内燃机缸套振动减摩的建模与试验研究

摘要

活塞环-缸套系统是内燃机的关键摩擦组件，其摩擦性能的改善对于整个内燃机而言有着重大意义。因此，降低活塞环-缸套组件间的摩擦力、改善其摩擦性能是内燃机发展研究中的一个重要课题。目前国内外学者对活塞环-缸套系统摩擦力降低的方法研究主要集中在润滑油改良、缸套表面织构处理等常规手段。振动减摩的理论与试验研究虽然已有诸多进展，但是其在内燃机领域的研究应用较少。本文将振动减摩研究引入活塞环-缸套领域，对缸套振动减摩进行了建模与试验研究。 本文依据二维平均 Reynolds 方程,考虑活塞环-缸套组件间润滑状态的变化以及活塞环进出口边界条件的改变，建立了活塞环-缸套组件间的二维流体润滑模型。建模计算获取了缸套表面的振动变形,计入振动引发的缸套动态变形因素后,对润滑模型进行了改进,仿真研究了活塞环-缸套摩擦副间的油膜压力、润滑油膜厚度以及摩擦力的变化情况。通过仿真对比分析了缸套振动对摩擦副间润滑行为的影响,从仿真角度论证了缸套振动减摩的可行性及活塞环-缸套组件振动减摩的机理。 为了进一步研究缸套振动减摩的可行性，基于活塞环-缸套组件装置开展了振动减摩的试验研究。本文研究了缸套振动减摩的理论基础，深入分析了振动减摩机理，从缸套动态变形、空穴效应和超声空化三个方面对高频激振下的缸套振动减摩进行了合理解释。搭建了活塞环-缸套组件相对运动下的高频激振减摩试验台，进行活塞环-缸套组件间振动减摩的基础性试验研究。通过试验的手段，初步证明了活塞环-缸套领域振动减摩的可行性。 最后,基于内燃机摩擦试验机搭建了内燃机的超声振动减摩试验台，并 进行了高频激振下的内燃机倒拖试验。通过浮动缸套法，测量并分析活塞环-缸套组件间摩擦力的变化情况。试验研究了高频振动对内燃机中活塞环-缸套组件间摩擦力的影响，找出了激振频率、激振功率与缸套振动减摩效果之间的关系。试验的研究结果表明：高频激振的施加使得缸套表面出现接近粗糙度等级的动态变形，活塞环和缸套间的摩擦力有了明显的降低。说明合理工况下的超声激振可以减小活塞环-缸套组件间的摩擦力，从而降低内燃机的总摩擦损耗，探索了高频激振减摩在内燃领域应用的新方向。

目录

第一个书签之前

内燃机缸套振动减摩的建模与试验研究

摘 要

ABSTRACT

目 录

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.1.1 课题背景

1.1.2 课题研究意义

1.2 活塞环-缸套组件的摩擦研究现状

1.2.1 活塞环-缸套组件的摩擦润滑理论研究

1.2.2 活塞环-缸套领域的减摩研究

1.3 振动减摩的研究

1.4 课题的提出及来源

1.5 本文的主要研究工作

第二章 内燃机活塞环-缸套组件的摩擦润滑建模

2.1 引言

2.2 活塞环-缸套组件流体动压润滑模型

2.2.1 流体动压润滑理论

2.2.2 基本假设

2.2.3 流体动压润滑控制方程

2.2.4 边界条件

2.2.5 油膜厚度方程

2.2.6 平均雷诺方程

2.2.7 润滑油黏度和密度

2.2.8 粗糙表面间微凸体接触模型

2.2.9 摩擦力和摩擦功耗

2.3 润滑模型求解

2.4 计算结果分析

2.4.1 油膜压力变化

2.4.2 油膜厚度变化

2.4.3 摩擦力变化

2.5 本章小结

第三章 考虑缸套振动变形的润滑模型改进

3.1 引言

3.2 缸套的振动激励分析

3.2.1 缸套的主要振动激励

3.2.2 缸内燃烧引起的缸套振动激励

3.2.3 活塞侧激励引起的缸套振动激励

3.3 缸套动态变形的润滑模型建立

3.3.1 缸套表面动变形的仿真获取

3.3.2 润滑模型引入改进后的流量因子

3.3.3 缸套变形对润滑油膜厚度的影响

3.3.4 缸套动态变形后的仿真结果分析

3.4 本章小结

第四章 振动减摩的机理分析

4.1 引言

4.2 振动减摩分析

4.2.1 纵向振动的影响

4.2.2 横向振动的影响

4.3 高频激振下缸套的减摩机理分析

4.3.1 考虑动态变形对摩擦力的影响

4.3.2 考虑空穴效应对摩擦力的影响

4.3.3 空化微气泡对表面剪切应力摩擦系数的影响

4.4 本章小结

第五章 活塞环-缸套组件振动减摩的试验研究

5.1 引言

5.2 试验目的

5.3 试验方案及设备

5.3.1 高频激振减摩台架构建

5.3.2 试验设备

5.3.3 试验方案

5.4 试验结果及分析

5.5 本章小结

第六章 基于单缸柴油机台架的振动减摩试验研究

6.1引言

6.2 试验目的

6.3 试验设备及方案

6.3.1 内燃机倒拖台架的试验设备

6.3.2 传感器及换能器布置

6.3.3 数采仪

6.3.4 试验方案

6.4 试验结果及分析

6.4.1 超声激振对活塞环缸套摩擦副的影响

6.4.2 转速对活塞环-缸套摩擦副的影响

6.4.3 缸套高频振动摩擦响应分析

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参与项目