平台珩磨网纹技术

对减少摩托车发动机磨损的影响

引言

平台珩磨网纹技术是1980年后发展起来的一项新型表面加工技术。该项技术的应用改变了传统观念, 明确了发动机气缸套工作表面的粗糙度Ra并非越小越好, Ra无法真实地反映固体表面微观形态和实际工作中的摩擦状况, 也不是评价表面质量的唯一标准。通过大量的试验研究, 明确了该项技术对摩托车发动机气缸套—活塞环磨损的重要影响,肯定其对发动机性能影响的价值, 并广泛应用于机加工领域中。

1、  气缸套-活塞环磨损机理

发动机气缸套-活塞环是典型的摩擦副、其中含有多种类型的摩擦和磨损, 润滑、摩擦、磨损的相互作用十分明显。其配合副的配合特性是发动机正常工作的保证, 对发动机的动力性、经济性及稳定性等和使用寿命有举足轻重的作用。但气缸套-活塞环的工作环境苛刻, 经常处于高温、高压和高冲击负荷等, 受工作的特性、工作环境及技术的局限性等影响, 仍然需要不断改善,具体分析如下:

1.1 气缸套-活塞环是摩托车发动机中最重要的配合副摩托车发动机经常处于高速运转状态、高速滑动、工作温度特高、润滑环境严峻, 同时燃烧中产生的物质的腐蚀以及发动机箱体、空气过滤器、机油中的尘埃颗粒加剧了磨损、气缸套在活塞环运动区域内的磨损曲线如图1所示。

图中可分析到, 气缸套最大磨损部位有活塞环在上止点位置时第一道活塞环所对应的部位, 及发动机燃烧爆发时活塞向下运动到下止点, 即有高温气体运动、进出频繁的两端部, 磨损量往往高于行程的中部,达到1-3倍。

1.2 发动机工作环境的影响

发动机工作时, 1s内爆发50100, 可燃气体在气缸内的燃烧产生了高温高压的气体。该种气体通过活塞环与环槽间的间隙进入环背间隙, 将活塞环压向缸壁。顶环的压力通常是燃烧室压力的70%。根据流体润滑理论, 在其他条件相同的情况下, 磨擦副之间的载荷越大, 油膜越薄。当油膜厚度低于零件表面微观不平度的突起高度时, 两表面的部分突起会直接接触而发生边界摩擦的干摩擦。同时也因为发动机经常处于高温状态, 瞬间温度可达1000℃~1200,润滑油粘度有降低的趋势, 较难形成良好的油膜。发动机燃烧产物中的CO2 SO2 NOx、水蒸汽、有机酸等腐蚀性物质, 极易对缸壁造成腐蚀, 而油膜不具备抗腐蚀作用, 因此气缸套上磨损较大。

1.3 磨损的种类

  气缸套-活塞环的磨损包含粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损等多种磨损形式。

基本分为4:(如图1所示)

 1)正常磨损, 整体较均匀, 内无明显因颗粒造成的拉痕, 磨损量较小。通过对5000km里程的气缸套分析, 气缸套通常存在0.005mm以下的磨损, 甚至更少的磨损。

2)从进气端进入了尘埃颗粒, 属于异常磨损, 从该曲线中可看出, 在上止点位置与顶环接触处的缸壁磨损严重。分析6000km的气缸套上端磨损, 最高可达0.015mm甚至更高。

 3)尘埃颗粒混入润滑油中, 在气缸壁中部的工作区域, 有明显拉痕。与1)类正常件相比非常明显, 这种异常磨损占摩托车发动机气缸套异常磨损中的50%60%,是较严重的一种危害。分析8000km的气缸套的磨损, 最高可达0.035mm, 甚至更高。是正常磨损量的7倍。极易引发烧机油, 发动机冒白烟、蓝烟等故障。如图2


图中可分析到, 气缸套最大磨损部位有活塞环在上止点位置时第一道活塞环所对应的部位, 及发动机燃烧爆发时活塞向下运动到下止点, 即有高温气体运动、进出频繁的两端部, 磨损量往往高于行程的中部,达到1-3倍。

1.2 发动机工作环境的影响

发动机工作时, 1s内爆发50100, 可燃气体在气缸内的燃烧产生了高温高压的气体。该种气体通过活塞环与环槽间的间隙进入环背间隙, 将活塞环压向缸壁。顶环的压力通常是燃烧室压力的70%。根据流体润滑理论, 在其他条件相同的情况下, 磨擦副之间的载荷越大, 油膜越薄。当油膜厚度低于零件表面微观不平度的突起高度时, 两表面的部分突起会直接接触而发生边界摩擦的干摩擦。同时也因为发动机经常处于高温状态, 瞬间温度可达1000℃~1200,润滑油粘度有降低的趋势, 较难形成良好的油膜。发动机燃烧产物中的CO2 SO2 NOx、水蒸汽、有机酸等腐蚀性物质, 极易对缸壁造成腐蚀, 而油膜不具备抗腐蚀作用, 因此气缸套上磨损较大。

1.3 磨损的种类

  气缸套-活塞环的磨损包含粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损等多种磨损形式。

基本分为4:(如图1所示)

 1)正常磨损, 整体较均匀, 内无明显因颗粒造成的拉痕, 磨损量较小。通过对5000km里程的气缸套分析, 气缸套通常存在0.005mm以下的磨损, 甚至更少的磨损。

2)从进气端进入了尘埃颗粒, 属于异常磨损, 从该曲线中可看出, 在上止点位置与顶环接触处的缸壁磨损严重。分析6000km的气缸套上端磨损, 最高可达0.015mm甚至更高。

 3)尘埃颗粒混入润滑油中, 在气缸壁中部的工作区域, 有明显拉痕。与1)类正常件相比非常明显, 这种异常磨损占摩托车发动机气缸套异常磨损中的50%60%,是较严重的一种危害。分析8000km的气缸套的磨损, 最高可达0.035mm, 甚至更高。是正常磨损量的7倍。极易引发烧机油, 发动机冒白烟、蓝烟等故障。如图2

其中图4b为传统的表面状况, 微观的金属峰较尖锐, 是导致活塞环和气缸套早期快速磨损的重要原因之一。而图4a为汽车领域及行业标准中率先广泛推广的平台珩磨技术加工出来的气缸套表面, 有无数均匀相间交叉的深沟槽与小平台组成。其优势在于:①表面为小平台, 实际承载面积比普通珩磨加工的表面提高37倍以上, 减少了早期快速磨损, 同时缩短了磨合时间。②网状沟槽有利于油膜的快速形成, 改善润滑状态。③油槽深度明显, 具备较强的储油能力, 为高强度的油膜形成提供了保证, 减少了与气缸套干摩擦的不良发生。同时发动机也因摩擦状态的改善,台架试验的数据显示功率损耗降低可达13%, 正常磨损量可降低20%甚至更高。同时机油能更彻底地被刮回曲轴箱, 机油损耗可减少20%以上, 并能避免拉缸,烧机油等问题。

3、目前我公司平台网纹能达到的水平

参照JB/T97681999《内燃机气缸套平台珩磨网纹技术规范及检测方法》标准要求。可参考以下数据适当进行控制的验证。

RZ=35μmRPk0.4maxμm   Rk1.0μm  Rvk=1-2μm  Mr2 80% 网纹角度45 ±15°

1Ra:是公认的、广泛应用的、国际粗糙度参数。它是通过中线的轮廓偏距绝对值的算术平均值。

2Rz:平均峰谷高度,对于已经滤波的粗糙度轮廓来说,在Z1z55个等量相邻的单元取样长度中,单个峰谷高度的算术平均值及为Rz DIN

3 Rpk:简约峰高,粗糙度核心轮廓上方的轮廓峰的平均高度。表面轮廓顶部的这一部分, 当发动机开始运行时, 将很快被磨损掉, 其减低的高度将影响气缸套进入正常工作状态的磨合时间, 及实际材料磨损量。

4Rk:核心粗糙度深度,在分离出轮廓峰和轮廓谷之后剩余的核心轮廓的深度为RK。这一部分是气缸套长期工作表面, 它影响着气缸套的运转性能和使用寿命, 是粗糙度轮廓的核心部分。

5Rvk:简约谷深,从粗糙度核心轮廓延伸到材料内的轮廓谷的平均深度。这些深入表面的深沟槽在活塞相对缸套运动时, 形成附着性能很好的油膜, 在提高孔的耐磨性、缩短发动机磨合时间的同时, 能大幅度降低油耗。

5Mr2:轮廓支承长度率,以百分数表示的轮廓支承长度率Mr2是为一条将轮廓谷分离出粗糙度核心轮廓的截线而确定的。Mr2值是进入长期工作表面的下限, 其数值的大小不但决定了磨损量, 还决定了工作表面以下深沟槽的贮油、润滑能力。

根据上面的分析可以清楚地看到,平台网纹珩磨和传统珩磨工艺的差别,由于平台网纹珩磨后表面存在许多宽度不等的深沟,使珩磨后表面利用贮存润滑油,容易形成油膜,提高表面的耐磨性,但该部分所占体积不多,当完成磨合及(台架磨合和跑合后)该部分所占体积小子30%。而绝大部分表面(平台),由于采用了细粒度碳化硅油石仔细珩磨,所以具有较低的粗糙度值。从图a中可以看出,要达到同样的支承面积,显然采用平台网纹珩磨工艺比传统珩磨工艺在台架磨合时需磨去的金属材料要少得多,因而平顶珩磨表面初期磨合时间就明显较传统珩效, 经过初期磨合后更加显示了其优势, 实现了活塞环的初期磨合到一定程度后趋于稳定。



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