1-柴油機(jī)缸套變形與活塞環(huán)摩擦設(shè)計(jì)(天津大學(xué)-梁興雨)

1、梁興雨梁興雨 主講人主講人 1. 研究研究背景背景/Background 2. 缸套變形對潤滑性能的缸套變形對潤滑性能的影響影響/Effect of Liner deformation to Lubricating properties 3. 活塞環(huán)的摩擦學(xué)活塞環(huán)的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)/Tribology design of Piston Ring 4. 總結(jié)總結(jié)/Conclusion 輕輕量化量化/ lightweight 低能耗低能耗/Low energy consumption Engine 高高功率密度功率密度/ high power density 低低排放排放/ low emission

2、s 高高可靠性可靠性/ high reliability 小型化小型化/ Downsizing 現(xiàn)代現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)正在朝向高轉(zhuǎn)速、高功率密度、小型化和輕型化方面發(fā)展，使得內(nèi)燃機(jī)正在朝向高轉(zhuǎn)速、高功率密度、小型化和輕型化方面發(fā)展，使得 內(nèi)燃機(jī)中潤滑條件變得更加苛刻、惡劣，潤滑油的內(nèi)燃機(jī)中潤滑條件變得更加苛刻、惡劣，潤滑油的可靠潤滑可靠潤滑如今已成為提高如今已成為提高 發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性耐久性和和安全性安全性的一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)的一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)。 強(qiáng)度強(qiáng)度/ intensity 工作狀態(tài)工作狀態(tài)/ Work condition 附加附加機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)/ accessries 核心核心部件部件/ core

3、 components 機(jī)械負(fù)荷機(jī)械負(fù)荷/ / mechanical loadmechanical load 熱負(fù)荷熱負(fù)荷/ / ThermalThermal loadload 氣缸套氣缸套/ / CylinderCylinder 有有研究表明，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)消耗的機(jī)械能分布中，有研究表明，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)消耗的機(jī)械能分布中，有35%35%的能量用于加速，的能量用于加速，17%17%的能的能 量用于汽車正常工作，有量用于汽車正常工作，有48%48%的能量被消耗在摩擦損失上。在車輛的摩擦損失中，的能量被消耗在摩擦損失上。在車輛的摩擦損失中， 發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦占用發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦占用66%66%，其中，其中活塞環(huán)與

4、缸套的摩擦有活塞環(huán)與缸套的摩擦有19%19%?？梢娧芯炕钊h(huán)。可見研究活塞環(huán)- -缸套系統(tǒng)缸套系統(tǒng) 能量損失很有必要。能量損失很有必要。 能量/ energy 100% 加速加速35% speeded-up 汽車正常工作汽車正常工作17% normal work 能量損失能量損失 總摩擦損失總摩擦損失48% Energy loss The total friction loss 19% 活塞環(huán)活塞環(huán)- -缸套系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)問題缸套系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)問題 piston - liner System piston - liner System 簡化為簡化為滑塊與平板滑塊與平板 間的來回運(yùn)動(dòng)間的來回運(yùn)動(dòng)問題問題/

5、/ Simplified as a Simplified as a slider and a flat slider and a flat 缸套缸套- -活塞環(huán)是發(fā)動(dòng)機(jī)中不可或缺的摩擦副之一，活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，同活塞環(huán)是發(fā)動(dòng)機(jī)中不可或缺的摩擦副之一，活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，同 時(shí)，通過曲柄軸輸出動(dòng)力，活塞環(huán)在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)中也跟著活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此活時(shí)，通過曲柄軸輸出動(dòng)力，活塞環(huán)在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)中也跟著活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此活 塞環(huán)的潤滑效果對內(nèi)燃機(jī)的工作過程有非常大的影響。內(nèi)燃機(jī)的摩擦能量損失塞環(huán)的潤滑效果對內(nèi)燃機(jī)的工作過程有非常大的影響。內(nèi)燃機(jī)的摩擦能量損失主要由主要

6、由缸缸 套套- -活塞環(huán)系統(tǒng)摩擦活塞環(huán)系統(tǒng)摩擦消耗消耗。活塞環(huán)活塞環(huán)工作環(huán)境十分惡劣，其工作狀況影響著內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、工作環(huán)境十分惡劣，其工作狀況影響著內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、 燃油經(jīng)濟(jì)性以及可靠性。因此需要分析缸套燃油經(jīng)濟(jì)性以及可靠性。因此需要分析缸套- -活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)中活塞環(huán)的潤滑狀態(tài)，設(shè)計(jì)合理活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)中活塞環(huán)的潤滑狀態(tài)，設(shè)計(jì)合理 的活塞環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸，提高缸套的活塞環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸，提高缸套- -活塞環(huán)工作的安全性活塞環(huán)工作的安全性以及以及可靠性可靠性。 內(nèi)燃機(jī)冷態(tài)裝配和熱態(tài)工作過程中，缸套均會發(fā)生變形，不但在內(nèi)燃機(jī)冷態(tài)裝配和熱態(tài)工作過程中，缸套均會發(fā)生變形，不但在周向周向上，而且在上，而且在軸向軸向 也

7、會發(fā)生變形。所以變形情況下的活塞環(huán)追隨性以及潤滑油膜的變化都會對摩擦功耗也會發(fā)生變形。所以變形情況下的活塞環(huán)追隨性以及潤滑油膜的變化都會對摩擦功耗 以及工作可靠性產(chǎn)生影響。以及工作可靠性產(chǎn)生影響。 p 目的：通過計(jì)算、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^計(jì)算、實(shí)驗(yàn)- -因素、規(guī)律總結(jié)因素、規(guī)律總結(jié)- -提出設(shè)計(jì)指標(biāo)提出設(shè)計(jì)指標(biāo)/ / p Aim: through calculation, experiment and summary-design indexAim: through calculation, experiment and summary-design index 潤滑特性變化潤滑特性變化 Lubri

8、cating properties 大小大小/ strength 分布分布/ distribution 螺栓螺栓分布分布/ Bolting patterns 螺栓螺紋螺栓螺紋長度長度/ Bolt thread length 螺紋第一位螺紋第一位置置/ First thread n動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)變形變形-熱負(fù)荷熱負(fù)荷、冷卻、冷卻場場 Dynamic deformationheat load、cooling field n靜態(tài)變形靜態(tài)變形/ nStatic deformation 缸蓋、機(jī)體、缸套、缸墊/ Cylinder head, body, Liner, pad 預(yù)緊預(yù)緊力因素力因素/ Pre-l

9、oad 材料因素材料因素/ Material 設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)指標(biāo) Design IndexDesign Index p 目的：通過計(jì)算、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^計(jì)算、實(shí)驗(yàn)- -因素、規(guī)律總結(jié)因素、規(guī)律總結(jié)- -提出設(shè)計(jì)指標(biāo)提出設(shè)計(jì)指標(biāo)/ / p Aim: through calculation, experiment and summary-design indexAim: through calculation, experiment and summary-design index n動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)變形變形-熱負(fù)荷熱負(fù)荷、冷卻、冷卻場場 Dynamic deformationheat load、coolin

10、g field n靜態(tài)變形靜態(tài)變形/ nStatic deformation 傅里葉分解傅里葉分解 p測量設(shè)備及結(jié)果測量設(shè)備及結(jié)果/ /Measuring equipment and the results p 機(jī)體以及缸套的整體位移機(jī)體以及缸套的整體位移云圖云圖 / /Overall displacement contours 修正前修正后仿真 二階：裝卡影響二階：裝卡影響，四，四階受二階影響階受二階影響 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)吻合吻合 傅里葉解析/Fourier analysis p測量設(shè)備及結(jié)果測量設(shè)備及結(jié)果/ /Measuring equipment and the results 研究方法/ Re

11、search method u以以缸套缸套- -活塞環(huán)活塞環(huán)為研究對象，為研究對象，結(jié)合平均結(jié)合平均Reynolds Reynolds 方程和微凸體接方程和微凸體接 觸模型觸模型，建立缸套變形情況下的，建立缸套變形情況下的潤滑模型潤滑模型，考察缸套變形對摩擦，考察缸套變形對摩擦 功耗的影響功耗的影響。 u采取采取人為施加外界干擾的方式，改變缸套形狀，考察特定形變?nèi)藶槭┘油饨绺蓴_的方式，改變缸套形狀，考察特定形變 情況下的潤滑油消耗，為潤滑油消耗影響因素提供基礎(chǔ)參考情況下的潤滑油消耗，為潤滑油消耗影響因素提供基礎(chǔ)參考。 u在在活塞活塞的第一環(huán)槽上對稱打孔，在孔中安裝電渦流傳感器，通的第一環(huán)槽上對

12、稱打孔，在孔中安裝電渦流傳感器，通 過測量環(huán)槽與活塞環(huán)的間隙變化來反映活塞環(huán)與缸套之間的距離過測量環(huán)槽與活塞環(huán)的間隙變化來反映活塞環(huán)與缸套之間的距離 變化變化，體現(xiàn)活塞環(huán)追隨性的變化，體現(xiàn)活塞環(huán)追隨性的變化。 Establish lubrication model 活塞環(huán)潤滑基礎(chǔ)模型建立/ lubricant model 活塞環(huán)流體潤滑基礎(chǔ)模型是一個(gè)數(shù)學(xué)模型，是一個(gè)二元多次偏微分方程，也即平均活塞環(huán)流體潤滑基礎(chǔ)模型是一個(gè)數(shù)學(xué)模型，是一個(gè)二元多次偏微分方程，也即平均 ReynoldsReynolds方程。平均方程。平均ReynoldsReynolds方程是一個(gè)極方程是一個(gè)極難求解難求解、且繁雜且

13、繁雜的的偏微分方程偏微分方程，因?yàn)樵谇蠼膺^因?yàn)樵谇蠼膺^ 程中涉及到程中涉及到很多變量的變化，很多變量的變化，一般不能求出油膜壓力一般不能求出油膜壓力P P的精確解，只能求出其近似解。的精確解，只能求出其近似解。 模型代數(shù)化 活塞環(huán)潤滑基礎(chǔ)模型活塞環(huán)潤滑基礎(chǔ)模型建立建立/ lubricant model 活塞環(huán)徑向受力活塞環(huán)徑向受力/ radial force 其中：其中：FgFg為為作用在活塞環(huán)背部的氣體壓力作用在活塞環(huán)背部的氣體壓力；FzFz為活塞為活塞 環(huán)自身張力；環(huán)自身張力；FpFp為總的油膜壓力；為總的油膜壓力；WaWa為微凸體接觸力為微凸體接觸力 3 0 .1 4 1 (/1) Z

14、E m F dda A p dpFA 微凸體接觸數(shù)學(xué)模型/ asperity contacts 當(dāng)膜厚比小于當(dāng)膜厚比小于4 4時(shí)，時(shí)，活塞環(huán)活塞環(huán)處于混合潤滑狀態(tài)處于混合潤滑狀態(tài)， 微凸體微凸體間間發(fā)生接觸發(fā)生接觸，故存在，故存在微凸體接觸力微凸體接觸力WaWa。 2.5 162 () 15 () a A EWFH dA 判斷潤滑程序是否收斂重要條件之一 Establish lubrication model 溫度模型建立溫度模型建立/temperature 為了解活塞環(huán)的表面溫度對粘度的影響，需要確定活塞環(huán)油膜溫度的數(shù)值及其變?yōu)榱私饣钊h(huán)的表面溫度對粘度的影響，需要確定活塞環(huán)油膜溫度的數(shù)值及

15、其變 化規(guī)律。但是要確定活塞環(huán)油膜瞬態(tài)溫度場無論是通過模擬計(jì)算化規(guī)律。但是要確定活塞環(huán)油膜瞬態(tài)溫度場無論是通過模擬計(jì)算或或?qū)嶒?yàn)研究，都實(shí)驗(yàn)研究，都 是很困難是很困難。采用。采用M-TMaM-TMa關(guān)系計(jì)算溫度場關(guān)系計(jì)算溫度場。 0.5 ( )() ( / ) tdctdctbc T xTTTx S Establish lubrication model 假定活塞環(huán)沿圓周方向仍保持軸對稱，則變形缸套相對于理想圓形缸套沿圓周方假定活塞環(huán)沿圓周方向仍保持軸對稱，則變形缸套相對于理想圓形缸套沿圓周方 向的油膜厚度增量向的油膜厚度增量 可以表示為如下公式可以表示為如下公式: : 溫度模型建立溫度模型建立

16、/temperature 缸套周向變形數(shù)學(xué)模型建立缸套周向變形數(shù)學(xué)模型建立/ circumferential piston ring deformation 0.5 ( )() ( / ) tdctdctbc T xTTTx S n i iiy iBiAh 2 sincos)(）（ 邊界條件的選取邊界條件的選取/ boundary conditions Establish lubrication model 油膜壓力場分布/ distribution of film pressure 油膜厚度場分布/ distribution of temperature 0 90 180 270 360 0

17、 1 2 3 x 10 -3 0 1 2 3 4 5 x 10 6 活塞環(huán)圓周方向角度/ 活塞環(huán)軸向高度/m 0 90 180 270 360 0 1 2 3 x 10 -3 0 1 2 3 4 5 6 x 10 6 活塞環(huán)圓周方向角度/ 活塞環(huán)軸向高度/m0 90 180 270 360 0 1 2 3 x 10 -3 0 1 2 3 4 5 6 7 x 10 6 活塞環(huán)圓周方向角度/ 活塞環(huán)軸向高度/m 0 90 180 270 360 0 1 2 3 x 10 -3 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 x 10 -6 活塞環(huán)圓周方向角度/ 活塞環(huán)軸向高度/m0 90 180

18、270 360 0 1 2 3 x 10 -3 6 7 8 9 10 11 12 x 10 -6 活塞環(huán)圓周方向角度/ 活塞環(huán)軸向高度/m 0 90 180 270 360 0 1 2 3 x 10 -3 6 7 8 9 10 11 12 x 10 -6 活塞環(huán)圓周方向角度/ 活塞環(huán)軸向高度/m 圓形缸套圓形缸套/Round2階形變缸套階形變缸套/2nd order4階形變缸套階形變缸套/4th order Bolt1Bolt2Bolt3Bolt4 150N.m 270N.m 340N.m60N.m 450N.m70N.m 550 N.m70N.m40N.m60N.m 650N.m70N.m5

19、0N.m70N.m 采用倒拖法，通過收集一定時(shí)間內(nèi)由活塞環(huán)刮到燃燒室的潤滑油，可以一定程度上反采用倒拖法，通過收集一定時(shí)間內(nèi)由活塞環(huán)刮到燃燒室的潤滑油，可以一定程度上反 映出發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中活塞環(huán)刮到燃燒室的潤滑油數(shù)量，缸套變形采用人為干預(yù)方映出發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中活塞環(huán)刮到燃燒室的潤滑油數(shù)量，缸套變形采用人為干預(yù)方 式獲得。式獲得。 活塞環(huán)在環(huán)槽里的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了活塞環(huán)對缸套的脫離，密封性變差，潤活塞環(huán)在環(huán)槽里的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了活塞環(huán)對缸套的脫離，密封性變差，潤 滑油就是在這個(gè)時(shí)候透過縫隙進(jìn)入燃燒室，因此研究活塞環(huán)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對滑油就是在這個(gè)時(shí)候透過縫隙進(jìn)入燃燒室，因此研究活塞環(huán)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

20、，對 于解釋潤滑油的消耗具有重要的意義。于解釋潤滑油的消耗具有重要的意義。 活塞環(huán)與環(huán)槽間隙變化活塞環(huán)與環(huán)槽間隙變化/ The clearance changes 對置活塞環(huán)槽間隙變化對置活塞環(huán)槽間隙變化/ the opposed piston ring groove 預(yù)緊力對環(huán)槽間隙變化影響預(yù)緊力對環(huán)槽間隙變化影響/ Effects of preload 電渦流傳感器在活塞環(huán)槽電渦流傳感器在活塞環(huán)槽/ Eddy current sensor is in the piston ring groove Tribology piston ring design l在在活塞環(huán)缸套潤滑特性研究的基礎(chǔ)上

21、，建立基于四種模式的缸內(nèi)潤滑油活塞環(huán)缸套潤滑特性研究的基礎(chǔ)上，建立基于四種模式的缸內(nèi)潤滑油 消耗模型，得到缸內(nèi)潤滑油消耗規(guī)律。消耗模型，得到缸內(nèi)潤滑油消耗規(guī)律。 l分析活塞環(huán)主要參數(shù)（活塞環(huán)彈力）對缸內(nèi)潤滑油消耗的影響規(guī)律分析活塞環(huán)主要參數(shù)（活塞環(huán)彈力）對缸內(nèi)潤滑油消耗的影響規(guī)律。 l以以降低缸內(nèi)潤滑油消耗量為目標(biāo)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對活塞環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低缸內(nèi)潤滑油消耗量為目標(biāo)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對活塞環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 并進(jìn)行優(yōu)化前后柴油機(jī)潤滑油消耗試驗(yàn)。并進(jìn)行優(yōu)化前后柴油機(jī)潤滑油消耗試驗(yàn)。 設(shè)計(jì)方法/ design method Mode of oil consumption 缸壁蒸發(fā)缸壁蒸發(fā)/ e

22、vaporation 頂環(huán)刮油及環(huán)側(cè)機(jī)油流動(dòng)頂環(huán)刮油及環(huán)側(cè)機(jī)油流動(dòng)/ oil scraper and transportation 頂環(huán)開口竄油頂環(huán)開口竄油 / Throw off 活塞頂岸刮油活塞頂岸刮油/ Oil scraping u 消耗模式消耗模式/ /Consumption patterns 不同轉(zhuǎn)速下每循環(huán)的不同轉(zhuǎn)速下每循環(huán)的 平均機(jī)油消耗率對比平均機(jī)油消耗率對比 不同負(fù)荷率每循環(huán)平不同負(fù)荷率每循環(huán)平 均機(jī)油消耗率對比均機(jī)油消耗率對比 Mode of oil consumption 名稱名稱方案方案 A 方案方案 B 方案方案 C 方案方案 D 方案方案 E 方案方案 F 方案方案

23、 G 一環(huán)一環(huán)30204050303030 二環(huán)二環(huán)30204050303030 油環(huán)油環(huán)755010012550100125 頂環(huán)甩油量和活塞頂岸刮油量都隨彈力的增大而減小。缸壁蒸發(fā)量沒有改變，即跟剩頂環(huán)甩油量和活塞頂岸刮油量都隨彈力的增大而減小。缸壁蒸發(fā)量沒有改變，即跟剩 余油膜厚度無關(guān)，說明剩余油膜不會全部蒸發(fā)。頂環(huán)開口竄入量跟彈力變化無關(guān)。余油膜厚度無關(guān)，說明剩余油膜不會全部蒸發(fā)。頂環(huán)開口竄入量跟彈力變化無關(guān)。 水平序號水平序號頂環(huán)頂環(huán)/eB 二環(huán)閉口間二環(huán)閉口間 隙隙/mm 油環(huán)彈油環(huán)彈 力力/N 141030.350 251030.57575 361031.0100 471032.0125 水平序號水平序號頂環(huán)頂環(huán)/eB 二環(huán)閉口間二環(huán)閉口間 隙隙/mm 油環(huán)彈油環(huán)彈 力力/N 141030.350 251030.57575 361031.0100 471032.0125 優(yōu)化措施能夠降低機(jī)油消耗率優(yōu)化措施能夠降低機(jī)油消耗率6%12%6%12% 1.缸套無論在冷態(tài)還是熱態(tài)，都會發(fā)生變形，并且這種變形是不可避免的，只要在允 許范圍內(nèi)，對工作過程影響不大； 2.將缸套變形進(jìn)行富立葉分解后，可以獨(dú)立研究每階變形對潤滑性能的影響；油膜壓 力分布特征發(fā)生變化，但總摩擦力變化不大； 3.缸套變形后，對潤滑油的泵油作用具有一定影響，也