文档介绍：南京航空航天大学
硕士学位论文
活塞环表面织构化的理论及实验研究
姓名:孙造
申请学位级别:硕士
专业:机械设计及理论
指导教师:王晓雷
2011-03
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
活塞环/缸套摩擦副是内燃机中最重要的摩擦副之一,其摩擦损失占整个内燃机摩擦损失中
的 19%,因此多年来国内外学者为改善这对摩擦副的摩擦学性能,从活塞环/缸套材料以及各种
各样的表面涂层等方面入手进行了深入而又细致的研究。表面织构技术即在摩擦副表面上加工
出具有一定尺寸的规则排列的几何形貌,近些年来也得到了各国学者的关注,并广泛应用于各
种摩擦副的表面。本文从理论和实验两个方面对表面织构化的活塞环/缸套摩擦副的摩擦学性能
进行了研究。
在理论研究方面,建立了在动压润滑条件下的二维 Reynolds 方程,利用有限差分法对方程
进行求解,并采用多重网格法、超松弛迭代法加速结果的收敛,得到表面织构的直径、深度、
面积率以及部分织构率对摩擦副润滑性能的影响。结果显示,全织构情况下,最佳凹坑深度与
工况膜厚相当;最佳面积率与凹坑深度和油膜厚度的比值有关;最佳的凹坑半径与平均无量纲
油膜压力成正比。对于部分织构,得到最佳凹坑织构率应在 60%左右,同时在部分织构下,面
积率越大越好;在织构率为 60%时,最佳凹坑深度为工况膜厚的 70%;最佳凹坑半径也是与全
织构情况下得到的结论一致即与平均无量纲油膜压力成正比。
在实验方面,本文采用光刻微细电解的技术在实际桶形活塞环片断表面加工表面织构,在
优化后的往复式摩擦磨损实验机上进行试验,研究了在充分润滑下,不同载荷及速度条件下表
面织构的直径、深度、面积率以及部分织构率对活塞环/缸套的摩擦学性能的影响。从试验数据
中得到,在不同的工况条件下,存在一个最优的凹坑几何参数。直径、深度方面,在不同的载
荷及速度下存在一个最佳的的深径比,最佳凹坑深度与工况油膜厚度存在特定的关系,所得到
的趋势与计算结果得到的最佳凹坑深度与油膜厚度相当的结果相吻合;面积率方面,面积率为
%、%织构试件减摩效果较优;部分织构方面,面积率较低以及薄膜较薄时,部分织构
试件相对于全织构试件无额外减摩效果,当面积率提高时,且油膜厚度较厚时,部分织构试件
体现了相对于全织构试件的较好的减摩效果,且最优部分织构率为 80%。
关键词:活塞环,表面织构,光刻,微细电解,摩擦
I
活塞环表面织构化的理论及实验研究
ABSTRACT
The piston ring/liner rubbing pair is one of the most important rubbing pair bustion motor
and the friction loss between piston ring and cylinder liner is about 19% of the total friction loss in the
bustion engine. So, a large amount of works were done by domestic and foreign scholars
in controlling the tribological performance of this rubbing pair. By improving the material of piston
ring/liner and the coating of surface, they carried on deep and fundamental research. Surface texture
technology which is to fabricate the geometrical profile which regularly arranges with certain
dimension on the surface of rubbing pair has been proved to be an efficient method to improve the
tribological performance. It attracts more attention around the world and has been widely applied to
many surfaces of rubbing pair. In this thesis, a theoretical and expeimental study were performed on
friction proper