摘要:內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)摩擦副是一個典型的摩擦學(xué)系統(tǒng)，其中含有多種類型的摩擦和磨損，潤滑、摩擦、磨損的相互作用十分顯著。其摩擦學(xué)性能對提高內(nèi)燃機的可靠性和耐久性，保證內(nèi)燃機經(jīng)濟、可靠地工作具有決定性的作用。其摩擦學(xué)問題的研究一直是人們關(guān)注的熱點之一。
　　關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機　缸套　活塞環(huán)　摩擦學(xué)研究
　　內(nèi)燃機中缸套-活塞環(huán)摩擦副對內(nèi)燃機工作性能(動力性、經(jīng)濟性以及穩(wěn)定性等)和使用壽命有著舉足輕重的影響。如何控制好這對摩擦副的摩擦學(xué)行為是人們魂系夢牽的事情。由于缸套-活塞環(huán)摩擦副的工作條件十分苛刻，經(jīng)常處于高溫、高壓和高沖擊負荷工作狀態(tài)。為了解決好這對摩擦副的潤滑和抗磨問題，國內(nèi)外許多汽車工程技術(shù)人員，長期以來孜孜以求地投入了大量的研究工作，至今仍在探索。
　　1　缸套-活塞環(huán)摩擦學(xué)理論研究概述
　　從缸套-活塞環(huán)研究的歷史上看，早期對缸套-活塞環(huán)的摩擦學(xué)研究主要是求內(nèi)燃機的摩擦功耗，自Stanton,T.E.1925年發(fā)表第一個摩擦力研究結(jié)果以來，人們圍繞著缸套-活塞環(huán)的摩擦及潤滑問題做了許多工作，Rogowki,A.R.指出活塞連桿系統(tǒng)的摩擦功耗可占到整個內(nèi)燃機機械損失的75％，而缸套-活塞環(huán)的摩擦功耗又占活塞連桿系統(tǒng)的75％，Ricardo,H.的研究表明當(dāng)內(nèi)燃機以1600r/min轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，活塞連桿系統(tǒng)的損失占機械損失的58％，并指出“對所有內(nèi)燃機來說，活塞連桿系統(tǒng)的摩擦功耗是機械損耗的最大組成部分，但又是最難準(zhǔn)確地定量描述的部分?！弊钤缭邳c火內(nèi)燃機上進行摩擦力測量的是美國麻省理工學(xué)院的學(xué)者們，他們通過研究得出了摩擦力隨氣體壓力升高略有增加的結(jié)論。Farobarros,A.T Dyson,A.研究了不同粘度潤滑油對摩擦力的影響以及在混合潤滑區(qū)內(nèi)減摩添加劑的作用。Wakuri,Y.等人通過對摩擦力的測量和分析，指出貧油對摩擦力有巨大的影響，同時還探討了環(huán)組中活塞環(huán)的數(shù)目對摩擦力的影響以及缸套-活塞環(huán)間油膜厚度隨潤滑油粘度的變化。Furuhama,s.等人在缸套-活塞環(huán)摩擦學(xué)特性研究作出了巨大的貢獻，他們于70年代末期研制的可動缸測量摩擦力裝置，有效地克服了慣性力、氣體壓力等因素的影響，測得了在整個內(nèi)燃機工作循環(huán)中的摩擦力變化過程，提出了內(nèi)燃機載荷主要由流體潤滑膜承擔(dān)，而摩擦力主要受混合潤滑區(qū)域影響的論斷，這一點已被后來進一步的理論研究所證實。
　　Riches,M.F.等人側(cè)重于混合潤滑效應(yīng)，從理論和實驗兩方面對缸套-活塞環(huán)間的摩擦力進行了研究，指出在低速及低粘條件下充分考慮混合潤滑作用的重要性。活塞環(huán)的摩擦影響著內(nèi)燃機的效率，而缸套-活塞環(huán)的磨損則影響著它們的使用壽命，近年來，對高性能內(nèi)燃機提出要求之一就是延長不解體檢測的運行時間。為此，減少缸套-活塞環(huán)的磨損就成了首要的任務(wù)。缸套-活塞環(huán)的磨損是非常復(fù)雜的，它受到許多因素的影響，同時其磨損又包含粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損等多種磨損形式。針對這種情況,Nealc,M.J.經(jīng)過廣泛調(diào)查，于1970年發(fā)表文章闡述了缸套-活塞環(huán)一般的磨損機理，提出了一些改善措施，指出了需要加強研究的問題。基于Archard,J.F.磨損定律，Ting,L.L.等人提出了一種分析缸套-活塞環(huán)磨損的模型，分別計算了缸套上推力面和次推力面的磨損，得出了缸套磨損曲線。國內(nèi)的桂長林教授也提出了一種將Archard,J.F.模型用于機械零件磨損設(shè)計的算法，并重點分析了缸套-活塞環(huán)的磨損問題。該文指出了缸套-活塞環(huán)的磨損問題的研究成效不顯著的原因，主要是在設(shè)計上沒有建立起一個可以預(yù)測缸套-活塞環(huán)耐磨壽命的計算模型和計算方法。Baker,A.J.S.等人探討了影響活塞環(huán)擦傷的動力學(xué)因素，提出了一種用無量綱臨界功能法分析內(nèi)燃機活塞環(huán)工況的方法，此外還探討了載荷因素對缸套磨損的影響，并對磨損進行了測量。此外，孔凌嘉較全面地討論了缸套-活塞環(huán)的磨損問題，并第一次把磨損和潤滑放在一個模型中加以研究，并考察了它們之間的偶合關(guān)系，建立了一個同時考慮邊界潤滑條件下的磨損與三體磨粒磨損的綜合分析模型，對磨粒尺寸、磨粒濃度對磨損的影響做了定量的計算。劉琨以內(nèi)燃機活塞系統(tǒng)為研究對象，較系統(tǒng)地研究了缸套-活塞環(huán)、缸套-活塞裙部的摩擦學(xué)特性，為進行高性能的內(nèi)燃機活塞系統(tǒng)設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。桂長林等人從缸套的磨合、耐磨性、摩擦功耗和機油消耗諸方面對設(shè)計上需要確定的表面形貌進行了探討，給出一些參數(shù)組合。缸套-活塞環(huán)間的磨損在上、下止(死)點處最大，盡管在沖程中部是流體潤滑，但也是磨損存在，這就為磨損提出了新課題，促進人們進一步的研究。潤滑是降低摩擦、減少磨損的重要途徑，因此缸套-活塞環(huán)的潤滑也是長期以來人們所致力研究的領(lǐng)域。Castleman,R.A.假定在沖程中部具有典型的載荷和速度，最先對缸套-活塞環(huán)流體潤滑進行了計算，證實了表面外凸的活塞環(huán)可以與缸套間產(chǎn)生足夠厚的油膜。后來人們又發(fā)現(xiàn)，在分析和求解油膜厚度時，必須考慮擠壓效應(yīng)，這樣才能在整個循環(huán)中求解。分析表明，活塞環(huán)的曲率半徑是影響油膜形成的關(guān)鍵因素。在上、下止點處為了保證擠壓效應(yīng)，則活