發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承的油膜厚度測(cè)試技術(shù)

【日】 片岡拓実

0 前言

由于二氧化碳排放法規(guī)趨于收緊，同時(shí)原油價(jià)格上揚(yáng)，迫切要求降低發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的摩擦。另一方面，增壓、直噴等技術(shù)促使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率呈增大趨勢(shì)，這也使軸承的工作環(huán)境變得更加苛刻。活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)活塞銷(xiāo)、連桿軸承及主軸承轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為能同時(shí)兼顧其低摩擦性能和高可靠性，掌握軸承中的油膜狀態(tài)（油膜壓力、油膜厚度）是極為重要的[1，2]。

近年來(lái)，隨著模擬技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以用計(jì)算方法求出油膜狀態(tài)[3]。但是，主軸承會(huì)受到以下幾方面的影響：（1）因發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及安裝而導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體變形；（2）由于燃燒的緣故，短時(shí)間內(nèi)載荷的大小及方向會(huì)有較大的變動(dòng)；（3）曲軸運(yùn)動(dòng)及變形所帶來(lái)的影響等。這些因素加大了主軸承油膜狀態(tài)的計(jì)算難度。因此，迫切要求對(duì)油膜狀態(tài)，尤其是油膜厚度進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，為此進(jìn)行了各種嘗試。

1 軸承油膜厚度的測(cè)試方法

1.1 激光誘導(dǎo)熒光法

Nakayama等運(yùn)用激光誘導(dǎo)熒光法定量測(cè)試了油膜厚度[4]（圖1）。將氦-鎘激光導(dǎo)人設(shè)置在軸承上的光纖，并將其照射到軸承油膜上。潤(rùn)滑油中已添加了熒光劑，來(lái)自油膜的熒光由同樣的光纖返回，并被傳輸?shù)焦怆姳对龉苤小ＧS表面等的反射光則用光學(xué)濾波器斷開(kāi)，根據(jù)光電倍增管的輸出，求出油膜厚度。

圖2是在改變軸承載荷的條件下，在不同光纖（圖1）所在位置軸向的油膜厚度測(cè)試結(jié)果。隨著軸承載荷的增加，油膜厚度呈減薄趨勢(shì)，確認(rèn)軸向端部的油膜厚度要比中心部位的更薄。由此可知，利用激光誘導(dǎo)熒光法能夠測(cè)定軸承局部的油膜厚度。

1.2 總電容法

總電容法是一種常用的測(cè)試方法[5-7]。將軸承視為圓筒型電容器，若假設(shè)軸承及轉(zhuǎn)軸為圓形，則兩者間的靜電容量C就按中心位置的相對(duì)位置關(guān)系而改變。轉(zhuǎn)軸與軸承最鄰近位置的距離，即最小油膜厚度hmin可利用式（1）計(jì)算出。

式中，S為軸承半徑間隙，r為軸承半徑，W為軸承寬度，ε0是真空電容率，εr為潤(rùn)滑油的介電常數(shù)。

為了使軸承與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體絕緣，在軸承背面設(shè)置樹(shù)脂膜，或者涂覆絕緣材料層（圖3）。

據(jù)報(bào)道，Spyros等[6]運(yùn)用總電容法，在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，實(shí)測(cè)了V6發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承在發(fā)動(dòng)機(jī)1次循環(huán)中的最小油膜厚度變化（圖4）。并且，在調(diào)查潤(rùn)滑油黏度影響的同時(shí)，也指出實(shí)測(cè)值與計(jì)算值大致相同。此外，采用連桿機(jī)構(gòu)，測(cè)試了連桿大頭部的油膜厚度。

在測(cè)量油膜厚度時(shí)，因油膜厚度被推測(cè)為僅幾微米，所以探頭表面與軸承表面的同一性，以及探頭插人時(shí)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的影響都成為需要考慮的問(wèn)題。總電容法在這方面具有一定優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檩S承本身就是傳感器。但另一方面，由于是在假定軸承為圓形的條件下計(jì)算最小油膜厚度的，因而在軸承剛性較低及高負(fù)荷條件下，總電容法對(duì)不能忽視軸承彈性變形條件的測(cè)試是不適合的。

1.3 薄膜法

曾嘗試在軸承表面形成薄膜電極，并根據(jù)該電極與曲軸之間的靜電容量，對(duì)油膜厚度進(jìn)行定量測(cè)試。該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）無(wú)論軸承是否變形，薄膜電極都會(huì)存在于軸承表面；（2）不會(huì)因傳感器而在軸承表面形成凹凸?fàn)睢Ｒ虼耍摲椒ㄝ^適合于發(fā)動(dòng)機(jī)軸承油膜厚度的測(cè)定。

利用噴鍍法形成薄膜電極。在對(duì)軸承表面實(shí)施鏡面研磨后，依次進(jìn)行中間層、絕緣層、電極層的成膜工序。利用蝕刻處理工藝，將電極層按規(guī)定的形狀制成布線圖案后，實(shí)施保護(hù)層的成膜工序[8]。

圖5為電極實(shí)例，尺寸為4 mm×10 mm，用0.2 mm寬的引線連接電極到軸承側(cè)面。引線部分的線寬要設(shè)計(jì)得足夠細(xì)，以忽略引線所產(chǎn)生的靜電容量，電極的形狀及大小可以根據(jù)測(cè)試目的任思選擇。此外，在1個(gè)軸承上也可形成多個(gè)電極。

為了驗(yàn)證用薄膜法測(cè)量油膜厚度的準(zhǔn)確性，采用軸承剛性大、但動(dòng)作簡(jiǎn)單的軸承試驗(yàn)機(jī)，同時(shí)用彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑法[9]計(jì)算油膜厚度，并將其結(jié)果與薄膜法測(cè)試值進(jìn)行比較。

圖6表示在軸承每次旋轉(zhuǎn)并承載與旋轉(zhuǎn)同步的往復(fù)運(yùn)動(dòng)載荷的條件下，設(shè)定最大載荷發(fā)生位置為0°時(shí)各角度下的油膜厚度。薄膜法測(cè)試所得的油膜厚度與計(jì)算值極為吻合。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min及最大載荷20 k N的條件下，用彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑法計(jì)算所得的最小油膜厚度為2.1μm，基于薄膜法的實(shí)測(cè)值為2.2μm，兩者的定量結(jié)果較為一致。

1.4 其他測(cè)試方法

除上述方法外，還有探頭插人型的靜電容量法[10]、間隙傳感器法、光干涉法，以及超聲波法等。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的主軸承油膜狀態(tài)

2.1 油膜厚度相對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角的變化

將薄膜法應(yīng)用于直列4缸1.4 L柴油機(jī)（表1），分析其主軸承油膜的狀態(tài)。在直列4缸發(fā)動(dòng)機(jī)中，各氣缸之間及前后共有5個(gè)軸承。圖7為在1號(hào)氣缸與2號(hào)氣缸之間第2個(gè)主軸承下部（軸承蓋側(cè)）中央測(cè)得的油膜壓力和油膜厚度。圖7中顯示的是將1號(hào)氣缸的壓縮上止點(diǎn)定為0°CA，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)每沖程2轉(zhuǎn)的測(cè)試結(jié)果。油膜壓力是采用薄膜壓力傳感器測(cè)定的，同時(shí)示出了1號(hào)氣缸與2號(hào)氣缸的缸內(nèi)壓力。主軸承的油膜壓力隨左右相鄰氣缸壓力的上升同步增加。油膜厚度雖也同步減薄，但最小油膜厚度正時(shí)比最大油膜壓力正時(shí)延遲。即便油膜壓力由增大趨勢(shì)轉(zhuǎn)為降低趨勢(shì)，油膜厚度也持續(xù)呈減少趨勢(shì)。油膜壓力自0 MPa左右起，油膜厚度轉(zhuǎn)為增加趨勢(shì)。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格

發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷時(shí)的最大軸承載荷約為電拖動(dòng)工況時(shí)的2倍，最大油膜壓力上升約1.6倍，最小油膜厚度約減少10%。由此可見(jiàn)，隨著載荷的增加，軸承產(chǎn)生彈性變形，從而導(dǎo)致油膜壓力的發(fā)生范圍拓寬。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件與最小油膜厚度的關(guān)系

圖8顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)第2個(gè)主軸承與第3個(gè)主軸承下部（軸承蓋側(cè)）中央的油膜厚度，圖中橫軸為1號(hào)氣缸曲軸轉(zhuǎn)角。最小油膜厚度隨負(fù)荷增加呈減小趨勢(shì)，在全負(fù)荷條件下，油膜厚度減小到2.2μm。但是，如前文所述，相對(duì)于負(fù)荷增加，最小油膜的厚度減少并不多。

另外，第3個(gè)主軸承下部中央的最小油膜厚度正時(shí)比左右相鄰的2號(hào)氣缸及3號(hào)氣缸的壓縮上止點(diǎn)（-180°CA與180°CA）稍微延遲。

其次，圖9顯示了在全負(fù)荷條件下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)的油膜厚度變化。第2個(gè)主軸承的最小油膜厚度隨著轉(zhuǎn)速的增加呈增加趨勢(shì)，這是由于潤(rùn)滑油契人作用引起油膜壓力增加的緣故。

再者，第3個(gè)主軸承最小油膜厚度的正時(shí)隨轉(zhuǎn)速的增加而發(fā)生變化。低轉(zhuǎn)速時(shí)，最小油膜厚度的正時(shí)比左右相鄰氣缸的壓縮上止點(diǎn)稍微滯后。而在高轉(zhuǎn)速時(shí)，每隔360°CA就會(huì)達(dá)到最小油膜厚度。這被認(rèn)為是由于主軸承周?chē)男D(zhuǎn)不均衡，因此隨著轉(zhuǎn)速的增加，離心力導(dǎo)致的載荷起到了支配作用。

3 結(jié)語(yǔ)

今后對(duì)降低汽車(chē)燃油耗的需求會(huì)越來(lái)越迫切。以發(fā)動(dòng)機(jī)為首的汽車(chē)各種零部件滑動(dòng)部位的潤(rùn)滑狀態(tài)將變得更為苛刻。為了開(kāi)發(fā)對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)影響較小的油膜分析方法，研究人員正在致力于研究應(yīng)用薄膜技術(shù)的分析方法。但這些方法也存在一些問(wèn)題，比如要消除軸承表面溝槽加工等問(wèn)題，需要增加一些額外的工序。今后，將針對(duì)這類(lèi)問(wèn)題采取改進(jìn)措施，通過(guò)優(yōu)化各滑動(dòng)部位降低汽車(chē)的燃油耗。