推行有針對性的技術標準提升發動機品質

文/朱正德

【機動車專欄】

推行有針對性的技術標準提升發動機品質

文/朱正德

文章分析了缸孔珩磨表面微觀構造對汽車發動機性能產生很大影響的原因，指出重視對珩磨表面平臺網紋形貌進行質量檢測的重要性。強調了隨著機動車節能、減排法律、法規的日趨嚴苛，企業在質量監控方面也應持續完善、提高。此文清晰地表明，在工業領域，重視技術標準的演變、進步，對于提高產品質量監控水平所起到的積極作用。

缸孔珩磨表面 微觀構造特征評定參數 監控水平提升

近一年來，在國家強調國民經濟的結構轉型和夯實實體經濟的大背景下，現代制造業作為實體經濟的主要組成之一，特別是其中的汽車行業，更是受到了產業界和各級政府的關注和重視。隨著《中國制造2025》的推出，又把上述目標的實現更為具體和清晰地呈現了出來。

現今，雖然不少制造工序環節已很成熟，但為了更好地適應、滿足節能汽車的需要，必須采用包括強化生產過程實時監控能力在內的種種新手段。研究表明，在發動機的機械損耗中，由內部摩擦造成的機械損失占到其功率損失的80%左右，故有效地降低發動機的摩擦損失對節能、乃至減排具有重要意義。摩擦損失，雖然包含了運動副摩擦、驅動摩擦及流體摩擦等幾類，但其中的運動副摩擦又是最主要的來源。進一步的研究還發現，在多組運動副中，缸孔—活塞環又是其中影響最大的一組運動副摩擦，約占汽油發動機摩擦損失的30%～40%（見圖1）。因此，盡量通過降低其在工作中的摩擦損失，乃是提高發動機的燃油效率、降低燃油消耗、促進實現“節能汽車”目標的一個有效途徑。

圖1 多組運動副摩擦損失的占比概況

一、珩磨表面的平臺網紋及其特征

影響缸孔活塞環摩擦副潤滑的因素主要有工件表面的宏觀形貌和微觀結構參數、表面硬度、顆粒物、潤滑油的粘度和溫度等，但各項因素對摩擦運動副潤滑的影響程度、即減少摩擦損失的效果是不同的。其中，缸孔表面微觀形貌和結構狀態的影響最大。為了同時能體現出這兩項功能，即較光順的表面和盡可能多的承載面積，確保相互運動時的滑動性和耐磨性，就需要形成一個開放性的表面微觀構造，以用于保障表面的儲油能力，即需要使珩磨加工后的工件表面在相對粗糙基礎上呈現出平臺結構的表面形態（見圖2）。

圖2 缸孔表面形成的平臺結構

事實上，為了更好地改善配合面的潤滑功能，應形成一種更合理的缸孔珩磨表面微觀形貌——平臺網紋，即既有平臺又有網紋。此時，經過加工后的缸孔表面，乃是由無數個均勻相間交叉的窄又深的溝槽與小平臺構成，并且網紋與網紋交錯，相互有適當夾角。如此的微觀結構，通過深谷區存貯機油，而連續交錯的網狀溝槽則便于機油在整個缸孔表面均勻分布。眾多的小平臺有利于高強度油膜形成，還具有回油功能，這將大大降低摩擦功損失。網紋由均勻相間交叉的溝槽與小平臺構成，并且相互保持適當的夾角交錯（見圖3），即所謂的網紋角。

圖3 缸孔表面的平臺網紋形貌

需要指出的是，網紋角作為一項特征參數也需檢測，一般控制在30o～60o之間。因為其大小和均勻程度關系到缸孔表面生成油膜的穩定性和機油消耗的多少，進而會影響發動機的工作性能和氣缸套的使用壽命。若網紋角過大，貯油能力下降，至使活塞與缸孔之間的潤滑狀況變差。當發動機處于啟動和加速工況時，就會因機油不足而加劇活塞環的磨損；若網紋角過小，則會影響所形成油膜的均勻性，并且影響到油環的刮油效果，從而造成機油過度燃燒，導致機油消耗增加和排放會超標。

二、科學地選用珩磨表面的微觀結構參數

由此可知，確立和選擇能確切地反映珩磨表面特征的評定參數重要性是顯而易見的。事實上無論是缸孔表面的加工技術還是其合適的評定模式，均經歷了一個相當漫長的探索過程。

1. 理想缸孔表面的探索過程概述

48年前，業界在這個問題上的基本共識為：發動機缸孔或缸體所鑲的缸套內表面應該是越光滑越好，粗糙度要達到Ra0.16，如同鏡面。而內表面的硬度，則認為應越硬越好，有的企業甚至采取了內表面鍍鉻處理。然而，這些措施的執行結果卻事與愿違，由于光如鏡面的工作表面難以貯存潤滑油，發動機在高溫工作狀態下，缸孔表面很容易與活塞環形成干摩擦，從而造成高速運轉時的發動機易拉缸、積碳卡死，導致發動機壽命的大大縮短，往往過早地就得進行大修。

進入到上世紀70年后，企業開始采用普通的珩磨網紋，此時網紋的形狀如圖4所示，而粗糙度則控制在Ra0.63左右。很明顯，這種相對比較粗糙的表面，確實能改善缸壁與活塞環之間的接觸狀況，能夠形成一定的有效油膜。但是，隨著發動機的高速運轉，負荷加大，這種網紋會因承載面積小，很快就會磨平，而磨平后的工況就如同前述的鏡面般。因此，這普通網紋只適合于那些在較低轉速和負荷下工作，而且還需要在很短時間里就必須更換機油，否則將會出現由早期磨損而降低了缸套甚至整個缸體的使用壽命。更加關鍵的是，由于對網紋微觀構造的評定參數偏少，故會很難控制產品的一致性。

圖4 缸孔表面普通珩磨網紋的微觀構造

2. 有針對性地推出相關的專業技術標準

直到上世紀80年代末，才由德國工業協會（D I N）制定并推出了一個針對性很強的專業標準D I N 4776：1990《粗糙度測量 粗糙斷面材料部分說明用參數》。在該標準中，率先提出了一組面向珩磨表面網紋微觀構造特征參數，即評定指標。需要指出的是，就在之后的不長時間中，D I N 4776已先后被國際標準組織（I S O）、大多數工業化國家和我國在內的不少發展中國家所接受和引用，并體現在一些相關的標準中，如I S O 13565 -2：1996《幾何產品規范（G P S）：表面結構剖面方法.表面有層次功能性能 第2部分：使用線性材料曲率的高度性能》、J I S B 0671 -2：2002《產品幾何特性規格（G P S） 表面特性：輪廓曲線方式：平滑結構表面的特性評價 第2部分：用線性相關負荷曲線進行高度特性的評價》等。這一組特征參數、即評定指標共有5項，分別為：Rk、Rpk、Rvk、M r1和M r2（見圖5）。其中，Rk是最為重要的一項評定參數，其實質是被測表面中心區深度將在高負載運行中被磨損掉，但又能最大程度地達到耐磨性。Rpk是超過中心區峰谷高度的輪廓波峰平均高度，又被稱為初期磨損高度，而Rvk是從中心區下限到有實體材料的輪廓波谷的平均深度，它反映了潤滑油的儲存深度，體現了摩擦副在高負載工況下的潤滑性能和失靈保護的能力。M r1和M r2則分別為波峰、波谷輪廓支承長度率，由輪廓中心區上、下截止線決定，其中的M r1表示了表面的初期磨損負荷率，而M r2則為長期磨損負荷率。

圖5 表征缸孔珩磨表面微觀結構特征的評定參數

3. 專業技術標準的實施和意義

1989年12月，國內頒布了一部關于內燃機平臺網紋的行業標準，即Z B J 92011 -1989《內燃機氣缸套平臺珩磨網紋技術規范及檢測方法》。調查表明，眾多內燃機企業（包括一些汽車發動機廠）自從執行了上述有針對性表面特征評定參數的標準后，對確保珩磨后缸孔表面狀態的一致性、提高內燃機產品的質量發揮了很大的作用。隨著珩磨加工設備技術水平的提高，對于制造質量也有進一步的改善。大量的實踐表明，擁有平臺網紋的缸孔與普通網紋的缸孔相比，工作壽命提高了40 %以上，扭矩提高了20 %左右，而機油消耗則降低了近60 %，并且基本上避免了發動機工作過程中的拉缸、積碳和活塞環抱死等不良情況的發生，從而有效地提升了內燃機的運行水平。

三、進一步提升缸孔珩磨表面微觀形貌的質量監控水平

但自本世紀初以來，隨著對環保、節能和安全等方面的要求不斷提高，相關的法律、法規也日趨嚴厲。主要是鑒于發動機缸孔珩磨表面的狀況對燃油的消耗和排放都有很大的影響。因此，為了進一步提高車用發動機的品質，專業技術人員并未局限于那些已較成熟的工藝與檢測方法，而是繼續不斷地進行探索。其中，就包括了借助采用先進的檢測技術，通過提升缸孔珩磨表面微觀形貌的質量監控水平，進而為實現節能發動機的目標貢獻一份力量。歸納起來，有如下兩種平行的方案：其一，借助實驗室高效能的測試設備，通過比對的方式，定性（嚴格講屬半定量）地進行更有針對性的評價；其二，設立與珩磨表面功能特性相關的新評定參數，并配備相應的高效、專用測量儀器，在此僅對后者作一介紹。

為了能更深刻地表征工作表面的特性，在幾年前所推出的國際標準ISO 25178系列標準中，出現了多種用于描述表面微觀構造的三維參數。其中，既有類似于二維粗糙度參數的，如Sa、Sz、Sk、Spk、Svk等，它們單位仍然還是μm，也有該標準新推出的如Vmp、Vmc、Vvc和Vvv等體積特性值參數。三維表面粗糙度曲線（見圖6）描述了與剖面深度有關的表面材料份額，它們自上而下被分成三個范圍：波峰區、芯部區和波谷區。若通過對上述三維表面粗糙度曲線進行積分，就能夠生成以下體積特征值：① 輪廓波峰的材料體積Vmp；② 芯部范圍內的材料體積Vmc；③芯部范圍無材料部分體積Vvc；④ 輪轂谷底無材料部分體積Vvv。由于所涉及到的是三維微體積計算，上述參數a b的單位是μm3/μm2。

圖6 三維表面粗糙度曲線圖

顯然，相比之前的二維粗糙度參數，它們能更確切地對珩磨后表面的“理想”程度作出評價。圖6中的上、下兩楨圖，分別反映了實際貯油情況有所不同的兩種表面微觀狀態。但在如何借助這些體積特征值參數對表面進行評價時，主要取決于產品生產企業。在德國大眾和奧迪公司，乃是把參數Vvc、Vvv捆綁在一起綜合考慮，表述為：Vvc+Vvv的值應控制在某個范圍內，如0.2～0.35 μm3/μm2。

基于多孔共聚焦光學測量原理的檢測儀器及測量報告（見圖7）中，圖7a是為此專門開發的一種高性能缸孔表面測量儀，近幾年已在一些國內外企業得到了實際應用。

圖7 基于多孔共聚焦光學測量原理的檢測儀器及測量報告

該儀器采用一種稱為多孔共聚焦光學測量技術，除了能提供清晰的表面微觀形貌圖像外，更可同時測出多組參數。其中，包含多項三維粗糙度參數、網紋角和功能特征參數Vvc、Vvv。后兩項按圖紙規定，必須在缸孔的四個截面指定位置進行檢測，且在根據規范的評價方式（Vvc與Vvv的和）所獲得的結果進行評定時，不同的位置要求還有所不同：0.2～0.35（在距端面15 mm處），0.2～0.45（在距端面45、90和110 mm處），而圖7b、7c為實例，其中包含多項三維粗糙度參數、網紋角和功能特性參數Vvc、Vvv，功能特性參數Vvc、Vvv和網紋角（參見7c，圖中的網紋角1為28°，網紋角2為155°）。整個測量過程為全自動，約能在10 min內完成。

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Surface of honing cylinder bore; Micro texture characteristic evaluation parameters; Rising of monitor’ level

（作者單位：上海大眾動力總成有限公司）