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0 前言

隨著汽車保有量增加，汽車生產(chǎn)商更有必要通過(guò)改善燃油經(jīng)濟(jì)性，削減CO2排放量等方面的研究。

圖1 動(dòng)力傳動(dòng)(動(dòng)力系統(tǒng))技術(shù)在國(guó)際市場(chǎng)所占比例示意圖

對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性起重大作用的發(fā)動(dòng)機(jī)需要通過(guò)降低機(jī)械阻力進(jìn)一步降低燃油耗，這在實(shí)際行駛中尤其重要。馬自達(dá)汽車公司開(kāi)發(fā)作為創(chuàng)新的基礎(chǔ)技術(shù)SKYACTIV技術(shù)，改善了成為車輛基本性能的發(fā)動(dòng)機(jī)及變速器等動(dòng)力傳動(dòng)裝置的效率，以及對(duì)車輛的輕量化、空氣動(dòng)力學(xué)等特性進(jìn)行了改善。2011年，隨著配裝了SKYACTIV-G汽油機(jī)的新型樣品車(demio)進(jìn)入日本市場(chǎng)以后，馬自達(dá)汽車公司在世界市場(chǎng)陸續(xù)擴(kuò)大配裝SKYACTIV技術(shù)車型的銷售。在開(kāi)發(fā)進(jìn)程中，分析技術(shù)發(fā)揮了較大作用，即便在摩擦學(xué)領(lǐng)域，也積極地運(yùn)用著解析技術(shù)。本文根據(jù)降低機(jī)械阻力的觀點(diǎn)，介紹關(guān)于支撐SKYACTIV發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦學(xué)分析技術(shù)。

1 SKYACTIV技術(shù)概況

馬自達(dá)汽車公司曾提出其技術(shù)開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)期展望“Zoom-Zoom可持續(xù)發(fā)展宣言”，并將“為客戶提供滿足駕駛愉悅性及優(yōu)異的環(huán)保性能的車型”作為全公司經(jīng)營(yíng)的方針。因此，作為提高環(huán)保性能的一環(huán)，應(yīng)該推動(dòng)CO2減排工作，在SKYACTIV發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中也確立了更高的燃油經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)，馬自達(dá)汽車公司也一直為此而努力。

2000年以后，混合動(dòng)力車及電動(dòng)汽車開(kāi)始陸續(xù)在市場(chǎng)進(jìn)行投放。由于對(duì)環(huán)保問(wèn)題及燃油耗的密切關(guān)注，混合動(dòng)力車及電動(dòng)汽車產(chǎn)銷量快速增加。但是，馬自達(dá)汽車公司預(yù)測(cè)到2020年，在全球市場(chǎng)中內(nèi)燃機(jī)仍將繼續(xù)擔(dān)任汽車的主要?jiǎng)恿υ?圖1)。

根據(jù)該預(yù)測(cè)，馬自達(dá)汽車公司設(shè)定了“模塊化構(gòu)件戰(zhàn)略”(圖2)。首先，優(yōu)先改善發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率及車輛的輕量化等基礎(chǔ)技術(shù)。并且，階段性地引進(jìn)電氣裝置(怠速停止系統(tǒng)，制動(dòng)能量再生系統(tǒng)、混合動(dòng)力系統(tǒng)等)。由此，以沒(méi)有建立應(yīng)對(duì)環(huán)保的基礎(chǔ)設(shè)施的新興國(guó)家為首，以合適的價(jià)格向世界各國(guó)客戶提供環(huán)保性能、安全性能優(yōu)異的汽車。其結(jié)果表明，不依賴于部份環(huán)保型車輛，能夠有效地減少CO2的總排放量。

圖2 模塊化部件戰(zhàn)略

SKYACTIV技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)及變速器等動(dòng)力傳動(dòng)裝置，以及車身底盤(pán)、車體革新的基礎(chǔ)技術(shù)的總稱。以汽車基本零部件的發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的熱效率改善為首要目標(biāo)，進(jìn)行車輛輕量化，將空氣動(dòng)力特性等基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行徹底改善，大幅度提高燃油經(jīng)濟(jì)性。2011年，配裝了SKYACTIV-G汽油機(jī)的新型demio車型在日本國(guó)內(nèi)上市后，在國(guó)際市場(chǎng)也擴(kuò)大了SKYACTIV技術(shù)車型的銷售。

圖3 內(nèi)燃機(jī)的熱效率

如圖3所示，內(nèi)燃機(jī)通過(guò)燃燒產(chǎn)生的大部分熱能作為排氣損失、冷卻損失、泵氣損失、機(jī)械阻力損失而消耗掉了。作為驅(qū)動(dòng)汽車行駛作功并能夠有效地運(yùn)用的能量最大僅為30%左右。

內(nèi)燃機(jī)的熱效率改善是降低上述4項(xiàng)損失并提高有效作功的比例，同時(shí)作為降低這些損失的可控因素，可以歸納為膨脹比(壓縮比)、比熱比、燃燒持續(xù)期、燃燒定時(shí)、氣缸壁面熱傳遞、泵氣損失、摩擦阻力共7項(xiàng)。SKYACTIV發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)是使這些可控因素接近于理論值(發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到理想狀態(tài))，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的高熱效率。

下面將介紹這些可控因素中，作為降低摩擦阻力的關(guān)鍵技術(shù)，在SKYACTIV發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)中有效運(yùn)用的摩擦學(xué)分析技術(shù)。

2 關(guān)于摩擦學(xué)分析技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)上運(yùn)動(dòng)部件較多，各零部件的摩擦阻力所占的比例大致如圖4所示。力求降低各零件的摩擦阻力，兼顧與降低摩擦阻力協(xié)調(diào)的熱膠粘及磨損等摩擦學(xué)問(wèn)題的處理。

用實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行這類現(xiàn)象的再現(xiàn)試驗(yàn)需要許多工時(shí)，所以馬自達(dá)汽車公司在試驗(yàn)臺(tái)預(yù)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域傾注大量精力進(jìn)行開(kāi)發(fā)。而且，使用開(kāi)發(fā)的摩擦學(xué)解析技術(shù)，進(jìn)行各問(wèn)題與機(jī)理的說(shuō)明，以及假說(shuō)的驗(yàn)證、最佳化的應(yīng)用、方向性的把握等。摩擦學(xué)分析技術(shù)能有效地運(yùn)用于各種因素及復(fù)雜作用，進(jìn)行對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)部位最佳設(shè)計(jì)的技術(shù)規(guī)格(標(biāo)準(zhǔn))的決定是較為困難的。另外，對(duì)機(jī)理的說(shuō)明及精度驗(yàn)證階段，需要許多的專門(mén)知識(shí)及高級(jí)計(jì)測(cè)技術(shù)。馬自達(dá)公司在承蒙大學(xué)[1-2]及零部件生產(chǎn)商等相關(guān)部門(mén)的協(xié)助下進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)。以下將主要介紹摩擦學(xué)分析技術(shù)，以及在SKYACTIV發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)中應(yīng)用摩擦學(xué)分析技術(shù)的實(shí)例。

圖4 各零件的機(jī)械阻力所占比例

2.1 活塞、活塞環(huán)滑動(dòng)部件的最優(yōu)化

活塞占發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦阻力的30%左右，由于對(duì)燃油耗的影響較大，降低其摩擦阻力也是極為重要的?；钊幕瑒?dòng)部有活塞裙部與活塞環(huán)(組)，而其摩擦阻力的比例大約各占一半。

從活塞裙部與活塞環(huán)組的主要功能來(lái)看，裙部是用于控制活塞的姿勢(shì)，活塞環(huán)組具有密封功能。

首先，在決定活塞裙部的技術(shù)規(guī)格時(shí)，進(jìn)行這種姿態(tài)控制與降低摩擦阻力的平衡是非常重要的。為了進(jìn)行姿態(tài)控制，假如將滑動(dòng)面形狀(輪廓)做成直線狀，則摩擦阻力會(huì)增加。相反，假如做成桶(筒)形，則摩擦阻力變小。二次動(dòng)力加大，會(huì)出現(xiàn)敲缸之類的異常噪聲問(wèn)題與熱膠粘等可靠性問(wèn)題。

這樣一來(lái)，在許多有待協(xié)調(diào)的問(wèn)題情況下降低摩擦阻力(目標(biāo)函數(shù))，有效地分析技術(shù)是最佳化(自動(dòng)化)的研究方法。

圖5是在設(shè)計(jì)變量中定義了活塞裙部的外形(輪廓)及銷孔偏置量；在目標(biāo)函數(shù)中定義了降低摩擦阻力；在制約條件中定義了搖頭(擺動(dòng))角，磨損負(fù)荷值(分別為二次運(yùn)動(dòng)/熱膠粘的代用特性)等活塞動(dòng)態(tài)最佳化的研究實(shí)例。

圖5 活塞動(dòng)態(tài)最佳化研究

在這些分析中，得到對(duì)幾百個(gè)外形(輪廓)形狀計(jì)算的結(jié)果，從而能夠確認(rèn)式樣A中摩擦阻力功與時(shí)針旋轉(zhuǎn)的搖頭角存在協(xié)調(diào)關(guān)系(圖5(b)，圖5(c))。然后，只提取帕累托最佳解，進(jìn)行多變量分析中的群分析，分解為6個(gè)群集，將各群集的特性作為特征。例如，群集2(標(biāo)▲符號(hào))反時(shí)針旋轉(zhuǎn)最大的搖頭角成功地被抑制，但可以說(shuō)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)最小的搖頭角是其中效果最差的群集。在這次的最佳化研究中，從兩種式樣的摩擦阻力功及左右搖頭角被已成功抑制的群集5(標(biāo)●符號(hào))提出最佳解(標(biāo)★符號(hào))，決定了活塞裙部的規(guī)格。

結(jié)果表明，通過(guò)緩和活塞裙部容易產(chǎn)生的強(qiáng)烈接觸，防止邊界潤(rùn)滑狀態(tài)或固體接觸。在防止磨損與熱膠粘的同時(shí)，成功地降低了摩擦阻力(圖6)。

圖6 降低活塞摩擦阻力

其次，減輕活塞環(huán)的摩擦阻力的重要影響之一是活塞環(huán)的密封功能。尤其是潤(rùn)滑油密封(刮油)功能不足，會(huì)關(guān)系到潤(rùn)滑油浪費(fèi)的問(wèn)題。所以，活塞環(huán)與氣缸套之間的跟隨性是很重要的。在SKYACTIV-G及SKYACTIV-D發(fā)動(dòng)機(jī)方面，采用容易抑制氣缸套上部變形的開(kāi)放式頂板結(jié)構(gòu)，利用氣缸套螺釘緊固，成功地抑制了氣缸套低次變形。關(guān)于氣缸套高次變形，實(shí)施機(jī)體的熱變形解析，力求預(yù)測(cè)并抑制實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的氣缸套變形。

圖7是以氣缸套變形結(jié)果為基礎(chǔ)，計(jì)算了活塞環(huán)在氣缸套中刮油后剩余油膜厚度的結(jié)果。由于抑制了氣缸套變形，即使采用低張力活塞環(huán)，也能成功抑制機(jī)油消耗。

圖7 活塞環(huán)在缸套內(nèi)刮油后剩余油膜厚度

2.2 降低曲軸軸承部的摩擦阻力及防止可靠性問(wèn)題

發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承主要使用了滑動(dòng)軸承，其代表性軸承是曲軸(軸頸)軸承。為降低曲軸軸承的阻力，通?？梢钥紤]縮小軸頸及縮小軸承寬度等措施。不過(guò)，原本處在承受燃燒負(fù)荷、往復(fù)慣性負(fù)荷等較大變動(dòng)負(fù)荷的苛刻環(huán)境下，因?yàn)槭軌毫γ娣e減少，會(huì)出現(xiàn)軸承熱膠粘及磨損問(wèn)題。對(duì)于SKYACTIV發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，即便是曲軸軸承，也需要兼顧降低阻力及可靠性問(wèn)題，提高解析精度，在各項(xiàng)評(píng)價(jià)中應(yīng)用解析方法。

(1)改善摩擦阻力預(yù)測(cè)精度

為進(jìn)行曲軸軸承部的摩擦、磨損、熱膠粘的預(yù)測(cè)，并實(shí)施彈性流體的潤(rùn)滑解析(EHL)，或者熱彈性流體潤(rùn)滑解析(TEHL)，摩擦阻力可用式(1)表示，但是，計(jì)算出固體按觸部分的摩擦阻力較為困難：

(1)

式中，pfric為摩擦阻力，Θ為潤(rùn)滑油填充率，η為潤(rùn)滑油黏度，U1為零件1的滑動(dòng)速度，U2為零件2滑動(dòng)速度，h為油膜厚度，p為油膜壓力，μ為摩擦因數(shù)，pasp為固體接觸壓力，A為滑動(dòng)面積。

為預(yù)測(cè)固體接觸的影響，2個(gè)滑動(dòng)表面的表面特性與摩擦因數(shù)的鑒定是比較重要的工作。因此，為正確地把握表面特性，運(yùn)用三維激光顯微鏡，用精度計(jì)測(cè)表面，將其特性反映在計(jì)算中。此外，關(guān)于摩擦因數(shù)，不論什么條件，都使用庫(kù)侖摩擦因數(shù)的話，估計(jì)會(huì)加大摩擦阻力，所以，利用圖8的單軸試驗(yàn)臺(tái)裝置，計(jì)測(cè)混合潤(rùn)滑區(qū)域以下的摩擦扭矩，按照各種條件進(jìn)行了鑒定。圖9表示試驗(yàn)臺(tái)裝置中的解析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較?？梢钥吹絺鹘y(tǒng)的預(yù)測(cè)方法的結(jié)果與新預(yù)測(cè)方法的結(jié)果有較大的差異。由此求出的表面特性與摩擦因數(shù)作為接觸參數(shù)。假定了實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的主軸承部、連桿軸承部都進(jìn)行最佳的曲軸軸承設(shè)計(jì)。另外，關(guān)于與降低阻力有相反關(guān)系的許多熱膠粘及磨損，也在改善分析精度，進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)研究。

圖8 單軸試驗(yàn)臺(tái)裝置

圖9 單軸試驗(yàn)臺(tái)裝置中預(yù)測(cè)、實(shí)測(cè)差異驗(yàn)證

(2)熱膠粘預(yù)測(cè)精度的改善

關(guān)于熱膠粘，將與熱膠粘現(xiàn)象有關(guān)的油膜溫度作為其評(píng)價(jià)特性。不僅要對(duì)軸承，而且對(duì)曲軸油路(油溝)建立模型，確認(rèn)了通過(guò)進(jìn)行油膜的計(jì)算，將預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，主軸承、連桿大端軸承都可以用最大4 ℃左右的誤差進(jìn)行預(yù)測(cè)。圖10表示連桿大端軸承部的油膜溫度預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)值差異的驗(yàn)證結(jié)果。

(3)磨損預(yù)測(cè)精度改善

關(guān)于磨損，在SKYACTIV發(fā)動(dòng)機(jī)上也在采用的自動(dòng)起停技術(shù)i-Stop，以及在混合動(dòng)力車輛(HEV)情形下，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、停止次數(shù)非常多。如果與通常的起動(dòng)裝置起動(dòng)相比較，HEV的起動(dòng)停止次數(shù)約為前者的40倍，邊界潤(rùn)滑區(qū)域的使用頻度增加，擔(dān)心磨損會(huì)發(fā)展下去。在起動(dòng)、停止次數(shù)較多的情況下，磨損發(fā)展的預(yù)測(cè)是重要工作，有必要進(jìn)行精心考慮。因此，由于磨損發(fā)展，致使滑動(dòng)表面輪廓變化，表面壓力降低，用式(2)描述減緩磨損發(fā)展過(guò)程，并實(shí)施了預(yù)測(cè)。圖11表示預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)結(jié)果比較。

Wv=aWiSinh-1(cy)

(2)

式中，Wv為磨損量，a為系數(shù)，Wi為瞬時(shí)發(fā)生磨損量，cy為循環(huán)次數(shù)，可以說(shuō)與傳統(tǒng)預(yù)測(cè)法相比，新預(yù)測(cè)法與實(shí)測(cè)結(jié)界較吻合(相關(guān)性好)。

通過(guò)在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行高精度預(yù)測(cè)上述摩擦阻力、熱膠粘、磨損和加速發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)進(jìn)程。而且，不引起可靠性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)阻力的降低。

圖11 磨損的驗(yàn)證

2.3 降低潤(rùn)滑系統(tǒng)的阻力

在SKYACTIV-G汽油機(jī)、SKYACTIV-D柴油機(jī)方面，也進(jìn)行了潤(rùn)滑系統(tǒng)阻力的降低。首先，使各液壓裝置的要求液壓最少化，由于簡(jiǎn)化油泵-各液壓裝置間的供油通道，降低了壓力損失。為實(shí)現(xiàn)供油通道最佳化，有必要滿足各液壓裝置的要求，應(yīng)該研究發(fā)動(dòng)機(jī)整體的流量分配及壓力損失。在這類研究中，研究人員有效運(yùn)用了一維流動(dòng)解析。

發(fā)動(dòng)機(jī)各部分的工作油流量中軸頸與銷軸頸占總油流量的30%～50%，為了高精度地預(yù)測(cè)流壓和流量，有必要改善主軸頸和銷軸頸的流量預(yù)測(cè)精度。對(duì)于主軸頸，由于計(jì)算每一曲軸轉(zhuǎn)角的負(fù)荷，求出過(guò)渡的軸心軌跡，以此能夠高精度地預(yù)測(cè)流量。即便對(duì)于銷軸頸，同樣求出過(guò)渡的軸心軌跡，計(jì)算得出的結(jié)果并不能再現(xiàn)出高轉(zhuǎn)速的流量。這是因?yàn)樵绞歉咿D(zhuǎn)速，慣性力越大，由于連桿大端部變形，金屬間隙擴(kuò)大的緣故。因此，利用與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的2次方成比例的模型來(lái)描述，由于連桿大端部的變形導(dǎo)致的間隙，改善了預(yù)測(cè)精度(圖12)。利用這些模型，由于使發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的潤(rùn)滑油通道模型化，進(jìn)行了供油通道的最佳化，并對(duì)供給油壓的特性進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖12 銷軸頸流量預(yù)測(cè)精度

由于使供油通道得以最佳化，油泵上配裝了日本國(guó)內(nèi)首創(chuàng)技術(shù)的液壓反饋與電子控制液壓切換機(jī)構(gòu)。通過(guò)組合導(dǎo)閥即控制閥及混合閥，反饋主油溝(M/G)油壓，通過(guò)控制油泵的溢流量從而保持恒定的壓力，實(shí)現(xiàn)了泵驅(qū)動(dòng)力的降低。而且，通過(guò)電磁閥的開(kāi)/關(guān)，轉(zhuǎn)換面向混合閥的油路，能夠按低油壓與高油壓兩級(jí)控制油壓(圖13)。

圖13 油泵系統(tǒng)

圖14 油泵驅(qū)動(dòng)力的比較

利用電磁閥進(jìn)行液壓控制是根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)條件(轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和暖機(jī)狀態(tài))進(jìn)行的。在低轉(zhuǎn)速、中低負(fù)荷工況下，依照低油壓進(jìn)行控制；在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷工況下，為確保可靠性，依照高油壓進(jìn)行控制。通過(guò)這類控制，能夠根據(jù)各運(yùn)轉(zhuǎn)條件，供給最佳的油壓，在中低負(fù)荷工況下，相比于沒(méi)有油壓控制的情形，使泵的驅(qū)動(dòng)力降低了16%(圖14)。至于SKYACTIV-G 1.3 L汽油機(jī)，由于引進(jìn)了這類新技術(shù)，相比于以往的發(fā)動(dòng)機(jī)，潤(rùn)滑系統(tǒng)的機(jī)械阻力降低了57%。

2.4 小結(jié)

為了確定活塞裙部規(guī)格，確立了兼顧降低摩擦阻力與可靠性問(wèn)題的最佳化方法。此外，由于從開(kāi)發(fā)初期階段運(yùn)用試驗(yàn)臺(tái)預(yù)測(cè)技術(shù)，采用了活塞環(huán)密封功能優(yōu)異的開(kāi)放式頂板結(jié)構(gòu)，能夠大幅度削減工時(shí)。

在曲軸軸承部混合潤(rùn)滑區(qū)域以下，進(jìn)行接觸參數(shù)的鑒定，同時(shí)改善了摩擦阻力的預(yù)測(cè)精度。關(guān)于熱膠粘和磨損，由于對(duì)各油路建立模型，應(yīng)用磨損發(fā)展預(yù)測(cè)算公式，獲得了新預(yù)測(cè)方法與實(shí)測(cè)結(jié)果的相關(guān)性。

由于對(duì)主軸頸與銷軸頸的過(guò)渡動(dòng)態(tài)及連桿大端部的變形建立模型，改善了流量預(yù)測(cè)精度，能夠進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)中供油通道的最佳化。

3 結(jié)語(yǔ)

正如上文介紹的新技術(shù)那樣，由于應(yīng)用了各種各樣的摩擦學(xué)解析技術(shù)，降低了SKYACTIV-G汽油機(jī)、SKYACTIV-D柴油機(jī)的摩擦損失，改善了燃油經(jīng)濟(jì)性。今后，仍要以最終實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)動(dòng)機(jī)為目標(biāo)，進(jìn)一步降低機(jī)械阻力，有效運(yùn)用摩擦學(xué)解析技術(shù)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 大澤，ほか.ビストンスカ一ト部の潤(rùn)滑油膜舉動(dòng)の可視化と膜厚測(cè)定[C].自動(dòng)車技術(shù)會(huì)計(jì)測(cè)·診斷部門(mén)委員會(huì)企畫(huà)シンボジウム[多樣なニ一ブに對(duì)応すゐ計(jì)測(cè)·診斷技術(shù)]講演論文集，2011.

[2] 中川，ほか.ビストンスカ一ト部におけゐ潤(rùn)滑油膜厚さの定量測(cè)定精度向上とクロスハツチ加工の有無(wú)が油膜に及ほす影響[C].日本機(jī)械學(xué)會(huì)中四國(guó)支部第50期講演會(huì)前刷集，2012.

[3] 宮內(nèi). 境界潤(rùn)滑を考慮した主軸受け彈性流體潤(rùn)滑計(jì)算手法の研究[C].自動(dòng)車技術(shù)會(huì)論文集，2007.