活塞环-气缸套是柴油机中工况最恶劣的摩擦副,工作在高温高压条件下,以非稳态高速往复运动,润滑状态也大幅度变化。在柴油机总摩擦损失中,活塞环-气缸套摩擦副摩擦损失是相当重要的一部分,因此减小活塞环-气缸套摩擦损失可以提高柴油机的效率,降低燃料消耗和污染物的排放。润滑数值分析是研究和优化活塞环-气缸套润滑性能的重要手段,建立一个考虑空穴存在情况下的流体质量守恒和表面粗糙度,同时在计算量和收敛性上可行的瞬态雷诺方程,对于润滑数值分析和活塞环-气缸套摩擦副的优化具有重要意义。本文针对活塞环-气缸套摩擦副,推导得到基于JFO边界条件的瞬态均匀化雷诺方程,建立了基于JFO边界条件考虑粗糙度的活塞环-气缸套瞬态润滑模型,研究活塞环设计参数、润滑油粘度、表面粗糙度和活塞环表面织构参数及排布方式,对活塞环-气缸套摩擦副润滑的影响规律和机理。得到的主要结果如下:1.通过渐进均匀化分析,并引入局部粗糙度取向性假设,获得了基于JFO边界条件和粗糙度取向性的瞬态雷诺方程。该方程采用均匀化分析,相比于平均雷诺方程所采用的流量因子,不仅能更准确地考虑表面粗糙度的影响,并且可以采用JFO边界条件考虑存在空穴情况下的流体质量守恒,计算结果更符合实际。相比于原均匀化雷诺方程,该雷诺方程引入了局部粗糙度取向性假设,使得方程系数的计算方法,从求解偏微分方程组简化为求积分,计算量大大减小。2.以基于JFO边界条件和粗糙度取向性的瞬态雷诺方程为流体动压润滑控制方程,综合考虑了相应的流体摩擦力公式与表面粗糙度、润滑油粘度模型、缸套内表面轴向温度分布和表面微凸体接触模型,建立了基于JFO边界条件考虑粗糙度的活塞环-气缸套瞬态润滑模型。该模型可以兼顾考虑载荷、温度和相对运动速度不断变化的复杂工况、表面粗糙度以及存在空穴情况下的流体质量守恒,同时在收敛性和计算量上可行,为活塞环-气缸套的润滑分析和优化提供了有力的工具。计算得到的摩擦力变化曲线与试验测得的摩擦力变化曲线基本吻合,验证了上述模型的有效性。3.与平均雷诺方程模型相比,由于考虑了存在空穴情况下的流体质量守恒以及采用非统计性的表面粗糙度模型,本文建立的润滑模型的最小油膜厚度随曲轴转角的变化较为平缓。本文建立的润滑模型得到的压力分布中,等压线受到表面粗糙度的影响变为曲线,特别是在润滑油膜厚度较小的区域,最大油膜压力也稍大于平均雷诺方程模型。由于在本文建立的润滑模型中,考虑了存在空穴情况下的流体质量守恒,因此在活塞环桶面发散区的空穴区域面积比平均雷诺方程模型大。4.仿真研究结果表明,对于正桶面活塞环,当最小油膜厚度与织构深度比值较小时,收敛区织构的存在产生了一个局部的发散区和收敛区,因此在局部的发散区形成了一个低压区域,但在局部收敛区却没有产生一个足够大的高压区域,这导致了活塞环的桶面收敛区的高压区域被打断,导致润滑油膜的承载能力下降;发散区织构的存在产生了一个局部的发散区和收敛区,因此在局部的发散区形成了一个低压区域和一个高压区,在低压区域出现的空穴限制了低压的压力值,从而使得润滑油膜产生了一个额外的承载力。随着最小油膜厚度与织构深度的比值增大,收敛区织构对高压区域的打断作用变小,但由于收敛区织构增加了收敛区平均油膜厚度,增大了油楔效应,因此收敛区织构从降低润滑油膜承载力变为提高承载力;随着最小油膜厚度与织构深度的比值增大,发散区织构形成的局部低压区减小,产生的额外承载力变小,但由于发散区织构增加了发散区平均油膜厚度,使收敛区到发散区的压降减小,因此发散区织构从增加润滑油膜承载力变为降低承载力。