活塞組件-缸套摩擦副潤滑研究綜述

劉廣勝，孫 軍

（合肥工業大學 機械與汽車工程學院，合肥 230009）

內燃機是汽車、船舶和工程機械等領域應用最廣泛的動力裝置。內燃機運行時，燃料在氣缸內燃燒，推動活塞組做往復運動，并驅動曲軸旋轉輸出動力?；钊M件-缸套是內燃機最重要的摩擦副之一，其工作狀況直接影響內燃機的動力性、經濟性、可靠性和耐久性等，摩擦損耗約占內燃機總耗能的6%。潤滑研究是活塞組件-缸套摩擦副研究的重要方面，有利于減小摩擦功耗，提高內燃機的綜合性能[1]。為此，國內外學者開展了大量活塞組件-缸套摩擦副潤滑方面的研究工作。本文基于國內外研究成果，針對內燃機活塞組件-缸套摩擦副的兩個主要組成部分（活塞環-缸套摩擦副和活塞裙-缸套摩擦副），論述其潤滑研究的現狀，討論和展望有待深入研究的問題。

1 活塞環-缸套摩擦副潤滑的研究

1.1 基本方程

活塞環-缸套摩擦副潤滑分析的基本方程為Reynolds方程。在活塞行程中部，擠壓效應較弱，可忽略，此時僅考慮動壓效應，假定活塞環圓周方向潤滑狀況相同，可以應用簡化一維Reynolds方程式（1）進行活塞環-缸套摩擦副潤滑分析[2]。

但是，在活塞上、下止點附近，活塞環速度接近于0，動壓效應減弱，但是受燃燒室壓力和活塞環彈力等的作用，擠壓效應明顯，因此，應考慮動壓效應和擠壓效應的綜合影響，即：

由于制造安裝工藝、高溫、高壓和磨損等因素的影響，活塞環圓周方向潤滑狀況存在差異，應采用二維Reynolds方程：

實際加工的活塞環和缸套表面不光滑，表面形貌在油膜厚度較小時對活塞環-缸套摩擦副的潤滑有重要影響。適用于粗糙表面摩擦副潤滑分析的平均Reynolds方程為[3]：

平均Reynolds方程目前在活塞環-缸套摩擦副潤滑分析中得到普遍應用[4-8]。

1.2 Reynolds方程求解及邊界條件

Reynolds方程一般采用數值方法求解，有限差分法是一種常用方法，其通過將Reynolds方程差分離散，轉換成線性代數方程，迭代求解。

邊界條件是數值方法求解Reynolds方程的關鍵，目前常用的邊界條件為Reynolds邊界條件和質量守恒邊界條件。

Reynolds邊界條件為：

質量守恒邊界條件也稱JFO邊界條件，認為油膜壓力變化過程中油膜產生氣穴，潤滑分析時需要考慮氣穴引起的油膜破裂和再生成[7-8]。滿足質量守恒的空穴區邊界可以描述為：

油膜再生成條件為：

1.3 實際影響因素研究

對活塞環-缸套摩擦副潤滑產生實際影響的因素很多，主要包括結構特征、物理屬性、工作條件和潤滑油特性等。

1.3.1 結構特征

1.3.1.1 表面形貌

表面形貌包括表面粗糙度和表面織構，使摩擦副表面間微觀距離發生變化，影響潤滑油流動和油膜厚度。當摩擦副表面間距離足夠小，微觀凸峰接觸，潤滑油膜不連續，磨損加劇，功耗上升。

表面粗糙度增大使活塞環-缸套間最小油膜厚度減小。將微凸體接觸模型[9]：

和平均Reynolds方程運用于活塞環-缸套摩擦副，可以分析摩擦副表面金屬接觸和潤滑狀況。

內燃機運行一段時間后，活塞-缸套摩擦副表面微觀高度一般呈非高斯分布，可以通過對表面特征的統計分析，得到適用于磨合后潤滑分析的平均Reynolds方程[4]：

考慮表面粗糙度的影響，活塞上止點附近區域的活塞-缸套摩擦副潤滑狀態為部分彈流潤滑[10]。

活塞環-缸套摩擦副的表面織構有利于潤滑油流動和壓力傳遞，潤滑油充足時，局部可以形成微小的動壓軸承，改善潤滑；貧油時儲存潤滑油[11]。表面織構對活塞環-缸套摩擦副潤滑的影響，因尺寸量級不同而區別于表面粗糙度，二者采用不同數學模型進行描述[12]。不同型式和尺寸的表面織構，提升潤滑性能的程度不同。在缸套表面用激光加工出微球面凹坑結構，即使摩擦副表面間平行也能產生流體動壓潤滑，選擇適當的凹坑尺寸比值（直徑/深度）和凹坑布置方式可以獲得最佳潤滑效果[13-15]。恰當的表面織構可以改善潤滑，不合理的織構型式有反作用。如果織構溝槽垂直于活塞運動方向，在邊界潤滑或混合潤滑條件下改善潤滑，在流體潤滑條件下影響不明顯；如果紋理溝槽和活塞運動方向平行，潤滑惡化，低速時油膜破裂，潤滑失效[14-15]。

1.3.1.2 活塞環結構尺寸

桶面環的桶面高度過大，活塞環-缸套摩擦副潤滑狀況變差；桶面高度減小，活塞上、下止點附近的最小油膜厚度顯著增加。改變活塞環軸向寬度，膜厚比發生變化，加大活塞環的軸向寬度可以使最小油膜厚度增加，但油膜剪切消耗增大，因此，活塞環軸向寬度變化對潤滑效果的影響不明顯[16-18]。在斷面對稱、等黏度潤滑油、定載和正弦運動規律下，活塞環存在一個使最小油膜厚度最大的拋物線斷面型線[19]。活塞環開口對潤滑油流動有引導作用，開口位置及大小影響潤滑油的消耗和活塞環-缸套摩擦副的潤滑，當各活塞環的開口位置靠近或接近直線布置時，潤滑油消耗顯著上升，活塞環潤滑性能變差。頂環開口間隙增大，竄入燃燒室的機油量隨之增大，適當減小活塞環開口間隙，可有效降低漏氣量與機油消耗，但如果開口間隙過小，易導致活塞環頂口[20]。

1.3.2 工作狀態和物理屬性

1.3.2.1 活塞環工作狀態

活塞環在環槽中的偏擺、扭轉和變形等對活塞環-缸套間潤滑油膜厚度和油膜承載能力有一定影響。環的偏擺使磨損嚴重，竄氣現象加劇，潤滑惡化[21]。活塞環的傾斜和扭轉使其工作特性及環-缸套間的油膜厚度在上、下行程不對稱[22]。桶面偏移使環-缸套間油膜厚度增大，但同時增加了活塞環與潤滑油的接觸面積，流體剪切對潤滑產生的負作用增強[16]?；钊h發生變形時，活塞環與缸套接觸方式改變，應力增加明顯，燃燒室密封困難，最小油膜厚度減小，潤滑狀況變差[23]。

1.3.2.2 活塞環彈力和彈性

活塞環周向的油膜厚度隨活塞環彈力的減小而增大。彈性較好的活塞環可以減少潤滑油軸向流動。活塞環剛度增大會加劇潤滑油軸向流動，最大油膜壓力和承載能力下降，最小油膜厚度減小[24]。

1.3.2.3 缸套變形和磨損

活塞環和缸套理論上貼合，缸套變形使活塞環-缸套的貼合變差，潤滑油消耗增加，潤滑特性惡化。缸套變形或失圓時，最小油膜厚度明顯減小，活塞上、下止點附近微凸體接觸現象明顯，活塞環在一定曲軸轉角范圍內處于貧油潤滑狀態，油膜壓力周向分布不規則，受氣缸壓力變化影響較大[10，25-27]。

缸套軸向和周向磨損對活塞環-缸套摩擦副潤滑特性的影響不同。徑向磨損使最小油膜厚度減小，潤滑性能降低；軸向磨損有利于上行程中油膜的形成，但不利于下行程的潤滑[28]。

1.3.3 工作條件

內燃機運轉過程中，活塞環-缸套摩擦副在大范圍變速和變載荷條件下工作，每個行程中重復出現流體潤滑、混合潤滑和邊界潤滑。

1.3.3.1 內燃機轉速

活塞速度是影響油膜厚度最重要的因素，在活塞上、下止點處活塞速度接近或等于0，油膜厚度最小，在行程中間部潤滑最好[17]。內燃機轉速增加，活塞平均速度增大，平均油膜厚度增加。對于高速重載內燃機，轉速過高容易使活塞環工作不穩定，引起竄氣和潤滑不良[21]。

1.3.3.2 內燃機負荷

內燃機負荷增大，氣缸壓力增加，在活塞行程上止點處的油膜厚度減小。各行程中氣缸壓力的變化對潤滑油膜厚度沒有顯著影響，壓縮行程的氣缸壓力高于吸氣行程，但活塞環-氣缸間的潤滑油膜厚度差別不明顯[29-34]。

1.3.3.3 內燃機溫度

在轉速和負荷等參數相同的前提下，內燃機溫度高，活塞環-缸套間的油膜厚度小，承載能力差。在壓縮行程向做功行程轉換時刻附近，活塞環溫度高且速度低，油膜厚度最小，活塞環-缸套摩擦副一般處于邊界潤滑狀態?？紤]熱效應分析的活塞環-缸套間油膜厚度小于定溫情況[34-35]。

1.3.3.4 潤滑油供給

摩擦副的潤滑油供給量增加，潤滑明顯改善，最小油膜厚度增大，最大油膜壓力、微凸體作用力和摩擦功耗均減小[36]。貧油狀況使油膜厚度和長度減小，潤滑性能下降[37-38]。在壓縮行程中，除油環外，其它活塞環一般處于貧油狀態，存在氣穴形成和油膜破裂現象，油膜承載區域一般減小至環軸向寬度的15%～40%[39-40]?；钊?、下止點附近的潤滑油供給與行程中的其它時刻有差別，分析應選擇不同的邊界條件[37-38]。使用不同邊界條件進行潤滑分析，油膜壓力和油膜厚度等參數值差別明顯，假設活塞環-缸套摩擦副始終處于某種潤滑狀態的分析結果可靠性不高[41]。

1.3.4 潤滑油特性

潤滑油是摩擦副的潤滑介質，黏度是潤滑油的主要特性參數，對潤滑的影響具有二重性。潤滑油黏度低，液面間剪切阻尼小，摩擦能耗低。但低黏度潤滑油流動性高，活塞速度較低時活塞環-缸套摩擦副間平均油膜厚度小，易導致混合潤滑或邊界潤滑[5，30]。潤滑油黏度對溫度變化敏感，活塞與氣缸壁的熱傳遞直接影響摩擦副的溫度場，活塞環在缸套中位置不同，潤滑油的溫度、黏度和油膜厚度都有一定波動[32]。根據能量守恒分析活塞環-缸套摩擦副潤滑特性，中低速時具有良好的一致性[42-43]。

固體顆粒物混入潤滑油將影響活塞環-缸套間的油膜強度和潤滑。油膜強度和摩擦力隨顆粒直徑的增加而增大，隨顆粒沿軸向速度增大而減小。顆粒物的作用會改變潤滑油流動和活塞環背壓，顆粒物數量、位置和作用面積不同，影響潤滑的程度不同[44-46]。

1.4 試驗研究

試驗是活塞環-缸套摩擦副潤滑研究的重要方式，是對潤滑理論分析的驗證和延伸。活塞環-缸套摩擦副潤滑性能的試驗研究主要是測量油膜厚度等標志性參數。根據試驗中傳感信號的不同，活塞環-缸套摩擦副潤滑油膜厚度的測量方法分為電學方法、光學方法和聲學方法。

1.4.1 電學方法

電學方法包括電阻法、電感法和電容法，應用最廣泛的是電容法，其通過在缸套或活塞環上安裝電容傳感器，獲取電容大小和電容介質（潤滑油）厚度。DHAR等[47-48]應用電容法測量的仿真運行內燃機活塞環-缸套間最小油膜厚度為0.2～8 μm，發現在上、下行程活塞傾斜方向轉換時油膜厚度變化顯著。HAMILTON等[49-52]使用直徑1.25 mm的電容傳感器測得小型內燃機活塞環-缸套間的油膜厚度為0.4～2.5 μm，并對油膜厚度與內燃機速度、負荷和潤滑油黏度的變化關系進行了驗證。S?CHTING等[30]在Perkins-900系列發動機上應用電容法，使用SAE-20、SAE-50和SAE-5W50三種黏度潤滑油，驗證了活塞環-缸套間的油膜厚度隨潤滑油黏度降低而減小。

電容法的測量值一般比計算值小，在供油充分條件下二者非常吻合[53]。電容法需要在摩擦副表面安裝電容傳感器，破壞了摩擦副原有的潤滑狀態。

1.4.2 光學方法

光學方法主要有激光誘導熒光法（LIF）和粒子成像法（PIV）。如圖1所示，激光誘導熒光法（LIF）利用潤滑油中滲入的熒光物質對波長400～500 nm激光的吸收和反射測量油膜厚度，激光通過透明氣缸套或者在普通氣缸套加裝的透明窗口照射油膜，可以實現較高精度測量[54]。粒子成像法（PIV）利用影像技術記錄油膜速度場分布和流場空間結構。

圖1 LIF和PIV測量系統

STEVE等[55]通過LIF試驗觀測了活塞環-缸套間潤滑油的實時流動狀況，以及活塞速度、載荷和環的結構變化對潤滑的影響，發現潤滑油從活塞向缸套的轉移以一種獨特的流動方式進行，對潤滑油消耗和系統潤滑有重要作用。BABA等[56]在石英玻璃缸套型式內燃機上，使用LIF方法測量了油膜厚度，同時用PIV方法測得活塞環處的油膜速度。

LIF和PIV方法要求缸套透明或表面有透明窗口，所以在生產中難以推廣使用。一般PIV方法需要在潤滑油中加入可追蹤的粒子，測量過程會導致活塞和缸套的損壞及潤滑油性能的變化。利用LIF的油膜運動圖像獲得速度矢量分布圖，可以避免增加可追蹤粒子的影響[57]。

1.4.3 聲學方法

超聲波方法是一種無損測量技術。如圖2所示，將壓電式超聲波傳感器安裝在缸套外表面，向氣缸壁發射高頻超聲波脈沖，并接收反射回來的超聲波，測得油膜界面的反射系數R，通過式（10）計算獲得油膜厚度。

式中：2ρc為潤滑油密度；c為超聲波在潤滑油中傳播的速度；ω為超聲波的頻率；z為潤滑油膜的聲阻抗。

圖2 超聲波測量法示意圖

測量結果顯示，受傳感器尺寸限制和活塞環結構影響，超聲波方法測量的最小油膜厚度大于實際最小油膜厚度[58]。

2 活塞裙-缸套摩擦副潤滑的研究

2.1 基本方程

平均Reynolds方程式（4）是目前活塞裙-缸套摩擦副潤滑分析中普遍應用的基本方程，其中油膜厚度h為：

式中：et和eb分別為活塞裙部上、下兩端的橫向位移，通過活塞二階運動分析獲得。

活塞二階運動的動力學模型為[59]：

活塞裙-缸套摩擦副潤滑分析一般通過聯立求解Reynolds方程式（4）和活塞二階運動方程式（12）進行。

2.2 實際影響因素研究

結構、物理屬性和工作條件等是影響活塞裙-缸套摩擦副潤滑的重要因素。

2.2.1 結構因素

2.2.1.1 裙部形貌結構

裙部形貌結構包括裙部的表面粗糙度、波度和型線等，它們對活塞裙-缸套摩擦副潤滑的作用各不相同。裙部表面粗糙度降低，可以有效提高活塞裙部的潤滑性能，磨合使活塞和缸套表面粗糙度減小，有利于潤滑改善[60]。裙部表面粗糙度和波度的影響相互關聯，當活塞表面光滑，波度小于2.5 μm時，潤滑較好；當波度值超過粗糙度兩倍，粗糙度對潤滑的影響可以忽略[61]。

裙部型線與缸套之間形成油楔，使活塞裙部處于良好的潤滑狀態。對比直線型線裙部，中凸型線裙部可以在整個活塞行程中都形成流體動壓潤滑，減小活塞二階運動幅度，改善導向性能，降低摩擦功耗。中凸曲率半徑不宜設計得過小，避免出現負壓，采用橫向變橢圓型線和縱向拋物線型線有利于提高活塞裙-缸套摩擦副的潤滑性能[62-65]。

2.2.1.2 裙部長度

適當增加活塞裙部長度可以減弱活塞二階運動，但活塞裙部長度增加將使摩擦功耗增大。在一定范圍內縮短活塞裙部長度，可以改善活塞裙部潤滑，減小活塞質量，提升內燃機性能[66]。

2.2.1.3 活塞銷偏置

活塞銷偏置影響活塞二階運動幅度。比較活塞銷偏心距分別為0、0.5、1時的結果表明：偏心距為1的活塞二階運動平動最小，偏轉最大；偏心距為0時，裙部與缸套的接觸壓力最小[67]。對于小間隙高速內燃機，活塞銷偏心距為0時，活塞二階運動幅度小于偏心距為+1或-1的活塞；活塞銷偏心距為-1時，潤滑狀況最差[68]。

2.2.1.4 曲軸偏置

曲軸偏置影響側向推力大小，活塞裙部潤滑狀況隨之產生變化。轉速較低且負荷較小時，曲軸向主推力面偏置可以降低活塞側推力，有利于潤滑改善。采用曲軸偏置改善潤滑，需在壓縮行程上止點提供足夠潤滑油，改善裙部與缸套的接觸條件[69]。

2.2.1.5 活塞與缸套間隙

較小的活塞-缸套間隙可以抑制活塞二階運動，但是會導致活塞裙部油膜壓力和摩擦損耗增加。而且，活塞-缸套間隙減小使做功行程中推力面微凸體接觸增加，潤滑條件惡化。當最小油膜厚度一定時，存在一個最佳配缸間隙使摩擦損失最小[70-71]。

2.2.2 物理屬性

2.2.2.1 變慣量

系統變慣量指活塞和連桿等部件相對于轉動軸的等效轉動慣量變化。連桿質心位置越靠近連桿大頭，系統慣量越小，潤滑狀況越好，摩擦功耗越少。系統變慣量使潤滑對轉速變化敏感，轉速越高，活塞二階運動和摩擦功耗受系統變慣量的影響越大[72-73]。

2.2.2.2 活塞和缸套變形

研究活塞、缸套的熱變形和機械變形等對活塞裙部潤滑的影響，可以為裙部型線、橢圓度、中凸點位置、徑向縮減量、配缸間隙和活塞銷偏置等參數的確定提供依據?？紤]活塞彈性變形，裙部最大油膜壓力、油膜承載力和摩擦功耗值均大于不考慮變形，使用裙部彈性好的活塞比剛性活塞更能獲得較大的最小油膜厚度[75-76]。彈性活塞-缸套系統活塞二階運動幅度大于剛性系統[77]。具有彈性活塞-缸套系統的重載柴油機摩擦功耗明顯低于剛性系統[78]。氣缸套失圓情況下，油膜厚度的周向分布均勻程度不如理想圓形缸套，油膜壓力減小，摩擦功耗增加，失圓越嚴重，潤滑效果越差[79-80]。

2.2.3 工作條件

2.2.3.1 內燃機工況

內燃機轉速高，活塞速度大，裙部的流體動壓作用強，油膜承載能力好，但是流體剪切摩擦損耗大[81]。內燃機轉速降低，活塞的橫向平動增大，轉動減弱，裙部最小油膜厚度減小，裙部與缸套的接觸壓力和摩擦功耗增加[82]。內燃機負荷變化對活塞裙-缸套摩擦副的潤滑影響很小。

2.2.3.2 氣缸振動及活塞二階運動的耦合影響

氣缸振動的振幅增大，活塞行程中部分位置的油膜承載力顯著降低；活塞-缸套間油膜承載力隨氣缸振動頻率的變化有明顯波動；內燃機轉速提高，氣缸振動的影響增大[83]。

活塞潤滑和活塞二階運動的耦合作用明顯?？紤]潤滑與缸體結構振動、活塞二階運動的耦合作用，活塞-缸套間最小油膜厚度在做功行程減小，其它行程增大[84]。

2.2.4 潤滑油

潤滑油黏度增大，活塞-缸套間油膜厚度增加，油膜剪切作用和摩擦功耗增大。潤滑油黏度降低，活塞二階運動增強，最小油膜厚度減小[77]。

裙部潤滑油膜溫度場隨曲柄轉角變化而變化，從裙部上端到下端，溫度遞減，潤滑油的黏度遞增，裙部下端的潤滑效果最好；相同軸向位置，周向潤滑油溫度和潤滑油黏度基本保持不變[85]。

油膜慣性對潤滑有一定影響，與不計油膜慣性比較，計入油膜慣性的油膜壓力高，裙部變形嚴重，油膜承載力增加[86]。

3 活塞組件摩擦副整體的潤滑研究

活塞組件各摩擦副在實際內燃機中以整體方式工作，它們之間存在相互影響，因此活塞組件-缸套摩擦副潤滑研究不僅要分別針對活塞環-缸套和活塞裙-缸套摩擦副進行，而且需要在整個活塞長度上同時確定活塞組件各摩擦副的油膜厚度和壓力的分布及變化規律。建立活塞組件-缸套摩擦副整體潤滑模型，同時分析氣環、油環、活塞裙和活塞銷等的潤滑性能，以及它們在不同轉速和載荷條件下的差異和相互作用，可以有針對性地提高活塞組件-缸套摩擦副整體的工作性能。

LIVANOS等[87]建立了包括活塞環、活塞裙和活塞銷的活塞整體潤滑模型，獲得了不同轉速和負荷下的油膜厚度分布，以及活塞處于氣缸不同位置時的空穴大小、潤滑油膜對活塞環黏附程度和受擠壓作用。計及頂部環岸的活塞潤滑分析結果顯示，在內燃機啟動時，缸套溫度低且尺寸較小，活塞頂部溫度高且尺寸較大，缸套與活塞頂部間易發生彈流潤滑；穩定運行時，缸套與活塞頂部的溫度差減小，尺寸差增大，彈流潤滑狀態逐漸消失[88]?；诨钊到y動力學和摩擦學耦合模型，分別以活塞整體和不考慮頂部的活塞為研究對象，分析并進行性能對比表明，活塞頂部和活塞環的潤滑對活塞二階運動和潤滑有重要影響，不考慮活塞頂部的活塞二階運動幅度偏大；考慮活塞環影響時，在上止點附近活塞對缸套的撞擊力減弱，油膜厚度增加，活塞裙下部的橫向運動相對較小[89]。

4 分析與展望

活塞組件-缸套摩擦副潤滑狀況直接影響內燃機動力性、經濟性、可行性、耐久性和排放等。雖然國內外眾多學者開展了大量的研究工作，取得了許多成果，但是目前使用的活塞組件-缸套摩擦副潤滑理論和方法仍不夠完善，與實際情況不完全相符，需要進一步深入研究探討。

（1）活塞組件作為一個整體，它與缸套間的油膜為連續分布，活塞環和活塞裙部的潤滑存在相互關聯。目前的潤滑研究，基本上都是針對活塞環-缸套或者活塞裙部-缸套單獨進行的，有必要把活塞環與活塞裙部等的潤滑之間通過相應的輸入-輸出關系進行串聯，對活塞組件整體進行潤滑分析，獲取活塞組件-缸套摩擦副整體的潤滑特性。

（2）內燃機經過一段時間的運行，潤滑油中必然含有炭黑、沙塵和鐵屑等固體，以及其它液體雜質，潤滑油將呈多相特征，且具有一定的時變特性。固體雜質影響油膜的承載能力；液體雜質不僅改變潤滑油黏度，還會引起氣穴生成、油膜破裂時間和位置的改變。因此，多相流體潤滑及其時變效應是活塞組件-缸套摩擦副潤滑研究的重要內容。

（3）活塞環開口處與其它周向位置的潤滑油流動狀況有很大差別，使對應前一道環開口位置附近的后一道環進口潤滑條件明顯不同于其它周向位置。此外，飛濺在缸套表面上的潤滑油周向分布也不均勻?？梢?，周向潤滑油供給及潤滑狀況的不完全一致是活塞組件-缸套摩擦副潤滑分析需要考慮的實際因素。

（4）迄今尚沒有完善的活塞組件-缸套間潤滑油膜參數測量系統。伴隨傳感器和計算機技術等的發展應用，實現活塞組件-缸套摩擦副潤滑參數的精確測量，使之更加接近實際情況將成為可能。