Piston friction is one of the important but complicated sources of energy loss of a hydraulic axial piston machine. In this paper, two formulas are derived for estimating instantaneous piston friction force and average piston friction moment loss. The derived formula can be applicable for piston guides with or without bushing as well as for axial piston machines of motoring and pumping operations. Through the formula derivation, a typical curve shape of friction force found from several experimental measurements during one revolution of a machine is clearly explained in this paper that it is mainly due to the equivalent friction coefficient dependent on its angular position. Stribeck curve effect can easily be incorporated into the formula by replacing outer and inner friction coefficients at both edges of a piston with the coefficient given by Manring (1999) considering mixed/boundary lubrication effects. Novel feature of the derived formula is that it is represented only by physical dimensions of a machine, hence it allows to estimate the piston friction force and loss moment of a machine without hardworking experimental test.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.12
no.11
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pp.904-913
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2002
In this study, a dynamic analysis of the reciprocating compression mechanism considering viscous friction force of a piston used in small refrigeration compressors is performed. The length of cylinder in this class of compressors is shortening to diminish the frictional losses of the piston-cylinder system. So, the contacting length between piston and cylinder liner is in variable with the rotating crank angle around the BDC of the reciprocating piston. In the problem formulation of the compression mechanism dynamics, the change in bearing length of the piston and all corresponding viscous forces and moments are considered in order to determine the trajectories of piston and crankshaft. The piston orbits for viscous friction model and Coulomb friction model were used to compare the effect of the friction forces of piston on the dynamic trajectories of piston. To investigate the effect of friction force acting on the piston for the dynamic characteristics of crankshaft, comparison of the crankshaft loci is given in both viscous model and Coulomb model. Results show that the viscous friction force of piston must be considered in calculating for the accurate dynamic characteristics of the reciprocating compression mechanism.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.3
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pp.349-356
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2003
The aim of this paper is to investigate the friction characteristics of piston assembly. The friction of piston assembly is composed of ring pack and skirt friction. In this paper, the theoretical models of piston ring pack and piston skirt were presented. The mixed lubrication theory was considered to calculate friction force of piston ring and skirt. from the results, most of friction in piston assembly occurred at the piston ring park. The piston assembly usually showed hydrodynamic lubrication characteristics. but the top and bottom dead centers showed mixed lubrication characteristics. The piston skirt was much affected by radial clearance and load, but ring was significantly influenced by ring tension.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.7
no.6
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pp.115-122
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1999
A friction tester to measure friction force generated at the interface between the piston ring and the cylinder liner was developed. Modified piston ring is bar-shaped and 100mm long. Surface of the modified piston ring is machined by the profile grinding machine to be formed as a shape of an arc of a circle. Measured data are treated as mean effective friction force and power loss. From this test it can be confirmed that friction force is deeply affected by surface shape of the piston ring and viscosity of supplied oil. Friction force is deeply affected by surface shape of the piston ring and viscosity of supplied oil. Friction force is decreased and power loss is increased with increasing velocity. And it is known that region of mixed lubrication is broader than estimated with theoretical analysis. it is expected that this tester can be used as the optimization tool of the surface shape of the piston ring at the first stage of development of the piston rings.
Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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2002.10b
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pp.411-412
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2002
Piston-cylinder system are widely used in power engineering applications. In reciprocating refrigeration compressors, where extremely low friction losses are required, ringless pistons are being used to diminish the friction between piston rings and cylinder wall. Since the ringless piston has the freedom of lateral motion there is a potential danger that it will occasionally hit the cylinder wall while moving up and down along it's axis. A good design must therefore provide a smooth and stable reciprocating motion of the piston and ensure that the fluid film separating the piston from the cylinder wall is maintained all times. And the compromise between refrigerant gas leakage through the piston-cylinder clearance and the friction losses is required utilizing a dynamic analysis of the secondary motion for the high efficiency compressor. To this end, the computer program is developed for calculating the entire piston trajectory and the lubrication characteristics as functions of crank angle under compressor running conditions. The results explored the effects of some design parameters and operating conditions on the stability of the piston, the oil leakage, and friction losses.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.1
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pp.88-93
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2003
The aim of this paper is to investigate the friction characteristics of piston assembly, which composed of ring pack and piston skirt. The friction force of piston assembly was measured by using the movable liner in the single cylinder engine, and the various parameters were tested. The friction force was suddenly increased at the expansion stroke due to higher cylinder pressure. The viscous friction was dominant at the mid stroke, but the boundary friction was dominant at the top and bottom dead centers. Through the experiment, we could validate previous theoretical study, and confirm that th e radial clearance and ring tension were very effective to reduce friction loss of piston assembly.
Journal of the korean Society of Automotive Engineers
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v.5
no.1
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pp.45-53
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1983
There exist many kinds of frictions in internal combustion engine such as piston ring and skirt, cam and tappet, bearing friction etc. Among them, the frictions between piston ring, skirt and cylinder are particular. These frictions for motoring test are differ from that of firing test even though the temperature of cooling water and lubricating oil keep identically. The frictions for firing test are increased due to combustion pressure and products. The precise calculation of the friction is difficult. But we can assume that the friction is governed by the viscosity of lubricating oil and gas pressure of cylinder. And the viscosity of lubricating oil is dependant on gas temperature of cylinder, so the piston friction may be governed by gas pressure and temperature of cylinder. In this treatise, we propose the method of evaluating piston friction under the condition of constant engine speed, and we analyzed the behaviours and influence of factors concerned with the piston friction for output correction when the inlet pressure and temperature were varied. The main results are as follows: 1) The behaviours on the inlet conditions for the contact force of the piston rings and the viscosity of the lubricating oil concerned with piston friction are found. 2) The essential point the these behaviours is dependant on the cyclic variation following to the inlet conditions. 3) According to our analysis, It was observed that the viscosity of lubricating oil is more effective than the contact force to the piston rings.
A piston assembly is very important because it directly receives the energy generated during combustion process. Surely, the friction and lubrication of piston-ring pack do an important role in the performance and fuel economy of an engine. In fact, the friction loss in piston-ring pack is the biggest portion to the whole engine friction. Therefore, the improvement of lubrication quality and friction loss in piston-ring pack will be directly related with the improvement in the performance and fuel economy of an engine. Meanwhile, the oil consumption and blow-by gas through piston-cylinder-ring crevices have to be controlled as less as possible. In these two aspects, the study on the optimized design of piston-ring pack has to be carried out. In this study, for the efficient design of piston-ring pack, it is focused to develop a basic computer program that predicts the inter-ring pressure, the motion of ring and the blow-by gas through a crevice volume model between adjacent rings, and the oil film thickness and the friction computed by lubrication theories.
The pressure distribution between the piston pad and the cylinder wall is analyzed to reduce the friction and to get the dynamic stability in the low friction piston. The calculated results indicate that the rectangular pad may reduce the friction in comparison to the square one. And the low friction piston can be stabilized when the pressure difference between the top and bottom of the piston skirt is very small.
Present study was undertaken to investigate the leakage and friction of self-lubricating piston seal rings. A crank-piston type gas leakage test set-up was constructed. The piston rings were made of PTFE-polyimide composite. The free gap configurations of the seal rings were butt and step types. Eccentric tension rings were used to give the seal rings prepressure between the seal rings and cylinder wall. Two sizes of the tension rings were installed to investigate their effect on the gas leakage and friction of the seal rings. The results showed that step type seal rings are superior than the butt types. High tension spring rings resulted in low leakage and high friction loss. In order to reduce the gas leakage and friction loss of the piston seal rings, there should be compromise between the number of ring stages and prepressure of the tension rings.
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