潤滑油對發動機凸輪機構摩擦特性的影響研究

周正 張鴻 孔祥馗

【摘 要】配氣機構在發動機的進、排氣控制中發揮著不可替代的作用，它按照氣缸的工作需求，定時準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生的廢氣排出，在配氣機構中凸輪機構是主要的動力輸入裝置，凸輪機構的摩擦與潤滑特性直接影響配氣機構的承載能力等。文章針對某發動機凸輪機構摩擦阻力大和磨損嚴重的問題，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，從機油黏度和添加劑成分兩個方面配制了3款試驗油樣，通過發動機摩擦力矩試驗探究不同配方機油對凸輪機構摩擦特性的影響。試驗結果表明：降低機油黏度和在機油中加入黏度指數改進劑對凸輪機構的摩擦改善不明顯，在機油中加入摩擦改進劑對凸輪機構的摩擦改善有較好的效果，相較于參比油加權平均摩擦力矩降低11.8%。

【關鍵詞】發動機;凸輪機構;潤滑油;摩擦特性

【中圖分類號】TH112 【文獻標識碼】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定的日益嚴格，小排量發動機深受各大主機廠商和消費者的喜愛，為了兼顧車輛的動力性，小排量發動機經常在高負荷、高轉速工況下運行，這就使得配氣機構的工作條件發生巨大的變化，由原先的低接觸應力、穩定負荷和低摩擦變為高接觸應力、不穩定負荷和劇烈摩擦，這種惡劣的工況在缸內直噴渦輪增壓發動機內更為常見，而凸輪-挺柱摩擦副作為配氣機構的核心部件，其摩擦與潤滑特性會對配氣機構及整個發動機的磨損產生重要影響。

近年來，眾多學者對發動機配氣機構做了大量的研究，劉芳等[1]基于配氣機構的運動學原理構建了一種雙氣門配氣機構布置方法，并通過動力學測試對布置方案進行了優化。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化機理。黃旭等[3]在搭載的可變配氣機構的1.5 L渦輪增壓汽油發動機上進行了倒拖試驗，分析研究了執行機構性能、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，根據熱力學計算要求設計了發動機氣門正時系統，并確定了進氣和排氣凸輪型線及相關的氣門機構參數，還進行氣門機構運動學分析。王劍[5]針對柴油機配氣機構展開研究，從理論上計算了凸輪在工作過程中的磨損量，從配氣機構的氣門位移及凸輪型線的豐滿系數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行了預測。

國內外學者對發動機配氣機構做的試驗研究，大多是針對配氣機構的結構形式、凸輪的型線優化及凸輪-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油樣，通過發動機摩擦力矩試驗，研究了不同配方潤滑油對凸輪機構摩擦特性的影響。

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構中的主要受力部位，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生周期性變化的載荷，二者之間的應力往往是周期性變化的大交變應力。凸輪-挺柱摩擦副屬于高副機構，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高壓應力，凸輪的特殊型線變化及挺柱內部彈簧彈力的非線性變化均使得接觸面產生的高壓應力產生不穩定傳導，因此在凸輪與挺柱之間極易發生接觸疲勞和磨損。

從磨損機理上來講，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磨損或疲勞失效，都會嚴重地惡化凸輪-挺柱摩擦副的幾何精度和傳動精度，并且會給配氣機構中其他相關零件之間的運動及應力傳導帶來負面作用，而且該負面影響可能會呈指數型曲線增長，從而影響導配氣機構的正常運行乃至整個發動機的正常工作。

1.2 凸輪-挺柱潤滑狀態分析

凸輪-挺柱摩擦副會因為摩擦造成大量的能量損失，這些損失的能量大多轉化為熱能，導致局部接觸溫度的升高，不僅會降低發動機的工作效率，而且熱量的積累會促進凸輪-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，并且能在油品循環過程中帶走局部產生的熱量，防止配氣機構的局部熱量積累導致的結構失效。

在凸輪-挺桿摩擦副中，潤滑油的潤滑狀態主要受凸輪轉速和接觸應力的影響，凸輪轉速的增大會使潤滑油膜厚度增大，從而使凸輪-挺柱摩擦副的潤滑條件得以改善，但過大的凸輪轉速會在接觸區產生大量熱量，當熱量過高時容易引起熱量積聚和潤滑油膜的破裂，因此凸輪轉速應該設置在合理的區間范圍內。接觸應力的大小直接影響凸輪與挺柱之間的油膜厚度，高接觸應力不僅會使潤滑油膜厚度減小甚至破裂造成擦傷，而且高載荷的循環應力更容易促使接觸表面裂紋的萌生及擴張，從而導致接觸表面剝落失效，對接觸副的疲勞壽命產生了負面影響。在邊界潤滑狀態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，在這種極壓狀態下很容易產生摩擦副基體間的直接接觸，在潤滑油中加入摩擦改進劑可以很好地改善極壓狀態下的潤滑狀態，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 試驗方案

2.1 試驗油樣

試驗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行分析，考慮到潤滑油的成本及基礎油性能差別對試驗結果的影響，所有的油樣基礎油均采用加氫裂解油。

4款試驗油樣的基本理化特性見表1，其中1#原廠油為參比油，2#～4#油樣為試驗油。4款試驗油樣中共包含兩種黏度級別，分別為5W-30和0W-20。1#SM 5W30機油黏度最高，黏度指數較低，2#試驗油為低黏化試驗油，3#為FM（摩擦改進劑）試驗油，4#為VII（黏度指數改進劑）試驗油。

2.2 試驗設備與流程

試驗用發動機為某車企目標車型所搭載的發動機，該款發動機的主要技術參數見表2。

試驗流程：受到發動機固有結構的限制，無法直接測量凸輪機構的摩擦力矩，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：第一步進行發動機整機的摩擦力矩試驗，為探究溫度對凸輪機構潤滑特性的影響，分別將油溫控制在30 ℃、50 ℃、70 ℃和90 ℃ 4個等級，然后通過改變機油的類型，獲得不同配方機油在4個溫度等級潤滑下的發動機總摩擦力矩M1;第二步拆除發動機的凸輪機構，再進行發動機摩擦力矩試驗，與第一步相同更換不同配方的機油，并控制溫度在相應的4個等級，從而獲得去除凸輪機構的不同配方機油在4個溫度等級潤滑下的發動機摩擦力矩M2，用發動機總摩擦力矩減去拆除凸輪機構后的摩擦力矩，從而得到不同配方機油在4個溫度等級潤滑下的凸輪機構的摩擦力矩M=M1-M2。

3 試驗結果分析

圖1、圖2、圖3和圖4分別為4款油樣下的凸輪機構摩擦力矩試驗結果。

從這些圖中可以看出，在轉速一定時凸輪機構摩擦力矩隨溫度的升高而增大，除了3#FM試驗油，其他兩款試驗油的凸輪機構摩擦力矩隨轉速的總體變化趨勢與1#參比油基本相同，表現為先降低后升高，在機油溫度大于30 ℃時，摩擦力矩最小值出現在轉速為2 500 r/min附近，而3#FM試驗油的凸輪機構摩擦力矩總體上隨轉速的增加而增大。

根據《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型試驗用測試循環為全球輕型車統一測試循環（WLTC）、該循環由低速段（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，然后根據運行時間的不同，將4個平均摩擦力矩按4∶3∶3∶2的比例進行加權平均得到加權平均摩擦力矩，從而得出4款油樣的加權平均摩擦力矩，結果對比如圖3、圖4、圖5所示，圖中箭頭表示試驗油相較于參比油的凸輪機構摩擦力矩降低的百分比。

由圖5可以看出，3款試驗油的凸輪機構摩擦力矩相比于參比油均有所減小，但程度不同，其中3#FM試驗油的改善效果最為明顯，達到11.8%，2#低黏化試驗油和4#VII試驗油的改善效果均小于5%，由此可見降低機油黏度和加入黏度指數改進劑的優化對凸輪機構的摩擦磨損有一定改善，但效果不是特別明顯，而加入摩擦改進劑對凸輪機構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為邊界潤滑，此時機油的黏度對摩擦的影響較小，而摩擦改進劑能夠在極壓狀態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下的摩擦特性，降低了凸輪機構的摩擦力矩。

4 結語

（1）轉速一定時凸輪機構的摩擦力矩隨機油溫度的升高而增大;機油溫度一定時凸輪機構的摩擦力矩隨轉速的升高先減小后增大，最小值出現在2 500 r/min附近，在機油中加入摩擦改進劑后凸輪機構的摩擦力矩隨轉速的升高而增大。

（2）降低機油黏度和加入黏度指數改進劑對凸輪機構的加權平均摩擦力矩降低效果不是特別明顯，而加入摩擦改進劑對凸輪機構的加權平均摩擦力矩有較好的改善效果，其原因可能是摩擦改進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，從而改善了凸輪機構的摩擦磨損特性。

參 考 文 獻

[1]劉芳，楊連亞.雙氣門配氣機構布置方法的應用與測試研究[J].機械工程師，2021（7）：61-64.

[2]馬夢陽.發動機配氣機構凸輪-挺柱接觸副材料表面超聲滾壓強化與疲勞行為研究[D].廣州：華南理工大學，2020.

[3]黃旭，李沖霄，尹琪.某小排量發動機可變配氣機構試驗研究[J].汽車與新動力，2020，3（2）：87-90.

[4]宋秀英，黃磊，陳超，等.發動機配氣機構仿真分析[J].內燃機與配件，2019（16）：59-61.

[5]王劍.凸輪磨損對配氣機構動態性能的影響研究[D].北京：北京理工大學，2017.

[6]湯以品.發動機配氣機構復合涂層摩擦學性能研究[D].濟南：濟南大學，2016.