缸套表面参数对润滑性能及机油蒸发消耗影响机理研究

摘要

随着内燃机高效节能与超低排放要求日益严苛，低摩擦技术需求日益迫切。其中，缸套-活塞环关键摩擦副表面激光织构技术受到了国内外学者的广泛关注。然而，唯有织构与非织构区域表面粗糙度的大小及分布特征函数的最优匹配，才能达到改善润滑摩擦的综合效果，而不同的机械加工技术及工艺后的缸套表面粗糙度特征差别明显，对于两者的优化配置尚需进一步明朗。因此，本文针对这一问题，开展系列理论与试验研究，为织构技术的发展提供理论依据及技术支撑。
　　以织构化缸套和第一道活塞环摩擦副为研究对象，综合考虑非织构区域粗糙度大小、粗糙度概率密度分布的影响，建立摩擦副混合润滑理论模型与机油蒸发消耗计算模型，并运用变异的多重网格法进行求解。
　　基于理论模型，模拟原始机械表面（非织构区域）平均粗糙度大小、粗糙度概率分布分别对非织构化缸套及织构化缸套润滑性能影响，最终确定织构后润滑性能较优的原始机械表面的相关参数。结果表明，对于织构化缸套表面，当原始机械表面（非织构区域）粗糙度具有负偏态(Sk<0)、粗糙度Ra越小时，润滑性能越优。
　　以改善摩擦副润滑性能、机油蒸发消耗为目标，分别优化非织构区域粗糙度概率分布参数以及织构参数。结果表明，随着非织构区域表面偏斜度与峰度的增加，润滑摩擦性能不断下降。随着凹腔半径增加，机油蒸发量不断上升，且上升速率先快后慢；存在合适织构深度以及面积占有率，使得机油蒸发消耗最低。综合润滑与机油消耗性能，非织构区域参数偏斜度Sk=-5～-3，峰度Ku=3～5、平均粗糙度Ra=0.1～0.3μm，织构区域参数范围为rp=25～40μm，Sp=0.2～0.4，hp=4～6μm。
　　根据优化结果，选取粗糙度较小（Ra近似0.1μm）的缸套（镜面缸套，下文均如此代称）以及平台网纹缸套，同时选取上述参数范围内的不同织构方案进行加工，并装机开展倒拖试验、机油消耗试验。试验结果表明，大深度缸套的机油消耗率大于小深度；面积占有率过大或过小均对对机油耗产生不利影响；此外，平台网纹缸套机油消耗率略高于镜面缸套，其原因可能是缸套表面无规则沟槽储存的润滑油较多。
　　倒拖试验结果表明，镜面缸套的润滑性能相比于平台网纹缸套较差，而镜面缸套加工凹腔织构后润滑性能却优于平台网纹缸套加织构方案；小深径比方案减摩效果在所有试验转速工况下均略优于大深径比方案；中等面积占有率的摩擦扭矩最小，过小及过大的面积占有率均对润滑摩擦产生不利效果。上述试验结果与模拟获得的规律吻合，从而验证了模型的准确性。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 选题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第二章 织构化缸套表面混合润滑模型及机油蒸发消耗模型

2.1 理论建模基本信息

2.2 润滑摩擦模拟计算理论基础

2.3 机油消耗模拟计算理论基础

2.4 数值求解

2.5本章小结

第三章 原始机械表面参数对润滑性能的影响

3.1 缸套表面粗糙度测量

3.2 粗糙度概率分布对润滑性能影响

3.3 平均粗糙度对润滑性能影响

3.4 本章小结

第四章 原始机械表面参数与织构区域凹腔参数优化

4.1 表面概率密度分布参数的优化

4.2 微凹腔参数的优化

4.3 本章小结

第五章 凹腔参数对机油蒸发消耗的影响规律

5.1 凹腔半径对机油消耗的影响

5.2 凹腔深度对机油蒸发的影响

5.3 凹腔面积占有率对机油蒸发的影响

5.4 本章小结

第六章 内燃机台架倒拖试验及机油消耗试验

6.1 基本信息

6.2 试验流程

6.3 试验结果分析

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 研究工作总结

7.2 后续工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文

附录一