活塞环表面织构的摩擦学性能基础研究

论文摘要

截止到2007年底,我国汽车保有量为5710万辆。据有关部门预测,到2020年,我国汽车总保有量有可能突破1.5亿辆,届时,我国汽车年燃料消耗石油将达2亿吨。目前世界范围内城市中的空气污染,50%来自燃油汽车的废气排放。往复活塞式内燃机在汽车上应用最为广泛,它产生的能量中的48%被用来克服内燃机中的摩擦阻力,而对于轻型汽车来说,损耗在活塞环/缸套间的摩擦损失占汽车内燃机摩擦损失的19%,所以改善活塞环/缸套间的摩擦学性能,可以保护环境和减少能源的消耗。表面织构即在摩擦副表面上加工出具有一定尺寸和规则排列的几何形貌,它已经被证明是改善表面摩擦学性能的一种有效手段,现已在缸套、滑动轴承、机械密封以及磁介质存储等许多领域中得到应用。为把表面织构技术真正应用到活塞环上,本文采用模型试验的方法检验表面织构的减摩效果,并优化表面织构的参数,为表面织构的设计提供参考依据。文中所设计的凹坑阵列型表面织构的主要参数有:凹坑直径、凹坑深度、凹坑所占的面积率等。研究中通过掩模微细电解加工方法在模拟活塞环的小试件表面制作织构,选取表面织构的上述参数作为三个试验因素,每因素取四水平,以摩擦因数为指标,按照正交法进行了试验。试验中使用MMW-1A型摩擦磨损试验机,对有/无织构小试件与大试件（模拟缸套）组成的摩擦副在油浴润滑条件下进行摩擦学试验。试验在不同载荷与速度条件下进行,研究了表面织构对摩擦因数的影响,进而以摩擦因数为指标对表面织构进行了优化。研究结果表明:与无织构相比,具有适当参数的表面织构可以显著降低摩擦副间的摩擦因数和磨损。综合而言,影响摩擦因数最主要的因素是凹坑所占的面积率,其次是凹坑深度,最后是凹坑直径;凹坑所占面积率的最优水平为5%,凹坑深度的最优水平为10μm,凹坑直径的最优水平为200μm。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 活塞环/缸套摩擦副的研究现状
• 1.3 表面织构技术
• 1.3.1 表面织构技术的应用及其加工方法
• 1.3.2 表面织构技术的研究现状及存在的问题
• 1.4 本研究的主要内容
• 第二章 试件及表面织构的制备
• 2.1 材料选择及试件的设计
• 2.1.1 模拟活塞环的小试件材料
• 2.1.2 模拟缸套的大试件材料
• 2.1.3 试件的设计
• 2.2 试件的表面处理
• 2.2.1 小试件的表面处理
• 2.2.2 大试件的表面处理
• 2.3 试件表面的显微硬度和形貌
• 2.3.1 试件表面的显微硬度
• 2.3.2 试件的表面形貌
• 2.4 表面织构的设计及加工
• 2.4.1 表面织构的设计
• 2.4.2 表面织构的加工
• 2.5 本章小结
• 第三章 油浴润滑条件下表面织构的摩擦学试验
• 3.1 试验装置
• 3.2 正交试验
• 3.2.1 试验指标
• 3.2.2 确定试验因素和水平
• 3.2.3 选取正交表编排试验方案
• 3.3 摩擦学试验
• 3.4 本章小结
• 第四章 表面织构对试件摩擦学性能的影响
• 4.1 各试件在低载低速条件下摩擦因数的分析
• 4.1.1 直观分析
• 4.1.2 极差分析
• 4.1.3 凹坑直径、深度、所占面积率对同水平的平均摩擦因数的影响
• 4.1.4 方差分析
• 4.2 各试件在低载高速条件下摩擦因数的分析
• 4.2.1 直观分析
• 4.2.2 极差分析
• 4.2.3 凹坑直径、深度、所占面积率对同水平的平均摩擦因数的影响
• 4.2.4 方差分析
• 4.3 各试件在高载低速条件下摩擦因数的分析
• 4.3.1 直观分析
• 4.3.2 极差分析
• 4.3.3 凹坑直径、深度、所占面积率对同水平的平均摩擦因数的影响
• 4.3.4 方差分析
• 4.4 各试件在高载高速条件下摩擦因数的分析
• 4.4.1 直观分析
• 4.4.2 极差分析
• 4.4.3 凹坑直径、深度、所占面积率对同水平的平均摩擦因数的影响
• 4.4.4 方差分析
• 4.5 各试件在不同压力和速度条件下各种结论的分析
• 4.6 不同压力对同水平的平均摩擦因数的影响
• 4.6.1 在低速条件下不同压力对同水平的平均摩擦因数的影响
• 4.6.2 在高速条件下不同压力对同水平的平均摩擦因数的影响
• 4.7 不同速度对同水平的平均摩擦因数的影响
• 4.7.1 在低载条件下不同速度对同水平的平均摩擦因数的影响
• 4.7.2 在高载条件下不同速度对同水平的平均摩擦因数的影响
• 4.8 磨损照片分析
• 4.9 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本文的主要工作及结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文