汽車發(fā)動機(jī)啟停工況下軸承的摩擦學(xué)性能

劉瑞超 孟祥慧

（上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240）

主題詞：主軸承 發(fā)動機(jī)啟停 低摩擦技術(shù) 低粘度潤滑油

1 前言

能源和環(huán)境問題一直是全球關(guān)注的熱點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車消耗了道路運(yùn)輸能源的72%，排放的二氧化碳和氮氧化物分別占到了總排放量的20%和46%[1]。在內(nèi)燃機(jī)汽車中，僅有約38%的化學(xué)能被轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，而發(fā)動機(jī)的摩擦損失在機(jī)械能中占比約達(dá)1/3[2]。Holmberg等人的研究報告顯示，大量先進(jìn)摩擦學(xué)技術(shù)的應(yīng)用可能產(chǎn)生的潛在節(jié)省價值約占全球國民生產(chǎn)總值的1.39%[3]。中國工程院的2009年的調(diào)研表明，國內(nèi)汽車如果進(jìn)一步采用先進(jìn)的低摩擦技術(shù)，每年挽回的損失將高達(dá)550.65億元[4]。因此，開展汽車發(fā)動機(jī)的低摩擦技術(shù)研究，是響應(yīng)國家節(jié)能減排號召、推動汽車發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

發(fā)動機(jī)低摩擦技術(shù)是涉及新材料應(yīng)用、潤滑劑改進(jìn)、潤滑方案優(yōu)化、部件結(jié)構(gòu)和表面工程改進(jìn)等的綜合技術(shù)。發(fā)動機(jī)通過燃燒燃料膨脹產(chǎn)生動力，工作過程中摩擦副運(yùn)行于熱、流、力等多種因素綜合作用的復(fù)雜工作環(huán)境中，其摩擦損失主要產(chǎn)生于活塞組-缸套、曲柄-連桿-活塞組軸承和配氣機(jī)構(gòu)。摩擦損失占總機(jī)械損失約70%～80%，圖1所示為發(fā)動機(jī)各部件的摩擦損失比例。

圖1 發(fā)動機(jī)各部件的摩擦損失比例[5]

活塞環(huán)-缸套系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)內(nèi)摩擦損失的主要來源之一，并且影響竄氣、潤滑油損失等發(fā)動機(jī)工作性能。活塞環(huán)-缸套的低摩擦技術(shù)主要包括活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新涂層技術(shù)的應(yīng)用和缸套表面珩磨的技術(shù)改進(jìn)以及表面織構(gòu)的應(yīng)用等。

對于活塞環(huán)組結(jié)構(gòu)優(yōu)化，低摩擦設(shè)計(jì)是在保證活塞環(huán)貼合性和密封性的前提下降低環(huán)寬和切向彈力。研究表明，通過降低活塞環(huán)的彈力和環(huán)寬，活塞環(huán)組的摩擦損失可以減少28%[6]。

由于表面涂層摩擦系數(shù)小、抗磨損性能強(qiáng)的特點(diǎn)，在缸套和活塞環(huán)上應(yīng)用DLC涂層[7]、頂環(huán)采用PVDCrN涂層[8]、缸套表面應(yīng)用熱噴涂涂層[9]均被證明可降低活塞環(huán)-缸套系統(tǒng)的摩擦損失。此外，一些新型涂層的制備，如碳化鉻涂層[10]、碳基Carboglide活塞環(huán)涂層[11]等，也被逐漸用于降低活塞環(huán)-缸套的摩擦損失中。

表面織構(gòu)也是一種有效的低摩擦技術(shù)。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于活塞環(huán)表面織構(gòu)處理開展了諸多研究[12-13]，但對于不同工況下織構(gòu)的效果評價卻不盡相同。相比而言，在缸套表面進(jìn)行織構(gòu)處理可能更具實(shí)用價值。一方面因?yàn)楦滋椎哪p量較小，更容易保持原有織構(gòu)的形狀，另一方面可以根據(jù)活塞環(huán)運(yùn)行到缸套不同位置時的工況變化，在缸套表面進(jìn)行不同的織構(gòu)設(shè)計(jì)，獲取最優(yōu)的摩擦學(xué)性能。汽車行業(yè)中，一般采用珩磨工藝對缸套表面進(jìn)行最后加工，形成的交叉網(wǎng)紋作為織構(gòu)，可以提高活塞環(huán)組-缸套的摩擦學(xué)性能。胡楊等人對活塞環(huán)-缸套系統(tǒng)中珩磨表面粗糙度和網(wǎng)紋對系統(tǒng)摩擦學(xué)性能的影響進(jìn)行了分析，考慮了網(wǎng)紋的儲油效應(yīng)，并且研究了發(fā)動機(jī)工作過程中缸套的磨合與磨損過程，為珩磨網(wǎng)紋的優(yōu)化提供了理論支持[14-16]。

活塞裙部與缸套的摩擦占活塞組摩擦損失的約40%。針對活塞裙部的低摩擦技術(shù)研究，主要從活塞結(jié)構(gòu)和裙部表面處理來開展。

2002年日本汽車公司最早提出了柔性裙部結(jié)構(gòu)的概念，通過對裙部的加強(qiáng)筋的改進(jìn)，使平均摩擦指示壓力下降了10%[17]。2011年日本三菱公司通過對活塞裙部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)開發(fā)了“軟裙”式活塞，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該設(shè)計(jì)相比與常規(guī)活塞，摩擦力可以降低20%左右[18]?！败浫埂被O(shè)計(jì)也成為了近年來汽油機(jī)活塞發(fā)展的一個趨勢。

新涂層技術(shù)在降低裙部摩擦損失方面也被廣泛應(yīng)用。科施公司開發(fā)的NanofriKSTM納米涂層應(yīng)用于活塞裙部表面后，降低了約0.9 kPa FMEP[19]。輝門公司在活塞裙部使用了自主開發(fā)的EcoTough涂層，經(jīng)倒拖實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摩擦損失降低了18%，并且發(fā)現(xiàn)該涂層的抗磨損性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)石墨涂層[20]。印度TVS發(fā)動機(jī)公司[21]和本田公司[22]也開發(fā)了新的涂層用于降低摩擦損失。此外，為便于潤滑油不足時進(jìn)行儲油，活塞表面通常加工有橫向織構(gòu)。對該織構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，也是降低活塞裙-缸套摩擦損失的途徑之一[23]。方聰聰?shù)热藢钊共勘砻鏈喜蹖钊Σ羷恿W(xué)的影響進(jìn)行了研究，分析了加工凹槽深度、密度及形狀對潤滑性能的影響[24]。

發(fā)動機(jī)機(jī)構(gòu)動力學(xué)與活塞裙部潤滑理論的耦合研究，可以有效降低設(shè)計(jì)成本和提高設(shè)計(jì)效率。孟祥慧等人將活塞動力學(xué)與流體潤滑相結(jié)合，研究了二次裙部型線對摩擦學(xué)性能的影響[25]，之后將活塞-連桿-曲軸-飛輪系統(tǒng)的動力學(xué)與活塞裙部潤滑耦合，分析了發(fā)動機(jī)工況下活塞的摩擦動力學(xué)特性，為從理論分析角度開展活塞低摩擦設(shè)計(jì)提供了有效工具[26]。

與其他摩擦副相比，活塞銷摩擦副的工作環(huán)境更加惡劣，具有接觸壓力高、潤滑不充分、工作溫度高等特點(diǎn)，易發(fā)生膠合和潤滑失效。

活塞銷的低摩擦設(shè)計(jì)多以實(shí)驗(yàn)的形式開展。Etsion等人在活塞銷表面加工微織構(gòu)并鍍上CrN和DLC涂層進(jìn)行了活塞銷的抗膠合實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)表面微織構(gòu)可以提高活塞銷的摩擦學(xué)性能[27]。馬勒公司在活塞銷上鍍上磷酸錳涂層并取消連桿小頭軸襯，測試發(fā)現(xiàn)不僅可以減小摩擦損失，并且降低了連桿小頭潤滑失效的風(fēng)險。本田公司通過在連桿小頭側(cè)添加銅軸瓦，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)降低了原摩擦損失的4%[23]。

由于直接測量活塞銷摩擦學(xué)特性的困難，活塞銷軸承摩擦學(xué)動力學(xué)分析將有助于分析活塞銷摩擦損失及開展活塞銷低摩擦技術(shù)研究。以全浮式活塞銷為對象，方聰聰?shù)热朔治隽似矫娑囿w動力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)活塞銷的摩擦學(xué)性能，研究了設(shè)計(jì)參數(shù)對系統(tǒng)摩擦損失的影響[28]。

軸承摩擦副包括連桿大頭軸承-曲柄銷、主軸承-曲軸摩擦副，其摩擦損失占比僅次于活塞環(huán)組-缸套系統(tǒng)。軸承的低摩擦設(shè)計(jì)，主要包括軸承幾何優(yōu)化和表面材料的應(yīng)用。

軸承的幾何優(yōu)化可以分為三個層次，分別是宏觀層次、細(xì)觀層次和微觀層次。宏觀層次的優(yōu)化，是調(diào)整軸承的寬徑比。軸承的寬度與軸承座剛度和曲軸的抗彎剛度直接相關(guān)，連桿載荷作用下軸頸彎曲變形會造成軸承邊緣摩擦力和磨損量增大。此外，減小軸承非主要承載區(qū)的軸承寬度可以在不影響主要承載區(qū)工作的前提下，減小油膜粘性摩擦力。通過綜合考量系統(tǒng)可靠性和摩擦損失，可以從宏觀層次優(yōu)化軸承幾何及曲軸，獲取低摩擦設(shè)計(jì)方案。細(xì)觀層次的優(yōu)化，指軸承或軸頸表面微結(jié)構(gòu)的處理。表面織構(gòu)在活塞環(huán)-缸套系統(tǒng)中的作用已經(jīng)被研究多年，在軸承系統(tǒng)中，織構(gòu)也是改善其潤滑性能的一種重要方法。國內(nèi)外研究者就織構(gòu)尺寸[29]、織構(gòu)形狀[30]、分布模式[31-33]及軸承在不同工作條件下織構(gòu)的效果[34-39]開展了廣泛的研究。微觀層次的優(yōu)化，是指軸頸表面粗糙度和波紋度的控制和優(yōu)化。表面微觀參數(shù)的控制和優(yōu)化直接影響軸承的可靠性，并且在該尺度下的性能改進(jìn)有望使軸承可以工作在更小厚度的油膜潤滑狀態(tài)，也意味著更低的摩擦損失。

汽車行業(yè)中多層軸承的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，近年來新減摩材料在軸承涂層的應(yīng)用也是改進(jìn)軸承摩擦學(xué)性能的一大趨勢。例如WS2涂層被證明可以有效提高軸承抗咬粘性能，并且允許軸承工作在更薄的油膜潤滑下[40]。針對發(fā)動機(jī)熱起動時潤滑油粘度低、相對轉(zhuǎn)速低和潤滑油不足的惡劣工況，聚合物涂層可以起到吸附潤滑油和降低磨損的作用[41]。

潤滑油的選擇及性能改進(jìn)，和發(fā)動機(jī)的摩擦損失緊密關(guān)聯(lián)。低粘度潤滑油在汽車行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)比較普遍，近年來多級潤滑油的應(yīng)用也越來越廣泛，通過在潤滑油中添加粘度指示劑，可以使?jié)櫥驮诓煌瑴囟裙r下展現(xiàn)更優(yōu)的效果。潤滑油中減摩添加劑的使用，在改善邊界潤滑和混合潤滑的摩擦系數(shù)方面也起到了顯著的作用。

發(fā)動機(jī)冷起動時，由于溫度較低，潤滑油粘度較高，會產(chǎn)生較大的摩擦損失。因此，通過合理手段，在冷起動階段加快潤滑油溫度提升速度，也可以達(dá)到降低摩擦損失的效果。

發(fā)動機(jī)中工作環(huán)境復(fù)雜，關(guān)于發(fā)動機(jī)低摩擦技術(shù)的研究起步較晚，仍有很大發(fā)展空間，更多有效的低摩擦技術(shù)研究正在學(xué)界和工業(yè)界開展。

發(fā)動機(jī)軸承被設(shè)計(jì)工作在流體潤滑狀態(tài)，正常工況下幾乎不發(fā)生磨損，但在發(fā)動機(jī)起動或停機(jī)過程中，由于曲軸轉(zhuǎn)速較低，流體動壓潤滑難以提供足夠的承載力，主軸承可能工作在混合潤滑或邊界潤滑狀態(tài)，從而引發(fā)金屬接觸和軸承磨損。近年來，發(fā)動機(jī)怠速啟停系統(tǒng)的應(yīng)用，將傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)怠速時的油耗和尾氣排放大大減少，在城市行駛工況下節(jié)能減排效果明顯。但與之而來的是，發(fā)動機(jī)會經(jīng)歷更加頻繁的啟停，造成軸承工況的惡化。發(fā)動機(jī)低摩擦設(shè)計(jì)的大趨勢下，低粘度潤滑油的應(yīng)用和更緊湊的摩擦副設(shè)計(jì)，盡管可以降低正常工作過程中的摩擦損失，但可能加劇軸承等摩擦副的磨損。

本文在發(fā)動機(jī)低摩擦設(shè)計(jì)的背景下，研究發(fā)動機(jī)啟停工況下軸承使用不同粘度潤滑油的摩擦學(xué)特性及磨損過程，分析低粘度潤滑油的應(yīng)用對軸承性能的影響，為發(fā)動機(jī)低摩擦設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

2 啟停工況下主軸承研究背景

根據(jù)汽車性能測試的NEDC城市行駛循環(huán)工況，在應(yīng)用發(fā)動機(jī)怠速啟停技術(shù)后，車輛每行駛3 976.1 m，發(fā)動機(jī)就要進(jìn)行11次啟停操作，低粘度潤滑油應(yīng)用情況下，軸承要經(jīng)歷更頻繁的惡劣工況。

關(guān)于啟停工況下軸承的性能研究，國內(nèi)外學(xué)者已開展了一系列相關(guān)工作。Mokhtar等人通過試驗(yàn)研究了穩(wěn)定載荷和轉(zhuǎn)速下軸承啟停過程中的摩擦學(xué)行為，并觀測到了由反復(fù)啟停造成的軸承磨損，發(fā)現(xiàn)磨損主要發(fā)生在起動過程的初期[42-43]。Monmousseau和Fillon研究了可傾瓦軸承在起動過程中的咬粘現(xiàn)象，分析了影響軸承安全運(yùn)行的主要因素[44]。Bouyer等人比較了經(jīng)過大量啟停試驗(yàn)后的軸承與新軸承的摩擦學(xué)性能，之后測量了起動過程中軸承的摩擦系數(shù)，試驗(yàn)表明，軸承的混合潤滑狀態(tài)主要發(fā)生在起動的初始階段[45-46]。Chun和Khonsari仿真模擬了恒定載荷的軸承在起動和減速滑行工況下的磨損行為，結(jié)果顯示在起動循環(huán)的起始階段和滑行工況的結(jié)束階段，軸承會持續(xù)發(fā)生磨損[47]。

本文中的分析討論是作者此前已完成的研究工作[48-49]。分析對象為某直列四缸四沖程汽油機(jī)主軸承，如圖2所示。以軸頸動力學(xué)為基礎(chǔ)，通過耦合求解軸承的平均流量潤滑模型、軸承與軸頸接觸模型、軸承表面形貌磨合與磨損模型，分析使用不同潤滑油情況下，軸承在90℃熱啟停過程的瞬態(tài)摩擦動力學(xué)行為及多次熱啟停后軸承的磨損特性。使用的理論模型及算法，可在作者此前的工作[48-49]中查看。

圖2 軸承分析示意圖[49]

分析中使用的潤滑油分別為SAE 0W20,SAE 5W30和SAE 5W40，在90℃時，三種潤滑油的粘度分別為0.007 Pa?s，0.011 Pa?s和0.015 Pa?s。

圖3所示為設(shè)置的發(fā)動機(jī)啟停循環(huán)工況，起動過程中發(fā)動機(jī)先后經(jīng)歷電機(jī)拖動、點(diǎn)火提速、穩(wěn)定怠速和停機(jī)滑動四個階段。供油壓力在電機(jī)拖動階段逐漸建立，在點(diǎn)火提速階段隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高。作用在曲軸軸頸的瞬態(tài)載荷曲線是根據(jù)實(shí)驗(yàn)缸壓數(shù)據(jù)及發(fā)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)信息計(jì)算得到。表1示為分析中的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖3 發(fā)動機(jī)啟停工況圖線[49]

表1 仿真基本參數(shù)[48-49]

3 啟停工況下主軸承瞬態(tài)摩擦學(xué)性能分析

為了了解啟停過程對軸承磨損的影響，首先針對單次啟停過程中軸承的瞬態(tài)摩擦動力學(xué)進(jìn)行了分析[49]。

圖4所示為發(fā)動機(jī)熱啟停過程中軸承的載荷、最小油膜厚度(MOFT)、最大油膜壓力(MOFP)、最大接觸壓力(MCP)和摩擦損失功率(FPL)曲線。

圖4 不同潤滑油下熱啟停過程中軸承瞬態(tài)摩擦學(xué)參數(shù)對比[49]

以軸承受到的載荷作為主要參考，來分析各時刻軸承的摩擦學(xué)特性。在點(diǎn)火提速階段，缸壓較大，軸承受到的載荷增大。三種潤滑油粘度在同一量級，最小油膜厚度曲線和最大油膜壓力曲線的差異并不明顯，僅在軸承載荷較小、油膜厚度較大時可以看出使用5W40潤滑油會使最小膜厚的數(shù)值更大。

但在最大接觸壓力曲線中，可以看出使用0W20潤滑油時，接觸壓力明顯增大。與之對應(yīng)地，在摩擦損失曲線中，使用0W20潤滑油會在起動初期產(chǎn)生較大的摩擦力，分析可知該摩擦力主要來自固體接觸。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高后，軸承工作在流體潤滑狀態(tài)，低粘度潤滑油產(chǎn)生的摩擦損失最小，與事實(shí)相符。

4 多次啟停后軸承的磨損與性能分析

以單次啟停過程中軸承的瞬態(tài)摩擦動力學(xué)分析為基礎(chǔ)，開展了多次啟停對軸承表面形貌和性能變化的影響分析[49]。

一般認(rèn)為，新軸承在工作初期會先經(jīng)歷磨合過程，然后再進(jìn)入磨損階段。因此，分析過程中首先分析了軸承的磨合過程，如圖5所示。隨著熱啟停次數(shù)的增加，軸承主要承載區(qū)的表面粗糙度值變小，根據(jù)磨合過程中表面粗糙度最小值的變化，將磨合過程分為了8個階段，使用不同潤滑油使軸承達(dá)到各磨合階段的次數(shù)如圖6所示?？梢钥闯?，使用低粘度0W20潤滑油時，達(dá)到各磨合階段所需的啟停次數(shù)最少，即磨合最快。

在磨合過程結(jié)束后，軸承進(jìn)入緩慢磨損過程。在軸承使用壽命中，磨損過程持續(xù)時間最長。圖7所示為軸承表面磨損深度隨啟停次數(shù)增加的變化情況。圖中所示縱軸為選取了軸承中間截面的周向坐標(biāo)，橫軸為啟停次數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著啟停次數(shù)的增加，磨損區(qū)域逐漸擴(kuò)大，磨損深度逐漸增大。對比發(fā)現(xiàn)：使用0W20潤滑油經(jīng)歷相同次數(shù)的發(fā)動機(jī)啟停時，軸承的磨損深度最大；當(dāng)啟停次數(shù)約為65 000次時，使用0W20潤滑油時的最大磨損深度可以達(dá)到使用5W40潤滑油時最大磨損深度的約3倍?？梢?，潤滑油粘度對軸承的磨損具有明顯影響。

圖5 隨啟停次數(shù)增加軸承表面粗糙度變化[49]

圖6 各磨合階段所需的發(fā)動機(jī)啟停次數(shù)[49]

圖7 隨啟停次數(shù)增加軸承磨損深度變化[49]

磨合和磨損會直接影響發(fā)動機(jī)軸承的摩擦學(xué)性能。以平均摩擦損失功率為指標(biāo)，分析了使用不同潤滑油時多次啟停對軸承摩擦學(xué)性能的影響，如圖8所示。可以看出，隨發(fā)動機(jī)啟停次數(shù)增多，發(fā)動機(jī)啟停循環(huán)的流體摩擦損失和怠速循環(huán)的摩擦損失幾乎不變，而接觸摩擦損失先快速減小，之后呈緩慢增大趨勢。這說明啟停過程中的磨損造成的摩擦損失變化，主要體現(xiàn)在接觸摩擦。在磨合過程中，表面粗糙度減小，接觸摩擦被減小，之后表面粗糙度幾乎不再變化，隨著磨損深度增大，磨損區(qū)域的流體承載被減弱，接觸摩擦不斷增大。使用0W20潤滑油時，接觸摩擦的變化更加明顯，與該工況下軸承的磨合磨損過程被加速相對應(yīng)。

圖8 隨啟停次數(shù)增加軸承平均摩擦損失功率變化[49]

5 結(jié)論及啟示

（1）關(guān)于降低發(fā)動機(jī)摩擦損失的研究及技術(shù)應(yīng)用正在國內(nèi)外廣泛開展，發(fā)動機(jī)低摩擦設(shè)計(jì)將是推動汽車行業(yè)節(jié)能減排發(fā)展的有力工具；

（2）主軸承在經(jīng)歷發(fā)動機(jī)多次啟停后，會發(fā)生表面磨損，對其摩擦學(xué)性能的影響主要體現(xiàn)在磨合階段可以減少接觸摩擦，而在磨損階段會增大接觸摩擦；

（3）低粘度潤滑油等低摩擦設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用會降低軸承的摩擦損失，但會加速軸承在啟停工況下的磨合和磨損進(jìn)程。在應(yīng)用發(fā)動機(jī)低摩擦技術(shù)時，應(yīng)充分考慮其對各摩擦副的影響。