内燃机缸套-活塞环摩擦学研究回顾与展望

内燃机缸套-活塞环摩擦学研究回顾与展望

西安交通大学张家玺高群钦朱均

摘要:内燃机缸套-活塞环摩擦副是一个典型的摩擦学系统，其中含有多种类型的摩擦和磨损，润滑、摩擦、磨损的相互作用十分显著。其摩擦学性能对提高内燃机的可靠性和耐久性，保证内燃机经济、可靠地工作具有决定性的作用。其摩擦学问题的研究一直是人们关注的热点之一。

关键词：内燃机缸套活塞环摩擦学研究

内燃机中缸套-活塞环摩擦副对内燃机工作性能(动力性、经济性以及稳定性等)和使用寿命有着举足轻重的影响。如何控制好这对摩擦副的摩擦学行为是人们魂系梦牵的事情。由于缸套-活塞环摩擦副的工作条件十分苛刻，经常处于高温、高压和高冲击负荷工作状态。为了解决好这对摩擦副的润滑和抗磨问题，国内外许多汽车工程技术人员，长期以来孜孜以求地投入了大量的研究工作，至今仍在探索。

1 缸套-活塞环摩擦学理论研究概述

从缸套-活塞环研究的历史上看，早期对缸套-活塞环的摩擦学研究主要是求内燃机的摩擦功耗，自Stanton,T.E.1925年发表第一个摩擦力研究结果以来，人们围绕着缸套-活塞环的摩擦及润滑问题做了许多工作，Rogowki,A.R.指出活塞连杆系统的摩擦功耗可占到整个内燃机机械损失的75％，而缸套-活塞环的摩擦功耗又占活塞连杆系统的75％，Ricardo,H.

的研究表明当内燃机以1600r/min转速运转时，活塞连杆系统的损失占机械损失的58％，并指出“对所有内燃机来说，活塞连杆系统的摩擦功耗是机械损耗的最大组成部分，但又是最难准确地定量描述的部分。”最早在点火内燃机上进行摩擦力测量的是美国麻省理工学院的学者们，他们通过研究得出了摩擦力随气体压力升高略有增加的结论。Farobarros,A.T Dyson,A.研究了不同粘度润滑油对摩擦力的影响以及在混合润滑区内减摩添加剂的作用。Wakuri,Y.等人通过对摩擦力的测量和分析，指出贫油对摩擦力有巨大的影响，同时还探讨了环组中活塞环的数目对摩擦力的影响以及缸套-活塞环间油膜厚度随润滑油粘度的变化。Furuhama,s.等人在缸套-活塞环摩擦学特性研究作出了巨大的贡献，他们于70年代末期研制的可动缸测量摩擦力装置，有效地克服了惯性力、气体压力等因素的影响，测得了在整个内燃机工作循环中的摩擦力变化过程，提出了内燃机载荷主要由流体润滑膜承担，而摩擦力主要受混合润滑区域影响的论断，这一点已被后来进一步的理论研究所证实。

Riches,M.F.等人侧重于混合润滑效应，从理论和实验两方面对缸套-活塞环间的摩擦力进行了研究，指出在低速及低粘条件下充分考虑混合润滑作用的重要性。活塞环的摩擦影响着内燃机的效率，而缸套-活塞环的磨损则影响着它们的使用寿命，近年来，对高性能内燃机提出要求之一就是延长不解体检测的运行时间。为此，减少缸套-活塞环的磨损就成了首要的任务。缸套-活塞环的磨损是非常复杂的，它受到许多因素的影响，同时其磨损又包含粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损等多种磨损形式。针对这种情况,Nealc,M.J.经过广泛调查，于1970年发表文章阐述了缸套-活塞环一般的磨损机理，提出了一些改善措施，指出了需要加强研究的问题。基于Archard,J.F.磨损定律，Ting,L.L.等人提出了一种分析缸套-活塞环磨损的模型，分别计算了缸套上推力面和次推力面的磨损，得出了缸套磨损曲线。国内的

桂长林教授也提出了一种将Archard,J.F.模型用于机械零件磨损设计的算法，并重点分析了缸套-活塞环的磨损问题。该文指出了缸套-活塞环的磨损问题的研究成效不显著的原因，主要是在设计上没有建立起一个可以预测缸套-活塞环耐磨寿命的计算模型和计算方法。Baker,A.J.S.等人探讨了影响活塞环擦伤的动力学因素，提出了一种用无量纲临界功能法分析内燃机活塞环工况的方法，此外还探讨了载荷因素对缸套磨损的影响，并对磨损进行了测量。此外，孔凌嘉较全面地讨论了缸套-活塞环的磨损问题，并第一次把磨损和润滑放在一个模型中加以研究，并考察了它们之间的偶合关系，建立了一个同时考虑边界润滑条件下的磨损与三体磨粒磨损的综合分析模型，对磨粒尺寸、磨粒浓度对磨损的影响做了定量的计算。刘琨以内燃机活塞系统为研究对象，较系统地研究了缸套-活塞环、缸套-活塞裙部的摩擦学特性，为进行高性能的内燃机活塞系统设计提供了理论基础。桂长林等人从缸套的磨合、耐磨性、摩擦功耗和机油消耗诸方面对设计上需要确定的表面形貌进行了探讨，给出一些参数组合。缸套-活塞环间的磨损在上、下止(死)点处最大，尽管在冲程中部是流体润滑，但也是磨损存在，这就为磨损提出了新课题，促进人们进一步的研究。润滑是降低摩擦、减少磨损的重要途径，因此缸套-活塞环的润滑也是长期以来人们所致力研究的领域。Castleman,R.A.假定在冲程中部具有典型的载荷和速度，最先对缸套-活塞环流体润滑进行了计算，证实了表面外凸的活塞环可以与缸套间产生足够厚的油膜。后来人们又发现，在分析和求解油膜厚度时，必须考虑挤压效应，这样才能在整个循环中求解。分析表明，活塞环的曲率半径是影响油膜形成的关键因素。在上、下止点处为了保证挤压效应，则活塞环应有较大的曲率半径，而在冲程中部为了保证动压效应，则希望曲率半径小。因此，设计时应综合考虑。在这个阶段，缸套-活塞环的润滑分析是采用简化了的Reynolds方程］。

这样就可完成缸套-活塞环在整个工作周期上的润滑计算。利用此方程除了可以获得油膜厚度和流体压力之外，还可进一步求出由于润滑剂的剪切引起的摩擦力。Dowson,D.等人于1979年把缸套-活塞环的研究推广到了环组，使研究进了一大步。这从理论上就导致了要考虑活塞环间的相互作用。很显然，前一个环会减少后一个环的供油，出现贫油现象。因此，在前后两环之间必须加一个流量连续条件，使得求出的油膜厚度也得到了修正。截止到七十年代末，人们在求解缸套-活塞环润滑时，都是在假定缸套-活塞环表面绝对光滑的前提下进行的，它揭示了活塞环表面轮廓对活塞环特性的重要影响，这是人们早期试图解释活塞环实际工作特性的一个重要方面。但是在研究中发现的一个显著问题就是解释不了由实验所观测到的上、下止点处出现的较大摩擦力，这就使得人们开始探讨表面粗糙的影响。进入八十年代以后，缸套-活塞环的润滑研究扩展到了混合润滑区域。Rohde,S.M.通过把Patir,N.和Cheng,H.S.提出的平均Reynolds方程与Greenwood,J.A.和Tripp,J.H.的微凸体接触模型结合起来，建立了关于缸套-活塞环的混合润滑模型。

通过该模型，可以更好地分析缸套-活塞环的润滑问题，考查表面粗糙度对缸套-活塞环的影响，解释了一些用光滑面流体润滑理论解释不了的问题，从理论上证明了上、下死点处的摩擦力最大。随后围绕混合润滑问题人们又做了许多工作，进一步确认了缸套-活塞环间的混合润滑区域的存在。Hn,Y.Z.和Cheng,H.S.等人考虑了活塞环弹性变形的影响，提出了一个描述油膜特性不对称性的模型。在对缸套-活塞环润滑特性理论分析的同时，实验研究也取得了很大进展，反过来对理论研究又起到了一定的推动作用。实验研究缸套-活塞环润滑特性主要包含两个方面的工作：一是通过实验观察油膜厚度的存在；二是测定油膜厚度的循环变化律。观察油膜厚度存在上要采用电阻法，Poppinga,R.最先使用这种方法测量了油膜厚度，此后又有许多学者采用此方法在不同的内燃机上测量了油膜厚度。这种方法主要的发现是在上止点和下止点处油膜出现破裂，发生了固体接触。电阻法的主要原理是当缸套-活塞环间有油膜存在时，电阻值大，当发生金属间直接接触时，电阻值小。但这种方法反映不出油膜厚度在量值上随运转周期的循环变化。这样人们便提出了用电容法和电感法测量油