秦襄培，吳 麗，鄢寧波，曾 誠，武勝超

武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

0 引 言

內(nèi)燃機(jī)［1］中缸套和活塞環(huán)摩擦副［2］的摩擦性能的好壞，關(guān)系到內(nèi)燃機(jī)的質(zhì)量.內(nèi)燃機(jī)在工作時(shí)為了保證熱能可以最大限度的轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使得內(nèi)燃機(jī)擁有更好的工作效率，應(yīng)當(dāng)將缸套和活塞環(huán)保持良好的密封性能［3］.但是活塞在缸套里的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)活塞環(huán)與缸套形成摩擦，若活塞環(huán)與缸套的間隙太小，摩擦就會(huì)增大，進(jìn)而增大能量的損失［4］.另外，其相互摩擦做功時(shí)，缸套內(nèi)壁溫度上升，直接影響其使用壽命［5］.研究表明：內(nèi)燃機(jī)在工作過程中因缸套－活塞環(huán)摩擦副引起的摩擦功耗占整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功耗的45%～65%［6］.近年來，由于發(fā)動(dòng)機(jī)向高速和強(qiáng)化方向發(fā)展，活塞環(huán)的工作條件越來越苛刻，對(duì)其耐磨性也提出了更高的要求，因此對(duì)缸套和活塞環(huán)這對(duì)摩擦副的研究必須隨之更新.在直接對(duì)活塞環(huán)進(jìn)行摩擦磨損的試驗(yàn)［7］中，為了模擬實(shí)際工況，需要保證活塞環(huán)的摩擦方向和上下端面垂直且保持活塞環(huán)桶面中間接觸，但由于其截面形狀過于復(fù)雜，裝夾是否可靠便成為整個(gè)試驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素.現(xiàn)有的夾具僅能裝夾規(guī)則截面形狀的活塞環(huán)，對(duì)于不規(guī)則截面形狀則很難裝夾，同時(shí)現(xiàn)有夾具［8］裝夾時(shí)，接觸點(diǎn)是活塞環(huán)的最高點(diǎn)，而不是中間點(diǎn)，這就表示無法保證磨痕處于中間位置.針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)上存在的不足，有必要設(shè)計(jì)一種針對(duì)銷盤式試驗(yàn)機(jī)的專用活塞環(huán)夾具，并將夾具裝夾于銷盤式試驗(yàn)機(jī)［9］上進(jìn)行摩擦學(xué)試驗(yàn)來驗(yàn)證夾具是否能滿足實(shí)際工作要求.

1 活塞環(huán)自調(diào)心夾具設(shè)計(jì)方案

活塞環(huán)截面有多種形狀，有些活塞環(huán)的形狀不規(guī)則，直接裝上夾具，不能保證工作面在接觸面的最高點(diǎn).比如正桶面環(huán)［10］，直接裝在常規(guī)夾具上面，可以保證中間點(diǎn)就是接觸的最高點(diǎn)，而不對(duì)稱的偏桶面環(huán)，接觸面的最高點(diǎn)偏離中間點(diǎn)位置，不是主要接觸工作面.夾具設(shè)計(jì)主要目的就是解決活塞環(huán)接觸面最高點(diǎn)不在中間位置時(shí)，如何進(jìn)行試驗(yàn)的問題.傳統(tǒng)夾具局限性大，該設(shè)計(jì)自調(diào)心夾具，通過兩次裝夾，分別定位，只要活塞環(huán)上下端面平行，無論是何種活塞環(huán)截面形狀都能通過所設(shè)計(jì)的夾具進(jìn)行試驗(yàn).

設(shè)計(jì)表明，子夾具負(fù)責(zé)裝夾活塞環(huán)截取試樣，母夾具與子夾具則通過一顆自調(diào)心鋼珠定位.該夾具特點(diǎn)在于無論最高點(diǎn)在接觸面何處，只要轉(zhuǎn)動(dòng)自調(diào)心鋼珠便能調(diào)試子夾具位置，調(diào)試至截取試樣和盤試樣的摩擦面處于良好的面接觸狀態(tài)，即接觸點(diǎn)在接觸面的中間位置.

夾具結(jié)構(gòu)如圖1所示，活塞環(huán)試樣裝夾于子夾具上端開槽中，子夾具下端面與母夾具環(huán)內(nèi)圓面中心處分別開有直角和鈍角錐孔，用于安置自調(diào)心鋼珠.自調(diào)心鋼珠在壓力作用下能產(chǎn)生小范圍的轉(zhuǎn)動(dòng)，便于調(diào)心定位.另外，子夾具與母夾具的接觸端面為桶面，母夾具的上端為圓柱槽狀，圓柱槽的內(nèi)徑大于子夾具的直徑，子夾具安裝在母夾具的圓柱槽中.母夾具的底座開設(shè)工形槽，螺栓穿過工形槽將母夾具固定在銷盤式試驗(yàn)機(jī)上.

圖1 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig．1 A design drawing of fixture structure

2 夾具實(shí)用性驗(yàn)證試驗(yàn)

2．1 安裝與調(diào)試

首先解決活塞環(huán)試樣的裝夾，將活塞環(huán)試樣放置在子夾具開槽之中，圓柱銷通過安裝平面對(duì)試樣進(jìn)行定位，再由兩對(duì)稱分布的螺栓將其固定.其次是子母夾具的安裝，將子夾具放置在母夾具上圓柱槽，圓柱槽上均布三個(gè)螺紋通孔，分布對(duì)應(yīng)子夾具下端所開螺紋孔，孔徑相同.然后使用起自調(diào)心作用的鋼珠和三個(gè)螺釘將其固定在母夾具上.通過調(diào)整螺釘松緊，子夾具可以在母夾具內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)整活塞環(huán)的位置達(dá)到指定狀態(tài).活塞環(huán)裝夾示意圖如圖2所示.

試驗(yàn)時(shí)需要先驗(yàn)證活塞環(huán)位置調(diào)整是否到位.方法是在活塞環(huán)接觸面上放一張復(fù)寫紙，然后將活塞環(huán)和盤試樣接觸，通過復(fù)寫紙留下的痕跡便可判斷活塞環(huán)位置是否正確.在接觸的同時(shí)觀察盤的外圓對(duì)應(yīng)部分是否和環(huán)的端面垂直，如果沒有達(dá)到要求則需要重新調(diào)整.

圖2 活塞環(huán)裝夾示意圖Fig．2 Diagram of piston ring clamping

2．2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)活塞環(huán)材料為鑄鐵盤-滲陶瓷活塞環(huán)和滲陶瓷鑄鐵盤-滲陶瓷活塞環(huán).試驗(yàn)機(jī)為SST-ST銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（西德）如圖3所示.

圖3 SST-ST銷盤式磨損試驗(yàn)機(jī)示意圖Fig．3 Diagram of SST-ST pin-on-disc tribo-tester

表1 試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experimental parameters

2．2．1 試驗(yàn)參數(shù) 試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，試驗(yàn)前在接觸工作面上加一滴機(jī)油潤滑，試驗(yàn)時(shí)具體參數(shù)如表1所示.參考標(biāo)準(zhǔn)：DIN50320.

2．2．2 測試條件 采用西德制造的HBM扭矩傳感器在線連續(xù)測量摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線；采用SST-ST計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理，采樣周期20μs；使用Taylor Hobson測量盤試樣磨損截面積；使用ImageAnalysis測量活塞環(huán)磨痕尺寸.

2．3 試驗(yàn)結(jié)果

兩種材料的活塞環(huán)在SST-ST銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)的結(jié)果如圖4、5與表2所示.

圖4 鑄鐵盤－滲陶瓷活塞環(huán)摩擦副Fig．4 Friction pair of cast iron platewith ceramic piston ring

圖5 滲陶瓷鑄鐵盤－滲陶瓷活塞環(huán)摩擦副Fig．5 Friction pair of infiltration ceramic iron platewith infiltration ceramic piston ring

表2 試樣磨損量Table 2 The wear loss amountof sample

3 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，圖6中的磨痕為活塞環(huán)接觸表面磨痕，磨痕方向與端面垂直.說明活塞環(huán)截取試樣和盤試樣的摩擦面處于良好的面接觸狀態(tài)，摩擦方向和上下端面垂直.試驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在同樣的試驗(yàn)條件下鑄鐵滲陶瓷盤－滲陶瓷環(huán)摩擦副比鑄鐵盤－滲陶瓷環(huán)摩擦副摩擦系數(shù)略低，滲陶瓷鑄鐵盤和滲陶瓷環(huán)摩擦副比鑄鐵盤和滲陶瓷環(huán)摩擦副的磨損量分別降低了1．5倍和2．3倍.這表明對(duì)活塞環(huán)進(jìn)行滲陶瓷［11］工藝處理，有助于改善活塞環(huán)的耐摩擦性能，自調(diào)心夾具能夠有效的區(qū)分出經(jīng)表面改性后材料摩擦性能的改變.使用活塞環(huán)自調(diào)心夾具在銷盤式試驗(yàn)機(jī)上研究活塞環(huán)耐磨性不僅試驗(yàn)結(jié)果精確，方便快捷.對(duì)不同形狀的活塞環(huán)在銷盤式試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)都能真實(shí)的模擬出實(shí)際工作時(shí)產(chǎn)生的摩擦情況.

圖6 活塞環(huán)接觸表面磨痕Fig．6 The wearmarks on the contact surface of piston ring

4 結(jié) 語

上述設(shè)計(jì)的一種銷盤式試驗(yàn)機(jī)上專用夾具，為解決內(nèi)燃機(jī)中活塞環(huán)試驗(yàn)時(shí)的接觸問題，提高實(shí)驗(yàn)的精確性.通過查閱活塞環(huán)磨損、內(nèi)燃機(jī)工作原理及相關(guān)資料，經(jīng)過試驗(yàn)，最終設(shè)計(jì)出了一種專用于銷盤式試驗(yàn)機(jī)裝夾活塞環(huán)截取試樣的夾具，并通過試驗(yàn)證明所設(shè)計(jì)的夾具是成功的.只要活塞環(huán)上下端面平行，無論活塞環(huán)是何種截面形狀都可使用該夾具進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，并能快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)自調(diào)心定位，調(diào)整方便快速，極好地保證了實(shí)驗(yàn)精度，為活塞環(huán)摩擦磨損試驗(yàn)提供了一種新的裝夾方法.試驗(yàn)證明，使用該夾具的試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)活塞環(huán)工作時(shí)情況一致，且準(zhǔn)確有效，便于進(jìn)一步研究提高活塞環(huán)耐磨性.同時(shí)試驗(yàn)也證明，采用滲陶瓷處理后的活塞環(huán)耐磨性得到顯著提高，該夾具的設(shè)計(jì)對(duì)研究活塞環(huán)耐磨性以及提高內(nèi)燃機(jī)工作性能有一定指導(dǎo)作用.對(duì)于提高活塞環(huán)耐磨性具有一定實(shí)用意義.

致 謝

感謝2012年地方高校國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（201210490019）對(duì)本研究的資助！

［1］周龍保．內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011．ZHOU Long-bao．Internal combustion engine ［M］．Beijing： China Machine Press，2011．（in Chinese）

［2］王先義，孫軍，張亮，等．內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)－缸套摩擦副摩擦學(xué)的研究進(jìn)展 ［J］．小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2014，43（2）：86－91．WANG Xian-y i，SUN Jun，ZHANG Liang，et al．A Review of Research on Friction of Piston Ring－Cylinder Liner in Internal Combustion Engine［J］．Small Internal Combustion Engine and Motorcycle．2014，43 （2）：86－91．（in Chinese）

［3］鄧志明，歐陽光耀，李育學(xué)，等．內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)組密封性能研究［J］．潤滑與密封，2011， 36（3）：60－64．DENG Zhi-m ing，OU Yang Guang y ao，LIYu-x ue，et al．Sealing Performance of Piston Rings of Internal Combustion Engine ［J］．Lubrication Engineering．2011， 36（3）：60－64．（in Chinese）

［4］張向偉，金曉怡，鈕冬科，等．銷盤摩擦副摩擦性能分析［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2013，29（6）：135－137．ZHANG Xiang-w ei，JIN Xiao-y i，NIU Dong-k e，et al．The Friction Performance Analysis of Pin Disk Friction Pair ［J］．Machine Design and Research，2013，29（6）：135－137．（in Chinese）

［5］謝曉燕，夏永龍．汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的磨損分析及提高活塞環(huán)使用壽命的對(duì)策［J］．潤滑與密封，2003（3）：60－61．XIE Xiao-y an，XIA Yong-l ong．Analysis of the Engine＇s Piston Ring Wear and Countermeasures of Increasing the Service Life of the Ring ［J］．Lubrication Engineering，2003（3）：60－61．（in Chinese）

［6］袁成清，郭智威，婁朝輝．柴油機(jī)缸套－活塞環(huán)切片往復(fù)試驗(yàn)專用夾具：中國，2013200627339［P］．2013－08－14．YUAN Cheng-q ing，GUO Zhi-w ei，LOU Chao-h ui．Reciprocal sliding test of Diesel Cylinder－Ring Special fixtures：China，2013200627339 ［P］．2013－08－14．（in Chinese）

［7］劉偉達(dá)．內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)－缸套摩擦磨損過程性能研究［J］．柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2006，14（3）：25－28．LIU Wei-d a．The study of p roperties of i nternal c ombustion e ngine p iston r ing－c ylider f riction wear process［J］．Design ＆ Manufacture of Diesel Engine，2006，14（3）：25－28．（in Chinese）

［8］瞿志?。钊h(huán)干摩擦試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)［J］．煤礦機(jī)械，2010，31（11）：122－123．QU Zhi-j un．Clamp design of piston ring for oil－out lubrication test［J］．Coal Mine Machinery，2010，31（11）：122－123．（in Chinese）

［9］汪選國．銷盤滑動(dòng)磨損試驗(yàn)的仿真方法研究 ［D］．武漢：武漢理工大學(xué)，2009．WANG Xuan-g uo．The study on simulation method of pin－on－disc sliding wear test ［D］．Wuhan：Wuhan University of Technology，2009．（in Chinese）

［10］武冬馥．桶面活塞環(huán)研磨夾具設(shè)計(jì)參數(shù)的探討［J］．內(nèi)燃機(jī)配件，2000（2）：26－28．WU Dong-f u．Discussion on the design parameters of the piston ring of the barrel surface［J］．Internal Combustion Engine＆Parts，2000（2）：26－28．（in Chinese）

［11］周永福，袁文，馬國英．滲浸陶瓷活塞環(huán)的磨損特性及應(yīng)用［J］．內(nèi)燃機(jī)與配件，2005（5）：4-7．ZHOU Yong-f u，YUANWen，MA Guo-y ing．Abrasion characteristic and application of ceramic penetration piston ring［J］．Internal Combustion Engine ＆ Parts，2005（5）：4-7．（in Chinese）