活塞環(huán)自調(diào)心夾具摩擦學試驗設(shè)計

秦襄培，吳 麗，鄢寧波，曾 誠，武勝超

武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205

0 引 言

內(nèi)燃機［1］中缸套和活塞環(huán)摩擦副［2］的摩擦性能的好壞，關(guān)系到內(nèi)燃機的質(zhì)量.內(nèi)燃機在工作時為了保證熱能可以最大限度的轉(zhuǎn)化為機械能，使得內(nèi)燃機擁有更好的工作效率，應(yīng)當將缸套和活塞環(huán)保持良好的密封性能［3］.但是活塞在缸套里的往復運動帶動活塞環(huán)與缸套形成摩擦，若活塞環(huán)與缸套的間隙太小，摩擦就會增大，進而增大能量的損失［4］.另外，其相互摩擦做功時，缸套內(nèi)壁溫度上升，直接影響其使用壽命［5］.研究表明：內(nèi)燃機在工作過程中因缸套－活塞環(huán)摩擦副引起的摩擦功耗占整個發(fā)動機摩擦功耗的45%～65%［6］.近年來，由于發(fā)動機向高速和強化方向發(fā)展，活塞環(huán)的工作條件越來越苛刻，對其耐磨性也提出了更高的要求，因此對缸套和活塞環(huán)這對摩擦副的研究必須隨之更新.在直接對活塞環(huán)進行摩擦磨損的試驗［7］中，為了模擬實際工況，需要保證活塞環(huán)的摩擦方向和上下端面垂直且保持活塞環(huán)桶面中間接觸，但由于其截面形狀過于復雜，裝夾是否可靠便成為整個試驗成功的關(guān)鍵因素.現(xiàn)有的夾具僅能裝夾規(guī)則截面形狀的活塞環(huán)，對于不規(guī)則截面形狀則很難裝夾，同時現(xiàn)有夾具［8］裝夾時，接觸點是活塞環(huán)的最高點，而不是中間點，這就表示無法保證磨痕處于中間位置.針對現(xiàn)有技術(shù)上存在的不足，有必要設(shè)計一種針對銷盤式試驗機的專用活塞環(huán)夾具，并將夾具裝夾于銷盤式試驗機［9］上進行摩擦學試驗來驗證夾具是否能滿足實際工作要求.

1 活塞環(huán)自調(diào)心夾具設(shè)計方案

活塞環(huán)截面有多種形狀，有些活塞環(huán)的形狀不規(guī)則，直接裝上夾具，不能保證工作面在接觸面的最高點.比如正桶面環(huán)［10］，直接裝在常規(guī)夾具上面，可以保證中間點就是接觸的最高點，而不對稱的偏桶面環(huán)，接觸面的最高點偏離中間點位置，不是主要接觸工作面.夾具設(shè)計主要目的就是解決活塞環(huán)接觸面最高點不在中間位置時，如何進行試驗的問題.傳統(tǒng)夾具局限性大，該設(shè)計自調(diào)心夾具，通過兩次裝夾，分別定位，只要活塞環(huán)上下端面平行，無論是何種活塞環(huán)截面形狀都能通過所設(shè)計的夾具進行試驗.

設(shè)計表明，子夾具負責裝夾活塞環(huán)截取試樣，母夾具與子夾具則通過一顆自調(diào)心鋼珠定位.該夾具特點在于無論最高點在接觸面何處，只要轉(zhuǎn)動自調(diào)心鋼珠便能調(diào)試子夾具位置，調(diào)試至截取試樣和盤試樣的摩擦面處于良好的面接觸狀態(tài)，即接觸點在接觸面的中間位置.

夾具結(jié)構(gòu)如圖1所示，活塞環(huán)試樣裝夾于子夾具上端開槽中，子夾具下端面與母夾具環(huán)內(nèi)圓面中心處分別開有直角和鈍角錐孔，用于安置自調(diào)心鋼珠.自調(diào)心鋼珠在壓力作用下能產(chǎn)生小范圍的轉(zhuǎn)動，便于調(diào)心定位.另外，子夾具與母夾具的接觸端面為桶面，母夾具的上端為圓柱槽狀，圓柱槽的內(nèi)徑大于子夾具的直徑，子夾具安裝在母夾具的圓柱槽中.母夾具的底座開設(shè)工形槽，螺栓穿過工形槽將母夾具固定在銷盤式試驗機上.

圖1 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig．1 A design drawing of fixture structure

2 夾具實用性驗證試驗

2．1 安裝與調(diào)試

首先解決活塞環(huán)試樣的裝夾，將活塞環(huán)試樣放置在子夾具開槽之中，圓柱銷通過安裝平面對試樣進行定位，再由兩對稱分布的螺栓將其固定.其次是子母夾具的安裝，將子夾具放置在母夾具上圓柱槽，圓柱槽上均布三個螺紋通孔，分布對應(yīng)子夾具下端所開螺紋孔，孔徑相同.然后使用起自調(diào)心作用的鋼珠和三個螺釘將其固定在母夾具上.通過調(diào)整螺釘松緊，子夾具可以在母夾具內(nèi)轉(zhuǎn)動，從而調(diào)整活塞環(huán)的位置達到指定狀態(tài).活塞環(huán)裝夾示意圖如圖2所示.

試驗時需要先驗證活塞環(huán)位置調(diào)整是否到位.方法是在活塞環(huán)接觸面上放一張復寫紙，然后將活塞環(huán)和盤試樣接觸，通過復寫紙留下的痕跡便可判斷活塞環(huán)位置是否正確.在接觸的同時觀察盤的外圓對應(yīng)部分是否和環(huán)的端面垂直，如果沒有達到要求則需要重新調(diào)整.

圖2 活塞環(huán)裝夾示意圖Fig．2 Diagram of piston ring clamping

2．2 試驗條件

試驗活塞環(huán)材料為鑄鐵盤-滲陶瓷活塞環(huán)和滲陶瓷鑄鐵盤-滲陶瓷活塞環(huán).試驗機為SST-ST銷盤式摩擦磨損試驗機（西德）如圖3所示.

圖3 SST-ST銷盤式磨損試驗機示意圖Fig．3 Diagram of SST-ST pin-on-disc tribo-tester

表1 試驗參數(shù)Table 1 Experimental parameters

2．2．1 試驗參數(shù) 試驗在室溫下進行，試驗前在接觸工作面上加一滴機油潤滑，試驗時具體參數(shù)如表1所示.參考標準：DIN50320.

2．2．2 測試條件 采用西德制造的HBM扭矩傳感器在線連續(xù)測量摩擦系數(shù)隨時間變化曲線；采用SST-ST計算機數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集及處理，采樣周期20μs；使用Taylor Hobson測量盤試樣磨損截面積；使用ImageAnalysis測量活塞環(huán)磨痕尺寸.

2．3 試驗結(jié)果

兩種材料的活塞環(huán)在SST-ST銷盤式摩擦磨損試驗機試驗的結(jié)果如圖4、5與表2所示.

圖4 鑄鐵盤－滲陶瓷活塞環(huán)摩擦副Fig．4 Friction pair of cast iron platewith ceramic piston ring

圖5 滲陶瓷鑄鐵盤－滲陶瓷活塞環(huán)摩擦副Fig．5 Friction pair of infiltration ceramic iron platewith infiltration ceramic piston ring

表2 試樣磨損量Table 2 The wear loss amountof sample

3 試驗分析

試驗結(jié)果如圖6所示，圖6中的磨痕為活塞環(huán)接觸表面磨痕，磨痕方向與端面垂直.說明活塞環(huán)截取試樣和盤試樣的摩擦面處于良好的面接觸狀態(tài)，摩擦方向和上下端面垂直.試驗同時發(fā)現(xiàn)，在同樣的試驗條件下鑄鐵滲陶瓷盤－滲陶瓷環(huán)摩擦副比鑄鐵盤－滲陶瓷環(huán)摩擦副摩擦系數(shù)略低，滲陶瓷鑄鐵盤和滲陶瓷環(huán)摩擦副比鑄鐵盤和滲陶瓷環(huán)摩擦副的磨損量分別降低了1．5倍和2．3倍.這表明對活塞環(huán)進行滲陶瓷［11］工藝處理，有助于改善活塞環(huán)的耐摩擦性能，自調(diào)心夾具能夠有效的區(qū)分出經(jīng)表面改性后材料摩擦性能的改變.使用活塞環(huán)自調(diào)心夾具在銷盤式試驗機上研究活塞環(huán)耐磨性不僅試驗結(jié)果精確，方便快捷.對不同形狀的活塞環(huán)在銷盤式試驗機上試驗都能真實的模擬出實際工作時產(chǎn)生的摩擦情況.

圖6 活塞環(huán)接觸表面磨痕Fig．6 The wearmarks on the contact surface of piston ring

4 結(jié) 語

上述設(shè)計的一種銷盤式試驗機上專用夾具，為解決內(nèi)燃機中活塞環(huán)試驗時的接觸問題，提高實驗的精確性.通過查閱活塞環(huán)磨損、內(nèi)燃機工作原理及相關(guān)資料，經(jīng)過試驗，最終設(shè)計出了一種專用于銷盤式試驗機裝夾活塞環(huán)截取試樣的夾具，并通過試驗證明所設(shè)計的夾具是成功的.只要活塞環(huán)上下端面平行，無論活塞環(huán)是何種截面形狀都可使用該夾具進行摩擦磨損試驗，并能快速準確的實現(xiàn)自調(diào)心定位，調(diào)整方便快速，極好地保證了實驗精度，為活塞環(huán)摩擦磨損試驗提供了一種新的裝夾方法.試驗證明，使用該夾具的試驗結(jié)果與真實活塞環(huán)工作時情況一致，且準確有效，便于進一步研究提高活塞環(huán)耐磨性.同時試驗也證明，采用滲陶瓷處理后的活塞環(huán)耐磨性得到顯著提高，該夾具的設(shè)計對研究活塞環(huán)耐磨性以及提高內(nèi)燃機工作性能有一定指導作用.對于提高活塞環(huán)耐磨性具有一定實用意義.

致 謝

感謝2012年地方高校國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（201210490019）對本研究的資助！

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