汽車(chē)設(shè)計(jì)中的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)

1、方舟 13121376汽車(chē)有發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)、車(chē)身、電氣設(shè)備。發(fā)動(dòng)機(jī)包括了燃料供給系、潤(rùn)滑系、冷卻系、點(diǎn)火系、起動(dòng)系，底盤(pán)包括了行駛系、轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系、傳動(dòng)系。1. 摩擦學(xué)與汽車(chē)設(shè)計(jì)和使用的關(guān)系2. 汽車(chē)設(shè)計(jì)中的摩擦學(xué)問(wèn)題 2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)中的摩擦學(xué)設(shè)計(jì) 2.2 汽車(chē)底盤(pán)中的摩擦學(xué)設(shè)計(jì) 2.3 汽車(chē)潤(rùn)滑材料3. 汽車(chē)摩擦學(xué)應(yīng)用展望摩擦消耗大量能量，摩擦產(chǎn)生磨損，造成機(jī)械效率降低、燃料消耗增加、零件精度下降，導(dǎo)致汽車(chē)的早期損壞。為了提高汽車(chē)的使用壽命和可靠性，延長(zhǎng)汽車(chē)大修里程，應(yīng)當(dāng)運(yùn)用摩擦學(xué)知識(shí)從汽車(chē)的設(shè)計(jì)、制造以及使用和維修工作中，充分控制摩擦，盡量減少磨損。汽車(chē)有些零部件是靠摩擦工作的，如汽車(chē)的離

2、合器和制動(dòng)器，其安全性和可靠性是通過(guò)增大摩擦副的摩擦系數(shù)達(dá)到的，因此增加摩擦的技術(shù)研究也是十分重要的。發(fā)動(dòng)機(jī)中的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行摩擦學(xué)設(shè)計(jì)，目的是減少磨損、摩擦導(dǎo)致的排放和燃油損耗，力圖延長(zhǎng)零部件壽命、提高能源利用效率。 內(nèi)燃機(jī)中的主要能量消耗，其中活塞的能量消耗占30。由此可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)能耗的關(guān)鍵是活塞環(huán)組缸套的磨耗問(wèn)題。圖1 內(nèi)燃機(jī)中主要的燃料能量消耗活塞環(huán)與缸套 活塞環(huán)是發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要組成部件?；钊幸话阊b有24道活塞環(huán)，分氣環(huán)與油環(huán)2種（如圖3）。它們緊貼氣缸壁，主要起氣密氣密和布油布油作用。 這就對(duì)活塞環(huán)的材料提出了很高的要求，它必須具有良好的導(dǎo)熱性和高溫機(jī)械性能；具有足夠的儲(chǔ)油

3、能力；既要具有良好的跑合性以保證氣密，又要具有良好的耐磨性。活塞環(huán)與缸套 為了減少活塞環(huán)與缸孔之間的摩擦損耗，現(xiàn)有的方法有以下幾種： （1）減少活塞環(huán)根數(shù) 汽油機(jī)只采用一根油環(huán)和一根壓縮環(huán)。柴油機(jī)采用兩根壓縮環(huán)一根油環(huán)。油環(huán)采用窄單軌油環(huán)（NSORnarrow single rail oil ring）。壓縮環(huán)厚度減薄，通過(guò)減少活塞環(huán)與缸孔的接觸面積來(lái)降低摩擦損失。 活塞環(huán)尺寸趨于減薄，而所承受的負(fù)荷卻有增大的傾向。因而活塞環(huán)的工作應(yīng)力增加，傳統(tǒng)的活塞環(huán)材料合金灰鑄鐵已有強(qiáng)度不足之虞。這樣便促使活塞環(huán)材料由合金灰鑄鐵向鋼轉(zhuǎn)變，據(jù)悉現(xiàn)代高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的上壓縮環(huán)已大半由不銹鋼制造。 通過(guò)采用兩根活塞

4、環(huán)和減小壓縮環(huán)厚度等措施，可使摩擦阻力減小50，燃油消耗下降5?；钊h(huán)與缸套 （2）降低活塞環(huán)彈力 彈力降低可能引起機(jī)油消耗增加。但是，機(jī)油消耗增加是排氣污染物顆粒增加的主要因素，是應(yīng)當(dāng)極力避免的。為此對(duì)壓縮環(huán)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。在兩根環(huán)的結(jié)構(gòu)中。把壓縮環(huán)的滑動(dòng)面設(shè)計(jì)成刮油能力強(qiáng)的的錐形，環(huán)的開(kāi)口部位設(shè)計(jì)成密封和強(qiáng)度方面都最適宜的特殊合口形狀。特殊合口形狀錐形壓縮環(huán)活塞環(huán)與缸套 （3）活塞環(huán)表面鍍層 通過(guò)活塞環(huán)的表面鍍層，可以改善摩擦副的摩擦特性，降低二者的摩擦和磨損。通常采用的活塞環(huán)表面鍍層方法有鍍Cr、噴Mo等。(a) Cr環(huán)環(huán)(b) Mo環(huán)環(huán)(c) CKS環(huán)環(huán)圖為帶有球墨鑄鐵基體的鍍鉻環(huán)（

5、Cr環(huán)）、噴鉬環(huán)（Mo環(huán)）和陶瓷復(fù)合鍍鉻環(huán)（CKS環(huán)）表面鍍層活塞環(huán)與缸套活塞環(huán)汽缸壁磨損試驗(yàn)裝置示意圖活塞環(huán)和汽缸壁的耐磨性用磨損系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)，磨損系數(shù)由下式得到K 磨損體積（載荷） （總滑動(dòng)距離）活塞環(huán)與缸套K/10-8mm3/(Nm)-1 實(shí)驗(yàn)表明，Mo環(huán)和與匹配的缸套的汽缸壁均具有相對(duì)較大的磨損系數(shù)，Mo環(huán)的磨損系數(shù)分別是Cr環(huán)和CKS環(huán)磨損系數(shù)的6.88倍和49.6倍；CKS環(huán)具有很低的磨損系數(shù)。 因此，從此試驗(yàn)中我們得出，陶瓷復(fù)合鍍鉻環(huán)(CKS環(huán))的耐磨性能比鍍鉻環(huán)(Cr環(huán))、噴鉬環(huán)(Mo環(huán))更好。曲軸軸承與連桿軸承曲軸軸承與連桿軸承影響軸承摩擦的幾種主要因素:潤(rùn)滑油軸承間隙軸徑軸承

6、寬度潤(rùn)滑油不同油品的軸承功損 潤(rùn)滑是減少摩擦損失的關(guān)鍵，選擇合適的潤(rùn)滑油可以有效地降低摩擦。 由圖可以看出，低粘度的潤(rùn)滑油是有利于減少摩擦損失的。因此，一般在潤(rùn)滑油選用時(shí)滿(mǎn)足潤(rùn)滑需要即可，盲目選用高粘度潤(rùn)滑油，勢(shì)必增加發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦功率損失。但是，在某些情況下，如高溫、高轉(zhuǎn)速等情況，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑性能，必須要犧牲一部分低速下的功率而選用較高粘度的潤(rùn)滑油。軸承間隙不同間隙下的軸承功損 合適的軸承間隙，有利于液力動(dòng)力潤(rùn)滑的建立。 在合理的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，間隙增大時(shí)，軸承的摩擦功損在下降。由于軸承間隙增大時(shí)，形成液力動(dòng)力潤(rùn)滑的幾何條件在改善，有利于楔形油膜的形成，因此，摩擦功率損失減小了。但是，一味地

7、增加軸承間隙也會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題。如間隙增大則增加機(jī)油泵負(fù)荷，同時(shí)，往往也導(dǎo)致振動(dòng)增加。軸徑不同軸徑下的軸承功損 隨著軸徑的放大和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，軸頸圓周速度增大，則軸承摩擦損失也將增大，較小的軸徑有利于減小軸承摩擦功損。曲軸軸承摩擦功損對(duì)主軸承直徑的變化比較敏感，而曲柄銷(xiāo)直徑變化的影響則較小。通過(guò)減小軸徑可以有效減小軸承功損，但是同時(shí)也為曲軸強(qiáng)度帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)。過(guò)度減小軸徑，使得曲軸曲柄臂重疊度下降。為了保證曲軸的強(qiáng)度，同時(shí)兼顧到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率，必須合理設(shè)計(jì)軸徑。軸承寬度不同軸承寬度下的功損 軸承寬度決定了軸承摩擦面積。圖為軸承寬度對(duì)軸承摩擦功損的影響。其中：PB為連桿大頭軸承；MB為主軸承。 由

8、圖可以看出，軸承功損與軸承寬度成正比。通常對(duì)于徑向軸承，在完全液力動(dòng)力潤(rùn)滑條件下可以認(rèn)為油膜的包角是一定的。徑向軸承的摩擦面積正比于軸承寬度。因此，減小軸承寬度可以減小軸承功損。但是，過(guò)小的軸承寬度會(huì)導(dǎo)致軸承比壓過(guò)高。因此，在設(shè)計(jì)軸承寬度時(shí)，必須以保證軸承比壓為前提。凸輪、搖臂與挺桿凸輪、搖臂與挺桿 控制氣閥開(kāi)閉的凸輪挺桿機(jī)構(gòu)或凸輪-搖臂-挺桿機(jī)構(gòu)是典型的動(dòng)載彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論的應(yīng)用實(shí)例，曾先后產(chǎn)生多種用以計(jì)算接觸區(qū)的油膜厚度、壓力分布以及其他摩擦學(xué)參數(shù)的方法。良好的設(shè)計(jì)將使凸輪副表面處于彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài)下工作，從而具有所期望的抗磨損可靠性。對(duì)于高速發(fā)動(dòng)機(jī)，凸輪副表面的摩擦學(xué)行為是系統(tǒng)設(shè)

9、計(jì)中不可忽略的因素。氣門(mén)閥與氣門(mén)閥座氣門(mén)閥與氣門(mén)閥座 氣門(mén)閥與氣門(mén)閥座系統(tǒng)是內(nèi)燃機(jī)工作條件十分惡劣的摩擦副，它一方面在氣門(mén)不斷開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中受到?jīng)_擊載荷的作用，是沖擊磨損的典型實(shí)例；另一方面，排氣閥頭部和閥座承受著熾熱廢氣的高速?zèng)_刷（廢氣溫度可達(dá)600800），氣門(mén)閥的工作表面經(jīng)受疲勞磨損、粘著磨損、腐蝕磨損以及高溫氣流中未燃盡粒子的沖蝕磨損等的作用。這些惡劣的工作條件可能使氣門(mén)閥的密封性遭到破壞，嚴(yán)重的將影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。所以對(duì)氣門(mén)閥與氣門(mén)閥座之間的匹配設(shè)計(jì)也是汽車(chē)摩擦學(xué)的一個(gè)重要內(nèi)容。汽車(chē)底盤(pán)中的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)汽車(chē)底盤(pán)中的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)輪胎與地面輪胎與地面胎面磨損輪胎充氣壓力車(chē)輪與潮濕地面的

10、接觸（典型的彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑問(wèn)題）輪胎參數(shù)路面條件輪胎作用力驅(qū)動(dòng)輪的側(cè)偏制動(dòng)器與離合器制動(dòng)器與離合器輪胎與路面的摩擦輪胎的胎面花紋設(shè)計(jì)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（Anti-lock Brake System，ABS）摩擦制動(dòng) 胎面磨損是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程 胎面的彈性滑移產(chǎn)生熱和摩擦靜電生成橡膠氧化裂紋裂紋擴(kuò)展胎面磨損 胎面磨損的研究?jī)?nèi)容：橡膠磨損機(jī)理輪胎結(jié)構(gòu)和操縱（速度、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)）激烈程度的影響對(duì)胎面磨損隨行程的增加以回歸函數(shù)的形式進(jìn)行描述車(chē)輪的安裝角度對(duì)輪胎的摩擦和磨損的影響。 由于磨損過(guò)程極為復(fù)雜，因此到目前為止還不能對(duì)輪胎在實(shí)際行駛條件下的磨損率作出令人滿(mǎn)意的預(yù)測(cè)?？梢钥隙?，駕駛員的正確操縱對(duì)

11、降低輪胎磨損有重要影響。胎面磨損 制動(dòng)所用摩擦片材料都是典型的摩阻材料。 摩擦制動(dòng)片的工作特點(diǎn)：在短時(shí)間內(nèi)，摩擦和溫度發(fā)生巨大變化，同時(shí)處于干摩擦狀態(tài)，要求材料摩擦系數(shù)穩(wěn)定，耐熱性好。 摩阻材料的性能 內(nèi)因：取決于原材料、配方設(shè)計(jì)和成型工藝。 外因：溫度和PV值。 目前，樹(shù)脂基摩阻材料是最有發(fā)展前途的一類(lèi)摩阻材料。 此外材料學(xué)科的發(fā)展促使許多新材料和一系列表面處理技術(shù)的出現(xiàn)摩擦副在高溫、高負(fù)荷及強(qiáng)腐蝕等特殊工況下工作的需求，也對(duì)減摩耐磨材料向著廣度和深度發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。摩擦制動(dòng) 汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，車(chē)輪因制動(dòng)力過(guò)大往往抱死，導(dǎo)致輪胎在地面上滑行，路面上留下一道黑色橡膠磨痕。這不僅造成輪胎嚴(yán)重

12、的磨損，更主要的是在這種情況下汽車(chē)完全失去操縱方向的能力，往往引起車(chē)輛碰撞和翻車(chē)事故。防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）vwr100%100%v車(chē)速輪速滑移率車(chē)速 通過(guò)近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的ABS技術(shù)中的電子控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)制動(dòng)器制動(dòng)力，防止車(chē)輪抱死打滑，使車(chē)輪保持既制動(dòng)又滾動(dòng)的技術(shù)狀態(tài)。試驗(yàn)研究表明，滑移率在20時(shí)車(chē)輪與地面的摩阻系數(shù)最大，根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)的ABS可使車(chē)輛方向仍然處于受控狀態(tài)。防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）時(shí)間速度車(chē)速輪速 汽車(chē)潤(rùn)滑體系由機(jī)油與添加劑組成。眾所周知，在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油中加入減摩添加劑可提高其抗摩性能，減少摩擦阻力，延長(zhǎng)機(jī)件的使用壽命。目前減摩劑的品種繁多，大體可分

13、為油溶性有機(jī)化合物和固體潤(rùn)滑劑型。1 無(wú)機(jī)單質(zhì)納米粉體納米金剛石，金剛石的硬度在所有材料中最大，不易破碎，而納米金剛石又有許多獨(dú)特的性質(zhì)，用作潤(rùn)滑油添加劑具有顯著的抗磨減摩作用。2 納米無(wú)機(jī)鹽納米硼酸鋅、硼酸鈦、硼酸鎂、硼酸鈉3 納米氫氧化物及納米氧化物硬脂酸和己二酸修飾的C6D,納米粒子進(jìn)行摩擦磨損性能研究，發(fā)現(xiàn)具有明顯的抗磨減摩效果和承載能力汽車(chē)潤(rùn)滑材料 隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，新工藝和新材料紛紛涌現(xiàn)，展望未來(lái)汽車(chē)摩擦學(xué)研究，主要集中在以下幾個(gè)方面： 1）研究新一代汽車(chē)，尤其是牽引越野車(chē)輪胎，進(jìn)一步提高車(chē)輛機(jī)動(dòng)性和越野性。 2）研制開(kāi)發(fā)抗高溫、耐磨金屬基，如鋁基復(fù)合材料（MMC）、或非金屬基陶瓷纖維等環(huán)保、節(jié)能型汽車(chē)摩擦副配對(duì)材料，尤其是在汽車(chē)離合器摩擦片和制動(dòng)蹄片中應(yīng)用。 3）研究固體潤(rùn)滑劑，如石墨、聚四氟乙烯（PT-FE）以及新興納米技術(shù)等