作為減小汽車發(fā)動機零部件之間摩擦力的措施大致可分為以下3種。一是減小零部件之間的實際接觸面積;二是使零部件之間形成低的剪應力;三是減小零部件之間的輸入負載。
減小零部件的表面粗糙度有助于減小零部件之間的實際接觸,在不改變表面最初粗糙度的基礎上,通過滑動可以使配對材的表面變得平滑,由此可以進一步降低摩擦力。目前,大部分的發(fā)動機缸孔的構造是把由灰口鑄鐵制作的套管鑄入鋁合金氣缸體內的。鑄鐵的熱傳導率(50W/(m·k))比鋁材(100W/(m·k))低,而且鑄鐵的厚度為數(shù)mm。最近為提高燃燒室內的散熱性,用鑄鐵套管替代缸孔,對鑄鐵進行噴鍍處理,由此能既提高界面的密封性,又能減薄管壁,大幅度改善該部位的換熱和傳熱。另外,作為噴鍍特有的現(xiàn)象是,在膜內導入某種程度的空隙,空隙裸露在表層,可以提高缸孔表面的保油性。由于不需要采用以往那種用發(fā)動機缸孔的珩磨網紋加工孔來確保保油性,因此可以使缸孔表面變得平滑。它除了具有上述的傳熱特性好的優(yōu)點外,還可以有效降低邊界至混合潤滑區(qū)域的摩擦力。
關于零部件表面粗糙度凸起間的接觸,以包括凸起的整個表面層作為低剪應力材料,作為減小粗糙度和單獨降低摩擦力的方法,可以采用固體潤滑劑。尤其是,在面壓不是那么高的情況下,可以采用所謂的軟鍍層,即把作為固體潤滑劑的顆粒狀的二硫化鉬(MoS2)或石墨、四氟乙烯分散到聚酰胺樹脂(PAI)中的鍍膜,或直接把MoS2顆粒對著被加工件高速照射后獲得的鍍膜等。這種鍍膜可以應用于發(fā)動機部件中接觸面積大的活塞桿、曲軸軸承合金表面層。另一方面,對于面壓高的零部件,因此開發(fā)了在采用硬質且無潤滑的情況下,以摩擦系數(shù)與固體潤滑劑一樣低的DLC鍍膜為基礎,在潤滑情況下可獲得相同效果的鍍膜。本文要介紹的是不含氫的DLC膜(無氫DLC膜)和含Si的DLC膜(Si-DLC)。兩者在表面處理和設計思路方面與以往有很大的不同點在于,鍍膜本身都沒有單獨的特性,與潤滑油或潤滑油中所含水分的組合,可以明顯降低摩擦力。
為減小活塞環(huán)和缸孔間的摩擦力,因此近年來已開始采用CrN膜替代以往的鍍Cr或氮化處理技術。鍍Cr膜的厚度大約100,而耐磨損性好的CrN膜的厚度很薄只有25,它可減小膜厚度的偏差范圍。結果,不改變活塞環(huán)張力的下限值,只將中間值設定在小一些,就可減小活塞環(huán)和缸孔間的摩擦力。另外,由于CrN膜的磨損量小,因此可以維持活塞環(huán)外表面初期的曲率,抑制伴隨磨損而增加的接觸范圍,這一點也有助于減小摩擦力。