摘要:內(nèi)燃機(jī)缸套-活塞環(huán)摩擦副是一個(gè)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(rùn)滑、摩擦、磨損的相互作用十分顯著。其摩擦學(xué)性能對(duì)提高內(nèi)燃機(jī)的可靠性和耐久性，保證內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)、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(diǎn)之一。
　　關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)　缸套　活塞環(huán)　摩擦學(xué)研究
　　內(nèi)燃機(jī)中缸套-活塞環(huán)摩擦副對(duì)內(nèi)燃機(jī)工作性能(動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)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(duì)摩擦副的摩擦學(xué)行為是人們魂系夢(mèng)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(fù)荷工作狀態(tài)。為了解決好這對(duì)摩擦副的潤(rùn)滑和抗磨問題，國(guó)內(nèi)外許多汽車工程技術(shù)人員，長(zhǎng)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(duì)缸套-活塞環(huán)的摩擦學(xué)研究主要是求內(nèi)燃機(jī)的摩擦功耗，自Stanton,T.E.1925年發(fā)表第一個(gè)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(rùn)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(gè)內(nèi)燃機(jī)機(jī)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(jī)以1600r/min轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，活塞連桿系統(tǒng)的損失占機(jī)械損失的58％，并指出“對(duì)所有內(nèi)燃機(jī)來說，活塞連桿系統(tǒng)的摩擦功耗是機(jī)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。”最早在點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)上進(jìn)行摩擦力測(cè)量的是美國(guó)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(rùn)滑油對(duì)摩擦力的影響以及在混合潤(rùn)滑區(qū)內(nèi)減摩添加劑的作用。Wakuri,Y.等人通過對(duì)摩擦力的測(cè)量和分析，指出貧油對(duì)摩擦力有巨大的影響，同時(shí)還探討了環(huán)組中活塞環(huán)的數(shù)目對(duì)摩擦力的影響以及缸套-活塞環(huán)間油膜厚度隨潤(rùn)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(xiàn)，他們于70年代末期研制的可動(dòng)缸測(cè)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(cè)得了在整個(gè)內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)中的摩擦力變化過程，提出了內(nèi)燃機(jī)載荷主要由流體潤(rùn)滑膜承擔(dān)，而摩擦力主要受混合潤(rùn)滑區(qū)域影響的論斷，這一點(diǎn)已被后來進(jìn)一步的理論研究所證實(shí)。
　　Riches,M.F.等人側(cè)重于混合潤(rùn)滑效應(yīng)，從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)缸套-活塞環(huán)間的摩擦力進(jìn)行了研究，指出在低速及低粘條件下充分考慮混合潤(rùn)滑作用的重要性?；钊h(huán)的摩擦影響著內(nèi)燃機(jī)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(duì)高性能內(nèi)燃機(jī)提出要求之一就是延長(zhǎng)不解體檢測(cè)的運(yùn)行時(shí)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(shí)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(duì)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(jī)理，提出了一些改善措施，指出了需要加強(qiáng)研究的問題?；贏rchard,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(jì)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(guó)內(nèi)的桂長(zhǎng)林教授也提出了一種將Archard,J.F.模型用于機(jī)械零件磨損設(shè)計(jì)的算法，并重點(diǎn)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(jì)上沒有建立起一個(gè)可以預(yù)測(cè)缸套-活塞環(huán)耐磨壽命的計(jì)算模型和計(jì)算方法。Baker,A.J.S.等人探討了影響活塞環(huán)擦傷的動(dòng)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(jī)活塞環(huán)工況的方法，此外還探討了載荷因素對(duì)缸套磨損的影響，并對(duì)磨損進(jìn)行了測(cè)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(rùn)滑放在一個(gè)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(gè)同時(shí)考慮邊界潤(rùn)滑條件下的磨損與三體磨粒磨損的綜合分析模型，對(duì)磨粒尺寸、磨粒濃度對(duì)磨損的影響做了定量的計(jì)算。劉琨以內(nèi)燃機(jī)活塞系統(tǒng)為研究對(duì)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(jìn)行高性能的內(nèi)燃機(jī)活塞系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。桂長(zhǎng)林等人從缸套的磨合、耐磨性、摩擦功耗和機(jī)油消耗諸方面對(duì)設(shè)計(jì)上需要確定的表面形貌進(jìn)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(diǎn)處最大，盡管在沖程中部是流體潤(rùn)滑，但也是磨損存在，這就為磨損提出了新課題，促進(jìn)人們進(jìn)一步的研究。潤(rùn)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(rùn)滑也是長(zhǎng)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(duì)缸套-活塞環(huán)流體潤(rùn)滑進(jìn)行了計(jì)算，證實(shí)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(shí)，必須考慮擠壓效應(yīng)，這樣才能在整個(gè)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(diǎn)處為了保證擠壓效應(yīng)，則活