汽车发动机活塞裙部减摩织构的设计开题报告

1. 研究目的与意义

摩擦磨损广泛存在于各种运转机器的运动副之间。据统计,世界工业部门所使用的能源中,大约30~50%消耗在各种形式的摩擦上。研究摩擦学的目的是减少表面摩擦磨损所造成的损失,提高生产效率,改善产品性能,减少零件失效,减少资源浪费。活塞-缸套系统是发动机运转最重要的组件,所产生的摩擦损失约占内燃机总摩擦损失的60~70%,严重影响发动机的使用寿命和工作可靠性。在以往的研究中,人们着重致力于减小活塞环与缸套间的摩擦磨损,而对活塞裙部的摩擦学研究鲜有报道。但活塞裙部有着重要的导向,承受侧压力及传递热量等作用,若对其摩擦磨损问题处理不当,则会出现擦伤、拉缸等严重后果,因此近年来人们越来越重视对此问题的研究。表面织构,即在摩擦面加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小沟槽的阵列,已被证明是改善表面摩擦学特性的一个有效手段。目前尺寸为数微米至数百微米的微小凹坑和微小沟槽状的表面织构已成功应用于计算机硬盘、滑动轴承、机械动密封以及发动机缸套-活塞系统中。本设计在模拟活塞裙部试样的表面引入表面织构技术,并对织构参数进行优化,为把表面织构技术真正应用到活塞裙部,提供了参考依据。

2. 国内外研究现状分析

【1】以色列的i.etsion[33-35]等通过理论和试验两方面的可行性研究，证明了机械零部件表面的规则的激光加工表面微小凹坑在提高承载能力，减摩抗磨等方面具有非常显著的效果。他认为：每个微小凹坑在充分和混合润滑条件下都能够起到一个微小的流体动压轴承的效果，而在贫油条件下，凹坑则可以当作微小的储油池，在剧烈磨损时为摩擦表面提供润滑油来减轻磨损带来的不良后果。

【2】日本的manabuwakuda[36]等人利用喷砂处理（ajm）和激光处理（lbm）方法，分别在氮化硅陶瓷表面加工出不同参数的微小凹坑，模拟了圆柱与平面接触的销/盘试验。他指出表面织构是减摩的一种有效手段，无论在边界润滑，还是混合润滑条件下的线接触滑动表面上，合理的表面织构能够在降低摩擦方面起到非常显著的效果，甚至在非常苛刻的润滑条件下，合理的表面织构也能起到降低摩擦的效果。

【3】南京航空航天大学的王晓雷教授[13,37]利用纳米压痕仪在碳钢表面制作了具有不同密度和深度(125~500nm)的划痕的点阵，并通过改进的四球试验机对其在边界润滑下的摩擦性能进行了评价，研究发现：在边界润滑条件下，深度为125nm的低密度划痕点阵具有良好的减摩效果。

3. 研究的基本内容与计划

利用自制往复式摩擦磨损试验机进行了曲面与曲面的对摩，更加接近发动机的真实运动状态。通过微细电解加工的方法在活塞裙部试样表面加工出具有不同深度、不同直径以及不同面积率的凹坑型表面织构，研究不同载荷、速度条件下，表面织构对于抗磨减摩效果的影响；利用有限元模拟的方法分别建立了三维凹坑的流体润滑模型，通过计算油膜平均承载力的方法来分析表面织构的不同参数的减摩作用，以达到进一步优化表面织构的效果。

4. 研究创新点

【1】采用活动模板电解加工活塞表面织构技术,针对活塞零件的结构特点,制定了活塞表面织构加工的工艺流程,构建试验系统,并进行了工艺试验,结果表明,活动模板电解加工技术可以有效地在活塞表面加工尺寸一致的微观形貌。

【2】随着纳米科技的飞速发展,磁记录存储系统、微/纳机电系统(M/NEMS)及航空航天工程等多个领域对宏/微观尺度下摩擦副表面的润滑、防护和抗磨减摩等性能提出了更严峻的要求[1-3].科学家们在减摩和耐磨材料、表面镀层、润滑油和添加剂等方面已取得巨大进展