內(nèi)燃機缸套活塞環(huán)摩擦學(xué)研究回顧與展望

1、內(nèi)燃機缸套活塞環(huán)摩擦學(xué)研究回顧與展望 摘要:內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)摩擦副是一個典型的摩擦學(xué)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(xué)性能對提高內(nèi)燃機的可靠性和耐久性，保證內(nèi)燃機經(jīng)濟、可靠地工作具有決定性的作用。其摩擦學(xué)問題的研究一直是人們關(guān)注的熱點之一。87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機缸套活塞環(huán)摩擦學(xué)研究87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)內(nèi)燃機中缸套-活塞環(huán)摩擦副對內(nèi)燃機工作性能(動力性、經(jīng)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(xué)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(jīng)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(nèi)外許多汽車工程技術(shù)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(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)1缸套-活塞環(huán)摩擦學(xué)理論研究概述87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)2摩擦副材料的合理選配87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)正確選擇摩擦副的材料是提高缸套-活塞環(huán)耐磨性的關(guān)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(cè)推力引起的應(yīng)力，以及由于高溫氣體引起的熱應(yīng)力，要求缸套材料必須具有很高的結(jié)構(gòu)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(xué)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(xué)性能與摩擦學(xué)性能之間的協(xié)調(diào)。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(xué)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(dāng)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(zhuǎn)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(chǎn)的車用內(nèi)燃機中頂環(huán)的最合適材料。因為其強度足以經(jīng)受內(nèi)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(nèi)車用內(nèi)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(fēng)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(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)3引入流體動壓潤滑理論87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)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(nèi)燃機設(shè)計制造廠家早在本世紀(jì)六十年代初期就有意識地引入流體動壓潤滑理論到內(nèi)燃機的零部件設(shè)計中去。應(yīng)用流體動壓效應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)。1975年該公司又為我國第二汽車制造廠生

6、產(chǎn)的EQ6105型汽油機所作修改設(shè)計時，采用了這一結(jié)構(gòu)，隨后第一汽車制造廠生產(chǎn)的CA6102型汽油機也采用這一結(jié)構(gòu)。該種設(shè)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(dāng)?shù)挠托ㄩg隙，以獲得最佳的潤滑效果和活塞穩(wěn)定導(dǎo)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(chǎn)生流體動壓效應(yīng)，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(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)4表面處理新工藝87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)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(nèi)外在這領(lǐng)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(jié)構(gòu)與摩擦磨損特性之間有一定的關(guān)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(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)目前，表面處理工藝已得到廣泛應(yīng)用的方法有：87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)(1)表面強化或表面硬化方法，如表面淬火、化學(xué)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(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)(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(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)(3)復(fù)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(jié)合等。87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)在汽車內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)這對摩擦副上，國內(nèi)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(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的。活塞環(huán)同缸壁接觸不均勻局部地方接觸應(yīng)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(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)5合理選擇缸套表面粗糙度87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)眾所周知，在內(nèi)燃機中，缸套表面粗糙度對耗油量影響很大，也是影響內(nèi)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(fù)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(wǎng)-挖掘

10、機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)6新型極壓抗磨潤滑劑的研制87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)隨著現(xiàn)代內(nèi)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(fù)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(nèi)燃機的磨合期內(nèi)，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(chǎn)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(jié)、擦傷等損傷形式。隨著這類問題的出現(xiàn)，國內(nèi)外許多潤滑油生產(chǎn)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(dāng)摩擦面接觸壓力高時，兩金屬表面的凹凸點上嚙合，產(chǎn)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(xué)反應(yīng)，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(jié)。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(jié)和磨損。87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)7展望87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)(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(wǎng)-

12、挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)(2)內(nèi)燃機磨合過程的摩擦學(xué)設(shè)計研究，建立其磨合過程的動力學(xué)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(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)(3)研究新型發(fā)動機潤滑劑將潤滑與摩擦學(xué)改性有機統(tǒng)一起來。摘要:內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)摩擦副是一個典型的摩擦學(xué)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(xué)性能對提高內(nèi)燃機的可靠性和耐久性，保證內(nèi)燃機經(jīng)濟、可靠地工作具有決定性的作用。其摩擦學(xué)問題的研究一直是人們關(guān)注的熱點之一。87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機缸套活塞環(huán)摩擦學(xué)研究87j鐵甲工程機械網(wǎng)

13、-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)內(nèi)燃機中缸套-活塞環(huán)摩擦副對內(nèi)燃機工作性能(動力性、經(jīng)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(xué)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(jīng)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(nèi)外許多汽車工程技術(shù)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(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)1缸套-活塞環(huán)摩擦學(xué)理論研究概述87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)87j鐵甲工程機械網(wǎng)

14、-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)2摩擦副材料的合理選配87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)正確選擇摩擦副的材料是提高缸套-活塞環(huán)耐磨性的關(guān)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(cè)推力引起的應(yīng)力，以及由于高溫氣體引起的熱應(yīng)力，要求缸套材料必須具有很高的結(jié)構(gòu)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(xué)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(xué)性能與摩擦學(xué)性能之間的協(xié)調(diào)。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(xué)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(dāng)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(zhuǎn)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(chǎn)的車用內(nèi)燃機中頂環(huán)的最合適材料。因為其強度足以經(jīng)受內(nèi)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(nèi)車用內(nèi)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(fēng)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(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)3引入流體動壓潤滑理論87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)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(nèi)燃機設(shè)計制造廠家早在本世紀(jì)六十年代初期就有意識地引入流體動壓潤滑理論到內(nèi)燃機的零部件設(shè)計中去。應(yīng)用流體動壓效應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)。1975年該公司又為我國第二汽車制造廠生產(chǎn)的EQ6105型汽油機所作修改設(shè)計時，采用了這一結(jié)構(gòu)，隨后第一汽車制造廠生產(chǎn)的CA6102型汽油機也采用這一結(jié)構(gòu)。該種設(shè)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(dāng)?shù)挠托ㄩg隙，以獲得最佳的潤滑效果和活塞穩(wěn)定導(dǎo)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(chǎn)生流體動壓效應(yīng)，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(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)4表面處理新工藝87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)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(nèi)外在這領(lǐng)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(jié)構(gòu)與摩擦磨損特性之間有一定的關(guān)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(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)目前，表面處理工藝已得到廣泛應(yīng)用的方法有：87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)(1)表面強化或表面硬化方法，如表面淬火、化學(xué)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(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)(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(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)(3)復(fù)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(jié)合等。87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)在汽車內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)這對摩擦副上，國內(nèi)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(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的。活塞環(huán)同缸壁接觸不均勻局部地方接觸應(yīng)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(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)5合理選擇缸套表面粗糙度87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)眾所周知，在內(nèi)燃機中，缸套表面粗糙度對耗油量影響很大，也是影響內(nèi)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(fù)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(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)6新型極壓抗磨潤滑劑的研制87j鐵甲工程機械網(wǎng)-挖掘機網(wǎng)-工程機械網(wǎng)隨著