基于表面处理工艺及形状优化的活塞环滑动摩擦降低技术

发动机的总机械损失中,活塞组件因滑动阻力引起的摩擦损失约占40％～60％。活塞环外侧圆周面与气缸工作表面之间存在较大的滑动摩擦力,会造成发动机的功率损失。降低上述摩擦损失是活塞组件研发过程中有待解决的课题。通过对活塞、活塞环、气缸等部件接触部位的形状进行优化,以及采用高效的表面处理工艺形成适当的表面粗糙度,来达到降低活塞环滑动摩擦损失的目的,同时也介绍近年来部分典型表面处理工艺的应用实例及其效果。     

降低汽车燃油耗的摩擦学技术

降低发动机燃油耗和减少二氧化碳排放是满足日趋严格的排放法规要求的必经之路。针对降低发动机燃油耗的课题,以发动机周边零部件为中心,着重介绍丰田汽车公司开展的摩擦学相关研究。就利用摩擦学技术降低燃油耗的具体方法,阐述了在优化气缸内圆面（工作表面）、改进活塞组件、优化气门机构及曲轴轴承等方面采用的新技术和新工艺,评价了上述技术措施对降低燃油耗及二氧化碳排放的效果。同时指出,即便是当代先进的内燃机。在利用摩擦学技术与手段优化其内部摩擦及降低燃油耗方面．仍具有很大的发展潜力。     

有利于降低发动机燃油耗的活塞裙部表面处理工艺

降低发动机零部件的摩擦,减少其机械损失是降低燃油耗的重要手段。活塞裙部表面涂层及典型的表面处理工艺对降低摩擦及磨损具有重要作用。介绍在活塞裙部形成覆膜的典型工艺,以及各种表面处理工艺和表面改性技术的原理与效果,也阐述新型涂层工艺的实际应用及其发挥的重要作用。     

利用微粒子喷射的表面改性技术及其应用

利用高速微粒子撞击工件的表面改性工艺(WPC处理),可以通过向工件赋予残余应力及提高表面硬度来提高零部件的疲劳强度。另外,在滑动构件表面形成微细的酒窝状(浅凹洼)表面,即形成油洼,可改善润滑性能,有利于滑动接触零件如齿轮、轴承的低摩擦化及长寿命化。介绍了WPC处理的工作原理、应用效果以及与DLC覆膜等进行复合处理后提高工件寿命的实例。     

内燃机活塞表面处理技术的开发

对内燃机活塞实施表面强化处理可提高活塞早期性能，简化活塞的接触状态调试、磨合等试运转过程，提高活塞的耐热胶着性、耐磨损性，以及发动机输出功率。介绍了本田技术研究所在活塞裙部形成具有吸附、保持润滑油作用的覆膜的新方法，阐述了在覆膜材料设计方面所作的精心考虑，如配合粒子及其配合量的选定、树脂的选定等。经试验之后，开发出一种全新的活塞表面强化处理工艺，并验证实施该表面处理工艺的活塞可获得良好的经济性和技术效益。     

表面改性技术的进展与前景

表面改性是对零部件表面赋予必要的、不同于内部的性质,以提高零件总体的性能为目的的技术,其应用范围广泛,主要涉及到改善零件摩擦学特性。本文按照表面改性技术的分类,概述了各种处理方法的新进展,也描述了今后的发展前景。     

活塞的表面处理工艺

对车用发动机来说,降低二氧化碳排放和改善燃油经济性是重要的课题。鉴于发动机活塞要求减轻质量和降低摩擦,介绍了用于活塞第1道环环槽和活塞裙部的表面处理工艺,这些技术有利于活塞的轻量化和降低摩擦。     

车用发动机活塞及销组件中涂层的成本效率评价

就活塞销上涂覆性价比好的磨合润滑剂问题，对取消车用发动机活塞连杆组件中连杆铜套的可行性进行了研究。典型的车用发动机活塞都带有活塞销的销孔和销座。连杆上也同样有一个销孔，高硬度的钢制活塞销穿过这些孔连接活塞和连杆。一般来说，在连杆销孔内紧压一个铜套。铜套的作用是在润滑较差的情况下提供一个与活塞销偶合的接触面，以降低摩擦、磨损及刮伤等。然而，衬套增加了连杆质量[1.2]（在保持连杆小头厚度不变的情况下，去掉衬套的连杆小头外径较小，因而较轻），同时增加了活塞组件的制造成本和工艺，而活塞组件的强度并没有提高。在活塞销与活塞销孔，以及活塞销与连杆衬套的接触表面间磨损或刮伤是一种常见的失效形式，在发动机起动时尤为严重。以前的试验已证实，固体薄膜润滑剂可以预防刮伤和磨损，但是，通常都比不上带衬套连杆的成本效率。用Falex公司的试验装置对6种不同的润滑剂进行了试验，试验按照美国材料试验标准（ASTMG77）在环块试验机上进行。试验监控了摩擦系数、负荷、温度、表面特性、刮痕宽度及磨损材料的体积。根据试验结果，针对2种涂层在16台发动机上进行了无连杆衬套的台架试验和现场试验。     

MAHLE公司的Ferrocomp活塞的现场试验

自2 0 0 0年4月以来,MAHLE公司的Ferrocomp活塞(即钢/钢组合活塞)通过了定型试验后,目前正在现场成功地运行。该活塞的主要特点是锻钢头与锻钢裙组合。活塞头与裙由1、2或4根螺栓连接,活塞直径由2 0 0至4 80mm不等。这种现代设计的活塞的主要优点为:能承受特别高的峰值气缸压力(>2 5 0巴,1巴=10 5Pa) ;由于采用全部机加工冷却通道,因此有极高的冷却效率;头和裙之间的接触面磨损很少;而且最重要的是,在遭受意外的恶劣运行条件(诸如,滑动面卡死、冷却故障或发生喷油故障)时,能提供非常高的安全裕度。文中将提供在遭受恶劣运行条件后的活塞实例,对这些活塞进行了详细检查,没发现裂纹和其它形式的缺陷。尽管现场反映相当好,MAHLE公司并没固步自封,开发工作仍在向前推进。通过进行发动机之外的试验,进一步寻求磨损率的降低,对活塞定期进行现场铁检,为进一步以三维有限元计算指导设计打下知识基础,包括对活塞和活塞销(由MAULESueko活塞销制造厂提供)的磨损和变形进行详细的测量和分析以及文件资料积累等。对经历了10 0 0 0多工作小时的现场各种活塞的考查显示出这种新型活塞设计的优势。     

某曲轴缸体系统刚柔耦合动力学仿真研究

曲柄连杆活塞机构是发动机的重要组成部分,在运动中会受到周期性的激振力作用,直接影响着系统工作的平顺性和零部件的寿命。针对某直列6缸柴油机使用虚拟样机仿真软件ADAMS搭建了曲轴缸体系统的刚柔耦合多体动力学仿真平台,通过对活塞的位移、速度和加速度的运动规律进行模拟,以及对气缸体所受侧向冲击力和曲轴载荷及主轴颈最小油膜厚度等特性进行仿真,得到了较为可靠的运动学和力学数据。结果表明,软件模拟仿真结果与柴油机实际情况基本一致,为曲轴缸体系统进一步优化设计和提高整体性能提供了理论依据。     

干线客车零部件应用粉末涂层状况

介绍了干线客车零部件应用粉末涂层的情况，对干线客车零部件的粉末涂层进行了状态分析，涂层的装饰性能好，机械强度高、对机体的附着力强，同进也存在局部涂层剥离，脱落等现象，为此，对粉末涂料的组成，零件的预处理，喷涂及固化工艺等技术因素和人为因素两方面进行了探讨，指出了解决的途径。     

第二届同济-朗锐科技国际摩擦学研讨会召开

“汽车、机车和发动机工业中摩擦学的应用”第二届同济-朗锐科技国际摩擦学研讨会于2006年12月12～13日在中国南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所召开。研讨会由同济-朗锐摩擦研究所、德国柏林技术大学、美国麻省理工学院、英国戴纳格莱歇方德费轴承公司、奥地利李斯特内燃机及测试设备公司、美国费德勒莫固公司等联合主办。参加会议的有国内外专家、学者60余人。中科院院士谢友柏、德国柏林技术大学波波夫教授、美国麻省理工学院黄永荣博士、清华大学摩擦学国家重点实验室胡元中教授和同济一朗锐摩擦研究所张朝所长等分别作了“粗糙表面弹流润滑接触的快速计算法”、“计算机辅助工程在发动机研发中的应用”、“汽车发动机的活塞技术”、“活塞动力学模型及对活塞敲缸的影响”、“AVLGLIDE软件中活塞和活塞环摩擦损失的模拟”、“点接触和混合润滑中粗糙表面间的摩擦和磨损的模拟”等24篇精彩的学术报告。     

计算机辅助设计与计算机辅助工程在发动机零件设计中的综合应用

近年来,为缩短发动机开发周期,减少零部件研发的工作量,对设计师提出了更高的要求。现代设计师除了要具备产品设计的能力外,还要拥有提高产品品质的精湛技术,以及利用计算机仿真技术的能力。计算机辅助设计（CAD）能大幅度提高方案设计阶段的效率,与计算机辅助工程（CAE）完美结合后,能高效、圆满地实施方案设计,以及零件设计形状变更、分析、制图等一系列设计流程。介绍在车用发动机连杆设计阶段综合应用三维CAD与CAE技术的具体实例。     

活塞顶环下周边倾角对窜气和机油消耗的影响

关于活塞气环下侧面与周边面之间的倒角形状和尺寸对窜气和机油消耗的真实影响，有几种不同的意见。对一台柴油机进行了测功试验，以弄清楚这种倒度对发动机性能有无影响。     

挥发性有机化合物相关术语与检测标准的分析

介绍了不挥发物、挥发物、有机挥发物、挥发性有机化合物、总挥发性有机化合物等相关术语的定义与测试方法。通过对环境空气、材料及车辆零部件的挥发性有机化合物相关检测标准的分析研究,给出了对环境空气、材料及零部件进行相关挥发性有机化合物检测时的注意事项,并提出了完善既有标准的相关建议。     

发动机台架试验的测试技术

主要介绍了发动机的常规测试技术,以发动机测试中的传感器,测量设备,测试项目,通讯模式展开介绍,进行了简要的分析,并介绍了发动机检测技术的应用现状、发展趋势.     

活塞组降低摩擦的潜力及其裙部涂层的影响

降低发动机的内部摩擦是发动机开发的重要目标之一。Mahle公司开发出一种整机摩擦功率试验台，作为重要的开发工具，其不仅能在外源增压倒拖运转情况下，而且能在着火运转的发动机上，对所有对摩擦功率有影响的发动机零部件进行参数试验，确定出活塞组各个结构参数降低摩擦的潜力，并借助于试验设计程序为每种试验方案绘制了摩擦功率特性曲线场。同时，为了查明活塞裙部涂层对降低摩擦和磨损的作用和潜力，对3种不同涂层材料进行了摩擦和磨损试验，然后对各项参数对降低摩擦功率的效果进行排序。它可为发动机试图达到更合理的结构设计提供参考。     

富士重工公司的新一代水平对置发动机

介绍日本富士重工公司开发的新一代水平对置4缸发动机。与原有的水平对置发动机相比,新型发动机加长了活塞的行程,设计的燃烧室非常紧凑,实现了主运动系零部件的轻量化,进、排气门均采用主动气门控制系统,并配装了高效率的小型机油泵,降低了发动机的摩擦损失,使燃油耗降低约10％。     

低噪声活塞——降低活塞销的拍击噪声

相比全浮式活塞销结构,半浮式活塞销具有成本上的优势,但存在活塞销拍击噪声的问题。针对这一问题,分析活塞销发生噪声的机制,同时,开发了一种优化的半浮式活塞销结构。通过测量活塞与活塞销的动态,并与全新的发动机润滑油动态可视化技术（光纤光缆连接法）相结合,分析了活塞销的噪声发生机制。采用光纤光缆连接法,不仅可实现发动机润滑油的可视化研究,还能在实际的发动机运行条件下,利用粒子跟踪测速技术,测量润滑油的流量矢量。上述研究结果与众多的活塞参数研究相结合,有助于通过计算机辅助工程优化活塞形状。本次研究的结果是,经优化的半浮式活塞销结构具有与全浮式活塞销结构相同甚至更低的噪声水平。     

铁路设备维修中粘涂新技术的运用

表面粘涂技术是在古老的粘涂技术的基础上发展起来的表面新技术。本文通过两例磨损零件的粘涂修复工程实例，介绍了这种新技术的具体运用，为修复类似零部件提供了经验。表面粘涂技术的应用和推广必将为各单位创造可观的经济效益。