活塞环表面织构化的理论及实验研究

摘要

活塞环/缸套摩擦副是内燃机中最重要的摩擦副之一，其摩擦损失占整个内燃机摩擦损失中的19%，因此多年来国内外学者为改善这对摩擦副的摩擦学性能，从活塞环/缸套材料以及各种各样的表面涂层等方面入手进行了深入而又细致的研究。表面织构技术即在摩擦副表面上加工出具有一定尺寸的规则排列的几何形貌，近些年来也得到了各国学者的关注，并广泛应用于各种摩擦副的表面。本文从理论和实验两个方面对表面织构化的活塞环/缸套摩擦副的摩擦学性能进行了研究。
　　 在理论研究方面，建立了在动压润滑条件下的二维Reynolds方程，利用有限差分法对方程进行求解，并采用多重网格法、超松弛迭代法加速结果的收敛，得到表面织构的直径、深度、面积率以及部分织构率对摩擦副润滑性能的影响。结果显示，全织构情况下，最佳凹坑深度与工况膜厚相当；最佳面积率与凹坑深度和油膜厚度的比值有关；最佳的凹坑半径与平均无量纲油膜压力成正比。对于部分织构，得到最佳凹坑织构率应在60%左右，同时在部分织构下，面积率越大越好；在织构率为60%时，最佳凹坑深度为工况膜厚的70%；最佳凹坑半径也是与全织构情况下得到的结论一致即与平均无量纲油膜压力成正比。
　　 在实验方面，本文采用光刻微细电解的技术在实际桶形活塞环片断表面加工表面织构，在优化后的往复式摩擦磨损实验机上进行试验，研究了在充分润滑下，不同载荷及速度条件下表面织构的直径、深度、面积率以及部分织构率对活塞环/缸套的摩擦学性能的影响。从试验数据中得到，在不同的工况条件下，存在一个最优的凹坑几何参数。直径、深度方面，在不同的载荷及速度下存在一个最佳的的深径比，最佳凹坑深度与工况油膜厚度存在特定的关系，所得到的趋势与计算结果得到的最佳凹坑深度与油膜厚度相当的结果相吻合；面积率方面，面积率为10.4%、15.5%织构试件减摩效果较优；部分织构方面，面积率较低以及薄膜较薄时，部分织构试件相对于全织构试件无额外减摩效果，当面积率提高时，且油膜厚度较厚时，部分织构试件体现了相对于全织构试件的较好的减摩效果，且最优部分织构率为80%。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录、注释表

声明

第一章 绪论

第二章 活塞环/缸套流体动压润滑数学模型

第三章 数值计算结果与分析讨论

第四章 试件的制备与试验设计

第五章 试验结果与分析讨论

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

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