内燃机缸套-活塞环摩擦学研究回顾与展望

作者：西安交通大学 张家玺 高群钦 朱均

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 摘要：内燃机缸套-活塞环摩擦副是一个典型的摩擦学系统，其中含有多种类型的摩擦和磨损，润滑、摩擦、磨损的相互作用十分显著。其摩擦学性能对提高内燃机的可靠性和耐久性，保证内燃机经济、可靠地工作具有决定性的作用。其摩擦学问题的研究一直是人们关注的热点之一。 关键词：内燃机 缸套 活塞环 摩擦学研究 内燃机中缸套-活塞环摩擦副对内燃机工作性能(动力性、经济性以及稳定性等)和使用寿命有着举足轻重的影响。如何控制好这对摩擦副的摩擦学行为是人们魂系梦牵的事情。由于缸套-活塞环摩擦副的工作条件十分苛刻，经常处于高温、高压和高冲击负荷工作状态。为了解决好这对摩擦副的润滑和抗磨问题，国内外许多汽车工程技术人员，长期以来孜孜以求地投入了大量的研究工作，至今仍在探索。 1缸套-活塞环摩擦学理论研究概述 从缸套-活塞环研究的历史上看，早期对缸套-活塞环的摩擦学研究主要是求内燃机的摩擦功耗，自Stanton,T.E.1925年发表第一个摩擦力研究结果以来，人们围绕着缸套-活塞环的摩擦及润滑问题做了许多工作，Rogowki,A.R.指出活塞连杆系统的摩擦功耗可占到整个内燃机机械损失的75％，而缸套-活塞环的摩擦功耗又占活塞连杆系统的75％，Ricardo,H.的研究表明当内燃机以1600r/min转速运转时，活塞连杆系统的损失占机械损失的58％，并指出“对所有内燃机来说，活塞连杆系统的摩擦功耗是机械损耗的最大组成部分，但又是最难准确地定量描述的部分。”最早在点火内燃机上进行摩擦力测量的是美国麻省理工学院的学者们，他们通过研究得出了摩擦力随气体压力升高略有增加的结论。 Farobarros,A.T Dyson,A.研究了不同粘度润滑油对摩擦力的影响以及在混合润滑区内减摩添加剂的作用。Wakuri,Y.等人通过对摩擦力的测量和分析，指出贫油对摩擦力有巨大的影响，同时还探讨了环组中活塞环的数目对摩擦力的影响以及缸套-活塞环间油膜厚度随润滑油粘度的变化。 Furuhama,s.等人在缸套-活塞环摩擦学特性研究作出了巨大的贡献，他们于70年代末期研制的可动缸测量摩擦力装置，有效地克服了惯性力、气体压力等因素的影响，测得了在整个内燃机工作循环中的摩擦力变化过程，提出了内燃机载荷主要由流体润滑膜承担，而摩擦力主要受混合润滑区域影响的论断，这一点已被后来进一步的理论研究所证实。 Riches,M.F.等人侧重于混合润滑效应，从理论和实验两方面对缸套-活塞环间的摩擦力进行了研究，指出在低速及低粘条件下充分考虑混合润滑作用的重要性。活塞环的摩擦影响着内燃机的效率，而缸套-活塞环的磨损则影响着它们的使用寿命，近年来，对高性能内燃机提出要求之一就是延长不解体检测的运行时间。为此，减少缸套-活塞环的磨损就成了首要的任务。缸套-活塞环的磨损是非常复杂的，它受到许多因素的影响，同时其磨损又包含粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损等多种磨损形式。针对这种情况,Nealc,M.J.经过广泛调查，于1970年发表文章阐述了缸套-活塞环一般的磨损机理，提出了一些改善措施，指出了需要加强研究的问题。基于Archard,J.F.磨损定律，Ting,L.L.等人提出了一种分析缸套-活塞环磨损的模型，分别计算了缸套上推力面和次推力面的磨损，得出了缸套磨损曲线。国内的桂长林教授也提出了一种将Archard,J.F.模型用于机械零件磨损设计的算法，并重点分析了缸套-活塞环的磨损问题。该文指出了缸套-活塞环的磨损问题的研究成效不显著的原因，主要是在设计上没有建立起一个可以预测缸套-活塞环耐磨寿命的计算模型和计算方法。Baker,A.J.S.等人探讨了影响活塞环擦伤的动力学因素，提出了一种用无量纲临界功能法分析内燃机活塞环工况的方法，此外还探讨了载荷因素对缸套磨损的影响，并对磨损进行了测量。此外，孔凌嘉较全面地讨论了缸套-活塞环的磨损问题，并第一次把磨损和润滑放在一个模型中加以研究，并考察了它们之间的偶合关系，建立了一个同时考虑边界润滑条件下的磨损与三体磨粒磨损的综合分析模型，对磨粒尺寸、磨粒浓度对磨损的影响做了定量的计算。刘琨以内燃机活塞系统为研究对象，较系统地研究了缸套-活塞环、缸套-活塞裙部的摩擦学特性，为进行高性能的内燃机活塞系统设计提供了理论基础。桂长林等人从缸套的磨合、耐磨性、摩擦功耗和机油消耗诸方面对设计上需要确定的表面形貌进行了探讨，给出一些参数组合。缸套-活塞环间的磨损在上、下止(死)点处最大，尽管在冲程中部是流体润滑，但也是磨损存在，这就为磨损提出了新课题，促进人们进一步的研究。润滑是降低摩擦、减少磨损的重要途径，因此缸套-活塞环的润滑也是长期以来人们所致力研究的领域。 Castleman,R.A.假定在冲程中部具有典型的载荷和速度，最先对缸套-活塞环流体润滑进行了计算，证实了表面外凸的活塞环可以与缸套间产生足够厚的油膜。后来人们又发现，在分析和求解油膜厚度时，必须考虑挤压效应，这样才能在整个循环中求解。分析表明，活塞环的曲率半径是影响油膜形成的关键因素。在上、下止点处为了保证挤压效应，则活塞环应有较大的曲率半径，而在冲程中部为了保证动压效应，则希望曲率半径小。因此，设计时应综合考虑。在这个阶段，缸套-活塞环的润滑分析是采用简化了的Reynolds方程］。 这样就可完成缸套-活塞环在整个工作周期上的润滑计算。利用此方程除了可以获得油膜厚度和流体压力之外，还可进一步求出由于润滑剂的剪切引起的摩擦力。Dowson,D.等人于1979年把缸套-活塞环的研究推广到了环组，使研究进了一大步。这从理论上就导致了要考虑活塞环间的相互作用。很显然，前一个环会减少后一个环的供油，出现贫油现象。因此，在前后两环之间必须加一个流量连续条件，使得求出的油膜厚度也得到了修正。截止到七十年代末，人们在求解缸套-活塞环润滑时，都是在假定缸套-活塞环表面绝对光滑的前提下进行的，它揭示了活塞环表面轮廓对活塞环特性的重要影响，这是人们早期试图解释活塞环实际工作特性的一个重要方面。但是在研究中发现的一个显著问题就是解释不了由实验所观测到的上、下止点处出现的较大摩擦力，这就使得人们开始探讨表面粗糙的影响。进入八十年代以后，缸套-活塞环的润滑研究扩展到了混合润滑区域。Rohde,S.M.通过把Patir,N.和Cheng,H.S.提出的平均Reynolds方程与Greenwood,J.A.和Tripp,J.H.的微凸体接触模型结合起来，建立了关于缸套-活塞环的混合润滑模型。 通过该模型，可以更好地分析缸套-活塞环的润滑问题，考查表面粗糙度对缸套-活塞环的影响，解释了一些用光滑面流体润滑理论解释不了的问题，从理论上证明了上、下死点处的摩擦力最大。随后围绕混合润滑问题人们又做了许多工作，进一步确认了缸套-活塞环间的混合润滑区域的存在。 Hn,Y.Z.和Cheng,H.S.等人考虑了活塞环弹性变形的影响，提出了一个描述油膜特性不对称性的模型。在对缸套-活塞环润滑特性理论分析的同时，实验研究也取得了很大进展，反过来对理论研究又起到了一定的推动作用。实验研究缸套-活塞环润滑特性主要包含两个方面的工作：一是通过实验观察油膜厚度的存在；二是测定油膜厚度的循环变化律。观察油膜厚度存在上要采用电阻法，Poppinga,R.最先使用这种方法测量了油膜厚度，此后又有许多学者采用此方法在不同的内燃机上测量了油膜厚度。这种方法主要的发现是在上止点和下止点处油膜出现破裂，发生了固体接触。电阻法的主要原理是当缸套-活塞环间有油膜存在时，电阻值大，当发生金属间直接接触时，电阻值小。但这种方法反映不出油膜厚度在量值上随运转周期的循环变化。这样人们便提出了用电容法和电感法测量油膜厚度循环变化。Parker,D.A.等人分别把传感器安装在缸套上和活塞环上测量了油膜厚度。此外，Wing,R.D.和Saunder,O.A.二人也作了类似测量实验，他们所得的测量结果基本一致，油膜厚度在5～12μm之间。日本学者新启一郎采用一个缸套浮动的实验装置测量了油膜厚度，并探讨了温度的影响。Furuhma,S.等人，于1983年发表了在实际发动机上对顶环油膜厚度的测量结果，其实测值和理论值取得了一致。Moore,S.L.和Hamilton,G.M.二人在一台实际运行的发动机上同时测量了缸套-活塞间的油膜厚度和油膜压力，指出缸套-活塞环工作在贫油润滑状态。 2摩擦副材料的合理选配 正确选择摩擦副的材料是提高缸套-活塞环耐磨性的关键。根据不同的磨损类型来具体考虑不同的配合副材料，一般选用互溶性小的材料，以防止粘着磨损；选用高硬度材料以防止其磨料磨损。就缸套来说，出于缸壁承受高压气体和活塞的侧推力引起的应力，以及由于高温气体引起的热应力，要求缸套材料必须具有很高的结构强度和疲劳强度，否则会造成缸套变形或材料过早疲劳破坏。此外，还必须具有良好的摩擦学性能，例如，耐磨性和抗咬合性，但是在单一的材料中往往不具备所需上述各种性能。因此，在根据使用要求，选择合适的缸套材料时必须考虑力学性能与摩擦学性能之间的协调。缸套大多数用灰铸铁或奥氏体铸铁制成。为了提高缸套的力学强度，需要添加镍、铬、铜和钼等元素，以形成多相金属。为了改善耐磨性，相当普通的做法是至少添加0.39％(按重量计)的铬，而一般认为同时要加0.65％的钼。就活塞环来讲，国外通常选灰铸铁为母体，表层镀铬、钼或镍。随着燃烧室最高燃气压力、压力递升率和发动机转速的不断提高，需要用抗拉强度和疲劳强度高的材料。特别是顶环，因为它处于极为残酷的工况下工作。目前已研制了如球墨铸铁和碳化可锻铸铁之类的材料，一般认为碳化可锻铸铁是近期生产的车用内燃机中顶环的最合适材料。因为其强度足以经受内燃机各种工况，而且比球墨铸铁不易发生咬合，此外，球墨铸铁虽有很高的抗拉强度和疲劳强度，但其成本较高且耐磨性较差。国内车用内燃机的缸套-活塞环常用的材料，一般为合金铸铁材料，如解放CA6102型发动机和东风EQ6105型发动机的缸套材料分别为铌合金铸铁和球墨铸铁；活塞环材料则分别为可锻铸铁镀铬处理和球墨铸铁镀铬处理。 3引入流体动压润滑理论 缸套-活塞环工作条件恶劣，润滑条件差。为了减小磨损，国外一些内燃机设计制造厂家早在本世纪六十年代初期就有意识地引入流体动压润滑理论到内燃机的零部件设计中去。应用流体动压效应来改善发动机缸套-活塞环润滑条件，英国里卡多公司(Recardo)率先进行这方面的研究，六十年代末，该公司曾为美国福特汽车公司和日本丰田汽车公司，设计桶形环和活塞裙部纵向基线是鼓形的新型活塞环组结构。1975年该公司又为我国第二汽车制造厂生产的EQ6105型汽油机所作修改设计时，采用了这一结构，随后第一汽车制造厂生产的CA6102型汽油机也采用这一结构。该种设计思想是，使热膨胀变形后的活塞裙部外形与缸壁间形成某一恰当的油楔间隙，以获得最佳的润滑效果和活塞稳定导向的条件，从而改善活塞环的工作。同时，由于高速运动而产生流体动压效应，便摩擦副表面间油膜压力升高，从而达到使两摩擦面分开，降低其摩擦和减少磨损的目的。 4表面处理新工艺 表面处理工艺是改善缸套-活塞环摩擦副表面摩擦、磨损与润滑性能的有效方法。近20年来国内外在这领域进行了卓有成效的研究。大量的研究表明，材料表层和亚表层的显微结构与摩擦磨损特性之间有一定的关系，通过表面处理工艺往往能够获得满意的耐磨或减摩的表面层。 目前，表面处理工艺已得到广泛应用的方法有： (1)表面强化或表面硬化方法，如表面淬火、化学热处理(表面合金化、表面冶金)、电渡、喷涂、表面超硬覆盖、堆焊、电火花表面强化以及近年来采用的激光处理、电子束处理和离子注入等等。 (2)表面润化处理，如渗硫、磷化、氮化、氧化、表面软金属膜等。 (3)复合处理，如淬火和渗硫、渗碳淬火和渗硫、渗氮和渗硫、软氮化和渗硫、氮氧共渗、氮硫共渗以及镀铬与喷钼相结合等。 在汽车内燃机缸套-活塞环这对摩擦副上，国内外，通常采用的是镀铬和喷钼等表面处理工艺。长期从事研究活塞环擦伤问题的德国高茨公司(Goetzwerke)认为，90％的擦伤是在磨合运转过程中产生的。活塞环同缸壁接触不均匀局部地方接触应力很高，油膜遭受破坏均易发生擦伤。因此，该公司把防止气缸和活塞的热变形，注意加工精度作为必须采取的措施。同时，对活塞环表面进行镀铬并喷钼，其原因是钼的溶点为2450℃，要比铸铁(1200℃)和铬(1300℃)高很多；另一个原因是喷钼活塞环表面呈多孔性，含油性好，又容易磨合。 5合理选择缸套表面粗糙度 众所周知，在内燃机中，缸套表面粗糙度对耗油量影响很大，也是影响内燃机的抗咬合性、耐磨性和使用寿命的最重要因素之一。一般说来需要有光滑、无毛刺、均匀平稳的表面粗糙度。这样会形成良好的油膜分布，适于支承作往复运动的活塞和活塞环迅速磨合，改善抗咬合性和耐磨性。为了有利于储油，要求缸套珩纹成交角120，先用120～140目粒度嵌金刚石珩条粗珩，随之以含120目碳化硅的合成软木珩条(含28％细软木、60％SiC和12％松脂)精珩，以保证有均匀光滑的粗糙度峰顶. 6新型极压抗磨润滑剂的研制 随着现代内燃机强化系数的不断提高，其缸套-活塞环的工况日益恶劣。这使得配合副之间的润滑方式极为复杂，可能同时存在着边界润滑、流体动压润滑和混合润滑。尤其在内燃机的磨合期内，其配合副的实际接触面积仅为名义接触面积的0.01～1％，表面上微凸体之间的接触压力很高，摩擦过程中会产生局部高温可达1000℃以上。在这种情况下缸套-活塞环之间很容易出现粘着、熔焊、烧结、擦伤等损伤形式。随着这类问题的出现，国内外许多润滑油生产厂家纷纷相继研制出不同种类极压抗磨剂。极压抗磨剂(Extrcme Pressure Antiwear Additive)主要是含有活性元素S、C1和P的有机化合物。当摩擦面接触压力高时，两金属表面的凹凸点上啮合，产生局部高压、高温，此时极压抗磨剂中的活性元素与金属发生化学反应，形成剪切强度很低的固体保护膜，把两金属表面隔开，从而防止金属磨损和烧结。一般而言，含磷添加剂在负荷较小的条件下有明显的抗磨性；含硫或氯的添加剂在高负荷、高温条件下可有效防止烧结和磨损。 7展望 综上所述，内燃机缸套-活塞环摩擦学的研究，主要集中在摩擦学理论和工程应用二个方面。Ratir,N.和Cheng,H.S.提出的平均Reynolds方程与Greenwood,J.A.和Tripp,J.H.建立的微凸体接触模型是缸套-活塞环摩擦学行为研究的主要理论依据。在缸套-活塞环工业设计中，流体动压润滑理论的应用已日趋成熟。近年来所涌现的各种表面处理新工艺也已得到广泛的应用。今后研究方向主要集中在以下几个方面： (1)缸套-活塞环的磨损及失效机理研究，寻找新材料和新工艺进一步提高该对摩擦副的使用寿命。 (2)内燃机磨合过程的摩擦学设计研究，建立其磨合过程的动力学模型，探讨影响磨合的各种因素，解决好磨合过程中的载荷——速度——时间磨合优化问题。 (3)研究新型发动机润滑剂将润滑与摩擦学改性有机统一起来。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/6/2004)