一项新的针对缸套活塞环的摩擦仿真实验技术外文翻译资料

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

一项新的针对缸套活塞环的摩擦仿真实验技术

Ozgen Akalin and Golam M.Newaz

Wayne State University

摘要

一个新的摩擦测试系统已经被设计和建造出来，用来模拟实际发动机的缸套活塞环的摩擦和磨损条件。实验数据被用作做摩擦系数/曲轴转角关系图，包含了运行转速（500rpm和700rpm）和活塞环法向负荷所产生的影响。一系列表面粗糙度仪用作测试样本。在大部分测试范围内，都可以看到缸套活塞环处于混合润滑状态。使用这种技术，可以轻松筛选（合适的）新的缸套材料和润滑剂类型，同时可以收集更为可靠的模拟发动机缸套活塞环的摩擦数据。

1 介绍

发动机功率损失很重要的一个原因是缸套和活塞环之间的摩擦。缸套活塞环的结构和他们的新型材料以及在发动机上选型和配合是发动机制造厂商进步的推动力。灰口铸铁是常见的发动机缸套材料。由于灰口铸铁中的硬质合金颗粒和石墨片可以作为固体润滑剂，所以其具有良好的耐磨性。在许多铸铝发动机中，因为铸铁良好的的摩擦学性能，铸铁层被压或者注入到缸套上。

铝合金、热喷涂涂层气缸套和含有固体润滑剂的粉末金属复合材料有很大的可能性成为未来的缸套材料^[1-4]。为了了解缸套-活塞环之间摩擦的物理机制，有必要做大量的实验。

许多研究人员使用传统的摩擦磨损测试系统，如销盘磨损试验和试块实验。然而，这些测试系统无法模拟发动机的实际工作条件，他们不能产生往复运动。同时，为了保持发动机缸套实际几何结构、表面纹理和表面的微观结构，使用真正的发动机部件是非常重要的。就热喷涂涂层而言，直接喷洒到平板或环不能代替那些通过直接喷洒到圆柱形衬管表面所得到的微观结构^[1]。实际的发动机测试实验很昂贵并且用时很长。他们需要大量修改引擎部分。同时，气体力和惯性作用力相比摩擦力更大。温度、负载和润滑剂流速在实验期间也不能保持不变。此外，由于压缩环、油环、活塞裙部和轴承的存在，很难区分摩擦阻尼力。

当前台架试验系统要么行程长度太短、接触面积太小，要么运行速度太低，这些都不利于模拟发动机实际的工作条件。为了开发针对发动机缸套活塞环的摩擦副先进材料和润滑方式，这些缺陷使得我们必须设计一套具有代表性、可重复进行性的新摩擦台架。

Slone等人在《台架实验开发系统背景》一文中开发了一套台架试验系统 (LS9)用于实验室模拟活塞环和缸套的磨损。这个模拟系统有一个完整的盘状的活塞环安装器。容器的行程长度长达24.5毫米。部分环由两个180°的缸套加载。压缩空气和油的混合物相当于润滑剂被用于表面的润滑。他们测量摩擦力作为一个周期内曲柄角度和平均摩擦系数的函数。他们观察到经过的表面很平滑，尤其是磨损后的表面；然而没有润滑的表面则相当的粗糙。没有润滑的表面在平均摩擦系数测试期间没有变化，但是当使用合成油时，摩擦系数随着实验时间的增加显著的下降^[5-6]。

Ting开发了一个往复试验系统用于活塞发动机运动组件的摩擦学研究。他们测试了在真实行程长度下的活塞环的摩擦系数。另外，他们使用的试验材料是从实际发动机上获得的缸套和活塞环。他们使用一个套筒螺母调整活塞环的直径。他们发表了摩擦力-曲轴转角和摩擦系数索姆费尔德数的结果。之后，他们使用这个测试系统用来研究活塞材料的摩擦和变形阻力特征^[7-8]。

Hartfield等人^[1]改良了一台用于测试发动机缸套活塞环摩擦和磨损的Cameron Plint高频摩擦试验机。这套测试系统行程长度为10毫米。他们将缸套样本完全沉浸在5W30机油中用于磨损测试。同时，他们使用表面光度仪测量了沿活塞环方向的表面轮廓并计算了不同缸套材料摩擦表面的平均凹坑深度。他们在实验中比较了几种热喷涂涂层的耐磨性。在另一项研究中，他们比较了三种不同的热喷涂涂层的耐磨性，发现，长条状分层在热喷涂涂层是一种常见的磨损机制^[4]。

Dearlove等人发明了一台分段环/缸套试验台，它使用商业单缸发动机来提供活塞环的往复运动，使用镶在浮动衬套上面的负载芯片来进行摩擦力的测量。同时，他们使用激光荧光技术测量了环在中间冲程时油膜的厚度^[9]。

最近， Hill等人^[10]利用改进的Cameron Plint和LS9试验台比较了不同材料的活塞环和缸套的磨损率，供参考使用[1]、[5]。他们测试了材料为铸铁、铝390和镍硅碳化物的镀铬气缸套，等离子喷涂钼和气体渗氮不锈钢活塞环。实验表明，气体渗氮不锈钢活塞环可以使整体活塞环磨损和铸铁缸套膛磨损达到最低程度。同时，报告显示，材料为铝390的气缸套的磨损率高于铸铁和镍硅碳化物的缸套。钼环和铝390这两种材料之间的磨损最为严重。LS9试验台的试验表明铝390式样具有更高的磨损率。为了分析上述结论，他们使用LS9测试仪测试了润滑剂的作用量和温度对铝390缸套的影响。他们指出，铝390的磨损率对于润滑油进给速率和周围的温度很敏感。

Arcoumanis等人^[11]开发了一种试验装置用来模拟缸套和活塞环之间的润滑。他们使用电容探针测量了润滑油膜厚度，并且根据实验结果与雷诺方程针对不同边界条件的解决方案进行了比较。

几种缸套等离子喷涂涂层已经被Rao等人开发并且测试^[12]。他们使用LS9来测试这些涂层的磨损性能，使用分段环/缸套试验装置测量摩擦属性。他们的测试结果表明，等离子喷涂涂层含有固体润滑剂，如氮化硼，其表现出更低的边界摩擦。这些涂料有非常大的趋势用来发展成为液体动力润滑，即便是在非常低的运行速度和接触载荷的情况下。报告中也显示，这些涂料也具有极低磨损，高耐磨性能与适当的表面光洁度。他们还调查研究了应运于缸套的微弧氧化涂层的摩擦特性。实验表明，这些涂料的摩擦系数远低于铸铁衬。台架试验结果表明，使用高密度涂层磨损低很多。然而，涂层过程所用时间太长以至于用在汽车发动机组件上不够经济可行^[14]。

利用台架试验系统，许多缸套样品很容易被评估。当其他测试条件保持不变时，影响摩擦磨损的参数很容易被分析。然而，当前台架试验系统要么行程长度太小要么运行速度太低。所以很有必要开发一套新的测试系统用来更为真实地模拟实际发动机的工作条件。

2 测试系统

这个系统能够在模拟引擎条件下测试气缸套、活塞和活塞环装配性能和润滑性能。缸套部分被连接到一个由1马力Dayton直流电机驱动的缸套支撑架，该电机由传动皮带和曲轴机械装置组成。衬管夹拥有线性轴承，可以横向移动。缸套/活塞环之间的接触力由加载臂和压缩空气瓶提供。气体压力由精密调节器调整。设计和安装一个二分力传感器来测量法向力和摩擦力。沿水平轴的惯性力由和缸套支撑架方向相反的计数器活塞机械装置去平衡。计数器活塞放置180°，以便二次谐波惯性力量也能够被平衡。转动惯量利用在曲轴臂上使用砝码来平衡。一个大的曲轴皮带轮作为惯性盘状物以减小角速度变化。

图1 先进的测试系统

为了从实验室的地板上隔离，试验台架被安装在Newport气动工作台上。滚针轴承和青铜含油轴承被用来连接连杆，因此曲轴的润滑可以忽略了。

这套系统可以控制速度、温度和润滑剂数量这些参数，同时可以处理摩擦力、加载力、曲柄角信号、和温度等数据。速度由直流调速电机控制器控制。曲轴转角和活塞环的位置测量使用的是Bei-Motion模型H25编码器。编码器连接后，每个周期的信号可以被分别读取。系统运行速度由惠普5314型-100 MHz通用计数器来监控。结合已知的运行速度、曲柄半径和连杆长度，活塞环的滑动速度可以被计算出来。表面温度由一个安装在环槽里的T型铜-康铜热电偶来测量。热电偶测温有以下优点:测温准确度较高;结构简单，便于维护;动态响应速度快;测温范围较宽;信号可以远传，便于集中检测和自动控制;可测量局部温度甚至“点”的温度。一个omega;CN76020式温度控制器和一个omega;带状加热器系统用来模拟实际发动机缸套的温度。使用该套加热系统，缸套表面温度可以增加到100°C。

润滑剂率由Cole-Parmer749000注射泵控制。流量调节至0.2毫升/小时到500毫升/小时这一范围，误差不能超过plusmn;0.2%。润滑剂被填充在一个60毫升的注射器里，并且滴在环夹后面。多余的润滑剂通过钻在台架上的洞来排出去。排油孔可以通过拧紧一个螺丝来关闭，用来测试完全润滑条件下的样品。

摩擦模拟器说明书

2.1环夹设计

由Hartfield和Tung[1]所发展的环夹设计被修改，为了创造环和环岸之间的面积。实际的活塞和环段用作环夹。活塞环可以在环槽中自由旋转并且被活塞环岸的固定螺栓所约束。使用两个定位销给环段加正常的负载，这样弹性环可以用来创造环和衬段之间的面接触。也允许环在环槽内倾斜。

2.2摩擦力和法向负载的测量

环支架被连接到带有悬臂式力传感器的加载臂上。应变片电路被用来测量活塞环和缸套之间的瞬时摩擦力。为了测量摩擦力，MM WK-06-062AP-350型应变片被安装在全桥配置的悬臂式力传感器上。所使用的法向动态负载由连接气缸和加载臂的一个omega;负载传感器测量。

图2 测力计和环夹

应变片被用来补偿温度的变化。由于悬臂上的压力在弹性区域内，应变片电路产生一个正比于摩擦力和法向负载的电压。这种应变片信号被测量组2311信号调节放大器放大。最终测力计根据法向负载和摩擦力的权重来进行校准。

数据分析

Data61000类型数据采集系统用于数据收集。范围由编码器上止点的信号来确定。曲轴转角作为外部时钟信号，与摩擦力和动态法向负载成正比的电压信号在每一个曲轴转角度数下都被记录下来。

2.3缸套活塞环样品的准备

把气缸套切成50.8毫米宽，127毫米长的段。一个张开式磨石被用于切削缸套样本以保持气缸轴和缸套厚度统一。使用平头螺丝将衬管样品从样品的每一个角度固定在缸套支架。直线轴承螺丝可以样品校准。样品一致使用精度为plusmn;1/1000英寸的模拟千分表校准。缸套直径是89毫米。

图3 缸孔段尺寸

表1 标准测试环境

3测试结果的讨论

优化了的台架测试系统已被用于测量现实行程和速度下的活塞环和缸套之间的摩擦。当其他测试条件保持不变时，对模拟条件如运行速度和环负载所产生的影响进行调查。

摩擦行为和混合润滑状态Stribeck图是一致的。上止点附近大摩擦力的存在表明了它是金属与金属的摩擦。随着环速度增加摩擦力显著降低。这显示了液体动力润滑边界之间的过渡。

表2 测试方案

图4 摩擦系数和曲轴转角关系图； Test1负荷80N，Test2负荷160N

图5 摩擦系数和曲轴转角关系图；Test1转速为500rpm，Test3转速为700rpm

图6 摩擦系数和曲轴转角关系图；Test2转速为500rpm，Test4转速为700rpm

瞬时摩擦系数是通过摩擦力和环法向力数据取一定比值计算出来的。负值表示运动的方向。在接近上下止点时，运行速度降低，流体动压的影响也降低，导致了金属与金属的接触增加、摩擦系数也增加。下行冲程和上行冲程的摩擦力图大小和形状差异可能是由于环段两侧不同的润滑油量导致的，小环面经历着非对称或非正弦的沿着行程长度变化的活塞速度。非对称的环面可能会导致上行冲程较低的摩擦和下行冲程的拉缸。环槽内环的倾斜也可能导致上下行程的不对称性。

图4显示了环法向负载为80 N和160 N时摩擦系数的变化。结果表明，环法向负载越高

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[153021]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word