汽车发动机低摩擦技术分析与研究

杨立平，龙建，刘敏杰，宋建桐

（北京电子科技职业学院汽车工程学院，北京 100176）



汽车发动机低摩擦技术分析与研究

杨立平，龙建，刘敏杰，宋建桐

（北京电子科技职业学院汽车工程学院，北京 100176）

摘 要：在汽车发动机中，涉及到的摩擦是很复杂的。而在发动机工作过程中所有摩擦副摩擦学、摩擦机理等是目前研究较多的研究内容。然而，在使用过程中发现对于发动机采用与摩擦学技术相关的诸如从有利于降低部件摩擦的结构、选用合适材料或润滑剂及采用不同类型的副摩擦等，可以大幅度的降低发动机工作过程中的摩擦程度，提高发动机的使用寿命和可靠性。

关键词：发动机；摩擦；降低

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.024

CLC NO.: U464.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-72-04

1、汽车发动机的摩擦分析

当一个物体与另一物体沿接触面的切线方向运动或有相对运动的趋势时，在两物体的接触面之间有阻碍它们相对运动的作用力，这种力叫摩擦力。接触面之间的这种现象或特性叫“摩擦”。在实际应用过程中，有时利用摩擦即摩擦有利的一面，例如，人的行走，汽车的行驶都必须依靠地面与脚和车轮的摩擦。但在多数情况下摩擦是有害的。比如，机器运转时的摩擦，造成能量的无益损耗和机器寿命的缩短，并降低了机械效率。

汽车发动机中的摩擦时不可避免的，而且发动机本身结构和工作特性所致，其所形成的摩擦都是有害而不利于发动机正常使用。又因为发动机本身属于高温工作机器，对于部件的磨损更为严重。

发动机燃烧后其能量的利用率是很低的，有资料和实验显示发动机由于摩擦造成的损耗占汽车总损耗的无用能量的15%左右。摩擦损耗的能量来自于发动机的各种泵、附件和所有摩擦副。

在摩擦的机械损失中，活塞环占0.87%，活塞占0.72%，连杆占0.73%，曲轴占1.07%，换气与其他占6.4%；热损失占61.7%。以上指的是2L左右排量全负荷情况下的数据。试验证明，由于摩擦造成的转矩损耗随发动机转速的增加而增加。活塞、连杆与其相应的摩擦副形成的滑动损耗最大。发动机各部件摩擦损耗比率也是随着转速的不同而有差异，如表1所示。

2、形成发动机摩擦的重要因素与类型分析

事实上，发动机摩擦损失的影响因素是多种多样的，而且是各种因素综合作用所致。从发动机设计（主要是结构、材质）、制造（工艺、加工）、工作负荷及工作环境优略等。这里的设计、制造及材料的选择主要取决于生产厂家的人员素质、工艺装配和管理等水平。

摩擦损失的影响因素主要包括以下几方面：

（1）部件组损失

主要是指活塞组损失（配合间隙、形状规范、气缸环的数目弹力、重量等）；曲轴（曲轴箱的通风、轴瓦尺寸与间隙、润滑油压力等）；配气机构损失（凸轮生程、机构滑动表面的布置等）；附件损失（燃油泵、水泵、发电机机油泵等）。

（2）润滑与发动机工况

主要指润滑油的流量、黏度及压力；发动机在工作过程中的转速、负荷、冷却温度及空气洁净度等。

（3）摩擦副材料

减摩材料的优略、减摩添加剂质量、多级油与单一油的差异、摩擦表面的减摩处理和摩擦副材料配合的合理性等。

（4）制造与装配工艺

在加工方面，加工精度的确定与加工过程中的保证程度，对于零件在使用中摩擦程度有很强的影响。零件表面的粗糙度值确定与加工是否能保证也是重要的影响因素。在装配过程中的形位公差与装配质量等都影响其工作过程的摩擦程度。

从理论上讲，按照摩擦副的运动形式，摩擦可分为滑动摩擦和滚动摩擦；摩擦状态的形式有干摩擦、液体摩擦、边界摩擦和混合摩擦。就发动机而言，当长时间不运转刚开始启动时，气缸上止点附近部位，属于干或是半干摩擦；当发动机完全工作一段时间后，摩擦表面完全被流体层隔开，此时摩擦主要发生在流体内部分子之间，此时摩擦阻力取决于流体的黏性与摩擦表面性质无关，此时的摩擦称之为液体摩擦。如曲轴轴承、凸轮轴轴承、连杆轴轴承就属于液体摩擦；若摩擦表面仅被很薄的油膜隔开，此时的摩擦阻力与摩擦表面材质、油膜的理化性质和润滑特性有关而与黏性无关。这种摩擦状态被称之为边界摩擦状态，发动机中的活塞、活塞环与气缸就属于该类型的摩擦形式。

这里应当注意的是，发动机在实际使用过程中，会出现冲击负荷、高负荷及高温的作用。而这时的油膜厚度常常是变化的即不能保证最小厚度值，也就是摩擦类型发生了变化，对于发动机而言由于其属于高温、大冲击工作机械，摩擦性质的保证是十分重要的，不能频繁出现摩擦性质变化。

3、低摩擦技术的设计开发理念

发动机属于精密摩擦偶件，摩擦造成的损失主要由对应的运动部件决定。因此对其进行结构优化是当前最为有效的方法；当然，摩擦损失同样在诸如冷却、润滑和通风等系统中发生。所以在发动机设计阶段，上述方面应是重点考虑的问题。现在计算机技术应用可以提高部件结构最理想化的程度，最终完成结构和各种配合尺寸的优化。因此，在发动机的设计上应该从相应的因素和理念进行考虑。

3.1 发动机低摩擦技术的系统工程理念

根据上述分析，发动机低摩擦技术是一个综合而系统的工程。在设计时必须考虑诸如结构优化、材料的筛选评估、加工质量的保障措施和方法、装配工艺的制订与执行、所有的操作规范等；更为重要的是润滑剂的选用依据。（应根据试验标定值）

3.2 必要的经验预测与严格的计算

根据多年对大量相关的发动机磨损情况，进行数据的收集和比较，同时对于这些数据与原尺寸进行对比。从中找出磨损规律和相关的尺寸优化方案，再利用摩擦的预测和CAE工具等，筛选关键部位的尺寸。（如气缸直径、裙部形状尺寸、轴承尺寸及冲程等）

3.3 设计开发原则

现代发动机为降低摩擦损失，在产品设计开发阶段必须遵守现代开发的基本原则。为实现低摩擦技术奠定坚实的基础，避免走更多的弯路。

（1）应确定整个设计过程的负责人，该负责人必须全程跟踪负责。同时及时评估影响摩擦的各种因素。

（2）采用现代化成熟的软件工具对于发动机关键部件进行建模设计，同时，根据试验检测等数据与设计结果进行比较，最终确定相关的技术数据。

（3）就是应选择合适的辅助部件，比如机油泵、水泵、发电机等与之相关联的机电设备。

4、发动机减摩措施的开发

从引起摩擦形成的原因分析，减少摩擦可以通过选择摩擦副的匹配材料，优化最佳的匹配方案获得较低的摩擦损失；尽可能降低摩擦副表面的剪切强度膜；在摩擦表面形成相对厚的流体膜，使其成为液体摩擦；滚动摩擦系数小于滑动摩擦系数，因此有可能的情况下尽量采用滚动摩擦；将摩擦副的相对运动转化为材料内部的变形运动（只能是小范围的移动）；当然也可采用磁悬浮运动，将两个相对运动的摩擦副分开无接触，这将是未来减摩技术的发展趋势。

发动机的所有摩擦阻力中，活塞环活塞销等所占的比例最大。除此之外还有配气机构中凸轮轴承、摇臂支点、凸轮与顶杆之间等；连杆与曲轴连接的轴承、机油泵等。

根据上述分析，发动机减摩应采取的措施主要从如下几方面进行。

4.1 活塞与气缸壁之间的减摩措施

（1）机油黏度与温度

有试验证明，当机油的黏度适当降低可以降低机油的剪切力，从而降低自身的摩擦损失；合适的机油温度也可以减少摩擦损失，但应注意若温度太高，有可能使得机油稀释过度，使得摩擦副的接触变坏反而会增加摩擦损失的风险。

（2）活塞环

活塞环对摩擦的影响主要有环的数量、环的轮廓与尺寸、表面粗糙度、表面处理及张力等。

应该指出，减少气环的数量无疑可以减少气缸壁与环的摩擦面积。当然就可减少摩擦损失，但每一个环的负荷则增加，同时增加了漏气量的风险。该项措施效果不是很明显。

气环顶部边缘一定始终保持楔形，这样有利于摩擦损耗的减少，即气环的轮廓优化措施的重点就在于此。

（3）活塞裙部

适当调整活塞裙部轮廓尺寸与形状，可以减少由于接触不良造成的偏磨。同时应注意噪声、振动和不平顺性三项指标的控制；根据实际情况，可以引用不同形状的裙部类型，充分利用推力侧和非推力侧不同的接触面积，减少由于机油剪切力引起的损失。

在活塞裙部也可以采用低摩擦涂层材料，减少接触不良引起的非正常摩擦。

适当减少裙部长度尺寸，优化裙部椭圆度，适当调整裙部削减区域等，可以降低机油剪切应力引起的摩擦损失。但该方案可能由于裙部尺寸变短，而增加活塞相对于缸筒倾斜的风险。由此引起机油消耗和漏气量的增加，因此应注意指标的优化，确保综合性能的发挥。

通过优化冷却水系统，保证缸筒的变形量尽可能的小，确保活塞裙部的接触面积；还可以减少活塞销长度达到降低活塞质量，适当增加连杆长度，以便减少活塞侧向力等，多可以降低摩擦损失。

4.2 气缸筒的减摩措施

（1）尽量减少缸筒的变形

目前，主要应通过优化冷却系统来减少气缸筒的变形。间接的讲由于气缸筒的变形量减少，直接导致气环张力的降低，从而使的环与气缸壁的偏摩降低。

（2）合理选择气缸筒的加工与表面处理工艺

这里应该注意的是，环和缸套或裙部与缸套之间，只有在边界润滑条件下其润滑效果最佳。在这种情况下，摩擦副存在着干摩擦的危险。同时对于摩擦副自身的材料也有着较高耐磨性要求。因此为提高抗磨性，可以应用陶瓷微粒等离子喷涂度层技术加以保证。

在缸套的加工中采用不同的珩磨技术，相成不同的表面加工纹路。让缸筒的上、下止点表面的粗糙度值更高，粗糙表面可以存更多的润滑油，以便改善表面的润滑效果。

4.3 连杆小头轴承的减磨措施

根据实际经验采用全浮活塞销，可以减小轴承的滑动速度；减少轴承的长度，可以限制轴承的单位负荷；活塞销内径适度优化，减少活塞销挠曲度变形，可以降低轴承的接触避免摩擦损失。同时，还可以减少活塞销质量。也可考虑使用轴承衬套来提高单位负荷能力同时可以减少销子的直径，但有可能增加活塞质量。

除上述措施外，也可以采用增加轴承间隙，改进滑动表面粗糙度，使用带有油槽的滑动轴承。采用特殊结构的轴承衬套，即其上开有椭圆孔，用于扩大挤压油膜效果。

4.4 连杆大头轴承的减磨措施

和连杆小头一样，由于其连接方式相同，因此在减磨措施方面有着很多相同之处。如可以采用减小轴承直径和轴承长度，以便限制扭转振动和曲轴强度；通过优化机油孔的位置和大小，提高其耐磨性。

4.5 主轴承的减磨措施

在发动机中，支撑曲轴的主轴承的摩擦损失也很大。在降低措施中可以考虑减少轴承直径，减少轴承长度；进一步优化轴承间隙、曲轴直线度（降低轴承的轴线不一致）和机油槽的位置和直径。将支座设计方案进一步优化，保持合适的轴承形状和轴承间隙。

4.6 配件应用类型的优化措施

在发动机或者汽车上，如果有条件的话，应尽量采用低摩擦型配件。

（1）滚动轴承的应用

由于滑动轴承的接触面积大，在旋转后的摩擦就会加剧，同时产生很大的温升。因此，经常会出现烧瓦现象。和滑动轴承相比滚动轴承具备的优点很多，如：滚动摩擦本身就是摩擦系数最小，各种工况下能保持稳定的低摩擦值，启动摩擦阻力小；工作时产生热量低，因此对于润滑和冷却要求相应的就低；支撑精度高，轴向尺寸小。

在发动机中，除上述分析的活塞与气缸套之间的摩擦损失外，最有降低潜力的配件就是支撑曲轴的轴承了。当前曲轴轴承多采用分体式滑动轴承，曲轴轴颈直径和径向密封环的预紧力等都会影响摩擦力大小。通过测量证明，当机油温度在90℃时，滚动轴承摩擦的降低潜能达55%（和滑动轴承相比）。温度越低效果也就越明显，

试验证明当机油温度在35℃时可达72%。由于采用滚动轴承，机油的体积流量可降低38左右，流量体积的降低将减少摩擦损失。

（2）低摩擦活塞的应用

由于活塞组的摩擦占整个发动机摩擦损失的40～50%,因此除采取必要的降摩措施外，选择低摩擦活塞是降低摩擦损失更为有效的办法。

首先，发动机的行程与直径的比值（S/D）与摩擦损失有关。我们设S/D=1的流体动力摩擦损失为1，则S/D=0.8时的流体动力摩擦损失为0.72； S/D=1.2时的流体动力摩擦损失为1.21。试验证明转速影响不大。因此，从活塞摩擦角度看，短行程发动机更有利于降低摩擦损失。

现代活塞设计，通常将活塞的裙部制成中凸变椭圆型线，也就是常说的腰鼓形。其横截面呈椭圆形，一般中凸量为0.01～0.02mm ；另一种结构是非对称式活塞裙部设计，该结构主要是减小接触压力比较小一侧的宽度，使得摩擦损失降低。

5、结论

目前，由于发动机结构本身所制，降低摩擦损失只能在改进局部结构，采用不同的材质，优化部件形状和润滑等方面进行完善。而这些措施对于提高发动机效率，延长使用寿命及未来发动机的发展趋势具有深远意义。也是未来发动机相当长的研究方向。

参考文献

[1] 李骏.汽车发动机节能减排先进技术[M].北京:北京理工大学出版社,2011.

[2] (德)理查德（Richard,F）.现代汽车技术[M].北京:机械工业出版社，2010.

[3] 杜仕武.现代柴油机喷油泵喷油器维修与调试[M].北京:人民交通出版社，2004.

Technical Analysis and Research of Reducing Friction of Automotive Engine

Yang Liping, Long Jian, Liu Minjie, Song Jiantong
（School of Automotive Engineering, Bejing Polytechnic, Beijing 100176）

Abstract:Friction in automotive engine is very complex.And during engine operation, tribology, accessory tribology and friction mechanism are studied more at present.However, in the course of using I found that when the engine adopts something related to tribology, such as structrue that helps reduce component friction, choice of suitable material or lubricant and adoption of different types of side friction, etc, friction degree during engine operation can be greatly reduced and the engine’s service life and reliability can be improved.

Keywords:Engine; Friction; Reduce

作者简介：杨立平，副教授，就职于北京电子科技职业学院汽车工程学院。研究方向为发动机低摩擦技术。基金项目：北京市教育委员会科技计划面上项目（KM201410858004）。

中图分类号：U464.9

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)03-72-04