1-柴油机缸套变形与活塞环摩擦设计(天津大学-梁兴雨)

1、梁兴雨梁兴雨 主讲人主讲人 1. 研究研究背景背景/Background 2. 缸套变形对润滑性能的缸套变形对润滑性能的影响影响/Effect of Liner deformation to Lubricating properties 3. 活塞环的摩擦学活塞环的摩擦学设计设计/Tribology design of Piston Ring 4. 总结总结/Conclusion 轻轻量化量化/ 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 现代现代内燃机正在朝向高转速、高功率密度、小型化和轻型化方面发展，使得内燃机正在朝向高转速、高功率密度、小型化和轻型化方面发展，使得 内燃机中润滑条件变得更加苛刻、恶劣，润滑油的内燃机中润滑条件变得更加苛刻、恶劣，润滑油的可靠润滑可靠润滑如今已成为提高如今已成为提高 发动机发动机耐久性耐久性和和安全性安全性的一个关键的技术难点的一个关键的技术难点。 强度强度/ intensity 工作状态工作状态/ Work condition 附加附加机构机构/ accessries 核心核心部件部件/ core

3、 components 机械负荷机械负荷/ / mechanical loadmechanical load 热负荷热负荷/ / ThermalThermal loadload 气缸套气缸套/ / CylinderCylinder 有有研究表明，在发动机运动消耗的机械能分布中，有研究表明，在发动机运动消耗的机械能分布中，有35%35%的能量用于加速，的能量用于加速，17%17%的能的能 量用于汽车正常工作，有量用于汽车正常工作，有48%48%的能量被消耗在摩擦损失上。在车辆的摩擦损失中，的能量被消耗在摩擦损失上。在车辆的摩擦损失中， 发动机摩擦占用发动机摩擦占用66%66%，其中，其中活塞环与

4、缸套的摩擦有活塞环与缸套的摩擦有19%19%。可见研究活塞环。可见研究活塞环- -缸套系统缸套系统 能量损失很有必要。能量损失很有必要。 能量/ energy 100% 加速加速35% speeded-up 汽车正常工作汽车正常工作17% normal work 能量损失能量损失 总摩擦损失总摩擦损失48% Energy loss The total friction loss 19% 活塞环活塞环- -缸套系统运动问题缸套系统运动问题 piston - liner System piston - liner System 简化为简化为滑块与平板滑块与平板 间的来回运动间的来回运动问题问题/

5、/ Simplified as a Simplified as a slider and a flat slider and a flat 缸套缸套- -活塞环是发动机中不可或缺的摩擦副之一，活塞的往复运动带动曲柄连杆机构，同活塞环是发动机中不可或缺的摩擦副之一，活塞的往复运动带动曲柄连杆机构，同 时，通过曲柄轴输出动力，活塞环在活塞往复运动中也跟着活塞进行往复运动，因此活时，通过曲柄轴输出动力，活塞环在活塞往复运动中也跟着活塞进行往复运动，因此活 塞环的润滑效果对内燃机的工作过程有非常大的影响。内燃机的摩擦能量损失塞环的润滑效果对内燃机的工作过程有非常大的影响。内燃机的摩擦能量损失主要由主要

6、由缸缸 套套- -活塞环系统摩擦活塞环系统摩擦消耗消耗。活塞环活塞环工作环境十分恶劣，其工作状况影响着内燃机的动力性、工作环境十分恶劣，其工作状况影响着内燃机的动力性、 燃油经济性以及可靠性。因此需要分析缸套燃油经济性以及可靠性。因此需要分析缸套- -活塞环运动中活塞环的润滑状态，设计合理活塞环运动中活塞环的润滑状态，设计合理 的活塞环结构尺寸，提高缸套的活塞环结构尺寸，提高缸套- -活塞环工作的安全性活塞环工作的安全性以及以及可靠性可靠性。 内燃机冷态装配和热态工作过程中，缸套均会发生变形，不但在内燃机冷态装配和热态工作过程中，缸套均会发生变形，不但在周向周向上，而且在上，而且在轴向轴向 也

7、会发生变形。所以变形情况下的活塞环追随性以及润滑油膜的变化都会对摩擦功耗也会发生变形。所以变形情况下的活塞环追随性以及润滑油膜的变化都会对摩擦功耗 以及工作可靠性产生影响。以及工作可靠性产生影响。 p 目的：通过计算、实验目的：通过计算、实验- -因素、规律总结因素、规律总结- -提出设计指标提出设计指标/ / p Aim: through calculation, experiment and summary-design indexAim: through calculation, experiment and summary-design index 润滑特性变化润滑特性变化 Lubri

8、cating properties 大小大小/ strength 分布分布/ distribution 螺栓螺栓分布分布/ Bolting patterns 螺栓螺纹螺栓螺纹长度长度/ Bolt thread length 螺纹第一位螺纹第一位置置/ First thread n动态动态变形变形-热负荷热负荷、冷却、冷却场场 Dynamic deformationheat load、cooling field n静态变形静态变形/ nStatic deformation 缸盖、机体、缸套、缸垫/ Cylinder head, body, Liner, pad 预紧预紧力因素力因素/ Pre-l

9、oad 材料因素材料因素/ Material 设计指标设计指标 Design IndexDesign Index p 目的：通过计算、实验目的：通过计算、实验- -因素、规律总结因素、规律总结- -提出设计指标提出设计指标/ / p Aim: through calculation, experiment and summary-design indexAim: through calculation, experiment and summary-design index n动态动态变形变形-热负荷热负荷、冷却、冷却场场 Dynamic deformationheat load、coolin

10、g field n静态变形静态变形/ nStatic deformation 傅里叶分解傅里叶分解 p测量设备及结果测量设备及结果/ /Measuring equipment and the results p 机体以及缸套的整体位移机体以及缸套的整体位移云图云图 / /Overall displacement contours 修正前修正后仿真 二阶：装卡影响二阶：装卡影响，四，四阶受二阶影响阶受二阶影响 数据数据吻合吻合 傅里叶解析/Fourier analysis p测量设备及结果测量设备及结果/ /Measuring equipment and the results 研究方法/ Re

11、search method u以以缸套缸套- -活塞环活塞环为研究对象，为研究对象，结合平均结合平均Reynolds Reynolds 方程和微凸体接方程和微凸体接 触模型触模型，建立缸套变形情况下的，建立缸套变形情况下的润滑模型润滑模型，考察缸套变形对摩擦，考察缸套变形对摩擦 功耗的影响功耗的影响。 u采取采取人为施加外界干扰的方式，改变缸套形状，考察特定形变人为施加外界干扰的方式，改变缸套形状，考察特定形变 情况下的润滑油消耗，为润滑油消耗影响因素提供基础参考情况下的润滑油消耗，为润滑油消耗影响因素提供基础参考。 u在在活塞活塞的第一环槽上对称打孔，在孔中安装电涡流传感器，通的第一环槽上对

12、称打孔，在孔中安装电涡流传感器，通 过测量环槽与活塞环的间隙变化来反映活塞环与缸套之间的距离过测量环槽与活塞环的间隙变化来反映活塞环与缸套之间的距离 变化变化，体现活塞环追随性的变化，体现活塞环追随性的变化。 Establish lubrication model 活塞环润滑基础模型建立/ lubricant model 活塞环流体润滑基础模型是一个数学模型，是一个二元多次偏微分方程，也即平均活塞环流体润滑基础模型是一个数学模型，是一个二元多次偏微分方程，也即平均 ReynoldsReynolds方程。平均方程。平均ReynoldsReynolds方程是一个极方程是一个极难求解难求解、且繁杂且

13、繁杂的的偏微分方程偏微分方程，因为在求解过因为在求解过 程中涉及到程中涉及到很多变量的变化，很多变量的变化，一般不能求出油膜压力一般不能求出油膜压力P P的精确解，只能求出其近似解。的精确解，只能求出其近似解。 模型代数化 活塞环润滑基础模型活塞环润滑基础模型建立建立/ lubricant model 活塞环径向受力活塞环径向受力/ radial force 其中：其中：FgFg为为作用在活塞环背部的气体压力作用在活塞环背部的气体压力；FzFz为活塞为活塞 环自身张力；环自身张力；FpFp为总的油膜压力；为总的油膜压力；WaWa为微凸体接触力为微凸体接触力 3 0 .1 4 1 (/1) Z

14、E m F dda A p dpFA 微凸体接触数学模型/ asperity contacts 当膜厚比小于当膜厚比小于4 4时，时，活塞环活塞环处于混合润滑状态处于混合润滑状态， 微凸体微凸体间间发生接触发生接触，故存在，故存在微凸体接触力微凸体接触力WaWa。 2.5 162 () 15 () a A EWFH dA 判断润滑程序是否收敛重要条件之一 Establish lubrication model 温度模型建立温度模型建立/temperature 为了解活塞环的表面温度对粘度的影响，需要确定活塞环油膜温度的数值及其变为了解活塞环的表面温度对粘度的影响，需要确定活塞环油膜温度的数值及

15、其变 化规律。但是要确定活塞环油膜瞬态温度场无论是通过模拟计算化规律。但是要确定活塞环油膜瞬态温度场无论是通过模拟计算或或实验研究，都实验研究，都 是很困难是很困难。采用。采用M-TMaM-TMa关系计算温度场关系计算温度场。 0.5 ( )() ( / ) tdctdctbc T xTTTx S Establish lubrication model 假定活塞环沿圆周方向仍保持轴对称，则变形缸套相对于理想圆形缸套沿圆周方假定活塞环沿圆周方向仍保持轴对称，则变形缸套相对于理想圆形缸套沿圆周方 向的油膜厚度增量向的油膜厚度增量 可以表示为如下公式可以表示为如下公式: : 温度模型建立温度模型建立

16、/temperature 缸套周向变形数学模型建立缸套周向变形数学模型建立/ circumferential piston ring deformation 0.5 ( )() ( / ) tdctdctbc T xTTTx S n i iiy iBiAh 2 sincos)(）（ 边界条件的选取边界条件的选取/ boundary conditions Establish lubrication model 油膜压力场分布/ distribution of film pressure 油膜厚度场分布/ 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 活塞环圆周方向角度/ 活塞环轴向高度/m 0 90 180 270 360 0 1 2 3 x 10 -3 0 1 2 3 4 5 6 x 10 6 活塞环圆周方向角度/ 活塞环轴向高度/m0 90 180 270 360 0 1 2 3 x 10 -3 0 1 2 3 4 5 6 7 x 10 6 活塞环圆周方向角度/ 活塞环轴向高度/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 活塞环圆周方向角度/ 活塞环轴向高度/m0 90 180

18、270 360 0 1 2 3 x 10 -3 6 7 8 9 10 11 12 x 10 -6 活塞环圆周方向角度/ 活塞环轴向高度/m 0 90 180 270 360 0 1 2 3 x 10 -3 6 7 8 9 10 11 12 x 10 -6 活塞环圆周方向角度/ 活塞环轴向高度/m 圆形缸套圆形缸套/Round2阶形变缸套阶形变缸套/2nd order4阶形变缸套阶形变缸套/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，通过收集一定时间内由活塞环刮到燃烧室的润滑油，可以一定程度上反采用倒拖法，通过收集一定时间内由活塞环刮到燃烧室的润滑油，可以一定程度上反 映出发动机在工作过程中活塞环刮到燃烧室的润滑油数量，缸套变形采用人为干预方映出发动机在工作过程中活塞环刮到燃烧室的润滑油数量，缸套变形采用人为干预方 式获得。式获得。 活塞环在环槽里的不规则运动导致了活塞环对缸套的脱离，密封性变差，润活塞环在环槽里的不规则运动导致了活塞环对缸套的脱离，密封性变差，润 滑油就是在这个时候透过缝隙进入燃烧室，因此研究活塞环的运动规律，对滑油就是在这个时候透过缝隙进入燃烧室，因此研究活塞环的运动规律

20、，对 于解释润滑油的消耗具有重要的意义。于解释润滑油的消耗具有重要的意义。 活塞环与环槽间隙变化活塞环与环槽间隙变化/ The clearance changes 对置活塞环槽间隙变化对置活塞环槽间隙变化/ the opposed piston ring groove 预紧力对环槽间隙变化影响预紧力对环槽间隙变化影响/ Effects of preload 电涡流传感器在活塞环槽电涡流传感器在活塞环槽/ Eddy current sensor is in the piston ring groove Tribology piston ring design l在在活塞环缸套润滑特性研究的基础上

21、，建立基于四种模式的缸内润滑油活塞环缸套润滑特性研究的基础上，建立基于四种模式的缸内润滑油 消耗模型，得到缸内润滑油消耗规律。消耗模型，得到缸内润滑油消耗规律。 l分析活塞环主要参数（活塞环弹力）对缸内润滑油消耗的影响规律分析活塞环主要参数（活塞环弹力）对缸内润滑油消耗的影响规律。 l以以降低缸内润滑油消耗量为目标，采用神经网络对活塞环进行优化设计，降低缸内润滑油消耗量为目标，采用神经网络对活塞环进行优化设计， 并进行优化前后柴油机润滑油消耗试验。并进行优化前后柴油机润滑油消耗试验。 设计方法/ design method Mode of oil consumption 缸壁蒸发缸壁蒸发/ e

22、vaporation 顶环刮油及环侧机油流动顶环刮油及环侧机油流动/ oil scraper and transportation 顶环开口窜油顶环开口窜油 / Throw off 活塞顶岸刮油活塞顶岸刮油/ Oil scraping u 消耗模式消耗模式/ /Consumption patterns 不同转速下每循环的不同转速下每循环的 平均机油消耗率对比平均机油消耗率对比 不同负荷率每循环平不同负荷率每循环平 均机油消耗率对比均机油消耗率对比 Mode of oil consumption 名称名称方案方案 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 一环一环30204050303030 二环二环30204050303030 油环油环755010012550100125 顶环甩油量和活塞顶岸刮油量都随弹力的增大而减小。缸壁蒸发量没有改变，即跟剩顶环甩油量和活塞顶岸刮油量都随弹力的增大而减小。缸壁蒸发量没有改变，即跟剩 余油膜厚度无关，说明剩余油膜不会全部蒸发。顶环开口窜入量跟弹力变化无关。余油膜厚度无关，说明剩余油膜不会全部蒸发。顶环开口窜入量跟弹力变化无关。 水平序号水平序号顶环顶环/eB 二环闭口间二环闭口间 隙隙/mm 油环弹油环弹 力力/N 141030.350 251030.57575 361031.0100 471032.0125 水平序号水平序号顶环顶环/eB 二环闭口间二环闭口间 隙隙/mm 油环弹油环弹 力力/N 141030.350 251030.57575 361031.0100 471032.0125 优化措施能够降低机油消耗率优化措施能够降低机油消耗率6%12%6%12% 1.缸套无论在冷态还是热态，都会发生变形，并且这种变形是不可避免的，只要在允 许范围内，对工作过程影响不大； 2.将缸套变形进行富立叶分解后，可以独立研究每阶变形对润滑性能的影响；油膜压 力分布特征发生变化，但总摩擦力变化不大； 3.缸套变形后，对润滑油的泵油作用具有一定影响，也