汽车设计中的摩擦学设计分析解析

活塞环与缸套
活塞环是发动机中的重要组成部件。活塞中一般装有2～4道活塞环，
分气环与油环2种（如图3）。它们紧贴气缸壁，主要起气密和布油作用。 这就对活塞环的材料提出了很高的要求，它必须具有良好的导热性和高
温机械性能；具有足够的储油能力；既要具有良好的跑合性以保证气密，
又要具有良好的耐磨性。
活塞环与缸套
径，使得曲轴曲柄臂重叠度下降。为了保证曲轴的强度，同时兼顾到发动机
机械效率，必须合理设计轴径。
轴承宽度
不同轴承宽度下的功损
轴承宽度决定了轴承摩擦面积。图为轴承宽度对轴承摩擦功损的影响。
其中：PB为连杆大头轴承；MB为主轴承。
由图可以看出，轴承功损与轴承宽度成正比。通常对于径向轴承，在完 全液力动力润滑条件下可以认为油膜的包角是一定的。径向轴承的摩擦面积
(c) CKS环
ຫໍສະໝຸດ Baidu 活塞环与缸套
活塞环—汽缸壁磨损试验装置示意图
活塞环和汽缸壁的耐磨性用磨损系数来评价，磨损系数由下式得到
磨损体积 K （载荷） （总滑动距离）
活塞环与缸套
70 60
K/10-8mm3/(N· m)-1
50 40 30 20 10 0 Cr环 Mo环 CKS环
实验表明，Mo环和与匹配的缸套的汽缸壁均具有相对较大的磨 损系数，Mo环的磨损系数分别是Cr环和CKS环磨损系数的6.88倍和 49.6倍；CKS环具有很低的磨损系数。 因此，从此试验中我们得出，陶瓷复合镀铬环(CKS环)的耐磨性 能比镀铬环(Cr环)、喷钼环(Mo环)更好。
锥形压缩环
特殊合口形状
活塞环与缸套
（3）活塞环表面镀层 通过活塞环的表面镀层，可以改善摩擦副的摩擦特性，降低二者的摩擦 和磨损。通常采用的活塞环表面镀层方法有镀Cr、喷Mo等。
(a) Cr环
(b) Mo环
图为带有球墨铸铁基体的镀铬环（Cr环）、喷钼环（Mo环） 和陶瓷复合镀铬环（CKS环）表面镀层
曲轴轴承与连杆轴承
影响轴承摩擦的几种主要因素:
润滑油
轴承间隙 轴径
轴承宽度
润滑油
不同油品的轴承功损
润滑是减少摩擦损失的关键，选择合适的润滑油可以有效地降低摩擦。
由图可以看出，低粘度的润滑油是有利于减少摩擦损失的。因此，一般 在润滑油选用时满足润滑需要即可，盲目选用高粘度润滑油，势必增加发动
为了减少活塞环与缸孔之间的摩擦损耗，现有的方法有以下几种： （1）减少活塞环根数 汽油机只采用一根油环和一根压缩环。柴油机采用两根压缩环一根油环。 油环采用窄单轨油环（NSOR—narrow single rail oil ring）。压缩环厚度减 薄，通过减少活塞环与缸孔的接触面积来降低摩擦损失。 活塞环尺寸趋于减薄，而所承受的负荷却有增大的倾向。因而活塞环的
2.3 汽车润滑材料
3. 汽车摩擦学应用展望
摩擦学与汽车设计和使用的关系

摩擦消耗大量能量，摩擦产生磨损，造成机械效率降低、 燃料消耗增加、零件精度下降，导致汽车的早期损坏。

为了提高汽车的使用寿命和可靠性，延长汽车大修里程，
应当运用摩擦学知识从汽车的设计、制造以及使用和维
修工作中，充分控制摩擦，尽量减少磨损。
汽车设计中的摩擦学设计
方舟 13121376
引言
汽车有发动机、底盘、车身、电气设备。发动机包 括了燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系、起动系， 底盘包括了行驶系、转向系、制动系、传动系。
内容
1. 摩擦学与汽车设计和使用的关系 2. 汽车设计中的摩擦学问题 2.1 发动机中的摩擦学设计
2.2 汽车底盘中的摩擦学设计
工作应力增加，传统的活塞环材料——合金灰铸铁已有强度不足之虞。这样
便促使活塞环材料由合金灰铸铁向钢转变，据悉现代高性能发动机的上压缩 环已大半由不锈钢制造。
通过采用两根活塞环和减小压缩环厚度等措施，可使摩擦阻力减小50
％，燃油消耗下降5％。
活塞环与缸套
（2）降低活塞环弹力 弹力降低可能引起机油消耗增加。但是，机油消耗增加是排气污染物— —颗粒增加的主要因素，是应当极力避免的。为此对压缩环的设计进行了改 进。在两根环的结构中。把压缩环的滑动面设计成刮油能力强的的锥形，环 的开口部位设计成密封和强度方面都最适宜的特殊合口形状。

汽车有些零部件是靠摩擦工作的，如汽车的离合器和制
动器，其安全性和可靠性是通过增大摩擦副的摩擦系数
达到的，因此增加摩擦的技术研究也是十分重要的。

发动机中的摩擦学设计
——对发动机进行摩擦学设计，目的是减少磨损、摩擦导致的排放和燃
油损耗，力图延长零部件寿命、提高能源利用效率。
图1 内燃机中主要的燃料能量消耗 内燃机中的主要能量消耗，其中活塞的能量消耗占30％。由此可见， 发动机能耗的关键是活塞环组—缸套的磨耗问题。
问题。如间隙增大则增加机油泵负荷，同时，往往也导致振动增加。
轴径
不同轴径下的轴承功损
随着轴径的放大和发动机转速的提高，轴颈圆周速度增大，则轴承摩擦
损失也将增大，较小的轴径有利于减小轴承摩擦功损。曲轴轴承摩擦功损对
主轴承直径的变化比较敏感，而曲柄销直径变化的影响则较小。通过减小轴 径可以有效减小轴承功损，但是同时也为曲轴强度带来了风险。过度减小轴
正比于轴承宽度。因此，减小轴承宽度可以减小轴承功损。但是，过小的轴
承宽度会导致轴承比压过高。因此，在设计轴承宽度时，必须以保证轴承比 压为前提。
凸轮、摇臂与挺杆
控制气阀开闭的凸轮挺杆机构或凸轮-摇臂-挺杆机构是典型的动载 弹性流体动力润滑理论的应用实例，曾先后产生多种用以计算接触区的 油膜厚度、压力分布以及其他摩擦学参数的方法。良好的设计将使凸轮 副表面处于弹性流体动力润滑状态下工作，从而具有所期望的抗磨损可 靠性。对于高速发动机，凸轮副表面的摩擦学行为是系统设计中不可忽
机的摩擦功率损失。但是，在某些情况下，如高温、高转速等情况，为了保
证发动机润滑性能，必须要牺牲一部分低速下的功率而选用较高粘度的润滑 油。
轴承间隙
不同间隙下的轴承功损
合适的轴承间隙，有利于液力动力润滑的建立。
在合理的设计范围内，间隙增大时，轴承的摩擦功损在下降。由于轴承
间隙增大时，形成液力动力润滑的几何条件在改善，有利于楔形油膜的形 成，因此，摩擦功率损失减小了。但是，一味地增加轴承间隙也会带来很多