周正 張鴻 孔祥馗

【摘 要】配氣機(jī)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣控制中發(fā)揮著不可替代的作用，它按照氣缸的工作需求，定時(shí)準(zhǔn)確地開閉配氣氣門以向氣缸供給可燃混合氣或新鮮空氣并及時(shí)將燃燒產(chǎn)生的廢氣排出，在配氣機(jī)構(gòu)中凸輪機(jī)構(gòu)是主要的動(dòng)力輸入裝置，凸輪機(jī)構(gòu)的摩擦與潤滑特性直接影響配氣機(jī)構(gòu)的承載能力等。文章針對某發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪機(jī)構(gòu)摩擦阻力大和磨損嚴(yán)重的問題，分析凸輪-挺柱摩擦副的摩擦特性和潤滑特性，以原廠油作為參比油，從機(jī)油黏度和添加劑成分兩個(gè)方面配制了3款試驗(yàn)油樣，通過發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦力矩試驗(yàn)探究不同配方機(jī)油對凸輪機(jī)構(gòu)摩擦特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：降低機(jī)油黏度和在機(jī)油中加入黏度指數(shù)改進(jìn)劑對凸輪機(jī)構(gòu)的摩擦改善不明顯，在機(jī)油中加入摩擦改進(jìn)劑對凸輪機(jī)構(gòu)的摩擦改善有較好的效果，相較于參比油加權(quán)平均摩擦力矩降低11.8%。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動(dòng)機(jī);凸輪機(jī)構(gòu);潤滑油;摩擦特性

【中圖分類號(hào)】TH112 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2022）02-0075-03

0 引言

近年來，隨著國家對汽車油耗規(guī)定的日益嚴(yán)格，小排量發(fā)動(dòng)機(jī)深受各大主機(jī)廠商和消費(fèi)者的喜愛，為了兼顧車輛的動(dòng)力性，小排量發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常在高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速工況下運(yùn)行，這就使得配氣機(jī)構(gòu)的工作條件發(fā)生巨大的變化，由原先的低接觸應(yīng)力、穩(wěn)定負(fù)荷和低摩擦變?yōu)楦呓佑|應(yīng)力、不穩(wěn)定負(fù)荷和劇烈摩擦，這種惡劣的工況在缸內(nèi)直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)更為常見，而凸輪-挺柱摩擦副作為配氣機(jī)構(gòu)的核心部件，其摩擦與潤滑特性會(huì)對配氣機(jī)構(gòu)及整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損產(chǎn)生重要影響。

近年來，眾多學(xué)者對發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)做了大量的研究，劉芳等[1]基于配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理構(gòu)建了一種雙氣門配氣機(jī)構(gòu)布置方法，并通過動(dòng)力學(xué)測試對布置方案進(jìn)行了優(yōu)化。馬夢陽[2]研究了超聲滾壓工藝對凸輪材料C53和挺柱材料GCr15的接觸疲勞和滑動(dòng)磨損性能的影響，并揭示了該工藝對于材料表面的強(qiáng)化機(jī)理。黃旭等[3]在搭載的可變配氣機(jī)構(gòu)的1.5 L渦輪增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了倒拖試驗(yàn)，分析研究了執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能、凸輪軸基圓跳動(dòng)情況和氣門升程特性。宋秀英等[4]利用AVL-tycon軟件建模，根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算要求設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)氣門正時(shí)系統(tǒng)，并確定了進(jìn)氣和排氣凸輪型線及相關(guān)的氣門機(jī)構(gòu)參數(shù)，還進(jìn)行氣門機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。王劍[5]針對柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)展開研究，從理論上計(jì)算了凸輪在工作過程中的磨損量，從配氣機(jī)構(gòu)的氣門位移及凸輪型線的豐滿系數(shù)和卷吸速度等多方面分析了凸輪在磨損前后的性能變化，并對凸輪的磨損趨勢和壽命進(jìn)行了預(yù)測。

國內(nèi)外學(xué)者對發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)做的試驗(yàn)研究，大多是針對配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、凸輪的型線優(yōu)化及凸輪-挺柱的表面涂層，對凸輪-挺柱的潤滑與摩擦特性研究較少。本研究基于凸輪-挺柱摩擦副的摩擦特性與潤滑特性，配置不同成分的試驗(yàn)油樣，通過發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦力矩試驗(yàn)，研究了不同配方潤滑油對凸輪機(jī)構(gòu)摩擦特性的影響。

1 凸輪-挺柱摩擦與潤滑特性分析

1.1 凸輪-挺柱摩擦磨損特性分析

凸輪-挺柱摩擦副是配氣機(jī)構(gòu)中的主要受力部位，其中凸輪為主動(dòng)件，挺柱為從動(dòng)件，由于凸輪具有特殊的曲線輪廓，凸輪-挺柱摩擦副在工作過程中會(huì)產(chǎn)生周期性變化的載荷，二者之間的應(yīng)力往往是周期性變化的大交變應(yīng)力。凸輪-挺柱摩擦副屬于高副機(jī)構(gòu)，二者一般是線接觸，在正常工作過程中挺柱的端面會(huì)受到來自凸輪的持續(xù)高壓應(yīng)力，凸輪的特殊型線變化及挺柱內(nèi)部彈簧彈力的非線性變化均使得接觸面產(chǎn)生的高壓應(yīng)力產(chǎn)生不穩(wěn)定傳導(dǎo)，因此在凸輪與挺柱之間極易發(fā)生接觸疲勞和磨損。

從磨損機(jī)理上來講，凸輪-挺柱摩擦副的磨損包括磨粒磨損、黏著磨損和疲勞磨損，其中磨粒磨損占50%左右，意味著大部分磨損是由磨粒磨損造成的[6]。不論凸輪和挺柱兩者之中任何一個(gè)出現(xiàn)磨損或疲勞失效，都會(huì)嚴(yán)重地惡化凸輪-挺柱摩擦副的幾何精度和傳動(dòng)精度，并且會(huì)給配氣機(jī)構(gòu)中其他相關(guān)零件之間的運(yùn)動(dòng)及應(yīng)力傳導(dǎo)帶來負(fù)面作用，而且該負(fù)面影響可能會(huì)呈指數(shù)型曲線增長，從而影響導(dǎo)配氣機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行乃至整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。

1.2 凸輪-挺柱潤滑狀態(tài)分析

凸輪-挺柱摩擦副會(huì)因?yàn)槟Σ猎斐纱罅康哪芰繐p失，這些損失的能量大多轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致局部接觸溫度的升高，不僅會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，而且熱量的積累會(huì)促進(jìn)凸輪-挺柱摩擦副的磨損和疲勞失效。潤滑是最好的防止磨損或疲勞失效的方法，并且能在油品循環(huán)過程中帶走局部產(chǎn)生的熱量，防止配氣機(jī)構(gòu)的局部熱量積累導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失效。

在凸輪-挺桿摩擦副中，潤滑油的潤滑狀態(tài)主要受凸輪轉(zhuǎn)速和接觸應(yīng)力的影響，凸輪轉(zhuǎn)速的增大會(huì)使?jié)櫥湍ず穸仍龃?，從而使凸?挺柱摩擦副的潤滑條件得以改善，但過大的凸輪轉(zhuǎn)速會(huì)在接觸區(qū)產(chǎn)生大量熱量，當(dāng)熱量過高時(shí)容易引起熱量積聚和潤滑油膜的破裂，因此凸輪轉(zhuǎn)速應(yīng)該設(shè)置在合理的區(qū)間范圍內(nèi)。接觸應(yīng)力的大小直接影響凸輪與挺柱之間的油膜厚度，高接觸應(yīng)力不僅會(huì)使?jié)櫥湍ず穸葴p小甚至破裂造成擦傷，而且高載荷的循環(huán)應(yīng)力更容易促使接觸表面裂紋的萌生及擴(kuò)張，從而導(dǎo)致接觸表面剝落失效，對接觸副的疲勞壽命產(chǎn)生了負(fù)面影響。在邊界潤滑狀態(tài)下接觸副表面間的潤滑油膜厚度較薄，很難將兩摩擦副分離，在這種極壓狀態(tài)下很容易產(chǎn)生摩擦副基體間的直接接觸，在潤滑油中加入摩擦改進(jìn)劑可以很好地改善極壓狀態(tài)下的潤滑狀態(tài)，從而避免摩擦副之間邊界潤滑油膜的破裂和粗糙峰的直接接觸。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)油樣

試驗(yàn)油樣配方主要從黏度級別和添加劑類型兩個(gè)方面入手，對潤滑油對凸輪-挺柱摩擦副的摩擦特性的影響進(jìn)行分析，考慮到潤滑油的成本及基礎(chǔ)油性能差別對試驗(yàn)結(jié)果的影響，所有的油樣基礎(chǔ)油均采用加氫裂解油。

4款試驗(yàn)油樣的基本理化特性見表1，其中1#原廠油為參比油，2#～4#油樣為試驗(yàn)油。4款試驗(yàn)油樣中共包含兩種黏度級別，分別為5W-30和0W-20。1#SM 5W30機(jī)油黏度最高，黏度指數(shù)較低，2#試驗(yàn)油為低黏化試驗(yàn)油，3#為FM（摩擦改進(jìn)劑）試驗(yàn)油，4#為VII（黏度指數(shù)改進(jìn)劑）試驗(yàn)油。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備與流程

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為某車企目標(biāo)車型所搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)，該款發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表2。

試驗(yàn)流程：受到發(fā)動(dòng)機(jī)固有結(jié)構(gòu)的限制，無法直接測量凸輪機(jī)構(gòu)的摩擦力矩，本研究通過間接方法獲得凸輪-挺柱的摩擦力矩，該方法共分兩步：第一步進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的摩擦力矩試驗(yàn)，為探究溫度對凸輪機(jī)構(gòu)潤滑特性的影響，分別將油溫控制在30 ℃、50 ℃、70 ℃和90 ℃ 4個(gè)等級，然后通過改變機(jī)油的類型，獲得不同配方機(jī)油在4個(gè)溫度等級潤滑下的發(fā)動(dòng)機(jī)總摩擦力矩M1;第二步拆除發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪機(jī)構(gòu)，再進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦力矩試驗(yàn)，與第一步相同更換不同配方的機(jī)油，并控制溫度在相應(yīng)的4個(gè)等級，從而獲得去除凸輪機(jī)構(gòu)的不同配方機(jī)油在4個(gè)溫度等級潤滑下的發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦力矩M2，用發(fā)動(dòng)機(jī)總摩擦力矩減去拆除凸輪機(jī)構(gòu)后的摩擦力矩，從而得到不同配方機(jī)油在4個(gè)溫度等級潤滑下的凸輪機(jī)構(gòu)的摩擦力矩M=M1-M2。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1、圖2、圖3和圖4分別為4款油樣下的凸輪機(jī)構(gòu)摩擦力矩試驗(yàn)結(jié)果。

從這些圖中可以看出，在轉(zhuǎn)速一定時(shí)凸輪機(jī)構(gòu)摩擦力矩隨溫度的升高而增大，除了3#FM試驗(yàn)油，其他兩款試驗(yàn)油的凸輪機(jī)構(gòu)摩擦力矩隨轉(zhuǎn)速的總體變化趨勢與1#參比油基本相同，表現(xiàn)為先降低后升高，在機(jī)油溫度大于30 ℃時(shí)，摩擦力矩最小值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速為2 500 r/min附近，而3#FM試驗(yàn)油的凸輪機(jī)構(gòu)摩擦力矩總體上隨轉(zhuǎn)速的增加而增大。

根據(jù)《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB 18352.6—2016），I型試驗(yàn)用測試循環(huán)為全球輕型車統(tǒng)一測試循環(huán)（WLTC）、該循環(huán)由低速段（Low）、中速段（Medium）、高速段（High）和超高速段（Extra High）4個(gè)部分組成，運(yùn)行時(shí)間分別約600 s、450 s、450 s和300 s，在不同速度段油溫也是不同的，因此將摩擦力矩試驗(yàn)中30 ℃、50 ℃、70 ℃和90 ℃ 4個(gè)溫度下的摩擦力矩求平均值，用來代表4個(gè)速度段的摩擦力矩，然后根據(jù)運(yùn)行時(shí)間的不同，將4個(gè)平均摩擦力矩按4∶3∶3∶2的比例進(jìn)行加權(quán)平均得到加權(quán)平均摩擦力矩，從而得出4款油樣的加權(quán)平均摩擦力矩，結(jié)果對比如圖3、圖4、圖5所示，圖中箭頭表示試驗(yàn)油相較于參比油的凸輪機(jī)構(gòu)摩擦力矩降低的百分比。

由圖5可以看出，3款試驗(yàn)油的凸輪機(jī)構(gòu)摩擦力矩相比于參比油均有所減小，但程度不同，其中3#FM試驗(yàn)油的改善效果最為明顯，達(dá)到11.8%，2#低黏化試驗(yàn)油和4#VII試驗(yàn)油的改善效果均小于5%，由此可見降低機(jī)油黏度和加入黏度指數(shù)改進(jìn)劑的優(yōu)化對凸輪機(jī)構(gòu)的摩擦磨損有一定改善，但效果不是特別明顯，而加入摩擦改進(jìn)劑對凸輪機(jī)構(gòu)的摩擦磨損有較好的改善效果。分析其原因可能是凸輪-挺柱摩擦副的潤滑狀態(tài)為邊界潤滑，此時(shí)機(jī)油的黏度對摩擦的影響較小，而摩擦改進(jìn)劑能夠在極壓狀態(tài)下為摩擦副提供潤滑膜，從而改善了凸輪-挺柱在邊界潤滑狀態(tài)下的摩擦特性，降低了凸輪機(jī)構(gòu)的摩擦力矩。

4 結(jié)語

（1）轉(zhuǎn)速一定時(shí)凸輪機(jī)構(gòu)的摩擦力矩隨機(jī)油溫度的升高而增大;機(jī)油溫度一定時(shí)凸輪機(jī)構(gòu)的摩擦力矩隨轉(zhuǎn)速的升高先減小后增大，最小值出現(xiàn)在2 500 r/min附近，在機(jī)油中加入摩擦改進(jìn)劑后凸輪機(jī)構(gòu)的摩擦力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而增大。

（2）降低機(jī)油黏度和加入黏度指數(shù)改進(jìn)劑對凸輪機(jī)構(gòu)的加權(quán)平均摩擦力矩降低效果不是特別明顯，而加入摩擦改進(jìn)劑對凸輪機(jī)構(gòu)的加權(quán)平均摩擦力矩有較好的改善效果，其原因可能是摩擦改進(jìn)劑能為處于邊界潤滑條件下的凸輪-挺柱摩擦副提供潤滑膜，從而改善了凸輪機(jī)構(gòu)的摩擦磨損特性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]劉芳，楊連亞.雙氣門配氣機(jī)構(gòu)布置方法的應(yīng)用與測試研究[J].機(jī)械工程師，2021（7）：61-64.

[2]馬夢陽.發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)凸輪-挺柱接觸副材料表面超聲滾壓強(qiáng)化與疲勞行為研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2020.

[3]黃旭，李沖霄，尹琪.某小排量發(fā)動(dòng)機(jī)可變配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)研究[J].汽車與新動(dòng)力，2020，3（2）：87-90.

[4]宋秀英，黃磊，陳超，等.發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)仿真分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（16）：59-61.

[5]王劍.凸輪磨損對配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的影響研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2017.

[6]湯以品.發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)復(fù)合涂層摩擦學(xué)性能研究[D].濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué)，2016.