了解发动机摩擦学 - 执行活塞环与气缸套的互动的往复测试

对活塞环和气缸套之间相互作用的摩擦学评估是了解发动机摩擦学的关键一步。这种测试有助于汽车制造商遵守汽车排放、燃油效率、安全性和耐久性方面的严格规范。

传统上，这种类型的测试是针对特定发动机开发的，并且获得的结果与另一个测试没有比较。然而，通过高速往复运动，机械测试技术已经到达了现在可以对气缸衬里和活塞环摩擦性能进行标准测试的阶段。

这可以帮助润滑油制造商、材料科学家和全球汽车工程师开发具有成本效益的润滑油和卓亚博网站下载越的发动机部件。

引擎摩擦学

内燃机中各种机器部件的摩擦和磨损研究迅速增长，这是对汽车行业燃料效率，排放，安全和一般汽车耐用性的不断增长的严格规范的直接反应。

尤其值得一提的是，发动机摩擦学研究在过去10年里发生了不可思议的变化，活塞总成、气门机构组件和内部轴承受到了相当大的关注，因为它们是汽车发动机的关键摩擦部件。

其中，活塞组件有助于最多的摩擦力和占标准发动机中总摩擦损失的近45％。¹如果这种摩擦损失减少，发动机的制动热效率可以大大提高。

为了提高发动机性能，采取了相当大的努力来研究活塞环与气缸套的相互作用的摩擦学特性。与发动机轴承不同，气缸衬套和活塞环的机构在操作循环上需要各种服务速度变化。

活塞环的速度在行程的两端在底部死点（BDC）和顶死中心（TDC）处有效地为零。这种情况几乎不提供润滑剂进入接触的机会。结果，边界润滑制度在BDC和TDC中更相关。

然而，流体膜润滑或流体动力学条件在中风中占有平，其中速度最高。靠近死亡中心，在速度低，润滑和挤压膜润滑的弹性流体动力学条件有望在发动机摩擦学中具有更大的作用。基本上，发动机摩擦学包括所有润滑的制度。

活塞环总成的摩擦学试验本身就很复杂。例如，采用浮动衬套来研究活塞环的摩擦特性²，但是这种面向应用程序的测试fixture需要针对每种类型的发动机进行单独的设计。

这些独特的测试台不仅昂贵，而且无法容纳标准测试标本。此外，从这种专门设计的测试方法获得的数据存在有限的应用范围。因此，这些数据没有普遍适用性，不能从一个测试中有效地比较另一个测试。

现在，技术已经发展到标准测试^3.可以在汽缸衬套和活塞环上进行。目前可用的最先进的机械测试仪可以配置为这些测试，并且它们还可以将结果与另一个测试的结果进行比较。

除了有助于改进的发动机部件之外，还可以采用这种比较测试来开发成本效益的发动机润滑剂并进行这些油的质量控制。对于本文中描述的比较研究，a城市轨道交通TriboLab™(Bruker Nano Surfaces, San Jose, California)被用来进行高速往复试验。根据ASTM G181文件，测试和记录了活塞环对气缸套段的摩擦学特性^3.，具有不同组合的测试参数，例如频率，负载和润滑条件中的中风。

执行活塞环测试

为了测量摩擦力（FX），在正常负载（FZ）下用往复运动测试活塞环。UMT TribeLab具有对正常负载的伺服控制，并且可以测量并记录多个测试参数，例如FZ，FX和行程位置（LVDT）的时间。

图1描绘了lvdt、Fx和摩擦系数(COF)在往复试验的四个连续周期内随时间变化的代表性图。为了获得这一数据，活塞环测试在频率为10 Hz、正常负载为200 N的情况下进行。

lvdt图显示，该试验是在25毫米的行程长度上进行的。在某种程度上，Fx图模拟了每半个周期内下止点和上止点位置运动方向的变化。由于高速下润滑条件的变化，在冲程中段COF降低，而由于普遍存在的边界润滑机制，Fx在死点处最高。

COF是根据Fx和Fz的绝对值自动计算出来的。死点处的静态COF约为0.11，平均COF约为0.06。

图1。在正常载荷为200n的润滑状态下，对气缸套段上的活塞环进行测试，得到摩擦力(Fx)、行程位置(lvdt)和摩擦系数(COF)随时间的函数。

在发动机测试中增加和减少负载循环期间的标准负载曲线^3.如图2所示。使用高速往复驱动，测试是在频率为10 Hz、行程长度为25 mm的步进负载剖面之后进行的。

从各恒定负荷步长开始，分别采集负荷增加周期和减少周期的COF数据(表1)。随着正常负荷的增加，COF数据呈增加趋势。这种摩擦行为是由于润滑机制向混合区域或边界区域的变化，在更高的负载，COF可能更高。

由表1可以看出，在相同的恒负荷阶次下，负荷循环次数的增加与减少之间，COF存在一定的偏移。COF的这种偏移很可能是由于测试前活塞环的磨合不足，如ASTM标准所建议的。^3.

图2。正常负载轮廓（FZ）作为发动机测试的时间的函数。

表1。在增加和减少加载周期期间各种负载的COF值

负载	咖啡
	FZ N.
	20.	40.	60	80	100.	120.	140.	160.	180	200
越来越多	0.053	0.056	0.055	0.055	0.058	0.060	0.063	0.065	0.069	0.071
减少	0.055	0.059	0.061	0.062	0.064	0.065	0.066	0.069	0.071	0.071

为了确定比较的表面粗糙度参数，采用了Bruker ContourGT^®利用光学轮廓仪对发动机试验前后的活塞环段表面形貌进行了评价。试验前后活塞环表面的代表性形貌如图3和图4所示。

图3。用Bruker Contouggt干涉仪获得发动机测试前活塞环的表面拓扑表。

图4。采用Bruker ContourGT干涉仪获得发动机试验后活塞环表面形貌图。

表面参数，包括均方根高度（s_问：)，算术平均高度(S_一种)、最小谷深(S_V.），最大峰到谷高度（s_Z.）和最大峰值高度（s_P.），用干涉素分析器获得（表2）。

发现参数s_一种,年代_P.,年代_问：,年代_V.,年代_Z.在测试后下降了。这可能是由于活塞环实际发动机测试前的初始磨合步骤，这可能通过减少表面粗糙度使原始表面更光滑。

表面粗糙度高度的这种降低也可以归因于死亡中心的边界润滑条件，其中活塞环与汽缸衬套段的直接粗糙接触。

表2。发动机测试前后活塞环的表面参数

表面	表面参数,µm
	S.一种	S.问：	S.P.	S.V.	S.Z.= |S.P.-V.|
在测试之前	0.205	0.249	0.821	-1.176.	1.997
测试后	0.123	0.157	0.746	-0.688	1.434.

往复测试结果可以在不同的汽缸衬里，活塞环和润滑剂材料中进行比较。亚博网站下载这些研究可用于评估圆柱衬垫和活塞环段的摩擦学特性，跨越发动机类型。

它们还可以用于开发和测试发动机部件的新材料，并帮助开发更具成本效益和效率的润滑油。亚博网站下载

结论

发动机摩擦学在内燃机各种机械元件的研究、开发和质量控制中起着关键作用。由于活塞组件是发动机摩擦损失的最大贡献者，因此，在有润滑油的情况下，对气缸套和活塞环组件进行摩擦学评估被认为是提高汽车能效的最有益活动。

来自Bruker的UMT Triceolab测试系统可以执行这些摩擦学评估，以帮助润滑油制造商，材料科学家和汽车工程师实现他们的排放，燃油效率和耐用性目标。亚博网站下载

关于城市轨道交通TriboLab

Bruker的UMT Tribeolab系统建于公司历史悠久的通用机械测试（UMT）平台及其精确控制速度，负载和定位。TribeLab具有模块化设计，可确保灵活性，以实现各种行程长度，速度，力和温度测试能力。

在几乎任何摩擦学测试中，都可以很容易地对UMT TriboLab进行重新配置，通常只需几分钟。由于集成了“智能”硬件和软件接口，如TriboID™和TriboScript™，该仪器具有多用途、用户友好和高生产率。

TriboID可以自动检测到与主系统相连的大量组件，并对其进行配置以使其正常运行。TriboScript提供了一个安全的和增强的脚本界面，使已经创建的测试块的测试序列易于编译。配备实时控制和数据分析软件，TriboLab系统确保了最高的精度和重复性。

参考

1.213.张国平，发动机的摩擦学研究，北京:清华大学出版社，1993年。亚博老虎机网登录

2.21.张国强，张国平，张国平，活塞式发动机活塞环摩擦特性研究，润滑与密封，6(1)(1993)。亚博老虎机网登录

3.ASTM G181-11，在润滑条件下进行活塞环和气缸套材料摩擦试验的标准试验方法，ASTM国际，West Conshohocken, PA, 2011, www.astm.org。亚博网站下载

此信息已采购，审查和调整Bruker纳米表面提供的材料。亚博网站下载

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