CN107687375B - 一种发动机气缸套内壁激光微造型结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于两冲程航空活塞发动机驱动润滑的气缸套内壁激光微造型结构设计方法，通过对活塞环‑缸套和活塞裙部‑缸套这两对磨损最严重的摩擦副边界润滑的分析建模，在缸套表面有针对性地布置最优化排列规律的微造型，在活塞和活塞环组件上下行程中使各种磨粒填到微造型凹坑中，防止拉伤缸套，从而延长缸套及其发动机的寿命；其次利用最优化排列规律的微造型来组织润滑油膜的运动，防止油膜中断，并降低润滑油膜沿气缸轴向的运动速度，增大沿活塞环周向的分速度，以此来降低润滑油进入燃烧室的量，减少润滑油的消耗量，同时增大了沿活塞环周向的油膜流量，使润滑得以改善，活塞环组的密封性同时得以提高，润滑油消耗量得到减少。

Description

一种发动机气缸套内壁激光微造型结构设计方法

技术领域

本发明涉及一种两冲程航空重油活塞发动机气缸套表面形貌的处理领域，具体涉及一种航空重油活塞发动机气缸套内壁激光微造型结构设计方法。

背景技术

二冲程航空重油活塞发动机作为飞机的“心脏”，在气缸内压燃重油产生的燃气推动活塞沿缸套轴向作往复运动，通过曲柄连杆机构将活塞的往复运动转换成曲轴的旋转运动从而输出扭矩。由于是两冲程发动机，结构紧凑、重量轻、热负荷大，在这个过程中活塞环组与气缸套以及活塞裙部与气缸套之间的磨损是发动机气缸总成中磨损最严重的两对摩擦副，一直处于高温、高压以及有着金属屑和燃烧不充分产生的固体碳粒与腐蚀介质的工况下，摩擦及润滑条件极为不利。过度磨损会造成漏油、漏气、发动机效率下降和拉伤缸套,降低发动机的寿命，因此对这两对摩擦副进行减磨润滑的优化非常关键。据相关研究表明，发动机的所有能量损耗中摩擦损耗约占40％，其中，活塞环一缸套以及活塞裙部—缸套之间的摩擦损耗约占总摩擦损失的48％-80％，而活塞环一缸套摩擦损失的约65％-75％又来自于活塞环，因此改善发动机磨损情况最严重摩擦副的磨损对发动机减磨效果最为显著。而另一对关键摩擦副中的活塞裙部其主要作用是导向、承受活塞侧向力和传热等，活塞裙部在工作时承受着机械负荷及热负荷的耦合作用而发生变形后，其外形要求仍能与缸壁仍然保持良好的贴合，具有足够的有效承压面积，并能形成恰当的油隙，以获得最佳的润滑作用改善摩擦，这对活塞裙部型线的设计提出了很高的要求。这样，配缸间隙就显得尤为重要，既不能过大，也不能过小，配缸间隙过大会导致敲缸产生噪声和振动的加剧，而配缸间隙过小会产生拉缸或卡死，降低发动机寿命。润滑是降低摩擦磨损消耗的重要技术手段，如何在保证活塞环组对燃烧室气体密封的前提下，使其得到良好的润滑就成为解决发动机摩擦磨损问题，提高发动机燃油效率和使用寿命的关键。

气缸套表面处理技术作为改善机械摩擦性能的可控技术近年来发展迅速。实验证明，活塞环-缸套表面的微细形貌可以有效提高两摩擦表面的润滑效果。主要方案有对气缸套内壁进行珩磨处理或微造型处理，使其具有一定的纹路、凹坑等，这些微观纹路和凹坑可以储存润滑油，能得到较好的动润滑油膜，对减少摩擦非常有利。缸套表面处理技术主要有机械珩磨和激光微造型，机械珩磨应用较早，工艺成熟，虽然加工设备简单成本低，但获得的纹路不能根据需要进行调控，且不能加工独立凹坑。而激光从70年代就被引入到了汽缸的表面处理中,并不断发展，以激光微造型工艺取代珩磨工艺，具有可控性，精度高，网纹均匀，且加工成本低，操作简单，调整方便，加工质量稳定等独特的优点。对发动机气缸摩擦副两表面的激光处理的主要目的是:通过激光处理布置微造型，使得缸套表面的凹坑能储存缸内的金属屑，碳粒等微细颗粒，防止拉伤缸套，同时凹坑能存储一定量的润滑油，通过激光控制微造型排列规律，使得油膜的运动沿气缸轴向运动速度减小，沿活塞环周向运动速度增大，在保证密封性的同时起到润滑作用，从而达到减磨延寿、提高密封性、降低机油消耗、减少颗粒排放的效果。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种两冲程航空重油活塞发动机气缸套激光表面微造型构造，其目的在于根据发动机气缸套的工作特性改进其表面微造型的形貌，以获得最佳的摩擦副动态润滑油膜，减磨延寿。

本发明完整的技术方案包括：

一种发动机气缸套内壁激光微造型结构，所述的气缸包括气缸套头部M区，以及非气缸头的气缸体N区，所述的微造型结构为：在气缸套头部M区构造更密微造型，在N区构造较疏的微造型；微造型采用相对于与气缸轴向垂直平面倾斜度较小的螺旋网纹，每条网纹以凹坑为单元，以点代线形成，各网纹相交部位所在的凹坑为网纹点，各相邻的网纹点之间具有多个凹坑。

优选的，纹路与垂直于气缸轴向方向，即气缸周向的夹角θ在10°-15°之间。

优选的，相邻网纹点在气缸套轴向上的垂直距离B为1-1.3mm。

优选的，相邻网纹点在气缸套沿气缸套周向上的垂直距离D为2-4mm。

优选的，M区的面积约占整个气缸套内表面的1/5，M区微造型的密度是N区微造型密度的1.5-2倍。

优选的，每个微造型凹坑的尺寸范围为：直径d为20-30um，凹坑深度z为15-20um，优选的，在缸头网纹较密的M区采用上限。

优选的，气缸套采用过共晶硅钛合金材质，其线膨胀系数小，耐磨性、耐热性和铸造性能好。

带有所述内壁激光微造型结构的发动机。

所述的发动机为活塞发动机，且在活塞裙部构成中凸造型，构成双向润滑油楔，形成挤压油膜。

所述的发动机气缸套内壁激光微造型结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据转速与曲柄连杆机构的结构参数求出活塞环的位移x以及活塞环的速度v：

上式中，

为曲轴转角，ω为曲轴角速度，λ为曲柄连杆比，λ＝r/l，r为曲柄半径，l为连杆长度；

2)由漏气的绝热可逆的流量方程(3)、理想气体状态方程(4)和质量守恒方程(5)建立活塞环开口间隙的漏气模型：

Δm＝q_i-1-q_i (5)

上式中，q_i为第i个活塞环开口处的气体流量，

C为流量系数，A_i为第i个活塞环开口流通截面积，k为绝热指数，R_g为气体常数，T_i为流经第i个环腔气体的热力学温度，P_i为第i个环腔内气体压力，m_i为第i个环腔内的气体质量，Δm为流经环腔的气体质量流量；

所述的活塞发动机活塞采用3道气环和1道油环，p₀为各曲轴转角下燃烧室压力值，p₄为曲轴箱压力，取恒定值；

得到最终的漏气计算公式：

上式中，V_i为第i个环腔体积；

所述活塞发动机活塞环组包括4个活塞，有3个封闭环腔，得3个一阶常微分方程组成的方程组，利用龙格库塔法求解该方程组(6)，计算得出各环腔的压力分布；

3)针对活塞环-缸套摩擦副，假定缸套不动，只有活塞环产生运动，且运动方向与缸套轴向保持一致，忽略活塞环周向速度，采用下述一维方程描述润滑问题：

式中，u为活塞的运动速度，ρ为润滑油的密度；；η为润滑油的动力粘度，p为润滑油膜内流体压力；φ_x为x方向上的压力流量因子，φ_s为剪切流量因子，引入无量纲参数膜厚比D，令

σ为活塞环与缸套的综合粗糙度标注差，

为接触因子，

为实际油膜厚度的平均值，h为名义油膜厚度，t为时间；

边界条件采用无气穴的雷诺边界条件，其中p_i-1、p_i分别为活塞环上下侧气体压力，由前面漏气计算公式求得边界条件：

4)进行活塞环体的载荷平衡方程的建立，对单位圆周长度的活塞环进行径向受力分析，得到平衡方程式：

F₁+F₂＝F_O+F_g (9)

式中，F₁、F₂分别是燃气压力和活塞环弹力，燃气压力取决于p_i-1、p_i。F_g和F_O分别为微凸体的承载力和油膜承载力；

5)联立雷诺方程(7)和活塞环体的载荷平衡方程(9)解出油膜厚度、膜厚比、油膜压力分布、摩擦力、摩擦功耗参数；依据上述参数值，设置缸套内壁的微造型的布局方式。

本发明具有的有益效果：

1.本发明对气缸内油膜的运动方向进行控制，使沿气缸套轴向运动速度减小，防止润滑油进入燃烧室，减少润滑油的消耗量，改善发动机的排放特性；同时通过微造型的作用，增大了油膜沿活塞环周向的分速度，使油膜尽可能多地沿活塞环周向运动，改善润滑特性。

2.本发明通过激光造出的微造型，在凹坑内存储了一定量的润滑油，保证了气缸壁一定的油膜厚度，并通过微造型的排列布置增大了油膜沿活塞环周向的运动速度，使油膜更多的沿活塞环周向运动，从而提高了活塞环的密封性。

3.本发明通过激光造出的微造型，在活塞环相对于微造型凹坑做相对运动时，将由于粘着摩擦或进入气缸或燃烧产生的微粒存储在凹坑内，防止拉伤缸套。

4.本发明采用过共晶硅钛合金缸套内表面进行激光微造型，其线膨胀系数小，耐磨性、耐热性和铸造性能好，提高发动机的稳定性和寿命。

5.本发明对活塞裙部进行了设计，使得活塞裙部的中凸造型形成双向润滑油楔，在活塞径向方向活塞就有较高的承载能力，有利于降低活塞裙部表面的摩擦与磨损，保证了气缸套内壁一定的油膜厚度。

6.本发明改善了活塞环和气缸套之间的半干摩擦，使活塞环与气缸壁之前处于干摩擦的部位得到了润滑，使润滑更加均匀，改善摩擦特性，降低活塞环磨损。

附图说明

图1为本发明一种气缸套表面激光微造型构造的全局分布状态示意图。

图2a为本发明布置于气缸套内表面的激光网纹形式的微造型示意图。

图2b为本发明布置于气缸套内表面的激光微造型凹坑的示意简图。

图3a为本发明基于某二冲程航空活塞发动机的曲柄连杆机构简图。

图3b为本发明的活塞环与环槽的相对位置。

图4a、4b为本发明的活塞环漏气通道。

图5为本发明活塞环组漏气通道。

图6为本发明活塞环润滑径向受力示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1-2所示，本发明公开的发动机气缸套内壁激光微造型结构，气缸包括气缸套头部M区，以及气缸体N区，在气缸套头部M区构造更密微造型，在N区构造较疏的微造型；微造型采用相对于与气缸轴向垂直平面倾斜度较小的螺旋网纹，每条网纹以凹坑为单元，以点代线形成，各网纹相交部位所在的凹坑为网纹点，各相邻的网纹点之间具有多个凹坑，纹路与垂直于气缸轴向方向，即气缸周向的夹角θ在10°-15°之间，相邻网纹点在气缸套轴向上的垂直距离B为1-1.3mm，相邻网纹点在气缸套沿气缸套周向上的垂直距离D为2-4mm，M区的面积约占整个气缸套内表面的1/5，M区微造型的密度是N区微造型密度的1.5-2倍，每个微造型凹坑的尺寸范围为：直径d为20-30um，凹坑深度z为15-20um，优选的，在缸头网纹较密的M区采用上限，气缸套采用过共晶硅钛合金材质，其线膨胀系数小，耐磨性、耐热性和铸造性能好，发动机为活塞发动机，且在活塞裙部构成中凸造型，构成双向润滑油楔，形成挤压油膜。

如图3-6所示，摩擦副油膜润滑属于边界层润滑问题，边界层润滑建模需用有旋的雷诺方程结合活塞环体的载荷平衡方程。在过共晶硅钛合金缸套表面进行激光微造型，对微造型的尺寸特征和排列布置规律的设计首先需要在气缸套内壁动力润滑的油膜压力分布和流量分布已知的条件下进行，而活塞环组合气缸套润滑工况的减磨需要以活塞环间隙的压力分布来提供边界条件和载荷条件。其次活塞环间隙压力分布的求解需要建立活塞环组的漏气模型来计算，而活塞环组的漏气模型是通过活塞环组的气体流量方程、质量守恒定律以及理想气体状态方程(为了方便建模，假设通过活塞环由燃烧室进入曲轴箱的燃气为理想气体)联立建立的。而最终分析活塞环组的漏气需要对活塞环在发动机各个冲程中的运动情况有充分的了解。

以某水平对置式二冲程双缸航空重油活塞发动机为研究对象，根据所建立的计算模型，获取微造型的最佳布局形式，来降低油膜的轴向运动速度，而增大周向分速度，组织油膜的运动方向，从而达到减磨润滑，提高发动机的可靠性和寿命。

如附图3所示，针对二冲程发动机，进行活塞环的运动分析。活塞环在整个循环过程中有两种运动方式，首先是活塞环跟随活塞在气缸内沿轴向作往复运动，其次是在气缸内上下止点附近活塞环从环槽的一个侧边快速移动到另一个侧面完成换向，这个过程是由活塞环所受的重力、两侧的气体力和缸套之间的摩擦力的大小和方向决定的。

如图3a所示，活塞环在活塞的带动下沿气缸轴作往复运动的基本运动。根据转速与曲柄连杆机构的结构参数可以求出活塞环的位移以及活塞环的速度：

(1)与(2)式中，

为曲轴转角，λ为曲柄连杆比，λ＝r/l，r为曲柄半径，l为连杆长度。

如附图3b所示，活塞环相对于活塞作相对运动。活塞环的相对运动包括周向运动、轴向运动以及扭曲运动等。其中对缸套一活塞环磨损和密封性影响最大的为轴向运动，有研究结果表明，活塞环的扭曲对缸套一活塞环摩擦副的润滑性能影响不大。为简化计算，只考虑活塞环在环槽内沿气缸轴线的轴向运动，由于在环槽内有防止活塞环转动的销钉，活塞环在环槽内转动范围不大，因此也不考虑活塞环的周向运动。而在活塞发动机整个循环中，活塞环在环槽内绝大多数是紧贴环槽侧表面，发生换位也是瞬时完成，因此活塞环的惯性力可以近似忽略不计。

如附图4所示，对活塞环组进行漏气分析。燃气通过活塞环组泄漏进曲轴箱内的泄漏共有两种方式，一种是通过活塞环与环槽产生相对运动，从环体与环槽间隙流过，如图4a所示，由于绝大部分时间活塞环与环槽是紧贴在一起的，因此此种形式的漏气可以忽略不计；另一种是如图4b所示，气体通过活塞环开口产生泄露，活塞环的漏气基本都从活塞环开口间隙泄漏。

漏气计算模型的建立。如图5所示的漏气通道。对活塞环的开口处的气体泄露进行分析，建立如下假设：

(1)气体的流动等熵流动；

(2)忽略燃气在压差的作用下由燃烧室进入曲轴箱造成的曲轴箱和燃烧室压力变动，认为燃烧室与曲轴箱的压力和温度皆恒定；

(3)假定泄露的燃气为理想气体；

如前所述，建立由漏气流量方程(3)、理想气体状态方程(4)和质量守恒定律(5)组成的漏气模型：

Δm＝q_i-1-q_i (5)

(3)式中，

C表示流量系数，k为绝热指数，由于此二冲程发动机活塞采用三道气环和一道油环的组合，因此p₀为各曲轴转角下燃烧室压力值，p₄为曲轴箱压力，由假设可近似认为是恒定值。整理后最终的漏气计算公式为：

对于含有4个活塞环的活塞环组，则有3个封闭环腔，可得3个一阶常微分方程组成的方程组。利用龙格库塔法求解该方程组(6)。计算得出各环腔的压力分布。

对于活塞环-缸套摩擦副的润滑磨损模型，是联立雷诺方程和活塞环体的载荷平衡方程的方程组。再根据漏气模型计算得出的各活塞环间隙的压力分布，为油膜压力分布的计算提供边界条件和载荷条件。

对活塞环-缸套摩擦副来说，假设缸套不动，只有活塞环产生运动，且运动方向与缸套轴向保持一致，考虑到沿活塞环周向各参数保持对称，且周向速度很小，可以忽略不计，所以可用一维雷诺方程描述润滑问题。

(7)式中，u表示活塞的运动速度，ρ表示润滑油的密度；η表示润滑油的动力粘度，p表示润滑油膜内流体压力；φ_x表示x方向上的压力流量因子，φ_s表示剪切流量因子。引入无量纲参数膜厚比D，令

σ为活塞环与缸套的综合粗糙度标注差。

边界条件采用无气穴的雷诺边界条件，其中p_i-1、p_i分别表示活塞环上下侧气体压力，由前面漏气分析求得。

即：

如图6所示，进行活塞环体的载荷平衡方程的建立。对单位圆周长度的活塞环进行径向受力分析，有平衡方程式：

F₁+F₂＝F_O+F_g (9)

(9)式中，F₁、F₂分别是燃气压力和活塞环弹力，燃气压力取决于p_i-1、p_i。F_g和F_O分别为微凸体的承载力和油膜承载力。联立雷诺方程(7)和活塞环体的载荷平衡方程(9)就可以解出油膜厚度、膜厚比。油膜压力分布以及摩擦力和摩擦功耗等各种参数。依据此类的参数值，通过设置如前所述的缸套内壁的微造型的布局方式，来减小油膜沿气缸轴向的运动速度，而增大沿活塞环周向的运动速度，使得进入气缸的润滑油减少，减少了机油消耗，改善了发动机的排放特性；同时通过激光微造型凹坑的设计，存储了气缸内的微粒等容易拉上缸套的颗粒，并存储了一定量的润滑油，保证了一定的油膜厚度，使得润滑形式尽可能地在动压润滑范围内。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种发动机气缸套内壁激光微造型结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据转速与曲柄连杆机构的结构参数求出活塞环的位移x以及活塞环的速度v：

上式中，

为曲轴转角，ω为曲轴角速度，λ为曲柄连杆比，λ＝r/l，r为曲柄半径，l为连杆长度；

2)由漏气的绝热可逆的流量方程(3)、理想气体状态方程(4)和质量守恒方程(5)建立活塞环开口间隙的漏气模型：

Δm＝q_i-1-q_i (5)

上式中，q_i为第i个活塞环开口处的气体流量，

C为流量系数，A_i为第i个活塞环开口流通截面积，k为绝热指数，R_g为气体常数，T_i为流经第i个环腔气体的热力学温度，p_i为第i个环腔内气体压力，m_i为第i个环腔内的气体质量，Δm为流经环腔的气体质量流量；

所述发动机的活塞采用3道气环和1道油环，p₀为各曲轴转角下燃烧室压力值，p₄为曲轴箱压力，取恒定值；

得到最终的漏气计算公式：

上式中，V_i为第i个环腔体积；

所述发动机的活塞环组包括4个活塞环，有3个封闭环腔，得3个一阶常微分方程组成的方程组，利用龙格库塔法求解该方程组(6)，计算得出各环腔的压力分布；

3)针对活塞环-缸套摩擦副，假定缸套不动，只有活塞环产生运动，且运动方向与缸套轴向保持一致，忽略活塞环周向速度，采用下述一维方程描述润滑问题：

式中，u为活塞的运动速度，ρ为润滑油的密度；η为润滑油的动力粘度，p为润滑油膜内流体压力；φ_x为x方向上的压力流量因子，φ_s为剪切流量因子，引入无量纲参数膜厚比D，令

σ为活塞环与缸套的综合粗糙度标注差，

为接触因子，

为实际油膜厚度的平均值，h为名义油膜厚度，t为时间；

边界条件采用无气穴的雷诺边界条件，由前面漏气计算公式求得边界条件：

4)进行活塞环体的载荷平衡方程的建立，对单位圆周长度的活塞环进行径向受力分析，得到平衡方程式：

F₁+F₂＝F_O+F_g(9)

式中，F₁、F₂分别是燃气压力和活塞环弹力，燃气压力取决于p_i-1、p_i，F_g和F_O分别为微凸体的承载力和油膜承载力；

5)联立雷诺方程(7)和活塞环体的载荷平衡方程(9)解出油膜厚度、膜厚比、油膜压力分布、摩擦力、摩擦功耗参数；依据上述参数值，设置缸套内壁的微造型的布局方式；

所述气缸套包括气缸套头部M区，以及非气缸头的气缸体N区，所述的微造型结构为：在气缸套头部M区构造更密微造型，在N区构造较疏的微造型；微造型采用相对于与气缸轴向垂直平面倾斜度较小的螺旋网纹，每条网纹以凹坑为单元，以点代线形成，各网纹相交部位所在的凹坑为网纹点，各相邻的网纹点之间具有多个凹坑。

2.根据权利要求1所述的发动机气缸套内壁激光微造型结构设计方法，其特征在于，相邻网纹点在气缸套轴向上的垂直距离B为1-1.3mm。

3.根据权利要求1所述的发动机气缸套内壁激光微造型结构设计方法，其特征在于，相邻网纹点在气缸套沿气缸套周向上的垂直距离D为2-4mm。

4.根据权利要求1所述的发动机气缸套内壁激光微造型结构设计方法，其特征在于，M区的面积约占整个气缸套内表面的1/5，M区微造型的密度是N区微造型密度的1.5-2倍。

5.根据权利要求1所述的发动机气缸套内壁激光微造型结构设计方法，其特征在于，每个微造型凹坑的尺寸范围为：直径d为20-30um，凹坑深度z为15-20um。

6.根据权利要求1所述的发动机气缸套内壁激光微造型结构设计方法，其特征在于，气缸套采用过共晶硅钛合金材质。

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