CN109085079B - 一种多功能内燃机缸套活塞环摩擦磨损试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能内燃机缸套活塞环摩擦磨损试验机，主要包括加载系统、润滑装置、摩擦力测量装置、温度测控装置，其中通过更改砝码盘上砝码的数量来改变加载力进行加载，支架上的油杯通过油管直接实现对缸套的润滑，通过压簧将夹具夹紧装置压紧在压电式传感器表面来准确的测出摩擦副之间的摩擦力，通过温控装置、数据采集装置和工控机来实现对温度的测控。通过设置往复运动频率、载荷、实验温度、润滑油供给量等多个试验条件，以内燃机实际使用的活塞环、缸套为摩擦副元件，来测量不同工况下的摩擦力，提供一种多功能、精度高、试验重复性好、可调范围宽、成本低、方便操作的缸套活塞环摩擦磨损试验机。

Description

一种多功能内燃机缸套活塞环摩擦磨损试验机

一、技术领域

本发明涉及一种摩擦磨损试验机，具体的说是一种多功能内燃机缸套活塞环摩擦磨损试验机。

二、背景技术

缸套-活塞环摩擦副是汽车发动机中最重要的运动副之一，其运行工况经常处于高速、高温、超负荷等恶劣环境，它们的摩擦、磨损和润滑性能直接影响发动机的排放性、动力性及燃油经济性，因此，内燃机缸套-活塞环的摩擦学问题一直是人们关注的热点，为此，人们开发出多种试验机来模拟研究内燃机缸套活塞环的摩擦磨损性能。

现有的内燃机缸套活塞环摩擦磨损试验机可控条件较为单一，在试验中只能控制载荷、温度、润滑油供给参数、缸套活塞环相对运动速度等试验参数中的一种或少数几种，不能同时控制所有试验参数，故而对缸套活塞环摩擦副的实际工况的模拟较差，且现有的缸套活塞环摩擦磨损试验机的摩擦副只能选择缸套和活塞环试样，功能比较单一，其他需要进行线性滑动摩擦磨损试验但形状不同于缸套、活塞环的摩擦副只能选择另外的试验机进行测试。此外，现有的缸套活塞环摩擦磨损试验机对于摩擦力的测量方面比较粗糙，大部分用多维传感器进行摩擦力和载荷的综合测量，但多维传感器内部不同方向的力会相互干扰，且外部因素对缸套和活塞环之间摩擦力的测量影响较大，导致摩擦力的测量有较大的误差，使得整个试验机的重复性很差。

三、发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种多功能内燃机缸套活塞环摩擦磨损试验机，通过模拟内燃机中的往复运动，截取内燃机实际使用的缸套-活塞环中的一段试件为摩擦副元件，可同时改变载荷、温度、润滑油供给量、摩擦副相对运动速度等多个实验参数，模拟更加真实的内燃机环境，对摩擦副温度、摩擦力等实验数据进行更为精准的测量并进行处理。同时可改变活塞环夹具，实现对不同摩擦副的摩擦学特性进行试验分析。

本发明的技术方案如下：

一种多功能内燃机缸套活塞环摩擦磨损试验机，包括底座、支架。底座上安装有电动机、单缸机、固定导轨，电动机通过导线与数据采集装置相连，电动机转轴上固定安装有大带轮，所述单缸机的输入轴上安装有小带轮，大带轮通过V型三角带与小带轮连接，固定导轨上滑动连接有两个安装在固定槽底部的滑块，所述的单缸机的活塞环输出端通过连杆与固定槽相连，固定槽内夹置有缸套夹具且固定槽底部安装有加热片，缸套夹具通过螺钉夹紧缸套试件，缸套试件一端与热电偶Ⅱ相接触，所述支架上安装有加载装置、弹簧顶紧装置、传感器固定装置、润滑装置，加载装置包括销轴、杠杆、砝码盘，杠杆一端通过销轴与支架相连，杠杆的另一端悬挂有硅码盘，杠杠底部安装有万向球Ⅰ，万向球Ⅰ与加载柱上表面点接触，加载柱另一端固定在夹具夹紧装置上端，夹具夹紧装置下端通过螺钉夹紧有活塞环夹具，活塞环夹具内装夹有与缸套试件相接触的活塞环试件，所述支架内部两侧分别安装有一对万向球Ⅱ与夹具夹紧装置点接触，所述弹簧顶紧装置包括加载螺栓及压簧，所述加载螺栓通过圆挡板与压簧一端接触，压簧另一端安装有挡片，所述夹具夹紧装置一侧安装有一对滚柱与压簧挡片线接触，所述传感器固定装置上安装有压电式传感器，压电式传感器通过导线与数据采集装置相连，所述夹具夹紧装置一侧安装有一对滚柱与传感器线接触，所述润滑装置包括油杯和油管，所述夹具夹紧装置内设有直通孔，油管穿过直通孔置于缸套试件上端，所述夹具夹紧装置设有斜通孔，热电偶Ⅰ穿过斜通孔与活塞试件相接触，所述热电偶Ⅰ和热电偶Ⅱ均通过导线与温控装置相连，温控装置另一端与工控机相连。

所述杠杆可绕销轴转动，销轴另一侧支架上装有杠杆支撑架，实现杠杆转动后的固定；杠杆下表面装有万向球Ⅰ，万向球Ⅰ可自由转动，万向球Ⅰ与加载柱上表面点接触，减小了万向球Ⅰ与加载柱上表面的摩擦力，实现了力的加载。

所述支架上安装的与夹具夹紧装置为点接触的万向球Ⅱ和夹紧装置两侧安装的滚柱，均可以自由转动，共同实现试验过程中夹具夹紧装置在竖直方向上的位移；压簧一侧的支架上装有对压簧进行预紧的加载螺栓，保证压簧具有较大的预紧力，实现夹具夹紧装置在摩擦副相对运动方向上保持固定。

所述固定槽槽内两端及缸套夹具两端均为圆弧且相互配合，固定槽槽内两端的弧长略大于缸套夹具两端的弧长，固定槽设有与缸套夹具线接触的螺钉。缸套夹具安装初始状态夹紧力较小，保留缸套夹具能够轻微的自由转动，当加载运行后，缸套试件和活塞试件的圆弧面自由贴合，保证良好的面接触，最后通过螺钉锁紧；固定槽一端设有通孔，与缸套夹具上一螺纹通孔相配合，保证热电偶Ⅱ与缸套试件稳定接触，实现缸套温度的测量；缸套夹具内设有与缸套试件线接触的螺钉，实现了缸套试件的夹紧。

所述加热片放置在缸套夹具底部凹槽内，缸套夹具底部四周设有油槽，且油槽底部开孔通向固定槽槽底四周设置的油槽，固定槽设有与油槽相连的通孔，通孔开向底座油槽位置，底座一端设有与油槽相连的集油器，保证加热片与润滑油的隔离，实现试验过程中润滑油的回收；

所述夹具夹紧装置内和活塞环夹具均设有一斜通孔，热电偶Ⅰ穿过斜通孔与活塞环试件上表面直接接触，实现了试验活塞环试件温度的直接测量；夹具夹紧装置内设有一直通孔，油管穿过直通孔置于缸套试件上端，保证试验摩擦副表面润滑效果的一致性，实现了对摩擦副表面的润滑；夹具夹紧装置和活塞环夹具均分为两部分，通过螺钉连接在一起，分别实现了活塞环夹具的夹紧和活塞环试件的夹紧。

和现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明利用缸套夹具固定槽与缸套夹具的圆弧接触，起自动调心的作用，使缸套试件与活塞环试件表面充分接触，可以提高仪器的自适应性能，使得试验操作更加方便。

2.本发明试验机加载力通过活塞环施加在摩擦副表面，使摩擦副表面在运动过程中载荷平稳，提高了试验的可重复性。

3.本发明试验机可同时改变载荷、温度、润滑油供给量、往复运动行程及频率等多个试验参数；最大载荷可达600N，最高加热温度为500℃，往复运动行程可调范围为：5-100mm，往复运动频率可调范围为：0-20Hz，可监测温度、摩擦力实时数据并对实验数据进行处理。

4.本发明利用夹具夹紧装置与其他构件的滚动接触，保证了稳定加载的同时使缸套试件与活塞环试件在摩擦过程中能够保持充分接触。

5.本发明可通过更换缸套夹具及活塞环夹具来更换试验摩擦副，使本试验机还可适用于其它摩擦副往复运动的摩擦磨损试验，扩大了本试验机的使用范围。

6.本发明利用活塞环夹具与其他构件的滚动接触和压簧的预紧作用，使摩擦力的测量误差在1.5％以内，保证了测试的精度。

四、附图说明

图1为本发明的整体结构示意简图；

图2为本发明的杠杆加载机构结构示意图；

图3为本发明主体结构的左视图；

图4为本发明主体结构的俯视图；

图5为本发明摩擦力测量装置部分剖视图；

图6为本发明主体结构的外观三维示意图；

图7为本发明缸套夹紧结构的俯视图；

图8为本发明缸套夹紧结构的剖视图。

图中各标号为：1－底座、2－电动机、3－大带轮、4－V带、5－小带轮、6－连杆、7－杠杆支撑架、8－热电偶Ⅰ、9－油杯、10-油管、11－杠杆、12－砝码盘、13－温控装置、14－工控机、15－数据采集装置、16－集油器、17－热电偶Ⅱ、18－支架、19－单缸机、20－销轴、21－万向球Ⅰ、22－加载柱、23－万向球Ⅱ、24－活塞环试件、25－缸套试件、26－夹具夹紧装置、27－滚柱、28－压电式传感器、29－斜通孔、30－直通孔、31－挡片、32－压簧、33-加载螺栓、34-滑块、35-固定导轨、36-活塞环夹具、37-固定槽、38-缸套夹具、39-加热片。

五、具体实施方式

如图1和图6所示，该摩擦磨损试验机主要由加载系统、润滑装置、摩擦力测量装置、温度测控装置组成。整个试验机以与数据采集装置15相连安装在底座1上的电动机2作为动力源，数据采集装置15与工控机14保持连接，并通过工控机14来控制电动机2转速，电动机2输出轴通过大带轮3经由V带4与小带轮5相连接来传递动力，小带轮5带动改制的单缸机19转动，单缸机19将旋转运动变为直线运动，并连接连杆6，使连杆6做往复运动，连杆6另一端连接到固定槽37，使固定槽37通过下表面连接的滑块34在固定导轨35上做往复运动。

如图2和图4所示，加载系统通过杠杆11进行手动加载，并通过杠杆11下表面的万向球Ⅰ21将加载力传递给加载柱22，加载柱22通过夹具夹紧装置26对活塞环试件24施压，加载装置在卸载掉砝码后，可将砝码盘12摘去，将杠杆11绕销轴20旋转至杠杆支撑架7上，以便于缸套试件25和活塞环试件24的装夹。

如图3和图5所示，支架18两侧安装的两对万向球Ⅱ23与夹具夹紧装置26为点接触，保证了夹具夹紧装置26能够竖向滑移，夹具夹紧装置26两侧安装的两对滚柱27分别与压电式传感器28和压簧32端部的挡片31线接触，通过加载螺栓33给与压簧32较大的初始预紧力，压簧32和压电式传感器28一起限制了夹具夹紧装置26在缸套试件25运动方向上的位移，使夹具夹紧装置26在该方向上保持固定，滚柱27使夹具夹紧装置26能够竖向移动。

如图1所示，润滑装置由油杯9、油管10和集油器16组成，油杯9装于支架18上的相应位置，油管10一端与油杯9相连，另一端穿过夹具夹紧装置26内的直通孔30，对缸套试件25表面直接进行润滑，通过对油杯9阀门的控制可模拟实际的活塞环试件24与缸套试件25之间不同润滑状况下的工作情况，测量在不同润滑条件下缸套-活塞环之间的摩擦磨损性能。

如图5所示，摩擦力测量装置通过压电式传感器28实现对摩擦力的测量，压电式传感器28与数据采集装置15相连，数据采集装置15与工控机14保持连接，并通过工控机14上的显示器来显示摩擦力数值，夹具夹紧装置26内固定有活塞环夹具36，活塞环夹具36夹有活塞环试件24，活塞环试件24与缸套试件25之间的摩擦力直接传递到夹具夹紧装置26上，夹具夹紧装置26在摩擦力方向上通过压簧32的弹力与压电式传感器28保持接触，通过压电式传感器28可以直接测出运动方向上的摩擦力数值。

如图1、图7和图8所示，温度测控装置包括加热片39、热电偶Ⅰ8、热电偶Ⅱ17、温控装置13、数据采集装置15、工控机14，加热片39装于固定槽37槽底与缸套夹具38下表面接触并与温控装置13连接，与缸套试件25稳定接触的热电偶Ⅱ17与温控装置13连接，热电偶Ⅰ通过斜通孔29与活塞环试件24接触来直接测量活塞环试件24的温度，并与温控装置13相连接，温控装置13与工控机14保持连接，通过工控机14和温控装置13来对温度进行调控，本装置最高可加热到500℃，可根据不同条件设定不同的试验温度。

Claims (6)

1.一种多功能内燃机缸套活塞环摩擦磨损试验机，包括底座(1)、支架(18)，底座(1)上安装有电动机(2)、单缸机(19)、固定导轨(35)，电动机(2)通过导线与数据采集装置(15)相连，电动机(2)转轴上固定安装有大带轮(3)，所述单缸机(19)的输入轴上安装有小带轮(5)，大带轮(3)通过V带(4)与小带轮(5)连接，所述固定导轨(35)上滑动连接有两个安装在固定槽(37)底部的滑块(34)，所述的单缸机(19)的活塞环输出端通过连杆(6)与固定槽(37)相连，固定槽(37)内夹置有缸套夹具(38)且固定槽(37)底部安装有加热片(39)，缸套夹具(38)通过螺钉夹紧缸套试件(25)，缸套试件(25)一端与热电偶Ⅱ(17)相接触，所述支架(18)上安装有加载装置、弹簧顶紧装置、传感器固定装置、润滑装置，加载装置包括销轴(20)、杠杆(11)、砝码盘(12)，杠杆(11)一端通过销轴(20)与支架(18)相连，杠杆(11)的另一端悬挂有砝码盘(12)，杠杠(11)底部安装有万向球Ⅰ(21)，万向球Ⅰ(21)与加载柱(22)上表面点接触，加载柱(22)另一端固定在夹具夹紧装置(26)上端，夹具夹紧装置(26)下端通过螺钉夹紧有活塞环夹具(36)，活塞环夹具(36)内装夹有与缸套试件(25)相接触的活塞环试件(24)，所述支架(18)内部两侧分别安装有一对万向球Ⅱ(23)与夹具夹紧装置(26)点接触，所述弹簧顶紧装置包括加载螺栓(33)及压簧(32)，所述加载螺栓(33)通过圆挡板与压簧(32)一端接触，压簧(32)另一端安装有挡片(31)，所述夹具夹紧装置(26)一侧安装有一对滚柱(27)与挡片(31)线接触，所述传感器固定装置上安装有压电式传感器(28)，压电式传感器(28)通过导线与数据采集装置(15)相连，所述夹具夹紧装置(26)另一侧安装有一对滚柱(27)与压电式传感器(28)线接触，所述润滑装置包括油杯(9)和油管(10)，所述夹具夹紧装置(26)内设有直通孔(30)，油管(10)穿过直通孔(30)置于缸套试件(25)上端，所述夹具夹紧装置(26)内设有斜通孔(29)，热电偶Ⅰ(8)穿过斜通孔(29)与活塞环试件(24)相接触，所述热电偶Ⅰ(8)和热电偶Ⅱ(17)均通过导线与温控装置(13)相连，温控装置(13)另一端与工控机(14)相连。

2.按权利要求1所述的多功能内燃机缸套活塞环摩擦磨损试验机，其特征是：所述杠杆(11)可绕销轴(20)转动，销轴(20)另一侧支架(18)上装有杠杆支撑架(7)；杠杆(11)下表面装有万向球Ⅰ(21)，万向球Ⅰ(21)可自由转动。

3.按权利要求1所述的多功能内燃机缸套活塞环摩擦磨损试验机，其特征是：所述支架(18)上安装有万向球Ⅱ(23)和夹具夹紧装置(26)两侧安装有滚柱(27)，均可以自由转动；支架(18)上装有对压簧(32)进行预紧的加载螺栓(33)。

4.按权利要求1所述的多功能内燃机缸套活塞环摩擦磨损试验机，其特征是：所述固定槽(37)槽内两端及缸套夹具(38)两端均为圆弧，槽内两端的弧长略大于缸套夹具(38)两端的弧长，固定槽(37)内设有与缸套夹具(38)线接触的螺钉；固定槽(37)一端设有与缸套夹具(38)上的螺纹通孔相配合的通孔。

5.按权利要求1所述的多功能内燃机缸套活塞环摩擦磨损试验机，其特征是：所述缸套夹具(38)底部四周设有油槽，且油槽底部开孔通向固定槽(37)槽底四周设置的油槽，固定槽(37)设有与油槽相连的通孔，通孔开向底座(1)油槽位置，底座(1)一端设有与油槽相连的集油器(16)；缸套夹具(38)内设有与缸套试件(25)线接触的螺钉。

6.按权利要求1所述的多功能内燃机缸套活塞环摩擦磨损试验机，其特征是：所述夹具夹紧装置(26)内和活塞环夹具(36)均设有一斜通孔(29)；夹具夹紧装置(26)内设有一直通孔(30)；夹具夹紧装置(26)和活塞环夹具(36)均分为两部分，通过螺钉连接在一起。

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