内燃机关键摩擦副表面微织构润滑与摩擦机理及应用研究

【摘要】：内燃机中蕴含着多种型式的摩擦副部件与系统,其摩擦学行为影响着内燃机的工作性能与运行效率,又对动力性、经济性、排放及稳定性和使用寿命有着举足轻重的影响。随着内燃机日益向高效节能与环保方向发展,对摩擦副提出了更高的技术要求。本文将内燃机摩擦学研究拓展到微观尺度上,突破摩擦副传统加工技术的瓶颈,引入表面织构激光微加工技术,从新型激光微制造装置与工艺、润滑摩擦理论、摩擦磨损试验以及装机台架性能试验等方面研究入手,探索激光表面织构技术在缸套(孔)、凸轮轴等关键摩擦副上应用研究,实现摩擦副表面形貌的主动优化设计与制造,以达到改善润滑,减小摩擦,减磨增寿与提高发动机综合性能等目标,为形成具有自主知识产权的内燃机高性能摩擦副表面织构新技术奠定基础。 本文首先在综合考虑表面织构区域形貌与非织构区域的表面粗糙形貌的耦合作用的基础上,引入平均雷诺方程、膜厚方程与微凸体接触方程,提出了一个表面织构缸套(孔)-活塞环摩擦副系统的混合润滑理论模型,可以真实反映内燃机整个工作循环过程中的摩擦学行为特征。通过缸套表面织构,在发动机大部分工作区域可以形成良好的流体动压润滑,在上下止点附近,摩擦副处于混合润滑状态,微凸体作用力起平衡外载荷的主要作用,由非织构区微凸体表面接触引起的峰元摩擦力占主导地位；但是通过表面织构,仍可产生一定的流体油膜压力,并可大为降低混合润滑区域的摩擦力。缸套表面粗糙度对润滑性能的影响较大,表面粗糙度越小,对应的膜厚比越大,而无量纲摩擦力和摩擦功耗则变小。经过缸套表面微观几何形貌参数优化设计研究显示：缸套表面存在最优激光微织构微形貌参数组合,达到润滑摩擦性能的最佳,同时随着内燃机的转速及负荷的增加,最小膜厚比不断减小,而无量纲摩擦力逐渐增大。 满足无缸套发动机机体气缸孔表面微织构要求,研制了新型激光头旋转式的激光微加工专用设备。采用独特的水冷腔内倍频激光谐振腔技术,减小了腔内热损失,增加了激光器输出功率。设计了新型旋转式激光头部件,可保证辅助气体的可靠密封与光路的畅通。通过快速响应控制系统的软硬件设计,实现了单个激光脉冲加工与机械运动的高精度联合协调控制,最大程度降低了激光微加工时的热效应副作用,提高了微加工质量与效率。并通过激光器标定与激光基础工艺试验等研究,确定了凹腔与沟槽形貌激光微加工所需的合理激光控制参数范围。 利用MMW-1A万能摩擦磨损试验机,进行了激光表面织构摩擦副试样的润滑摩擦性能试验研究,考察了不同表面织构形貌参数对润滑摩擦性能的影响,试验发现表面织构试样的摩擦系数可降低30%-50%,而试样表面的磨损状况也得到有效改善。 最后进行了激光微织构缸套(孔)、喷油泵凸轮轴的装机台架性能试验研究,结果表明：在某单缸柴油机上,激光微织构交叉网纹相比原机,动力性指标基本不变,燃油耗降低1-1.54%,烟度下降了53-65.3%,漏气量降幅度为26.9-30.7%,机械效率可以提高约2.3%；而缸套激光微加工出的交叉网纹沟槽清晰、分布均匀,深度比较一致,工作表面更平整,能增加缸套的承载面积,其表面评定参数优于原机平台网纹缸套,达到了提高缸套表面摩擦学性能的目的。在某车用汽油机上,激光微凹腔织构机体气缸孔相比原机,动力性性能保持不变,燃油消耗率下降了3%-4.7%,机油耗明显改善,降低了近56%。激光微织构球墨铸铁凸轮轴的耐久试验后的磨损量很小,仅为1-2μm左右,达到了钢质材料凸轮轴的同等水平,证实了通过表面织构,可以改善凸轮轴表面的润滑性能,有效提高耐磨性能。