汽车发动机汽缸壁摩擦学分析

汽车发动机汽缸壁摩擦学分析在这一部分，我们的分析对象是汽车发动机的汽缸壁。如我们在《摩擦学》课程中所学，摩擦学行为是系统依赖的。所以实际上我们要研究的对象并不只是发动机的汽缸壁，而是发动机气缸和活塞等组成的摩擦学系统。其次这个摩擦学系统中，主要的摩擦应该是发生在汽缸壁与活塞环这一对摩擦副之间。（一）简述发动机气缸汽车发动机由两大机构部分组成：曲柄连杆机构和配气机构。如图是发动机的一个缸体的解剖图。气缸的最上端是燃烧室，空气燃油混合气在这里燃烧，产生大量的热。活塞环上有三个活塞环，上两个是压缩环（气环），下面的一个是机油环（油环）。活塞环是向外扩张的弹性环，两个气环开口交叉放置，可以最大限度的隔绝燃气，提高热效率。活塞的直径略小于汽缸壁，即活塞与汽缸壁不直接接触，靠活塞环实现支撑与相对滑动。曲轴►播放进气口石基和店基环连杆新曲轴►播放进气口石基和店基环连杆新气缸内的有一套单独的润滑机制。机油泵把机油压入联通曲轴、连杆、活塞的润滑道，最后机油在活塞表面流出来，在活塞运动的过程中被油环刮过形成一层油膜附着在汽缸壁上。在往复运动中，油环也会把多余的机油刮下回收到机油箱，防止机油进入燃烧室燃烧。这样机油就完成了一个润滑循环。发动机汽缸壁润滑的工况条件也是十分苛刻的。首先，气缸工作在较高的温度下。发动机工作时，燃烧室内的温度可以到到2000r以上。虽然气缸外有冷却系统循环水不断带走热量，润滑油也会带走一部分热量，但汽缸壁的温度一般还是会在loor以上，而活塞会在200r以上，属于高温下的润滑。其次，气缸内的气压非常高，这样才能推动活塞做功，工作时的最大压力可达5MPa。为了防止高压空气泄露，活塞环和汽缸壁之间接触十分严密，接触压力也很大。另外，活塞在气缸内的运动速度极快，且及不均匀，在上下端点位置速度为零，在中间速度最快，查到的资料显示，活塞运动的平均速度应该在15~20m/s。由此可见，汽缸壁润滑实在高温、高压、高速、高载荷条件下完成的，工况条件可谓是十分苛刻。二）润滑状态及其转化条件由气缸内的润滑机制可以得知，汽缸壁不同位置的润滑状态是不同的。根据我们学过的知识，润滑状态划分的主要依据是膜厚比的大小。由于正常情况下，汽缸壁和活塞环的粗糙度都应该是均匀的。所以膜厚比的变化只由油膜厚度的变化引起。在活塞下行的过程中，油环先于气环，在汽缸壁上刮过形成一层油膜，油量较多，在活塞上行的过程中，由于油环落后于气环，只能收集多余的机油而不能形成油膜，气环只能依靠下行过程中残留的油膜进行润滑。另外，在气缸的上端，油环不可能运动到此处，而且接近燃烧室，导致此处几乎没有润滑油存在，所以是干摩擦或者是边界润滑状态。结合课上所学，流体动压润滑三大条件：一定粘度的润滑油、收敛楔、一定的速度。前文提到，活塞运动速度是不均匀的，在上止点和下止附近速度很低，无法形成油楔，故无法形成流体动压润滑。因此，除了最上端以外，润滑效果最差的位置应该是活塞处于下止点时第个气环所在的位置，油量少，速度低。据分析，此时的润滑状态应该是弹性流体动压润滑或者是混合润滑状态。而在其他位置，速度较高，又有油环刮过形成油膜，故可以看做是流体动压润滑状态。（三）失效类型在探究失效类型之前，我们先要弄清发动机气缸的磨损机制。由于活塞和汽缸壁具有较高温度，所以易发生粘着磨损。在活塞上止点的位置，高压燃气爆发瞬时压力最大，增大了活塞环与汽缸壁之间的压力，同时破坏了润滑油膜，又有较高的温度，致使此处是润滑条件最差的位置，所以磨损最为严重。又由于燃烧气体中中含有硫元素，燃烧后生成硫的氧化物和酸性有机物，溶于水形成酸性物质，故而在摩擦副表面发生腐蚀磨损。黏着磨损和腐蚀磨损是正常情况下常见的两种磨损。在特殊情况下，比如汽车经常在多尘土的地区行驶，会使一部分细小尘埃充进气缸内，夹杂在摩擦副之间，造成磨粒磨损，在这样的特殊情况下，磨粒磨损就成了主要的磨损形式。“拉缸”是汽车发动机最常见的失效形式之一。顾名思义，“拉缸”是指，汽缸壁被磨损形成很的沟纹，活塞环与汽缸壁之间的摩擦副丧失密封性，导致气体泄漏而失效的现象。经过半个学期的学习，这样的失效实际上就是粘着磨损里面的严重的划伤或胶合现象。摩擦副相对滑动过程中，局部产生大量热，导致局部焊和的现象。继续运动使胶合区撕裂，焊和的部分转移到其中一个摩擦副表面，发生严重的犁沟摩擦，或是焊和区硬质磨粒脱落发生二体或三体磨粒磨损。剪切发生在两摩擦副表面的较深层区域，出现严重的磨损，即为拉缸。“敲缸”是另一种常见的气缸失效形式。其表现为，除了发动机正常运转的声音外，还能听到金属敲击的声音。敲缸分为机械敲缸和燃烧敲缸。燃烧敲缸是由于燃烧不正常导致的高压气体冲击活塞和汽缸壁产生金属敲击声，此种敲缸和摩擦磨损关系不大，故我们不在这里重点讨论。而机械敲缸则是由于种种原因导致磨损量过大，出现了间隙不正常的现象，运动副之间的自由度增加，金属相互碰撞发出声音。（四）失效原因分析“拉缸”是一种很典型由于摩擦学系统的工况条件变化而造成的严重磨损现象，机理方面的原因就是润滑条件恶劣导致了磨损的增大。从发动机运行的角度或者是汽车实用角度来看，主要的原因有以下几条。第一，气缸润滑不良。汽缸壁的润滑条件苛刻，极难形成油膜，如果润滑油不足，将使油膜变得更薄，使润滑状态转变为边界润滑甚至是干摩擦。第二，冷却不良。前文提到，拉缸是因为摩擦副表面出现局部高温焊和，因此一旦汽缸壁的冷却做的不好，汽缸壁温度上升，将会极大增加胶合发生的概率。第三，使用劣质燃油。燃油在燃烧室内燃烧不充分是，有可能在排气时发生二次燃烧，使汽缸壁的温度上升。第四，磨合不够充分。由上课所学内容可知，跑合期的磨损速度相对来说比较快，如果在为充分磨合的情况下，就让发动机工作在高负载或是持续长期的负载下，将会使磨损量进一步加大，可能出现拉缸现象。而“敲缸”，尤其是机械敲缸，最主要的原因就是磨损量过大。引起磨损量过大的原因有许多。第一，发生了磨料磨损。磨料磨损是最严重的一种磨损形式，一旦磨料磨损发生，磨损量将会大大增加。当发动机运行环境中有较多尘土时，尘土会进入气缸内，间杂在摩擦副之间。当气缸内积碳过多，碳屑也会形成磨粒。第二，润滑不充分会导致磨损量增大。第三，经常低温启动。由于润滑油总是在高温下工作，低温时粘度升高，不利于形成流体动压润滑的油膜。一些资料表明，低温启动时的磨损量将会使正常运转时的5~7倍。（五）解决方案汽车发动机的这两种失效形式的解决，最终都落实在增加润滑、减小磨损处。下面从润滑系统设计和发动机的使用两方面简单叙述一下。从润滑系统的设计方面来说。首先，汽缸壁的润滑条件苛刻，这对润滑油的性能是一个极大的挑战。（1）润滑油需要具有耐高温性质，至少在发动机正常运行的温度下，不会发生变质。（2）润滑油的粘度要合适。活塞的运动速度极不均匀，需要一个合适的粘度，在上下止点附近低速下和中间段高速下都能够有较强的形成油膜的能力。而且由于活塞环和汽缸壁间正压力较大，润滑油也需要有较强的承载能力。（3）润滑油要有较强的吸附能力，在上止点附件没有油环制造油膜，只能靠残余的润滑油润滑，需要润滑油紧密吸附在汽缸壁上形成油膜。（4）在保证润滑油性能的情况下，尽量减少润滑油中硫元素的含量，在气缸内高温下容易发生反应形成酸性物质，造成腐蚀磨损。其次，由于活塞环与汽缸壁间摩擦的载荷较大，形成流体动压润滑不易，就要求活塞环的截面形状一定要有效果较好的收敛楔。以便于在一定速度下形成流体动压油膜。如上图的三个界面形状。很明显第一个锥形界面只有在上行过程中有收敛楔可以形成流体动压油膜。第二个鼓形截面和第三个两面锥形截面在上下两向都有收敛楔，较锥形截面好。而后两者相比较，鼓形截面与汽缸壁接触面积较小，容易漏气，因此我认为两面锥形截面的活塞环性能最好。然而无论如何，在汽缸壁的润滑过程中总会出现边界润滑甚至是干摩擦。这不服只能靠摩擦副表面性能解决。首先汽缸壁和活塞环的硬度都要求很高，这样才能减小磨损