汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞氣環(huán)結(jié)構(gòu)改良的技術(shù)研究

孫長勇，徐長釗，王學(xué)軍

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汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞氣環(huán)結(jié)構(gòu)改良的技術(shù)研究

孫長勇，徐長釗，王學(xué)軍

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

通過活塞環(huán)-氣缸的摩擦損失對(duì)汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性的影響因素分析，提出一種新型汽車活塞環(huán)表面結(jié)構(gòu)，增加了活塞環(huán)與氣缸的自潤性，減少了干摩擦出現(xiàn)的幾率。

活塞環(huán)；結(jié)構(gòu)；摩擦損失

1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞氣環(huán)結(jié)構(gòu)改良的必要性

隨著國家對(duì)汽車排放污染的日益嚴(yán)控，在未來，節(jié)能減排是汽車主要發(fā)展方向，而有效減小發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械摩擦損失是降低整車燃油消耗率和尾氣排放污染標(biāo)準(zhǔn)的方法之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械摩擦損耗率占燃油燃燒產(chǎn)生總能量的7.5%左右。活塞環(huán)－氣缸是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部關(guān)鍵機(jī)件，也是發(fā)動(dòng)機(jī)最主要的機(jī)械摩擦副之一，其機(jī)械摩擦損失占到發(fā)動(dòng)機(jī)總能量損耗的50%左右，其摩擦性能的關(guān)鍵在于之間的機(jī)油油膜厚度。

隨著汽車行業(yè)技術(shù)的飛躍式發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)高速是發(fā)展的必要趨勢，所以對(duì)活塞環(huán)的工作狀態(tài)要求越來越苛刻。在發(fā)動(dòng)機(jī)維修過程中，無論哪種型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，作為易損件的活塞環(huán)，其工作的好壞將影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能，因此更換活塞環(huán)的時(shí)間將作為發(fā)動(dòng)機(jī)第一次大修的期限。增加活塞環(huán)的耐磨損度，有效提高汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，決定了發(fā)動(dòng)機(jī)性能的好壞。

2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞氣環(huán)結(jié)構(gòu)改良面對(duì)的問題

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)相互運(yùn)動(dòng)部件之間的機(jī)械磨損機(jī)理，彼此之間的磨損是互相影響的，不會(huì)單獨(dú)一種情況出現(xiàn)而是同時(shí)并存的。正常磨損、 研料磨損、熔著磨損與腐蝕磨損都屬于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的機(jī)械磨損。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，燃燒室是一個(gè)高溫高壓、雜質(zhì)、有酸性物質(zhì)和水等復(fù)雜的環(huán)境，使活塞-氣缸之間很難形成油膜，易于形成熔著磨損和研料磨損，且在活塞運(yùn)行的上止點(diǎn)位置磨損是最大的，造成氣缸出現(xiàn)缸肩，這就是活塞環(huán)的滑動(dòng)磨損，即包括熔著磨損又包括研料磨損。在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞在上下往返運(yùn)動(dòng)中造成的慣性撞擊從而引起的磨損；潤滑油、燃油和進(jìn)氣中的雜質(zhì)在活塞運(yùn)動(dòng)作為研料，形成的研料磨損；這都屬于上下端面磨損，一般來說，撞擊磨損比磨料研磨更大。所以滑動(dòng)面磨損與上下端面磨損對(duì)于活塞環(huán)磨損的位置不同。

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，為了使活塞-氣缸形成較好的潤滑狀態(tài)，在其之間形成的油膜厚度必須符合技術(shù)要求和標(biāo)準(zhǔn)。第一道活塞氣環(huán)的磨損是最大的，其運(yùn)行受燃燒行程的影響，很難形成潤滑油膜,處于臨界潤滑的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)完全潤滑比較困難。第二道約為第一道的一半左右，油環(huán)的磨損量最小。但是由于進(jìn)氣、燃油和機(jī)油中的雜質(zhì)附著在氣缸壁上，形成研磨磨損；活塞受熱異常導(dǎo)致活塞環(huán)槽發(fā)生變化，使活塞環(huán)卡滯，造成拉缸形成熔著磨損；所以有時(shí)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞油環(huán)磨損大于其他幾道環(huán)。因此良好的潤滑效果對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞在復(fù)雜的運(yùn)行中起到重要的作用，也很大程度的減少活塞環(huán)的機(jī)械磨損。相互運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件之間的潤滑是否符合技術(shù)要求，均勻的油膜厚度是關(guān)鍵，但在實(shí)際中這中現(xiàn)象是不存在的。

3 擬解決方案

針對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)復(fù)雜得工作環(huán)境和技術(shù)要求，相應(yīng)減少各種機(jī)械磨損的影響，保證良好的潤滑效果和較強(qiáng)的耐磨性，可以對(duì)活塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良。這一難題的解決可以改變活塞環(huán)-氣缸的潤滑狀態(tài)，對(duì)減少機(jī)械磨損起到?jīng)Q定性作用。

因此為了更好的改變活塞環(huán)-氣缸的工作狀態(tài)，可以改變氣環(huán)表面結(jié)構(gòu)，在其表面上加工網(wǎng)紋，使氣環(huán)具有儲(chǔ)存機(jī)油的功能，增加潤滑，減少機(jī)械磨損。通過相關(guān)技術(shù)資料了解到存油量不同的網(wǎng)紋，使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗率不同且較大影響機(jī)械磨損。一般來說較淺的網(wǎng)紋，造成機(jī)械干摩擦是由于儲(chǔ)油少不易于產(chǎn)生潤滑油膜造成的，且形成熔著磨損。較深的網(wǎng)紋，雖然儲(chǔ)油多，但在活塞反復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中，機(jī)油消耗率相對(duì)較大。

由于活塞環(huán)所處位置的特殊性，因此要求活塞環(huán)表面加工網(wǎng)紋槽的深度、數(shù)量、角度以及精度等都必須符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；而加工后的成品活塞環(huán)能夠達(dá)到支承率高、耐磨損，載荷承受能力較大等特性；最重要的是加工成型的活塞環(huán)表面網(wǎng)紋儲(chǔ)油量符合研究的目標(biāo)，能使活塞在氣缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候在氣缸壁上形成和保持相應(yīng)厚度的油膜。為了達(dá)到以上技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，查找了大量相關(guān)的技術(shù)資料，“平臺(tái)珩磨網(wǎng)紋”加工技術(shù)比較適合［1］，其技術(shù)參數(shù)：儲(chǔ)油參數(shù)12-16μm；珩磨角40°-60°；加工區(qū)域占50 %-70 %。并且加工平臺(tái)與珩磨網(wǎng)紋的槽是有一定間隔的，可以根據(jù)技術(shù)需求做相應(yīng)的加工調(diào)整。

利用“平臺(tái)珩磨網(wǎng)紋”技術(shù)，改變發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的表面結(jié)構(gòu)，形成均勻的網(wǎng)紋。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)中，通過以活塞－氣缸為研究對(duì)象，利用激光誘導(dǎo)熒光測量法或是超聲測量法測量氣缸壁上潤滑油膜的厚度［2］。針對(duì)不同油膜厚度，采用AVL－EXCITE系統(tǒng)軟件，對(duì)活塞環(huán)－缸套建模，進(jìn)行摩擦損失的仿真計(jì)算［3］。

活塞環(huán)－缸套潤滑系統(tǒng)建模模型：

（1）基于平滑塊流體動(dòng)力學(xué)雷諾方程，必須對(duì)流體動(dòng)力潤滑過程中的各種復(fù)雜因素進(jìn)行考慮分析，例如：潤滑油膜的厚度、潤滑油的黏稠度、相互運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件之間的速度以及潤滑油流動(dòng)的壓力等，可以通過雷諾方程來進(jìn)行研究與分析其之間的聯(lián)系。

式中：是流體的壓力；是平均的速度；是油膜的厚度；潤滑油的黏度。

在計(jì)算過程中，確定潤滑油是不可壓縮的物質(zhì)，所以計(jì)算公式為：

式中：是活塞的瞬時(shí)速度。

（2）油膜厚度

名義潤滑油膜的厚度計(jì)算公式為：

式中：0是油膜的最小厚度；是活塞環(huán)軸向輪廓在方向上的變化量，所以計(jì)算公式為：

式中：0是桶面的高度；是活塞環(huán)的軸向?qū)挾取?/p>

由于相互運(yùn)動(dòng)部件之間的表面平滑度不同而產(chǎn)生的影響，實(shí)際油膜厚度的計(jì)算公式為：

式中：是缸套表面隨機(jī)的粗糙度高度；是活塞環(huán)表面隨機(jī)的粗糙度高度；和對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差分別為和。

總粗糙度標(biāo)準(zhǔn)差的公計(jì)算式為：

（3）膜厚比

名義潤滑油膜厚度/總粗糙度用來表達(dá)活塞環(huán)-氣缸之間的潤滑狀態(tài)，所以計(jì)算公式為：

當(dāng)＜1為邊界潤滑時(shí)，接觸表面與微凸峰接觸，無法形成油膜，在潤滑油膜和微凸峰的影響下，摩擦最大因數(shù)為1≤＜3。而在潤滑油分子間內(nèi)耗的作用下，潤滑油膜完全分離，摩擦因數(shù)此時(shí)最小，所以，≥3時(shí)是完全流體潤滑，摩擦系數(shù)比邊界摩擦減小。

在潤滑油的黏度表示為，粘度是運(yùn)動(dòng)速度的單位載荷，所以用Streebeck曲線表示摩擦系數(shù)/特征參數(shù)的關(guān)系。發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦副的潤滑狀態(tài)（如圖1所示），摩擦系數(shù)是常數(shù)且較高時(shí)為邊界潤滑條件； 摩擦系數(shù)隨特征參數(shù)的增加而減小時(shí)為混合潤滑條件；摩擦系數(shù)隨特征參數(shù)的增加而增大時(shí)為流體潤滑條件。據(jù)圖分析，配氣機(jī)構(gòu)主要處于邊界潤滑和混合潤滑的狀態(tài)，活塞處主要于混合潤滑和流體潤滑的狀態(tài)，而處于流體潤滑狀態(tài)多為發(fā)動(dòng)機(jī)軸承。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦副Stribeck曲線

（4）活塞環(huán)－缸套的摩擦力

微凸體的接觸摩擦F與微凸體的流體摩擦F2相加用來表達(dá)活塞環(huán)-缸套的總摩擦力，所以計(jì)算公式為：

式中：0是剪貼應(yīng)力的常數(shù)；A是實(shí)際的接觸面積；是微凸體剪切的強(qiáng)度系數(shù)；W是微峰凸起的承載力。

根據(jù)Greenwood-Trip模型，流體摩擦F的計(jì)算公式為：

式中：潤滑油的黏稠度、潤滑油膜的壓力以及相互運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件之間的速度都與剪切因子1和2有關(guān)系；而潤滑油膜的起始點(diǎn)1和終止點(diǎn)2是由雷諾方程邊界條件解得。

則相互運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件之間產(chǎn)生的摩擦消耗功是：

根據(jù)不同油膜厚度的對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)計(jì)算出的數(shù)據(jù)，選擇摩擦損失功耗比原標(biāo)準(zhǔn)值相對(duì)較低的活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)形式，以便達(dá)到項(xiàng)目研究的結(jié)果。

4 總結(jié)

活塞環(huán)磨損的影響因素還很多，本研究只是通過設(shè)計(jì)新的活塞環(huán)網(wǎng)紋表面結(jié)構(gòu)，利用潤滑模型仿真計(jì)算結(jié)果，比較選擇能有效降低活塞環(huán)與氣缸間摩擦損失的結(jié)構(gòu)尺寸，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)磨損，提高了燃油的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。

[1] 王乃明.柴油機(jī)氣缸套平臺(tái)網(wǎng)紋加工技術(shù)的探討[J].內(nèi)燃機(jī)與配件. 2014(4):17-18.

[2] 史敏.發(fā)動(dòng)機(jī)活塞-氣缸套間潤滑油膜狀態(tài)測量技術(shù)研究[J].公路與汽運(yùn)2014(3):13-3.

[3] 湯春球.潤滑油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)油膜厚度及整車油耗的影響[J].潤滑與密封2017(10):108-6.

Study on the improvement of piston air ring structure of automobile engine

Sun Changyong, Xu Changzhao, Wang Xuejun

（Shandong Huayu University Of Technology, Shandong Dezhou 253034）

Based on the analysis of the factors affecting the dynamic, economic and reliability of piston ring and cylinder, a new type of automobile piston ring surface structure is proposed, which increases the self-running property of piston ring and cylinder and reduces the probability of dry friction.

piston ring; structure;friction loss

A

1671-7988(2018)18-204-03

U462.1

A

1671-7988(2018)18-204-03

CLC NO.: U462.1

孫長勇，工程師，專業(yè)教師，主要研究方向是理論與實(shí)踐的教學(xué)、汽車改裝技術(shù)研究等。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.068