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下载论文就送你全套CAD图纸,Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸,Q咨询414951605或1304139763硕士学位论文题目蜂窝状微坑对发动机性能的影响研究生王碧波专业机械制造及其自动化指导教师张云电教授完成日期2002年01月下载论文就送你全套CAD图纸,Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸,Q咨询414951605或1304139763杭州电子工业学院硕士学位论文蜂窝状微坑对发动机性能的影响研究生王碧波指导教师张云电教授2002年01月下载论文就送你全套CAD图纸,Q咨询414951605或1304139763DISSERTATIONSUBMITTEDTOHANGZHOUINSTITUTEOFELECTRONICSENGINEERINGFORTHEDEGREEOFMASTERTHEINFLUENCEOFTHEHONEYCOMBMICROPITSTOTHEFUNCTIONOFTHEENGINECANDIDATEWANGBIBOSUPERVISORPROFZHANGYUNDIANJANUARY,2002杭州电子工业学院硕士学位论文I摘要缸套活塞环摩擦副是一个集往复、冲击运动于一体的复杂的摩擦学系统,本文是在摩擦、磨损、润滑理论的基础上,研究发动机活塞和缸套运动区域内,摩擦表面减少磨损的表面形貌设计,研究缸套工作表面加工出蜂窝状微坑后对发动机性能的影响。首先,回顾了缸套工作表面储油结构的发展历程,探讨了目前国内外缸套工作表面储油结构的发展状况。研究了内燃机活塞运动区域缸套摩擦表面减少磨损的表面形貌设计,提出在缸套工作表面加工出蜂窝状微坑来改善缸套活塞环摩擦副的润滑和磨损状况。分析了蜂窝状微坑的流体润滑机理。对各种缸套工作表面微坑加工方法进行了研究,分析了它们的微坑加工原理和特点,重点分析了振动冲击加工微坑方法,并且利用这种方法控制微坑分布规律和结构参数。完成了振动冲击加工缸套蜂窝微坑的试验条件准备,设计了数控微坑成型机,购买了珩磨机,进行了机床的布置、安装、改造,设计和制造了夹具和矩阵工具头。利用数控微坑成型机和低频振动冲击装置,完成了对多种微坑结构参数的洛嘉牌摩托车发动机气缸套、东风4型机车缸套和斯太尔WD615柴油机气缸套的微坑加工。设计并进行了洛嘉牌摩托车发动机微坑气缸套和斯太尔WD615柴油机微坑气缸套的台架试验,台架试验表明使用微坑气缸套可明显减少缸套和活塞的磨损、机油消耗量和排放。关键词缸套,微坑,台架试验,耐磨性杭州电子工业学院硕士学位论文IIABSTRACTTHECYLINDERANDPISTONRINGSISTHECOMPLICATEDTRIBOLOGYSYSTEMTHATHASTHERECIPROCATINGMOTIONANDTHEIMPACTINGMOTIONTHETOPOGRAPHYOFTHETRIBOLOGICALSURFACETHATCANREDUCETHEABRASIONWITHINTHEDISTRICTOFTHECYLINDERANDPISTONRINGSMOVINGHASBEENSTUDIEDANDDESIGNEDTHEHONEYCOMBMICROPITSCYLINDERHOWTOINFLUENCETHECHARACTERISTICOFTHEENGINEALSOHASBEENSTUDIEDINTHEPAPERFIRST,THEDEVELOPMENTOFTHESTRUCTURETHATCANSTORETHELUBRICATIONISREVIEWEDTHEPRESENTDEVELOPMENTOFTHESTORINGLUBRICATIONSTRUCTUREONTHEWORKINGSURFACEOFTHECYLINDERISRESEARCHEDSECOND,THEHONEYCOMBMICROPITSAREMANUFACTUREDONTHEWORKINGSURFACEOFTHECYLINDERTOIMPROVETHELUBRICATIONANDABRASIONOFTHECYLINDERANDPISTONRINGSTHETHEORYOFDYNAMICLUBRICATIONOFTHEHONEYCOMBMICROPITSISRESEARCHEDALLKINDSOFPROCESSINGMETHODSOFMICROPITSONTHEWORKINGSURFACEOFTHECYLINDERARESTUDIEDITSPROCESSINGPRINCIPLEANDFEATUREAREANALYZEDTHEMETHODOFTHEIMPACTINGTOMANUFACTUREMICROPITSISRESEARCHEDWITHEMPHASISTHISMETHODCANBEUSEDTOCONTROLTHEDISTRIBUTINGREGULATIONANDTHESTRUCTURALPARAMETERTHETESTCONDITIONOFTHEIMPACTINGTOMANUFACTUREMICROPITSISREADYTHENUMERICALCONTROLLEDMICROPITSPROCESSINGMACHINEISDESIGNEDTHEHONINGMACHINEISPURCHASEDTHEMACHINESAREDISPOSED,INSTALLED,RECONSTRUCTEDTHECLAMPINGFIXTURESANDTHEMATRIXTOOLSAREDESIGNEDANDMANUFACTUREDUSINGTHENUMERICALCONTROLLEDMICROPITSPROCESSINGMACHINE,THEMOTORCYCLECYLINDER,THELOCOMOTIVECYLINDERANDTHEDIESELENGINECYLINDERAREMANUFACTUREDTHEHONEYCOMBMICROPITSTHATHAVEMANYSTRUCTURALPARAMETERSTHEBENCHTESTSOFTHEMOTORCYCLECYLINDERANDTHEDIESELENGINECYLINDERAREPLANNEDANDCARRIEDOUTTHEBENCHTESTSSHOWTHEABRASIONOFTHECYLINDERANDPISTONRINGS,THELUBRICATIONCONSUMPTIONANDPARTICULATEEMISSIONCANBEREDUCEDUSINGTHEHONEYCOMBMICROPITSMOTORCYCLECYLINDERKEYWORDSCYLINDER,MICROPITS,BENCHTEST,WEARABILITY杭州电子工业学院硕士学位论文III目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111缸套的磨损形式1111缸套的正常磨损1112腐蚀磨损2113磨料磨损2114熔着磨损212国内外研究现状313表面微坑加工方法的发展史514本文的研究方向及所完成的主要工作6第2章蜂窝状微坑的工作机理721具有蜂窝状微坑储油结构的缸套的提出722蜂窝状微坑的润滑原理8221理论分析92211假设92212最小油膜厚度最大瞬时值的计算92213上、下止点油膜厚度的计算13222结论与分析1423蜂窝状微坑对排放和机油耗的影响15231排放物的生成机理及危害15232机油消耗与排放物的关系16233降低机油耗和排放的措施17第3章表面微坑加工方法1931自激振动方法19311自激振动的产生19312缸套波纹形内孔表面的形成20313用自激振动形成缸套波纹形孔面的特点2232滚压方法2233激光珩磨22331激光打孔原理22332激光珩磨机床23333激光珩磨形成的储油结构24334试验结果24335激光珩磨的特点25杭州电子工业学院硕士学位论文IV34振动冲击加工方法26341表面微坑振动冲击加工原理26342加工工艺过程及要求29343微坑振动冲击加工对缸套耐磨性的影响293431储油微坑对缸套活塞环耐磨性的影响293432冲击微坑残余应力对缸套耐磨性的影响30344实验结果30第4章试验条件3241试验设备32411数控微坑成型机32412珩磨机3442夹具3443矩阵工具头37第5章蜂窝状微坑缸套的台架试验3851台架试验方法38511试件准备385111摩托车发动机气缸套385112斯太尔WD615柴油机气缸套39512试验参数425121摩托车气缸套试验参数425122斯太尔WD615气缸套试验参数43513试验方法及过程435131摩托车气缸套435132斯太尔WD615气缸套4352台架试验结果4353台架试验结论44第6章总结与展望45致谢47参考文献48附录51买文档送全套图纸扣扣414951605杭州电子工业学院硕士学位论文1第1章绪论内燃机是机械车辆的动力源。它是一个集往复、回转、冲击等运动为一体的复杂的摩擦学系统。据统计,一台六缸柴油机有600多对摩擦副1,磨损是导致内燃机零部件失效和整机性能劣化的主要原因,尤其随着高科技的发展,对内燃机的可靠性、寿命、排放、经济性等要求越来越高,使得其摩擦、磨损问题更加突出。缸套活塞环摩擦副被汽车行业称为三大磨损副之一。它们的磨损是一个很大的问题。每年都要消耗大量的活塞环备件,而缸套磨损后的修理也很麻烦,费用高。多年来一直列为行业攻关课题。本文在分析缸套活塞环摩擦副的磨损机理和摩擦学特性的基础上,着重研究缸套表面储油结构对发动机缸套活塞环摩擦副性能的影响,使设计的缸套达到最高的可靠度、最佳的经济性能和合理的使用寿命。11缸套的磨损形式23缸套活塞环摩擦副长期在高温高压、冲击应力、腐蚀等恶劣工况下工作,磨损很严重,是影响发动机正常工作的主要原因4。发动机缸套磨损后,活塞与缸套的配合间隙加大,气密性下降,发动机的动力性和经济性下降,造成起动困难,机油温度和油耗增加,排气困难等后果。国内外对缸套的磨损研究表明,缸套的主要磨损形式由下面几种111缸套的正常磨损油环下止点第一环上止点活塞相对磨损量图1正常磨损图2腐蚀磨损活塞油环下止点第一环上止点相对磨损量杭州电子工业学院硕士学位论文2如图11所示,正常磨损的位置是在活塞上止点第一道环附近,该处磨损最大5,形成很明显的台阶,此外油环下止点处的磨损也较明显6。这是因为活塞在这两个部位的移动速度为零,不容易建立起润滑油膜,处于边界状态,所以磨损较别处大。上止点的磨损除上述原因外,还由于上止点处的气压大,燃气温度高,使金属的耐磨性降低,同时燃气中的酸性物质有可能对缸套内表面起腐蚀作用,所以上止点处的磨损最大。活塞油环下止点第一环上止点相对磨损量图13空气中磨料引起的磨损活塞油环下止点第一环上止点相对磨损量图14机油中磨料引起的磨损112腐蚀磨损如图12所示,由于低温启动频繁,燃油中所含硫分高,燃气中酸千较多,在冷却水温较低的情况下,在缸套内表面形成酸类,强烈地腐蚀缸套内表面,造成腐蚀磨损。这种磨损占据主导地位时,在上止点第一道环附近磨损最大,几乎为正常磨损的2倍。这种磨损的特征是在缸套上部形成疏松的小洞穴。另外,被腐蚀而脱落的颗粒,在缸套中部又构成严重的磨料磨损,使中部的磨料磨损增加45倍,如图12中粗实线所示。113磨料磨损由于空气滤清不良,空气中的灰尘被吸入缸套中,这些微细的磨料导致缸套产生磨料磨损,如图13所示。另外,落入机油的灰尘、杂质也会引起磨料磨损如图14所示。这两种磨料磨损现象的特征是进气中的灰尘使缸套造成较大的磨损,而机油中的磨粒使缸套的下部形成较大的磨损。114熔着磨损当活塞与缸套内表面在润滑和冷却不良的条件下滑动,尤其内燃机在大负荷下工作时,金属与金属间会产生直接接触,在干摩擦的情况下将导致局部产生高温,使两金属间发生熔着磨损。与前述磨损相比,这是一种破坏性更大的磨损。杭州电子工业学院硕士学位论文3熔着磨损一旦发生,活塞和缸套就很快报废,甚至会引发更大的事故。在实际工作过程中,上述的磨损形式往往不是孤立存在的,他们有时是互为因果关系的,所以在判定、分析缸套的磨损时,对磨损要具体分析,从中找出磨损原因的主导方面及其相互间的关系7。缸套的内表面是活塞作往复运动的导行面,工作中承受高温、高压、腐蚀和经常的磨损,它的磨损程度决定了发动机的使用寿命。为了提高发动机缸套的使用寿命,人们围绕缸套的各种磨损形式,研究缸套的磨损规律,分析引起磨损的原因和影响因素,在缸套的材质、表面处理、表面形貌、润滑状态等方面研究了多种工艺方法,来减少磨损,降低维修费用,提高发动机的使用寿命。在材质方面,采用本质上耐磨性良好的材料或对现有材料进行复性处理以提高耐磨性在表面形貌方面,改进缸套表面加工技术控制表面的有关形貌参数在润滑方面,改进润滑剂和润滑状态。本文是根据国内外的研究状况及国内的设备情况,在分析缸套活塞环摩擦副的磨损机理、性能和常规表面形貌参数的基础上,着重对缸套表面的形貌进行深入的研究,比较若干种不同表面形貌缸套的性能差异,以便寻求延长发动机缸套使用寿命的方法8。12国内外研究现状9101112缸套活塞环摩擦副的润滑分析是摩擦学应用的最重要领域之一13。多年以来,许多学者进行了大量的工作。德国、美国、日本、英国等国家对平顶珩磨技术进行了大量的研究,将平顶珩磨技术作为铸铁缸套内孔表面最终加工工序,以形成交叉网纹沟槽平顶储油结构14。许多国家一直致力于解决平顶网纹的均匀性和沟槽深度的一致性,甚至开展攻关项目研究,以期达到发动机设计者预期的目标。遗憾的是,长期以来,由于磨料形状的多样性、磨料大小的不一致性、磨料在油石中分布的不均匀性以及加工过程中各种随机因素的影响,平顶网纹无法做到均匀,沟槽深度波动很大。即使平顶网纹能够做到均匀分布、深度一致,由于平顶网纹相互贯通,存储在网状沟槽里的润滑油在缸套活塞环摩擦副工作过程中也会被活塞环沿着沟槽挤出去,无法建立动压润滑,缸套气密性仍不理想。德国学者KLINKU、美国学者CHRISJEVANS和JAMESBBRYAN等人开展了激光珩磨技术的研究,取得了有益的进展。由于激光珩磨单激光束每分钟只能加工1800个小孔,加工效率很低,设备成本高(每台激光珩磨机的价格为450万元),导致生产成本大幅增加,更为严重的是,如果将激光珩磨用于钢质薄壁镀铬缸套,则激光将会烧蚀缸套基体局部材料,导致烧蚀处与镀铬层之间丧失结合力,因此,至今还不能在发动机生产中采用。国外研究人员采用SIC研磨技术改进缸套内壁储油结构,取得了一定的成效,还有人探讨过石墨对缸套耐磨性的影响。杭州电子工业学院硕士学位论文4钢质薄壁缸套采用松孔镀铬方法对缸套内壁镀铬,即镀铬后进行逆电解,其表面形成沟状储油槽,再采用研磨方法对镀铬层进行精密研磨。英国、西班牙是在薄壁缸套上采用松孔镀铬技术最早的国家。其后,日本、美国引进英国的松孔镀铬技术。我国早1995年分别从英国和日本引了进松孔镀铬技术。但是,松孔镀铬技术存在耗电量大(每只耗电3度)、时间长(镀铬时间3小时)、成本高(国内每只缸套镀铬镀铬成本35元)、废品率高达2030、工艺复杂等问题,从而导致了薄壁缸套制造成本高、质量不稳定。并且松孔镀铬方法形成的储油结构是交叉网纹或不均匀点坑,也制约了薄壁缸套的性能。日本学者KOJIKATO研究了通过改进材质和表面粗糙度来控制磨损。国外工业发达国家还研究了各种合金铸铁材料的缸套,如高合金铸铁、低合金铸铁、含磷铸铁(有低磷、中磷和高磷铸铁)含硼铸铁、含铌铸铁,可依据不同机型、不同的工况条件,配置不同材质的缸套,以提高其使用寿命。在缸套摩擦副中以不同材质的缸套与活塞环匹配,可得到最佳的配副性能。对缸套内壁进行激光淬火可以提高淬硬区的硬度,而更为重要的是可以创造一个有利的润滑条件,激光淬火在缸套内壁实现了以淬硬带为筋,未淬硬带磨损后为微凹槽的微油池。提高了缸套活塞环摩擦副的润滑效果及综合的耐磨能力。美国通用汽车公司首先建立了激光淬火生产线,对645系列柴油机缸套进行激光淬火处理,彻底解决了擦伤现象。随后,在80年代德国MANBW公司对L58/64型船用柴油机缸套进行激光淬火处理,端磨比一般缸套低3060,比渗氮缸套的抗摩擦磨损及抗腐蚀性能高,润滑油消耗率小。90年代原苏联也进行了大量的激光淬火试验,结果表明耐磨性和抗擦伤性提高。MPRIEST和CMTAYLOR研究了缸套活塞环摩擦副工作表面形貌对发动机性能指标的影响。美国TIANT等人研究了柴油机缸套活塞环摩擦副动力学对环环槽磨损和机油耗的影响,还有一些学者提出了活塞环的预测磨损模型,在理论研究上有了一定的深入。国内对缸套活塞环摩擦副的研究15,主要还是通过改进材质、镀铬、提高加工精度、降低表面粗糙度等传统方法来改善缸套活塞环摩擦副的润滑性能16。在材质方面,考虑到原材料的来源及区域资源情况,一般以钒铁铸铁、中磷和高磷铸铁及硼铸铁缸套为主。据我国65生产厂家统计,硼铸铁缸套最多。少数厂家也生产了低低合金铸铁或蠕墨铸铁缸套。我国一些高等院校、科研机构及工厂也开展了缸套激光淬火的研究17,并取得了较大的成就。大连机车车辆厂用2KWCO2激光对16V240Z型柴油机缸套进行螺旋状激光淬火,装车试验结果比电火花淬火的缸套耐磨031倍。使用这些方法来所带来的性能的提高已经接近了极限。张云电教授提出在气缸套工作表面加工出蜂窝状微坑储油结构,并且研制了加工这种微坑的低频振动冲击加工装置。这种加工微坑的方法具有许多优点杭州电子工业学院硕士学位论文5(1)微坑分布和结构参数可控,且所有微坑均匀分布,相互独立。(2)微坑加工简单易行。(3)工具头寿命长。(4)可采用矩阵工具头或多头螺纹车削法实现高效率、高密度微坑加工。(5)加工成本低,大约为激光珩磨成本的十分之一。(6)材料不受烧蚀作用,且形成的压应力对耐磨性有好处。采用低频振动冲击加工装置,已成功地对摩托车缸套、485Q发动机缸套、4JA1和4JB1钢质薄壁缸套、东风4型高速火车发动机缸套进行了加工试验,可以制造出相互独立、均匀分布、深度一致、呈蜂窝状数以万计的点坑。振动冲击加工微坑方法是缸套工作表面储油结构的新型加工方法,具有明显的优越性,有广阔的应用前景。13表面微坑加工方法的发展史181920缸套活塞环摩擦副是一个集往复、冲击运动于一体的复杂的摩擦学系统。为了使所设计的缸套活塞环摩擦副能达到最高的可靠度,最佳的经济性能和合理的使用寿命,我们必须用摩擦、磨损、润滑的理论2122,从系统的观点出发,去分析影响缸套活塞环摩擦副磨损的各个因素23。国内外的最新研究表明,采用改进材质、激光淬火、镀铬、提高加工精度、降低表面粗糙度等传统方法来改善缸套活塞环摩擦副的性能已经接近极限。而在缸套工作表面加工一定形状的凹腔式结构,可以形成良好的储油结构和油契,从而提高缸套活塞环摩擦副的润滑效果和耐磨性。缸套工作表面加工的储油结构可分为三种网状裂纹型、网状交叉型和独立微坑型。而其加工方法可分为七种松孔镀铬、平顶珩磨、液体喷沙、滚花、自激振动、激光珩磨和振动冲击加工微坑等。这几种加工方法都可以在缸套工作表面产生储油结构,能不同程度地改善润滑状态。对于松孔镀铬,由于镀铬时间长、成本高,且网状结构互相连通,润滑油沿着沟槽被挤出去,耐磨和节油效果并不显著。平顶珩磨由于油石磨料的大小、形状、分布和磨损的不均匀性以及珩磨过程中的随机因素的影响,平顶珩磨方法形成的网纹必定会有不均匀性,因此难以预先算出与发动机性能有关的匹配情况。激光珩磨是一种由珩磨和激光加工结合的加工方法,它能够加工出交叉网状结构和螺旋型凹腔结构,还可以比较理想地加工出独立微坑型的储油结构。但是激光对缸套材料有微观熔化和烧蚀作用,可造成局部材料性能发生变化,并且激光珩磨设备的价格高,微坑加工成本高,操作复杂,维修困难。杭州电子工业学院硕士学位论文614本文的研究方向及所完成的主要工作在摩擦、磨损、润滑理论的基础上,研究发动机活塞和缸套运动区域内,摩擦表面减少磨损的表面形貌设计24;研究微坑加工中控制微坑各种参数的方法;利用镗孔微坑加工复合数控机床,实现缸套镗孔、微坑加工的自动化;通过对各种微坑参数的微坑缸套的台架试验和用户试验,研究微坑对发动机缸套活塞环摩擦副的影响。主要的工作可以分为以下几个方面1研究国内外对缸套工作表面加工方法的最新进展。2研究缸套活塞环摩擦副的摩擦学性能,分析其流体动力润滑机理。3完成振动冲击加工微坑试验的试验条件准备,包括机床的布置、安装、机床改造、夹具设计。4分别完成了对多种微坑参数的摩托车缸套、东风4型机车缸套和斯太尔缸套的微坑加工。5设计并进行了摩托车微坑缸套和斯太尔微坑缸套的台架试验,并对其结果进行了分析。6总结了蜂窝状微坑对发动机性能的影响,并对其发展前景进行了展望。杭州电子工业学院硕士学位论文7第2章蜂窝状微坑的工作机理21具有蜂窝状微坑储油结构的缸套的提出252627在内燃机中,承受高压的部件缸套活塞环摩擦副的磨损是由许多参数相互产生的复杂作用引起的,磨损的速度是由这些部件所承受的载荷、动力学条件、以及产生摩擦的两部件的相对硬度、润滑参数和相互滑动的两部件表面的形貌所决定的28。本论文是研究内燃机活塞运动区域缸套摩擦表面减少磨损的表面形貌设计29。研究表明,仅仅靠表面粗糙度来描述缸套活塞环摩擦副的摩擦表面的特性是不够的。这种摩擦表面必须进行特殊的形貌设计3031,这种表面形貌必须能承受高的负载,同时有着优良的润滑特性。这种表面的双重功能必须在设计其表面形貌时考虑到。当表面粗糙度较低时,表面具有较高的承载能力,同时需要一个开口结构来保证存储润滑油,这实际需要一个粗糙的表面。为了达到上述要求,一个平滑而粗糙的表面形貌必须被产生,这是一个可控制的加工过程32。试验表明33,在缸套工作表面加工出网状小孔或蜂窝状小眼,形成圆穴状和沟槽状储油表面结构,如图21所示,可以提高缸套工作表面的储油能力和抗刮伤性,储油表面结构的参数将影响缸套工作表面的耐磨性和磨合性。在边界摩擦的状态下,当孔隙度增加到1520时,缸套工作表面的磨损明显减少。当孔隙度超过3035时,与缸套相配合的活塞环磨损剧烈。这种关系特性表明,当缸套工作表面的孔隙度增加到一定值,缸套工作表面的储油能力获得提高而缸套工作表面的强度却没有受到明显的削弱。当孔隙度超过3035时,缸套工作表面的强度将明显降低。图21储油表面结构考虑到缸套活塞环摩擦副的磨合性,可采用孔隙度为2535,这时缸套工杭州电子工业学院硕士学位论文8作表面有足够高的耐磨性。随着缸套工作表面的储油结构被磨掉,缸套工作表面的性能接近于光滑表面,缸套工作表面丧失储油能力而迅速磨合,缸套工作表面性能的这种变化,对活塞环的工作性能并没有带来不良影响。相反,它会减少磨合后摩擦副的磨损。但是对于应该有较长使用期的缸套,保持缸套工作表面的储油能力是缸套正常工作的必要条件。对于没有储油结构的缸套,当压强不高时,缸套工作表面具有良好的减摩性,但是,当压强为7080KGF/CM2时,摩擦系数急剧增大,这表明摩擦表面金属相互作用过程加剧,致使油膜破裂和摩擦功增加。试验表明,在各种缸套工作表面储油结构中,以具有沟槽形结构的缸套表面摩擦系数最高,与蜂窝状微坑结构相比,对过载的敏感性较小。在缸套的上局部最好也形成储油表面结构,能减少整个缸套和在缸套中工作的活塞环的磨损。缸套工作表面的宏观和微观几何形状,不论是原始的,还是在使用中形成的,都对缸套和活塞环配合表面的工作性能和磨损有很大影响。减少缸套工作表面的粗糙度,会增加机加工费用,在很多情况下,还会降低表面的储油能力,提高表面刮伤的敏感性。过分放宽表面粗糙度也是不利的,因为磨合期间,摩擦副的配合表面的磨损加速。一般发动机汽缸其最佳表面粗糙度为RA01504M。缸套经常在缺油、高温和重载引起的危险摩擦状态下工作,因此需要有特殊的长效储油表面结构。这种表面储油结构应保证缸套活塞环摩擦副部件在正常和紧急的工况下,都具有可靠的分隔润滑油膜。选择形成储油表面结构的方法及其参数时,应该考虑摩擦状态、零件结构和发动机的使用寿命。不规则的表面储油结构可以采用表面喷丸处理、化学或电化学蚀刻而成。规则的储油结构可采用多齿工具滚压、激光加工、振动冲击加工方法形成。对于磨合性较差(经过淬火、氮化等)、储油能力不足(镀铬、钢质等)的缸套,形成储油表面结构最为有利。缸套活塞环摩擦副的磨损率,随着储油结构所占面积的增加而降低,降低到一定的值后,又开始回升。当抗刮伤能力最大时,磨损最小。所以有这种关系,是由于随着储油结构面积增大到超过最佳值,接触应力升高到超过油膜最大承载能力的缘故。22蜂窝状微坑的润滑原理3435363738最理想的耐磨性设计是使所设计的机械消除所有的摩擦、磨损39,目前摩擦学研究水平还不可能做到这一点。因此完全消除缸套活塞环摩擦副的摩擦是不可能的。但是我们可以用摩擦、磨损、润滑的理论,开展摩擦学设计,使缸套杭州电子工业学院硕士学位论文9活塞环摩擦副达到最佳的润滑状态4041。试验表明,蜂窝状微坑可以减少缸套活塞环摩擦副的磨损。而实际表面,无润滑的缸套活塞环摩擦副磨损是非常迅速的。这说明缸套和活塞环之间一定存在连续的油膜,这种设想已由缸套的摩擦测量结果证实42。因此,我们需要研究其流体动力润滑机理,从而寻求改进缸套活塞环摩擦副磨损的途径。221理论分析2211假设为使理论计算成为可能,现提出以下几点假设(1)缸套活塞环摩擦副的零件剖面如图22所示。(2)润滑油不沿运动方向流动,即不产生侧泄。(3)油膜中的润滑油具有层流性质。(4)润滑油的惯性力忽略不计。(5)润滑油具有不可压缩性。(6)摩擦副材料为绝对刚体。(7)润滑油各处温度相等。图2缸套活塞环摩擦副剖面2212最小油膜厚度最大瞬时值的计算图23微坑油膜厚度随活塞的滑动速度而变化,最小油膜厚度最大瞬时值是指滑动速度最大时的油膜厚度H。杭州电子工业学院硕士学位论文10如图23所示,图中A为压力最大处的横坐标,HM为该处的油膜厚度。设有光滑表面的活塞环按箭头所示方向的相对速度U移动。那么润滑油容积流量DQ可按下式计算(21)BUDHQ21式中U活塞与缸套的相对移动速度B油膜垂直运动方向的宽度H油膜厚度H可按下式计算(22)RXH21(22)式微分代入(1)式积分可得(23)CXBUCXDUQ24由边界条件XA,Q0可得(24)42AR根据流体力学可得(25)31BHQDXP式中P油膜压力在工作温度及工作压力下润滑油的动力粘度。润滑油的粘度随压力而变,其函数关系可用下式表达(26)PE0式中0在工作温度及常压下润滑油的动力粘度润滑油的压粘系数将(22)式、(24)式及(26)式代入(25)式可得(27)321203RXHRUEDXPP解上式并命(28)11H则杭州电子工业学院硕士学位论文11(29)CXXXXXXRHUEP21LN421221LN832132131212310边界条件XA,Q0可得C1。若设(29)式中大括号内的部分用函数符号FX1表示则可得(210)31130XFHRUEP对上式两端取对数得(211)31LN130XFHRUP根据边界条件,P0,由上式可得11RHAX(212)31LN1310MAXRHAFUP(213)32011MAXPERHF由于一项通常远小于1,故可忽略不计。从而得MAXPE214320113RUHAFH由于,故可得RL210215RLUHAF233010杭州电子工业学院硕士学位论文12若命(为未定参数)则可得02HRL2163200RUKH217132AF2181221RLRHL根据边界条件,P0,由210式可得11HX21901RLF设定值后,即可按(218)式求得相应的值,然后将其代入1RHL(219)式即可求得的数值。再将及的数值代入(217)式则可求1RHA1A得K值。所算得的与相对应的K值列于表21。表21与相对应的K值040608101214K059057052048045041计算表明,当1时,微坑的深度将小于油膜厚度,因而容易磨损失效。故推荐在0410的范围内选取。活塞在工作过程中,(216)式中的U值为一变数,它可近似按下式计算(220)SINAU式中A连杆偏心距曲轴角速度曲柄轴线与缸套中心线的夹角将(220)式代入(216)式则可得杭州电子工业学院硕士学位论文13(221)3200SINARKH(222)MAX(211)式同样适应于微坑的左侧,只是由于X1为负值,所以在该区间按(211)式算得的P值始终为负值。由于气穴作用的影响,压力P将接近于零。因此它对油膜厚度不会产生影响。2213上、下止点油膜厚度的计算按(221)式计算活塞在上、下止点油膜厚度时,由于这时分别等于零和,所以油膜厚度似乎均应等于零。但实际上在油膜由厚变薄的过程中,油膜要受到挤压作用,所产生的附加流体动压将阻止油膜变薄。下面我们来计算上述因素影响下,上、下止点实际油膜厚度。为简化计算,我们假设当时,油膜达到最大厚度后,滑动作用不再使2油膜产生流体动压,那么,活塞在法向力F的作用下将以速度挤压油膜。这时油膜中润滑油流量增量可按下式计算(223)BVDXQ式中Q润滑油容积流量B活塞有效高度V活塞挤压速度上式积分可得224CBVXQ由边界条件XA,Q0可消去C,从而可得(225)根据流体力学可得(226)312BHDXP式中(227)H0(228)12RP为润滑油动力粘度,由于挤压时活塞受压面积较大,油膜中的最大压力不太高,故可不考虑压力对粘度的影响。那么将式(225)及(227)代入(226)式可得(229)3201PXHVDXP由上式可解得杭州电子工业学院硕士学位论文14(230)206PXHVP显然,活塞所受法向作用力F应等于压力P在整个受挤压面上的积分。但从式(230)可以看出,P随X收敛很快,故积分范围取到也不会产生大的误差。从而可得(231)2300202166HPVHPVDXVD根据活塞实际工作情况,假设时,FFMAX,当转过时,F按直线规律降为零,那么可得(232)TF21MAX式中T时间若将V表示为,那么由(231)式及(232)式可得0DTH(233)DTHPTF023MAX21由上式可解得(234)CHPT21032MAX6由边界条件可得A0,HT(235)126MAX03MAXHPTF222结论与分析对于式(222),由于第二条假设(即不产生侧泄)与实际情况相差较多,需要借助实验进行修正。大量实验表明,点接触处侧得的油膜厚度只比在线接触的相应条件下测得的油膜厚度小40左右。这相当于油膜中的润滑油容积流量有一半消耗于侧泄。考虑这一因素,(222)式应改为(236)320MAX21ARKH由上式可以看出,最小油膜厚度最大瞬时值与R的立方根成正比。由于式杭州电子工业学院硕士学位论文15中其它参数的改动余地不大,所以R就成为控制油膜厚度的主要参数。根据通常的使用范围设1,0004PAS,265108/N,R02M,A01M,150S1,根据值由表21可查得K048,那么由式(236)可算得HMAX11M,由此可见,最大油膜厚度足以使缸套活塞环摩擦副完全被隔开。根据通常的使用范围假设FMAX105N/M,150S1,004PAS,R1008M,R2R102106/N,HMAX11MR3212那么将其代入(235)式可以算得上、下止点油膜厚度H01094M。由此可见,在通常情况下,上、下止点油膜厚度和最小油膜厚度最大瞬时值几乎相等。计算表明,即使活塞所受法向力F始终等于FMAX,止点油膜厚度也只降到1088M,即使FMAX增大10倍,止点油膜厚度也只降到104M。因此,在发动机正常工作条件下,缸套活塞环摩擦副在整个行程内可以被油膜隔开,只有在启动和停车时,由于转速较低,以及在缸套上部由于温度较高润滑油粘度低,才有可能出现干摩擦。23蜂窝状微坑对排放和机油耗的影响43231排放物的生成机理及危害随着人们对环境保护的日趋重视,世界各国限制内燃机废气排放的法规变得愈来愈严格。例如,美国的US98,欧洲的欧洲III和日本的JAPAN2000。进入1999年后,中国的环保部门采取了一系列的紧急措施,加大了治理机动车排放污染的力度。北京市政府为改善首都环境质量,控制大气污染,从1999年1月1日起开始实施北京市轻型汽车污染物排放标准,它相当于欧洲ECE8301,这个标准要比我国现行国家标准严格许多。内燃机的有害排放物主要有一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOX)、微粒(PM)。(1)一氧化碳(CO)一氧化碳(CO)主要是由于燃料燃烧时氧气(O2)相对不足,燃料中的碳不能完全燃烧产生的,或由于混合气不均匀燃烧,混合气温度低,CO不能氧化而留在燃气中排出。CO经人呼吸进入肺部,被血液吸收后能与血红蛋白结合成一氧化碳血红蛋白。CO与血红蛋白的亲和力比氧气与血红蛋白的亲和力达250倍。一氧化碳血红蛋白一经生成,离解很慢。容易造成低氧血症,因而导致人体组织缺氧。当大气中的CO浓度达到7080PPM以上时,人在接触几个小时后,一氧化碳血红蛋白的浓度就可达到10,能影响氧的输送,阻碍血液循环,引起头痛、心跳加速度等症状。当一氧化碳血红蛋白的浓度就可达到20左右时,就会引起杭州电子工业学院硕士学位论文16中毒;当浓度就可达到60时,即可因窒息死亡。(2)碳氢化合物(HC)碳氢化合物(HC)生成取决于发动机的设计和运行因素。发动机运行时,混合气过浓或过稀、燃烧组织不良、串机油或温度过低都会产生HC。柴油机排出的未燃烧的HC主要是未燃烧的燃料、分解的燃料和少量的氧化反应的中间产物。HC中含有几百种成分,各成分对人体的直接影响,目前还不完全清楚。但可以肯定,其中一些成分是致癌物质。HC对眼晴和呼吸器官有强烈的刺激性,对肺部防御机理产生恶劣的影响。同时,HC会伤害农作物和一些观赏植物。HC和氮氧化物(NOX)在强阳光照射下,能进行一系列的光化学反应,生成臭氧O3和过氧化酰基硝酸盐PAN等所谓光化学过氧化产物以及各种游离基、醛、酮等成分,形成一种毒性较大的浅蓝色烟雾。光化学烟雾对人的眼睛、咽喉、鼻子等有刺激作用,能引起慢性呼吸系统疾病恶化。长期吸入光化学烟雾能影响人体细胞的新陈代谢,加速人的衰老。(3)氮氧化物(NOX)氮氧化物(NOX)是由空气中的N2和O2在燃烧室的高温、高压作用下发生化学反应生成的。NOX的主要成分以NO的形式出现,还有少量的NO2。高浓度的NO能引起中枢神经的瘫痪及痉挛。NO2是一种褐色气体,沸点212度,有特殊刺激性臭味,是内燃机排气中恶臭物质成分之一。它使人中毒的症状是在发生肺水肿同时,引起独具特点的闭塞纤维性支气管炎。(4)微粒(PM)微粒(PM)是由于柴油机燃烧时燃料与空气混合不均匀,造成局部过浓,在高压缺氧情况下产生并排出。PM中含有可致癌的物质,容易被人吸入并沉积在肺中,导致慢性病、肺气肿、皮肤病及变态性疾病。232机油消耗与排放物的关系内燃机的机油消耗可分为两种正常机油耗和非正常机油耗。正常缸套内的机油消耗主要由三个途径构成,一是在惯性力作用下,机油随顶环运动被抛入燃烧室而蒸发烧损;二是在高温下,粘附于缸套表面上的油膜蒸发病燃烧;三是由泵油和串气带走。非正常的机油消耗主要包括以下几部分一是缸套表面上的机油消耗,它又包括(1)缸套、活塞环因磨损而间隙加大,机油通过活塞、活塞环与缸套壁间向上串入燃烧室烧损;(2)通过进气门与进气门导管漏入气缸内烧掉;(3)经排气门与气门导管漏入排气管排入大气;二是机油在曲轴前、后油封处泄漏;三是由于曲轴箱通风不良,串入曲轴箱内的高温废气,将油底壳中的机油加热、稀释,使机油氧化变质过程加快,并使曲轴箱内的压力升高,造杭州电子工业学院硕士学位论文17成机油上串;四是机械负荷或热负荷过高,加快了机油的分解老化等。柴油机排放中颗粒含量比汽油机高出3080倍,其中机油耗对颗粒排放有着显著的影响。总的颗粒排放中由机油产生的部分所占比例与柴油机的结构形式、运行工况及机油理化特性有关。同一运行工况下,由机油产生的颗粒排放值与机油消耗量近似呈线性关系。研究表明,缸套内表面润滑油膜造成的未燃碳氢排放约占总排放量的2030,缸套内表面润滑油膜造成的未燃碳氢排放的机理可作如下解释缸套内表面上仅有几个微米的润滑油膜,在发动机吸气和压缩过程中,与混合气接触的那部分油膜通以下3个步骤,即碳氢由混合气中向与油膜的交界面方向扩散、碳氢溶解于界面之中和碳氢由界面向油膜内部扩散,来吸收混合气中的燃油碳氢;而在燃烧过后的膨胀和排气阶段,缸内燃气的碳氢浓度接近于零,油膜将向燃气释放所吸收的碳氢,这一释放过程恰好和吸收过程相反。油膜所放出的这部分碳氢由于缸内气体温度和氧气浓度较低而不能被完全氧化,随排气排出机外,形成未燃碳氢排放。油膜是碳氢的载体,没有油膜也就没有这部分的碳氢排放。试验表明,碳氢的释放量随着油膜厚度的增加而几乎成一种线性关系迅速增加,直至某一厚度时达到最大,之后,它对碳氢释放量的影响相反地却略有下降。这是因为当油膜较薄时,随着油膜厚度的增加,油膜对碳氢的吸收和释放量迅速增加;当油膜较厚时,受扩散时间的限制,在它对碳氢的吸收阶段,膜内没有完全释放的碳氢向膜表层扩散,减少了油膜对碳氢的吸附;相反地,在它对碳氢的释放阶段,表层高浓度的碳氢向深层扩散,同样对其释放过程有所抑制。因此单纯地从扩散过程讲,并非是油膜越厚,它的碳氢排放量就越大,但由于油膜的蒸发与燃烧又势必造成碳氢排放的增加。233降低机油耗和排放的措施44由上面的分析可知,为了降低发动机的排放,必须将发动机的机油耗控制在相当低的水平。对于通常使用珩磨加工的缸套工作表面,由于珩磨加工出的沟槽相互连通,油压就难以建立,这将增加活塞环的磨损和机油消耗。缸套工作表面珩磨网纹的粗糙度也直接影响内燃机的机油耗,在缸套工作表面具有相近平台网纹等级的情况下,机油消耗与其表面的粗糙度大致成正比。为降低机油耗而减少表面储油会使油膜厚度减薄,并减少可用作起动保护的机油。粗糙度值过小时缸套工作表面机油的保持量将减少,可能会导致缸套和活塞环滑动面发生擦伤。对于镜面缸套,由于可用作储油的沟槽减少了,虽可获得低的机油耗,但缸套干磨极易导致拉缸。当在缸套工作表面加工出蜂窝状微坑,由于各微坑之间是相互独立的,因此杭州电子工业学院硕士学位论文18当活塞环沿着缸套运动时,活塞与缸套间就形成了相互独立的微型压力室,在缸套工作表面形成带微坑结构的表面能有效改善活塞环与缸套间的润滑条件45。这就克服了平顶网纹及松孔镀铬等表面润滑油容易沿沟槽被挤出去的缺陷。由于这种微型压力室的存在,使得活塞环与缸套间总是有储存的润滑油可以被引到这两个相对运动的表面间产生流体动力油膜,所以独立的微坑结构表面能充分利用挤压和流体动力的联合作用,改善缸套与活塞环间的润滑状况。但是,微坑的参数必须正确设计,才能使缸套工作表面的储油能力获得提高而缸套工作表面的强度却没有受到明显的削弱,减少磨损和机油的消耗,微坑的参数如果设计不当,可能还会引起相反的效果。例如,当微坑的深度过深时,微坑中的机油在活塞运动之后,会有部分剩余,这部分机油将会被蒸发与燃烧,这就会增加机油耗和排放。杭州电子工业学院硕士学位论文19第3章表面微坑加工方法在缸套工作表面形成储油结构,可以存储润滑油,提高缸套活塞环摩擦副的使用寿命。根据国内外的最新研究进展和我们的研究成果,缸套工作表面的储油结构可分为三种网状裂纹型、网状交叉型和独立微坑型。网状沟槽虽然可以在一定程度上提高缸套活塞环摩擦副的耐磨性,但由于网状沟槽相互连通,在高温高压的条件下,存储在沟槽的润滑油将被沿沟槽挤出去。缸套活塞环摩擦副润滑条件的改善并不显著。而独立微坑型结构,由于微坑之间是相互独立,因此活塞环沿着缸套运动时,活塞环和缸套间就形成了相互独立的微型压力室,这就克服了网状沟槽的缺陷。由于这种微型压力室的存在,使得活塞环于缸套间总有存储的润滑油可以被引到这两个相互运动的表面间,产生流体动力润滑油膜,这可以显著改善缸套活塞环摩擦副的润滑状态。为了加工出独立微坑型储油结构,我们对各种加工方法进行了研究,并提出了振动冲击加工微坑的复合加工方法46。31自激振动方法47311自激振动的产生金属在切削过程中,在没有周期性外力作用下,刀具与工件之间可能发生强烈的相对振动。振动时,动态切削力伴随产生,并在工件的加工表面上残留下明显的有规律的振纹。这种现象称为自激振动。利用自激振动的方法可以在缸套工作表面加工出波纹形内孔表面。自激振动有多种类型。但是,能用于加工缸套波纹形孔面的自激振动主要有两种再生自激振动和振型关联型自激振动。1再生自激振动工艺系统受到偶然因素的干扰力作用后,会引起自由振动,从而在已加工表面残留下有规律的但逐渐衰减的振纹。在大多数金属切削加工中,刀具会部分重复或完全重复切削这些已加工表面,使切削厚度发生变化而引起切削力的波动。它又能激起一次振动,并再次在已加工表面残留下振纹。如此重复循环,可能使振纹波及整个加工表面,形成再生自激振动。2振型关联型自激振动再生自激振动是单自由度振动,适应于系统固有频率分离得比较远的加工系统。但在实际加工中也存在这样的过程,如一般车削和使用镗杆的镗削,其自激杭州电子工业学院硕士学位论文20振动的振幅没有固定的方向。刀尖在切削过程中描画出一个近似椭圆的运动轨迹,通常称为变形椭圆,其长轴称为变形椭圆主轴。这一椭圆轨迹说明了切削时的自激振动不仅产生在Y方向,而且也存在于Z方向。于是,人们开展了两自由度振动系统的研究,提出了振型关联型自激振动理论。312缸套波纹形内孔表面的形成金属切削过程中,由于工艺系统偶然因素的作用,机床、刀具、夹具、工件组成的工艺系统受切削用量、工艺刚度、刀具几何参数、切削力、磨损等多种因素的影响,在加工过程中将产生自激振动,从而使工件加工质量和几何精度下降。但振动可以使加工表面出现振纹,振纹呈波浪形轮廓,如图31所示。每一周期的振动使工件表面出现一组相对应的凸峰和凹坑,其高低值决定于振幅,而振纹的疏密又决定于振动频率等因素。当切削速度V在一定范围或接近于临界速度时,会产生最大振幅。离开这个速度范围,振动将减弱,切削条件得到改善。当改变刀具几何角度、降低切削速度、调整切削深度和工艺系统刚度后,可使振动减轻甚至消失。但是,自激振动的控制比较复杂。图31自激振动形成的波浪形振纹对于铸铁加工,除上述一般因素外,由于铸铁属于脆性材料,切屑呈崩碎状,切屑将周期性地产生和消失,使切削力周期性地变化。因此,在车床上对柴油机缸套(孔径280MM、长度750MM、最薄处厚度只有11MM,铸铁材料)进行镗孔是一个相当复杂的过程,各个因素不仅相互影响,交互作用大,而且影响因素较多。为利用自激振动使孔面得到均匀分布的波纹形微型凹坑,应对振动进行分析,消除不利的振动,利用和调节因切削力变化所产生的自激振动,对其进行有效的控制,使切削中产生实际需要的稳态自激振动。缸套波纹形孔面形成的工艺过程如下(1)按波纹形孔面的要求,第一工步是在没有振纹的孔面上,镗孔时形成原生颤振,产生振纹,为以后镗孔产生再生颤振创造条件。因此,对第一工步镗孔前的内孔加

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