內燃機缸套活塞環(huán)摩擦學研究回顧與展望

1、內燃機缸套活塞環(huán)摩擦學研究回顧與展望 摘要:內燃機缸套-活塞環(huán)摩擦副是一個典型的摩擦學系統(tǒng)，其中含有多種類型的摩擦和磨損，潤滑、摩擦、磨損的相互作用十分顯著。其摩擦學性能對提高內燃機的可靠性和耐久性，保證內燃機經濟、可靠地工作具有決定性的作用。其摩擦學問題的研究一直是人們關注的熱點之一。87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網關鍵詞：內燃機缸套活塞環(huán)摩擦學研究87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網內燃機中缸套-活塞環(huán)摩擦副對內燃機工作性能(動力性、經濟性以及穩(wěn)定性等)和使用壽命有著舉足輕重的影響。如何控制好這對摩擦副的摩擦學行為是人們魂系夢牽的事情。由于缸套-活塞環(huán)摩擦副的工作條件十分苛

2、刻，經常處于高溫、高壓和高沖擊負荷工作狀態(tài)。為了解決好這對摩擦副的潤滑和抗磨問題，國內外許多汽車工程技術人員，長期以來孜孜以求地投入了大量的研究工作，至今仍在探索。87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網1缸套-活塞環(huán)摩擦學理論研究概述87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網2摩擦副材料的合理選配87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網正確選擇摩擦副的材料是提高缸套-活塞環(huán)耐磨性的關鍵。根據(jù)不同的磨損類型來具體考慮不同的配

3、合副材料，一般選用互溶性小的材料，以防止粘著磨損；選用高硬度材料以防止其磨料磨損。就缸套來說，出于缸壁承受高壓氣體和活塞的側推力引起的應力，以及由于高溫氣體引起的熱應力，要求缸套材料必須具有很高的結構強度和疲勞強度，否則會造成缸套變形或材料過早疲勞破壞。此外，還必須具有良好的摩擦學性能，例如，耐磨性和抗咬合性，但是在單一的材料中往往不具備所需上述各種性能。因此，在根據(jù)使用要求，選擇合適的缸套材料時必須考慮力學性能與摩擦學性能之間的協(xié)調。缸套大多數(shù)用灰鑄鐵或奧氏體鑄鐵制成。為了提高缸套的力學強度，需要添加鎳、鉻、銅和鉬等元素，以形成多相金屬。為了改善耐磨性，相當普通的做法是至少添加0.39(按重

4、量計)的鉻，而一般認為同時要加0.65的鉬。就活塞環(huán)來講，國外通常選灰鑄鐵為母體，表層鍍鉻、鉬或鎳。隨著燃燒室最高燃氣壓力、壓力遞升率和發(fā)動機轉速的不斷提高，需要用抗拉強度和疲勞強度高的材料。特別是頂環(huán)，因為它處于極為殘酷的工況下工作。目前已研制了如球墨鑄鐵和碳化可鍛鑄鐵之類的材料，一般認為碳化可鍛鑄鐵是近期生產的車用內燃機中頂環(huán)的最合適材料。因為其強度足以經受內燃機各種工況，而且比球墨鑄鐵不易發(fā)生咬合，此外，球墨鑄鐵雖有很高的抗拉強度和疲勞強度，但其成本較高且耐磨性較差。國內車用內燃機的缸套-活塞環(huán)常用的材料，一般為合金鑄鐵材料，如解放CA6102型發(fā)動機和東風EQ6105型發(fā)動機的缸套材料

5、分別為鈮合金鑄鐵和球墨鑄鐵；活塞環(huán)材料則分別為可鍛鑄鐵鍍鉻處理和球墨鑄鐵鍍鉻處理。87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網3引入流體動壓潤滑理論87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網缸套-活塞環(huán)工作條件惡劣，潤滑條件差。為了減小磨損，國外一些內燃機設計制造廠家早在本世紀六十年代初期就有意識地引入流體動壓潤滑理論到內燃機的零部件設計中去。應用流體動壓效應來改善發(fā)動機缸套-活塞環(huán)潤滑條件，英國里卡多公司(Recardo)率先進行這方面的研究，六十年代末，該公司曾為美國福特汽車公司和日本豐田汽車公司，設計桶形環(huán)和活塞裙部縱向基線是鼓形的新型活塞環(huán)組結構。1975年該公司又為我國第二汽車制造廠生

6、產的EQ6105型汽油機所作修改設計時，采用了這一結構，隨后第一汽車制造廠生產的CA6102型汽油機也采用這一結構。該種設計思想是，使熱膨脹變形后的活塞裙部外形與缸壁間形成某一恰當?shù)挠托ㄩg隙，以獲得最佳的潤滑效果和活塞穩(wěn)定導向的條件，從而改善活塞環(huán)的工作。同時，由于高速運動而產生流體動壓效應，便摩擦副表面間油膜壓力升高，從而達到使兩摩擦面分開，降低其摩擦和減少磨損的目的。87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網4表面處理新工藝87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網表面處理工藝是改善缸套-活塞環(huán)摩擦副表面摩擦、磨損與潤滑性能的有效方法。近20年來國內外在這領域進行了卓有成效的研究。大量的研

7、究表明，材料表層和亞表層的顯微結構與摩擦磨損特性之間有一定的關系，通過表面處理工藝往往能夠獲得滿意的耐磨或減摩的表面層。87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網目前，表面處理工藝已得到廣泛應用的方法有：87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網(1)表面強化或表面硬化方法，如表面淬火、化學熱處理(表面合金化、表面冶金)、電渡、噴涂、表面超硬覆蓋、堆焊、電火花表面強化以及近年來采用的激光處理、電子束處理和離子注入等等。87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網(2)表面潤化處理，如滲硫、磷化、氮化、氧化、表面軟金屬膜等。87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網(3)復合處理，如淬火和滲硫、滲

8、碳淬火和滲硫、滲氮和滲硫、軟氮化和滲硫、氮氧共滲、氮硫共滲以及鍍鉻與噴鉬相結合等。87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網在汽車內燃機缸套-活塞環(huán)這對摩擦副上，國內外，通常采用的是鍍鉻和噴鉬等表面處理工藝。長期從事研究活塞環(huán)擦傷問題的德國高茨公司(Goetzwerke)認為，90的擦傷是在磨合運轉過程中產生的?；钊h(huán)同缸壁接觸不均勻局部地方接觸應力很高，油膜遭受破壞均易發(fā)生擦傷。因此，該公司把防止氣缸和活塞的熱變形，注意加工精度作為必須采取的措施。同時，對活塞環(huán)表面進行鍍鉻并噴鉬，其原因是鉬的溶點為2450，要比鑄鐵(1200)和鉻(1300)高很多；另一個原因是噴鉬活塞環(huán)表面呈多孔性，含油

9、性好，又容易磨合。87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網5合理選擇缸套表面粗糙度87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網眾所周知，在內燃機中，缸套表面粗糙度對耗油量影響很大，也是影響內燃機的抗咬合性、耐磨性和使用壽命的最重要因素之一。一般說來需要有光滑、無毛刺、均勻平穩(wěn)的表面粗糙度。這樣會形成良好的油膜分布，適于支承作往復運動的活塞和活塞環(huán)迅速磨合，改善抗咬合性和耐磨性。為了有利于儲油，要求缸套珩紋成交角120?，先用120140目粒度嵌金剛石珩條粗珩，隨之以含120目碳化硅的合成軟木珩條(含28細軟木、60SiC和12松脂)精珩，以保證有均勻光滑的粗糙度峰頂.87j鐵甲工程機械網-挖掘

10、機網-工程機械網6新型極壓抗磨潤滑劑的研制87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網隨著現(xiàn)代內燃機強化系數(shù)的不斷提高，其缸套-活塞環(huán)的工況日益惡劣。這使得配合副之間的潤滑方式極為復雜，可能同時存在著邊界潤滑、流體動壓潤滑和混合潤滑。尤其在內燃機的磨合期內，其配合副的實際接觸面積僅為名義接觸面積的0.011，表面上微凸體之間的接觸壓力很高，摩擦過程中會產生局部高溫可達1000以上。在這種情況下缸套-活塞環(huán)之間很容易出現(xiàn)粘著、熔焊、燒結、擦傷等損傷形式。隨著這類問題的出現(xiàn)，國內外許多潤滑油生產廠家紛紛相繼研制出不同種類極壓抗磨劑。極壓抗磨劑(Extrcme Pressure Antiwear Ad

11、ditive)主要是含有活性元素S、C1和P的有機化合物。當摩擦面接觸壓力高時，兩金屬表面的凹凸點上嚙合，產生局部高壓、高溫，此時極壓抗磨劑中的活性元素與金屬發(fā)生化學反應，形成剪切強度很低的固體保護膜，把兩金屬表面隔開，從而防止金屬磨損和燒結。一般而言，含磷添加劑在負荷較小的條件下有明顯的抗磨性；含硫或氯的添加劑在高負荷、高溫條件下可有效防止燒結和磨損。87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網7展望87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網(1)缸套-活塞環(huán)的磨損及失效機理研究，尋找新材料和新工藝進一步提高該對摩擦副的使用壽命。87j鐵甲工程機械網-

12、挖掘機網-工程機械網(2)內燃機磨合過程的摩擦學設計研究，建立其磨合過程的動力學模型，探討影響磨合的各種因素，解決好磨合過程中的載荷速度時間磨合優(yōu)化問題。87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網(3)研究新型發(fā)動機潤滑劑將潤滑與摩擦學改性有機統(tǒng)一起來。摘要:內燃機缸套-活塞環(huán)摩擦副是一個典型的摩擦學系統(tǒng)，其中含有多種類型的摩擦和磨損，潤滑、摩擦、磨損的相互作用十分顯著。其摩擦學性能對提高內燃機的可靠性和耐久性，保證內燃機經濟、可靠地工作具有決定性的作用。其摩擦學問題的研究一直是人們關注的熱點之一。87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網關鍵詞：內燃機缸套活塞環(huán)摩擦學研究87j鐵甲工程機械網

13、-挖掘機網-工程機械網內燃機中缸套-活塞環(huán)摩擦副對內燃機工作性能(動力性、經濟性以及穩(wěn)定性等)和使用壽命有著舉足輕重的影響。如何控制好這對摩擦副的摩擦學行為是人們魂系夢牽的事情。由于缸套-活塞環(huán)摩擦副的工作條件十分苛刻，經常處于高溫、高壓和高沖擊負荷工作狀態(tài)。為了解決好這對摩擦副的潤滑和抗磨問題，國內外許多汽車工程技術人員，長期以來孜孜以求地投入了大量的研究工作，至今仍在探索。87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網1缸套-活塞環(huán)摩擦學理論研究概述87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網87j鐵甲工程機械網

14、-挖掘機網-工程機械網87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網2摩擦副材料的合理選配87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網正確選擇摩擦副的材料是提高缸套-活塞環(huán)耐磨性的關鍵。根據(jù)不同的磨損類型來具體考慮不同的配合副材料，一般選用互溶性小的材料，以防止粘著磨損；選用高硬度材料以防止其磨料磨損。就缸套來說，出于缸壁承受高壓氣體和活塞的側推力引起的應力，以及由于高溫氣體引起的熱應力，要求缸套材料必須具有很高的結構強度和疲勞強度，否則會造成缸套變形或材料過早疲勞破壞。此外，還必須具有良好的摩擦學性能，例如，耐磨性和抗咬合性，但是在單一的材料中往往不具備所需上述各種性能。因此，在根據(jù)使用要求，選擇

15、合適的缸套材料時必須考慮力學性能與摩擦學性能之間的協(xié)調。缸套大多數(shù)用灰鑄鐵或奧氏體鑄鐵制成。為了提高缸套的力學強度，需要添加鎳、鉻、銅和鉬等元素，以形成多相金屬。為了改善耐磨性，相當普通的做法是至少添加0.39(按重量計)的鉻，而一般認為同時要加0.65的鉬。就活塞環(huán)來講，國外通常選灰鑄鐵為母體，表層鍍鉻、鉬或鎳。隨著燃燒室最高燃氣壓力、壓力遞升率和發(fā)動機轉速的不斷提高，需要用抗拉強度和疲勞強度高的材料。特別是頂環(huán)，因為它處于極為殘酷的工況下工作。目前已研制了如球墨鑄鐵和碳化可鍛鑄鐵之類的材料，一般認為碳化可鍛鑄鐵是近期生產的車用內燃機中頂環(huán)的最合適材料。因為其強度足以經受內燃機各種工況，而且

16、比球墨鑄鐵不易發(fā)生咬合，此外，球墨鑄鐵雖有很高的抗拉強度和疲勞強度，但其成本較高且耐磨性較差。國內車用內燃機的缸套-活塞環(huán)常用的材料，一般為合金鑄鐵材料，如解放CA6102型發(fā)動機和東風EQ6105型發(fā)動機的缸套材料分別為鈮合金鑄鐵和球墨鑄鐵；活塞環(huán)材料則分別為可鍛鑄鐵鍍鉻處理和球墨鑄鐵鍍鉻處理。87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網3引入流體動壓潤滑理論87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網缸套-活塞環(huán)工作條件惡劣，潤滑條件差。為了減小磨損，國外一些內燃機設計制造廠家早在本世紀六十年代初期就有意識地引入流體動壓潤滑理論到內燃機的零部件設計中去。應用流體動壓效應來改善發(fā)動機缸套-活塞環(huán)

17、潤滑條件，英國里卡多公司(Recardo)率先進行這方面的研究，六十年代末，該公司曾為美國福特汽車公司和日本豐田汽車公司，設計桶形環(huán)和活塞裙部縱向基線是鼓形的新型活塞環(huán)組結構。1975年該公司又為我國第二汽車制造廠生產的EQ6105型汽油機所作修改設計時，采用了這一結構，隨后第一汽車制造廠生產的CA6102型汽油機也采用這一結構。該種設計思想是，使熱膨脹變形后的活塞裙部外形與缸壁間形成某一恰當?shù)挠托ㄩg隙，以獲得最佳的潤滑效果和活塞穩(wěn)定導向的條件，從而改善活塞環(huán)的工作。同時，由于高速運動而產生流體動壓效應，便摩擦副表面間油膜壓力升高，從而達到使兩摩擦面分開，降低其摩擦和減少磨損的目的。87j鐵甲

18、工程機械網-挖掘機網-工程機械網4表面處理新工藝87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網表面處理工藝是改善缸套-活塞環(huán)摩擦副表面摩擦、磨損與潤滑性能的有效方法。近20年來國內外在這領域進行了卓有成效的研究。大量的研究表明，材料表層和亞表層的顯微結構與摩擦磨損特性之間有一定的關系，通過表面處理工藝往往能夠獲得滿意的耐磨或減摩的表面層。87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網目前，表面處理工藝已得到廣泛應用的方法有：87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網(1)表面強化或表面硬化方法，如表面淬火、化學熱處理(表面合金化、表面冶金)、電渡、噴涂、表面超硬覆蓋、堆焊、電火花表面強化以及近年來采用

19、的激光處理、電子束處理和離子注入等等。87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網(2)表面潤化處理，如滲硫、磷化、氮化、氧化、表面軟金屬膜等。87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網(3)復合處理，如淬火和滲硫、滲碳淬火和滲硫、滲氮和滲硫、軟氮化和滲硫、氮氧共滲、氮硫共滲以及鍍鉻與噴鉬相結合等。87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網在汽車內燃機缸套-活塞環(huán)這對摩擦副上，國內外，通常采用的是鍍鉻和噴鉬等表面處理工藝。長期從事研究活塞環(huán)擦傷問題的德國高茨公司 (Goetzwerke)認為，90的擦傷是在磨合運轉過程中產生的?；钊h(huán)同缸壁接觸不均勻局部地方接觸應力很高，油膜遭受破壞均易發(fā)生擦傷

20、。因此，該公司把防止氣缸和活塞的熱變形，注意加工精度作為必須采取的措施。同時，對活塞環(huán)表面進行鍍鉻并噴鉬，其原因是鉬的溶點為2450，要比鑄鐵 (1200)和鉻(1300)高很多；另一個原因是噴鉬活塞環(huán)表面呈多孔性，含油性好，又容易磨合。87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網5合理選擇缸套表面粗糙度87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網眾所周知，在內燃機中，缸套表面粗糙度對耗油量影響很大，也是影響內燃機的抗咬合性、耐磨性和使用壽命的最重要因素之一。一般說來需要有光滑、無毛刺、均勻平穩(wěn)的表面粗糙度。這樣會形成良好的油膜分布，適于支承作往復運動的活塞和活塞環(huán)迅速磨合，改善抗咬合性和耐磨性。為了有利于儲油，要求缸套珩紋成交角120?，先用120140目粒度嵌金剛石珩條粗珩，隨之以含120目碳化硅的合成軟木珩條(含28細軟木、60SiC和12松脂)精珩，以保證有均勻光滑的粗糙度峰頂.87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網6新型極壓抗磨潤滑劑的研制87j鐵甲工程機械網-挖掘機網-工程機械網隨著