缸套表面椭圆柱状微坑参数优化设计

摘要

缸套-活塞环摩擦副是内燃机中重要的摩擦副之一，其摩擦损失占整个内燃机摩擦损失的45%，若能改善此摩擦副的摩擦润滑状态，便可减少摩擦产生的能量损失，带来巨大的经济效益。微坑织构技术作为近年润滑减摩最有效手段之一，得到各国学者的广泛关注。本文从理论和试验两方面，对织构化缸套与活塞环之间的摩擦润滑性能进行了研究。 首先分析了缸套-活塞环摩擦副的摩擦损耗机理，通过合理简化和假设，建立了缸套-活塞环摩擦副的动压润滑模型和四种典型形状的微坑织构膜厚模型，通过Matlab求解得到四种形状织构的油压分布图和摩擦学性能参数，结果表明：椭圆柱状微坑和抛物线形微坑都具有较好的油膜承载力，方柱状微坑次之，正三角形微坑最差。 从加工角度考虑，选取椭圆柱状微坑作为研究对象，进一步探讨其几何参数对润滑性能的影响。采用有限差分法对建立的动压润滑条件下的雷诺方程进行求解，超松弛迭代法加速结果收敛，当微坑参数取值为：椭圆倾斜角为0°（运动速度方向与椭圆长轴平行）、微坑深度为12μm~18μm、面积占有率为5%~20%、椭圆长短轴之比不小于3时，平均无量纲油膜压力较大，有利于提高油膜承载力。 最后，进行试验验证。本文选取激光雕刻技术进行织构加工，通过激光加工工艺试验，确定最优的加工参数：激光波长1064nm、频率固定为40kHz、输出功率12W、雕刻线速500mm/s、雕刻次数2次。并进行了摩擦磨损性能试验，得到如下结论：与光滑的试件相比，带椭圆柱状微坑的试件摩擦系数均有所下降，椭圆柱状微坑可有效降低摩擦副接触面之间的摩擦磨损；试验微坑参数范围：椭圆倾斜角取值为0°、椭圆长短轴之比为3~4、微坑深度为12~18μm、面积占有率为10%~20%，与理论计算结果吻合。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景及意义

1.3 表面织构技术研究现状

1.3.1 表面织构的研究现状

1.3.2 缸套-活塞环表面织构研究现状

1.4 本文研究的主要内容

2 缸套-活塞环流体动压润滑模型建立

2.1 机械摩擦磨损及润滑原理概述

2.1.1 摩擦原理

2.1.2 磨损原理

2.1.3 润滑原理

2.2 缸套-活塞环流体动压润滑模型建立

2.2.1 缸套-活塞环运动模型

2.2.2 几何模型

2.2.3 物理模型

2.3 性能参数

（1）载荷平衡方程

（2）微凸体接触方程

（3）承载力

（4）摩擦力和摩擦系数

2.4 边界条件选取

2.5 求解方法及流程图

2.6 本章小结

3 不同形状微坑流体动压润滑求解

3.1 不同形状微坑的膜厚模型

3.1.1 抛物线型微坑建模

3.1.2 椭圆柱状微坑建模

3.1.3 正三角柱状微坑建模

3.1.4 方柱状微坑建模

3.2 润滑模型的数值求解

3.2.1 概述

3.2.2 方程的无量纲化

3.2.3 方程的离散

3.2.4 超松弛迭代法

3.3 数值计算流程

3.3.1 编程方案

3.3.2 参数选取

3.4 结果与分析

3.5 本章小结

4 椭圆柱状微坑几何参数对润滑减摩性能影响

4.1 椭圆柱状微坑几何模型建立

4.2 椭圆柱状微坑几何参数对润滑减摩性能影响

4.2.1 椭圆倾斜角的影响

4.2.2 椭圆长短轴之比的影响

4.2.3 椭圆柱状微坑深度的影响

4.2.4 椭圆柱状微坑面积占有率的影响

4.3 最优几何参数对润滑减摩性能的影响

4.4 本章小结

5 微坑试样减摩性能试验

5.1 表面织构加工方法

5.2 激光加工微坑工艺试验

5.2.1 激光加工原理

5.2.2 试验设备

5.2.3 工艺试验过程

5.2.4 结果与分析

5.3 摩擦磨损性能试验

（1）织构试件参数设定

（2）激光织构试件加工

（3）摩擦磨损性能试验

5.4 结果与分析

5.4.1 倾斜角对摩擦性能的影响

5.4.2 长短轴之比对摩擦性能的影响

5.4.3 微坑深度对摩擦性能的影响

5.4.4 面积占有率对摩擦性能的影响

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢