结构参数对活塞环润滑性能影响的分析.doc

叶晓明，蒋炎坤，张毅，郝秀丽（华中科技大学能源与动力工程学院） 【摘要】为了分析活塞环结构参数润滑性能的影响，以流体润滑理论为基础，发展了一种活塞环流体动压润滑数值分析模型。在此基础上，对比分析了不同结构参数对活塞环润滑性能的影响。计算结果表明：活塞环结构参数对其润滑性能有着很大的影响，在设计活塞环时应综合考虑各种影响因素。分析计算结果为活塞环的摩擦学设计及优化提供了参考依据。 活塞环润滑性能的研究是内燃机研究领域中的一个热点，在内燃机设计中占有非常重要的地位。活塞环润滑性能的好坏将直接影响到内燃机整机的动力性、燃油经济性及排放等。因此，从机理上对其润滑性能进行研究，以此来改善活塞环润滑性能、减少活塞环与气缸套间的摩擦损失就显得尤为重要。活塞环润滑性能的好坏，除了受其工作条件及机油品质影响外，还与其结构参数有着直接的联系。本研究就活塞环主要结构参数对其润滑性能的影响进行对比分析，为活塞环的摩擦学设计及优化提供参考依据。1流体动压润滑分析模型1.1基本假设在建立活塞环三维流体动压润滑模型之前先引用如下假设：机油为牛顿流体且流动为层流；机油膜厚度远远小于与其相邻的活塞环、气缸套固体表面曲率半径；由于机油膜厚度甚薄，可认为油膜压力沿油膜厚度方向保持数值不变；与油膜黏性力相比，忽略油膜体积力和惯性力的影响；机油在固体界面上无滑动，即贴于固体界面的油层与固体界面的运动速度保持一致；活塞环和气缸套属于完全刚性体，表面不发生变形。1.2流体动压润滑控制方程根据第2个假设，活塞环在气缸套内壁表面的上下往复运动可以用一加载滑块在一固定平板上的往复运动来模拟。当考虑润滑表面粗糙度时，根据修改后的平均Reynolds方程可得 式中，h为名义油膜厚度；P为平均油膜压力；为机油黏度；P为机油密度；hT为实际油膜厚度平均值；x和y压力流量因子；s是剪切流量因子；为两粗糙表面综合粗糙度；U为活塞环与气缸套的相对运动速度；t为时间项。1.3油膜几何方程h是指不考虑表面粗糙度时活塞环、气缸套两润滑表面之间的油膜厚度，其表达式为h=h0+hx+hy， （2）式中，h0为活塞环和气缸套两润滑表面之间的最小油膜厚度；hx和hy分别为油膜厚度在气缸套轴向和径向上的增量。当活塞环外轮廓线与气缸套型线不平行时，油膜厚度在活塞环轴向就会产生增量hx。对于桶面形活塞环，其外轮廓线可以用一抛物型的二次曲线来描述。图1所示为活塞环轴向剖面图，图中x方向为指向燃烧室方向。图中3个示图分别表示活塞环桶面不发生偏移、向正方向偏移和向负方向偏移时的情况，此时hx的表达式可统一表示为 式中，正号表示活塞环桶面向背离燃烧室方向发生偏移；负号表示活塞环桶面向燃烧室方向发生偏移；b为活塞环轴向有效高度；为活塞环桶面高度； 1.4摩擦力作用在活塞环和气缸套两润滑表面上的摩擦力（F）由3部分组成，分别为机油流体黏性剪切力（Ft）、油膜压力在活塞环轴向上的作用力（Fx）即： 式中，0为剪切应力常数；0为边界摩擦系数；WA为润滑表面微凸体径向接触力；Ac为粗糙表面实际接触面积；A为粗糙表面名义接触面积；f和fs为剪切应力因子。1.5载荷平衡方程工作过程中作用在活塞环上的力如图2所示，这些作用力可分为以下5大类：气体作用力F1，F2和FG；机油产生的流体作用力Fx，Fz和Ft；表面微凸体产生的作用力FA，WA和Fr；活塞环本身的作用力Mg及Fe；活塞环槽反作用力Rx。在活塞环轴向，其平衡方程为Rx+F1+Ft+FA+Mac=F2+Mg， （7）式中，F1和F2表示作用在活塞环上、下端面上的气体作用力；Mg为活塞环重力；Mac为活塞环惯性力；Rx为活塞环槽对活塞环的反作用力。当Rx0时，表明此时活塞环被压在活塞环槽下底面；而当Ox活塞环桶面偏移量。对于活塞环桶面的偏移，可以通过活塞环桶面偏移率（b）来表示其偏移程度，其定义为活塞环桶面偏移量Ox与b/2的比值，即： 式中，正号表示活塞环桶面向燃烧室方向发生了偏移；负号表示活塞环桶面向背离燃烧室方向发生了偏移。R0则表明此时活塞环被压在活塞环槽上顶面，故可根据Rx来判断活塞环在环槽中所处的位置。在活塞环径向，其平衡方程为FG+Fe=Fz+WA+Fr， （8）式中，FG表示作用在活塞环背部的气体作用力；Fe表示活塞环弹性力；Fz表示油膜压力在活塞环径向上的作用力；Fr表示由于活塞环在活塞环槽内径向运动而产生的摩擦力，与平衡方程中其他径向作用力相比，此作用力非常小，完全可以忽略不计，故此时活塞环径向平衡方程为 2计算参数为了分析活塞环结构参数对其润滑性能的影响，以嘉陵CUBl00汽油机为样机，分析了标定工况下第1道活塞环主要结构参数取不同值时的润滑及摩擦特性。计算所需参数见表1。表1CUB100汽油机主要参数缸径/mm50曲柄半径/mm24.75连杆长度/mm94活塞环轴向有效高度/mm0.7活塞环径向宽度/mm2活塞环桶面高度/mm5.0活塞环桶面偏移量/mm0机油型号SAE20W40机油密度/kgm-3890 3计算结果及分析3.1活塞环轴向高度的影响活塞环轴向高度对最小油膜厚度的影响如图3a所示。活塞环轴向高度的增加增大了润滑油膜厚度，有利于改善活塞环的润滑状况，提高活塞环流体润滑的比例，减少活塞环与气缸套润滑表面发生直接接触的可能。活塞环轴向高度对流体摩擦力的影响见图3b。尽管较大的活塞环轴向高度可以增大油膜厚度，具有减小粗糙表面微凸体剪切摩擦力、降低能量损失的趋势，但由于同时增加了活塞环与机油流体的接触面积，使作用在活塞环表面的流体摩擦力随之增加。整体而言，较高的活塞环轴向高度会使作用在活塞环上的流体摩擦力增加，摩擦损失也相应增加。3.2活塞环桶面高度的影响活塞环桶面高度对最小油膜厚度的影响如图4a所示。在上下止点附近，较小的活塞环桶面高度所对应的最小油膜厚度相对大些。因为在这些曲轴转角下，活塞运动速度较低，甚至为0，此时活塞环的挤压效应对润滑油膜的形成起着决定性的作用。由于较小的桶面高度更有利于活塞环挤压效应的形成，故其最小油膜厚度就相应地大些。而在上下止点的中间转角处，较大的活塞环桶面高度所对应的最小油膜厚度较大。因为在这些曲轴转角下，活塞运动速度较大，此时活塞环的动压效应对油膜厚度的形成起主导性的作用。活塞环桶面高度越大就越有利于动压效应的形成，所以较大的桶面高度所对应的最小油膜厚度就相应地大些。整体而言，较小的桶面高度所对应的最小油膜厚度在整个循环内的波动要相对小些。活塞环桶面高度对流体摩擦力的影响如图4b所示。在上下止点处活塞的运动速度为0，所以流体摩擦力也为0。在上下止点附近，由于较大的活塞环桶面高度不利于润滑油膜的形成，故油膜厚度较小，流体摩擦力较大。而在行程的中间时刻，由于较大的活塞环桶面高度所对应的油膜厚度较大，这就使得作用在活塞环上的流体摩擦力相对较小。总体而言，较大的活塞环桶面高度使作用在活塞环上的流体摩擦力减小，摩擦损失也相应减小。3.3活塞环桶面偏移率的影响活塞环桶面偏移率对最小油膜厚度的影响如图5a所示。正的活塞环桶面偏移使最小油膜厚度在活塞向下运动过程中，即进气和做功行程取值比较大，而在活塞向上运动过程中，即压缩和排气行程取值较小。负的活塞环桶面偏移对最小油膜厚度的影响则刚好相反，使最小油膜厚度在活塞向下运动过程中取值减小，而在活塞向上运动的过程中取值增大。在活塞向下运动过程中，活塞环桶面正的偏移使活塞环收敛油楔长度增加，发散油楔长度减少。收敛油楔无疑有利于油膜的形成，这就使得最小油膜厚度随之增加。在活塞向上运动过程中，活塞环桶面正的偏移使活塞环收敛油楔长度减少，发散油楔长度增加，这显然不利于油膜的形成，因此最小油膜厚度也就随之减小。活塞环桶面负偏移对最小油膜厚度影响的机理与此相类似。活塞环桶面偏移对流体摩擦力的影响如图5b所示。活塞环桶面偏移对流体摩擦力的影响与其对最小油膜厚度的影响相对应，即在活塞环桶面偏移使活塞环油膜厚度增加的同时，也使得作用在活塞环上的流体摩擦力减小。与此相对应，活塞环桶面偏移使活塞环油膜厚度减小的同时，也增加了作用在活塞环上的流体摩擦力。4结论本研究发展了一种活塞环流体动压润滑数值分析模型，计算得到了第1道活塞环在主要结构参数取不同值时的润滑和摩擦性能参数，通过对比可以得出以下结论：a增加活塞环的轴向高度尽管可以提高机油膜厚度，改善活塞环润滑性能，但同时也增大了作用在活塞环上的摩擦力，增加了能量损失，因此，在对活塞环进行设计时，要综合考虑活塞环的润滑性能和摩擦性能，选取合理的轴向高度；b较小的活塞环桶面高度可以在上下止点附近增加最小油膜的厚度，减少气缸套在上、下两端的磨损；而较大的活塞环桶面高度可以减小摩擦力，降低能量的损失，因此，在对活塞环进行设计时，要综合考虑挤压效应和动压效应两者的优点，确定合理的桶面高度；c活塞环桶面的偏移对活塞环在向上和向下运动过程中润滑和摩擦性能的影响刚好相反，活塞环桶面的偏移使活塞环在向上