CN109740290B - 一种考虑二阶运动的渐变型微织构化活塞裙部设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑二阶运动的渐变型微织构化活塞裙部设计方法。分析活塞销偏置、活塞‑缸套径向配缸间隙等物理参数对活塞二阶运动的影响规律，得到最佳活塞‑缸套模型，然后根据冷态下活塞体、缸套的半径伸缩量和活塞体、缸套的温度场数据，得到热态下活塞与缸套的配合型线，随后分析型线和考虑二阶运动时活塞体与缸套内壁接触后的挤压变形量，得到活塞体外表面与缸套内壁的最大接触区域，最后对接触区域中属于活塞裙部范围的区域加工渐变型微织构形貌。本发明不仅能有效的减小活塞的二阶运动，减少摩擦损耗，而且与以往对整个活塞裙部做微织构处理相比，本发明只对会与缸套接触的活塞裙部区域做渐变型微织构处理，能够节省加工成本、减少挤压变形对微织构的影响。

Description

一种考虑二阶运动的渐变型微织构化活塞裙部设计方法
技术领域
本发明属于活塞加工领域，涉及一种考虑二阶运动的渐变型微织构化活塞裙部设计方法，可应用于各类内燃机活塞，能够有效的减小活塞的二阶运动，减少摩擦损耗，节省加工成本。
背景技术
在内燃机运行过程中,由于活塞和缸套之间存在间隙，在燃烧压力、连杆力、惯性力、摩擦力、侧压力及油膜压力等综合作用下，活塞除了作沿缸套轴线方向的往复运动外，还有垂直气缸中心线的横向运动与绕活塞销的转动，后面两种运动形式统称为“活塞二阶运动”。
活塞的二阶运动会对活塞造成挤压变形，从而对活塞敲缸、裙部润滑、摩擦磨损、缸套穴蚀等状况有直接影响，二阶运动越大，摩擦损耗就越大。据统计，在发动机的能量损耗中，有48％的能量被摩擦所消耗掉，在全部的摩擦损耗中，活塞与气缸间的摩擦损失占到了44％。因此，对影响活塞二阶运动的因素进行优化是必要的。
微织构，即在摩擦表面上加工制备出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小沟槽的阵列。织构化可以改变摩擦副接触状态，贮存润滑剂，提高承载力，有效改善摩擦表面的摩擦磨损性能。因此设计合适的表面几何结构对提高摩擦副表面摩擦学性能和润滑效果具有较大的工程价值，对节约能源、保护环境有着重要的意义。激光表面微织构技术是目前较为先进一种表面形貌加工技术，该技术具有加工效率高、加工精度高、对环境无污染以及表面微织构控制能力优良等特点。在改善活塞-缸套摩擦副表面润滑减磨性能方面有着良好的应用前景。
硬度塞法是测量活塞体温度场的一种方法，是用专门的合金经过严格淬火后做成螺钉状塞，安装在活塞任何要测量的部位，利用金属材料的硬度随温度的变化而变化的原理来进行活塞体上温度的测量。在实际工程中应用时，硬度塞法简单可靠，成本低，且可满足工程上的精度要求，是较为方便可靠的方法。
发明内容
本发明的目的在于减小内燃机在活塞与缸套做功过程中因摩擦产生的机械能损失，提供一种考虑二阶运动的渐变型微织构化活塞裙部设计方法。通过减小活塞的二阶运动和改变活塞裙部表面形态的方式，降低活塞裙部集中应力，使润滑油膜在活塞运动过程中均匀分布、供油充分，达到减阻、耐磨的目的。
本发明的技术方案是：一种考虑二阶运动的渐变型微织构化活塞裙部设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）分析活塞销偏置、活塞-缸套之间的径向配缸间隙等物理参数对活塞二阶运动的影响规律，得到最佳活塞-缸套模型；
（2）在最佳活塞-缸套模型中，对活塞体和缸套的主、副推力侧施加外载荷，载荷大小为2000~4000N，方向沿活塞径向，得到冷态下活塞体半径伸缩量；
（3）利用硬度塞法测量活塞体和缸套的温度场数据，代入公式ΔR t=ΔR＋RαΔT，得到热态下活塞与缸套的配合型线，式中，ΔR t为热态型面的半径伸缩量，ΔR为冷态半径伸缩量，R为半径，α为材料在工作温度下的线膨胀系数，ΔT为工作温度与室温间的温度差；
（4）根据热态下活塞与缸套的配合型线，得到活塞体热态型线与缸套内壁热态型线的交叉区域；
（5）根据活塞体热态型线与缸套内壁热态型线的交叉区域，和考虑二阶运动时活塞体与缸套内壁接触后的挤压变形，得到活塞体外表面与缸套内壁的最大接触区域；
（6）在步骤（5）所述的活塞体外表面与缸套内壁的最大接触区域中，属于活塞裙部范围的区域即为考虑二阶运动的活塞裙部区域；
（7）根据步骤（5）所述的考虑二阶运动时活塞体与缸套接触后的挤压变形量，设计微织构形貌，其深度随考虑二阶运动时活塞体与缸套内壁接触后的挤压变形量的增大而逐渐增大，即为渐变型微织构形貌；
（8）在步骤（6）所述的考虑二阶运动的活塞裙部区域上用激光加工的方法制备步骤（7）所述的渐变型微织构形貌，即为考虑二阶运动的渐变型微织构化活塞裙部。
步骤（1）所述的活塞销偏置为活塞销向主推力面偏移0.8~2.0mm，所述的活塞-缸套径向配缸间隙为40~80μm。
步骤（3）中所述的热态下活塞与缸套的配合型线是：在机械载荷和热载荷共同作用下，活塞体和缸套发生变形之后，活塞与缸套的配合型线。
步骤（7）所述的微织构形貌为圆形凹坑、方形凹坑、条形凹坑中的一种或一种以上的混合。
所述的圆形凹坑的直径为150~250μm，凹坑深度为5~20μm，相邻凹坑的圆心间距为400~700μm；所述的方形凹坑的边长为150~250μm，凹坑深度为5~20μm，相邻凹坑的间距为250~450μm；所述的条形凹坑的宽度为150~250μm，凹坑深度为5~20μm，相邻凹坑的间距为250~450μm。
附图说明
图1是本发明选取的活塞模型；
图2是热态下活塞与缸套的配合型线，图中，1、缸套内壁热态型线；2、上止点处活塞体热态型线；3、下止点处活塞体热态型线；4、活塞体热态型线与缸套内壁热态型线的最大交叉区域；C为活塞-缸套之间的径向配缸间隙；H为缸套高度；
图3是活塞整体展开图，图中，1、活塞头部区域；2、活塞裙部区域；阴影部分3和阴影部分4是活塞体外表面与缸套内壁的最大接触区域，其中阴影部分3是最大接触区域中头部部分，阴影部分4是最大接触区域中活塞裙部部分；
图4是渐变型微织构分布示意图，以圆形凹坑微织构形貌为例，图中，1、深度较浅的微织构；2、深度适中的微织构；3、深度最大的微织构；
图5是圆形凹坑微织构形貌二维示意图，图中，a、相邻凹坑的圆心间距；b、圆形凹坑的直径；
图6是方形凹坑微织构形貌二维示意图，图中，a、相邻凹坑的间距；b、方形凹坑的边长；
图7是条形凹坑微织构形貌二维示意图，图中，a、相邻凹坑的间距；b、条形凹坑的宽度。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述
实施例：某型号柴油机活塞
（1）分析活塞销偏置、活塞-缸套径向配缸间隙等物理参数对活塞二阶运动的影响规律，确定活塞销向主推力面偏移1.0mm、活塞-缸套径向配缸间隙为68μm，以此作为最佳活塞-缸套模型；
（2）在最佳活塞-缸套模型中，对活塞体和缸套的主、副推力侧施加外载荷，载荷大小为2000~4000N，方向沿活塞径向，得到冷态下活塞体和缸套的半径伸缩量；
（3）利用硬度塞法测量活塞体和缸套的温度场数据，代入公式ΔR t=ΔR＋RαΔT，得到热态下活塞与缸套的配合型线，式中，ΔR t为热态型面的半径伸缩量，ΔR为冷态半径伸缩量，R为半径，α为材料在工作温度下的线膨胀系数，ΔT为工作温度与室温间的温度差；
（4）根据热态下活塞与缸套的配合型线，如图2所示，得到活塞体热态型线与缸套内壁热态型线的交叉区域，从图中可知，当活塞处于下止点时，交叉区域最大，如图2中4所示；
（5）根据活塞体热态型线与缸套内壁热态型线的交叉区域，和考虑二阶运动时活塞体与缸套内壁接触后的挤压变形，得到活塞体外表面与缸套内壁的最大接触区域，如图3中阴影部分3和阴影部分4所示；
（6）在步骤（5）所述的活塞体外表面与缸套内壁的最大接触区域中，属于活塞裙部范围的区域即为考虑二阶运动的活塞裙部区域，如图3中阴影部分4所示；
（7）根据步骤（5）所述的考虑二阶运动时活塞体与缸套接触后的挤压变形量，设计微织构形貌，其深度随考虑二阶运动时活塞体与缸套内壁接触后的挤压变形量的增大而逐渐增大，即为渐变型微织构形貌；
（8）在步骤（6）所述的考虑二阶运动的活塞裙部区域上用激光加工的方法制备步骤（7）所述的渐变型微织构形貌，即为考虑二阶运动的渐变型微织构化活塞裙部，所述的激光加工采用半导体泵浦YAG激光器，运用同点单脉冲间隔多次加工，其中，激光波长为532nm，泵浦电流16.5~22.5A，脉冲重复次数4~6次，脉冲重复频率10~25kHz。
本发明不局限于上述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下做出的与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (5)

1.一种考虑二阶运动的渐变型微织构化活塞裙部设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)分析活塞销偏置、活塞-缸套径向配缸间隙物理参数对活塞二阶运动的影响规律，得到最佳活塞-缸套模型；
(2)在最佳活塞-缸套模型中，对活塞体和缸套的主、副推力侧施加外载荷，载荷大小为2000～4000N，方向沿活塞径向，得到冷态下活塞体和缸套的半径伸缩量；
(3)利用硬度塞法测量活塞体和缸套的温度场数据，代入公式ΔRt＝ΔR+RαΔT，得到热态下活塞与缸套的配合型线，式中，ΔRt为热态型面的半径伸缩量，ΔR为冷态半径伸缩量，R为半径，α为材料在工作温度下的线膨胀系数，ΔT为工作温度与室温间的温度差；
(4)根据热态下活塞与缸套的配合型线，得到活塞体热态型线与缸套内壁热态型线的交叉区域；
(5)根据活塞体热态型线与缸套内壁热态型线的交叉区域，和考虑二阶运动时活塞体与缸套内壁接触后的挤压变形量，得到活塞体外表面与缸套内壁的最大接触区域；
(6)在步骤(5)所述的活塞体外表面与缸套内壁的最大接触区域中，属于活塞裙部范围的区域即为考虑二阶运动的活塞裙部区域；
(7)根据步骤(5)所述的考虑二阶运动时活塞体与缸套接触后的挤压变形量，设计微织构形貌，其深度随挤压变形量的增大而逐渐增大，即为渐变型微织构形貌；
(8)在步骤(6)所述的考虑二阶运动的活塞裙部区域上用激光加工的方法制备步骤(7)所述的渐变型微织构形貌，即为考虑二阶运动的渐变型微织构化活塞裙部。
2.根据权利要求1所述的一种考虑二阶运动的渐变型微织构化活塞裙部设计方法，其特征在于：步骤(1)所述的活塞销偏置为活塞销向主推力面偏移0.8～2.0mm，所述的活塞-缸套径向配缸间隙为40～80μm。
3.根据权利要求1所述的一种考虑二阶运动的渐变型微织构化活塞裙部设计方法，其特征在于：步骤(3)中所述的热态下活塞与缸套的配合型线是：在机械载荷和热载荷共同作用下，活塞体和缸套发生变形之后，活塞与缸套的配合型线。
4.根据权利要求1所述的一种考虑二阶运动的渐变型微织构化活塞裙部设计方法，其特征在于：步骤(7)所述的微织构形貌为圆形凹坑、方形凹坑、条形凹坑中的一种或一种以上的混合。
5.根据权利要求4所述的一种考虑二阶运动的渐变型微织构化活塞裙部设计方法，其特征在于：所述的圆形凹坑的直径为150～250μm，凹坑深度为5～20μm，相邻凹坑的圆心间距为400～700μm；所述的方形凹坑的边长为150～250μm，凹坑深度为5～20μm，相邻凹坑的间距为250～450μm；所述的条形凹坑的宽度为150～250μm，凹坑深度为5～20μm，相邻凹坑的间距为250～450μm。
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