nèi)加工面積占有率為10%的微凹坑,而在行程中部區(qū)域加工面積占有率為5%的微凹坑,可以獲得較好的潤(rùn)滑和減摩效果。再次,利用激光微織構(gòu)手段加工了不同織構(gòu)缸套試樣,并進(jìn)行了缸套-活塞環(huán)基礎(chǔ)摩擦學(xué)性能測(cè)試,通過(guò)快速采樣獲得循環(huán)摩擦力的瞬態(tài)變化,試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了表面織構(gòu)能夠在不同潤(rùn)滑狀態(tài)之下降低缸套-活塞環(huán)副的摩擦力。與機(jī)械珩磨缸套相比,全程一致織構(gòu)缸套流體潤(rùn)滑狀態(tài)下的平均摩擦系數(shù)在不同載荷下分別降低了約18.6-37.6%,而邊界和混合潤(rùn)滑狀態(tài)下的平均摩擦系數(shù)在不同載荷下分別降低了約1.8-6.1%。對(duì)于分區(qū)差異織構(gòu)缸套,在止點(diǎn)附近加工面積占有率10%的凹坑潤(rùn)滑效果優(yōu)于面積占有率5%的凹坑方案,驗(yàn)證了模擬計(jì)算結(jié)果;與珩磨缸套相比,流體潤(rùn)滑狀態(tài)下的平均摩擦系數(shù)在不同載荷下分別降低了約23.5-40.1%,而邊界和混合潤(rùn)滑狀態(tài)下的平均摩擦系數(shù)在不同載荷下分別降低了約1.9-5.8%,證明了分區(qū)差異織構(gòu)的可行性和適用性。最后,面向減摩和控油協(xié)同優(yōu)化需求,對(duì)缸套表面進(jìn)行功能化分區(qū),激光加工不同缸套分區(qū)織構(gòu)方案,開(kāi)展系列發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架性能試驗(yàn)驗(yàn)證研究。倒拖試驗(yàn)結(jié)果證明在缸套上止點(diǎn)區(qū)域加工面積占有率10%凹坑織構(gòu),并同時(shí)在活塞行程中部加工面積占有率5%凹坑織構(gòu)的缸套織構(gòu)方案,能夠降低整機(jī)摩擦損失,減摩作用與模擬計(jì)算結(jié)果一致。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的分區(qū)差異織構(gòu)方案(上止點(diǎn)區(qū)域加工面積占有率10%的微凹坑,活塞裙部掃過(guò)區(qū)域加工面積占有率5%的微凹坑),其倒拖扭矩在高低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均有下降;并且,在發(fā)動(dòng)機(jī)大部分試驗(yàn)工況下該織構(gòu)方案的燃油消耗率也較低,同時(shí)整機(jī)機(jī)油消耗率也得到了有效降低,實(shí)現(xiàn)了整機(jī)潤(rùn)滑摩擦和機(jī)油消耗的協(xié)同控制和優(yōu)化。
【圖文】：

所建模型基于如圖 2.1 所示的某四缸汽油機(jī)，其主要性能參數(shù)計(jì)算在發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定工況下進(jìn)行，利用 MATLAB 軟件進(jìn)行編程和表 2.1 樣機(jī)結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)Tab.2.1 Structure and main specifications of prototype engine參數(shù)名稱/單位 參數(shù)值汽油機(jī)型式 直列四缸、4 沖程、水冷進(jìn)氣方式 自然吸氣壓縮比 11:1排量 / L 1.243缸徑×行程 / mm 73×74.25連桿長(zhǎng)度 / mm 137.65標(biāo)定功率 / kW 65.5標(biāo)定轉(zhuǎn)速 / r/min 5000潤(rùn)滑型式 飛濺潤(rùn)滑

微凹坑深度 hp/μm微凹坑面積占有率 Sp5-115-20%珩磨缸套表面均方根粗糙度 /μm 0.6缸套織構(gòu)前原始表面均方根粗糙度 /μm 0.2氣環(huán)有效接觸長(zhǎng)度 /mm氣環(huán)桶面高度 /μm氣環(huán)表面均方根粗糙度 /μm氣環(huán)切向彈力 /N氣環(huán)面壓 /MPa1.030.23.50.1潤(rùn)滑油 100℃下運(yùn)動(dòng)粘度/Pa·s 0.01如圖 2.2(a)所示，，沿周向?qū)⒏滋渍归_(kāi)成的平面，其中 X、Y 分別表示沿缸套方向和圓周方向；圖 2.2(b)為缸套-活塞環(huán)配副示意圖，其中，h(x,y,t)為摩擦副瞬時(shí)油膜厚度，c(t)為最小油膜厚度，U 為缸套和活塞環(huán)的相對(duì)滑動(dòng)速度。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TK403

【參考文獻(xiàn)】

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1 符永宏;劉強(qiáng)憲;葉云霞;華�？�;康正陽(yáng);符昊;;同點(diǎn)間隔多次激光微織構(gòu)工藝研究[J];中國(guó)激光;2015年12期

2 尹必峰;錢(qián)晏強(qiáng);汪博文;孫韶;;柴油機(jī)缸套表面織構(gòu)協(xié)同潤(rùn)滑效應(yīng)[J];內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào);2014年02期

3 于海武;鄧海順;黃巍;王曉雷;;微凹坑相對(duì)位置變化對(duì)表面減摩性能的影響[J];中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2011年06期

4 占劍;楊明江;;YAG激光微坑刻蝕分布對(duì)缸套-活塞環(huán)摩擦磨損性能影響[J];內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào);2011年01期

5 王虎;孫軍;趙小勇;桂長(zhǎng)林;;內(nèi)燃機(jī)缸套失圓對(duì)缸內(nèi)機(jī)油消耗的影響[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2011年02期

6 符永宏;陸華才;華�？�;尹必峰;陶根寧;;激光微珩磨缸套潤(rùn)滑耐磨性能理論分析[J];內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào);2006年06期

本文編號(hào)：2670020