【日】　坂手宣夫

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發(fā)展動(dòng)向

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)用摩擦學(xué)材料的技術(shù)動(dòng)向

【日】坂手宣夫

降低汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦是改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的主要措施之一，是降低CO2排放的有效途徑。介紹近年來(lái)馬自達(dá)公司開(kāi)展的摩擦學(xué)相關(guān)研究，以及發(fā)動(dòng)機(jī)減少摩擦的開(kāi)發(fā)思路，闡述了通過(guò)應(yīng)用全新的表面處理方法來(lái)減少摩擦，包括采用的新技術(shù)和新工藝來(lái)優(yōu)化氣門(mén)機(jī)構(gòu)、氣缸內(nèi)圓面、活塞組件和曲軸系統(tǒng)等，并評(píng)價(jià)了采用上述工藝和技術(shù)后降低摩擦損失的效果。

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦學(xué)表面處理氣門(mén)機(jī)構(gòu)氣缸內(nèi)圓面活塞組件

1　概述

為應(yīng)對(duì)全球范圍內(nèi)的環(huán)境破壞，以及資源枯竭問(wèn)題，各個(gè)領(lǐng)域持續(xù)開(kāi)展了減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)及節(jié)省資源的工作。在汽車(chē)行業(yè)，通過(guò)零部件輕量化、提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率以改善燃油經(jīng)濟(jì)性、采用乙醇等非礦物燃料以及汽車(chē)電動(dòng)化等措施，推進(jìn)能源使用的高效性和多樣化等工作。在提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率方面，降低摩擦損失是1個(gè)重要的技術(shù)課題。為了達(dá)到降低摩擦損失的目的，近年來(lái)，對(duì)材料進(jìn)行低摩擦表面處理的許多技術(shù)被投入實(shí)際應(yīng)用中。此外，在發(fā)動(dòng)機(jī)小型化和輕量化方面，如果要提高滑動(dòng)部位的耐磨損性，需要應(yīng)用新的表面處理方法。本文圍繞以降低摩擦為目的的表面處理的應(yīng)用，概述汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用摩擦學(xué)材料技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向。

2　發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失及降低摩擦的開(kāi)發(fā)思路

發(fā)動(dòng)機(jī)在將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生排氣損失、冷卻損失和摩擦損失等。Holmberg等人驗(yàn)證了當(dāng)乘用車(chē)以60km/h運(yùn)行時(shí)，燃料中化學(xué)能量的11.5%將作為發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失被消耗了[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部如圖1所示，主要的滑動(dòng)部位包括凸輪軸/從動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)(凸輪軸傳動(dòng))、活塞裙、活塞環(huán)/氣缸內(nèi)圓面和曲軸/軸承等[2]。在這些部位產(chǎn)生的摩擦損失占據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)總摩擦損失的主要份額(圖2)[3]。

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的主要滑動(dòng)部位

圖2　汽油機(jī)各部分的摩擦損失

滑動(dòng)部位為了降低摩擦、防止損傷，通常利用發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。在機(jī)油潤(rùn)滑下的摩擦因數(shù)根據(jù)潤(rùn)滑油黏度、滑動(dòng)速度及載荷作用下的滑動(dòng)條件進(jìn)行計(jì)算(整理)，而描述滑動(dòng)面的潤(rùn)滑狀態(tài)與摩擦特性關(guān)系的圖形稱(chēng)為斯氏曲線(xiàn)(圖3)。潤(rùn)滑狀態(tài)可劃分為邊界潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑，以及流體潤(rùn)滑區(qū)域。發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)潤(rùn)滑區(qū)域內(nèi)各部位的滑動(dòng)條件有很大的差異，所以降低摩擦的方法在各個(gè)潤(rùn)滑區(qū)域各不相同。

圖3　斯式曲線(xiàn)

在流體潤(rùn)滑區(qū)域內(nèi)，因?yàn)闆](méi)有2個(gè)構(gòu)件的直接接觸，而是通過(guò)油膜相對(duì)滑動(dòng)。在該區(qū)域降低摩擦，需要降低發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的黏度并縮小摩擦面積。在混合潤(rùn)滑區(qū)域內(nèi)，在構(gòu)件表面形成部分接觸時(shí)，通過(guò)摩擦表面的平滑化及微細(xì)加工(如活塞裙部的微凹處理及二硫化鉬噴射處理)可以形成油膜，有效降低摩擦。在邊界潤(rùn)滑區(qū)域，2個(gè)構(gòu)件直接接觸面進(jìn)一步擴(kuò)大時(shí)，應(yīng)用優(yōu)化表面潤(rùn)滑性的處理技術(shù)，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中添加摩擦調(diào)整劑來(lái)降低摩擦。

3　氣門(mén)結(jié)構(gòu)

根據(jù)凸輪機(jī)構(gòu)開(kāi)啟、關(guān)閉進(jìn)排氣閥的不同，氣門(mén)結(jié)構(gòu)分為直接推動(dòng)式(直打式)及搖臂式，前者使用了氣門(mén)挺桿，而后者則利用了杠桿的原理，在發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)時(shí)可根據(jù)不同的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行選擇。近年來(lái)，為了達(dá)到降低摩擦損失的目標(biāo)，應(yīng)用滾子搖臂的氣門(mén)結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量有所增加[4]，這種氣門(mén)結(jié)構(gòu)是在與凸輪的接觸部分內(nèi)置了滾針軸承的滾子。另一方面，伴隨凸輪的滑動(dòng)，直打式及搖臂式有小型化和適于高速旋轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，目前仍是應(yīng)用主流。

帶有滑動(dòng)的凸輪/氣門(mén)挺桿、凸輪/搖臂間的摩擦由邊界潤(rùn)滑發(fā)展到混合潤(rùn)滑時(shí)，保持摩擦表面的平滑性可以有效降低摩擦。為了進(jìn)一步降低摩擦，采用了潤(rùn)滑性高的表面處理方法。這種表面處理要求耐受高表面壓力的優(yōu)異耐磨損性能。如在氣門(mén)挺桿與凸輪的滑動(dòng)面上應(yīng)用了類(lèi)金剛石碳涂層處理(DLC)。在采用了具有油性吸附效果的無(wú)氫DLC的涂覆處理中，由于與添加了無(wú)灰系摩擦調(diào)整劑的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的結(jié)合，可降低約40%的摩擦。圖4示出了無(wú)氫DLC涂層降低摩擦的機(jī)理[5]。在F1賽車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)方面，搖臂與凸輪2種構(gòu)件的滑動(dòng)面上實(shí)施了DLC涂層處理，力求降低摩擦并提高耐用性。按照降低摩擦與提高耐熱膠粘極限的要求，對(duì)2個(gè)構(gòu)件的DLC涂層組合進(jìn)行研究，凸輪側(cè)的DLC硬度為搖臂側(cè)硬度的1.3倍[6]。此外，在其他的賽車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)挺桿及凸輪在DLC涂層處理中，使用了微細(xì)網(wǎng)紋加工技術(shù)，即利用激光束在DLC涂層上加工了直徑10～200μm的圓形微小凹坑，以提高儲(chǔ)油效果[7]。

圖4　無(wú)氫DLC降低摩擦的機(jī)理

4　活塞系

4.1活塞環(huán)組

通常乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞環(huán)組設(shè)置了3道活塞環(huán)。第一道氣環(huán)對(duì)燃燒室進(jìn)行氣密封，第二道環(huán)為壓縮環(huán)，第三道為刮落附著在缸孔內(nèi)圓面多余油量，以調(diào)整從曲軸箱向上提升機(jī)油量的括油環(huán)。這些活塞環(huán)伴隨活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與氣缸孔工作表面間形成滑動(dòng)摩擦副。在多數(shù)情形下，使用高質(zhì)量的鍍鉻及滲氮進(jìn)行處理。而在要求更高耐磨性的柴油機(jī)上，較多地采用物理氣相沉積(PVD)方法進(jìn)行氮化鉻(CrN)涂覆處理。另外，由于CrN涂層磨損導(dǎo)致的張力降低較小，所以早期進(jìn)行低張力設(shè)定，降低了摩擦，近年來(lái)，這種方法在汽油機(jī)上的應(yīng)用逐漸增加[8]。最近，被應(yīng)用于氣門(mén)挺桿的無(wú)氫DLC涂層，也被應(yīng)用于活塞環(huán)的表面處理。圖5是作為活塞環(huán)的表面處理，采用了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)比較，分別評(píng)價(jià)了應(yīng)用DLC涂層，以及傳統(tǒng)的鍍硬質(zhì)鉻時(shí)，活塞與氣缸內(nèi)孔內(nèi)圓面間的摩擦損失結(jié)果。圖5中縱軸表示摩擦平均有效壓力(FMEP)，是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失大小的指標(biāo)。發(fā)動(dòng)機(jī)在 2000r/min 轉(zhuǎn)速下，應(yīng)用DLC涂層后，摩擦損失的降低率在壓縮環(huán)上降低了12%，在括油環(huán)上降低了6%[9]。

圖5　在活塞環(huán)上應(yīng)用DLC涂層時(shí)降低摩擦的效果

4.2活塞裙部

在活塞裙部，基于降低與氣缸工作表面的摩擦及防止熱膠粘的目的，通常采用涂敷樹(shù)脂黏合劑中分散二硫化鉬等固體潤(rùn)滑劑顆粒的涂層。另外，利用噴丸強(qiáng)化處理，應(yīng)用了在表面內(nèi)埋二硫化鉬顆粒的方法。最近，在二硫化鉬涂層上形成凹坑(微凹)的點(diǎn)狀圖案涂層工藝(花紋式鍍鉬涂層)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并得到應(yīng)用(圖6)，使得在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 1500r/min 時(shí)，摩擦損失比傳統(tǒng)涂覆處理降低2%，與噴丸強(qiáng)化相比降低1%[10]。

圖6　活塞裙部的點(diǎn)狀圖案(花紋式)涂覆處理

4.3缸孔內(nèi)圓面

通常情況下，乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體用鋁合金制作，并采用缸孔中插入鑄鐵氣缸套的結(jié)構(gòu)。基于降低活塞環(huán)與缸套工作表面間摩擦的目的，正在研究缸孔工作表面的微細(xì)形狀，以改善潤(rùn)滑油的儲(chǔ)油性和控制油膜厚度等方法。

活塞利用曲軸機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以其速度在上、下止點(diǎn)附近減小，而上、下止點(diǎn)的中間部位速度增大。在速度大的區(qū)域，缸孔內(nèi)表面/活塞環(huán)之間形成流體潤(rùn)滑狀態(tài)。圖7所示的微凹網(wǎng)紋是以降低該區(qū)域(即速度大的區(qū)域)的摩擦阻力為目標(biāo)而研究的工藝。評(píng)價(jià)缸孔工作表面上按50%的面積率形成了圓形微小凹坑的氣缸套與油環(huán)的摩擦，確認(rèn)可以降低30%的摩擦力(圖8)。此外，在研究不使用鑄鐵缸套的情況下，在缸孔內(nèi)表面實(shí)施噴鍍及電鍍加工等表面處理的方法。這類(lèi)方法除了降低摩擦外，還具備了機(jī)體質(zhì)量輕、小型化的優(yōu)點(diǎn)。下面介紹通過(guò)鐵制材料的電弧噴鍍的應(yīng)用，研究降低摩擦的實(shí)例。噴鍍后，經(jīng)珩磨加工后的缸孔內(nèi)表面上，形成微小凹坑及加工痕跡(圖9)。使微小凹坑的面積率及表面粗糙最佳化，其比鑄鐵缸套低，并且有高的耐熱膠粘性。

圖7　缸孔內(nèi)圓的微凹網(wǎng)紋處理

圖8　微凹網(wǎng)紋處理降低摩擦的效果

圖9　電弧噴鍍后經(jīng)珩磨加工表面的掃描電子顯微鏡觀(guān)察圖像

5　曲軸系

曲軸軸承使用被稱(chēng)之為軸瓦的滑動(dòng)軸承。軸瓦是在鋼制的支撐背(即瓦背)上色覆膜(即貼合)鋁基合金或銅基軸承合金。要降低這種軸承的摩擦，縮小曲軸直徑及減小軸瓦寬度是有效的措施，不過(guò)，都存在負(fù)荷上升的問(wèn)題，所以，有必要提高耐熱膠粘性及耐磨損性。另外，近年來(lái)，正在普及應(yīng)用的怠速停機(jī)機(jī)構(gòu)及混合動(dòng)力車(chē)輛上，發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停機(jī)次數(shù)大幅度增加，所以，這種情況下，也加大了軸瓦的負(fù)擔(dān)。

為解決這類(lèi)課題，實(shí)施表面處理的改進(jìn)，即在軸瓦的表面上實(shí)施涂層處理，即在鋁基或銅基的底材上涂覆一層軟性涂層。研究了在聚酰胺-酰亞胺樹(shù)脂中分散了二硫化鉬顆粒的表面涂層，在鋁合金底材軸瓦上應(yīng)用這種表面涂層，在起動(dòng)、停機(jī)磨損試驗(yàn)中，可獲得降低24%的摩擦因數(shù)，以及降低66%的磨損量的效果。

6　轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的主要摩擦部位，如轉(zhuǎn)子支架/轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)徑向密封片之間，相當(dāng)于往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)中的缸孔工作表面/活塞環(huán)(組成摩擦副)。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)徑向密封片是鑄鐵制作的，滑動(dòng)面上利用電子束重新熔化加工實(shí)現(xiàn)冷硬化。轉(zhuǎn)子支架滑動(dòng)面則采用鍍鉻-鉬合金材料。作為降低該部位的摩擦的方法，例如研究了改進(jìn)電鍍工藝的實(shí)例。由于在電鍍液中添加有機(jī)磺酸作為催化劑，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，確認(rèn)了電鍍(材質(zhì))的晶體結(jié)構(gòu)改變，摩擦磨損特性的提高，燃油經(jīng)濟(jì)性改善約1.5%(圖10)。

圖10　電鍍鉻-鉬合金表面照片

7　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，DLC涂層處理及網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)涂覆活塞

環(huán)加工等對(duì)有效降低摩擦的材料技術(shù)開(kāi)發(fā)有很重要的作用，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。但是，這類(lèi)技術(shù)成本較高，所以?xún)H限于在部分汽車(chē)上使用。今后，以發(fā)動(dòng)機(jī)趨動(dòng)汽車(chē)還是發(fā)展主流，因而，為應(yīng)對(duì)全球規(guī)模的節(jié)省資源的需求，需要更大幅度地改善發(fā)動(dòng)機(jī)效率，所以，按照降低處理成本及提高生產(chǎn)率的觀(guān)點(diǎn)，也要求降低摩擦技術(shù)得到發(fā)展。期待未來(lái)摩擦學(xué)材料技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

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2015-12-26)