周正 張鴻 孔祥馗

【摘 要】配氣機(jī)構(gòu)在發(fā)動機(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方面配制了3款試驗(yàn)油樣，通過發(fā)動機(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)動機(jī);凸輪機(jī)構(gòu);潤滑油;摩擦特性

【中圖分類號】TH112 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】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，為了兼顧車輛的動力性，小排量發(fā)動機(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對配氣機(jī)構(gòu)及整個發(fā)動機(jī)的磨損產(chǎn)生重要影響。

近年來，眾多學(xué)者對發(fā)動機(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)動機(jī)氣門正時系統(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，其中凸輪為主動件，挺柱為從動件，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出現(xiàn)磨損或疲勞失效，都會嚴(yán)重地惡化凸輪-挺柱摩擦副的幾何精度和傳動精度，并且會給配氣機(jī)構(gòu)中其他相關(guān)零件之間的運(yùn)動及應(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)行乃至整個發(fā)動機(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，不僅會降低發(fā)動機(jī)的工作效率，而且熱量的積累會促進(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)速會在接觸區(qū)產(chǎn)生大量熱量，當(dāng)熱量過高時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)動機(jī)為某車企目標(biāo)車型所搭載的發(fā)動機(jī)，該款發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表2。

試驗(yàn)流程：受到發(fā)動機(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個溫度等級潤滑下的發(fā)動機(jī)總摩擦力矩M1;第二步拆除發(fā)動機(jī)的凸輪機(jī)構(gòu)，再進(jìn)行發(fā)動機(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個溫度等級潤滑下的發(fā)動機(jī)摩擦力矩M2，用發(fā)動機(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，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個部分組成，運(yùn)行時間分別約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個溫度下的摩擦力矩求平均值，用來代表4個速度段的摩擦力矩，然后根據(jù)運(yùn)行時間的不同，將4個平均摩擦力矩按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)動機(jī)可變配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)研究[J].汽車與新動力，2020，3（2）：87-90.

[4]宋秀英，黃磊，陳超，等.發(fā)動機(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.