【摘要】：摩擦損失是發(fā)動(dòng)機(jī)能量損耗的主要原因之一，降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失對(duì)于汽車節(jié)能減排具有重要意義。如何有效降低汽車發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失，已經(jīng)成為各大汽車企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)的重要研究方向。本文通過數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，詳細(xì)分析發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)摩擦損失影響，利用系統(tǒng)摩擦學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)及類金剛石薄膜沉積相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)降低摩擦損失及燃油消耗。 首先，基于流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論與多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，建立發(fā)動(dòng)機(jī)最重要摩擦副活塞-缸筒系統(tǒng)、活塞環(huán)-缸筒系統(tǒng)、曲軸-軸承系統(tǒng)摩擦學(xué)仿真分析模型，并在此基礎(chǔ)上，開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)摩擦學(xué)工程應(yīng)用分析軟件，分析摩擦副間油膜壓力、最小油膜厚度、摩擦力及摩擦損失等摩擦性能參數(shù)。 利用摩擦學(xué)分析軟件分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)及缸體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響，分析結(jié)果如下：活塞裙部主副推力側(cè)橫向型面及縱向型線對(duì)摩擦損失都有明顯影響，主推力側(cè)影響略大。適當(dāng)減小裙部橫向型面，對(duì)油膜厚度沒有明顯影響；使裙部型線中凸點(diǎn)與活塞銷中心線之間保持合理的距離，可以控制活塞的橫向運(yùn)動(dòng)從而降低摩擦損失。適當(dāng)調(diào)整活塞-缸筒之間間隙，可以降低摩擦損失，但對(duì)油膜有明顯影響�；钊h(huán)高度及彈力對(duì)摩擦損失有明顯影響，活塞環(huán)軸向高度對(duì)沖程中間點(diǎn)最小油膜厚度影響較大，但不改變流體潤(rùn)滑的性質(zhì)，對(duì)上止點(diǎn)附近的最小油膜厚度影響不大，活塞環(huán)彈力降低對(duì)最小油膜厚度影響不大。軸承寬度、直徑及曲軸軸承間隙對(duì)摩擦損失有明顯影響，改變軸承結(jié)構(gòu)后，隨轉(zhuǎn)速的降低，最大油膜壓力升高。缸筒表面粗糙度對(duì)摩擦損失有重要影響。 在摩擦學(xué)仿真分析的基礎(chǔ)上，對(duì)自主CA4GA發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行摩擦學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)摩擦學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)包括：減少活塞裙部寬度，提高活塞裙部縱向型線中凸點(diǎn)；降低活塞環(huán)組彈力及高度，改變油環(huán)結(jié)構(gòu)；降低曲軸主軸承寬度，增加曲軸主軸承間隙。對(duì)缸體摩擦學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)包括：通過調(diào)整珩磨設(shè)備加工工藝參數(shù)及更換珩磨刀具等措施，降低缸筒網(wǎng)紋表面粗糙度；減少缸蓋螺栓力對(duì)缸筒變形影響，降低缸筒變形；減少曲軸箱內(nèi)部缸間氣體流動(dòng)對(duì)摩擦損失影響，在缸體下部增加缸間通風(fēng)孔，對(duì)缸體進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。對(duì)配氣機(jī)構(gòu)摩擦學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)包括：降低氣門彈簧預(yù)緊力及剛度，并進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析；在鏈條導(dǎo)軌表面開槽以減少潤(rùn)滑區(qū)接觸面積，改進(jìn)鏈條結(jié)構(gòu)并降低表面粗糙度，降低鏈條張緊器剛度。 采用真空磁控濺射方法制備發(fā)動(dòng)機(jī)DLC薄膜挺柱、活塞環(huán)及活塞銷，分析DLC薄膜性能，DLC薄膜可以明顯提高發(fā)動(dòng)機(jī)零件表面硬度，通過適當(dāng)過渡層可以使DLC薄膜與發(fā)動(dòng)機(jī)零件間的結(jié)合力滿足發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求。DLC薄膜在流體潤(rùn)滑條件下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零件摩擦系數(shù)幾乎沒有影響；在邊界潤(rùn)滑及混合潤(rùn)滑狀態(tài)下，可以明顯降低發(fā)動(dòng)機(jī)零件摩擦系數(shù)，且摩擦系數(shù)隨著載荷的升高而降低。發(fā)動(dòng)機(jī)零件沉積DLC薄膜后對(duì)表面粗糙度影響不大，可以明顯提高發(fā)動(dòng)機(jī)零件表面耐磨損性能。建立配氣機(jī)構(gòu)電動(dòng)反拖試驗(yàn)臺(tái)架分析DLC薄膜挺柱對(duì)配氣機(jī)構(gòu)摩擦損失的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱表面沉積DLC薄膜后，可以明顯降低配氣機(jī)構(gòu)的摩擦損失，在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，平均降低10%左右。 利用拆除法反拖摩擦損失測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)量低摩擦發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)各系統(tǒng)及整機(jī)摩擦損失，分析發(fā)動(dòng)機(jī)各零件結(jié)構(gòu)參數(shù)及DLC薄膜對(duì)摩擦損失影響。在低負(fù)荷條件下，活塞裙部潤(rùn)滑接觸面積及縱向型線的變化對(duì)摩擦損失影響不大，平均降低曲柄連桿機(jī)構(gòu)摩擦損失3.6%；軸承寬度及軸承間隙的變化對(duì)摩擦損失影響不大，平均降低曲柄連桿機(jī)構(gòu)摩擦損失2.3%；活塞環(huán)彈力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失有重要影響，，平均降低曲柄連桿機(jī)構(gòu)摩擦損失12.3%。綜合對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)摩擦學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以明顯降低摩擦損失。曲軸箱內(nèi)缸間氣體流動(dòng)對(duì)機(jī)械損失有明顯影響，在缸壁上增加缸間通風(fēng)孔可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失。氣門彈簧彈力對(duì)配氣機(jī)構(gòu)摩擦損失有明顯影響，平均降低配氣機(jī)構(gòu)摩擦損失2.3%；鏈條張緊器彈力對(duì)配氣機(jī)構(gòu)摩擦損失沒有影響；鏈條結(jié)構(gòu)及表面粗糙度對(duì)配氣機(jī)構(gòu)摩擦損失有明顯影響，平均降低配氣機(jī)構(gòu)摩擦損失16.8%；鏈條導(dǎo)軌表面潤(rùn)滑接觸區(qū)域?qū)ε錃鈾C(jī)構(gòu)摩擦損失有明顯影響，平均降低配氣機(jī)構(gòu)摩擦損失10%。對(duì)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)摩擦學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以明顯降低其摩擦損失。發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及DLC薄膜技術(shù)相結(jié)合的方法可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失，且在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都起作用，摩擦損失降低值恒定，不隨轉(zhuǎn)速變化。 利用臺(tái)架性能試驗(yàn)測(cè)量低摩擦發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)動(dòng)力性能及燃油消耗性能，分析發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失對(duì)動(dòng)力性能及燃油消耗性能的影響。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)運(yùn)用系統(tǒng)摩擦學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)及DLC薄膜技術(shù)后，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)摩擦損失降低17.1%。整機(jī)摩擦損失降低后，可以有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能，降低比油耗2.5%。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TK412;TH117

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2566474