集油軌道對偏心凸輪限量供油潤滑性能的影響

張肖肖，李書義，郭 峰，孫楠楠，朱桂香

(1.青島理工大學 機械與汽車工程學院，青島 266525；2.濰柴動力股份有限公司，濰坊 261061)

0 概述

凸輪-挺柱副是內燃機中工作條件最苛刻的接觸副，其潤滑不良是引起凸輪-挺柱副磨損的重要原因之一。在工程應用中，充分供油能改善機械零部件的摩擦磨損狀況。而凸輪-挺柱副常采用飛濺潤滑，易發生供油不足。凸輪-挺柱副工作條件苛刻，負荷、卷吸速度和綜合曲率半徑在高溫工況下都隨時間連續變化[1]，使凸輪-挺柱副潤滑狀態的試驗和理論研究十分困難。

關于凸輪-挺柱副的潤滑問題，國內外學者已開展了一系列研究。由于凸輪-挺柱副在內燃機中苛刻的工作環境，很多研究者曾認為其主要潤滑狀態為邊界潤滑，分別在凸輪-挺柱副的摩擦磨損[2-3]、預緊力[4]、接觸應力[5]、表面涂層[6]等方面進行了探討。而隨著研究的深入，發現通過潤滑設計可以使凸輪-挺柱副處于彈性流體動壓潤滑狀態，從而提高其抗磨性和可靠性。針對凸輪-挺柱副潤滑機理方面的試驗和理論研究也逐步開展。文獻[7-11]中從不同方面對配氣機構凸輪-從動件接觸副間的潤滑狀態進行了分析。文獻[12]中應用電容法對凸輪-從動件間的潤滑油膜厚度進行了測量；文獻[13]中使用薄膜微電傳感器測量了接觸副間的潤滑油膜厚度；文獻[14-18]中使用光干涉法測量了非共形接觸在瞬態條件下的潤滑狀態；文獻[19-20]中使用光干涉法獲得了干涉圖像并測量了薄膜厚度；文獻[21]中開發了一套利用光干涉法測量凸輪-從動件線接觸油膜厚度和形狀的系統。以上研究均基于充分供油的前提對凸輪-挺柱副潤滑問題進行探究，但實際上凸輪-挺柱副常處于非充分供油狀態，導致接觸副過早磨損，故非常有必要探索限量供油條件下凸輪-挺柱副潤滑性能改善方法。

如何提高限量供油下潤滑油的有效利用率是改善潤滑性能的關鍵。在以往的表面性質探究中發現表面張力和毛細作用力能夠驅動液體流動[22]。為了利用這種表面性質，文獻[23]中在滾道兩側加工納米織構使得油膜厚度增加，認為納米織構阻止了接觸區潤滑油泄漏。文獻[22]中還證明了液體流動可以由非均質表面潤濕性進行驅動。此外，文獻[24-25]中通過試驗證明了潤濕性梯度表面可以有效調控潤滑油在潤滑軌道上的分布，改善了潤滑狀況。以上研究運行工況較穩定，本文中將利用表面性質探究卷吸速度和載荷連續變化工況下集油軌道對凸輪-挺柱副潤滑狀態的改善。

本文中通過偏心凸輪-盤接觸形式模擬真實凸輪-挺柱副，由于運行工況較為苛刻，普通光學玻璃盤易磨損，無法完整采集到一個運動周期內的光干涉圖像，故采用硬度更高的藍寶石盤進行替代。試驗在藍寶石盤表面以接觸區外的疏油薄膜制備集油軌道(oleophilic track， OT)，并利用實驗室自主研發的凸輪-挺柱油膜潤滑測試系統[26]，探究了限量供油條件下OT對偏心凸輪-藍寶石盤副潤滑性能的影響。鑒于凸輪-挺柱副運行工況苛刻，很難直接獲得油膜厚度，關于此方面的基礎研究甚少，本文中創新性地使用藍寶石盤獲得了油膜干涉圖，不僅獲得了油膜厚度，還通過恰當的集油軌道設計改善了接觸副潤滑特性，這為內燃機配氣機構的設計改進提供了一定的指導。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

凸輪-挺柱油膜潤滑測量系統試驗裝置及測量原理如圖1所示。偏心凸輪由鋼球制成，為便于觀察光干涉油膜圖像，挺柱部分由藍寶石盤代替，偏心凸輪與藍寶石盤組成接觸副，藍寶石盤保持固定，偏心凸輪通過控制電機設置轉速。雙色激光通過顯微鏡將同軸光照射至接觸表面，接觸區入口潤滑油分布及接觸區內潤滑油膜干涉圖，經顯微鏡放大后可被高速攝像機捕捉并儲存。采用紅綠雙色光干涉強度調制技術[27]對干涉圖片進行離線處理，可獲得潤滑油膜厚度。

圖1 試驗裝置及測量原理示意圖

1.2 試驗條件

試驗所用藍寶石盤直徑為150 mm，厚度為 15 mm，折射率為1.762；鋼球為G5精度，直徑為 25.4 mm。盤和鋼球的表面粗糙度分別約為1.4 nm和14 nm。試驗條件如表1所示，潤滑油(CK-4 15W-40和CH-4 20W-50)特性如表2所示。試驗前，通過千分表對偏心凸輪做標記，在偏心凸輪回轉中心離玻璃盤表面最近時，設定凸輪轉角為0°位置。試驗中，根據理論計算出凸輪轉角對應接觸點位置，通過微調機構移動高速攝像機至對應位置，在固定凸輪轉角位置(0°、30°、90°、150°、180°、210°、270°、330°)采集油膜干涉圖，如圖2所示，其中O2為偏心凸輪旋轉中心。在整個凸輪旋轉周期內接觸區卷吸速度ue和負荷w(接觸區受到的力)實時變化，轉速為18 r/min，初始負荷為10 N，偏心距e為1 mm時的變化規律如圖3所示。卷吸速度ue的定義見式(1)。

(1)

式中，ud為藍寶石盤接觸點線速度；uc為偏心凸輪接觸點線速度。

表1 試驗條件

表2 試驗用潤滑油黏度

圖2 偏心凸輪示意圖

圖3 卷吸速度、負荷隨凸輪轉角變化(18 r/min，初始負荷10 N，e=1 mm)

1.3 OT的制備及表征

試驗中，偏心凸輪在藍寶石(Al2O3)盤面上做往復直線運動。藍寶石為親油材質，因此使用商業防指紋油(anti-fingerprint oil，以下簡稱AF)對藍寶石盤表面進行表面能梯度修飾，得到中間親油(藍寶石)而兩側疏油(AF)的OT。制備流程如圖4所示，其中表面清洗階段需將藍寶石盤分別經過石油醚和無水乙醇浸泡，并在超聲波清洗機中振蕩10 min，之后再用等離子清洗機進行清洗；設計OT寬度為最大赫茲接觸應力下接觸區寬度的3倍左右(1 mm)，過寬或過窄都不利于潤滑油的回流。由于藍寶石盤表面與AF表面對潤滑油的潤濕性差別明顯，使用接觸角測量儀測得兩種試驗用潤滑油在不同表面的接觸角，如表3所示。

圖4 OT制備流程

表3 試驗用潤滑油接觸角

為表征處理前后油滴在兩不同盤面間的差異，將 1 μL 的CK-4潤滑油分別滴在Al2O3盤面與有OT存在的盤面上。圖5為采用油量1 μL的CK-4潤滑油在不同表面的鋪展情況。油滴在Al2O3盤面上快速鋪展為圓形，如圖5(a)所示。而在有OT存在的盤面上，如圖 5(b) 所示：由于不均衡表面自由能作用，垂直OT方向上油滴向表面自由能更高的軌道位置聚攏；沿OT方向上，由于軌道兩側表面自由能低，油滴沿OT方向向兩側延伸。對比油滴的鋪展情況可以看出，OT的存在能夠限制潤滑油向軌道兩側延伸，具有較好的集油功能。

圖5 潤滑油在不同表面的鋪展(CK-4潤滑油，1 μL供油量)

2 結果與討論

2.1 不同轉速下OT對潤滑油池及中心膜厚的影響

圖6～圖9分別給出了有/無OT時，油品為潤滑油CH-4，供油量為1 μL，初始負荷為10 N(對應凸輪轉角為0°)，不同轉速(18 r/min、36 r/min、54 r/min 和96 r/min)下油膜干涉圖隨凸輪轉角的變化規律。圖6(b)中定義了乏油距離l,即入口區域乏油邊界到接觸區邊緣的距離，l越小表明乏油程度越嚴重[28]；圖6(k)中hc為油膜干涉圖中紅點標記處的膜厚；接觸區大小會隨著實時負荷變化，凸輪轉角為180°時達到最大。由圖6(a)～圖6(h)可以看出，當轉速為18 r/min時，無OT存在的表面，各凸輪轉角位置皆可看到入口區域油氣乏油邊界出現了不同程度的輕度乏油；而在圖6(i)～圖 6(p) 中有OT的表面，各凸輪轉角位置在視場范圍內皆未出現乏油。這表明OT促進了潤滑油的回填，在限量供油下可在軌道內保持更多的潤滑油參與潤滑。在18 r/min轉速時，OT對入口區潤滑油池的改善效果是原表面的1.6～4.7倍。由圖 7(a)～圖7(h)可以看出，當轉速為36 r/min時，無OT的表面除圖7(c)中凸輪轉角90°位置入口區域有較穩定油池外，其余凸輪轉角位置油氣乏油邊界已進入接觸區；而在圖7(i)～圖7(p)中有OT的表面，該轉速下所有凸輪轉角位置雖出現不同程度的乏油，但入口區域供油穩定，潤滑油池相比于無OT的表面得到顯著改善。這表明在兩表面非平衡界面張力作用下，OT可以驅使潤滑油回流至軌道，有效調控入口區域的潤滑油分布，保證穩定供油，延緩乏油。由圖8(a)～圖8(h) 可以看出，當轉速為54 r/min時，無OT的表面，各凸輪轉角位置油氣乏油邊界都已進入接觸區，該轉速時潤滑油回填被嚴重抑制，已無法回填至入口區域；而在圖8(i)～圖 8(p) 中有OT的表面，該轉速下只有部分凸輪轉角位置油氣乏油邊界進入接觸區，這表明即使較高轉速抑制了潤滑油的回填，OT仍可以利用兩表面間的張力梯度將潤滑油輸送至親油區，調控入口區域潤滑油分布，緩解乏油。當轉速為 96 r/min 時，圖9中有/無OT的表面，各凸輪轉角位置皆出現嚴重乏油，入口區域潤滑油匱乏，主要依靠兩側脊油池供給潤滑油，但從油膜干涉圖可以看出，OT表面的存在使得各凸輪轉角位置兩側脊油池有一定的延展，供油相對更穩定?？梢?，OT表面在一定程度上可以改善限量供油下接觸區供油情況。

圖6 不同表面上油膜干涉圖隨凸輪轉角變化(CH-4潤滑油，1 μL供油量，初始負荷10 N，18 r/min)

圖7 不同表面上油膜干涉圖隨凸輪轉角變化(CH-4潤滑油，1 μL供油量，初始負荷10 N，36 r/min)

圖8 不同表面上油膜干涉圖隨凸輪轉角變化(CH-4潤滑油，1 μL供油量，初始負荷10 N，54 r/min)

圖9 不同表面上油膜干涉圖隨凸輪轉角變化(CH-4潤滑油，1 μL供油量，初始負荷10 N，96 r/min)

值得說明的是，即使同一轉速下各凸輪轉角位置的乏油情況也并不一致。圖10為采用CH-4潤滑油，供油量為1 μL，初始負荷為10 N，轉速為18 r/min時無量綱乏油距離L(L=l/d，d為赫茲接觸直徑)隨凸輪轉角變化曲線。從圖10可以看出，乏油曲線整體呈“M”形，曲線兩端乏油程度較嚴重而中間位置乏油程度較輕，這主要是由于各凸輪轉角位置卷吸速度不同影響潤滑油回填時間所致。在偏心凸輪旋轉一個周期過程中，卷吸速度實時變化(圖3)，在凸輪轉角為0°和360°時卷吸速度達到最大值，而卷吸速度最小值出現在凸輪轉角為180°時。在限量供油條件下，當摩擦副運動時，若卷吸速度較高，此時在滾道兩側的潤滑油回填至入口區域時間較短，回填總量較少，使得入口區域潤滑油池不充裕，此時乏油邊界將更靠近接觸區，乏油距離L較短，乏油程度較嚴重；而當卷吸速度較低時，偏心凸輪碾壓滾道頻率降低，滾道兩側潤滑油回填至入口區域時間延長，回填總量增加，使入口區域潤滑油池得到有效擴展，此時乏油邊界將遠離接觸區，乏油距離L較長，乏油程度較輕。

圖10 無OT無量綱乏油距離隨凸輪轉角變化曲線(CH-4潤滑油，1 μL供油量，初始負荷10 N，18 r/min)

進一步深入分析有/無OT的影響，圖11給出了潤滑油CH-4，供油量為1 μL，初始負荷為10 N時不同轉速下中心膜厚hc隨凸輪轉角變化曲線。由圖11(a)知，當轉速為18 r/min時，有OT的表面整體中心膜厚提升較小，即便兩者油膜干涉圖有較為明顯差異。這主要是因為在較低的轉速下，接觸區潤滑成膜所需潤滑油量較少，即使接觸區入口處出現輕度乏油也能滿足需要，故OT能改善接觸區供油情況卻不能改變接觸區潤滑成膜狀態。由圖11(b)和圖11(c)可以看出，當轉速為36 r/min和54 r/min時，有OT的表面相比于無OT的表面中心膜厚有了明顯提升，這與圖7和圖8中油膜干涉圖試驗觀察相一致。隨著卷吸速度的提高，需要更多的潤滑油量，OT恰好可以起到加速潤滑油回填的效果，從而改善了接觸區潤滑性能，特別是在膜厚曲線兩側凸輪轉角位置，中心膜厚改善尤為明顯，這是由于該位置時卷吸速度相對較高，潤滑油回填至入口區域時間較短，回填總量較少，在無OT的表面上入口區域無法提供足夠的潤滑油參與潤滑，使得接觸區中心膜厚顯著降低。但當轉速達到96 r/min時，由圖11(d)可以看出，有/無OT存在的兩工況曲線再次接近重合，因為較高的轉速下需要更多的潤滑油量，且轉速的提升增加了軌道潤滑油接觸碾壓的頻率，即便有OT的存在也無法滿足接觸區對潤滑油的需求?？梢?，OT會對限量供油下接觸區潤滑性能產生影響，其潤滑改善程度會受到轉速的影響。

2.2 不同負荷下OT對潤滑油池及中心膜厚的影響

圖12給出了油品為潤滑油CH-4，供油量為 1 μL，初始負荷為10 N，轉速為36 r/min時，不同表面上油膜干涉圖隨凸輪轉角變化規律。提高初始負荷至20 N，得到結果如圖13所示。OT仍能利用兩表面的不同潤濕性對潤滑油進行有效調控，將潤滑油積聚至入口區域，但負荷的改變使得OT對潤滑狀態的改善程度不同。為了量化不同負荷下OT的集油效果，引入無量綱乏油距離變化量ΔL(有OT的無量綱乏油距離與無OT的無量綱乏油距離之差，當入口區域乏油邊界進入接觸區時記L=0)，該值越大，改善效果越明顯。

圖11 中心膜厚隨凸輪轉角變化曲線(CH-4，1 μL供油量，初始負荷10 N)

圖12 不同表面上油膜干涉圖隨凸輪轉角變化(CH-4潤滑油，1 μL供油量，初始負荷10 N，36 r/min)

圖13 不同表面上油膜干涉圖隨凸輪轉角變化(CH-4潤滑油，1 μL供油量，初始負荷20 N，36 r/min)

圖14給出了油品為潤滑油CH-4，供油量為 1 μL，轉速為36 r/min時兩種負荷下無量綱乏油距離變化量隨凸輪轉角的變化曲線。從圖中可以看出，在各凸輪轉角位置，初始負荷為10 N時的ΔL明顯更高，即相比于高負荷，低負荷時OT對潤滑油池的改善效果更佳。這是由于負荷的降低使接觸副兩表面間形成更小的固體間隙，毛細力作用增強，OT能夠將相對較多的微量潤滑油牽引至接觸間隙，使得乏油邊界遠離接觸區，入口區域存在較大的潤滑油池，乏油距離變化量ΔL增大。在低負荷時，OT對潤滑效果的提升是高負荷時的1.6～4.5倍，即低負荷時OT對潤滑油池的改善效果優于高負荷。

圖14 無量綱乏油距離變化量隨凸輪轉角變化(CH-4潤滑油，1 μL供油量，36 r/min)

2.3 不同黏度下OT對潤滑油池及膜厚的影響

為探究不同黏度下OT對潤滑油池的影響，進行了以下試驗。采用潤滑油CH-4和CK-4，供油量為2 μL，初始負荷為10 N，轉速為96 r/min，觀察OT對接觸副潤滑油池的影響，如圖15和圖16所示。圖15中，在有/無OT的表面上，潤滑油CH-4在各凸輪轉角位置的潤滑狀態都出現較嚴重的乏油；在相同工況下，圖16中潤滑油CK-4即使在無OT的表面上，各凸輪轉角位置的乏油程度也優于潤滑油CH-4。這主要是由于潤滑油CH-4黏度更高，而高黏度潤滑油抑制軌道兩側潤滑油的回填，即使在有OT的表面上，非平衡表面張力加速了潤滑油的回填，但在高黏度潤滑油的影響下，潤滑油回填速率變慢，回填所需時間增加，這使得潤滑油回填總量減少，接觸區潤滑狀況改善程度被削弱。潤滑油CK-4黏度較低，潤滑油流動性較好，從圖16可以看出，OT表面的存在加速了潤滑油回填，有效調控了入口區域潤滑油的分布，使得潤滑油池供油量增加。根據之前的分析可知，當潤滑油池得到有效擴充時，接觸區中心膜厚也會相應提高，而這將減少兩接觸表面間的摩擦磨損，延長接觸副的使用壽命。

圖15 不同表面上油膜干涉圖隨凸輪轉角變化(CH-4潤滑油，2 μL供油量，初始負荷10 N，96 r/min)

圖16 不同表面上油膜干涉圖隨凸輪轉角變化(CK-4潤滑油，2 μL供油量，初始負荷10 N，96 r/min)

2.4 不同供油量下OT對潤滑油池及膜厚的影響

入口區供油量是影響潤滑狀態的關鍵因素，而供油量的不同會直接改變入口區供油情況。為了探究不同供油量下OT對潤滑的改善效果，進行了以下試驗。采用潤滑油CK-4，初始負荷為10 N，轉速為54 r/min，供油量分別為1 μL和2 μL，觀察OT對接觸副潤滑的影響，如圖17和圖18所示。從圖17中可以看出，供油量為1 μL工況下，無OT時各凸輪轉角位置可清晰看到乏油邊界，而有OT時在油膜干涉圖中幾乎看不到乏油邊界，即OT有效改善了潤滑，擴充了潤滑油池。圖18中，當供油量為2 μL時，由于供油量的增加，入口區供油量隨之增加，即便在無OT時各凸輪轉角位置乏油距離也較長，乏油較輕，而有OT時，從當前視角的油膜干涉圖中未觀察到乏油狀況，可知OT也在一定程度上改善了潤滑。

圖17 不同表面上油膜干涉圖隨凸輪轉角變化(CK-4潤滑油，1 μL供油量，初始負荷10 N，54 r/min)

圖18 不同表面上油膜干涉圖隨凸輪轉角變化(CK-4潤滑油，2 μL供油量，初始負荷10 N，54 r/min)

為定量描述不同供油量下OT對潤滑的影響，圖19給出了潤滑油CK-4，初始負荷為10 N，轉速為54 r/min時4種工況下無量綱乏油距離隨凸輪轉角變化曲線。從圖中可以看出，4種工況下乏油趨勢相同，但值得注意的是，在有OT時，供油量1 μL工況的乏油曲線整體在供油量2 μL無OT的乏油曲線的上方，即在應用OT后，供油量1 μL的潤滑效果優于普通表面供油量2 μL。無量綱乏油距離變化量ΔL可直觀反映OT對潤滑效果的改善，表4中給出了不同供油量時無量綱乏油距離變化量ΔL的具體數值，在供油量為1 μL時的ΔL數值在整體上高于供油量為2 μL時的數值，該結果表明，不同供油量時，OT呈現出不同的改善效果，低供油量時OT對潤滑的改善效果更好。

圖19 無量綱乏油距離隨凸輪轉角變化曲線(CK-4潤滑油，初始負荷10 N，54 r/min)

表4 不同供油量時無量綱乏油距離變化量

3 結論

(1) 限量供油條件下，有OT存在的表面相對于普通表面可增強潤滑油回填，改善潤滑狀態，提升中心膜厚。

(2) 在非平衡界面張力作用下，OT可以有效調控入口區域潤滑油分布，增加入口區域供油量。

(3) OT對潤滑改善的效果受到負荷和轉速的影響。低負荷時，OT對潤滑效果的提升是高負荷時的1.6～4.5倍；低轉速時，OT對入口區潤滑油池改善效果是原表面的1.6～4.7倍；當轉速達到 96 r/min 時，OT對潤滑的改善效果微弱。

(4) 高黏度潤滑油抑制潤滑油的回填效果；限量供油條件下，OT對不同油品的潤滑狀態皆有改善效果，油品黏度不同，改善效果有差異。

(5) 不同供油量下，可形成OT效果的差異。低供油量時OT對入口區供油調控效果更顯著。