汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)低摩擦技術(shù)分析與研究

楊立平，龍建，劉敏杰，宋建桐

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，北京 100176）

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汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)低摩擦技術(shù)分析與研究

楊立平，龍建，劉敏杰，宋建桐

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，北京 100176）

摘 要：在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中，涉及到的摩擦是很復(fù)雜的。而在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中所有摩擦副摩擦學(xué)、摩擦機(jī)理等是目前研究較多的研究?jī)?nèi)容。然而，在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)采用與摩擦學(xué)技術(shù)相關(guān)的諸如從有利于降低部件摩擦的結(jié)構(gòu)、選用合適材料或潤(rùn)滑劑及采用不同類(lèi)型的副摩擦等，可以大幅度的降低發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中的摩擦程度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命和可靠性。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；摩擦；降低

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.024

CLC NO.: U464.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-72-04

1、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦分析

當(dāng)一個(gè)物體與另一物體沿接觸面的切線方向運(yùn)動(dòng)或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，在兩物體的接觸面之間有阻礙它們相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用力，這種力叫摩擦力。接觸面之間的這種現(xiàn)象或特性叫“摩擦”。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，有時(shí)利用摩擦即摩擦有利的一面，例如，人的行走，汽車(chē)的行駛都必須依靠地面與腳和車(chē)輪的摩擦。但在多數(shù)情況下摩擦是有害的。比如，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦，造成能量的無(wú)益損耗和機(jī)器壽命的縮短，并降低了機(jī)械效率。

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中的摩擦?xí)r不可避免的，而且發(fā)動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)和工作特性所致，其所形成的摩擦都是有害而不利于發(fā)動(dòng)機(jī)正常使用。又因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)本身屬于高溫工作機(jī)器，對(duì)于部件的磨損更為嚴(yán)重。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后其能量的利用率是很低的，有資料和實(shí)驗(yàn)顯示發(fā)動(dòng)機(jī)由于摩擦造成的損耗占汽車(chē)總損耗的無(wú)用能量的15%左右。摩擦損耗的能量來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)的各種泵、附件和所有摩擦副。

在摩擦的機(jī)械損失中，活塞環(huán)占0.87%，活塞占0.72%，連桿占0.73%，曲軸占1.07%，換氣與其他占6.4%；熱損失占61.7%。以上指的是2L左右排量全負(fù)荷情況下的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)證明，由于摩擦造成的轉(zhuǎn)矩?fù)p耗隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增加?；钊⑦B桿與其相應(yīng)的摩擦副形成的滑動(dòng)損耗最大。發(fā)動(dòng)機(jī)各部件摩擦損耗比率也是隨著轉(zhuǎn)速的不同而有差異，如表1所示。

2、形成發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦的重要因素與類(lèi)型分析

事實(shí)上，發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失的影響因素是多種多樣的，而且是各種因素綜合作用所致。從發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)（主要是結(jié)構(gòu)、材質(zhì)）、制造（工藝、加工）、工作負(fù)荷及工作環(huán)境優(yōu)略等。這里的設(shè)計(jì)、制造及材料的選擇主要取決于生產(chǎn)廠家的人員素質(zhì)、工藝裝配和管理等水平。

摩擦損失的影響因素主要包括以下幾方面：

（1）部件組損失

主要是指活塞組損失（配合間隙、形狀規(guī)范、氣缸環(huán)的數(shù)目彈力、重量等）；曲軸（曲軸箱的通風(fēng)、軸瓦尺寸與間隙、潤(rùn)滑油壓力等）；配氣機(jī)構(gòu)損失（凸輪生程、機(jī)構(gòu)滑動(dòng)表面的布置等）；附件損失（燃油泵、水泵、發(fā)電機(jī)機(jī)油泵等）。

（2）潤(rùn)滑與發(fā)動(dòng)機(jī)工況

主要指潤(rùn)滑油的流量、黏度及壓力；發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、冷卻溫度及空氣潔凈度等。

（3）摩擦副材料

減摩材料的優(yōu)略、減摩添加劑質(zhì)量、多級(jí)油與單一油的差異、摩擦表面的減摩處理和摩擦副材料配合的合理性等。

（4）制造與裝配工藝

在加工方面，加工精度的確定與加工過(guò)程中的保證程度，對(duì)于零件在使用中摩擦程度有很強(qiáng)的影響。零件表面的粗糙度值確定與加工是否能保證也是重要的影響因素。在裝配過(guò)程中的形位公差與裝配質(zhì)量等都影響其工作過(guò)程的摩擦程度。

從理論上講，按照摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式，摩擦可分為滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦；摩擦狀態(tài)的形式有干摩擦、液體摩擦、邊界摩擦和混合摩擦。就發(fā)動(dòng)機(jī)而言，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間不運(yùn)轉(zhuǎn)剛開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，氣缸上止點(diǎn)附近部位，屬于干或是半干摩擦；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)完全工作一段時(shí)間后，摩擦表面完全被流體層隔開(kāi)，此時(shí)摩擦主要發(fā)生在流體內(nèi)部分子之間，此時(shí)摩擦阻力取決于流體的黏性與摩擦表面性質(zhì)無(wú)關(guān)，此時(shí)的摩擦稱(chēng)之為液體摩擦。如曲軸軸承、凸輪軸軸承、連桿軸軸承就屬于液體摩擦；若摩擦表面僅被很薄的油膜隔開(kāi)，此時(shí)的摩擦阻力與摩擦表面材質(zhì)、油膜的理化性質(zhì)和潤(rùn)滑特性有關(guān)而與黏性無(wú)關(guān)。這種摩擦狀態(tài)被稱(chēng)之為邊界摩擦狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞、活塞環(huán)與氣缸就屬于該類(lèi)型的摩擦形式。

這里應(yīng)當(dāng)注意的是，發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際使用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)沖擊負(fù)荷、高負(fù)荷及高溫的作用。而這時(shí)的油膜厚度常常是變化的即不能保證最小厚度值，也就是摩擦類(lèi)型發(fā)生了變化，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)而言由于其屬于高溫、大沖擊工作機(jī)械，摩擦性質(zhì)的保證是十分重要的，不能頻繁出現(xiàn)摩擦性質(zhì)變化。

3、低摩擦技術(shù)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)理念

發(fā)動(dòng)機(jī)屬于精密摩擦偶件，摩擦造成的損失主要由對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)部件決定。因此對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是當(dāng)前最為有效的方法；當(dāng)然，摩擦損失同樣在諸如冷卻、潤(rùn)滑和通風(fēng)等系統(tǒng)中發(fā)生。所以在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段，上述方面應(yīng)是重點(diǎn)考慮的問(wèn)題?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用可以提高部件結(jié)構(gòu)最理想化的程度，最終完成結(jié)構(gòu)和各種配合尺寸的優(yōu)化。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)上應(yīng)該從相應(yīng)的因素和理念進(jìn)行考慮。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)低摩擦技術(shù)的系統(tǒng)工程理念

根據(jù)上述分析，發(fā)動(dòng)機(jī)低摩擦技術(shù)是一個(gè)綜合而系統(tǒng)的工程。在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮諸如結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料的篩選評(píng)估、加工質(zhì)量的保障措施和方法、裝配工藝的制訂與執(zhí)行、所有的操作規(guī)范等；更為重要的是潤(rùn)滑劑的選用依據(jù)。（應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)定值）

3.2 必要的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)與嚴(yán)格的計(jì)算

根據(jù)多年對(duì)大量相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)磨損情況，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和比較，同時(shí)對(duì)于這些數(shù)據(jù)與原尺寸進(jìn)行對(duì)比。從中找出磨損規(guī)律和相關(guān)的尺寸優(yōu)化方案，再利用摩擦的預(yù)測(cè)和CAE工具等，篩選關(guān)鍵部位的尺寸。（如氣缸直徑、裙部形狀尺寸、軸承尺寸及沖程等）

3.3 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)原則

現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)為降低摩擦損失，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段必須遵守現(xiàn)代開(kāi)發(fā)的基本原則。為實(shí)現(xiàn)低摩擦技術(shù)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，避免走更多的彎路。

（1）應(yīng)確定整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的負(fù)責(zé)人，該負(fù)責(zé)人必須全程跟蹤負(fù)責(zé)。同時(shí)及時(shí)評(píng)估影響摩擦的各種因素。

（2）采用現(xiàn)代化成熟的軟件工具對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)等數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行比較，最終確定相關(guān)的技術(shù)數(shù)據(jù)。

（3）就是應(yīng)選擇合適的輔助部件，比如機(jī)油泵、水泵、發(fā)電機(jī)等與之相關(guān)聯(lián)的機(jī)電設(shè)備。

4、發(fā)動(dòng)機(jī)減摩措施的開(kāi)發(fā)

從引起摩擦形成的原因分析，減少摩擦可以通過(guò)選擇摩擦副的匹配材料，優(yōu)化最佳的匹配方案獲得較低的摩擦損失；盡可能降低摩擦副表面的剪切強(qiáng)度膜；在摩擦表面形成相對(duì)厚的流體膜，使其成為液體摩擦；滾動(dòng)摩擦系數(shù)小于滑動(dòng)摩擦系數(shù)，因此有可能的情況下盡量采用滾動(dòng)摩擦；將摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為材料內(nèi)部的變形運(yùn)動(dòng)（只能是小范圍的移動(dòng)）；當(dāng)然也可采用磁懸浮運(yùn)動(dòng)，將兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦副分開(kāi)無(wú)接觸，這將是未來(lái)減摩技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

發(fā)動(dòng)機(jī)的所有摩擦阻力中，活塞環(huán)活塞銷(xiāo)等所占的比例最大。除此之外還有配氣機(jī)構(gòu)中凸輪軸承、搖臂支點(diǎn)、凸輪與頂桿之間等；連桿與曲軸連接的軸承、機(jī)油泵等。

根據(jù)上述分析，發(fā)動(dòng)機(jī)減摩應(yīng)采取的措施主要從如下幾方面進(jìn)行。

4.1 活塞與氣缸壁之間的減摩措施

（1）機(jī)油黏度與溫度

有試驗(yàn)證明，當(dāng)機(jī)油的黏度適當(dāng)降低可以降低機(jī)油的剪切力，從而降低自身的摩擦損失；合適的機(jī)油溫度也可以減少摩擦損失，但應(yīng)注意若溫度太高，有可能使得機(jī)油稀釋過(guò)度，使得摩擦副的接觸變壞反而會(huì)增加摩擦損失的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）活塞環(huán)

活塞環(huán)對(duì)摩擦的影響主要有環(huán)的數(shù)量、環(huán)的輪廓與尺寸、表面粗糙度、表面處理及張力等。

應(yīng)該指出，減少氣環(huán)的數(shù)量無(wú)疑可以減少氣缸壁與環(huán)的摩擦面積。當(dāng)然就可減少摩擦損失，但每一個(gè)環(huán)的負(fù)荷則增加，同時(shí)增加了漏氣量的風(fēng)險(xiǎn)。該項(xiàng)措施效果不是很明顯。

氣環(huán)頂部邊緣一定始終保持楔形，這樣有利于摩擦損耗的減少，即氣環(huán)的輪廓優(yōu)化措施的重點(diǎn)就在于此。

（3）活塞裙部

適當(dāng)調(diào)整活塞裙部輪廓尺寸與形狀，可以減少由于接觸不良造成的偏磨。同時(shí)應(yīng)注意噪聲、振動(dòng)和不平順性三項(xiàng)指標(biāo)的控制；根據(jù)實(shí)際情況，可以引用不同形狀的裙部類(lèi)型，充分利用推力側(cè)和非推力側(cè)不同的接觸面積，減少由于機(jī)油剪切力引起的損失。

在活塞裙部也可以采用低摩擦涂層材料，減少接觸不良引起的非正常摩擦。

適當(dāng)減少裙部長(zhǎng)度尺寸，優(yōu)化裙部橢圓度，適當(dāng)調(diào)整裙部削減區(qū)域等，可以降低機(jī)油剪切應(yīng)力引起的摩擦損失。但該方案可能由于裙部尺寸變短，而增加活塞相對(duì)于缸筒傾斜的風(fēng)險(xiǎn)。由此引起機(jī)油消耗和漏氣量的增加，因此應(yīng)注意指標(biāo)的優(yōu)化，確保綜合性能的發(fā)揮。

通過(guò)優(yōu)化冷卻水系統(tǒng)，保證缸筒的變形量盡可能的小，確?；钊共康慕佑|面積；還可以減少活塞銷(xiāo)長(zhǎng)度達(dá)到降低活塞質(zhì)量，適當(dāng)增加連桿長(zhǎng)度，以便減少活塞側(cè)向力等，多可以降低摩擦損失。

4.2 氣缸筒的減摩措施

（1）盡量減少缸筒的變形

目前，主要應(yīng)通過(guò)優(yōu)化冷卻系統(tǒng)來(lái)減少氣缸筒的變形。間接的講由于氣缸筒的變形量減少，直接導(dǎo)致氣環(huán)張力的降低，從而使的環(huán)與氣缸壁的偏摩降低。

（2）合理選擇氣缸筒的加工與表面處理工藝

這里應(yīng)該注意的是，環(huán)和缸套或裙部與缸套之間，只有在邊界潤(rùn)滑條件下其潤(rùn)滑效果最佳。在這種情況下，摩擦副存在著干摩擦的危險(xiǎn)。同時(shí)對(duì)于摩擦副自身的材料也有著較高耐磨性要求。因此為提高抗磨性，可以應(yīng)用陶瓷微粒等離子噴涂度層技術(shù)加以保證。

在缸套的加工中采用不同的珩磨技術(shù)，相成不同的表面加工紋路。讓缸筒的上、下止點(diǎn)表面的粗糙度值更高，粗糙表面可以存更多的潤(rùn)滑油，以便改善表面的潤(rùn)滑效果。

4.3 連桿小頭軸承的減磨措施

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)采用全浮活塞銷(xiāo)，可以減小軸承的滑動(dòng)速度；減少軸承的長(zhǎng)度，可以限制軸承的單位負(fù)荷；活塞銷(xiāo)內(nèi)徑適度優(yōu)化，減少活塞銷(xiāo)撓曲度變形，可以降低軸承的接觸避免摩擦損失。同時(shí)，還可以減少活塞銷(xiāo)質(zhì)量。也可考慮使用軸承襯套來(lái)提高單位負(fù)荷能力同時(shí)可以減少銷(xiāo)子的直徑，但有可能增加活塞質(zhì)量。

除上述措施外，也可以采用增加軸承間隙，改進(jìn)滑動(dòng)表面粗糙度，使用帶有油槽的滑動(dòng)軸承。采用特殊結(jié)構(gòu)的軸承襯套，即其上開(kāi)有橢圓孔，用于擴(kuò)大擠壓油膜效果。

4.4 連桿大頭軸承的減磨措施

和連桿小頭一樣，由于其連接方式相同，因此在減磨措施方面有著很多相同之處。如可以采用減小軸承直徑和軸承長(zhǎng)度，以便限制扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和曲軸強(qiáng)度；通過(guò)優(yōu)化機(jī)油孔的位置和大小，提高其耐磨性。

4.5 主軸承的減磨措施

在發(fā)動(dòng)機(jī)中，支撐曲軸的主軸承的摩擦損失也很大。在降低措施中可以考慮減少軸承直徑，減少軸承長(zhǎng)度；進(jìn)一步優(yōu)化軸承間隙、曲軸直線度（降低軸承的軸線不一致）和機(jī)油槽的位置和直徑。將支座設(shè)計(jì)方案進(jìn)一步優(yōu)化，保持合適的軸承形狀和軸承間隙。

4.6 配件應(yīng)用類(lèi)型的優(yōu)化措施

在發(fā)動(dòng)機(jī)或者汽車(chē)上，如果有條件的話，應(yīng)盡量采用低摩擦型配件。

（1）滾動(dòng)軸承的應(yīng)用

由于滑動(dòng)軸承的接觸面積大，在旋轉(zhuǎn)后的摩擦就會(huì)加劇，同時(shí)產(chǎn)生很大的溫升。因此，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)燒瓦現(xiàn)象。和滑動(dòng)軸承相比滾動(dòng)軸承具備的優(yōu)點(diǎn)很多，如：滾動(dòng)摩擦本身就是摩擦系數(shù)最小，各種工況下能保持穩(wěn)定的低摩擦值，啟動(dòng)摩擦阻力??；工作時(shí)產(chǎn)生熱量低，因此對(duì)于潤(rùn)滑和冷卻要求相應(yīng)的就低；支撐精度高，軸向尺寸小。

在發(fā)動(dòng)機(jī)中，除上述分析的活塞與氣缸套之間的摩擦損失外，最有降低潛力的配件就是支撐曲軸的軸承了。當(dāng)前曲軸軸承多采用分體式滑動(dòng)軸承，曲軸軸頸直徑和徑向密封環(huán)的預(yù)緊力等都會(huì)影響摩擦力大小。通過(guò)測(cè)量證明，當(dāng)機(jī)油溫度在90℃時(shí)，滾動(dòng)軸承摩擦的降低潛能達(dá)55%（和滑動(dòng)軸承相比）。溫度越低效果也就越明顯，

試驗(yàn)證明當(dāng)機(jī)油溫度在35℃時(shí)可達(dá)72%。由于采用滾動(dòng)軸承，機(jī)油的體積流量可降低38左右，流量體積的降低將減少摩擦損失。

（2）低摩擦活塞的應(yīng)用

由于活塞組的摩擦占整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失的40～50%,因此除采取必要的降摩措施外，選擇低摩擦活塞是降低摩擦損失更為有效的辦法。

首先，發(fā)動(dòng)機(jī)的行程與直徑的比值（S/D）與摩擦損失有關(guān)。我們?cè)O(shè)S/D=1的流體動(dòng)力摩擦損失為1，則S/D=0.8時(shí)的流體動(dòng)力摩擦損失為0.72； S/D=1.2時(shí)的流體動(dòng)力摩擦損失為1.21。試驗(yàn)證明轉(zhuǎn)速影響不大。因此，從活塞摩擦角度看，短行程發(fā)動(dòng)機(jī)更有利于降低摩擦損失。

現(xiàn)代活塞設(shè)計(jì)，通常將活塞的裙部制成中凸變橢圓型線，也就是常說(shuō)的腰鼓形。其橫截面呈橢圓形，一般中凸量為0.01～0.02mm ；另一種結(jié)構(gòu)是非對(duì)稱(chēng)式活塞裙部設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)主要是減小接觸壓力比較小一側(cè)的寬度，使得摩擦損失降低。

5、結(jié)論

目前，由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)本身所制，降低摩擦損失只能在改進(jìn)局部結(jié)構(gòu)，采用不同的材質(zhì)，優(yōu)化部件形狀和潤(rùn)滑等方面進(jìn)行完善。而這些措施對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，延長(zhǎng)使用壽命及未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)具有深遠(yuǎn)意義。也是未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)長(zhǎng)的研究方向。

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Technical Analysis and Research of Reducing Friction of Automotive Engine

Yang Liping, Long Jian, Liu Minjie, Song Jiantong
（School of Automotive Engineering, Bejing Polytechnic, Beijing 100176）

Abstract:Friction in automotive engine is very complex.And during engine operation, tribology, accessory tribology and friction mechanism are studied more at present.However, in the course of using I found that when the engine adopts something related to tribology, such as structrue that helps reduce component friction, choice of suitable material or lubricant and adoption of different types of side friction, etc, friction degree during engine operation can be greatly reduced and the engine’s service life and reliability can be improved.

Keywords:Engine; Friction; Reduce

作者簡(jiǎn)介：楊立平，副教授，就職于北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院。研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)低摩擦技術(shù)?；痦?xiàng)目：北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃面上項(xiàng)目（KM201410858004）。

中圖分類(lèi)號(hào)：U464.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)03-72-04