對減少摩托車發動機磨損的影響
引言
平臺珩磨網紋技術是1980年后發展起來的一項新型表面加工技術。該項技術的應用改變了傳統觀念, 明確了發動機氣缸套工作表面的粗糙度Ra并非越小越好, 因Ra無法真實地反映固體表面微觀形態和實際工作中的摩擦狀況, 也不是評價表面質量的唯一標準。通過大量的試驗研究, 明確了該項技術對摩托車發動機氣缸套—活塞環磨損的重要影響,肯定其對發動機性能影響的價值, 并廣泛應用于機加工領域中。
1、 氣缸套-活塞環磨損機理
發動機氣缸套-活塞環是典型的摩擦副、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明顯。其配合副的配合特性是發動機正常工作的保證, 對發動機的動力性、經濟性及穩定性等和使用壽命有舉足輕重的作用。但氣缸套-活塞環的工作環境苛刻, 經常處于高溫、高壓和高沖擊負荷等, 受工作的特性、工作環境及技術的局限性等影響, 仍然需要不斷改善，具體分析如下:
1.1 氣缸套-活塞環是摩托車發動機中最重要的配合副摩托車發動機經常處于高速運轉狀態、高速滑動、工作溫度特高、潤滑環境嚴峻, 同時燃燒中產生的物質的腐蝕以及發動機箱體、空氣過濾器、機油中的塵埃顆粒加劇了磨損、氣缸套在活塞環運動區域內的磨損曲線如圖1所示。
圖中可分析到, 氣缸套最大磨損部位有活塞環在上止點位置時第一道活塞環所對應的部位, 及發動機燃燒爆發時活塞向下運動到下止點, 即有高溫氣體運動、進出頻繁的兩端部, 磨損量往往高于行程的中部,達到1-3倍。
1.2 發動機工作環境的影響
發動機工作時, 1s內爆發50～100次, 可燃氣體在氣缸內的燃燒產生了高溫高壓的氣體。該種氣體通過活塞環與環槽間的間隙進入環背間隙, 將活塞環壓向缸壁。頂環的壓力通常是燃燒室壓力的70%。根據流體潤滑理論, 在其他條件相同的情況下, 磨擦副之間的載荷越大, 油膜越薄。當油膜厚度低于零件表面微觀不平度的突起高度時, 兩表面的部分突起會直接接觸而發生邊界摩擦的干摩擦。同時也因為發動機經常處于高溫狀態, 瞬間溫度可達1000℃～1200℃,潤滑油粘度有降低的趨勢, 較難形成良好的油膜。發動機燃燒產物中的CO2 、SO2 、NOx、水蒸汽、有機酸等腐蝕性物質, 極易對缸壁造成腐蝕, 而油膜不具備抗腐蝕作用, 因此氣缸套上磨損較大。
1.3 磨損的種類
氣缸套-活塞環的磨損包含粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損等多種磨損形式。
基本分為4類:(如圖1所示)
（1）正常磨損, 整體較均勻, 內無明顯因顆粒造成的拉痕, 磨損量較小。通過對5000km里程的氣缸套分析, 氣缸套通常存在0.005mm以下的磨損, 甚至更少的磨損。
（2）從進氣端進入了塵埃顆粒, 屬于異常磨損, 從該曲線中可看出, 在上止點位置與頂環接觸處的缸壁磨損嚴重。分析6000km的氣缸套上端磨損, 最高可達0.015mm甚至更高。
（3）塵埃顆?；烊霛櫥椭?span lang="EN-US">, 在氣缸壁中部的工作區域, 有明顯拉痕。與1)類正常件相比非常明顯, 這種異常磨損占摩托車發動機氣缸套異常磨損中的50%～60%,是較嚴重的一種危害。分析8000km的氣缸套的磨損, 最高可達0.035mm, 甚至更高。是正常磨損量的7倍。極易引發燒機油, 發動機冒白煙、藍煙等故障。如圖2。
圖中可分析到, 氣缸套最大磨損部位有活塞環在上止點位置時第一道活塞環所對應的部位, 及發動機燃燒爆發時活塞向下運動到下止點, 即有高溫氣體運動、進出頻繁的兩端部, 磨損量往往高于行程的中部,達到1-3倍。
1.2 發動機工作環境的影響
發動機工作時, 1s內爆發50～100次, 可燃氣體在氣缸內的燃燒產生了高溫高壓的氣體。該種氣體通過活塞環與環槽間的間隙進入環背間隙, 將活塞環壓向缸壁。頂環的壓力通常是燃燒室壓力的70%。根據流體潤滑理論, 在其他條件相同的情況下, 磨擦副之間的載荷越大, 油膜越薄。當油膜厚度低于零件表面微觀不平度的突起高度時, 兩表面的部分突起會直接接觸而發生邊界摩擦的干摩擦。同時也因為發動機經常處于高溫狀態, 瞬間溫度可達1000℃～1200℃,潤滑油粘度有降低的趨勢, 較難形成良好的油膜。發動機燃燒產物中的CO2 、SO2 、NOx、水蒸汽、有機酸等腐蝕性物質, 極易對缸壁造成腐蝕, 而油膜不具備抗腐蝕作用, 因此氣缸套上磨損較大。
1.3 磨損的種類
氣缸套-活塞環的磨損包含粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損等多種磨損形式。
基本分為4類:(如圖1所示)
（1）正常磨損, 整體較均勻, 內無明顯因顆粒造成的拉痕, 磨損量較小。通過對5000km里程的氣缸套分析, 氣缸套通常存在0.005mm以下的磨損, 甚至更少的磨損。
（2）從進氣端進入了塵埃顆粒, 屬于異常磨損, 從該曲線中可看出, 在上止點位置與頂環接觸處的缸壁磨損嚴重。分析6000km的氣缸套上端磨損, 最高可達0.015mm甚至更高。
（3）塵埃顆?；烊霛櫥椭?span lang="EN-US">, 在氣缸壁中部的工作區域, 有明顯拉痕。與1)類正常件相比非常明顯, 這種異常磨損占摩托車發動機氣缸套異常磨損中的50%～60%,是較嚴重的一種危害。分析8000km的氣缸套的磨損, 最高可達0.035mm, 甚至更高。是正常磨損量的7倍。極易引發燒機油, 發動機冒白煙、藍煙等故障。如圖2。
其中圖4b為傳統的表面狀況, 微觀的金屬峰較尖銳, 是導致活塞環和氣缸套早期快速磨損的重要原因之一。而圖4a為汽車領域及行業標準中率先廣泛推廣的平臺珩磨技術加工出來的氣缸套表面, 有無數均勻相間交叉的深溝槽與小平臺組成。其優勢在于:①表面為小平臺, 實際承載面積比普通珩磨加工的表面提高3～7倍以上, 減少了早期快速磨損, 同時縮短了磨合時間。②網狀溝槽有利于油膜的快速形成, 改善潤滑狀態。③油槽深度明顯, 具備較強的儲油能力, 為高強度的油膜形成提供了保證, 減少了與氣缸套干摩擦的不良發生。同時發動機也因摩擦狀態的改善,臺架試驗的數據顯示功率損耗降低可達13%, 正常磨損量可降低20%甚至更高。同時機油能更徹底地被刮回曲軸箱, 機油損耗可減少20%以上, 并能避免拉缸,燒機油等問題。
3、目前我公司平臺網紋能達到的水平
參照JB/T9768—1999《內燃機氣缸套平臺珩磨網紋技術規范及檢測方法》標準要求?？蓞⒖家韵聰祿m當進行控制的驗證。
RZ=3～5μm RPk＜0.4maxμm Rk＜1.0μm Rvk=1-2μm Mr2 ＞80% 網紋角度45 ±15°
（1）Ra：是公認的、廣泛應用的、國際粗糙度參數。它是通過中線的輪廓偏距絕對值的算術平均值。
（2）Rz：平均峰谷高度，對于已經濾波的粗糙度輪廓來說，在Z1到z5這5個等量相鄰的單元取樣長度中，單個峰谷高度的算術平均值及為Rz DIN。
（3） Rpk：簡約峰高，粗糙度核心輪廓上方的輪廓峰的平均高度。表面輪廓頂部的這一部分, 當發動機開始運行時, 將很快被磨損掉, 其減低的高度將影響氣缸套進入正常工作狀態的磨合時間, 及實際材料磨損量。
（4）Rk：核心粗糙度深度，在分離出輪廓峰和輪廓谷之后剩余的核心輪廓的深度為RK。這一部分是氣缸套長期工作表面, 它影響著氣缸套的運轉性能和使用壽命, 是粗糙度輪廓的核心部分。
（5）Rvk：簡約谷深，從粗糙度核心輪廓延伸到材料內的輪廓谷的平均深度。這些深入表面的深溝槽在活塞相對缸套運動時, 形成附著性能很好的油膜, 在提高孔的耐磨性、縮短發動機磨合時間的同時, 能大幅度降低油耗。
（5）Mr2：輪廓支承長度率，以百分數表示的輪廓支承長度率Mr2是為一條將輪廓谷分離出粗糙度核心輪廓的截線而確定的。Mr2值是進入長期工作表面的下限, 其數值的大小不但決定了磨損量, 還決定了工作表面以下深溝槽的貯油、潤滑能力。
根據上面的分析可以清楚地看到,平臺網紋珩磨和傳統珩磨工藝的差別,由于平臺網紋珩磨后表面存在許多寬度不等的深溝,使珩磨后表面利用貯存潤滑油,容易形成油膜,提高表面的耐磨性,但該部分所占體積不多,當完成磨合及(臺架磨合和跑合后)該部分所占體積小子30%。而絕大部分表面(平臺)上,由于采用了細粒度碳化硅油石仔細珩磨,所以具有較低的粗糙度值。從圖a中可以看出,要達到同樣的支承面積,顯然采用平臺網紋珩磨工藝比傳統珩磨工藝在臺架磨合時需磨去的金屬材料要少得多,因而平頂珩磨表面初期磨合時間就明顯較傳統珩效, 經過初期磨合后更加顯示了其優勢, 實現了活塞環的初期磨合到一定程度后趨于穩定。
