结构参数对活塞环润滑性能影响分析

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1、-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

2、。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

3、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；μ为机油黏度；P为机油密度；hT为实际油膜厚度平均值；φx和φy压力流量因子；φs是

4、剪切流量因子；δ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

5、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；δ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，τ0为剪切应力常数；α0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

6、接触面积；φf和φfs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

7、。当Rx＞0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（δb）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。R＜0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

8、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