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一种激光纹理对缸套-活塞环摩擦磨损的研究

Sorin-Cristian Vladescu^1，*, Alessandra Ciniero¹, Khizer Tufail², Arup Gangopadhyay³,Tom Reddyhoff¹

1. Tribology Group, Department of Mechanical Engineering, Imperial College London, South Kensington, Exhibition Road, SW7 2AZ London, United Kingdom；2. Ford Motor Company, Dunton, Essex, United Kingdom；3. Ford Motor Company, Dearborn, MI, United States）

摘要：本文通过对缸套-活塞环摩擦副在往复运动过程中润滑油流动特性的研究，探究空化、贫油，表面纹理以及三者之间相互作用对缸套-活塞环摩擦副的影响，从而提高发动机的性能。在活塞环表面加工一种激光纹理，取活塞环的一部分装载在特定的试验机上，用熔融二氧化硅代替缸套。荧光显微镜通过二氧化硅样品聚焦到接触面中，以便对染色油的分布进行成像。试验中使用了一系列几何形状和方向的纹理，在贫油和充分润滑条件下进行试验，所得试验结果与无纹理活塞环进行对比分析。

在有限供油条件下，无纹理活塞环在往复运动中将润滑油刮向止点（上止点和下止点），导致贫油和摩擦增加。表面纹理的存在，使摩擦副接触面经过纹理时储存和供给润滑油，从而减少贫油和干摩擦现象，数据结果表明表面纹理的存在使润滑油均匀分布在缸套表面并且减少了33%的摩擦。当活塞运行到止点时，空化区域出口变成了贫油进口，所以即使在充分润滑条件下，贫油现象也会出现。本试验研究和文献报道的实际缸套测量到的高磨损区域，依据润滑油粘度的不同，对应的高磨损区域发生在活塞环行程长度的前5%，从而证实了空化经过止点附近出现贫油的现象。由于表面纹理的存在，每个凹槽在活塞行程改变之前将润滑油沉积到空泡区域，从而抵消了这一过程的发生。

荧光光谱数据还提供了不同几何形状纹理控制摩擦作用机理的见解。平行于滑动方向的凹槽连接了高压进口和低压出口，导致油膜塌陷，摩擦增加。垂直于滑动方向的凹槽会在每个凹槽内产生局部的空化，与表面纹理通过“进口”机制将润滑油吸入接触表面的理论相符。

这些发现可以帮助设计纹理，具体表现为如何在实践中使用凹槽来控制油耗的同时，减少往复行程的摩擦和磨损。值得注意的是，上述的润滑油输送机理也应该是由其他类型的压降引起的，例如由多孔涂层产生的压降(前提是它们小于接触面积)。

关键词：激光表面纹理；空化；活塞环；贫油；减摩

1. 背景

1.1缸套-活塞环润滑机理

本研究旨在通过表面纹理的应用来了解和提高汽车缸套-活塞环的表面接触性能。这种接触有四个主要功能：1. 在燃烧室和曲轴箱之间建立一个动态密封。2. 促进缸套和活塞环之间的传热。3. 产生一个低摩擦滑动界面。4. 调整缸套表面的润滑油分布。

发动机的排放与活塞环性能密切有关，主要问题是窜气、油耗和摩擦。

窜气即燃烧气体通过活塞环流进曲轴箱。这个现象减少了在动力冲程中施加在活塞顶部上的压力，从而减少了曲轴旋转所做的功。另一个不好的影响是燃烧产物和污染物会被引入润滑油，抑制了润滑油作为润滑剂的有效性。

油耗是由于曲轴箱和燃烧室之间的机油流动而产生的。这些机油被汽化然后流入废气流，导致未燃烧的碳氢化合物排放增加，不利于发动机的运行，因此需要更换发动机中的既有，但是每次更换都需要花费金钱，这是不可取的。此外，减少油耗可以减少废气中的机油，防止颗粒堵塞过滤器和损害催化转化器^[1]。

滑动活塞环表面的摩擦直接消耗热动力循环的功，从而降低发动机的输出功和效率。摩擦损耗的大小取决于触点的滑动速度和润滑状态。摩擦损耗主要由润滑油油膜厚度决定，润滑油油膜厚度又取决于活塞环与缸套之间的接触力、表面粗糙度和相对速度。除此外还有其他因素，如磨损，贫油(即由多环接触和高速往复运动造成的润滑油供给量不足^[2]），表面纹理的存在也会影响摩擦。由于缸套、活塞环能源损耗占据汽车燃料总能量的很大一部分(约5%^[3])，因此减少其摩擦磨损是非常重要的。

改变表面形貌是控制油耗和摩擦的一种方法。然而，很少有研究同时研究这两种影响(即表面形貌^[4,5]或摩擦^[6-11]对油耗的影响)。显然它们两者是相互关联的，有必要进行同时进行研究。

1.2 表面纹理

将纹理(如凹痕或凹槽等特征)应用于工程零件表面是一种明显改善摩擦的方法，自20世纪60年代以来一直在研究这种方式。表面纹理特别适用于减少缸套-活塞环接触面的摩擦，因为相对较低的触点压力避免了应力集中和疲劳问题，而这些问题通常出现在如齿轮这样的反向接触的部件中。表面纹理的影响是显著的，在试验室进行的试验中^[13]，摩擦副摩擦能减少50%以上，一些研究表明，表面纹理的存在可改善发动机的总体性能^[14]。与其他节能方法相比，表面纹理的实现相对便宜、简单，它不需要重新设计组件，并且可以轻松地将其融入到现有和未来的技术中。如Gropper和Wang^[15]所了解到的，由于这些原因，表面纹理技术出版物的数量呈指数增长。

在工程组件中，最常用的表面纹理加工方法是激光表面纹理(LST)，因为它能够短时间内、以飞秒的激光脉冲加工出微米大小的特征，所以该方法适用于金属^[16]、聚合物^[17]、陶瓷^[18]等多种材料。然而，由于生产时间和制造成本的限制，其他创新的生产方法正在探索中——最近Costa和Hutchings^[19]对这些技术以及它们相对激光表面纹理的优势进行了评估。

许多研究表明，表面纹理可以提高流体润滑表面的摩擦、磨损和承载能力。最早期的微观纹理研究中(1966)，Hamilton et al.^[12]发现表面纹理可以提高机械面密封的承载能力，而Anno et al.在后期的工作研究中（1968-1969）发现使用表面纹理处理时能够减少摩擦系数^[20,21]。Suh等人后来强调了表面纹理储存磨屑的能力，他们在1994年得出结论，通过表面纹理可以减少非润滑凹槽摩擦的犁沟成分。随后，Etsion和同事开展了主要工作，如[23,24]中总结的那样。

许多机制已经被提出来解释表面纹理如何减少摩擦，但没有一个被证明。这些包括:1.凹槽作为微楔形^[20]或者阶梯形凹槽^[25]；2.凹槽增加润滑油在进口的体积^[26]；3.由于弹性变形凹槽内润滑油压力增加^[27]；4.由于空化(“进口”)，凹槽内润滑油压力增加^[28-29]；5.凹槽可以储存磨屑^[30]；6.凹槽可以补充润滑油到贫油去以防止干摩擦^[13]。为了使表面纹理有效地应用于实际，了解这些机制的哪些组合以及在哪些条件下发生是至关重要的。

帝国理工学院近期^[13,31-37]在一种汽车缸套-活塞环摩擦副上研究了各种表面纹理的紧密接触作用。在[13]中描述了表面纹理的减磨能力与润滑状态之间的关系，而在[35,37,38]针对之前确定的最佳形状，建立了最佳凹槽宽度、深度和间距的规律（矩形凹槽垂直于滑动方向，使其完全卡在接触面内）。为了帮助了解导致观察到的纹理表面减少摩擦的机理，在混合润滑状态下运行的纹理表面往复运动中首次测量了薄膜厚度。并且发现凹槽使油膜厚度增加了10 纳米，造成粗糙接触的减少，在混合状态下，由于斯特里贝克曲线的陡度，导致粗糙接触的减少，从而显著减少摩擦。文献中^[32]研究了单个凹槽通过触点的瞬态行为，结果表明凹槽分布律比凹槽间距更重要。在最近的文献研究中^[33]，发现止点附近的磨损量与凹槽内的油量有密切的关系。目前的研究阐明了这些研究背后的机理，特别是对空化和贫油的往复接触。

1.3 空化

在缸套-活塞环接触面附近，由于接触面几何形状的变形、润滑油无法承受低于环境压力^[39]，导致润滑油从液体过渡到气液混合物，空化现象普遍发生。空化表现为在润滑油的尾部或接触部位形成气穴。我们认为气穴的存在是非常重要的，由于往复运动的接触，它导致贫油现象的出现。幸运的是，已经有人提出，空化引起的贫油可通过表面气穴提供的润滑油来缓解^[13]。

最早提出油膜破裂边界条件的是Guuml;mbel(1921)^[40]，而多个空泡区域最早由

Swift(1931)^[41]和Stieber(1933)^[42]用数学方法表述。自从第一次提出油膜破裂的理论以来，人们在数值和试验上对不同类型试样的空化行为进行了大量的研究。在理论研究方面，Jacobson和Floberg^[43]、Olsson^[44]和Floberg^[45,46]在1957 - 1974年间发表了一系列论文，提出了JFO理论边界条件的统称。这一理论首次尝试表达封闭腔体所需的边界条件，以及与之相关的预期承载力变化。

Dowson等^[47,48]以及Etsion和Ludwig^[49]这两组人都依赖摄影技术和压力测量，根据对空化区油膜破裂和压力变化的研究，提出了不同的试验方法。Arcoumanis等人^[50,51]试验结果表明无论是通过电容^[50]还是激光感生荧光技术^[51]均可在测量缸套-活塞环往复运动中空化形式变化的同时，测量润滑油油膜厚度。最近，Tang等人^[52]使用数字全息显微镜对缸套-活塞环的滑动线性接触中产生的空化气泡进行测量。他们观察到，当一个平面玻璃被一个双向平移台驱动时，形成了封闭的空化流，利用电荷耦合器件（CCD）摄像机拍摄的相位图，揭示了空化气泡的厚度测量结果。

学者们尽管取得了这些进展，但对于缸套-活塞环接触的空化性质仍存在不确定性和分歧。例如，最近Chong和Teodorescu^[54]利用一个基于Elrod改进的空化算法^[53]的数值模型发现，尽管空化现象在靠近上止点（TDC）和下止点（BDC）的位置显著减少，但它并没有完全消失。Chong和Teodorescu^[54]还发现“预反转”气穴被润滑剂密封，并在进口处形成气泡。虽然润滑油膜逐渐吸收了这一点，但在润滑油膜完全消失之前，进口会出现贫油现象”。这就导致了更薄的润滑油膜和更高的摩擦力。在最近的一项研究中^[55]，Taylor开发了一个一维模型来分析缸套-活塞环往复接触中的挤压油膜润滑效果并得出结论：“在反转位置周围，整个活塞环都被润滑油覆盖，并且没有空化现象”。解决这一差异是非常重要的，因为充满气体的出口（随后变成无油进口）反转时存在明显问题，应予以纠正。

另一个需要进一步研究的方向是表面纹理和空化区域之间的相互作用。迄今为止，这一领域唯一的试验研究表明，凹槽可以向空穴区域提供润滑油，从而可以减少随后的贫油现象^[13]。

从本文的引言中可以得出以下结论：1.表面纹理是减少缸套-活塞环摩擦的有效手段，但其机理尚不清楚；2.表面结构可能影响润滑油在缸套表面的分布，因此可用于控制油耗；3.表面结构可能会对空化现象造成影响，其原因是进口吸力增加了负载支撑，同时也会将润滑油引入充满气体的区域，以防止贫油现象和在上止点和下止点处产生高摩擦磨损现象。这三种效应显然是相互关联的，但迄今为止，只有第一种效应被详细研究过。目前的研究目的是通过成像模拟缸套-活塞环接触中的机油分布来试验研究这些影响，以评估使用表面纹理改善内燃机缸套-活塞环整体性能的适用性。

1. 试验设备、试样和程序

用于本研究的定制往复试验机如图1所示。除了高分辨率记录摩擦力外，在[13,31,32]中详细描述的设备允许使用两种高灵敏度光学成像技术来获取膜厚度和空化模式：1.一种改进版的超薄膜干涉测量技术，能够测量在混合和边界润滑状态下运行的纹理往复接触中的纳米尺寸薄膜厚度；2.一种激光诱导荧光（LIF）技术，用于定性成像往复缸套-活塞环摩擦副表面和周围的油分布。LIF技术将是本研究的重点。

图1 往复试验机布局

LIF系统的设置基于荧光染色的光激发，包括图2所示的三个主要组件。由于与试验机所需的7升机油混合需要大量的染色剂，因此选择了市售的机油示踪剂“Dye Lite”。来自汞-氙光源的光被指向位于高速照相机和显微镜物镜之间的分光器。光通过激励器（通频带）滤波器进入分束器，该滤波器将波长的传输限制在指定范围内。激发试样发出的荧光随后通过第二个滤光片，即发射（长通）滤光片，在被相机捕获之前，滤光片去除低于规定值的波长。选择发射滤光片的最小波长，以确保最终只记录染料/润滑剂混合物的光诱导荧光（图2-详细介绍）。

图2 激光诱

资料编号：[3566]