润滑油对发动机凸轮机构摩擦特性的影响研究

周正 张鸿 孔祥馗

【摘 要】配气机构在发动机的进、排气控制中发挥着不可替代的作用，它按照气缸的工作需求，定时准确地开闭配气气门以向气缸供给可燃混合气或新鲜空气并及时将燃烧产生的废气排出，在配气机构中凸轮机构是主要的动力输入装置，凸轮机构的摩擦与润滑特性直接影响配气机构的承载能力等。文章针对某发动机凸轮机构摩擦阻力大和磨损严重的问题，分析凸轮-挺柱摩擦副的摩擦特性和润滑特性，以原厂油作为参比油，从机油黏度和添加剂成分两个方面配制了3款试验油样，通过发动机摩擦力矩试验探究不同配方机油对凸轮机构摩擦特性的影响。试验结果表明：降低机油黏度和在机油中加入黏度指数改进剂对凸轮机构的摩擦改善不明显，在机油中加入摩擦改进剂对凸轮机构的摩擦改善有较好的效果，相较于参比油加权平均摩擦力矩降低11.8%。

【关键词】发动机;凸轮机构;润滑油;摩擦特性

【中图分类号】TH112 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）02-0075-03

0 引言

近年来，随着国家对汽车油耗规定的日益严格，小排量发动机深受各大主机厂商和消费者的喜爱，为了兼顾车辆的动力性，小排量发动机经常在高负荷、高转速工况下运行，这就使得配气机构的工作条件发生巨大的变化，由原先的低接触应力、稳定负荷和低摩擦变为高接触应力、不稳定负荷和剧烈摩擦，这种恶劣的工况在缸内直喷涡轮增压发动机内更为常见，而凸轮-挺柱摩擦副作為配气机构的核心部件，其摩擦与润滑特性会对配气机构及整个发动机的磨损产生重要影响。

近年来，众多学者对发动机配气机构做了大量的研究，刘芳等[1]基于配气机构的运动学原理构建了一种双气门配气机构布置方法，并通过动力学测试对布置方案进行了优化。马梦阳[2]研究了超声滚压工艺对凸轮材料C53和挺柱材料GCr15的接触疲劳和滑动磨损性能的影响，并揭示了该工艺对于材料表面的强化机理。黄旭等[3]在搭载的可变配气机构的1.5 L涡轮增压汽油发动机上进行了倒拖试验，分析研究了执行机构性能、凸轮轴基圆跳动情况和气门升程特性。宋秀英等[4]利用AVL-tycon软件建模，根据热力学计算要求设计了发动机气门正时系统，并确定了进气和排气凸轮型线及相关的气门机构参数，还进行气门机构运动学分析。王剑[5]针对柴油机配气机构展开研究，从理论上计算了凸轮在工作过程中的磨损量，从配气机构的气门位移及凸轮型线的丰满系数和卷吸速度等多方面分析了凸轮在磨损前后的性能变化，并对凸轮的磨损趋势和寿命进行了预测。

国内外学者对发动机配气机构做的试验研究，大多是针对配气机构的结构形式、凸轮的型线优化及凸轮-挺柱的表面涂层，对凸轮-挺柱的润滑与摩擦特性研究较少。本研究基于凸轮-挺柱摩擦副的摩擦特性与润滑特性，配置不同成分的试验油样，通过发动机摩擦力矩试验，研究了不同配方润滑油对凸轮机构摩擦特性的影响。

1 凸轮-挺柱摩擦与润滑特性分析

1.1 凸轮-挺柱摩擦磨损特性分析

凸轮-挺柱摩擦副是配气机构中的主要受力部位，其中凸轮为主动件，挺柱为从动件，由于凸轮具有特殊的曲线轮廓，凸轮-挺柱摩擦副在工作过程中会产生周期性变化的载荷，二者之间的应力往往是周期性变化的大交变应力。凸轮-挺柱摩擦副属于高副机构，二者一般是线接触，在正常工作过程中挺柱的端面会受到来自凸轮的持续高压应力，凸轮的特殊型线变化及挺柱内部弹簧弹力的非线性变化均使得接触面产生的高压应力产生不稳定传导，因此在凸轮与挺柱之间极易发生接触疲劳和磨损。

从磨损机理上来讲，凸轮-挺柱摩擦副的磨损包括磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损，其中磨粒磨损占50%左右，意味着大部分磨损是由磨粒磨损造成的[6]。不论凸轮和挺柱两者之中任何一个出现磨损或疲劳失效，都会严重地恶化凸轮-挺柱摩擦副的几何精度和传动精度，并且会给配气机构中其他相关零件之间的运动及应力传导带来负面作用，而且该负面影响可能会呈指数型曲线增长，从而影响导配气机构的正常运行乃至整个发动机的正常工作。

1.2 凸轮-挺柱润滑状态分析

凸轮-挺柱摩擦副会因为摩擦造成大量的能量损失，这些损失的能量大多转化为热能，导致局部接触温度的升高，不仅会降低发动机的工作效率，而且热量的积累会促进凸轮-挺柱摩擦副的磨损和疲劳失效。润滑是最好的防止磨损或疲劳失效的方法，并且能在油品循环过程中带走局部产生的热量，防止配气机构的局部热量积累导致的结构失效。

在凸轮-挺杆摩擦副中，润滑油的润滑状态主要受凸轮转速和接触应力的影响，凸轮转速的增大会使润滑油膜厚度增大，从而使凸轮-挺柱摩擦副的润滑条件得以改善，但过大的凸轮转速会在接触区产生大量热量，当热量过高时容易引起热量积聚和润滑油膜的破裂，因此凸轮转速应该设置在合理的区间范围内。接触应力的大小直接影响凸轮与挺柱之间的油膜厚度，高接触应力不仅会使润滑油膜厚度减小甚至破裂造成擦伤，而且高载荷的循环应力更容易促使接触表面裂纹的萌生及扩张，从而导致接触表面剥落失效，对接触副的疲劳寿命产生了负面影响。在边界润滑状态下接触副表面间的润滑油膜厚度较薄，很难将两摩擦副分离，在这种极压状态下很容易产生摩擦副基体间的直接接触，在润滑油中加入摩擦改进剂可以很好地改善极压状态下的润滑状态，从而避免摩擦副之间边界润滑油膜的破裂和粗糙峰的直接接触。

2 试验方案

2.1 试验油样

试验油样配方主要从黏度级别和添加剂类型两个方面入手，对润滑油对凸轮-挺柱摩擦副的摩擦特性的影响进行分析，考虑到润滑油的成本及基础油性能差别对试验结果的影响，所有的油样基础油均采用加氢裂解油。

4款试验油样的基本理化特性见表1，其中1#原厂油为参比油，2#～4#油样为试验油。4款试验油样中共包含两种黏度级别，分别为5W-30和0W-20。1#SM 5W30机油黏度最高，黏度指数较低，2#试验油为低黏化试验油，3#为FM（摩擦改进剂）试验油，4#为VII（黏度指数改进剂）试验油。

2.2 试验设备与流程

试验用发动机为某车企目标车型所搭载的发动机，该款发动机的主要技术参数见表2。

试验流程：受到发动机固有结构的限制，无法直接测量凸轮机构的摩擦力矩，本研究通过间接方法获得凸轮-挺柱的摩擦力矩，该方法共分两步：第一步进行发动机整机的摩擦力矩试验，为探究温度对凸轮机构润滑特性的影响，分别将油温控制在30 ℃、50 ℃、70 ℃和90 ℃ 4个等级，然后通过改变机油的类型，获得不同配方机油在4个温度等级润滑下的发动机总摩擦力矩M1;第二步拆除发动机的凸轮机构，再进行发动机摩擦力矩试验，与第一步相同更换不同配方的机油，并控制温度在相应的4个等级，从而获得去除凸轮机构的不同配方机油在4个温度等级润滑下的发动机摩擦力矩M2，用发动机总摩擦力矩减去拆除凸轮机构后的摩擦力矩，从而得到不同配方机油在4个温度等级润滑下的凸轮机构的摩擦力矩M=M1-M2。

3 试验结果分析

图1、图2、图3和图4分别为4款油样下的凸轮机构摩擦力矩试验结果。

从这些图中可以看出，在转速一定时凸轮机构摩擦力矩随温度的升高而增大，除了3#FM试验油，其他两款试验油的凸轮机构摩擦力矩随转速的总体变化趋势与1#参比油基本相同，表现为先降低后升高，在机油温度大于30 ℃时，摩擦力矩最小值出现在转速为2 500 r/min附近，而3#FM试验油的凸轮机构摩擦力矩总体上随转速的增加而增大。

根据《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（GB 18352.6—2016），I型试验用测试循环为全球轻型车统一测试循环（WLTC）、该循环由低速段（Low）、中速段（Medium）、高速段（High）和超高速段（Extra High）4个部分组成，运行时间分别约600 s、450 s、450 s和300 s，在不同速度段油温也是不同的，因此将摩擦力矩试验中30 ℃、50 ℃、70 ℃和90 ℃ 4个温度下的摩擦力矩求平均值，用来代表4个速度段的摩擦力矩，然后根据运行时间的不同，将4个平均摩擦力矩按4∶3∶3∶2的比例进行加权平均得到加权平均摩擦力矩，从而得出4款油样的加权平均摩擦力矩，结果对比如图3、图4、图5所示，图中箭头表示试验油相较于参比油的凸轮机构摩擦力矩降低的百分比。

由图5可以看出，3款试验油的凸轮机构摩擦力矩相比于参比油均有所减小，但程度不同，其中3#FM试验油的改善效果最为明显，达到11.8%，2#低黏化试验油和4#VII试验油的改善效果均小于5%，由此可见降低机油黏度和加入黏度指数改进剂的优化对凸轮机构的摩擦磨损有一定改善，但效果不是特别明显，而加入摩擦改进剂对凸輪机构的摩擦磨损有较好的改善效果。分析其原因可能是凸轮-挺柱摩擦副的润滑状态为边界润滑，此时机油的黏度对摩擦的影响较小，而摩擦改进剂能够在极压状态下为摩擦副提供润滑膜，从而改善了凸轮-挺柱在边界润滑状态下的摩擦特性，降低了凸轮机构的摩擦力矩。

4 结语

（1）转速一定时凸轮机构的摩擦力矩随机油温度的升高而增大;机油温度一定时凸轮机构的摩擦力矩随转速的升高先减小后增大，最小值出现在2 500 r/min附近，在机油中加入摩擦改进剂后凸轮机构的摩擦力矩随转速的升高而增大。

（2）降低机油黏度和加入黏度指数改进剂对凸轮机构的加权平均摩擦力矩降低效果不是特别明显，而加入摩擦改进剂对凸轮机构的加权平均摩擦力矩有较好的改善效果，其原因可能是摩擦改进剂能为处于边界润滑条件下的凸轮-挺柱摩擦副提供润滑膜，从而改善了凸轮机构的摩擦磨损特性。

参 考 文 献

[1]刘芳，杨连亚.双气门配气机构布置方法的应用与测试研究[J].机械工程师，2021（7）：61-64.

[2]马梦阳.发动机配气机构凸轮-挺柱接触副材料表面超声滚压强化与疲劳行为研究[D].广州：华南理工大学，2020.

[3]黄旭，李冲霄，尹琪.某小排量发动机可变配气机构试验研究[J].汽车与新动力，2020，3（2）：87-90.

[4]宋秀英，黄磊，陈超，等.发动机配气机构仿真分析[J].内燃机与配件，2019（16）：59-61.

[5]王剑.凸轮磨损对配气机构动态性能的影响研究[D].北京：北京理工大学，2017.

[6]汤以品.发动机配气机构复合涂层摩擦学性能研究[D].济南：济南大学，2016.