内燃机缸套活塞环摩擦学研究回顾与展望

1、内燃机缸套活塞环摩擦学研究回顾与展望 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。87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网关键词：内燃机缸套活塞环摩擦学研究87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网内燃机中缸套-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

2、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。87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网1缸套-活塞环摩擦学理论研究概述87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网2摩擦副材料的合理选配87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网正确选择摩擦副的材料是提高缸套-活塞环耐磨性的关键。根据不同的磨损类型来具体考虑不同的配

3、合副材料，一般选用互溶性小的材料，以防止粘着磨损；选用高硬度材料以防止其磨料磨损。就缸套来说，出于缸壁承受高压气体和活塞的侧推力引起的应力，以及由于高温气体引起的热应力，要求缸套材料必须具有很高的结构强度和疲劳强度，否则会造成缸套变形或材料过早疲劳破坏。此外，还必须具有良好的摩擦学性能，例如，耐磨性和抗咬合性，但是在单一的材料中往往不具备所需上述各种性能。因此，在根据使用要求，选择合适的缸套材料时必须考虑力学性能与摩擦学性能之间的协调。缸套大多数用灰铸铁或奥氏体铸铁制成。为了提高缸套的力学强度，需要添加镍、铬、铜和钼等元素，以形成多相金属。为了改善耐磨性，相当普通的做法是至少添加0.39(按重

4、量计)的铬，而一般认为同时要加0.65的钼。就活塞环来讲，国外通常选灰铸铁为母体，表层镀铬、钼或镍。随着燃烧室最高燃气压力、压力递升率和发动机转速的不断提高，需要用抗拉强度和疲劳强度高的材料。特别是顶环，因为它处于极为残酷的工况下工作。目前已研制了如球墨铸铁和碳化可锻铸铁之类的材料，一般认为碳化可锻铸铁是近期生产的车用内燃机中顶环的最合适材料。因为其强度足以经受内燃机各种工况，而且比球墨铸铁不易发生咬合，此外，球墨铸铁虽有很高的抗拉强度和疲劳强度，但其成本较高且耐磨性较差。国内车用内燃机的缸套-活塞环常用的材料，一般为合金铸铁材料，如解放CA6102型发动机和东风EQ6105型发动机的缸套材料

5、分别为铌合金铸铁和球墨铸铁；活塞环材料则分别为可锻铸铁镀铬处理和球墨铸铁镀铬处理。87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网3引入流体动压润滑理论87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网缸套-活塞环工作条件恶劣，润滑条件差。为了减小磨损，国外一些内燃机设计制造厂家早在本世纪六十年代初期就有意识地引入流体动压润滑理论到内燃机的零部件设计中去。应用流体动压效应来改善发动机缸套-活塞环润滑条件，英国里卡多公司(Recardo)率先进行这方面的研究，六十年代末，该公司曾为美国福特汽车公司和日本丰田汽车公司，设计桶形环和活塞裙部纵向基线是鼓形的新型活塞环组结构。1975年该公司又为我国第二汽车制造厂生

6、产的EQ6105型汽油机所作修改设计时，采用了这一结构，随后第一汽车制造厂生产的CA6102型汽油机也采用这一结构。该种设计思想是，使热膨胀变形后的活塞裙部外形与缸壁间形成某一恰当的油楔间隙，以获得最佳的润滑效果和活塞稳定导向的条件，从而改善活塞环的工作。同时，由于高速运动而产生流体动压效应，便摩擦副表面间油膜压力升高，从而达到使两摩擦面分开，降低其摩擦和减少磨损的目的。87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网4表面处理新工艺87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网表面处理工艺是改善缸套-活塞环摩擦副表面摩擦、磨损与润滑性能的有效方法。近20年来国内外在这领域进行了卓有成效的研究。大量的研

7、究表明，材料表层和亚表层的显微结构与摩擦磨损特性之间有一定的关系，通过表面处理工艺往往能够获得满意的耐磨或减摩的表面层。87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网目前，表面处理工艺已得到广泛应用的方法有：87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网(1)表面强化或表面硬化方法，如表面淬火、化学热处理(表面合金化、表面冶金)、电渡、喷涂、表面超硬覆盖、堆焊、电火花表面强化以及近年来采用的激光处理、电子束处理和离子注入等等。87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网(2)表面润化处理，如渗硫、磷化、氮化、氧化、表面软金属膜等。87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网(3)复合处理，如淬火和渗硫、渗

8、碳淬火和渗硫、渗氮和渗硫、软氮化和渗硫、氮氧共渗、氮硫共渗以及镀铬与喷钼相结合等。87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网在汽车内燃机缸套-活塞环这对摩擦副上，国内外，通常采用的是镀铬和喷钼等表面处理工艺。长期从事研究活塞环擦伤问题的德国高茨公司(Goetzwerke)认为，90的擦伤是在磨合运转过程中产生的。活塞环同缸壁接触不均匀局部地方接触应力很高，油膜遭受破坏均易发生擦伤。因此，该公司把防止气缸和活塞的热变形，注意加工精度作为必须采取的措施。同时，对活塞环表面进行镀铬并喷钼，其原因是钼的溶点为2450，要比铸铁(1200)和铬(1300)高很多；另一个原因是喷钼活塞环表面呈多孔性，含油

9、性好，又容易磨合。87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网5合理选择缸套表面粗糙度87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网众所周知，在内燃机中，缸套表面粗糙度对耗油量影响很大，也是影响内燃机的抗咬合性、耐磨性和使用寿命的最重要因素之一。一般说来需要有光滑、无毛刺、均匀平稳的表面粗糙度。这样会形成良好的油膜分布，适于支承作往复运动的活塞和活塞环迅速磨合，改善抗咬合性和耐磨性。为了有利于储油，要求缸套珩纹成交角120?，先用120140目粒度嵌金刚石珩条粗珩，随之以含120目碳化硅的合成软木珩条(含28细软木、60SiC和12松脂)精珩，以保证有均匀光滑的粗糙度峰顶.87j铁甲工程机械网-挖掘

10、机网-工程机械网6新型极压抗磨润滑剂的研制87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网随着现代内燃机强化系数的不断提高，其缸套-活塞环的工况日益恶劣。这使得配合副之间的润滑方式极为复杂，可能同时存在着边界润滑、流体动压润滑和混合润滑。尤其在内燃机的磨合期内，其配合副的实际接触面积仅为名义接触面积的0.011，表面上微凸体之间的接触压力很高，摩擦过程中会产生局部高温可达1000以上。在这种情况下缸套-活塞环之间很容易出现粘着、熔焊、烧结、擦伤等损伤形式。随着这类问题的出现，国内外许多润滑油生产厂家纷纷相继研制出不同种类极压抗磨剂。极压抗磨剂(Extrcme Pressure Antiwear Ad

11、ditive)主要是含有活性元素S、C1和P的有机化合物。当摩擦面接触压力高时，两金属表面的凹凸点上啮合，产生局部高压、高温，此时极压抗磨剂中的活性元素与金属发生化学反应，形成剪切强度很低的固体保护膜，把两金属表面隔开，从而防止金属磨损和烧结。一般而言，含磷添加剂在负荷较小的条件下有明显的抗磨性；含硫或氯的添加剂在高负荷、高温条件下可有效防止烧结和磨损。87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网7展望87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网(1)缸套-活塞环的磨损及失效机理研究，寻找新材料和新工艺进一步提高该对摩擦副的使用寿命。87j铁甲工程机械网-

12、挖掘机网-工程机械网(2)内燃机磨合过程的摩擦学设计研究，建立其磨合过程的动力学模型，探讨影响磨合的各种因素，解决好磨合过程中的载荷速度时间磨合优化问题。87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网(3)研究新型发动机润滑剂将润滑与摩擦学改性有机统一起来。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。87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网关键词：内燃机缸套活塞环摩擦学研究87j铁甲工程机械网

13、-挖掘机网-工程机械网内燃机中缸套-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。87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网1缸套-活塞环摩擦学理论研究概述87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网87j铁甲工程机械网

14、-挖掘机网-工程机械网87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网2摩擦副材料的合理选配87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网正确选择摩擦副的材料是提高缸套-活塞环耐磨性的关键。根据不同的磨损类型来具体考虑不同的配合副材料，一般选用互溶性小的材料，以防止粘着磨损；选用高硬度材料以防止其磨料磨损。就缸套来说，出于缸壁承受高压气体和活塞的侧推力引起的应力，以及由于高温气体引起的热应力，要求缸套材料必须具有很高的结构强度和疲劳强度，否则会造成缸套变形或材料过早疲劳破坏。此外，还必须具有良好的摩擦学性能，例如，耐磨性和抗咬合性，但是在单一的材料中往往不具备所需上述各种性能。因此，在根据使用要求，选择

15、合适的缸套材料时必须考虑力学性能与摩擦学性能之间的协调。缸套大多数用灰铸铁或奥氏体铸铁制成。为了提高缸套的力学强度，需要添加镍、铬、铜和钼等元素，以形成多相金属。为了改善耐磨性，相当普通的做法是至少添加0.39(按重量计)的铬，而一般认为同时要加0.65的钼。就活塞环来讲，国外通常选灰铸铁为母体，表层镀铬、钼或镍。随着燃烧室最高燃气压力、压力递升率和发动机转速的不断提高，需要用抗拉强度和疲劳强度高的材料。特别是顶环，因为它处于极为残酷的工况下工作。目前已研制了如球墨铸铁和碳化可锻铸铁之类的材料，一般认为碳化可锻铸铁是近期生产的车用内燃机中顶环的最合适材料。因为其强度足以经受内燃机各种工况，而且

16、比球墨铸铁不易发生咬合，此外，球墨铸铁虽有很高的抗拉强度和疲劳强度，但其成本较高且耐磨性较差。国内车用内燃机的缸套-活塞环常用的材料，一般为合金铸铁材料，如解放CA6102型发动机和东风EQ6105型发动机的缸套材料分别为铌合金铸铁和球墨铸铁；活塞环材料则分别为可锻铸铁镀铬处理和球墨铸铁镀铬处理。87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网3引入流体动压润滑理论87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网缸套-活塞环工作条件恶劣，润滑条件差。为了减小磨损，国外一些内燃机设计制造厂家早在本世纪六十年代初期就有意识地引入流体动压润滑理论到内燃机的零部件设计中去。应用流体动压效应来改善发动机缸套-活塞环

17、润滑条件，英国里卡多公司(Recardo)率先进行这方面的研究，六十年代末，该公司曾为美国福特汽车公司和日本丰田汽车公司，设计桶形环和活塞裙部纵向基线是鼓形的新型活塞环组结构。1975年该公司又为我国第二汽车制造厂生产的EQ6105型汽油机所作修改设计时，采用了这一结构，随后第一汽车制造厂生产的CA6102型汽油机也采用这一结构。该种设计思想是，使热膨胀变形后的活塞裙部外形与缸壁间形成某一恰当的油楔间隙，以获得最佳的润滑效果和活塞稳定导向的条件，从而改善活塞环的工作。同时，由于高速运动而产生流体动压效应，便摩擦副表面间油膜压力升高，从而达到使两摩擦面分开，降低其摩擦和减少磨损的目的。87j铁甲

18、工程机械网-挖掘机网-工程机械网4表面处理新工艺87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网表面处理工艺是改善缸套-活塞环摩擦副表面摩擦、磨损与润滑性能的有效方法。近20年来国内外在这领域进行了卓有成效的研究。大量的研究表明，材料表层和亚表层的显微结构与摩擦磨损特性之间有一定的关系，通过表面处理工艺往往能够获得满意的耐磨或减摩的表面层。87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网目前，表面处理工艺已得到广泛应用的方法有：87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网(1)表面强化或表面硬化方法，如表面淬火、化学热处理(表面合金化、表面冶金)、电渡、喷涂、表面超硬覆盖、堆焊、电火花表面强化以及近年来采用

19、的激光处理、电子束处理和离子注入等等。87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网(2)表面润化处理，如渗硫、磷化、氮化、氧化、表面软金属膜等。87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网(3)复合处理，如淬火和渗硫、渗碳淬火和渗硫、渗氮和渗硫、软氮化和渗硫、氮氧共渗、氮硫共渗以及镀铬与喷钼相结合等。87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网在汽车内燃机缸套-活塞环这对摩擦副上，国内外，通常采用的是镀铬和喷钼等表面处理工艺。长期从事研究活塞环擦伤问题的德国高茨公司 (Goetzwerke)认为，90的擦伤是在磨合运转过程中产生的。活塞环同缸壁接触不均匀局部地方接触应力很高，油膜遭受破坏均易发生擦伤

20、。因此，该公司把防止气缸和活塞的热变形，注意加工精度作为必须采取的措施。同时，对活塞环表面进行镀铬并喷钼，其原因是钼的溶点为2450，要比铸铁 (1200)和铬(1300)高很多；另一个原因是喷钼活塞环表面呈多孔性，含油性好，又容易磨合。87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网5合理选择缸套表面粗糙度87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网众所周知，在内燃机中，缸套表面粗糙度对耗油量影响很大，也是影响内燃机的抗咬合性、耐磨性和使用寿命的最重要因素之一。一般说来需要有光滑、无毛刺、均匀平稳的表面粗糙度。这样会形成良好的油膜分布，适于支承作往复运动的活塞和活塞环迅速磨合，改善抗咬合性和耐磨性。为了有利于储油，要求缸套珩纹成交角120?，先用120140目粒度嵌金刚石珩条粗珩，随之以含120目碳化硅的合成软木珩条(含28细软木、60SiC和12松脂)精珩，以保证有均匀光滑的粗糙度峰顶.87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网6新型极压抗磨润滑剂的研制87j铁甲工程机械网-挖掘机网-工程机械网随着