织构化活塞环组表面摩擦磨损性能研究
摘要
气缸套-活塞环是发动机内的关键组成部件，其摩擦损失能占到整机的一半左右，这
对机器的各方面性能及使用寿命都有着重要影响。表面织构技术是一种以减摩为目的的
结构优化手段，将其应用于活塞环表面可以改善气缸套-活塞环系统的摩擦学性能。此外，
气缸套-活塞环系统的磨损也是内燃机损耗研究中十分重要的一个方面，但由于它与系
统摩擦学特性之间往往存在着相互制约的关系，因此，在研究表面织构对减小系统摩擦
损失影响的同时，其对磨损影响的研究也必不可少。
本文以CY4102BQ柴油机内的活塞组件为研究对象，考虑接触面粗糙度和活塞环
上不同织构的影响，应用Fortran语言编程，基于二维平均Reynolds方程及活塞环受力
平衡分析，建立了织构化活塞环混合润滑模型，并以有限差分法和超松弛迭代法对模型
进行离散求解。通过调整活塞环组上凹坑的半径、深度和面积占有率，对比计算出的润
滑表面最小油膜厚度、系统摩擦力和摩擦损失等结果，得到了活塞环组摩擦性能受表面
织构的影响规律，并针对三道环分别总结出了减摩效果最佳的织构组合方案。
此外，基于Holm-Archard提出的粘着磨损公式建立了系统的磨损模型，以所处环
境最恶劣的第一道活塞环为例，通过对比不同凹坑参数条件下的微凸体承载力和气缸套
磨损深度，得出了系统磨损情况受表面织构的影响规律，并结合织构对摩擦的影响结果，
综合考虑下，总结出了对减小气缸套-活塞环系统摩擦和磨损最有利的织构参数组合。
在此基础上，通过分析活塞系统的受力情况推导出了活塞二阶运动方程，并以高斯
消元法求解，将活塞的动力学与摩擦学性能耦合在一起，建立了一套新的考虑活塞二阶
运动规律的织构化活塞环混合润滑模型和系统的磨损模型，进而研究织构化活塞环系统
摩擦磨损受活塞二阶运动的影响情况。
研究结果表明，活塞环表面的凹坑能够通过改善系统的流体动压润滑效果来降低摩
擦损失。对于本文模型来说，第一道活塞环的最佳凹坑参数组合为半径170μm，深度2μm，
面积占有率15%-20%；第二道活塞环表面不宜添加凹坑；第三道活塞环的最佳凹坑参数
组合为半径150μm，深度8μm，面积占有率20%。并且在加入了活塞二阶运动的影响因
素后，合适的表面织构仍然可以起到积极的减摩作用。
关键词：活塞环；表面织构；摩擦；磨损；二阶运动
织构化活塞环组表面摩擦磨损性能研究
Abstract
Thecylinderliner-pistonringisakeycomponentintheengine,anditsfrictionlosscan
accountforabouthalfofthewholemachine,whichhasanimportantimpactontheperformance
andservicelifeofthemachine.Surfacetexturetechnologyisastructuraloptimizationmethod
forthepurposeofreducingfriction.Applyingittothesurfaceofpistonringcanimprovethe
tribologicalperformanceofcylinderliner-pistonringsystem.Inaddition,thewearofcylinder
liner-pistonringsystemisalsoaveryimportantaspectinthestudyofinternalcombustion
engineloss.However,thereisoftenamutuallyrestrictiverelationshipbetweenitandthe
tribologicalcharacteristicsofthesystem.Therefore,whilestudyingtheeffectofsurf