汽車發(fā)動機(jī)汽缸壁摩擦學(xué)分析

汽車發(fā)動機(jī)汽缸壁摩擦學(xué)分析在這一部分，我們的分析對象是汽車發(fā)動機(jī)的汽缸壁。如我們在《摩擦學(xué)》課程中所學(xué)，摩擦學(xué)行為是系統(tǒng)依賴的。所以實際上我們要研究的對象并不只是發(fā)動機(jī)的汽缸壁，而是發(fā)動機(jī)氣缸和活塞等組成的摩擦學(xué)系統(tǒng)。其次這個摩擦學(xué)系統(tǒng)中，主要的摩擦應(yīng)該是發(fā)生在汽缸壁與活塞環(huán)這一對摩擦副之間。（一）簡述發(fā)動機(jī)氣缸汽車發(fā)動機(jī)由兩大機(jī)構(gòu)部分組成：曲柄連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)。如圖是發(fā)動機(jī)的一個缸體的解剖圖。氣缸的最上端是燃燒室，空氣燃油混合氣在這里燃燒，產(chǎn)生大量的熱?；钊h(huán)上有三個活塞環(huán)，上兩個是壓縮環(huán)（氣環(huán)），下面的一個是機(jī)油環(huán)（油環(huán)）?；钊h(huán)是向外擴(kuò)張的彈性環(huán)，兩個氣環(huán)開口交叉放置，可以最大限度的隔絕燃?xì)?，提高熱效率?；钊闹睆铰孕∮谄妆?，即活塞與汽缸壁不直接接觸，靠活塞環(huán)實現(xiàn)支撐與相對滑動。曲軸?播放進(jìn)氣口石基和店基環(huán)連桿新曲軸?播放進(jìn)氣口石基和店基環(huán)連桿新氣缸內(nèi)的有一套單獨(dú)的潤滑機(jī)制。機(jī)油泵把機(jī)油壓入聯(lián)通曲軸、連桿、活塞的潤滑道，最后機(jī)油在活塞表面流出來，在活塞運(yùn)動的過程中被油環(huán)刮過形成一層油膜附著在汽缸壁上。在往復(fù)運(yùn)動中，油環(huán)也會把多余的機(jī)油刮下回收到機(jī)油箱，防止機(jī)油進(jìn)入燃燒室燃燒。這樣機(jī)油就完成了一個潤滑循環(huán)。發(fā)動機(jī)汽缸壁潤滑的工況條件也是十分苛刻的。首先，氣缸工作在較高的溫度下。發(fā)動機(jī)工作時，燃燒室內(nèi)的溫度可以到到2000r以上。雖然氣缸外有冷卻系統(tǒng)循環(huán)水不斷帶走熱量，潤滑油也會帶走一部分熱量，但汽缸壁的溫度一般還是會在loor以上，而活塞會在200r以上，屬于高溫下的潤滑。其次，氣缸內(nèi)的氣壓非常高，這樣才能推動活塞做功，工作時的最大壓力可達(dá)5MPa。為了防止高壓空氣泄露，活塞環(huán)和汽缸壁之間接觸十分嚴(yán)密，接觸壓力也很大。另外，活塞在氣缸內(nèi)的運(yùn)動速度極快，且及不均勻，在上下端點位置速度為零，在中間速度最快，查到的資料顯示，活塞運(yùn)動的平均速度應(yīng)該在15~20m/s。由此可見，汽缸壁潤滑實在高溫、高壓、高速、高載荷條件下完成的，工況條件可謂是十分苛刻。二）潤滑狀態(tài)及其轉(zhuǎn)化條件由氣缸內(nèi)的潤滑機(jī)制可以得知，汽缸壁不同位置的潤滑狀態(tài)是不同的。根據(jù)我們學(xué)過的知識，潤滑狀態(tài)劃分的主要依據(jù)是膜厚比的大小。由于正常情況下，汽缸壁和活塞環(huán)的粗糙度都應(yīng)該是均勻的。所以膜厚比的變化只由油膜厚度的變化引起。在活塞下行的過程中，油環(huán)先于氣環(huán)，在汽缸壁上刮過形成一層油膜，油量較多，在活塞上行的過程中，由于油環(huán)落后于氣環(huán)，只能收集多余的機(jī)油而不能形成油膜，氣環(huán)只能依靠下行過程中殘留的油膜進(jìn)行潤滑。另外，在氣缸的上端，油環(huán)不可能運(yùn)動到此處，而且接近燃燒室，導(dǎo)致此處幾乎沒有潤滑油存在，所以是干摩擦或者是邊界潤滑狀態(tài)。結(jié)合課上所學(xué)，流體動壓潤滑三大條件：一定粘度的潤滑油、收斂楔、一定的速度。前文提到，活塞運(yùn)動速度是不均勻的，在上止點和下止附近速度很低，無法形成油楔，故無法形成流體動壓潤滑。因此，除了最上端以外，潤滑效果最差的位置應(yīng)該是活塞處于下止點時第個氣環(huán)所在的位置，油量少，速度低。據(jù)分析，此時的潤滑狀態(tài)應(yīng)該是彈性流體動壓潤滑或者是混合潤滑狀態(tài)。而在其他位置，速度較高，又有油環(huán)刮過形成油膜，故可以看做是流體動壓潤滑狀態(tài)。（三）失效類型在探究失效類型之前，我們先要弄清發(fā)動機(jī)氣缸的磨損機(jī)制。由于活塞和汽缸壁具有較高溫度，所以易發(fā)生粘著磨損。在活塞上止點的位置，高壓燃?xì)獗l(fā)瞬時壓力最大，增大了活塞環(huán)與汽缸壁之間的壓力，同時破壞了潤滑油膜，又有較高的溫度，致使此處是潤滑條件最差的位置，所以磨損最為嚴(yán)重。又由于燃燒氣體中中含有硫元素，燃燒后生成硫的氧化物和酸性有機(jī)物，溶于水形成酸性物質(zhì)，故而在摩擦副表面發(fā)生腐蝕磨損。黏著磨損和腐蝕磨損是正常情況下常見的兩種磨損。在特殊情況下，比如汽車經(jīng)常在多塵土的地區(qū)行駛，會使一部分細(xì)小塵埃充進(jìn)氣缸內(nèi)，夾雜在摩擦副之間，造成磨粒磨損，在這樣的特殊情況下，磨粒磨損就成了主要的磨損形式?！袄住笔瞧嚢l(fā)動機(jī)最常見的失效形式之一。顧名思義，“拉缸”是指，汽缸壁被磨損形成很的溝紋，活塞環(huán)與汽缸壁之間的摩擦副喪失密封性，導(dǎo)致氣體泄漏而失效的現(xiàn)象。經(jīng)過半個學(xué)期的學(xué)習(xí)，這樣的失效實際上就是粘著磨損里面的嚴(yán)重的劃傷或膠合現(xiàn)象。摩擦副相對滑動過程中，局部產(chǎn)生大量熱，導(dǎo)致局部焊和的現(xiàn)象。繼續(xù)運(yùn)動使膠合區(qū)撕裂，焊和的部分轉(zhuǎn)移到其中一個摩擦副表面，發(fā)生嚴(yán)重的犁溝摩擦，或是焊和區(qū)硬質(zhì)磨粒脫落發(fā)生二體或三體磨粒磨損。剪切發(fā)生在兩摩擦副表面的較深層區(qū)域，出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損，即為拉缸?！扒酶住笔橇硪环N常見的氣缸失效形式。其表現(xiàn)為，除了發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的聲音外，還能聽到金屬敲擊的聲音。敲缸分為機(jī)械敲缸和燃燒敲缸。燃燒敲缸是由于燃燒不正常導(dǎo)致的高壓氣體沖擊活塞和汽缸壁產(chǎn)生金屬敲擊聲，此種敲缸和摩擦磨損關(guān)系不大，故我們不在這里重點討論。而機(jī)械敲缸則是由于種種原因?qū)е履p量過大，出現(xiàn)了間隙不正常的現(xiàn)象，運(yùn)動副之間的自由度增加，金屬相互碰撞發(fā)出聲音。（四）失效原因分析“拉缸”是一種很典型由于摩擦學(xué)系統(tǒng)的工況條件變化而造成的嚴(yán)重磨損現(xiàn)象，機(jī)理方面的原因就是潤滑條件惡劣導(dǎo)致了磨損的增大。從發(fā)動機(jī)運(yùn)行的角度或者是汽車實用角度來看，主要的原因有以下幾條。第一，氣缸潤滑不良。汽缸壁的潤滑條件苛刻，極難形成油膜，如果潤滑油不足，將使油膜變得更薄，使?jié)櫥瑺顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫吔鐫櫥踔潦歉赡Σ痢５诙?，冷卻不良。前文提到，拉缸是因為摩擦副表面出現(xiàn)局部高溫焊和，因此一旦汽缸壁的冷卻做的不好，汽缸壁溫度上升，將會極大增加膠合發(fā)生的概率。第三，使用劣質(zhì)燃油。燃油在燃燒室內(nèi)燃燒不充分是，有可能在排氣時發(fā)生二次燃燒，使汽缸壁的溫度上升。第四，磨合不夠充分。由上課所學(xué)內(nèi)容可知，跑合期的磨損速度相對來說比較快，如果在為充分磨合的情況下，就讓發(fā)動機(jī)工作在高負(fù)載或是持續(xù)長期的負(fù)載下，將會使磨損量進(jìn)一步加大，可能出現(xiàn)拉缸現(xiàn)象。而“敲缸”，尤其是機(jī)械敲缸，最主要的原因就是磨損量過大。引起磨損量過大的原因有許多。第一，發(fā)生了磨料磨損。磨料磨損是最嚴(yán)重的一種磨損形式，一旦磨料磨損發(fā)生，磨損量將會大大增加。當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行環(huán)境中有較多塵土?xí)r，塵土?xí)M(jìn)入氣缸內(nèi)，間雜在摩擦副之間。當(dāng)氣缸內(nèi)積碳過多，碳屑也會形成磨粒。第二，潤滑不充分會導(dǎo)致磨損量增大。第三，經(jīng)常低溫啟動。由于潤滑油總是在高溫下工作，低溫時粘度升高，不利于形成流體動壓潤滑的油膜。一些資料表明，低溫啟動時的磨損量將會使正常運(yùn)轉(zhuǎn)時的5~7倍。（五）解決方案汽車發(fā)動機(jī)的這兩種失效形式的解決，最終都落實在增加潤滑、減小磨損處。下面從潤滑系統(tǒng)設(shè)計和發(fā)動機(jī)的使用兩方面簡單敘述一下。從潤滑系統(tǒng)的設(shè)計方面來說。首先，汽缸壁的潤滑條件苛刻，這對潤滑油的性能是一個極大的挑戰(zhàn)。（1）潤滑油需要具有耐高溫性質(zhì)，至少在發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行的溫度下，不會發(fā)生變質(zhì)。（2）潤滑油的粘度要合適?；钊倪\(yùn)動速度極不均勻，需要一個合適的粘度，在上下止點附近低速下和中間段高速下都能夠有較強(qiáng)的形成油膜的能力。而且由于活塞環(huán)和汽缸壁間正壓力較大，潤滑油也需要有較強(qiáng)的承載能力。（3）潤滑油要有較強(qiáng)的吸附能力，在上止點附件沒有油環(huán)制造油膜，只能靠殘余的潤滑油潤滑，需要潤滑油緊密吸附在汽缸壁上形成油膜。（4）在保證潤滑油性能的情況下，盡量減少潤滑油中硫元素的含量，在氣缸內(nèi)高溫下容易發(fā)生反應(yīng)形成酸性物質(zhì)，造成腐蝕磨損。其次，由于活塞環(huán)與汽缸壁間摩擦的載荷較大，形成流體動壓潤滑不易，就要求活塞環(huán)的截面形狀一定要有效果較好的收斂楔。以便于在一定速度下形成流體動壓油膜。如上圖的三個界面形狀。很明顯第一個錐形界面只有在上行過程中有收斂楔可以形成流體動壓油膜。第二個鼓形截面和第三個兩面錐形截面在上下兩向都有收斂楔，較錐形截面好。而后兩者相比較，鼓形截面與汽缸壁接觸面積較小，容易漏氣，因此我認(rèn)為兩面錐形截面的活塞環(huán)性能最好。然而無論如何，在汽缸壁的潤滑過程中總會出現(xiàn)邊界潤滑甚至是干摩擦。這不服只能靠摩擦副表面性能解決。首先汽缸壁和活塞環(huán)的硬度都要求很高，這樣才能減小磨損