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表面织构化活塞环的摩擦学性能研究

郑显良  
【摘要】: 缸套活塞环摩擦副是内燃机中最为关键的一对摩擦副,其决定着内燃机的工作效率和使用寿命。为改善缸套活塞环摩擦副,人们将表面织构技术应用于活塞环表面,通过在活塞环表面加工出一系列规则排列的微小凹坑,来实现减小缸套活塞环摩擦副的摩擦力和磨损量,提高内燃机的工作效率和使用寿命。 本文主要从理论方面进行研究,忽略了活塞环的周向受力不均匀性、表面粗糙度及活塞环的变形等因素,建立了考虑动压效应和挤压效应的一列微单元织构的流体润滑模型。利用有限差分法对模型进行离散,采用多重网格技术求解离散后的数学模型,得出表面织构各参数对缸套活塞环油膜润滑的影响规律。以活塞环和缸套间的最小油膜厚度和无量纲摩擦力作为衡量表面织构润滑效果的标准。分析表面织构参数,如凹陷形状、面积比、深度等对润滑的影响。结果表明:不同的织构凹陷形状对润滑的影响较小;在凹陷面积比方面,凹陷面积比在5%-40%时,随着凹陷面积比的增大,其最小油膜厚度增大,同时对应的无量纲摩擦力减小;凹陷面积比在40%-60%时,其最小油膜厚度和无量纲摩擦力变化较小;而凹陷深度方面,发现对于不同面积比的凹坑最优的凹陷深度相差不大,深度为5μm左右,此时能形成良好的流体动压润滑效果。 本文较全面地分析了表面织构的不同参数对缸套活塞环油膜润滑的影响,为表面织构技术在活塞环中的应用和进一步的实验提供了理论基础。


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