吴立来

（南京飞燕活塞环股份有限公司）

1 概述

内燃机机械摩擦功耗占燃油消耗17%，其中活塞环与缸套组件占总燃油消耗的4%。同时活塞环与缸套的摩擦学特性直接影响着内燃机的动力性能、排放性能和使用寿命，行业内视活塞环与缸套为内燃机第一摩擦副，活塞环与缸套公认为内燃机心脏部位的关键零部件。活塞环与缸套摩擦副的摩擦系数直接影响摩擦功耗，磨损系数又直接影响着使用寿命。

内燃机四个工作行程中，活塞环受力及其复杂，有气体压力、惯性力、活塞槽作用力、缸套摩擦力等。受力的活塞环做三维运动，运动状态急剧变化，分别与缸套、活塞在轴向和径向产生相对变速度运动，其中活塞环与缸套间的轴向运动速度最大、加速度最大、摩擦力最大、磨损最大。在活塞上止点处，由于高温、高压、变向、远离润滑油等因素，活塞环与缸套存在贫油润滑，此处摩擦磨损最为苛刻。

选取3对活塞环与缸套配对，做贫油状态摩擦磨损试验，测出拉缸前平均摩擦系数0．1349，物理气相沉积的活塞环平均磨损系数0．8375×10－6mm3／min，未经表面耐磨处理的铸铁缸套平均磨损系数2．735×10－3mm3／N．m。选取1对未经表面处理的铸铁活塞环和铸铁缸套配对，在富油状态做摩擦磨损试验，测出平均摩擦系数0．15，活塞环平均磨损系数0．722×10－11mm3／min，缸套平均磨损系数1．179×10－8mm3／N．m。得出结论：贫油状态 （拉缸前）摩擦系数与富油状态相当，贫油状态 （拉缸前）磨损系数是富油状态的105倍，揭示出润滑状态是影响摩擦副磨损的关键因素，这为产品设计和故障分析提供了数据支持。

2 贫油状态试验过程

2．1 试验装置

试验活塞环定位夹具图1，设备UMT－2MT多功能磨损试验机图2，试验运动平面往复式图3。

图1 活塞环定位夹具

图2 多功能磨损试验机

图3 试验原理图

2．2 试验样品

钢质活塞环经渗氮、外圆面PVD镀CrN处理。缸套共三种，编号分别为1＃、2＃和3＃，材料均为灰铸铁。试样样品从活塞环与缸套上直接截取，保证样品接触面为配副实际工作面，活塞环样品、缸套样品见图4、图5。

图4 活塞环样品

图5 缸套样品

2．3 贫油状态试验规范

活塞环－缸套磨损试验规范见表1，润滑油牌号为CI－15W－40，跑合前在上、下试样之间一次性加油0．15ml。为确保结果的可靠性，相同条

件下的试验按同一规范重复三次。

表1 磨损试验规范

2．4 试验数据及结果

2．4．1 摩擦系数：三组配副的摩擦系数测试结果见表2、图6。

表2 摩擦系数

图6 贫油状态摩擦系数曲线

2．4．2 磨损系数：缸套、活塞环的磨损系数分别见表3、表4，磨损系数比对结果见图7。

表3 缸套磨损系数

表4 活塞环磨损系数

图7 活塞环－缸套磨损系数对比图

配副的磨损系数与摩擦系数并无对应关系。

2．4．3 磨损形貌与磨损机理

2．4．3．1 三维磨损形貌：缸套三维磨损形貌见图

8，缸套三维磨损形貌的差异与磨损系数分析结果一致。

图8 缸套三维磨损形貌

2．4．3．2 磨损机理：三组配副的磨损机理见表5，扫描电镜照片 （微观形貌）见图9。

表5 磨损机理

图9 缸套－活塞环SEM磨损形貌

缸套磨损后表面珩磨形貌基本消失，磨损表面有明显的犁沟状磨痕，1＃缸套与3＃缸套磨损表面还可发现部分材料剥落及微裂纹扩展，磨损机理主要表现为磨粒磨损加疲劳磨损。与缸套配副的活塞环磨损机理主要为磨粒磨损。

3 富油状态试验过程

试验活塞环定位夹具、试验设备、试验运动、试验缸套样品同贫油状态，试验活塞环样品为铸铁磷化活塞环。

3．1 富油状态试验规范充分润滑为试验过程中始终持续供油，供油速度一致。保证活塞环对缸套施加的载荷500N、活塞环运动频率40Hz、活塞环运动行程2．5mm、缸套温度100℃，润滑油供油速度为1ml／min、润滑油温度为100℃。

3．2 试验数据与结果

3．2．1 摩擦系数：摩擦系数缓慢变小趋于稳定在0．15，见图10。

图10 富油状态活塞环缸套摩擦系数曲线

3．2．3 磨损系数：缸套、活塞环的磨损系数分别见表6、表7，取缸套磨损区域3个截面测量，见图11，磨损系数对比见图12。

表6 缸套磨损系数

表7 活塞环磨损系数

图11 富油状态缸套磨损截面图

图12 富油状态活塞环－缸套磨损系数对比图

4 结论

4．1 贫油状态活塞环与缸套磨损主要有磨粒磨损和疲劳磨损，富油状态活塞环与缸套磨损主要是磨粒磨损。

4．2 贫油状态 （拉缸前）与富油状态，活塞环与缸套摩擦副的摩擦系数相当，约为0．15。

4．3 贫油状态活塞环与缸套摩擦副的磨损系数是富油状态的105倍。