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[摘 要]活塞是内燃机最重要的摩擦副之一，能够影响内燃机的可靠性及机械功率。基于此，本文阐述了内燃机活塞裙部表面设计，同时提出了高强化内燃机活塞的摩擦磨损设计的应用实验，包括活塞的加工和检验技术、活塞摩擦磨损设计可靠性实验等内容。通过研究以上高强化内燃机活塞的摩擦磨损设计内容，来为设计人员提供一些参考。
[关键词]高强化内燃机活塞；摩擦磨损设计；轮廓标准偏差
中图分类号：TK403 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）23-0082-01
引言
随着内燃机工作效率的提高，活塞的磨损程度也不断增加，需要设计出符合更高磨损要求的活塞，来强化内燃机的工作效率，确保机械的工作效率。因此，通过合理的设计，提升活塞的混合润滑性能，降低活塞的热变形，对于提升机械的效能具有重要的价值。
1 活塞裙部表面摩擦磨损设计
1.1 活塞裙部表面参数
活塞的摩擦表面是由不同形状的微观轮廓组成，设计方法会导致轮廓呈现不同的特性，这些特性会对活塞的摩擦磨损功能具有重要的影响。
（1）高斯分布。在设计过程中，很多数据表示，活塞裙部参数的变化规律更加接近于“高斯分布”：
在这个公式中，代表着均方根偏差。将高斯分布范围设定为（），均方根偏差的取值范围为0.682-0.999。以均方根偏差的极限值为例，产生的最大误差可以忽略不计。按照概率密度函数的特性，这种形态可以使用二阶矩来表达概率密度函数的偏差。偏差反映了概率密度函数所具有的对称关系，而峰值的波动反映出了密度函数的最值变化。按照高斯分布的数据来看，对称关系>0，最值变化范围为1-3[1]。
（2）平均表征参数。在设计过程中，活塞外表的轮廓仍旧是以中心线为“x”轴，长度为“L”轴，轮廓的高为z（x），密度函数基于“R”平均最值为：
在我国有相关规定中，元件表面的粗糙等级数据分为N1-N8级别，对应的粗糙系数分别为0.025、0.05、0.1、0.2、0.4、0.8、1.6、3.2。基于高斯分布的特征，一些活塞裙部表面的轮廓的高度具有最值，因此，很多摩擦学应用中，中心线以上的最高峰值是一个非常重要的参数，摩擦损伤有可能集中于表面的最高值上，而最低值会影响润滑的流动性。
1.2 活塞裙部表面參数对混合润滑特性的影响
（1）粗糙表面对于润滑的影响。在压缩过程中，止点附近和排气冲程点的附近，微小的凸起接触对于流体的润滑具有一定的影响性，会导致最大油膜压力不断降低。当油膜的压力降低时，粗糙表面与空气发生接触，使得阻止油膜进一步减少，导致摩擦力损失。
（2）轮廓标准偏差的影响。增大活塞的表面粗糙度，能够增加油膜厚度，减少接触应力，但是过大的粗糙表面会影响流体摩擦系数，是因为表面粗糙程度过大，会严重影响润滑的流动效果。这种效果会进一步增加流体的承压能力，减少摩擦的凸体接触面积，因此，在设计活塞表面的摩擦系数时，要确保粗糙度准确。
2 高强化内燃机活塞设计摩擦磨损应用
2.1 活塞加工与检测
活塞加工面积较小，要准确把握活塞的型面，因此，活塞型面的检测和加工方法显现的尤为重要。
（1）精密机械加工。第一，活塞仿形车削工艺。这种工艺主要是利用专业的车床，按照纵向、椭圆等平面模型来实现外圆面切。其中，纵向面切可以使活塞实现纵向中凸加工，而椭圆则能实现横向椭圆的加工。仿形车削加工技术对车床的依赖小，技术过程简单，但误差较大，很多误差超过标准的要求，并且只能加工一次椭圆，通用效果差；第二，数控车床加工。数控车床加工是一种新的技术，主要是依照主轴角位，来控制刀具的运行，实现凸变椭圆加工。工作原理是：将活塞的横截面积变化的数据输入进程序中，将数据转换为自动控制模型，形成的数据叫做“软靠模”，然后由计算机来全程监控“软靠模”技术，刀尖的运动会和计算机数据保持一致，能够确保活塞型面加工的精准性。
（2）质量检测。可以使用中凸曲线量仪及电感测试仪，配合计算机技术，来分析和测量数据，能够得出全面的活塞设计数据。测量仪在工作中，主要采用双侧头单传感器的浮动来分析椭圆度。在测量的时候，两侧的滑头会在弹簧的运动轨迹下，一直接触工件，检测出的数据具有可靠性。
2.2 可靠性实验
整个实验是依托高强化内燃机、温度传感器、压力测试仪等实验用具，来完成同步转速、功率、机油温度和压力测试。其中，数据分析仪器采用的是专业的内燃机数控试验系统，检测系统进行联网，来满足不同实验的需求。同时，该系统使用上下机位结构，具有非常强的拓展能力，计算机方面，使用的是数字控制技术，来实现内燃机数据监测的准确性。
2.3 实验结果分析
（1）活塞异常磨损及原因。活塞出现异常磨损后，要仔细观察，如果确定是型面原因，需要进行局部调整和运算；如果内燃机气缸和活塞接触部分出现问题，过高的接触应力会影响润滑效果，出现干摩擦问题，导致活塞出现磨损。
（2）将活塞的裙部型面，按照本文中的方法进行优化，能够确保其不与缸套发生接触。导致活塞出现异常的原因有很多，大多数是源于活塞和气缸之间缺乏配套，引起润滑油膜的损坏，主要的原因如下：第一，结构设计不合理，导致活塞在工作中出现热变形或机械变形；第二，活塞的密封性差，导致油气渗出，稀释油膜；第三，气缸的密封性差，密封垫不合适；第四，活塞的材料热处理不当，引起活塞热膨胀数变大。
（3）实验结果：活塞头部没有发生磨损痕迹，裙部中凸点上端没有明显的痕迹；裙部底部有明显的擦伤痕迹，底部的推力有磨亮的痕迹。由此可以看出，使用活塞型面设计，能够提升高活塞的质量，确保内燃机的可靠性运行[2]。
结论
综上所述，合理设计高强化内燃机活塞能够保证机械的工作效率。在此基础上，增大活塞的表面粗糙度，能够增油膜厚度，减少接触应力；同时，将体力靠模安装在车床的主轴上，在车床的另一端放上需要加工的活塞，通过接触移动，能够实现椭圆型面的加工。因此，通过表面设计、混合润滑能够降低高强化内燃机活塞的摩擦磨损现象。
参考文献
[1] 邓立君.内燃机活塞内冷油腔内两相流的流动与换热机理研究[D].山东大学，2017.
[2] 杨振宇.高强化内燃机活塞的摩擦磨损设计[D].北京理工大学，2014.
[关键词]高强化内燃机活塞；摩擦磨损设计；轮廓标准偏差
中图分类号：TK403 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）23-0082-01
引言
随着内燃机工作效率的提高，活塞的磨损程度也不断增加，需要设计出符合更高磨损要求的活塞，来强化内燃机的工作效率，确保机械的工作效率。因此，通过合理的设计，提升活塞的混合润滑性能，降低活塞的热变形，对于提升机械的效能具有重要的价值。
1 活塞裙部表面摩擦磨损设计
1.1 活塞裙部表面参数
活塞的摩擦表面是由不同形状的微观轮廓组成，设计方法会导致轮廓呈现不同的特性，这些特性会对活塞的摩擦磨损功能具有重要的影响。
（1）高斯分布。在设计过程中，很多数据表示，活塞裙部参数的变化规律更加接近于“高斯分布”：
在这个公式中，代表着均方根偏差。将高斯分布范围设定为（），均方根偏差的取值范围为0.682-0.999。以均方根偏差的极限值为例，产生的最大误差可以忽略不计。按照概率密度函数的特性，这种形态可以使用二阶矩来表达概率密度函数的偏差。偏差反映了概率密度函数所具有的对称关系，而峰值的波动反映出了密度函数的最值变化。按照高斯分布的数据来看，对称关系>0，最值变化范围为1-3[1]。
（2）平均表征参数。在设计过程中，活塞外表的轮廓仍旧是以中心线为“x”轴，长度为“L”轴，轮廓的高为z（x），密度函数基于“R”平均最值为：
在我国有相关规定中，元件表面的粗糙等级数据分为N1-N8级别，对应的粗糙系数分别为0.025、0.05、0.1、0.2、0.4、0.8、1.6、3.2。基于高斯分布的特征，一些活塞裙部表面的轮廓的高度具有最值，因此，很多摩擦学应用中，中心线以上的最高峰值是一个非常重要的参数，摩擦损伤有可能集中于表面的最高值上，而最低值会影响润滑的流动性。
1.2 活塞裙部表面參数对混合润滑特性的影响
（1）粗糙表面对于润滑的影响。在压缩过程中，止点附近和排气冲程点的附近，微小的凸起接触对于流体的润滑具有一定的影响性，会导致最大油膜压力不断降低。当油膜的压力降低时，粗糙表面与空气发生接触，使得阻止油膜进一步减少，导致摩擦力损失。
（2）轮廓标准偏差的影响。增大活塞的表面粗糙度，能够增加油膜厚度，减少接触应力，但是过大的粗糙表面会影响流体摩擦系数，是因为表面粗糙程度过大，会严重影响润滑的流动效果。这种效果会进一步增加流体的承压能力，减少摩擦的凸体接触面积，因此，在设计活塞表面的摩擦系数时，要确保粗糙度准确。
2 高强化内燃机活塞设计摩擦磨损应用
2.1 活塞加工与检测
活塞加工面积较小，要准确把握活塞的型面，因此，活塞型面的检测和加工方法显现的尤为重要。
（1）精密机械加工。第一，活塞仿形车削工艺。这种工艺主要是利用专业的车床，按照纵向、椭圆等平面模型来实现外圆面切。其中，纵向面切可以使活塞实现纵向中凸加工，而椭圆则能实现横向椭圆的加工。仿形车削加工技术对车床的依赖小，技术过程简单，但误差较大，很多误差超过标准的要求，并且只能加工一次椭圆，通用效果差；第二，数控车床加工。数控车床加工是一种新的技术，主要是依照主轴角位，来控制刀具的运行，实现凸变椭圆加工。工作原理是：将活塞的横截面积变化的数据输入进程序中，将数据转换为自动控制模型，形成的数据叫做“软靠模”，然后由计算机来全程监控“软靠模”技术，刀尖的运动会和计算机数据保持一致，能够确保活塞型面加工的精准性。
（2）质量检测。可以使用中凸曲线量仪及电感测试仪，配合计算机技术，来分析和测量数据，能够得出全面的活塞设计数据。测量仪在工作中，主要采用双侧头单传感器的浮动来分析椭圆度。在测量的时候，两侧的滑头会在弹簧的运动轨迹下，一直接触工件，检测出的数据具有可靠性。
2.2 可靠性实验
整个实验是依托高强化内燃机、温度传感器、压力测试仪等实验用具，来完成同步转速、功率、机油温度和压力测试。其中，数据分析仪器采用的是专业的内燃机数控试验系统，检测系统进行联网，来满足不同实验的需求。同时，该系统使用上下机位结构，具有非常强的拓展能力，计算机方面，使用的是数字控制技术，来实现内燃机数据监测的准确性。
2.3 实验结果分析
（1）活塞异常磨损及原因。活塞出现异常磨损后，要仔细观察，如果确定是型面原因，需要进行局部调整和运算；如果内燃机气缸和活塞接触部分出现问题，过高的接触应力会影响润滑效果，出现干摩擦问题，导致活塞出现磨损。
（2）将活塞的裙部型面，按照本文中的方法进行优化，能够确保其不与缸套发生接触。导致活塞出现异常的原因有很多，大多数是源于活塞和气缸之间缺乏配套，引起润滑油膜的损坏，主要的原因如下：第一，结构设计不合理，导致活塞在工作中出现热变形或机械变形；第二，活塞的密封性差，导致油气渗出，稀释油膜；第三，气缸的密封性差，密封垫不合适；第四，活塞的材料热处理不当，引起活塞热膨胀数变大。
（3）实验结果：活塞头部没有发生磨损痕迹，裙部中凸点上端没有明显的痕迹；裙部底部有明显的擦伤痕迹，底部的推力有磨亮的痕迹。由此可以看出，使用活塞型面设计，能够提升高活塞的质量，确保内燃机的可靠性运行[2]。
结论
综上所述，合理设计高强化内燃机活塞能够保证机械的工作效率。在此基础上，增大活塞的表面粗糙度，能够增油膜厚度，减少接触应力；同时，将体力靠模安装在车床的主轴上，在车床的另一端放上需要加工的活塞，通过接触移动，能够实现椭圆型面的加工。因此，通过表面设计、混合润滑能够降低高强化内燃机活塞的摩擦磨损现象。
参考文献
[1] 邓立君.内燃机活塞内冷油腔内两相流的流动与换热机理研究[D].山东大学，2017.
[2] 杨振宇.高强化内燃机活塞的摩擦磨损设计[D].北京理工大学，2014.