內(nèi)燃機(jī)中蘊(yùn)含著多種型式的摩擦副部件與系統(tǒng),其摩擦學(xué)行為影響著內(nèi)燃機(jī)的工作性能與運(yùn)行效率,又對(duì)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放及穩(wěn)定性和使用壽命有著舉足輕重的影響。隨著內(nèi)燃機(jī)日益向高效節(jié)能與環(huán)保方向發(fā)展,對(duì)摩擦副提出了更高的技術(shù)要求。本文將內(nèi)燃機(jī)摩擦學(xué)研究拓展到微觀尺度上,突破摩擦副傳統(tǒng)加工技術(shù)的瓶頸,引入表面織構(gòu)激光微加工技術(shù),從新型激光微制造裝置與工藝、潤(rùn)滑摩擦理論、摩擦磨損試驗(yàn)以及裝機(jī)臺(tái)架性能試驗(yàn)等方面研究入手,探索激光表面織構(gòu)技術(shù)在缸套(孔)、凸輪軸等關(guān)鍵摩擦副上應(yīng)用研究,實(shí)現(xiàn)摩擦副表面形貌的主動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造,以達(dá)到改善潤(rùn)滑,減小摩擦,減磨增壽與提高發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能等目標(biāo),為形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的內(nèi)燃機(jī)高性能摩擦副表面織構(gòu)新技術(shù)奠定基礎(chǔ)。 本文首先在綜合考慮表面織構(gòu)區(qū)域形貌與非織構(gòu)區(qū)域的表面粗糙形貌的耦合作用的基礎(chǔ)上,引入平均雷諾方程、膜厚方程與微凸體接觸方程,提出了一個(gè)表面織構(gòu)缸套(孔)-活塞環(huán)摩擦副系統(tǒng)的混合潤(rùn)滑理論模型,可以真實(shí)反映內(nèi)燃機(jī)整個(gè)工作循環(huán)過程中的摩擦學(xué)行為特征。通過缸套表面織構(gòu),在發(fā)動(dòng)機(jī)大部分工作區(qū)域可以形成良好的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑,在上下止點(diǎn)附近,摩擦副處于混合潤(rùn)滑狀態(tài),微凸體作用力起平衡外載荷的主要作用,由非織構(gòu)區(qū)微凸體表面接觸引起的峰元摩擦力占主導(dǎo)地位；但是通過表面織構(gòu),仍可產(chǎn)生一定的流體油膜壓力,并可大為降低混合潤(rùn)滑區(qū)域的摩擦力。缸套表面粗糙度對(duì)潤(rùn)滑性能的影響較大,表面粗糙度越小,對(duì)應(yīng)的膜厚比越大,而無量綱摩擦力和摩擦功耗則變小。經(jīng)過缸套表面微觀幾何形貌參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究顯示：缸套表面存在最優(yōu)激光微織構(gòu)微形貌參數(shù)組合,達(dá)到潤(rùn)滑摩擦性能的最佳,同時(shí)隨著內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速及負(fù)荷的增加,最小膜厚比不斷減小,而無量綱摩擦力逐漸增大。 滿足無缸套發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體氣缸孔表面微織構(gòu)要求,研制了新型激光頭旋轉(zhuǎn)式的激光微加工專用設(shè)備。采用獨(dú)特的水冷腔內(nèi)倍頻激光諧振腔技術(shù),減小了腔內(nèi)熱損失,增加了激光器輸出功率。設(shè)計(jì)了新型旋轉(zhuǎn)式激光頭部件,可保證輔助氣體的可靠密封與光路的暢通。通過快速響應(yīng)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了單個(gè)激光脈沖加工與機(jī)械運(yùn)動(dòng)的高精度聯(lián)合協(xié)調(diào)控制,最大程度降低了激光微加工時(shí)的熱效應(yīng)副作用,提高了微加工質(zhì)量與效率。并通過激光器標(biāo)定與激光基礎(chǔ)工藝試驗(yàn)等研究,確定了凹腔與溝槽形貌激光微加工所需的合理激光控制參數(shù)范圍。 利用MMW-1A萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),進(jìn)行了激光表面織構(gòu)摩擦副試樣的潤(rùn)滑摩擦性能試驗(yàn)研究,考察了不同表面織構(gòu)形貌參數(shù)對(duì)潤(rùn)滑摩擦性能的影響,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)表面織構(gòu)試樣的摩擦系數(shù)可降低30%-50%,而試樣表面的磨損狀況也得到有效改善。 最后進(jìn)行了激光微織構(gòu)缸套(孔)、噴油泵凸輪軸的裝機(jī)臺(tái)架性能試驗(yàn)研究,結(jié)果表明：在某單缸柴油機(jī)上,激光微織構(gòu)交叉網(wǎng)紋相比原機(jī),動(dòng)力性指標(biāo)基本不變,燃油耗降低1-1.54%,煙度下降了53-65.3%,漏氣量降幅度為26.9-30.7%,機(jī)械效率可以提高約2.3%；而缸套激光微加工出的交叉網(wǎng)紋溝槽清晰、分布均勻,深度比較一致,工作表面更平整,能增加缸套的承載面積,其表面評(píng)定參數(shù)優(yōu)于原機(jī)平臺(tái)網(wǎng)紋缸套,達(dá)到了提高缸套表面摩擦學(xué)性能的目的。在某車用汽油機(jī)上,激光微凹腔織構(gòu)機(jī)體氣缸孔相比原機(jī),動(dòng)力性性能保持不變,燃油消耗率下降了3%-4.7%,機(jī)油耗明顯改善,降低了近56%。激光微織構(gòu)球墨鑄鐵凸輪軸的耐久試驗(yàn)后的磨損量很小,僅為1-2μm左右,達(dá)到了鋼質(zhì)材料凸輪軸的同等水平,證實(shí)了通過表面織構(gòu),可以改善凸輪軸表面的潤(rùn)滑性能,有效提高耐磨性能。
【學(xué)位單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類】：TK401;TH117

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 紀(jì)敬虎;摩擦副表面微凹槽織構(gòu)相關(guān)摩擦學(xué)理論及試驗(yàn)研究[D];江蘇大學(xué);2012年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 鐘明明;發(fā)動(dòng)機(jī)制造精度與性能關(guān)系研究[D];上海交通大學(xué);2012年

2 楊國(guó)防;激光微造型表面形貌對(duì)材料摩擦特性影響研究[D];五邑大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2816846