汽車發動機低摩擦技術分析與研究

楊立平，龍建，劉敏杰，宋建桐

（北京電子科技職業學院汽車工程學院，北京 100176）

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汽車發動機低摩擦技術分析與研究

楊立平，龍建，劉敏杰，宋建桐

（北京電子科技職業學院汽車工程學院，北京 100176）

摘 要：在汽車發動機中，涉及到的摩擦是很復雜的。而在發動機工作過程中所有摩擦副摩擦學、摩擦機理等是目前研究較多的研究內容。然而，在使用過程中發現對于發動機采用與摩擦學技術相關的諸如從有利于降低部件摩擦的結構、選用合適材料或潤滑劑及采用不同類型的副摩擦等，可以大幅度的降低發動機工作過程中的摩擦程度，提高發動機的使用壽命和可靠性。

關鍵詞：發動機；摩擦；降低

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.024

CLC NO.: U464.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-72-04

1、汽車發動機的摩擦分析

當一個物體與另一物體沿接觸面的切線方向運動或有相對運動的趨勢時，在兩物體的接觸面之間有阻礙它們相對運動的作用力，這種力叫摩擦力。接觸面之間的這種現象或特性叫“摩擦”。在實際應用過程中，有時利用摩擦即摩擦有利的一面，例如，人的行走，汽車的行駛都必須依靠地面與腳和車輪的摩擦。但在多數情況下摩擦是有害的。比如，機器運轉時的摩擦，造成能量的無益損耗和機器壽命的縮短，并降低了機械效率。

汽車發動機中的摩擦時不可避免的，而且發動機本身結構和工作特性所致，其所形成的摩擦都是有害而不利于發動機正常使用。又因為發動機本身屬于高溫工作機器，對于部件的磨損更為嚴重。

發動機燃燒后其能量的利用率是很低的，有資料和實驗顯示發動機由于摩擦造成的損耗占汽車總損耗的無用能量的15%左右。摩擦損耗的能量來自于發動機的各種泵、附件和所有摩擦副。

在摩擦的機械損失中，活塞環占0.87%，活塞占0.72%，連桿占0.73%，曲軸占1.07%，換氣與其他占6.4%；熱損失占61.7%。以上指的是2L左右排量全負荷情況下的數據。試驗證明，由于摩擦造成的轉矩損耗隨發動機轉速的增加而增加。活塞、連桿與其相應的摩擦副形成的滑動損耗最大。發動機各部件摩擦損耗比率也是隨著轉速的不同而有差異，如表1所示。

2、形成發動機摩擦的重要因素與類型分析

事實上，發動機摩擦損失的影響因素是多種多樣的，而且是各種因素綜合作用所致。從發動機設計（主要是結構、材質）、制造（工藝、加工）、工作負荷及工作環境優略等。這里的設計、制造及材料的選擇主要取決于生產廠家的人員素質、工藝裝配和管理等水平。

摩擦損失的影響因素主要包括以下幾方面：

（1）部件組損失

主要是指活塞組損失（配合間隙、形狀規范、氣缸環的數目彈力、重量等）；曲軸（曲軸箱的通風、軸瓦尺寸與間隙、潤滑油壓力等）；配氣機構損失（凸輪生程、機構滑動表面的布置等）；附件損失（燃油泵、水泵、發電機機油泵等）。

（2）潤滑與發動機工況

主要指潤滑油的流量、黏度及壓力；發動機在工作過程中的轉速、負荷、冷卻溫度及空氣潔凈度等。

（3）摩擦副材料

減摩材料的優略、減摩添加劑質量、多級油與單一油的差異、摩擦表面的減摩處理和摩擦副材料配合的合理性等。

（4）制造與裝配工藝

在加工方面，加工精度的確定與加工過程中的保證程度，對于零件在使用中摩擦程度有很強的影響。零件表面的粗糙度值確定與加工是否能保證也是重要的影響因素。在裝配過程中的形位公差與裝配質量等都影響其工作過程的摩擦程度。

從理論上講，按照摩擦副的運動形式，摩擦可分為滑動摩擦和滾動摩擦；摩擦狀態的形式有干摩擦、液體摩擦、邊界摩擦和混合摩擦。就發動機而言，當長時間不運轉剛開始啟動時，氣缸上止點附近部位，屬于干或是半干摩擦；當發動機完全工作一段時間后，摩擦表面完全被流體層隔開，此時摩擦主要發生在流體內部分子之間，此時摩擦阻力取決于流體的黏性與摩擦表面性質無關，此時的摩擦稱之為液體摩擦。如曲軸軸承、凸輪軸軸承、連桿軸軸承就屬于液體摩擦；若摩擦表面僅被很薄的油膜隔開，此時的摩擦阻力與摩擦表面材質、油膜的理化性質和潤滑特性有關而與黏性無關。這種摩擦狀態被稱之為邊界摩擦狀態，發動機中的活塞、活塞環與氣缸就屬于該類型的摩擦形式。

這里應當注意的是，發動機在實際使用過程中，會出現沖擊負荷、高負荷及高溫的作用。而這時的油膜厚度常常是變化的即不能保證最小厚度值，也就是摩擦類型發生了變化，對于發動機而言由于其屬于高溫、大沖擊工作機械，摩擦性質的保證是十分重要的，不能頻繁出現摩擦性質變化。

3、低摩擦技術的設計開發理念

發動機屬于精密摩擦偶件，摩擦造成的損失主要由對應的運動部件決定。因此對其進行結構優化是當前最為有效的方法；當然，摩擦損失同樣在諸如冷卻、潤滑和通風等系統中發生。所以在發動機設計階段，上述方面應是重點考慮的問題。現在計算機技術應用可以提高部件結構最理想化的程度，最終完成結構和各種配合尺寸的優化。因此，在發動機的設計上應該從相應的因素和理念進行考慮。

3.1 發動機低摩擦技術的系統工程理念

根據上述分析，發動機低摩擦技術是一個綜合而系統的工程。在設計時必須考慮諸如結構優化、材料的篩選評估、加工質量的保障措施和方法、裝配工藝的制訂與執行、所有的操作規范等；更為重要的是潤滑劑的選用依據。（應根據試驗標定值）

3.2 必要的經驗預測與嚴格的計算

根據多年對大量相關的發動機磨損情況，進行數據的收集和比較，同時對于這些數據與原尺寸進行對比。從中找出磨損規律和相關的尺寸優化方案，再利用摩擦的預測和CAE工具等，篩選關鍵部位的尺寸。（如氣缸直徑、裙部形狀尺寸、軸承尺寸及沖程等）

3.3 設計開發原則

現代發動機為降低摩擦損失，在產品設計開發階段必須遵守現代開發的基本原則。為實現低摩擦技術奠定堅實的基礎，避免走更多的彎路。

（1）應確定整個設計過程的負責人，該負責人必須全程跟蹤負責。同時及時評估影響摩擦的各種因素。

（2）采用現代化成熟的軟件工具對于發動機關鍵部件進行建模設計，同時，根據試驗檢測等數據與設計結果進行比較，最終確定相關的技術數據。

（3）就是應選擇合適的輔助部件，比如機油泵、水泵、發電機等與之相關聯的機電設備。

4、發動機減摩措施的開發

從引起摩擦形成的原因分析，減少摩擦可以通過選擇摩擦副的匹配材料，優化最佳的匹配方案獲得較低的摩擦損失；盡可能降低摩擦副表面的剪切強度膜；在摩擦表面形成相對厚的流體膜，使其成為液體摩擦；滾動摩擦系數小于滑動摩擦系數，因此有可能的情況下盡量采用滾動摩擦；將摩擦副的相對運動轉化為材料內部的變形運動（只能是小范圍的移動）；當然也可采用磁懸浮運動，將兩個相對運動的摩擦副分開無接觸，這將是未來減摩技術的發展趨勢。

發動機的所有摩擦阻力中，活塞環活塞銷等所占的比例最大。除此之外還有配氣機構中凸輪軸承、搖臂支點、凸輪與頂桿之間等；連桿與曲軸連接的軸承、機油泵等。

根據上述分析，發動機減摩應采取的措施主要從如下幾方面進行。

4.1 活塞與氣缸壁之間的減摩措施

（1）機油黏度與溫度

有試驗證明，當機油的黏度適當降低可以降低機油的剪切力，從而降低自身的摩擦損失；合適的機油溫度也可以減少摩擦損失，但應注意若溫度太高，有可能使得機油稀釋過度，使得摩擦副的接觸變壞反而會增加摩擦損失的風險。

（2）活塞環

活塞環對摩擦的影響主要有環的數量、環的輪廓與尺寸、表面粗糙度、表面處理及張力等。

應該指出，減少氣環的數量無疑可以減少氣缸壁與環的摩擦面積。當然就可減少摩擦損失，但每一個環的負荷則增加，同時增加了漏氣量的風險。該項措施效果不是很明顯。

氣環頂部邊緣一定始終保持楔形，這樣有利于摩擦損耗的減少，即氣環的輪廓優化措施的重點就在于此。

（3）活塞裙部

適當調整活塞裙部輪廓尺寸與形狀，可以減少由于接觸不良造成的偏磨。同時應注意噪聲、振動和不平順性三項指標的控制；根據實際情況，可以引用不同形狀的裙部類型，充分利用推力側和非推力側不同的接觸面積，減少由于機油剪切力引起的損失。

在活塞裙部也可以采用低摩擦涂層材料，減少接觸不良引起的非正常摩擦。

適當減少裙部長度尺寸，優化裙部橢圓度，適當調整裙部削減區域等，可以降低機油剪切應力引起的摩擦損失。但該方案可能由于裙部尺寸變短，而增加活塞相對于缸筒傾斜的風險。由此引起機油消耗和漏氣量的增加，因此應注意指標的優化，確保綜合性能的發揮。

通過優化冷卻水系統，保證缸筒的變形量盡可能的小，確?；钊共康慕佑|面積；還可以減少活塞銷長度達到降低活塞質量，適當增加連桿長度，以便減少活塞側向力等，多可以降低摩擦損失。

4.2 氣缸筒的減摩措施

（1）盡量減少缸筒的變形

目前，主要應通過優化冷卻系統來減少氣缸筒的變形。間接的講由于氣缸筒的變形量減少，直接導致氣環張力的降低，從而使的環與氣缸壁的偏摩降低。

（2）合理選擇氣缸筒的加工與表面處理工藝

這里應該注意的是，環和缸套或裙部與缸套之間，只有在邊界潤滑條件下其潤滑效果最佳。在這種情況下，摩擦副存在著干摩擦的危險。同時對于摩擦副自身的材料也有著較高耐磨性要求。因此為提高抗磨性，可以應用陶瓷微粒等離子噴涂度層技術加以保證。

在缸套的加工中采用不同的珩磨技術，相成不同的表面加工紋路。讓缸筒的上、下止點表面的粗糙度值更高，粗糙表面可以存更多的潤滑油，以便改善表面的潤滑效果。

4.3 連桿小頭軸承的減磨措施

根據實際經驗采用全浮活塞銷，可以減小軸承的滑動速度；減少軸承的長度，可以限制軸承的單位負荷；活塞銷內徑適度優化，減少活塞銷撓曲度變形，可以降低軸承的接觸避免摩擦損失。同時，還可以減少活塞銷質量。也可考慮使用軸承襯套來提高單位負荷能力同時可以減少銷子的直徑，但有可能增加活塞質量。

除上述措施外，也可以采用增加軸承間隙，改進滑動表面粗糙度，使用帶有油槽的滑動軸承。采用特殊結構的軸承襯套，即其上開有橢圓孔，用于擴大擠壓油膜效果。

4.4 連桿大頭軸承的減磨措施

和連桿小頭一樣，由于其連接方式相同，因此在減磨措施方面有著很多相同之處。如可以采用減小軸承直徑和軸承長度，以便限制扭轉振動和曲軸強度；通過優化機油孔的位置和大小，提高其耐磨性。

4.5 主軸承的減磨措施

在發動機中，支撐曲軸的主軸承的摩擦損失也很大。在降低措施中可以考慮減少軸承直徑，減少軸承長度；進一步優化軸承間隙、曲軸直線度（降低軸承的軸線不一致）和機油槽的位置和直徑。將支座設計方案進一步優化，保持合適的軸承形狀和軸承間隙。

4.6 配件應用類型的優化措施

在發動機或者汽車上，如果有條件的話，應盡量采用低摩擦型配件。

（1）滾動軸承的應用

由于滑動軸承的接觸面積大，在旋轉后的摩擦就會加劇，同時產生很大的溫升。因此，經常會出現燒瓦現象。和滑動軸承相比滾動軸承具備的優點很多，如：滾動摩擦本身就是摩擦系數最小，各種工況下能保持穩定的低摩擦值，啟動摩擦阻力?。还ぷ鲿r產生熱量低，因此對于潤滑和冷卻要求相應的就低；支撐精度高，軸向尺寸小。

在發動機中，除上述分析的活塞與氣缸套之間的摩擦損失外，最有降低潛力的配件就是支撐曲軸的軸承了。當前曲軸軸承多采用分體式滑動軸承，曲軸軸頸直徑和徑向密封環的預緊力等都會影響摩擦力大小。通過測量證明，當機油溫度在90℃時，滾動軸承摩擦的降低潛能達55%（和滑動軸承相比）。溫度越低效果也就越明顯，

試驗證明當機油溫度在35℃時可達72%。由于采用滾動軸承，機油的體積流量可降低38左右，流量體積的降低將減少摩擦損失。

（2）低摩擦活塞的應用

由于活塞組的摩擦占整個發動機摩擦損失的40～50%,因此除采取必要的降摩措施外，選擇低摩擦活塞是降低摩擦損失更為有效的辦法。

首先，發動機的行程與直徑的比值（S/D）與摩擦損失有關。我們設S/D=1的流體動力摩擦損失為1，則S/D=0.8時的流體動力摩擦損失為0.72； S/D=1.2時的流體動力摩擦損失為1.21。試驗證明轉速影響不大。因此，從活塞摩擦角度看，短行程發動機更有利于降低摩擦損失。

現代活塞設計，通常將活塞的裙部制成中凸變橢圓型線，也就是常說的腰鼓形。其橫截面呈橢圓形，一般中凸量為0.01～0.02mm ；另一種結構是非對稱式活塞裙部設計，該結構主要是減小接觸壓力比較小一側的寬度，使得摩擦損失降低。

5、結論

目前，由于發動機結構本身所制，降低摩擦損失只能在改進局部結構，采用不同的材質，優化部件形狀和潤滑等方面進行完善。而這些措施對于提高發動機效率，延長使用壽命及未來發動機的發展趨勢具有深遠意義。也是未來發動機相當長的研究方向。

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Technical Analysis and Research of Reducing Friction of Automotive Engine

Yang Liping, Long Jian, Liu Minjie, Song Jiantong
（School of Automotive Engineering, Bejing Polytechnic, Beijing 100176）

Abstract:Friction in automotive engine is very complex.And during engine operation, tribology, accessory tribology and friction mechanism are studied more at present.However, in the course of using I found that when the engine adopts something related to tribology, such as structrue that helps reduce component friction, choice of suitable material or lubricant and adoption of different types of side friction, etc, friction degree during engine operation can be greatly reduced and the engine’s service life and reliability can be improved.

Keywords:Engine; Friction; Reduce

作者簡介：楊立平，副教授，就職于北京電子科技職業學院汽車工程學院。研究方向為發動機低摩擦技術?；痦椖浚罕本┦薪逃瘑T會科技計劃面上項目（KM201410858004）。

中圖分類號：U464.9

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-72-04