馬俊，王建生，王大承，康獻(xiàn)民

（五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020）

摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套內(nèi)表面激光微造型的潤(rùn)滑工藝

馬俊，王建生，王大承，康獻(xiàn)民

（五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020）

基于流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論，建立了摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套表面有規(guī)則拋物面微凹腔結(jié)構(gòu)的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑數(shù)學(xué)模型；結(jié)合雷諾空化邊界條件、利用超松弛迭代法、采用 Matlab編程求解離散后的數(shù)學(xué)模型；分析了各種工藝參數(shù)對(duì)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑性能的影響規(guī)律，得到了最優(yōu)的理論工藝參數(shù)組合.

激光微造型；摩托車(chē)；發(fā)動(dòng)機(jī)缸套

發(fā)動(dòng)機(jī)是摩托車(chē)的核心部件，研究表明：因摩擦造成的發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失占摩托車(chē)機(jī)械功率損失的 80%，其中潤(rùn)滑部件的摩擦損失占整個(gè)摩擦功率損失的 50%～60%[1]. 缸套-活塞環(huán)是摩托車(chē)最主要的摩擦副，它的潤(rùn)滑問(wèn)題，一直是學(xué)者研究的熱點(diǎn). 近30年來(lái)，人們發(fā)明了各種減少缸套-活塞系統(tǒng)摩擦損失的工藝[2-4]，其中，激光表面微造型[5]因速度快、無(wú)污染、可控性好，能顯著減少摩擦[6-7]、磨損[8]而成為一種比較有前景的加工手段. 本文研究分布均勻的拋物面形的激光微造型的摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的內(nèi)表面，并建立相應(yīng)的潤(rùn)滑理論模型；運(yùn)用流體潤(rùn)滑理論對(duì)4×4微造型單元進(jìn)行分析，研究活塞環(huán)與缸套間的流體動(dòng)壓和油膜厚度分布規(guī)律，以驗(yàn)證激光微造型在潤(rùn)滑減磨方面的功效，并為摩托車(chē)缸套-活塞環(huán)摩擦面微造型優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

1 潤(rùn)滑的理論模型分析

本研究首先建立缸套-活塞微造型的潤(rùn)滑理論物理模型；再進(jìn)行簡(jiǎn)化與近似，推導(dǎo)求解潤(rùn)滑間隙內(nèi)流體膜壓力與膜厚的數(shù)學(xué)模型，確定其初始條件及邊界條件后，進(jìn)行量綱一處理；最后求解模型.

1.1 激光微造型的物理模型

選取發(fā)動(dòng)機(jī)缸套上的拋物形截面，并沿徑向展開(kāi). 圖1為沿周向截取的一段區(qū)域：x軸是活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)方向，y軸是缸套圓周方向，b是微造型處理表面的長(zhǎng)度；造型表面凹坑均勻分布，記其分布密度為Sp；設(shè)每一個(gè)凹坑占據(jù)一個(gè)假想的邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形區(qū)域，其拋物面半徑為rp，凹坑中心深度為hp，可得如下關(guān)系式：

圖1 激光表面微造型缸套幾何模型

缸套-活塞結(jié)構(gòu)是典型的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，活塞的滑動(dòng)速度與曲軸角速度及機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)的關(guān)系如下式：

式中，rc是曲柄長(zhǎng)度；Lc是連桿長(zhǎng)度；ω是曲軸角速度.

1.2 潤(rùn)滑分析的數(shù)學(xué)模型

如圖2所示，由于實(shí)際油膜厚度包括造型內(nèi)部和外部，因此，缸套表面任意點(diǎn)的名義油膜厚度方程為：

圖2 油膜厚度示意圖

其中，c(t)是時(shí)間的函數(shù)，它取決于外負(fù)荷和油膜壓力，在運(yùn)動(dòng)中達(dá)到平衡；Ω代表造型區(qū)域.當(dāng)不考慮活塞偏擺作用時(shí)，根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律有：

式中，m是活塞環(huán)質(zhì)量；Fe是外負(fù)荷，它由活塞環(huán)背壓和活塞環(huán)彈性張力確定；Fh是油膜壓力. 這里活塞環(huán)的工作面假設(shè)為平面.

作以下幾點(diǎn)基本假設(shè)：

1）由于微造型的直徑和深度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表面粗糙度，因此可以認(rèn)為除了微造型之外，接觸表面的其它地方光滑，即不考慮粗糙度的影響；

2）潤(rùn)滑油是不可壓縮流體，其密度不隨壓力變化；

3）潤(rùn)滑油的慣性力忽略不計(jì)，潤(rùn)滑油各處溫度相等；

4）潤(rùn)滑油為牛頓流體，即剪切力正比于剪切變率且流動(dòng)為層流；

5）潤(rùn)滑油供應(yīng)充分，摩擦副之間充滿潤(rùn)滑油，且潤(rùn)滑油膜是連續(xù)的.

根據(jù)假設(shè)推出雷諾方程在摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套-活塞環(huán)摩擦副的應(yīng)用形式：

式中，p是任意點(diǎn)處流體壓力，μ是潤(rùn)滑油在壓力p下的動(dòng)力黏度.

式中 tθ ω= ，A為解觸面積. 得到量綱一的膜厚方程、雷諾方程和動(dòng)力學(xué)方程如下：

0μ為潤(rùn)滑油動(dòng)力黏度.

1.3 模型的數(shù)值分析與程序編制

上述模型中的雷諾方程為典型的二維橢圓型偏微分方程，本文利用有限差分法進(jìn)行離散，再使用超松弛迭代法求解，用Matlab編制計(jì)算程序，具體流程如圖3所示.

圖3 程序流程

2 造型凹坑的工藝參數(shù)對(duì)油膜厚度的影響

理想動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)下，摩擦副表面之間因被潤(rùn)滑劑膜隔開(kāi)而形成了流體動(dòng)壓潤(rùn)滑作用；但實(shí)際上，由于摩擦副表面本身的粗糙度及磨粒的存在，必然會(huì)導(dǎo)致部分表面微凸體的直接接觸. 油膜厚度是衡量潤(rùn)滑狀態(tài)的重要指標(biāo)，下面以某款排量為125 cc的摩托車(chē)為例，研究造型凹坑工藝參數(shù)對(duì)油膜厚度的影響.

圖4 4×4微造型單元壓力分布圖

算例摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)有：曲柄長(zhǎng) rc=25mm，連桿長(zhǎng) Lc=94mm，活塞環(huán)寬度 b =2mm，活塞環(huán)直徑 d =50mm，曲柄角速度 ω=150π rad/s，動(dòng)力黏度 μ0=0.06Pa·s.在其缸套表面進(jìn)行激光微造型，凹坑的參數(shù)：面積占有率 Sp為 5%～48%，凹坑半徑 rp為20～50 μm，凹坑深度hp為4～30 μm. 對(duì)4× 4微造型單元進(jìn)行分析，16個(gè)凹坑的壓力分布如圖4所示. 此時(shí)，凹坑的主要參數(shù)有：凹坑半徑rp為20 μm，凹坑深度hp為10 μm.

2.1 微凹腔面積占有率Sp

rp=25μm ， hp=10μm，Sp在 5%～42%內(nèi)，油膜厚度的變化情況如圖5所示. 由圖5可以看出：Sp對(duì)油膜厚度的影響比較大，在不同轉(zhuǎn)角處的影響不相同，即當(dāng)Sp較小時(shí)，油膜的波峰值較小而波谷值較大；當(dāng)Sp較大時(shí)，油膜的波峰值較大而波谷值較小. 因此，在缸套的不同區(qū)域應(yīng)設(shè)置不同的Sp，以達(dá)到比較滿意的油膜厚度. 一般，上下止點(diǎn)取較小的Sp（5%左右）；中程取較大的 Sp（33%左右）；如采用單一的Sp則可取20%左右.

2.2 微凹腔半徑rp

圖5 Sp對(duì)油膜厚度的影響

圖6 rp對(duì)油膜厚度的影響

rp為25～ 38 μm，hp=10μm，Sp=20%，油膜厚度的變化情況如圖6所示. 由圖6可以看出：1）rp對(duì)油膜厚度影響較大，但在不同轉(zhuǎn)角處的影響大致相同，即當(dāng)rp較小時(shí)，油膜厚度較??；當(dāng) rp較大時(shí)油膜厚度也較大. 2） 25 μm處的油膜厚度比較滿意，可形成動(dòng)壓效果. 實(shí)際加工時(shí)，一般取稍大的 rp，原因是 rp越大，造型所需激光器的功率也越大，加工時(shí)間也越長(zhǎng). 本研究所用激光器為綠光Nd：YAG激光器，其加工半徑約為 μm25 .

2.3 微凹腔深度hp

圖7 hp對(duì)油膜厚度的影響

rp=25μm，hp為4～ 10 μm，Sp=20%，油膜厚度的變化情況如圖7所示. 由圖7可以看出：1）hp對(duì)油膜厚度影響較大，在不同轉(zhuǎn)角處的影響大致相同，即當(dāng)hp較小時(shí)，油膜厚度較大；當(dāng)hp較大時(shí)油膜厚度較小. 2）hp為2～ 10 μm時(shí)，油膜厚度曲線變化平緩、光滑，膜厚值較大. 3）hp＞12μm時(shí)，油膜厚度明顯變小，尤其是油膜波谷處，其變化更明顯. 4） hp＞18μm，其在做功和排氣沖程對(duì)應(yīng)的油膜厚度幾乎呈直線分布. 實(shí)際加工時(shí)，hp的值取小一些較好.

綜合算例的仿真結(jié)果，得到優(yōu)化的表面微造型參數(shù)： rp＞25μm；hp為4～ 10 μm；上下止點(diǎn)取較小的Sp（5%左右），中程取較大的Sp（33%左右），單一的Sp則可取20%左右. 在該組工藝參數(shù)下，油膜厚度可大幅提高，動(dòng)壓效果得以改善.

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)十多年的快速發(fā)展，我國(guó)已成為世界第一摩托車(chē)生產(chǎn)大國(guó). 本研究首次將激光表面微造型技術(shù)應(yīng)用于摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套內(nèi)表面的加工處理，以改善其潤(rùn)滑性能，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，減少摩擦和磨損. 本文結(jié)果是基于一定壓力、一定黏度、一定速度下得到的激光微造型工藝參數(shù)，其適用性還需在后續(xù)研究中進(jìn)一步論證.

[1] 孟凡明，張優(yōu)云. 內(nèi)燃機(jī)流體潤(rùn)滑技術(shù)的發(fā)展及其在我國(guó)的應(yīng)用[J]. 潤(rùn)滑與密封，2006, 180(8): 160-164.

[2] STEPHEN Hsu. An integrated surface technology for optimum performance[R/OL]. National Institute of 1 Standards and Technology, 2004. http://www.p2pays.org/ref/46/45857.pdf.

[3] 段軍. 激光微加工磁盤(pán)：激光毛化技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 激光技術(shù)，2006, 30(5): 490-493.

[4] 萬(wàn)軼，熊黨生. 激光表面織構(gòu)化改善摩擦學(xué)性能的研究進(jìn)展[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2006, 26(6): 603-607.

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[8] 張華偉. 基于流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論的活塞環(huán)表面激光微造型技術(shù)研究[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2009.

A Study of the Lubrication Process for Laser Micro-texturing of Motorcycle Cylinders

MA Jun, WANG Jian-sheng, WANG Da-cheng, KANG Xian-min
(School of Electrical and Mechanical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

Based on the hydrodynamic lubrication theory，a mathematical model of hydrodynamic lubrication was established with regular micro pores on motorcycle engine surface. It was derived by using the Reynolds cavitations boundary condition, the over-relaxation iteration method, and the Matlab programmed discrete mathematical model. Impact of various process parameters on the hydrodynamic lubrication performance was analyzed and the optimal combinations of the theoretical process parameters were obtained.

Laser micro-texturing; cylinders; dynamic pressure lubrication

1006-7302（2010）04-0012-05

TH122

A

2010-04-12

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研合作專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（0906）

馬俊（1983—），男，湖北鐘祥人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化、現(xiàn)代檢測(cè)及故障診斷技術(shù)，E-mail:majun616@gmail.com；王建生，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，通信作者，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（虛擬樣機(jī)技術(shù)）、高壓水射流理論及應(yīng)用、特種機(jī)械，E-mail: wjs@wyu.cn.

孫建平]