1、2022-4-231结构结构F1 赛车科技摩擦与润滑理论发动机系统工程发动机摩擦与润滑总结2022-4-232 F1赛车 从古至今，人类从未停止对超越自我、挑战极限的探索，即使这一过程伴随不尽的鲜从古至今，人类从未停止对超越自我、挑战极限的探索，即使这一过程伴随不尽的鲜血、伤残甚至死亡，赛车是人类这一天性的最佳诠释。血、伤残甚至死亡，赛车是人类这一天性的最佳诠释。 胜利的荣耀背后是残酷的生死存胜利的荣耀背后是残酷的生死存亡，接着就是对科学技术的挑战。亡，接着就是对科学技术的挑战。2022-4-233 F1发动机润滑与轮胎磨损0-100km/h，只需2.3秒，曾经最高转速达到22000r/min
2、.转速保持在16000-2000r/min之间，功率570kw.一般跑车转速在8000r/min。没有性能优异的润滑油与之匹配，Fl赛车发动机在几秒钟之内就将遭到破坏。润滑油膜越厚，高温抗磨损能力越强。但是油膜越厚，由于液力粘滞的原因，会造成发动机动力损失，降低发动机转速：而油膜越薄，则发动机转速越高，能够降低发动机运动部件运转时由于液力原斟造成的摩擦阻力，使输出功率增加，燃油消耗降低，但冷却性能降低，抗磨损性能下降。润滑油具有合适的粘度，高温抗剪性能，散热性，清净性，极压抗磨性。F1赛车轮胎每分钟转速高达数万转，一场比350KM比赛中，消耗两组轮胎。2022-4-234 系统中的摩擦学 摩擦
3、属于发动机性能属性之一，直接影响到燃油经济性，与噪声紧密联系，摩擦属于发动机性能属性之一，直接影响到燃油经济性，与噪声紧密联系，严重影响轴轴承的承载能力（主要有混合和边界润滑）。柴油机在过去几十年严重影响轴轴承的承载能力（主要有混合和边界润滑）。柴油机在过去几十年的发展历程中摩擦损失逐渐减小接近的发展历程中摩擦损失逐渐减小接近10%/1010%/10年（年（Sandoval and Heywood,2003）活塞轴承配气机构附件45-50%20-30%7-15%20-25%2022-4-235 发动机系统工程运用先进的科学方法，进行组织管理，以求最佳效果的技术。-现代汉语词典系统工程是一门把已
4、有学科分支中的知识有效的组合起来用以解决综合性的工程问题。大英百科全书是一门方法 性的应用学科。系统的整体性 要素与系统不可分割 1+1=2 ？系统的开放性 和外界有物质，能量，信息 的交换。系统的层次等级性 有结构，有等级，有次序。基本理论基本理论耗散结构理论（dissipative structure）协同学（Synergetics：协同导致有序。突变论（Catastrophe Theory）两大机构，五大系统钢铁软件石油塑料发动机扭矩2022-4-236 发动机系统工程system engineercomponent engineer总司令：彭德怀总司令：彭德怀列兵列兵：黄继光黄继光建立
5、发动机摩擦模型（engine friction modeling）-精确有效的工具。预测engine power,fuel economy ,heat rejection。coordinating various performance attributeplanning the fuel econumy impovement roadmap and friction reduction roadmap for the engine.总览全局，需要整合发动机的所有部件，使之最优化。摩擦的预测对于系统级别的转矩控制，转速波动有较大影响。建立最精切的摩擦模型。包括活塞组件，配齐机构，发动机轴承等。
6、关注：摩擦的设计参数，润滑，轴承，运动，漏气，机油消耗，噪声。仿真模型需要与实际运行情况高度匹配。建立液体动力润滑，热弹性液体动力润滑。不同润滑机制（lubrication regimes）,得出精确解答。2022-4-237 发动机系统设计the level-2 engine friction model1.关注发动机平均循环载荷下的平均有效压力。缺少一些细节（瞬态下的摩擦力大小）。2.不同子部件使用一个总的摩擦模型，不关注各个部件的摩擦机制。该模型包括了发动机设计的：bore,stroke,bearing lenth,engine speed,peak cylinder presure.3
7、.研究参数较少，计算速度快，时间成本低。the level-1 engine friction model1.比第一级别更详细，在瞬态的基础上研究摩擦力的大小。2.基于不同润滑机制预测不同部件的摩擦系数和摩擦力。3.考虑较多的参数，研究因系统概括性研究而忽略的某些影响。the level-3 engine friction model1.该类型的模型及其复杂，影响因数增多。2.通过求解Reynolds equation 得出不同润滑动力学方程中的油膜厚度（oil film thickness）和压力分布(pressure distribution)，摩擦剪切力也得到数值解。3.关注更多的细节特
8、征如：部件表面形貌（surface topography）4.通过模型求解Stribeck curves，从而得出在第一层次中需要用到的参数（摩擦力，摩擦系数，承载能力）2022-4-238 摩擦摩擦是一个非线性的 、 远离平衡态的热力学 过程 。人们对摩擦中基本纳观过程知之甚少 , 至今还没有一个被普遍接受的理论 。摩擦机理研究历史摩擦机理研究历史1 古典摩擦理论古典摩擦理论 G.Amontons提出Coulomb理论，也称库伦定律 （1）摩擦力大小与接触面积无关 （2）摩擦力大小与法向载荷成正比 法国物理学家C.A.coulomb提出第三条定律 （3）静摩擦系数大于动摩擦系数2 分子机械理
9、论分子机械理论 该理论认为，在摩擦过程中，两个相互接触的物体表面上的凹凸峰间的机械咬合以及表面分子之间的吸引是阻碍两个物体相对运动的主要原因。3 简单粘着理论简单粘着理论 两个接触的表面在接触时，只有少数的高峰接触，实际接触面积少，接触压力大，产生塑性变形，由于压力的作用，接触区增大，直至接触趋于面积足以承载外载荷为止。此模型忽略了剪切作用，接触表面的氧化膜，油膜影响。后来修正的粘着理论加入了忽略的两个因数。2022-4-239 摩擦4 综合理论综合理论 运动过程中的摩擦阻力来自于三个方面：表面微凸体变形产生的摩擦系数，刻槽产生的摩擦系数，粘着摩擦产生的摩擦系数。该理论较之前更能描述摩擦的真正
10、机理。影响摩擦力大小的因数影响摩擦力大小的因数：相互作用的来那个物体的正压力，表面粗糙度，运动副材料，表面氧化膜和污染膜的分布厚薄以及化学性质，表面间的剪切力。摩擦的运用摩擦的运用钻木取火，离合器，车轮，走路，关节摩擦损害摩擦损害使结构功能失效：磨料磨损，粘着磨损，接触疲劳磨损，腐蚀磨损。消耗能源：摩擦生热，热应力，消耗机油，降低粘性。限制轴承的发展，影响重负荷，高转速下的承载能力。磨损缸套，活塞，轴承，曲轴，连杆，气门体。2022-4-2310 摩擦库仑力剪切力2022-4-2311 摩擦根据爱泼鲁的建议，可以把发动机总的摩擦功分为三部分：（1）由于活塞，活塞环，的运动，活塞销，连杆轴承，主
11、轴承的运动而产生的。（2）由于传动辅助装置引起的，包括气门机构。（3）由于运动部件的启动和液动效应引起的摩擦功损失。包括活塞下部的泵气效应，连杆曲轴引起的扇风损失和机油飞溅损失。摩擦功的测定方法：摩擦功的测定方法：施工图法，惯性法，倒拖法，断缸法，油耗线法。一个循环下发动机摩擦力的变化2022-4-2312 摩擦活塞摩擦受力分析，缸套磨损情况运动件摩擦力随着转速的变化而变化的过程。活塞环部油膜厚度的测量：电容法。润滑油泵对内燃机功率有显著影响，特别是在部分负荷时影响较大。目前正研究可供实际使用，功率可变的润滑油泵。磨损：粘着磨损，磨粒磨损，疲劳磨损，腐蚀磨损，微动磨损。凸轮和挺柱的磨损：在很高
12、的接触压力下工作，压力高达1200-1700MPa，活动速度：27m/s。形成光亮的摩擦面。2022-4-2313 润滑Mixed lubrication theory Mixed lubrication, also called partial lubrication, is an important lubrication regime in internal combustion engines.elastohydrodynamic lubrication 和 metal-to-metal contact在混合润滑机制下都发生。Many engine components operate
13、 in mixed lubrication, for example the piston rings and the cams. The engine bearings 也运行在 mixed lubrication under severe instantaneous loading2022-4-2314 摩擦 损耗损耗1.世界工业部门的1/3-1/2的能源以摩擦的形势消耗，磨损失效占机械零件失效的60%-80%。2.近年来，机械磨损给工业国家带来的经济损失更加严重，可达国民生产总值的2%8%。润滑是降低摩擦，减少磨损最有效的措施。3.1999年美国能源部针对交通运输中的摩擦损失调查显示：减
14、少摩擦和磨损每年可节省1200亿美元，重型车每年损失约16亿桶柴油。4.一辆乘用车其摩擦损失可达到33%。干摩擦干摩擦：接触表面无任何保护膜，金属直接接触。摩擦阻力最大，磨损最严重。边界摩擦边界摩擦：两摩擦面被吸附在表面的边界膜隔开，摩擦性质取决于边界膜和表面吸附性能。2022-4-2315 润滑film thickness to roughness ratio2022-4-2316 润滑某大型船用柴油机的在某一循环下轴心轨迹图2022-4-2317润滑油性质Lubricant properties and impact on engine friction.Lubricant oil 作用是
15、减摩和承载, 冷切，带走杂质和颗粒物。Lubricant oil additives：减摩（friction modifirs）, 粘性改进剂（viscosity index improvers (VI)）, 极压抗磨剂（anti-wear agents）, 清净剂（detergents）, 防锈剂（anti-rust agents）, 氧化抑制剂（oxidation inhibitors）, and 抗泡剂（antifoam agents）.2022-4-2318 润滑基本原理剪切流压力流圆柱间隙流动油楔效应偏心圆柱环形流动偏心存在使得通过圆柱间隙的流量加大，有利于轴承的润滑。油楔效应：使得
16、油膜的承载能力提升。通过动力计算得出轴心轨迹图，在最大载荷下根据雷诺方程计算最小油膜厚度。2231cevvqq2022-4-2319 润滑研究路线通用汽车公司。开端开端随着系统科学在工程领域的广泛应用， 70 年代德国工程师从润滑系统的角度出发，建立了润滑系统模型，并借助计算机进行大量的优化计算，发展（ GM）开发的一种往复式发动机摩擦与润滑分析综合软件包 FLARE，法国 IMAGINE 公司开发的 AMESim 软件2和英国 FLOWMASTER 公司开发的 FLOWMASTER 2软件是机械液压方面比较成熟的商用软件，用其可以进行润滑系统的建模并仿真。学习国内一些研发公司在合作过程中也逐
17、渐了解了国外一些著名公司如德国的奔驰公司、 FEV 公司、 奥地利 AVL 公司、英国 RICARDO 公司、美国西南研究所等关于润滑系统设计的新理念、新方法和新技术.国内以左正兴教授为首的北京理工大学和以毕小平教授为首的装甲兵工程学院都对发动机的润滑系统进行了大量研究并取得了一定成果。北理工和国防科工委合作开发研究了相应的软件DELSAS.计算参数借助软件可以精确求解出系统内任意给定的压力场，流量场等特性。2022-4-2320 发动机润滑目前，通行的是经验设计法经验设计法和系统网系统网络模拟分析方法络模拟分析方法。利用现有的设计方法和仿真手段建立系统网络分析模型，对润滑系统的压力场、流量场
18、、温度压力场、流量场、温度场等流场场等流场特性进行分析，对相应压力、压力、流量、温度流量、温度等条件下的各摩擦表面进行性能研究，以此作为判断的依据。通过对所建模型流场特性的综合计算，可进行油压分布油压分布分析、轴承油膜分析、轴心分析、轴承油膜分析、轴心轨迹分析轨迹分析等，同时得到主油主油道和各个零部件的压力场分道和各个零部件的压力场分布布。局部的部件仿真时，压压力场分析又分为油路力场分析又分为油路沿程损沿程损失失计算分析计算分析、机油滤清器流、机油滤清器流阻阻计算分析计算分析、曲轴轴承计算、曲轴轴承计算分析和活塞喷口计算分析分析和活塞喷口计算分析等2022-4-2321 润滑通过模拟网络管道，
19、计算润滑油的管压损失润滑油的管压损失，从而验算出它在关键供油部位的供油部位的油压，油压， 判断是否满足内燃机的正常运转要求判断是否满足内燃机的正常运转要求。轴承轴承 采用独立的模块进行研究。( N-S方程 )、连续方程以及发动机结构特征得到的雷诺方程, 根据发动机运动及热力过程状况对方程参数进行一定简化, 应用数值计算方法进行求解。 具体包括: 润滑油膜特性分析润滑油膜特性分析; 轴心轨迹分析轴心轨迹分析; 轴承润滑分析与润滑系统总体仿真的轴承润滑分析与润滑系统总体仿真的接口。根据计算得到的最小油膜厚度和油压判断设计的准则。接口。根据计算得到的最小油膜厚度和油压判断设计的准则。主油道等管道主油
20、道等管道计算沿程阻力损失，在特征界面计算出口压力，尽量减少油泵的输出功。增加对外输出功。由于建立发动机所有摩擦副的数学模型比较困难，因此一般只计算连杆大头轴承润滑，保证此处的润滑，其他部件也能满足要求。另外活塞占据发动机的大部分摩擦功，此处建立模型有利于实现精切计算。2022-4-2322结论摩擦属于发动机的性能属性之一，摩擦涉及到发动机很多方面，影响到发动机的可靠性，经济性，耐久性，舒适性等因数。系统工程师和零部件工程师侧重点不同。系统工程师在所有零部件的机理模型，性能基础之上，优化设计发动机。而零部件工程师则侧重于单个问题的精确解，透彻的研究问题。润滑是解决摩擦的最优先方法。发动机各零部件
21、运动特征不一致，需要建立不同的润滑条件。活塞环摩擦占据发动机总体摩擦的大部分。深入研究活塞结构，配缸间隙，油膜厚度，椭圆度等因数对摩擦功的影响。发动机是一系统工程，摩擦与润滑与整机性能息息相关。系统层次和子部件层次上各部分的优化设计是矛与盾的关系。需要建立科学的系统理论。2022-4-2323参考文献1 李亚静 汽车发动机润滑研究J，设计与研究,2008,3(28).2 陈光辉，窦连贵.发动机润滑系统仿真软件开发J.小型内燃机与摩托车,2006,35(2).3 王震华 计入润滑油粘度效应和表面形貌的倾斜轴承润滑分析J.轴承，2006,124 周龙保 内燃机学M,机械工业出版社5 汪志诚 滚动摩擦机理和滚动摩擦因数J,上海机械学院学报,1993,15(4)6温诗铸. 摩擦学原理M. 北京 : 清华大学 出版社 , 19907 王宗英 吴玉厚 石维佳 混合型轴承摩擦机理的研究J,润滑与密封 1997.52022-4-2324谢谢关注谢谢关注
