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汽车发动机零件磨损机理分析


汽车发动机零件磨损机理分析
张家玺(解放军汽车管理学院车辆管理系 蚌埠 !""#$$)
摘要:零件磨损是造成汽车发动机故障产生的主要原因之一。为了提高汽车发动机的工作可靠性,本文重点探讨 了汽车发动机的使用条件和零件的表面质量等因素对零件磨损影响的机理,分析了影响零件磨损的具体原因。 关键词:发动机 零件 磨损 机理分析

发动机零件的耐磨性取决于发动机结构和制造质 量以及保修质量,即取决于发动机的技术水平。发动 机技术水平一定时,同型号发动机零件的磨损强度主 要取决于发动机的使用条件和使用水平。同一型号的 发动机在不同条件下使用时,即使严格地遵循发动机 的使用说明书的规定,零件的磨损强度也相差甚远。 这是什么原因呢?本文就影响汽车发动机零件磨损的 主要影响因素进行分析,旨在提高汽车发动机的工作 可靠性。 ) 使用条件对发动机零件磨损的影响 所谓使用条件,从广义上讲就是汽车完成工作的 环境。汽车是 在 气 候、道 路 和 运 输 因 素(如 运 输 性 质、货物种类、货物流量、货运距离、装卸条件、运 输组织和保修条件等)的各种组合条件下完成运输任 务的。这些因素可以组合成多种多样的条件,明显地 影响汽车运输的生产率和汽车工况,从而影响汽车零 件的使用期限。 影响零件磨损的使用因素大致可以分成二类:一 是与使用者无关的因素,如道路,气候条件、货物种 类、批量、运距等;二是与使用者有关的因素,如使 用制度、驾驶员技术水平,保修质量等。所有这些因 素都是互相关联的,如载荷工况的改变在很大程度上 取决于道路条件和驾驶员的水平,再如运距的长短影 响汽车的技术速度,从而影响发动机的速度工况等。 ($)发动机载荷和速度工况对零件磨损的影响 发动机载荷一定时,零件磨损强度随曲轴转速的 提高而增大,如图 $ 所示。因为转速增加,发动机在 单位时间内的摩擦行程增大,同时摩擦释放的热量也 增多,因而使零件的热应力增大,如图 ! 所示。 从图 $ 可知,在发动机载荷一定时,其磨损与转 速之间 为 函 数 关 系。 因 此, 常 以 活 塞 的 平 均 速 度 ( !平 )作为评定发动机耐磨性的参数 # ? $%&’ ( % ( #) !平 " "# 式中: # —活塞行程( *) ; 万方数据 <;

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$%&’ —发动机最大功率时的曲轴转速 。 ( : E *1,)

图$

发动机磨损与转速关 系

图 ! 发动机活塞温度与转速 的关系(节气门全开)

近年来为强化发动机,转速都在逐步提高,为使 发动机工作可靠性不因转速提高而受到影响,采取降 低 F E G( F—活塞行程;G—气缸直径)比值的措施来 限制发动机活塞的平均速度。因此, F E G 比值随发动 机强化程度的不断提高在逐渐降低到 # >HI J # >KI。 转速一定时,发动机 磨损 强度随 载荷增 大而 增 加,如图 " 所示。这是因为气缸活塞组零件的机械负 荷和热负荷均随发动机载荷而增加。

图"

发动机气缸活塞组零 件的磨损与载荷关系

图L

发动机磨损强度与转 速的关系

载荷和转速对发动机磨损强度影响的规律表明, 单位时间内的磨损量随速度和载荷的提高而增大;载 荷又随汽车总重的增加和道路条件的恶化而增大。但 是曲轴转速对磨损速率的影响,超过载荷的影响,特 别是在汽车最大速度区域内。当汽车以固定档位行驶 时,发动机单位行程磨损量与曲轴转速有如图 L 所示 的关系。图中表明,在其它条件一定时,在一定转速 范围内(图中 $ M $N## J !"##: E *1,)发动机单位行程 内的磨损量大致相同,而转速大于或小于最佳值时,
《润滑与密封》

单位行程磨损量可增大 !" # $%& ,所以当汽车行驶速 度保持在某一范围内时,发动机在单位行程内的磨损 量可认为主要取决于载荷。 由于运行条件的变化,汽车不可能以稳定的工况 工作,经常进行减速、停车和加速,从而迫使发动机 频繁地改变 工 况,加 速 发 动 机 零 件 的 磨 损。试 验 表 明,发动机以制动工况工作时,零件的磨损比稳定工 况工作时大 ’(" # !(% 倍,主要是增大了气缸活塞零 件的磨损。 (!)发动机热工况对零件磨损的影响 发动机冷却系统的水温和润滑系统的油温以及吸 入空气的温度都不同程度地影响发动机零件 的 热工 况。而水温和油温主要取决于发动机的运行条件和周 围空气温度。如周围空气温度每变化 ’) ,将使缸体 水套温度变化 %(* # !(") ,周围空气温度一定时,发 动机在市内和在公路干线上运行的热工况差 别 也 很 大。汽车在使用过程中,其速度和载荷工况都是不稳 定的,因此,发动机的热工况也具有不稳定的特性, 变化很大。 当 其 它 条 件 一 定,发 动机 冷却 水温在 *%) 左 右 时,气 缸 活 塞 组 零 件 磨 损 最少。发 动 机 水 温 高 于 或 低于 最 佳 值,零 件 磨 损 都 增大。这 是 因 为 低 温 促 使 产生 腐 蚀 磨 损,还 促 使 润 滑油 粘 度 增 高,恶 化 气 缸 活塞 组 润 滑 条 件。当 冷 却 图 " 冷发动机在起动加热 期间的气缸磨损与环 水温 度 高 于 最 佳 值 时,将 境温度的关系 加快润滑油的老化和氧化, 使活塞环积炭增多,加快活塞的结胶速度,也会使润 滑条件恶化,加速零件磨损。发动机冷起动时的热工 况取决于环境空气温度。环境温度越低,起动条件就 越差,起动磨损就越大,如图 " 所示。发动机起动时 的热工况对气缸磨损的严重影响,不仅是由于低温润 滑油粘度大,流动性差以及润滑 油 供入 气 缸 的滞 后 性,而且还由于在冷起动时,曲轴箱窜气量大,破坏 了缸壁上本来很薄的油膜,进一步恶化了气缸的润滑 条件。改善发动机冷起动时的润滑条件是降低冷起动 磨损的主要途径。国外某些发动机为降低起动磨损, 装有电动或手动供机油装置,或在主油道装有专门的 阀门,在起动瞬间依靠这类装置将润滑油迅速送到摩 擦表面,消除了起动时润滑油供给 摩 擦 副的 滞 后 现 象。图 " 表明,起动前向发动机主油道供给润滑油, 缩短了润滑油进入气缸上部所需的时间,从而降低了 气缸的磨损。 发动机低温起动时,预热发动机,改善发动机起 动时的热工况,也能显著降低发动机起动磨损。因为 万方数据 !%%! 年第 $期

预热提高了油底壳润滑油的温度,降低了润滑油的粘 度,从而改善了发动机起动时润滑条件。另外,合理 地选择发动机起动转速,以缩短润滑油进入气缸的时 间,加快润滑油和冷却水加热速度,也可降低发动机 冷起动时的磨损。 ($)燃料、润滑油质量对发动机零件磨损的影响 汽车发动机的燃料、润滑油的质量直接影响发动 机的经济性、可靠性和起动性能,从而影响发动机零 件的磨损。 汽车发动机燃料质量指标是:组成成份、辛烷值 或十六烷值和含硫量。汽油的馏出温度反映了组成成 份,它是评价蒸发性的主要参数。馏出温度是指汽油 被馏出一定数量时的温度,通常以初馏点 ’%& 馏出 点( !’%) ,"%& 馏出温度( !"% ) ,*%& 馏出温度( !*% ) 和干点等几个温度表示。馏出温度低,汽油的蒸发就 好。汽油蒸发性差,就使发动机起动因难,增大燃油 消耗量,增加发动机起动磨损,汽油蒸发性过强,影 响燃油的正常供给,甚至使发动机熄火停车。对一定 结构的发动机来说,汽车干点数值越高,残余馏分比 重越大,就会有一定数量的汽油以液体薄膜的形式进 入气缸,凝结在缸壁上,破坏了润滑油膜,落入曲轴 箱就会稀释润滑油,这些都会增加发动机的磨损。 汽油的辛烷值和柴油的十六烷都要适合发动机的 要求,以免引起发动机工作过 程发生 爆燃或 工作粗 暴,从而增加发动机的磨损。 燃油中的腐蚀物质和机械杂质对发动机的磨损有 明显影响。燃油中含有水分、硫及硫化物都会引起腐 蚀磨损的增大,而机械杂质会使气缸活塞组零件发生 磨料磨损,同时还会增加化油器量孔、加速泵等零件 的磨损,也会增加柴油机的喷油泵柱塞副、喷油嘴针 阀的磨损,恶化发动机工作。 润滑油的粘度要恰当,粘度过高或过低都会增大 发动机零件的磨损。由于发动机的工况是变化的,大 部分时间是以不稳定工况工作,因此要求润滑油粘度 能适应发动机不稳定工况的变化,即要求润滑油粘度 基本上不随发动机工作温度变化,具有良好的粘温特 性。 柴油机润滑油在高温高压下工作,其工况比汽油 机的恶劣得多。因此,要求柴油机润滑油应有较大的 粘度。 发动机中的润滑油 在工作 过程 中受高 温高压 作 用,还与空气、燃料的凝聚物和不完全燃烧的产物, 凝聚的水蒸汽,以及进入发动机的灰尘接触,还与零 件的金属表面及磨损产物接触,并与这些外来物质相 互作用,从而使润滑油的物理化学 性质不 断发 生变 化。因此,润滑油的工作过程也是润滑油损耗老化过 程。在这个过程中一部分润滑油将被烧掉,润滑油粘 度会逐渐改变,在发动机零件上形成沉积物,以及在
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润滑油中聚集各种污垢物。润滑油中的污垢积沉物会 破坏润滑油在润滑系中的正常循环,使高温表面的散 热情况恶化,增加了气缸组零件的热负荷,降低活塞 的活动性,这样又会促使润滑油加速老化,破坏发动 机正常工作,增大发动机零件的磨损,最后导致整个 发动机全部或部分的丧失工作能力。为了保证发动机 正常工作,就 必 须 定 期、及 时 地 更 换 已 老 化 的 润 滑 油。 混在润滑油中的无机污垢物(如道路灰尘或磨损 产物)会随润滑油循环起多次磨料作用,加速零件的 磨损。若随润滑油进入气缸的磨粒数量足以使磨损成 为主要磨损形式时,就会改变气缸轴向磨损特性,使 气缸中部的磨损加剧。 研究表明,润滑油中的有机杂质(如碳化物,胶 质和沥青等)对发动机零件磨损的影响,取决于有机 杂质的数量和分散度,以及润滑 油的 清 洁 性和 分 散 性。当润滑油的清洁分散性不好时,有机污垢杂质就 会堵塞滤清器和管路,恶化零件的热工况,使活塞环 结胶,从而加快了零件的磨损,降低发动机工作可靠 性。当有机杂质在润滑油中高度分散及其尺寸很小时 (约 ! ,有机杂质不但不损坏润滑油的减磨能力, ") ! 而且还起着类似石墨胶体的作用,能将摩擦表面分隔 开,从而降低零件的磨损。这是由于有机杂质在沥青 胶质的极性作用下,吸附在无机微粒的周围,形成一 个有机的外套,防止无机的磨料微粒直接与摩擦表面 接触,减少了零件的磨损。润滑油中类似胶质的高度 分散的碳黑微粒,覆盖在摩擦表面上,特别是在边界 摩擦条件下,由于炭黑微粒尺寸超过了摩擦表面的平 面度,就起到 了 缓 冲 作 用,并 防 止 摩 擦 表 面 直 接 接 触,减少了零件的磨损。试验表明,发动机气缸活塞 组零件的磨损速度与润滑油有机杂质和无机杂质的比 值有一定关系。当润滑油中的无机杂质完全被吸附在 它周围的有机杂质所覆盖时,磨损速度基本不变。但 是,润滑油中的有机杂质总数超过 # $!% ,或沥青超 过 &$!’% 时,其抗磨损性能就不再增加。随着润滑油 老化变质,润滑油中磨料微粒的不断增多,碳微粒尺 寸也会逐渐增大,而以高度分散为前提的碳微粒保护 作用就降低,零件磨损将增大。 因此,为改善润滑油减磨性能,滤清器应允许润 滑油中存在高度分散的碳微粒而只将多余的碳粒等有 机杂质滤去,并能最大限度地滤除润滑油中的无机杂 质,以使污垢杂质具有最佳的组成比。 ! 零件表面质量对磨损的影响 发动机在使用过程中的运动载荷主要由零件表层 承受。零件的表面是指其表面极薄的物质层,它的一 面与加工时未触及到零件本身材料接触,另一面与周 围介质或相配工作的零件表面接触。这个表层的几何 性质和物理性能的综合就构成了表面质量。显然表面 万方数据 "!

质量决定了零件的耐磨性和使用的性质,因而在很大 程度上决定了零件的耐久性。表面质量的几何性质包 括表面的宏观几何特性和微观几何特性。 宏观几何特性是指轴或孔的实际形状与正确几何 形状的偏差,如圆度、圆柱度等。这种偏差的大小反 映了零件的加工精度。微观几何特性是指表面显微区 域上的几何形状和正确度。通常以中线平均值 !" 或 不平度平均高度 !# 来评定微观几何形状。表层的物 理性质主要是指表层金相结构,显微硬度、残余应力 等。零件表层的物理性质与零件的性质是不同的。 (!)表面几何性质对磨损的影响 摩擦表面相互接触时,接触区域的分布情况取决 于宏观几何形状,而接触面积的大小和形状取决于微 观几何形状。摩擦副表面接触区的分布情况、接触面 积的形状和大小,都直接影响表面的破坏形式和磨损 进程。 实验表 明,一 定 的 摩 擦 条 件(载 荷、速 度 和 润 滑)相应有一个最佳的工作微观几何形状。如果初始 的微观几何形状越接近工作微观几何形状,就可以使 配合副的初期磨损减少到最小值。因此每一个具体的 摩擦条件都相应有一个初期磨损最小的初始微观几何 形状,即最佳的初始微观几何形状。 发动机上的一些重要配合副的零件表面粗糙度, 可根据正常使用条件下,零件表面粗糙度的统计分析 数据来选择。研究表明,发动机主轴颈和连杆轴颈在 使用 过 程 中, 表 面 微 观 中 线 平 均 值 !" 在 & $&’ ( ! $# " 和 & $&#’ ( ! $# " 的范围内变化。因此,发动机 ! ! 主轴颈表面粗糙度参数 !" 较合理取值为 & $) "。发 ! 动机的使用数据统计分析还表明,气缸在使用过程中 的 !" 值为 & $&&’ ( & $* ",其平均值为 & $#&# ",由 ! ! 于气缸的润 滑 条 件 沿 轴 向 是 变 化 的,因 此,气 缸 的 !" 值沿 轴向也是 不同的。气缸上 部润 滑条件 严 劣, !" 值为 & $! ( & $* ";气缸中部相对运动速度大, !" ! 值为 & $&’ ( & $’ ",所以通常气缸的 !" 值沿轴向也 ! 是不同的。气 缸上部 润滑条 件恶 劣, !" 值为 & $! ( ";气缸中部相 对运 动 速 度 大, !" 值 为 & $&’ ( & $* ! & $’ ",所以通常气缸的 !" 值选用 & $+# ( & $) " 较为 ! ! 合理。 摩擦表面宏观几何形状偏差对配合副磨损的影响 最大。表面宏观几何形状的圆度,圆柱度以及其它偏 差都会恶化摩擦条件,造成金属接触,是擦伤和早期 磨损的根源。宏观几何形状偏差对磨损影响的程度, 取决于偏差的绝对值和在表面分布的特性,如气缸的 圆度对气缸活塞组的磨损影响就大于圆柱度,而越靠 近上止点区域的偏差,对气缸的工作可靠性影响就越 大。统计数据分析表明,气缸圆度误差在 & ( !+ "范 ! 围内变化,圆度对气缸磨损的 影响 程度基 本没有 变 化。当圆度误差大于 #& " 时,气缸磨损将显著增大。 !
《润滑与密封》

从摩擦学观点考虑,发动机一些主要零件的宏观几何 形状偏差越小越好。但是要求过 高就 会 带 来加 工 困 难,使废品率增高,因而提高于加工成本。一般情况 下,气缸的圆度误差不应大于 !"!#$ % ! "!#&’’,圆柱 度误差不应大于 !"!(!’’。直径 ! )$ % #!!’’ 发动机 气缸技术条件规定:其圆度和圆 柱度 误 差不 应 大 于 ! "!(!’’。载重汽车发动机的经济使用圆度误差限度 为 ! "!)$ % !"#($’’, 圆 柱 度 误 差 限 度 为 ! "($ % !"*!’’。 (()表面物理性质对磨损的影响 零件在机械加工过程中,金属表层一定深度的初 始结构受到破坏,产生变形及冷作硬化。在加工过程 中表面层还会与周围介质(空气、润滑冷却液等)互 相作用,发生化学变化。这样,金属表层在加工过程 中所受到的机械作用和化学作用,将改变表层的应力 状态和金相结构,从而影响摩擦表面的初期磨损性质 和磨损的大小。
表# 气缸表面显微硬度(+,)的变化
距气缸体上平面的距离(’’) $ #* *$ -#( % **. *(# % **. *(# % **. $#/ % )!( (&! % $$$ /*) % .#) $$$ % #(*& #(.& % #).) *&# % )!( $$$ % ##(! ($- % -$! ((. % (&! $$. % &-$ -.. % $$$ --# % $.! -)# % .#) $$$ % )/* (.$ % **.

发动机工作条件 新发动机(即初始值) 发动机磨合后 高温重载 /!0 台架试验 利用石英灰 (*0 台架试验 市内公共汽车运行 #$! !!!1’ 城市间货运 #$! !!!1’

磨损进程的复杂性。距缸体上平面 $’’ 处的气缸表面 (非摩擦区)的显微硬度高于初始值,主要是由于在燃 烧过程的高温高压作用下产生了相变。 摩擦过程中,金属表面由于产生塑性变形,发生 冷作硬化,提高了表面显微硬度,表面抗磨能力是否 因此提高,就取决于表面强化层与基体金属材料的联 结强度。若表面强化层与基体材 料牢固 地联 结在一 起,这样表面层抵抗破坏能力就提高;反之,在摩擦 过程中产生的冷作硬化就会加剧摩擦表面的磨损。 从提高摩擦表面的抗渗入,抗磨料作用的观点考 虑,摩擦表面的硬度高一些有利。因此,常用机械加 工方法强化零件表面,以提高其耐磨性。如有的曲轴 轴颈就采用表面强化来提高耐 磨性和 疲劳强 度。但 是,不能说摩擦表面的显微硬度总是高一些好,甚至 说越高越好,这取决于摩擦条件。表面显微硬度高, 在某些摩擦条件下能提高耐磨性。 ! 结束语 通过所述分析表明,影响汽车发动机工作可靠性 和使用寿命的最主要直接的原因是其零部件的磨损。 发动机在工作时必然会导致各配合副之间产生相对运 动,进而产生摩擦带来零件的磨损。影响发动机零件 磨损因素有许多,但主要是使用因素和零件的表面加 工质量。因此,要想有效抑制磨损,延长发动机的使 用寿命,必须合理规范地使用车辆,同时利用现代摩 擦学的思想,设计科学的零件表面加工工艺,提高零 件表面的质量。
参考文献
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金属表层的变形和化学反应,就使表面显微硬度 产生相应的变化。如气缸表面的显微硬度在摩擦过程 中,由于运行条件的变化而改变,其变化值相差很大。 表 # 为气缸表面显微硬度值随摩擦条件的变化情况。 由表中可知,由于汽缸的摩擦条件不同,表面显微硬 度值的变化反映了气缸的磨损形式的转变和磨损过程。 在第一道环上止点区域(即气缸磨损最大的部位) ,显 微硬度变化最剧烈,这不仅是由于载荷、温度的影响, 而且还受其它因素的影响。显微硬度急剧的变化表明

新型陶瓷金属润滑油问世
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汽车发动机零件磨损机理分析
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 张家玺 解放军汽车管理学院车辆管理系,蚌埠,233011 润滑与密封 LUBRICATION ENGINEERING 2002,""(3) 0次

参考文献(5条) 1.张家玺 发动机活塞环组的摩擦润滑状态分析[期刊论文]-车用发动机 1996(05) 2.桂长林.马争 内燃机缸套表面形貌摩擦学设计探讨 1989(05) 3.葛中民 耐磨损设计 1991 4.严立余.余宪海 内燃机磨损及可靠性技术 1992 5.黄文轩.韩长宇 润滑油与燃料添加剂手册 1994

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柴油机在使用过程中,各零部件必然会产生不同程度的磨损,但是零件磨损过快,显然是不正常现象.一单位有几台黄河翻斗的6130Q型发动机的四配套 (活塞、缸套、活塞环、活塞肖)等零件频繁更换,周期最短的车辆只运行三个月(行驶里程6000公里左右),就出现"烧"机油,发动机动力下降等故障.发动机 零件磨损过快的原因有很多方面,本文从实际出发,经过调查研究分析,详细分析了6130Q型发动机零件磨损过快的原因.

10.学位论文 王兆海 基于特征的参数化发动机零件实体造型研究 1999
该文针对发动机零件展开了基于特征的参数化实体造型研究,探讨了其实现方法.首先总结研究了参数化方法,该方法使用户构造几何模型时可以集中于 概念和整体设计、充分发挥创造性、提高设计效率.总结研究了基于特征的技术,特征是具有工程含义的几何实体,它为设计者提供符合人们思维的设计环境 .设计者不必关注组成特征的几何细节,而是以用熟悉的工程术语阐述意图的方式来进行设计.研究了典型实体造型方法,虽然发动机零件具有结构复杂、细 节多、难以准确描述等特点,但这些零件都可以表达为简单体素的组合体,从而它们在计算机中的表达是可以实现的.

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