英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
优化织构化活塞环-衬套的摩擦学性能, 以减少内燃机的摩擦损失: 温和工况
Ali Usman, Cheol Woo Park
（韩国大邱41566，Buk-gu，Daehak Ro，80号，京浦国立大学机械工程学院）
摘要：表面改性技术的发展在改善流体动力润滑、混合润滑和边界润滑中接触件的摩擦学性能方面显示出良好的效果。活塞环-衬套（PRL）相互作用是这种接触的一种类型。在动态负载和极端工作条件下，PRL接触占内燃机总机械损失的很大一部分。本文考虑了混合润滑模型和真实的油流变特性，对部分变形筒形活塞环在真实发动机条件下的摩擦特性进行了评价和优化。考虑不同形状和方向的表面纹理图案，并对其进行单独优化，以最大限度地减少能量损失。然后，对优化后的纹理图案的性能进行了比较。并对不同与缸套配合程度的环件的几何参数进行了优化计算。垂直于滑动方向的凹槽在流体力学状态下表现最好，而微凹坑在活塞反转时表现更好。因此，还研究了正交凹槽交叉产生的微凹坑。结果表明，摩擦行为得到了很好的改善。
关键词：活塞环 表面织构 摩擦 能量损失
收稿日期:2016-4-3
通讯作者:电话： 82 53 950 7569. 电子邮箱: chwoopark@knu.ac.kr(C.W.Park).
1、引言
几十年来，PRL摩擦性能一直是研究者非常关注的问题,因为摩擦损耗占内燃机全部机械损失的35-40%[1][2][3]。全球的一次能源约有20%用于交通运输，而道路交通消耗能量占全部运输消耗的70%[4]。因此，缸套-活塞环的摩擦特性研究非常重要，很小的改进可能会产生实质性的影响。最近研究表明，对缸套表面进行织构化加工是降低缸套-活塞环表面摩擦引起的能量损失的有效途径[5][6]。
Etsion等[7]研究指出，与非织构化表面相比，表面纹理结构能显著提高机械密封性能。在物理参数中，纵横比研究发现毛孔的大小是最重要的，而纹理面积密度最不显著。在此想法基础上，Ronen等人[8]认为可以用物理参数分析研究表面织构对PRL界面的影响。他们认为表面开有圆形孔的轴向扁平的环面摩擦力大大减小，是微水动力作用引起的。预实验结果表明，气孔数和长径比是与活塞环区域密度和惯性相关的重要参数。然而，他们的研究使用了一个简化的分析模型，并且保持恒定的外部负荷。
Kligerman等[9]将上述研究扩展到部分激光表面织构（LST）对PRL界面的摩擦影响。结果表明，对活塞环来说，部分织构是一种比全部织构表面改性更好的曲面。部分织构的摩擦力比全部织构减少30-55%。局部部分织构的优化值为环轴向长度的60%。Ryk等[10]在实验后得到了类似的结果。Nathan and Sadeghi [11]用混合水润滑模型预测部分织构的活塞环-衬套间摩擦损失，并将预测结果与他们的实验数据进行了比较。结果表明，他们的预测和实验数据相近。浅槽对摩擦性能有一些改善，而深槽被发现对摩擦学性能有不利影响。而且，实验结果表明，该方法在实际应用中没有任何效果。
|
命名法 B 环的轴向厚度 E 环的杨氏模量 摩擦副有效弹性模量 环的拉力 径向作用在环上的气体力 径向净水动力 粘性摩擦力 h 薄膜厚度分布 最小薄膜厚度 纹理深度 表面纹理膜厚度 油依赖常数 L 连杆长度 L 环长度 n 圆周方向的法向量 每单位接触面积表面微凸体数量 P 动水压力 前缘压力 后缘压力 q 润滑剂的流速 r标称孔径 曲柄半径 包含一个纹理的单元格的宽度 半径或纹理的半宽度 s 行程长度 |
t 时间 达到稳态温度的时间 T 衬里温度 启动温度 稳态BDC温度 稳态TDC温度 u 活塞速度 平均润滑液速度 由粗糙所带来的负荷 x坐标轴在滑动方向上 活塞位置 y沿圆周方向坐标轴 alpha;压力 - 粘度系数 beta;#39;粗糙曲率半径 delta; 桶形环面轮廓的最大高度 ε 纵横比 粘度大气温度 theta; 曲柄角 lambda; lambda;比率 mu;剪切依赖性粘度 大气压下低剪切速率粘度 高剪切速率粘度 rho; 润滑剂密度 sigma; 环和衬管的均方根粗糙度 环表面的平均粗糙 衬垫的平均粗糙度 omega; 曲柄速度 |
Ryk和Etsion[12]用部分激光表面织构的扁平环进行实验，将结果与筒形环比较。实验中用未处理的缸套。他们的结论是部分纹理的扁平环的摩擦损失与无纹理的筒形环相比减少了25%。然而，在同一篇文章中，他们承认未处理的缸套-活塞环在发动机实际运行中，与从试验机中收集的数据相比没有显示相同的结果。之后，Etsion和Sher[13]用部分激光表面织构的桶形环进行了真机试验，并分析废气成分和燃油消耗。在废气成分方面没有明显的改变，而使用织构化镀铬桶形能显著提升燃油效率。织物表面的减摩是在三种效应的基础上实现的[14]，即润滑面积小，集油器效应是油的微储层，流体动力效应。
Mezghani[15]提出了凹槽纹理在缸套表面的积极影响。然而，Guo等[16]研究表明，凹形槽是比轴向槽更好的缸套织构方式。Costa and Hutchings [17] 使用薄膜电容测试三种不同类型的织构表面：圆形凹坑、凹槽和不同的尺寸和方向的V形槽。沿滑动方向排列的V形槽最多，适合于润滑膜厚度最大化的选择。然而，与内燃机的实际工作条件相反，只考虑了水动力状态，摩擦减少未被检测到。Shen和Khonsari[18]也发现表面开V形槽不是双向流的优化解决方案。Tang等[19]用凹坑处理的缸套在平面上往复运动进行试验。结果表明：摩擦降低并且低密度织构区域发生磨损。Kim等[20]进行实验并发现多刻度激光表面织构对摩擦性能产生有利影响。Yin等[21]大量研究织构化缸套对柴油机的影响。微凹坑被用作纹理图案，面积密度为0.2–0.4，深度与直径比优化为0.03-0.1，可以提高润滑效果。
Zhou等[22]对气缸套微凹坑的几何参数进行了数值优化。提出了一种新的微凹坑分布，沿气缸套长度的密度（10-22％）和纵横比（0.07-0.10）。然而，与真正的发动机操作不同，在模型中只考虑了流体动力润滑，润滑被认为是唯一的目标函数。Grabon等[23]研究了织构化缸套的摩擦行为（除珩磨外）并且观察到油荒正在减少的好处。然而，Tomanik[24]进行了一项强有力的数值研究，他考虑了混合润滑和真实的发动机运行条件，表明顶部PRL与凹坑衬里表面相互作用的摩擦和磨损可以忽略不计。这个结果可归因于实际发动机运行条件对活塞环摩擦学参数的影响[25]。此外，上述关于衬里纹理的研究都没有探讨纹理对发动机排放的影响。缸套纹理产生的侵入作为油的微型储层[26]，发动机排放主要是由气缸套上留下的油层[27][28][29]引起的。此外，Biboulet和Lubrecht[30]发现对于抛物线环，衬里纹理降低了承载能力。因此，任何类型的衬里纹理都有可能对摩擦性能产生不利影响并增加实际发动机中的废气排放。
Vladescu等[31]实验研究了五种不同类型的纹理图案（人字形，交叉影线，平行，角和横向沟槽）在表面上的往复接触。在所有润滑方案中，使用横向于滑动方向的凹槽是最佳方法。Mishra和Polycarpou [32]进行了一项实验研究，研究了极度缺乏润滑下纹理表面的摩擦学性能。他们发现纹理表面的磨损率极低（与涂层表面相当）。还发现纹理提供的优点对速度敏感（在高速下明显有利）。 Shi和Ni [33]开发了一种2D CFD模型来研究沟槽纹理对空化条件下完全润滑滑动的影响。结果表明，相互作用的摩擦学性能随着优化的纹理设计而改善。发现摩擦力和载荷容量高度依赖于沟槽间距。等间距纹理图案（长度比为1）表现出最佳性能[34]。 Ripoll等[35]数值模拟了在往复干式滑动接触下无纹理表面上的带槽表面的行为，发现了纹理对边界摩擦系数影响的显着性。
以前的研究表明，相比无纹理表面，凹槽表面是环形纹理的一种相对更有效的选择，以改善摩擦学性能。然而，在现实的发动机工况下从未研究过使用凹槽表面的纹理化。此外，非优化的表面纹理在摩擦学上变得有害并导致错误的结论[36]。因此，需要对摩擦学性能进行详尽的依赖于应用的优化[37]，因为摩擦，承载能力和耐磨性不会单一变化[38]。优化表面纹理的最有效和优选的方法是通过理论模型中的参数分析[26]。因此，目前的研究目的是研究和优化具有表面改性环的PRL的摩擦学性能。混合流体动力润滑和真实油流变学的2D瞬态模型被认为是评估在真实内燃机工作条件下具有凹槽表面的活塞第一压缩环的摩擦特性。桶形压缩环用于检查表面改性的效果，因为它通常用于内燃机，并且由于其已被证明的优点而被考虑部分纹理化。横向沟槽，轴向沟槽和方形微凹坑的结果相互比较。进行纹理图案的几何参数的综合优化以最小化发动机循环中的能量损失。
图1:本研究中考虑的纹理图案：（a）横向凹槽，（b）轴向凹槽，和（c）微凹坑。
2、数学模型
很少有经过深思熟虑的假设来调查织构化对PRL摩擦性能的影响：油膜透射电镜温度与缸套温度相同，活塞环的入口区域被完全淹没。
2.1在活塞环上纹理
由于部分纹理的好处，使用了前缘和后缘处的对称表面改性（图1）。使用三种类型的纹理图案：垂直于滑动方向的凹槽（图1a），沿滑动方向的凹槽（图1b），以及由两种类型的凹槽的交叉产生的微凹坑（图1c）。所有考虑的纹理图案都具有凹陷深度，因为纹理形状对摩擦特征的影响最小[34,39,40]。考虑到具有60％纹理部分的轴对称部分纹理，因为它已被证明具有重要意义[9,10]。纹理沿圆周方向均匀分布，忽略气缸孔畸变以研究纹理对摩擦学性能的影响。因此，仅考虑沿着活塞环长度的模拟域的对称条带是足够的（图2）。两个重要的无量纲几何参数，即面密度（Sp）和纵横比（ε）的定义如下[38,41]：
微凹坑 凹槽
2.2 活塞环运动和缸套温度
在每个曲柄角处活塞环（图3a）的不对称滑动速度由等式（3）计算[42]。并且环在缸套上的相应位置近似于等式（4）[43]。
油温对缸套里活塞环位置的依赖性用Froelund [44]提出的关系式（方程（5））表示。 使用以下关系计算的温度如图3b所示。
其中是达到稳态温度的时间,
2.3 滑油流变
密度随温度的变化可用数学表达式[2]如下：
其中alpha;t是润滑剂的热膨胀系数，被认为约为 [2]。
多级SAE索引发动机油的温度依赖性粘度如图4a所示。 此外，发动机油的粘度也取决于流体动压. Vogel方程[45]与Roelands表达相结合（Houpert进一步增强Roelands方程[46]用于本研究，表达如下：
其中
聚合物油添加剂分子在高剪切力下变形和重新排列[47]，因此导致粘度高度依赖于剪切速率。 在本研究中计算的粘度是PRL连接中多级SAE油的剪切速率的函数，如图4b所示。 在不同曲柄角度的优化纹理参数的环表面上计算的剪切速率如图5所示。第二牛顿粘度比第一牛顿粘度更重要，除非在靠近死角。 Cross方程[48]用于计算剪切相关粘度：
其中beta;和k是依赖于油的配置参数，分别被认为是0.001和2/3。剪切速率。
2.4 水动力连接
2.4.1 控制方程式
有纹理的环表面上的薄膜厚度分布（h）分为三个组成部分，即最小油膜厚度（h0），对称抛物线分布（hx）[49]和基于表面纹理的膜分布（ht）。 这可以表示如下：
其中第二项是桶形OEM环（图6）轴向的薄膜厚度，最大配置高度delta;为7mu;m; ht是由纹理化产生的微侵入，如图1、图2和图6所示。
雷诺方程[50]由Dowson
全文共23502字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[2881]
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
