汽车设计中的摩擦学设计

1、方舟 13121376 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。 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 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

2、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。 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。 图1 内燃机中主要的燃料能量消耗 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24道活塞环， 分气环与油环2种（如图3）。它们紧贴气缸壁，主要起气密气密和布油布油作用。 这就对活塞环的材料提出了很高的要求，它必须具有

3、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（NSORnarrow 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

4、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。 特殊合口形状锥形压缩环 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

5、) Cr环环 (b) Mo环环(c) CKS环环 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 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 K 磨损体积 （载荷） （总滑动距离） 活塞环与缸套 K/10-8mm3/(Nm)-1 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

6、(Mo环)更好。 曲轴轴承与连杆轴承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

7、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

8、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

9、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。 气门阀与气门阀座气门阀与气门阀座 气门阀与气门阀座系统是内燃机工作条件十分恶劣的摩擦副，它一 方面在气门不断开启和关闭过程中受到冲击载荷的作用，是冲击磨损的典型 实例；另一方面，排气阀头部和阀座承受着炽热废气的高速冲刷（废气温度 可达600800），气门阀的工作表面经受疲劳磨损、粘着磨损、腐蚀磨损 以及高温气流中未燃尽粒子的冲蚀磨损等的作用。这些恶劣的工作条件可能 使气门阀的密封性遭到破坏，严重的

10、将影响发动机的正常工作。所以对气门 阀与气门阀座之间的匹配设计也是汽车摩擦学的一个重要内容。 汽车底盘中的摩擦学设计汽车底盘中的摩擦学设计 轮胎与地面轮胎与地面 胎面磨损 轮胎充气压力 车轮与潮湿地面的接触 （典型的弹性流体动力润滑问题） 轮胎参数 路面条件 轮胎作用力 驱动轮的侧偏 制动器与离合器制动器与离合器 轮胎与路面的摩擦 轮胎的胎面花纹设计 防抱死制动系统（Anti-lock Brake System，ABS） 摩擦制动 胎面磨损是一个复杂的物理化学过程 胎面的弹性滑移产生热和摩擦静电生成橡胶氧化裂纹裂纹扩 展胎面磨损 胎面磨损的研究内容： 橡胶磨损机理 轮胎结构和操纵（速度、转弯、

11、制动）激烈程度的影响 对胎面磨损随行程的增加以回归函数的形式进行描述 车轮的安装角度对轮胎的摩擦和磨损的影响。 由于磨损过程极为复杂，因此到目前为止还不能对轮胎在实际行驶 条件下的磨损率作出令人满意的预测。可以肯定，驾驶员的正确操纵对降低 轮胎磨损有重要影响。 胎面磨损 制动所用摩擦片材料都是典型的摩阻材料。 摩擦制动片的工作特点：在短时间内，摩擦和温度发生巨大变化， 同时处于干摩擦状态，要求材料摩擦系数稳定，耐热性好。 摩阻材料的性能 内因：取决于原材料、配方设计和成型工艺。 外因：温度和PV值。 目前，树脂基摩阻材料是最有发展前途的一类摩阻材料。 此外材料学科的发展促使许多新材料和一系列表

12、面处理技术的出现 摩擦副在高温、高负荷及强腐蚀等特殊工况下工作的需求，也对减摩耐磨材 料向着广度和深度发展起到了重要的推动作用。 摩擦制动 汽车制动时，车轮因制动力过大往往抱死，导致轮胎在地面上滑行，路 面上留下一道黑色橡胶磨痕。这不仅造成轮胎严重的磨损，更主要的是在这 种情况下汽车完全失去操纵方向的能力，往往引起车辆碰撞和翻车事故。 防抱死制动系统（ABS） vwr 100%100% v 车速轮速 滑移率 车速 通过近年来发展起来的ABS技术中的电子控制系统调节制动器制动力， 防止车轮抱死打滑，使车轮保持既制动又滚动的技术状态。试验研究表明， 滑移率在20时车轮与地面的摩阻系数最大，根据这一

13、原理设计的ABS可使 车辆方向仍然处于受控状态。 防抱死制动系统（ABS） 防抱死制动系统（ABS） 时间 速度 车速 轮速 汽车润滑体系由机油与添加剂组成。众所周知，在汽车发动机机 油中加入减摩添加剂可提高其抗摩性能，减少摩擦阻力，延长机件的 使用寿命。目前减摩剂的品种繁多，大体可分为油溶性有机化合物和 固体润滑剂型。 1 无机单质纳米粉体 纳米金刚石，金刚石的硬度在所有材料中最大，不易破碎，而纳米金 刚石又有许多独特的性质，用作润滑油添加剂具有显著的抗磨减摩作 用。 2 纳米无机盐 纳米硼酸锌、硼酸钛、硼酸镁、硼酸钠 3 纳米氢氧化物及纳米氧化物 硬脂酸和己二酸修饰的C6D,纳米粒子进行摩擦磨损性能研究，发现具 有明显的抗磨减摩效果和承载能力 汽车润滑材料 随着我国汽车工业的飞速发展，新工艺和新材料纷纷涌现，展望未来汽 车摩擦学研究，主要集中在以下几个方面： 1）研究新一代汽车，尤其是牵引越野车轮胎，进一步提高车辆机动性和越 野性。 2）研制开发抗高温、耐磨金属基，如铝基复合材料（MMC）、或非金属基 陶瓷纤维等环保、节能型汽车摩擦副配对材料，尤其是在汽车离合器摩擦片 和制动蹄片中应用。 3）研究固体润滑剂，如石墨、聚四氟乙烯（PT-FE）以及新兴纳米技