汽车发动机启停工况下轴承的摩擦学性能

2019-07-16刘瑞超孟祥慧

汽车文摘 2019年7期

刘瑞超孟祥慧

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

主题词：主轴承发动机启停低摩擦技术低粘度润滑油

1 前言

能源和环境问题一直是全球关注的热点。据统计，汽车消耗了道路运输能源的72%，排放的二氧化碳和氮氧化物分别占到了总排放量的20%和46%[1]。在内燃机汽车中，仅有约38%的化学能被转换为机械能，而发动机的摩擦损失在机械能中占比约达1/3[2]。Holmberg等人的研究报告显示，大量先进摩擦学技术的应用可能产生的潜在节省价值约占全球国民生产总值的1.39%[3]。中国工程院的2009年的调研表明，国内汽车如果进一步采用先进的低摩擦技术，每年挽回的损失将高达550.65亿元[4]。因此，开展汽车发动机的低摩擦技术研究，是响应国家节能减排号召、推动汽车发动机技术发展的必然趋势。

发动机低摩擦技术是涉及新材料应用、润滑剂改进、润滑方案优化、部件结构和表面工程改进等的综合技术。发动机通过燃烧燃料膨胀产生动力，工作过程中摩擦副运行于热、流、力等多种因素综合作用的复杂工作环境中，其摩擦损失主要产生于活塞组-缸套、曲柄-连杆-活塞组轴承和配气机构。摩擦损失占总机械损失约70%～80%，图1所示为发动机各部件的摩擦损失比例。

图1 发动机各部件的摩擦损失比例[5]

活塞环-缸套系统是发动机内摩擦损失的主要来源之一，并且影响窜气、润滑油损失等发动机工作性能。活塞环-缸套的低摩擦技术主要包括活塞环的结构优化、新涂层技术的应用和缸套表面珩磨的技术改进以及表面织构的应用等。

对于活塞环组结构优化，低摩擦设计是在保证活塞环贴合性和密封性的前提下降低环宽和切向弹力。研究表明，通过降低活塞环的弹力和环宽，活塞环组的摩擦损失可以减少28%[6]。

由于表面涂层摩擦系数小、抗磨损性能强的特点，在缸套和活塞环上应用DLC涂层[7]、顶环采用PVDCrN涂层[8]、缸套表面应用热喷涂涂层[9]均被证明可降低活塞环-缸套系统的摩擦损失。此外，一些新型涂层的制备，如碳化铬涂层[10]、碳基Carboglide活塞环涂层[11]等，也被逐渐用于降低活塞环-缸套的摩擦损失中。

表面织构也是一种有效的低摩擦技术。国内外学者关于活塞环表面织构处理开展了诸多研究[12-13]，但对于不同工况下织构的效果评价却不尽相同。相比而言，在缸套表面进行织构处理可能更具实用价值。一方面因为缸套的磨损量较小，更容易保持原有织构的形状，另一方面可以根据活塞环运行到缸套不同位置时的工况变化，在缸套表面进行不同的织构设计，获取最优的摩擦学性能。汽车行业中，一般采用珩磨工艺对缸套表面进行最后加工，形成的交叉网纹作为织构，可以提高活塞环组-缸套的摩擦学性能。胡杨等人对活塞环-缸套系统中珩磨表面粗糙度和网纹对系统摩擦学性能的影响进行了分析，考虑了网纹的储油效应，并且研究了发动机工作过程中缸套的磨合与磨损过程，为珩磨网纹的优化提供了理论支持[14-16]。

活塞裙部与缸套的摩擦占活塞组摩擦损失的约40%。针对活塞裙部的低摩擦技术研究，主要从活塞结构和裙部表面处理来开展。

2002年日本汽车公司最早提出了柔性裙部结构的概念，通过对裙部的加强筋的改进，使平均摩擦指示压力下降了10%[17]。2011年日本三菱公司通过对活塞裙部进行优化设计开发了“软裙”式活塞，通过实验发现该设计相比与常规活塞，摩擦力可以降低20%左右[18]。“软裙”化设计也成为了近年来汽油机活塞发展的一个趋势。

新涂层技术在降低裙部摩擦损失方面也被广泛应用。科施公司开发的NanofriKSTM纳米涂层应用于活塞裙部表面后，降低了约0.9 kPa FMEP[19]。辉门公司在活塞裙部使用了自主开发的EcoTough涂层，经倒拖实验发现，摩擦损失降低了18%，并且发现该涂层的抗磨损性能优于标准石墨涂层[20]。印度TVS发动机公司[21]和本田公司[22]也开发了新的涂层用于降低摩擦损失。此外，为便于润滑油不足时进行储油，活塞表面通常加工有横向织构。对该织构的优化设计，也是降低活塞裙-缸套摩擦损失的途径之一[23]。方聪聪等人对活塞裙部表面沟槽对活塞摩擦动力学的影响进行了研究，分析了加工凹槽深度、密度及形状对润滑性能的影响[24]。

发动机机构动力学与活塞裙部润滑理论的耦合研究，可以有效降低设计成本和提高设计效率。孟祥慧等人将活塞动力学与流体润滑相结合，研究了二次裙部型线对摩擦学性能的影响[25]，之后将活塞-连杆-曲轴-飞轮系统的动力学与活塞裙部润滑耦合，分析了发动机工况下活塞的摩擦动力学特性，为从理论分析角度开展活塞低摩擦设计提供了有效工具[26]。

与其他摩擦副相比，活塞销摩擦副的工作环境更加恶劣，具有接触压力高、润滑不充分、工作温度高等特点，易发生胶合和润滑失效。

活塞销的低摩擦设计多以实验的形式开展。Etsion等人在活塞销表面加工微织构并镀上CrN和DLC涂层进行了活塞销的抗胶合实验，发现表面微织构可以提高活塞销的摩擦学性能[27]。马勒公司在活塞销上镀上磷酸锰涂层并取消连杆小头轴衬，测试发现不仅可以减小摩擦损失，并且降低了连杆小头润滑失效的风险。本田公司通过在连杆小头侧添加铜轴瓦，实验发现降低了原摩擦损失的4%[23]。

由于直接测量活塞销摩擦学特性的困难，活塞销轴承摩擦学动力学分析将有助于分析活塞销摩擦损失及开展活塞销低摩擦技术研究。以全浮式活塞销为对象，方聪聪等人分析了平面多体动力学系统内活塞销的摩擦学性能，研究了设计参数对系统摩擦损失的影响[28]。

轴承摩擦副包括连杆大头轴承-曲柄销、主轴承-曲轴摩擦副，其摩擦损失占比仅次于活塞环组-缸套系统。轴承的低摩擦设计，主要包括轴承几何优化和表面材料的应用。

轴承的几何优化可以分为三个层次，分别是宏观层次、细观层次和微观层次。宏观层次的优化，是调整轴承的宽径比。轴承的宽度与轴承座刚度和曲轴的抗弯刚度直接相关，连杆载荷作用下轴颈弯曲变形会造成轴承边缘摩擦力和磨损量增大。此外，减小轴承非主要承载区的轴承宽度可以在不影响主要承载区工作的前提下，减小油膜粘性摩擦力。通过综合考量系统可靠性和摩擦损失，可以从宏观层次优化轴承几何及曲轴，获取低摩擦设计方案。细观层次的优化，指轴承或轴颈表面微结构的处理。表面织构在活塞环-缸套系统中的作用已经被研究多年，在轴承系统中，织构也是改善其润滑性能的一种重要方法。国内外研究者就织构尺寸[29]、织构形状[30]、分布模式[31-33]及轴承在不同工作条件下织构的效果[34-39]开展了广泛的研究。微观层次的优化，是指轴颈表面粗糙度和波纹度的控制和优化。表面微观参数的控制和优化直接影响轴承的可靠性，并且在该尺度下的性能改进有望使轴承可以工作在更小厚度的油膜润滑状态，也意味着更低的摩擦损失。

汽车行业中多层轴承的应用已经十分广泛，近年来新减摩材料在轴承涂层的应用也是改进轴承摩擦学性能的一大趋势。例如WS2涂层被证明可以有效提高轴承抗咬粘性能，并且允许轴承工作在更薄的油膜润滑下[40]。针对发动机热起动时润滑油粘度低、相对转速低和润滑油不足的恶劣工况，聚合物涂层可以起到吸附润滑油和降低磨损的作用[41]。

润滑油的选择及性能改进，和发动机的摩擦损失紧密关联。低粘度润滑油在汽车行业的应用已经比较普遍，近年来多级润滑油的应用也越来越广泛，通过在润滑油中添加粘度指示剂，可以使润滑油在不同温度工况下展现更优的效果。润滑油中减摩添加剂的使用，在改善边界润滑和混合润滑的摩擦系数方面也起到了显著的作用。

发动机冷起动时，由于温度较低，润滑油粘度较高，会产生较大的摩擦损失。因此，通过合理手段，在冷起动阶段加快润滑油温度提升速度，也可以达到降低摩擦损失的效果。

发动机中工作环境复杂，关于发动机低摩擦技术的研究起步较晚，仍有很大发展空间，更多有效的低摩擦技术研究正在学界和工业界开展。

发动机轴承被设计工作在流体润滑状态，正常工况下几乎不发生磨损，但在发动机起动或停机过程中，由于曲轴转速较低，流体动压润滑难以提供足够的承载力，主轴承可能工作在混合润滑或边界润滑状态，从而引发金属接触和轴承磨损。近年来，发动机怠速启停系统的应用，将传统发动机怠速时的油耗和尾气排放大大减少，在城市行驶工况下节能减排效果明显。但与之而来的是，发动机会经历更加频繁的启停，造成轴承工况的恶化。发动机低摩擦设计的大趋势下，低粘度润滑油的应用和更紧凑的摩擦副设计，尽管可以降低正常工作过程中的摩擦损失，但可能加剧轴承等摩擦副的磨损。

本文在发动机低摩擦设计的背景下，研究发动机启停工况下轴承使用不同粘度润滑油的摩擦学特性及磨损过程，分析低粘度润滑油的应用对轴承性能的影响，为发动机低摩擦设计提供技术参考。

2 启停工况下主轴承研究背景

根据汽车性能测试的NEDC城市行驶循环工况，在应用发动机怠速启停技术后，车辆每行驶3 976.1 m，发动机就要进行11次启停操作，低粘度润滑油应用情况下，轴承要经历更频繁的恶劣工况。

关于启停工况下轴承的性能研究，国内外学者已开展了一系列相关工作。Mokhtar等人通过试验研究了稳定载荷和转速下轴承启停过程中的摩擦学行为，并观测到了由反复启停造成的轴承磨损，发现磨损主要发生在起动过程的初期[42-43]。Monmousseau和Fillon研究了可倾瓦轴承在起动过程中的咬粘现象，分析了影响轴承安全运行的主要因素[44]。Bouyer等人比较了经过大量启停试验后的轴承与新轴承的摩擦学性能，之后测量了起动过程中轴承的摩擦系数，试验表明，轴承的混合润滑状态主要发生在起动的初始阶段[45-46]。Chun和Khonsari仿真模拟了恒定载荷的轴承在起动和减速滑行工况下的磨损行为，结果显示在起动循环的起始阶段和滑行工况的结束阶段，轴承会持续发生磨损[47]。

本文中的分析讨论是作者此前已完成的研究工作[48-49]。分析对象为某直列四缸四冲程汽油机主轴承，如图2所示。以轴颈动力学为基础，通过耦合求解轴承的平均流量润滑模型、轴承与轴颈接触模型、轴承表面形貌磨合与磨损模型，分析使用不同润滑油情况下，轴承在90℃热启停过程的瞬态摩擦动力学行为及多次热启停后轴承的磨损特性。使用的理论模型及算法，可在作者此前的工作[48-49]中查看。

图2 轴承分析示意图[49]

分析中使用的润滑油分别为SAE 0W20,SAE 5W30和SAE 5W40，在90℃时，三种润滑油的粘度分别为0.007 Pa∙s，0.011 Pa∙s和0.015 Pa∙s。

图3所示为设置的发动机启停循环工况，起动过程中发动机先后经历电机拖动、点火提速、稳定怠速和停机滑动四个阶段。供油压力在电机拖动阶段逐渐建立，在点火提速阶段随发动机转速提高。作用在曲轴轴颈的瞬态载荷曲线是根据实验缸压数据及发动机曲柄连杆机构信息计算得到。表1示为分析中的主要结构参数。

图3 发动机启停工况图线[49]

表1 仿真基本参数[48-49]

3 启停工况下主轴承瞬态摩擦学性能分析

为了了解启停过程对轴承磨损的影响，首先针对单次启停过程中轴承的瞬态摩擦动力学进行了分析[49]。

图4所示为发动机热启停过程中轴承的载荷、最小油膜厚度(MOFT)、最大油膜压力(MOFP)、最大接触压力(MCP)和摩擦损失功率(FPL)曲线。

图4 不同润滑油下热启停过程中轴承瞬态摩擦学参数对比[49]

以轴承受到的载荷作为主要参考，来分析各时刻轴承的摩擦学特性。在点火提速阶段，缸压较大，轴承受到的载荷增大。三种润滑油粘度在同一量级，最小油膜厚度曲线和最大油膜压力曲线的差异并不明显，仅在轴承载荷较小、油膜厚度较大时可以看出使用5W40润滑油会使最小膜厚的数值更大。

但在最大接触压力曲线中，可以看出使用0W20润滑油时，接触压力明显增大。与之对应地，在摩擦损失曲线中，使用0W20润滑油会在起动初期产生较大的摩擦力，分析可知该摩擦力主要来自固体接触。当发动机转速提高后，轴承工作在流体润滑状态，低粘度润滑油产生的摩擦损失最小，与事实相符。

4 多次启停后轴承的磨损与性能分析

以单次启停过程中轴承的瞬态摩擦动力学分析为基础，开展了多次启停对轴承表面形貌和性能变化的影响分析[49]。

一般认为，新轴承在工作初期会先经历磨合过程，然后再进入磨损阶段。因此，分析过程中首先分析了轴承的磨合过程，如图5所示。随着热启停次数的增加，轴承主要承载区的表面粗糙度值变小，根据磨合过程中表面粗糙度最小值的变化，将磨合过程分为了8个阶段，使用不同润滑油使轴承达到各磨合阶段的次数如图6所示。可以看出，使用低粘度0W20润滑油时，达到各磨合阶段所需的启停次数最少，即磨合最快。

在磨合过程结束后，轴承进入缓慢磨损过程。在轴承使用寿命中，磨损过程持续时间最长。图7所示为轴承表面磨损深度随启停次数增加的变化情况。图中所示纵轴为选取了轴承中间截面的周向坐标，横轴为启停次数。可以发现，随着启停次数的增加，磨损区域逐渐扩大，磨损深度逐渐增大。对比发现：使用0W20润滑油经历相同次数的发动机启停时，轴承的磨损深度最大；当启停次数约为65 000次时，使用0W20润滑油时的最大磨损深度可以达到使用5W40润滑油时最大磨损深度的约3倍。可见，润滑油粘度对轴承的磨损具有明显影响。

图5 随启停次数增加轴承表面粗糙度变化[49]

图6 各磨合阶段所需的发动机启停次数[49]

图7 随启停次数增加轴承磨损深度变化[49]

磨合和磨损会直接影响发动机轴承的摩擦学性能。以平均摩擦损失功率为指标，分析了使用不同润滑油时多次启停对轴承摩擦学性能的影响，如图8所示。可以看出，随发动机启停次数增多，发动机启停循环的流体摩擦损失和怠速循环的摩擦损失几乎不变，而接触摩擦损失先快速减小，之后呈缓慢增大趋势。这说明启停过程中的磨损造成的摩擦损失变化，主要体现在接触摩擦。在磨合过程中，表面粗糙度减小，接触摩擦被减小，之后表面粗糙度几乎不再变化，随着磨损深度增大，磨损区域的流体承载被减弱，接触摩擦不断增大。使用0W20润滑油时，接触摩擦的变化更加明显，与该工况下轴承的磨合磨损过程被加速相对应。