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缸套表面纹理对活塞环-缸套摩擦副摩擦学性能的改善作用
Wieslaw Grabona, Waldemar Koszelaa, Pawel Pawlusa.n, Slawomir Ochwatb
a Rzeszow University of Technology, Rzeszow, Poland
b WSK-PZL Rzeszow S.A., Rzeszow, Poland
摘要：实验在往复式试验机上进行。润滑剂被供应到接触区的入口侧。摩擦磨损试验机的结构允许测量试样与反试样之间的摩擦力。比较了有油腔和无油腔缸套的摩擦学性能。试样从由灰口铸铁制成的高原珩磨缸套上切下。从灰口铸铁活塞环上切取反试样。用一种特殊的工具充当锤子作用，在衬里表面上形成额外的凹坑。油囊的面积密度约为13 %。试样表面具有平均深度约5 mu; 、直径在0.15-0.2 mm范围内的凹坑。在全润滑和欠润滑条件下进行了两批摩擦学试验。摩擦试验在三种平均滑动速度下进行: 0.44、0.66和0.88 m / s。试验在50验在 m /的正常载荷下进行，从最低载荷开始。正常负荷在每次负荷2分钟后逐步增加，直到达到最大负荷。用白光干涉仪测量了两批试验前后试样和反试样的表面形貌。
关键词：摩擦力；表面纹理；气缸套；表面形貌
收稿日期：2012年5月26日
1.引言
因为缸套表面对摩擦损失、油耗和发动机排放的影响很大，所以通常对缸套表面进行分析。因此，将表面织构的定量表征应用于生产过程控制中。发动机缸套的最佳表面纹理应确保快速磨合、最小摩擦、低油耗和良好的发动机运行参数以有效功率和单一燃油消耗为单位[1-8]。然而，缸套表面处理对环包性能的总体影响尚未得到解释。
表面纹理化是一种可以提高材料的承载能力、耐磨性、摩擦系数等的表面工程的选择。凹坑(微凹坑、孔、油囊或空腔)可以在完全润滑或混合润滑的情况下用作微流体动力轴承，在缺乏润滑的情况下用作润滑剂的微储存器，或者在润滑或干滑动中用作磨损碎屑的微捕集器[9、10]。发现接触元件的表面纹理化与未纹理化的表面相比显著减小了摩擦力。观察到表面纹理化扩大了流体动力润滑方法的范围[11-13]。利用多种实验装置研究了表面纹理对滑动元件抗咬合性能的影响。织构样品的寿命明显长于无织构参考样品[14参17]。
表面纹理也应用于缸套表面。凹陷的存在引入了导致较小摩擦系数的油储藏[18]。托马尼克[19]在往复式试验机中发现，3 mm长的油囊摩擦系数较小。激光纹理化表面显示出比通过常规珩磨制造的表面更小的摩擦。与传统的珩磨结构相比，激光纹理的引入带来更小的发动机机油消耗[20]。Refs还证实了凹坑的存在对降低油耗的有利作用[21、22]。缸套与活塞环共同作用。将激光表面纹理化应用于活塞环表面的益处在理论和实验上得到了证明[23、24]。实验研究[24]的结果显示，在润滑条件下，通过环表面纹理化与未纹理化的环相比，摩擦力减小约30 %。
各种技术可用于表面纹理化，包括机械加工、离子束纹理化、刻蚀技术和激光纹理化。激光纹理似乎是最受欢迎的。抛光技术也会可以选择的。末端用作锤子以在表面上制造凹痕。可以找到抛光表面纹理对滑动副摩擦学性能的积极影响的信息[17，25]。
这次实验的基本目的是通过实验研究通过抛光技术产生油囊来改善珩磨缸套表面摩擦学性能的可能性。
2.实验细节
实验在往复试验机上进行（见图1）。摩擦系统由固定样品组成(对试样)由活塞环按要求压制而成对由缸套零件(样品)制成的样品加载进行往复运动。旋转运动被曲轴组件改变为往复运动。从电动机通过传动比为1∶2的V带传动装置的驱动被传递到曲轴。曲柄半径为45毫米，因此其行程为90毫米，本机配有摩擦力传感器( S2型)范围为100 n的热色调文件和供油系统。测量放大器星形架8-4.8 kHz直流热调频率为用过。用热分析仪连续测量油的温度具有精度B和测量范围200到700 1C的仪表PT100。SAE 40油超数(粘度指数91，API等级CB )为使用的润滑剂。应在非增压柴油机上使用轻载和中等载条件下的发动机。
为了速度调节，使用了由TAMEL公司制造的三相感应转子变频器收缩器，转速可高达2850转/分钟。tribologic钻机的构造允许容易地更换操作参数(法向力、滑动速度)。在制作缸套的细节与活塞环的细节间做了特殊的调整为了他们能更容易的共同运转。环形样品铰接在一个心轴的块-窝接头上。这结构允许紧密接触的缸套活塞环在往复运动过程中的取样。
摩擦力测量结果使用实验室测量系统记录。这机器之前的版本结构详见参考文献[26]。经修改后的构造如图1所示结构法向力应用程序已更改。
在两种类型的测试之前，都在全流体润滑条件下磨合。磨合条件以便消除不良的影响，例如计数器上堆积的纹理样本的划痕标本。滑动速度为0.44 m/s，正常载荷为50N，磨合时间为5分钟。
图一：摩擦学试验机及其最重要的标志零件视图
随后进行了两批摩擦学试验各在润滑充分和不充分在进行。在充分润滑的情况下润滑油被供应到连接区域侧入口处；润滑频率为0.055times;10-3 dm3/ min；在实验期间油滴输送之间的测试时间间隔相同(15秒)。在缺乏润滑的情况下，实验开始时仅给距离气缸样品末端20mm处的测试组件供应了两个油滴，之后润滑剂不再供应(油量为0.027times;10-3 dm3)。为消除额外因素的影响不加热润滑油。
摩擦实验在三个平匀的滑动速度下进行：0.44、0.66和0.88 m/s。相比较而言低滑动速度的选择是为了达到测试组件的艰难运行条件。实验在50-300 N正常负载下进行的，从最小负载开始。正常负荷范围内在每次负荷增加后2分钟逐步增加，直到达到最大负荷。实验重复两次。
缸套样品的磨损在原始表面形貌限制内，故局部磨损量难以确定。因此利用白光干涉轮廓仪CCI Lite (高度分辨率为0.01 nm )测量由于磨损导致的表面形貌改变。测量在摩擦试验前后进行。测量面积为3.3 mmtimes;3.3 mm(采样间隔在垂直方向为3.3 mu;m)。为了测量气缸套表面在完全相同的位置重新定位方法(详见[26] )。选定区域的变化以ISO 21298的标准进行表面形貌参数分析。此外，参数来自Sk等人的了研究[27]。
试样取自硬度218磅灰铸铁缸套。这种材料通常应用于重型商用车辆的柴油发动机。钻孔之后，将金刚石珩棒运用到粗珩的加工中，得到了平顶珩磨的表面。然后使用陶瓷粘合剂棒将缸套粗磨和平磨。一种特别为珩磨工艺设计珩磨油(HON 15)允许在加工过程中流入珩磨区。在平台珩磨之后，凹坑是用脉冲燃烧产生的。在这项技术中，特点是末端作为锤子在缸套表面形成凹坑。油囊的面积密度大约是13 %。试样表面凹坑平均深度约5 mm，直径为0.15 mm至0.2 mm。
表一：组织和无组织表面分析参数选组范围
比较了织构化样品和平顶珩磨过标本的性能。本文对平磨气缸表面被进一步描述为无结构尽管包含珩磨谷。表1列出了组织和无组织表面分析的选择参数的范围。从该表可以明显看出，结构化表面的高度参数：高度偏差均方根Sq，最大峰值高度Sp，最大谷深Sv，核心粗糙度深度Sk，减小峰值高度Spk和减小的谷深Svk都要高于无结构化表面。很多表征峰表面部分的参数值偏高是由于抛光引起的堆积而造成的。堆积高度大约上升了2mm。堆积体由Spk参数值很好地表征出。对两种试样表面类型通过负偏度Ssk和高峰度Sku表征。纹理化表面的空间参数Sal比未纹理化表面的空间参数Sal高得多。这是纹理表面上存在大直径油囊的结果。因为这个原因织构化表面是各向同性的(Str=0.67–0.87)，但未织构化各向异性(Str=0.02–0.03)。Str纹理参数用于描述粗糙表面的各向同性水平；比率为1表示表面完全各向同性。气缸表面的两种材料配比Sr2相似。油容量sa2也示于表1中。它等于0.005 Svk(100-sr2)。织构化表面Sa2的含油量比无织构化表面高1.5倍左右。
3 .结果和讨论
图2a示出有效摩擦系数mu;与全润滑状态下不同滑动速度的法向力图。图2b示出了非全润滑润滑条件的类似曲线图功能。摩擦系数计算为摩擦力为法向力。稳定最大值mu;为相同加载的总时间(2分钟)表示。表2和表3分别地给出了满润滑和缺润滑条件下的各种滑动速度时摩擦力的相对分布和正常载荷。两个测试之间重复的相对分布被定义为摩擦力差的比率与它平均值的差值。这些散射体分布也在图2中示出。
图二：在全润滑(a)和缺乏润滑(b)条件下不同滑动速度的有效摩擦因素mu;的法向力P
表2：全润滑条件下摩擦力的相对分布(%)
表3：缺乏润滑条件下摩擦力的相对分布(%)
从图2a可以明显看出全润滑条件下利用抛光技术产生的凹坑显著降低了摩擦阻力。对于所有滑动速度这种影响都是见的的，但与高速下由表面纹理影响而有效摩擦值偏大不同。在这种情况下，表面纹理导致大约两次mu;的减少，对于纹理化和非纹理化的样品滑动速度增加都将导致抗摩擦力降低。当最小速度正常负载增加时有效摩擦系数减少。但当速度较高时未纹理化和纹理化的样品滑动副有效摩擦因数变化的特点不一样。在第一种情况下，与最小滑动速度条件相似，随着正常负载的增加摩擦系数减小。对于纹理化缸套，速度为0.66 m/s和0.88 m/s时，在载荷变化过程中摩擦系数的变化较小，当正常载荷增大mu;减小时，获得最小值，然后增大。对于最小滑动速度，与此不同，在最大负载下具有纹理和未纹理缸套样品的组件的摩擦系数值最高，但在最低载荷下速度较高。
对于纹理化和未纹理化的样品，摩擦力散射(见表2)对于最小载荷时是最高的而与滑动速度无关。由于具有无纹理和纹理缸套的滑动副之间的摩擦力差异较大，因此在本研究中使用的所有滑动速度和载荷下，摩擦系数值的范围不会重叠。
从图2b的分析可以看出，在缺乏润滑的情况下，气缸套表面纹理对改善气缸套-活塞环组件的摩擦性能的影响不如在完全润滑的情况下那么显著。通过抛光产生的额外凹坑仅在最高载荷下引起摩擦系数的降低，从最小载荷下的98.1 N、中间载荷下的196.2 N和最高载荷下的147.15 N开始。与全润滑相似，带纹理气缸样品的滑动副的摩擦系数在中速和最高速度下随负载增加的变化较小。由缸套表面纹理造成的摩擦系数的最大相对减小对于最小和中等速度接近10 %，但是对于最高速度大约15 %。滑动速度的增加导致摩擦系数降低，特别是对于纹理样品。
从表3的分析可以明显看出，对于具有织构试样的组件，在缺乏润滑条件下摩擦力的散布小于在全润滑条件下的散布。因此，当法向力大于98.1 n时，对于使用的最小滑动速度，摩擦力的范围不会重叠。然而，对于较高的滑动速度，只有在最大载荷下，才发现未纹理化和纹理化缸套的滑动副的摩擦系数存在显著差异。
实验期间油温保持恒定（在22℃到25℃之间）。
分析了同一地点地表地形的变化。织构化表面的统计振幅参数Sa和Sq减小。偏度Ssk降低，峰度Sku增加。空间参数Sal增加。最重要的变化是Spk参数的降低通常超过50 %。Sp参数的降低也很大。描述峰值表面部分( Spk和Sp )的振幅参数的大变化是堆积去除的结果。在欠润滑状态下操作时，毛刺比在完全润滑状态下更容易去除。
平磨缸套表面Sq、Sa、Ssk和Sku参数的变化特征与织构表面相似。Sq、Sa和Ssk参数均有所降低，但SKU值有所增加。当磨损在原始表面形貌的限制内时，这种行为对于低磨损过程中的表面变化是典型的。与抛光表面相反，平顶珩磨表面的磨损到达表面核心；Sk参数在磨损过程中降低。
对于这两种类型的表面，谷部部分通过磨损保持不变，但是这个趋势不难发现Svk参数减小，但是变化很小。
图3示出了缺乏润滑状态下纹理表面细节变化的例子，但是图4示出了在完全润滑条件下平顶珩磨表面的变化。
图三：在缺乏润滑条件下操作之后、在( a、c和e )之前以及在测试( b、d和f )之后，纹理化(抛光)表面形貌细节的等高线图(a和b)、材料比曲线(c和d)和选定参数( e和f )
图四：在全流体润滑条件下操作后，在(a、c和e)和测试(b、d和f)之前，未拉伸(平台珩磨)气缸表面形貌的等高线图(a和b)、材料比曲线(c和d)和选定参数(e和f)
试验前，以反试样(活塞环)的Sq参数为特征的表面形貌高度在0.7 - 0.8 mm范围内。与试样表面高度共同作用后，斜率减小。由于磨损，在试件运动方向上形成了新的波谷，但空间参数Sal和Str的变化很小。与试样表面相似，偏度Ssk减小，峰度Sku增大。与纹理试件和未纹理试件共同作用的反试件表面无差异。图5示出了由于磨损引起的对试样表面变化的实例。表面纹理可影响两种不同类型的润滑。某些类型的纹理可有效地产生额外的承载能力。压力在会聚区增大，在发散区减小。由于油中所含气体的释放，发散薄膜区域的压力不能低于空腔压力。因此，会聚薄膜区域中的压力增加可能比发散薄膜区域中的压力下降大得多。这种不对称的压力分布导致附加的负载能力。二次润滑在
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