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機油的意義?在光滑的地面“摩擦”!
發布時間:2016-05-09      瀏覽量:1079      分享新聞:

“摩擦”一詞,表述的是兩個物體表面相對運動的現象:機構的運動、物體的變形、化學變化、失效的機理等等。而汽車一般可以分解為好些個系統,每個系統又都由上千個零部件組成,其中的多數都存在著相互運動,這都是我們恰好需要潤滑的原因。

1.你真的知道什么是“摩擦”?

自從打開了微觀世界的大門,我們知道了物體的表面是不平整的,而物體也因此給了我們特別的觸感。比如圖a,物體表面肉眼看到的可能是光滑的,但微觀上起伏不平,有無數的“小山丘”。當然,更精細的方法可以在微觀上得到光滑的平面,比如圖b,藍寶石、鉆石都可能斷裂形成這樣的結果,每一個臺階都是光滑的,但臺階和臺階之間依然存在凸起。工程上為此定義了“粗糙度”這個參數。

物體表面接觸的方式

當兩個物體相接觸時,可能出現c中的情況,實際接觸的是無數個“小山丘”,這些“小山丘”首先會受到力的作用出現變形;也有可能出現d中的情況,另一個物體被臺階所阻礙而難以位移,最后也會因為阻力而產生變形。

不論如何,在兩個物體要發生相對運動的時候,這種“小山丘”或者“小臺階”,就好像有無數牙齒咬在一起,對運動形成阻礙,而材料的變形會積蓄勢能,在壓力消失恢復原狀時勢能轉化為熱能消散,微觀上的表現就是分子之間的撞擊導致了熱運動的加劇,這就是摩擦損失的本質。只要壓力足夠大,“小山丘”受到擠壓發生的變形就無法逆轉,最終會使物體表層更加褶皺,更或者導致整個物體內部失效。

潤滑的意義就是使用機油,將有微觀接觸的兩個面分開,更柔和的傳遞兩個物體之間的作用力,適當的改善變形和磨損的情況。

微觀圖解

磨損作為零部件表面失效最直觀的現象,也就被用來評價潤滑的狀態了。磨損失效有很多種類型,但可以通過多種方式進行歸類,比如磨損的傷痕外觀上可以分為拖痕、刮傷還是溝槽;比如造成損傷的原因是一次強烈的沖擊帶來的磨損,還是千萬次沖擊最終導致的疲勞。

粘性磨損

舉個例子上中黃色部分的是焊接材料,當上半部分黑色的物體相對下方灰色的物體發生移動時,一部分焊接材料被拖動,中間出現了斷裂,這就會導致上下兩個物體焊接不牢。再比如下圖中,紅色物體作為外來的,較為堅硬的顆粒,在運動過程中對較軟的材料造成了損傷,等等。

異物磨損

2.原來保養周期就是依照磨損程度來定義!

不曉得大家對4S店門外經常貼著的幾個保養階段說明是否還有印象?其實那就是依據磨損的程度來進行定義的。

汽車上的幾大系統

第一個階段是所謂的磨合:

零部件表面我們所看不到的“小山丘”,固然是無法完全消除的,但在出廠之期,兩個零件進行相互運動時,“小山丘”的隨機性就會使當中的一部分顯得鶴立雞群,與對面的“小山丘”匹配得不是那么好,牙齒和牙齒咬得更緊,摩擦就變得更大。磨合不能用力過猛,也是擔心這部分“小山丘”引起的不穩定會傷害正常表面。

這部分鶴立雞群的“小山丘”由于更容易受到碰撞,也就優先被磨損掉,直至彼此接觸的棱角消除圓滑世故,達到一種契合。這個階段的磨損因此顯得比較快速,多余被削掉的材料分散進入機油,導致雜質積累的速度也比較快,所以首保要求的里程也比較少。

第二階段是我們正常的使用階段:

即零部件壽命的關鍵。“小山丘”在機油的保護下,磨損依然長期進行,不過相對平緩很多。

但金屬都有一種叫做“疲勞”的特性。不知道大家是否有所體會,一根鐵絲第一次對折是比較費力的,掰直以后進行第二次第三次對折就越來越輕松,直到第七次第八次對折的時候,會突然斷裂。

3.兩個實驗來看磨損

當微觀表面的“小山丘”在千萬次的形變中出現了疲勞,最后即使只施加輕微的受力,都會成為擊垮它的最后一根稻草。所以進入第三階段以后,千萬座“小山丘”開始紛紛倒下,磨損開始加速,導致零部件迅速的進入生命的結尾,也就是維修率大幅提升的階段。

零部件不同壽命階段的磨損速度

下面的例子包含了兩個物品的兩項試驗,從上到下分別是磨合、穩定以及失效的三個階段,微觀上的磨損、劃痕都是一步步開始,越演越烈,直至走向滅亡的。

零部件不同壽命階段的磨損狀態

那么,機油又是如何對磨損進行保護的呢?19世紀末到20世紀這段歷程中,許多科研工作者對機油的研究工作,相關理論也不斷的成熟起來。Stribeck是當中一位先驅,他的貢獻是一條以他名字命名的曲線。

機油對運動件的保護存在三種狀態。假如運動件相互之間間隙很小,則稱為邊界潤滑,此時摩擦系數一般在0.1~0.15之間;當運動件之間間隙足夠大,以至于被油膜分開時,稱為流體潤滑,摩擦系數一般在0.01左右;這兩種之間的過度狀態稱為混合潤滑,針對機械工作狀態以及特定的環境,需要選擇相應的潤滑方式。

Stribeck 曲線

但不論是哪一種方式,既然“小山丘”之間會像牙齒一樣咬緊、發生碰撞,形成摩擦,只要機油適當的將接觸的兩個物體分開,“小山丘”和“小山丘”之間被填充,就能保證它們之間不再相互碰撞。零部件之間這樣一個平滑、穩定的環境,也就是潤滑了。如果一款機油的粘度過低,就無法在運動件之間形成有效的油膜,“小山丘”和“小山丘”最后還是會發生碰撞;而如果一款機油的粘度過高,則粘滯會形成額外的阻力。

4.至于合成機油和礦物機油的差異究竟在哪里?

機油粘度大體上是由分子大小所決定的,分子越大則粘度越高。礦物油的分子大小以及結構復雜多樣,受到外界影響后,當中一部分分子的大小結構會出現變異,最終使粘度發生變化。而合成機油的分子非常一致,相比之下可靠性好太多。

礦物油與合成機油的微觀對比

當然,機油的作用不僅僅是解決摩擦問題而已,它還起到冷卻、清潔以及密封的作用。

鉆木取火是摩擦生熱的結果,如果說冷卻系統帶走的是發動機內燃燒生成的多余熱量,那么機油帶走的實際上就是零部件之間高速運動摩擦產生的熱量。針對機構之間運動的劇烈程度以及環境溫度,選擇不同級別的機油是比較好的做法。

機體內部的雜質來源就非常多了,比如前面提到的磨合階段或者正常工作時磨損掉落的材料,比如發動機燃燒產物殘留等等,都會對“小山丘”造成不必要的傷害,所以也需要機油來充當“清道夫”的角色。細小的微粒會被分散在機油里,而已經生成的大顆粒,或者附著在活塞等位置的積碳,最終都會被機油沖刷掉,帶到油底殼接受過濾。

機油清潔度的評價及測試業內都有相關標準,一般認為顆粒的尺寸與部件運動間隙相當時,會引起嚴重的磨損,直徑在50~100μm以上的大顆粒根本進不到零件之間的間隙,只有5~15μm的顆粒危害是******的,這種尺寸是什么概念呢?一根頭發的直徑約為80μm。對每100ml機油中直徑******的顆粒進行計數,就可以對被測油樣進行一個評級。

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