活塞环_缸套摩擦磨损模拟实验方法研究1.pdf

第卷第期北京工业大学学报心
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活塞环一缸套摩擦磨损模拟实验方法研究
任昊,,张培鉴,,孙灼“,韩爱民’,翟乐恒,徐信夫,王立公’
北京工业大学环境与能源工程学院北京工业大学材料科学与工程学院,北京

摘要提出了一种评价活塞环一缸套摩擦磨损性能的快速模拟实验方法,研制了往复式模拟摩擦磨损实验
机,载荷、速度等实验参数和摩擦力、总磨程等实验结果的测试装置及其计算机数据采集处理系统实验直接采
用被测的活塞环和缸套作为试样,这不仅使模拟实验更接近实际情况而且大大减少了试样制备的工作量以表
面涂覆一耐磨涂层的发动机活塞环及与其配副的缸套为试样进行了重复性实验,结果表明用质量法
测量的磨损量最大相对误差摩擦力的最大相对误差

关扭词活塞环缸套摩擦磨损测试技术
中圈分类号文献标识码文章编号一一

引言

改善活塞环和缸套的摩擦与磨损对延长发动机的寿命,提高动力性、经济性、可靠性以及控制排气污
染具有重要意义因此该领域的研究近年来逐渐受到学术界的关注人们从活塞环一缸套摩擦副的设计、
润滑、材料的选取、表面加工处理等方面进行了深人的研究〔’与此相关的活塞环的摩擦磨损的实验研
究也得到了一定的发展活塞环一缸套的耐磨性分析需要大量的对比实验,而台架实验由于实验成本过
高,而且会引人许多干扰因素,用模拟实验方法代替发动机台架实验是必要和经济的
美国、德国、日本等一些国家的科研机构致力于研制一种快速有效的模拟实验机,并取得了一定的成
果美国福特汽车公司研制的往复式模拟实验机由曲柄机构驱动,活塞环和缸套试样均来自实际发动
机实验可以采集载荷、摩擦力、速度的数据,还可进一步计算出摩擦系数
国内也有一些科研机构在作类似的研究北方交通大学的徐双满等设计制造了一台往复式销一块式
磨损实验机,他们将活塞环材料制成销再与缸套相磨〔’
由于内燃机活塞环一缸套摩擦副在上、下止点处磨损最严重,作者提出的模拟实验方法不是完全模拟
内燃机曲柄连杆机构的运动,而是重点模拟活塞环一缸套上、下止点附近的运动由于恶劣的工作条件,上
止点附近处于边界润滑状态,伴随有干摩擦实验机采用目前较为流行的模拟磨损条件的方式,为了缩短
试验周期,在进行模拟实验时不加润滑油采用不变的载荷和试验次数,可以对比不同表面处理的试样的
耐磨性实验采用载荷传感器控制模拟实验中的载荷,保证模拟磨损实验的精度要求

模拟实验装置

模拟磨损实验机
为了研究活塞环一缸套的摩擦磨损性能并探索一种能反映居塞环一缸套摩擦磨损性能的模拟实验方
法,研制了一台往复式活塞环一缸套摩擦磨损实验机,其结构示意图如图所示实脸台由可调速的直流
电机通过曲柄滑块机构将旋转运动转变为往复式运动,直流电机的转速在一而连续可调曲

收稿日期一一
作者简介任曼一,男,研究生张培鉴一,男,教授
第期廷一兰二墅吵鱼塾道醚巡婴边鲤选一
柄圆盘上有多个不同曲柄半径的曲柄销孔,通过使用不同的曲柄销孔,可以调整往复机构的行程,最大行
程为实验机采用负荷压力计加载,避免了祛码加载的载荷波动对测试精度的影响液压加载的
载荷在一州连续可调实验中固定活塞环试样,使缸套试件随往复机构运动,模拟实际发动机的工

作状态

底座往复机构活塞环卡具
电动机缸套卡具载荷传感器
加载杆加载弹簧负荷压力计
加载块固定装置摩擦力传感器
缸套试件摩擦力杆

图往复式摩擦磨损实验机示意图

测试系统
测试系统由传感器、放大器、数据采集系统和数据采集处理软件组成载荷和摩擦力的测量采用电阻
传感器将力的信号转变成电信号,再经应变仪放大,通过采集系统存人数据文件模拟磨损实验的速度和
下试样往复运动的止点位置由霍尔传感器采集,霍尔传感器的数据可通过采集板传输到计算机
载荷和摩擦力传感器为薄壁管形结构,两组应变片贴在传感器两侧
表面,每组由工作片和温度补偿片组成,工作片沿轴向粘贴温度补偿片
与工作片垂直粘贴如图实验前载荷传感器和摩擦力传感器均在弹
图应变片粘帖示意图
簧弹力测试仪上进行静标定
实验用的上试样为活塞环,下试样为从缸套上切割的一部分见图上试样安装在一个特制的卡具
内,该卡具能模拟活塞环在缸套中的工作形状和工作应力下试样固定在滑动台上模拟实验的试样不仅
在材料、形状、尺寸等方面模拟被测试的零件而且还模拟了活塞环自由弹力形成的内应力,这一点对于测

试活塞环表面涂层的耐磨性很重要
实验时上试样和活塞环卡具一起固定在加载块的环槽中,下试样装在卡具中随滑动台做往复运动图
为活塞环卡具和加载块示意图实验载荷由负荷液力计通过加载杆和加载弹簧施加在加载块上

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缸套试样
示回环
图上试样和下试样意图图活塞卡具和一加载块示意图
实验采用自行研制的数据采集卡和采集软件应变仪的愉出信号输人到数据采集卡的输人端数据

、
采集