在当前和未来一段时间内,内燃机仍然是乘用车、商用车和船舶的主要动力装置。随着发动机燃油经济性要求的提高,以及发动机朝着紧凑化、轻量化及高功率密度水平方向的方展,内燃机关键摩擦副的低摩擦和可靠性设计成为人们关注的重点。活塞-缸套系统作为内燃机的核心摩擦副,在整机摩擦损失中的占比最大,同时也因为拉缸、咬合等原因成为决定内燃机可靠性与寿命的关键。深刻理解活塞-缸套系统中的摩擦动力学现象,建立其摩擦学性能的预测模型,对于该系统设计水平的提高具有重要理论和现实意义。然而,在此前的活塞-缸套系统摩擦预测模型研究中,大都只针对单一的摩擦副,没有考虑多个摩擦副的耦合效应;另一方面,由于内燃机工况条件的限制,很难通过实验手段对活塞-缸套系统的摩擦性能进行测量与评估,从而影响了对该系统的深入理解和判断。为此,本文将针对这两个问题展开研究。首先在活塞-连杆-曲轴多体动力学系统的框架下构建了活塞-缸套系统、全浮式活塞销轴承以及二者集成的混合润滑与动力学耦合分析模型,进行了摩擦学与动力学预测分析。然后基于瞬时IMEP法及无线遥测技术开发了活塞组-缸套系统摩擦力测量技术,完成了倒拖工况下的工程实施,并与上述预测模型进行了对比与验证。通过本文的理论分析和试验技术研究,将为内燃机活塞-缸套系统的低摩擦学设计提供更好的支持。总体而言,全文的主要内容如下:(1)考虑摩擦副的流体润滑、固体接触和系统动力学之间的耦合,开发了适用于含活塞销轴承的活塞-缸套系统摩擦性能预测的多体动力学建模方法及高效计算框架。本文中,机械系统的动力学模型利用Lagrange法多体动力学理论建立,摩擦副的混合润滑模型基于平均Reynolds方程构建,并且考虑了润滑油流变属性和表面粗糙度的影响。考虑润滑方程后,多体动力学方程转变为非线性刚性常微分方程组。本研究采用基于线性隐式多步法的高阶A稳定MEBDF积分算法对多体动力学运动方程进行时间积分,大幅度提高了整体计算效率。(2)通过耦合活塞裙部-缸套混合润滑模型与活塞-连杆-曲柄多体动力学模型建立了活塞的润滑与动力学分析模型,从活塞裙表面结构参数和工况条件两方面对活塞-缸套系统的润滑机理及二阶动力学特性进行了系统性研究。首先,采用该高效模型对活塞裙表面普遍存在的加工微凹槽进行了确定性分析,揭示了配缸间隙与微凹槽对流体润滑的影响机制。分析了加工微凹槽的深度,密度及形状参数对活塞润滑性能及二阶动力学特性的影响。然后,对冷、热启动下的活塞的摩擦动力学特性进行了研究。通过分析第一次燃烧上止点附近活塞运动姿态及润滑状态,提出了基于活塞热变形补偿的型线优化方案。(3)为考虑活塞销轴承对活塞-缸套系统的摩擦学性能影响,建立了全浮式活塞销轴承润滑与动力学分析模型及活塞销磨损模型,并将其与活塞-缸套系统混合润滑模型集成,进一步构建了包含活塞销轴承的活塞-缸套系统多摩擦副耦合分析模型。通过与半浮式活塞销轴承进行对比分析,揭示了全浮式活塞销轴承的减摩抗磨机理。对多摩擦副耦合及设计参数影响进行了分析与研究,分别分析了活塞销轴承间隙及活塞销偏置对活塞-缸套系统摩擦学与动力学性能的影响。(4)基于瞬时IMEP法及无线遥测技术开发了活塞组-缸套系统的摩擦力测量方法和技术。该方法通过测量缸压、连杆力和曲轴转角信号间接获得活塞组缸套的摩擦力,具有改造成本低和适用性广的优点,其关键在于如何可靠和高精度地获得连杆力。本文采用无线遥测方法对连杆力进行了测量,并在开发过程中解决了多通道数据采样触发同步性、无线数据传输、电源供电等诸多难题。经过将连杆力和摩擦力测量结果与上述活塞-缸套系统摩擦性能预测模型的计算结果相对比,发现两者很接近。这表明本测量方法具有较高的可靠性,开发的模型具有较高的预测精度。能够为活塞组-缸套系统的低摩擦技术开发与设计提供有效的预测分析及测量评估手段。