激光微凹腔织构凸轮表面润滑性能的数值模拟与试验研究

摘要

凸轮及其从动件摩擦副是内燃机中工况条件最为严酷的摩擦副之一，其耐磨性能的好坏直接影响凸轮使用寿命和内燃机性能。随着内燃机朝高速、高压方向发展，燃油喷射压力不断提高，这对凸轮摩擦副表面性能提出了更高的技术要求。凸轮表面保持良好的润滑状况及选用合理的表面处理强化措施，对减小该摩擦副的摩擦磨损、延长发动机的使用寿命、提高经济性等具有非常重要的意义。
　　 多年的理论研究以及工程实践均表明，摩擦副表面微观几何形貌对其摩擦学特性起着决定性的作用，摩擦副表面存在与其润滑减磨性能优化匹配的微观几何形貌。激光表面织构技术，基于摩擦学理论和机械系统的工作性能要求，在工件表面进行优化设计激光织构化处理。该技术突破以往润滑减摩或表面处理强化抗磨的单一技术路线，形成激光微加工制备规则微观几何形貌协同作用的宏观累积动压效应形成润滑减摩和激光激热激冷加工特性获得微细致密的硬化金相组织强化耐磨相融合的新思想，从而大大提高摩擦副的减摩抗磨性能，延长工件使用寿命。
　　 本文首先对凸轮表面微凹腔结构润滑理论进行研究。建立凸轮表面宽度方向上具有4个均匀分布微凹腔结构的润滑理论模型，利用多重网格法对凸轮表面油膜压力分布进行求解，以油膜无量纲平均压力作为衡量激光表面织构微凹腔结构流体润滑性能的评价标准，系统地分析凸轮表面卷吸速度、微凹腔面积占有率以及深度对润滑性能的作用规律。并求得使油膜无量纲平均压力达到最大值的优化设计微凹腔几何形貌参数;然后，利用“单脉冲同点间隔多次”激光加工新工艺进行工艺试验研究，确定合理的激光微加工工艺参数;再者，在MMW-1A型摩擦磨损试验机上采用凸轮-滚轮线接触摩擦副模块，对织构化试样进行摩擦磨损性能试验。试验结果表明:在相同试验条件下与光滑试样对比，激光表面织构技术能显著改善试样表面的润滑性能，增强其减摩耐磨性能，较好的符合理论研究结果;最后，在前期理论和摩擦磨损性能试验研究所得具有最佳减摩抗磨性能微凹腔几何形貌参数的基础上，对不同材料（球墨铸铁及45＃钢）及不同热处理（淬火及未淬火处理）试样表面进行织构化处理，为探索低廉的球墨铸铁经激光表面织构处理代替优质45＃钢材料，以及代替凸轮轴传统热处理工艺进行模拟快速磨损试验。结果显示，在线接触情况下，低廉的球墨铸铁经激光表面织构处理用于凸轮传动代替优质45＃钢材料是具有可行性的。
　　 本文研究成果为激光表面织构技术在重载高副机械构件的应用提供非常重要的试验依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 凸轮表面弹流润滑理论国内外研究概况

1．2．1 弹流润滑的简介

1．2．2 凸轮表面弹流润滑问题的国内外研究概况

1．3 凸轮表面处理强化技术

1．3．1 传统表面热处理技术

1．3．2 现代激光表面处理强化技术

1．4 激光表面织构技术的国内外研究现状

1．4．1 激光表面织构技术概述

1．4．2 表面织构摩擦学特性的国内外研究进展

1．5 课题来源

1．6 本课题研究内容

1．7 本课题研究的价值及意义

第二章 凸轮表面微凹腔结构润滑理论模型的建立

2．1 表面微凹腔凸轮／滚轮几何模型

2．2 凸轮机构运动学和动力学分析与选择

2．2．1 凸轮动力学分析

2．2．2 凸轮机构动力学分析

2．2．3 凸轮／滚轮摩擦副运动学与动力学计算实例

2．3 微凹腔结构二维弹流润滑理论模型

2．3．1 Reynolds方程

2．3．2 Reynolds方程的边界条件

2．3．3 粘压方程

2．3．4 密压方程

2．3．5 载荷方程

2．3．6 膜厚方程

2．3．7 流体膜平均压力求解方程

2．4 润滑方程的无量纲化

2．4．1 无量纲化以及无量纲化方法

2．4．2 Reynolds方程的无量纲化

2．4．3 压力边界条件的无量纲化

2．4．4 粘压方程的无量纲化

2．4．5 密压方程的无量纲化

2．4．6 膜厚方程的无量纲化

2．4．7 平均压力求解方程的无量纲化

2．5 本章小结

第三章 凸轮润滑理论的数值求解与结果分析

3．1 数值计算分法

3．2 多重网格法

3．3 无量纲方程的离散

3．4 凸轮表面润滑程序的编制及参数选择

3．4．1 Matlab软件介绍及程序流程

3．4．2 计算参数选择

3．5 数值计算结果与分析讨论

3．5．1 油膜压力分布

3．5．2 卷吸速度的影响

3．5．3 微凹腔面积占有率的影响

3．5．4 微凹腔深度的影响

3．6 本章小结

第四章 激光表面织构工艺试验研究

4．1 “单脉冲同点间隔多次”激光加工工艺

4．2 试样材料

4．3 试验设备

4．3．1 激光加工设备

4．3．2 表面形貌测量设备

4．3．3 其他实验设备

4．4 试验方案

4．5 试验结果与分析

4．5．1 泵浦电流

4．5．2 重复频率

4．5．3 脉冲重复次数

4．5．4 焦点位置

4．6 本章小结

第五章 凸轮表面摩擦磨损实验研究

5．1 试验目的

5．2 试验设备

5．2．1 摩擦磨损试验设备

5．2．2 其他设备

5．3 试样设计

5．4 试样材料

5．5 摩擦磨损性能试验

5．5．1 试验方法

5．5．2 试验结果与分析

5．6 模拟快速磨损试验

5．6．1 试验方法

5．6．2 试验结果与讨论

5．7 本章小结

第六章 研究结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文