汽车设计中的摩擦学设计共27页

✓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 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。
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。
➢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。
➢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 ）
K/10-8mm3/(N·m)-1
➢活塞环与缸套
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。
➢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 略的因素。
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
(c) CKS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
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 2.3 汽车润滑材料 3. 汽车摩擦学应用展望
➢气门阀与气门阀座
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。
➢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Hale Waihona Puke ✓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 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。
➢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。
锥形压缩环
✓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 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。
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
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 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％。
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。