缸套表面2D－motif參數(shù)對(duì)其摩擦學(xué)特性的影響

李 見(jiàn)， 王 偉， 劉小君， 劉 焜

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

研究表面表征參數(shù)與摩擦學(xué)特性之間的聯(lián)系，能夠?qū)Ρ砻嫘蚊驳脑O(shè)計(jì)與控制提供重要的指導(dǎo)作用，對(duì)工程實(shí)際有重要意義，為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的相關(guān)研究。

文獻(xiàn)［1］以缸套為研究對(duì)象，得出表面的表面粗糙度Ra在0.25～0.40μm、Rz在3～6μm 時(shí)，可以降低缸套油耗，減少碳?xì)浠衔锏呐欧藕湍チ５臄?shù)量；文獻(xiàn)［2－3］定量描述了在缸套不同的磨損階段，缸套內(nèi)表面呈現(xiàn)出不同的表面形貌的特性及這些特性對(duì)表面的形貌設(shè)計(jì)和功能分析的主要作用，并針對(duì)產(chǎn)品性能與表面加工質(zhì)量之間的關(guān)系進(jìn)行分析；文獻(xiàn)［4］基于灰值的形態(tài)學(xué)運(yùn)算方法和閾值技術(shù)，提出一種分析缸套內(nèi)表面的微觀形貌多尺度特性的新方法；文獻(xiàn)［5］在浸油狀態(tài)下以45鋼－銅配副進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，研究表明分形維數(shù)與摩擦力的關(guān)聯(lián)性比其他參數(shù)大，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)兩者成反比關(guān)系；文獻(xiàn)［6］在鋼板上加工出不同紋理的表面，用另一較軟金屬作配對(duì)的摩擦面進(jìn)行油潤(rùn)滑滑動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)，研究了摩擦系數(shù)與粗糙度參數(shù)的關(guān)系；文獻(xiàn)［7］對(duì)具有相似Ra、不同峰態(tài)Rku、偏態(tài)Rsk表面進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到高峰態(tài)Rku值、低偏態(tài)Rsk值都會(huì)導(dǎo)致摩擦力的減少；文獻(xiàn)［8］進(jìn)行表面激光微處理的鋼環(huán)的磨料磨損研究，得到了一些三維參數(shù)與磨損量的關(guān)系。但目前對(duì)于motif參數(shù)與摩擦學(xué)特性的關(guān)聯(lián)性研究很少，因此，本文以缸套－活塞環(huán)摩擦副為研究對(duì)象，以試驗(yàn)為手段，進(jìn)行2D－motif參數(shù)與摩擦學(xué)特性的關(guān)聯(lián)性研究，為motif參數(shù)在工程實(shí)際的應(yīng)用和缸套表面的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和依據(jù)。

1 2D－motif定義及參數(shù)介紹

1.1 2D－motif定義

ISO12085將2D－motif定義為2個(gè)不一定相鄰的局部輪廓峰的最高點(diǎn)之間的原始輪廓部分，如圖1所示。分為粗糙度motif和波紋度motif，在一個(gè)完整的motif里面還可能包括其他較小的motif，單個(gè)motif由平行于輪廓總走向的長(zhǎng)度ARj（或AWj）、垂直于輪廓總走向的2個(gè)深度Hj和Hj＋1（或HWj和HWj＋1）、特征量T＝min（Hj，Hj＋1）來(lái)表征。因此，1個(gè) motif實(shí)際上是由3個(gè)特征點(diǎn)決定的，即兩端的局部峰頂點(diǎn)，以及這2個(gè)峰之間的局部谷底點(diǎn)。

1.2 2D－motif 參數(shù)

Motif法用7個(gè)參數(shù)來(lái)表征所評(píng)定的輪廓，使用參數(shù)少是它的一大特點(diǎn)。各參數(shù)的定義和計(jì)算如下：

（1）粗糙度motif的平均間距AR。AR是評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)所有單個(gè)粗糙度motif長(zhǎng)度ARj的算術(shù)平均值，即

其中，n為評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)所有單個(gè)粗糙度motif的個(gè)數(shù)，以下含義相同。

（2）粗糙度motif的平均深度R。R是評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)所有單個(gè)粗糙度motif深度Hj的算術(shù)平均值，即

（3）粗糙度motif的最大深度Rx。Rx是評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)所有單個(gè)粗糙度motif深度Hj的最大值，即

（4）波紋度motif的平均間距AW。AW是評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)所有單個(gè)波紋度motif長(zhǎng)度AWj的算術(shù)平均值，即

其中，n為評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)所有單個(gè)波紋度motif的個(gè)數(shù)，以下含義相同。

（5）波紋度motif的平均深度W。W是評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)所有單個(gè)波紋度motif深度HWj的算術(shù)平均值，即

（6）波紋度motif的最大深度Wx。Wx是評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)所有單個(gè)波紋度motif的深度HWj的最大值，即

（7）輪廓總深度Wte。Wte是在垂直于原始輪廓總走向的方向上測(cè)量的，原始輪廓上包絡(luò)線的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)之間的距離，如圖2所示。

圖2 Wte及Wx示意圖

Motif法將原始輪廓?jiǎng)澐譃楠?dú)立的幾何單元，motif參數(shù)則反應(yīng)了輪廓不規(guī)則性的幾何尺度，而且這些參數(shù)都是獨(dú)立于輪廓的幅值分布的。通過(guò)R、AR、W、AW以及它們各自的標(biāo)準(zhǔn)差，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)典型輪廓的重構(gòu)［9］。同時(shí)，參數(shù)R和W反映輪廓的垂直信息，參數(shù)AR和AW表示輪廓不規(guī)則性的水平信息，Rx和Wx反映輪廓的溝槽或者紋理信息，Wte粗糙地反映了輪廓的總體信息，這7個(gè)參數(shù)總體能最大程度地反映表面輪廓的真實(shí)信息。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)原理

本試驗(yàn)使用合肥工業(yè)大學(xué)摩擦所研制的往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)使用的缸套、活塞環(huán)均是從實(shí)際缸套、活塞環(huán)上截取，據(jù)前期試驗(yàn)探索和本課題組已有研究成果，設(shè)計(jì)了8組試件具有不同形貌的表面。加工后的試件使用Talyor－Hobson－6型輪廓儀（英國(guó)）對(duì)缸套內(nèi)表面進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)該表面進(jìn)行2D－motif參數(shù)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1所列。

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)各組試件在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行摩擦系數(shù)、磨損量及穩(wěn)定溫度信息采集，以此建立2D－motif參數(shù)與摩擦學(xué)特性的關(guān)聯(lián)性研究，試驗(yàn)機(jī)示意圖如圖3所示。

表1 計(jì)算得到的各組試件motif參數(shù)

圖3 往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)示意圖

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，摩擦副通過(guò)位于實(shí)驗(yàn)臺(tái)頂端的滴油管采用滴油潤(rùn)滑方式將潤(rùn)滑油滴入上試樣，潤(rùn)滑油加入速度為1.5滴／s，每次試驗(yàn)時(shí)間為8h。載荷的施加是通過(guò)使用一個(gè)1∶7的杠桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)采用逐級(jí)加載方式。實(shí)驗(yàn)機(jī)中的往復(fù)機(jī)構(gòu)采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，試驗(yàn)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程為114mm，通過(guò)變頻器來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)選用的潤(rùn)滑油為15W／40CD長(zhǎng)城潤(rùn)滑油，使用TJL－1拉壓傳感器測(cè)量下試件的摩擦力，并通過(guò)熱電偶測(cè)量上試件的溫度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 2D－motif參數(shù)與摩擦學(xué)特性的關(guān)聯(lián)性

3.1.1 AR對(duì)摩擦特性、溫度特性的影響

AR與摩擦特性、溫度特性的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 AR與摩擦學(xué)特性關(guān)系

由圖4a可以看出，AR與摩擦系數(shù)f和穩(wěn)定溫度都表現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性；在AR與摩擦系數(shù)的關(guān)系圖中，當(dāng)AR＞0.165 1時(shí)，隨著AR的增大，摩擦系數(shù)呈減小趨勢(shì)，波動(dòng)性不大，但在最后一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)出現(xiàn)異常。由圖4b可以看出，當(dāng)AR＞0.173 9時(shí)，穩(wěn)定溫度隨著AR的增大總體呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，但有微小的波動(dòng)?？梢?jiàn)AR與摩擦系數(shù)、溫度的關(guān)系密切相關(guān)。

3.1.2 AW對(duì)磨損特性的影響

研究表明表面的AW與磨損特性有較強(qiáng)的規(guī)律性，其關(guān)系如圖5所示。

圖5 AW與磨損量關(guān)系

由圖5可以看出，AW與磨損量關(guān)系曲線出現(xiàn)較大波動(dòng)，AW在區(qū)間［0.693 2 1.123 5］上，磨損量的值隨著AW的增加而減小，但中間有較小波動(dòng)。所以，AW在一定范圍內(nèi)作為評(píng)估磨損量的參數(shù)。

3.1.3 W、Wte對(duì)摩擦學(xué)特性的影響

W在某種程度上能較真實(shí)地反應(yīng)微處理對(duì)摩擦學(xué)特性的影響，對(duì)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑有一定信息反應(yīng)，其與溫度特性和磨損特性的關(guān)系如圖6所示。

由圖6a可知，W與溫度總體來(lái)看呈較強(qiáng)的規(guī)律性，尤其是W在區(qū)間［0.539 9 1.318 2］上，溫度總體上隨著W的增加而減小，只有一個(gè)異常波動(dòng)點(diǎn)，因此其與工件溫度密切相關(guān)。由圖6b可知，W與磨損量的關(guān)系，總體來(lái)說(shuō)有一定規(guī)律。W在［0.290 1 1.270 3］區(qū)間上，磨損量隨著W的增大有微弱的增加，持續(xù)到W＝1.089后，隨著W的繼續(xù)增大，磨損量減小至W＝1.270 3，因此，W與工件磨損量密切相關(guān)。

Wte與磨損量有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，其關(guān)系如圖7所示。

Wte與磨損量呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，總體呈“V”字形曲線，并且基本沒(méi)有異常波動(dòng)，數(shù)據(jù)點(diǎn)2、3的Wte值比較接近，磨損量也非常接近，可以看作是一個(gè)點(diǎn)。

因此，在Wte不大于3.150 9時(shí)，隨著Wte的增大，磨損量增加，在Wte＝3.150 9時(shí)達(dá)到最小值；當(dāng)Wte不小于3.150 9時(shí)，隨著Wte的增大，磨損量增加，至Wte＝5.270 8時(shí)基本穩(wěn)定不變，但是由于Wte＞5.270 8時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)比較少，具體在該區(qū)域與磨損量的關(guān)系還不能確定。可以得出，Wte與磨損量的關(guān)系非常密切，其值的大小可以有效地評(píng)價(jià)工件的磨損量。

圖6 W 與溫度特性、磨損特性關(guān)系

圖7 Wte與磨損量關(guān)系

3.2 實(shí)驗(yàn)前、后各參數(shù)的變化情況

試驗(yàn)前、后參數(shù)的實(shí)際變化情況與理論變化情況是否一致，是進(jìn)一步研究和證明2D－motif參數(shù)的一個(gè)重要方面，為此，考察了試驗(yàn)前后2D－motif各參數(shù)的變化情況，見(jiàn)表2所列。

表2 實(shí)驗(yàn)前后motif參數(shù)變化情況

表2中“↓”表示實(shí)驗(yàn)后參數(shù)值減去實(shí)驗(yàn)前參數(shù)值為“＋”值，即參數(shù)值減小了；“↑”表示參數(shù)實(shí)驗(yàn)前、后對(duì)比參數(shù)增大了。

由表2可知，試驗(yàn)后，參數(shù)AR、R、Rx、W、Wte都較實(shí)驗(yàn)前減小了，AW總體來(lái)說(shuō)是增大的，Wx總體來(lái)說(shuō)是減小的。

對(duì)于粗糙度motif參數(shù)，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，每個(gè)粗糙度motif的長(zhǎng)度都是在減小的，因此AR是減小的，與實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論一致。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每個(gè)粗糙度motif的深度及最大深度都是減小的，因此R和Rx是減小的，實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果也是這樣；對(duì)于波紋度motif參數(shù)，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，每個(gè)波紋度motif的長(zhǎng)度、深度及各個(gè)波紋度motif的最大深度都是減小的，而波紋度motif的個(gè)數(shù)卻在減小，這是因?yàn)殡S著試驗(yàn)的進(jìn)行，許多局部波紋度材料部分被去除，特別是波紋度中“峰”部分，因此，參數(shù)W、Wx減小，而AW增大。由表2可以看出，雖然AW的變化出現(xiàn)異常點(diǎn)，但極少，總體變化還是呈現(xiàn)增大趨勢(shì)的，所以，試驗(yàn)獲取的參數(shù)W、Wx和AW的變化和理論得到的是一致的；對(duì)于包絡(luò)線方面的信息，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，試件的上層材料或者局部峰必然會(huì)有減少，因此Wte從理論上說(shuō)是減小的，與表中一致。

因此，通過(guò)試驗(yàn)，本研究得到的實(shí)驗(yàn)前、后2D－motif參數(shù)的變化情況與理論相符。

4 結(jié)論

（1）本文研究得到了與摩擦系數(shù)關(guān)系密切的參數(shù)是AR；與溫度關(guān)系密切的參數(shù)有AR、W；與磨損量關(guān)系密切的參數(shù)是Wte，有一定相關(guān)的參數(shù)是AW、W。

（2）研究發(fā)現(xiàn)，波紋度motif參數(shù)對(duì)溫度特性、磨損特性都起到主要的作用，而粗糙度motif參數(shù)與摩擦特性的關(guān)聯(lián)性比較密切。

（3）運(yùn)用試驗(yàn)手段，檢驗(yàn)了試驗(yàn)過(guò)程中2D－motif參數(shù)工作前、后的變化情況與理論的一致性，為進(jìn)一步的研究提供試驗(yàn)基礎(chǔ)，也為2D－motif參數(shù)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)結(jié)果。

本文以缸套－活塞環(huán)摩擦副為研究對(duì)象，運(yùn)用試驗(yàn)的手段，對(duì)缸套內(nèi)表面的motif參數(shù)與摩擦學(xué)特性的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究，研究成果為工程實(shí)際缸套的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

［1］Affenzeller J，Lagerung G H，von Verbrennungsmotoren S.Bearings and lubrication of internal combustion engines［J］.Die Verbrennungskraftmaschine，1996，8：397.

［2］劉小君，劉 焜.缸套表面形貌磨損特性的研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2000，19（1）：133－134.

［3］劉小君，方新燕，劉 焜，等.產(chǎn)品性能與加工表面質(zhì)量設(shè)計(jì)［J］.合 肥 工 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)：自 然 科 學(xué) 版，2005，28（7）：781－783，823.

［4］劉小君，劉 焜，方新燕，等.內(nèi)燃機(jī)缸套三維表面形貌多尺度特性研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2007，25（5）：475－479.

［5］黃傳輝，夏曉雷.磨粒分形維數(shù)與摩擦狀態(tài)相關(guān)性的研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2007，18（13）：1598－1600.

［6］Pradeep L M，Kishore，Kailas S V.Influence of roughness parameters on coefficient of friction under lubricated conditions［J］.Sādhanā，2008，33（3）：181－190.

［7］Marko S，Bojan P，Joze V.Modeling of surface topography for reduced friction［C］／／Proceedings of the 9th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis，2008：485－490.

［8］Pawlus P，Galda L，Dzierwa A，et al.Abrasive wear resistance of textured steel rings ［J］. Wear，2009，267：1873－1882.

［9］Dietzsch M，PapenfuβK，Hartmann T.The motif－method（ISO 12085）：a suitable description for functional manufactural and metrological requirements［J］.Int J Machine Tools and Manufact，1998，38（5／6）：625－632.