全 文 ：第 vz卷 第 w期
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林 业 科 学
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手提二冲程汽油机镀双金属气缸的研究
刘长生
k中南林学院 株洲 wtussyl
摘 要 } 手提二冲程汽油机在我国的产量较大 ∀但受气缸工作特点 !结构 !材料和表面强化技术的限制 o它
的使用寿命一直低于 {ss «∀本文作者从摩擦学的角度出发 o对气缸寿命不长的原因进行了全面地分析 o并在
此基础上研究出新型的镀双金属气缸 ∀试验数据表明 o在当前国内制造厂现有的技术条件下 o可以将气缸的
寿命提高到 tsss «∀
关键词 } 手提二冲程汽油机 o镀双金属汽缸
收稿日期 }usss2s|2sw ∀
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Κεψ ωορδσ} ‹¤±§·º²2¶·µ²®¨ ª¤¶²¯¬±¨ ±¨ª¬±¨ o°¯¤·¬±ª¦¼¯¬±§¨µº¬·«·º² ¤¯¼¨ µ¶²© °¨ ·¤¯¶
手提二冲程汽油机 o主要是用来作为手提式机动工具的动力机而设计的 ∀对于这类发动机的要求 o
首先是功率大 !重量轻和结构简单 ∀目前 o国产机的升功率k®•Πl和比质量k®ªΠ®• l已达到很高的水
平 o但发动机的使用寿命k主要指气缸l o由于受到国内制造厂气缸壁表面强化技术的限制 o一直在 yss «
∗ {ss «左右 o难超过 tsss «大关 ∀虽然有关厂家也做了不少努力 o但收效不大 ∀能不能在国内制造厂
现有的技术条件下 o对这一问题做出明显的改善 o下面从摩擦学的角度对这一问题进行一些分析 o并介
绍我们的一些改进方法 ∀
t 气缸壁磨损过快的原因
摩擦学是研究相接触运动的物体之间 o有关摩擦 !磨损和润滑的一门科学 ∀摩擦学认为 o相接触的
运动物体 o由于受到重力和物体运动力的作用 o再加上这些物体相接触的表面不可能是绝对光滑的 o必
然有一定的粗糙度 ∀这样 o它们在相对运动的过程中 o接触表面之间就会产生摩擦k故接触表面也称摩
擦表面l o而磨损则是摩擦的必然结果 o润滑则是降低摩擦 !减小磨损的最有效手段k温诗铸 ot||sl ∀
1 .1 气缸 ) 活塞组摩擦表面润滑油的成膜条件差
气缸 ) 活塞组k包括活塞环 !活塞等l是一组配合运动的摩擦副 o它们是处在高温 !高压 !振动以及摩
擦负荷较大的条件下工作的 ∀既就是对于那些设有专门的润滑机构 o润滑油成膜条件较好的中等转速
kvsss ∗ wsssµΠ°¬±l水冷四冲程发动机k如汽车发动机l o其缸壁上润滑条件最好的中部 o油膜厚度也不能
达到完全弹性流体动压润滑的状态 o至多达到部分弹流动压润滑的状态k图 t o¤!¥l o这时摩擦表面的油
膜很薄ks qz Λ°k重负荷l ∗ u qu Λ°k轻负荷ll且连续程度仅为 wx h ∗ zs h ∀所以 o气缸 ) 活塞组摩擦表
面金属粗糙峰的接触机会比较多 o磨损是不可避免的 ∀
对于无专门的润滑机构 o仅靠汽油中添加少量润滑油进行润滑的手提二冲程汽油机 o润滑条件最好
的气缸中部 o油膜厚度  s qv Λ° o连续程度仅为 us h以下 o基本上是处于半干摩擦的条件下工作 o摩擦表
面金属粗糙峰的接触机会十分频繁 o磨损率是较高的k图 t o¦l ∀而在气缸壁的上下两个死点区k尤其是
上死点区l o由于活塞组运动方向的急剧改变 o甚至还会将气缸壁上已形成的极薄的一层润滑油膜完全
撕裂 o出现干摩擦区 o造成摩擦表面的金属直接接触 o摩擦系数大增k从 s qsu增至 s qul o最终导致磨损率
急剧提高 ∀另外 o再加上手提二冲程汽油活塞组的行程很短k仅几十 °°l o半干摩擦区所占的比例就更
大 o这就是气缸使用寿命不长的 t个原因k刘长生 ot||{l ∀
图 t 摩擦表面润滑状态示意图
ƒ¬ªqt „ ¶®¨·¦« °¤³²© ∏¯¥µ¬¦¤·¬±ª¶·¤·¨ ²±©µ¬¦·¬²± ¶∏µ©¤¦¨
¤q完全弹性流体压润滑 ∏¥µ¬¦¤·¬±ªº¬·«¦²°³¯ ·¨¨ ¨¯¤¶·¬¦2¯ ¬´∏¬§³µ¨¶¶∏µ¨ ~
¥q部分弹性流体动压润滑 ∏¥µ¬¦¤·¬±ªº¬·«³¤µ·¨ ¤¯¶·¬¦2¯ ¬´∏¬§³µ¨¶¶∏µ¨ ~¦q半干摩擦 ‹¤¯©§µ¼©µ¬¦·¬²±q
1 .2 从气缸壁的材料上分析
t qu qt 镀硬铬气缸壁的贮油性与磨合性差 机械磨损可以分为磨粒磨损 !粘着磨损 !腐蚀磨损和疲劳
磨损 w种基本类型 ∀在这 w种磨损种 o一般以磨粒磨损最为普遍 o约占 xs h ∀也就是说 o机械的磨损中
约有一半是由磨粒磨损造成的 ∀对于抵抗磨粒磨损 o摩擦学认为最有效的手段有两条 }ktl提高摩擦表
面的硬度 o降低磨粒对其的磨损能力 ~kul增大摩擦表面润滑油膜的厚度 o尽量减少摩擦表面金属粗糙峰
的接触频率k材料耐磨抗蚀及其表面技术丛书编委会 ot|{yl ∀
手提二冲程汽油机的气缸体 o是采用硬度较低的铝合金压力铸造成型的 ∀为了提高缸壁抵抗磨粒
磨损的能力 o简单的做法是在缸壁上镀上一层硬度较高且与多种材料配合时摩擦系数均较低的耐磨铬 ∀
从镀铬层的结构上来看 o可分为微孔铬 !微裂纹铬和硬铬 v种 ∀实际测试数据表明 o前两种铬层 o由于微
孔和微裂纹为贮存润滑油的结构 o摩擦条件相对较好 o不但缸壁的磨损率比较低 o而且与之相配合的活
塞组的磨损率也较低k刘长生 ot||{l ∀但这两种铬层的电镀工艺和镀液成分复杂 ~而且微裂纹铬还得采
用价格较昂贵的镍首先在缸壁表面形成高应力底层 o利用镍层的高应力使镀在其表面的铬层产生微裂
纹 ∀鉴于上述两种发达国家多采用的铬层电镀技术难度很大 o现在国内厂家仅采用镀硬铬层的工艺 ∀
气缸壁电镀硬铬层具有硬度高k‹∂{{s ∗ tussl !熔点高kt{wx ε l和导热性高k热导率 Κ€ y| qs{ • #
°ptŽptl的优点之外 o还有良好的耐腐蚀性 ∀不过 o电镀硬铬层有一个十分明显的缺点 }由于结构比较
致密 o因而贮油性和磨合性差 ∀贮油性差 o意味着缸壁吸附和贮藏润滑油的能力差 o这无疑会加剧气缸
壁的磨损 ~磨合性差 o不但延长发动机的磨合时间 o甚至在磨合初期 o就可能造成硬度较低一些的活塞组
的摩擦表面 o因缺少足够的润滑油而被缸壁表面金属铬的粗糙峰所刮伤 ∀显然 o带有刮伤痕迹的活塞组
在以后工作中又会反过来加快缸壁的磨损率 o使缸壁的使用寿命锐减 ∀这也是气缸使用寿命不长的第
u个原因 ∀
t qu qu 镀铬层高硬度的优势无法充分发挥 气缸 ) 活塞组是配合比较精密的摩擦副 ∀手提二冲程汽
油机缸壁磨损不到 s qts °°时 o就会因其功能下降太多或根本无法工作而报废 ∀另外 o铬的价格也较
高 o因此 o这种汽油机缸壁镀铬层的厚度也仅在 s qtu ∗ s qtzx °°∀然而 o由于作为缸壁的基体材料 ) ) )
铝合金的硬度太低k‹…≥ys ∗ zsl o极有可能因它对铬层的支撑力不足而产生有害的蛋壳效应 o致使镀铬
层在工作过程中受到比较大的摩擦负荷而产生变形 o最终在活塞组的反复摩擦和发动机的强烈振动下
|{ 第 w期 刘长生 }手提二冲程汽油机镀双金属气缸的研究
崩落下小的碎片 ∀崩落的铬层小碎片由于硬度很高 o它夹在气缸 ) 活塞组的摩擦表面之间 o则会发生严
重的磨粒磨损 o其结果使这组摩擦副在短时间内磨损率增高数倍 ∀这也造成气缸壁磨损较快的第 v个
原因 ∀
u 克服方法
由以上分析可以看出 o要想提高气缸一活塞组的使用寿命 o只有设法提高作为基础件 ) ) ) 气缸壁的
润滑效果 o改善其摩擦条件 o才能有效地减少它与配对件 ) ) ) 活塞组的磨损强度 ∀从这一点出发 o我们
应从下面 u个方面着手改进气缸壁的镀硬铬层 }保证镀铬层高硬度的特点充分发挥 ~提高镀硬铬层的贮
油性和磨合性 ∀
2 .1 镀双金属气缸的研制
u qt qt 在镀铬层与铝合金气缸壁之间电镀过渡层 由前面分析可知 o要发挥缸壁镀铬层的硬度优势 o
必须设法提高铬层下面基体材料的硬度 o以克服高硬度的薄铬层在较软的铝合金表面形成的蛋壳效应 ∀
受铸造铝合金材料本身固有缺点的限制 o在当前的技术条件下 o要想大幅度提高其硬度几乎是不可能
的 o只有另找出路 ∀经我们对气缸铝合金材料的分析后 o决定采用镀双金属工艺 o即缸壁在镀硬铬层之
前预先镀上一层硬度适中 !工艺较简单的其他材料 o作为硬铬层与铝合金之间的过渡层 ∀
由于镀硬铬层的硬度较高k  ‹∂{{sl o要保持很薄的镀铬层的功能 o铬层下面过渡层材料的硬度必
须达到 ‹∂wss ∗ xss o抗拉强度应为 uss ∗ uxs ³¤∀对于过渡层的厚度 o从力学计算和发动机的工作特
点来分析 o以 s qx ∗ s qy °°为宜 ∀过薄 o则会因其强度不足 o很难起到对铬层的支撑作用 ~过厚 o将直接
影响气缸体的散热能力 o使缸壁温度过高而加速润滑油的炭化 o形成更多的积炭 o增大活塞组的运动阻
力 o造成发动机功率下降 ∀另外 o还可能由于过渡层与铝合金材料的热胀系数不同 o使两种材料在高温
下分离 ∀对于几种可以做为过渡层的材料筛选后 o我们决定采用电镀铁层 ∀
电镀铁层呈银白色 o由于其组织在电镀过程中产生的超细晶粒强化 !应力强化和弥散强化的作用 o
不但硬度高达 ‹∂xss左右 o而且抗拉强度也可达 uss °¤o完全可以支撑起镀在其表面的硬铬层 o使镀
铬层的高硬度优势得以充分地发挥 ∀电镀铁层的另一优点是沉积速度快ks qw ∗ s qy °°Π«l o电能和原料
消耗以及废液的净化处理成本均不高k镀铁成本为镀硬铬的 tΠtsl ∀
u qt qu 提高镀铁层与气缸壁的结合强度 摩擦学的研究表明 o每种材料都有自己的电极电位k表面处理工
艺手册编委会 ot||tl∀要使两种材料结合强度高 o它们的电极电位值应该相差较大 o而且最好为正负电极
电位 ∀由于铁的电极电位k p s qwwv ∂l与铝k p t qyyu ∂l均为负值 o显然它们直接结合的强度不能高 ∀为此 o
在电镀铁层之前 o我们在铝合金缸壁上预先电镀了一层薄薄的铜层 o利用铜的电极电位k n s1xut ∂l与铁和
铝相差均很大 o因而结合强度高的特点 o使镀铁层与气缸壁牢固结合在一起 ∀
2 .2 提高气缸壁表面的润滑效果
图 u 气缸壁镀铁层表面的贮油花纹
ƒ¬ªqu ƒ¬ª∏µ¨¶©²µ¶·²µ¬±ª²¬¯ ²±·«¨ ³¯¤·¬±ª¬µ²± ¶∏µ©¤¦¨
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¤q锯齿状 ≥¨ µµ¤·¬²±·¼³¨ ~¥q圆穴状 ‹²¯ ¶¨·¼³¨ q
u qu qt 气缸壁表面滚压贮油花纹 为了克服气缸壁
电镀硬铬层贮油性和磨合性差的这一缺点 ∀我们在
镀铬之前 o先用专门制造的硬质合金小滚轮在镀铁层
表面滚压出一定宽度和深度的花纹状沟槽 ) ) ) 贮油
花纹k图 ul o然后再镀铬 ∀由于铬的电极电位k p
s1zwwl与铁的接近 o铁层表面不能直接镀铬 o故这里
也采用了镀铜 n硬铬层的工艺 ∀
由于气缸壁镀铁层表面的贮油花纹有一定的宽
度和深度 o它们在缸壁表面的镀铬层经最终珩磨之后
仍然能保留下来 o形成了缸壁表面润滑油的贮藏室 ∀
随着活塞组对气缸壁的不断磨损 o沟槽内贮存的润滑
s| 林 业 科 学 vz卷
图 v 气缸壁表面贮油花纹孔隙率
对气缸一活塞环的磨损影响
ƒ¬ªqv Œ±©¯∏¨ ±¦¨ ²©³²µ²¶¬·¼µ¤·¨ ²©·«¨
µ¬±ª²¬¯©¬ª∏µ¨¶²±©∏µ©¤¦¨ ²©¦¼¯¬±§¨µº¤¯¯
²±·«¨ ©µ¬¦·¬²± ²©¦¼¯¬±§¨µ2³¬¶·²±µ¬±ª
t q气缸壁 ≤¼¯¬±§¨µº¤¯¯~u q活塞环 °¬¶2
·²± µ¬±ª~ v q抗刮伤性 „±·¬2¶¦µ¤³¬¥¬¯¬·¼q
Αδ ) 贮油花纹面积k沟槽面积l ~ Αs )
整个气缸壁的接触面积 ~ Αδ ) „µ¨¤ ²©
¶·²µ¬±ª²¬¯©¬ª∏µ¨¶k⁄¬·¦«¤µ¨¤l ~ Αs ) ≤²±2
·¤¦·¬±ª¤µ¨¤²©·«¨ º«²¯¨¦¼¯¬±§¨µº¤¯¯
油将不断地对摩擦表面予以补充 ∀试验表明 o贮油花纹沟槽内贮存的润
滑油 o对气缸一活塞组的润滑条件有明显的改善 }发动机磨合结束后 o拆
下气缸用放大镜检查 o发现缸壁 !活塞环 !活塞的摩擦表面十分光洁 o没
有出现因润滑油不足而产生的刮伤痕迹 ~发动机工作 uss «!wss «!yss «
和 {ss «后 o分别拆下气缸用内径百分表检查 o发现镀双金属气缸的磨
损量比原先的少 ~发动机工作 {ss «后 o在测功机的检测表明 o采用镀双
金属气缸的发动机功率下降 ts h ∗ tx h o而原先的已下降 vs h左右k有
许多台发动机的气缸因报废而无法工作了l ∀
u qu qu 贮油花纹面积的确定 气缸壁贮油花纹的面积k即花纹沟槽面
积l o占整个缸壁活塞组接触面积的百分率 ) ) ) 孔隙率k ΑδΠΑsl o对气缸
一活塞组的磨损率有明显的影响 ∀为了确定孔隙率的最佳值 o我们分别
做了几组不同孔隙率的气缸进行了试验 ∀试验表明 o当孔隙率为 us h
∗ ux h时 o磨损率最低 o而抗刮伤性则当孔隙率达 ux h ∗ vs h时为最佳
k图 vl ∀从图上可以看出 o当孔隙率增加初期 o缸壁表面贮存油能力得
到了提高 o同时缸壁表面凸起部分k即没有滚上沟槽的部分l的强度还未
受到明显的削弱 ∀贮油能力的提高 o使得气缸一活塞组的抗刮伤能力得
以提高 ∀但贮油花纹面积超过一定极限后kvs h ∗ vx h l o镀铬层会因沟
槽太密而强度下降 ∀这样 o缸壁的镀铬层在活塞环的摩擦负荷的作用下
会产生剥落现象 o剥落的有尖锐棱角的硬质铬颗粒将明显增大气缸壁与
活塞环之间的磨损强度 o甚至还有可能直接将这两个零件的摩擦表面刮
伤 ∀
v 结论
铝合金气缸壁镀硬铬层下面衬以 s qx °°厚的硬度较高的镀铁层之后 o消除了镀铬层与铝合金缸壁
因硬度相差太大而产生的蛋壳效应 ∀由于缸壁上的硬度较高的镀铁层的支持 o镀铬层高硬度的特点得
以充分发挥 o抗磨粒磨损的能力得到增强 o气缸壁的磨损率明显下降 ∀
气缸壁镀铬层表面贮油花纹的存在 o使得气缸一活塞组之间润滑条件得到了改善 o对其磨损率过高
的缺点在相当程度上得以抑制 o磨合初期刮伤的可能性更少 o使用寿命显著延长 ∀
由于试件不多 o但试验结果还是令人满意的 ∀镀双金属气缸的使用寿命比原先的提高了 s qx ∗ t倍
k即高者已突破 tsss «大关l o同时 o缸壁相配合的活塞环的使用寿命也提高了 s qx倍左右 ∀
由于是试验 o镀双金属气缸几乎为单件生产 o所以成本比原先增加了几十元 ∀若成批生产 o成本会
降低一些 ∀
参 考 文 献
表面处理工艺手册编委员会 q表面处理工艺手册 q上海 }上海科学技术出版社 ot||t o|
材料耐磨抗蚀及其表面技术从书编委会 q材料耐磨抗蚀及表面技术概论 q北京 }机械工业出版社 ot|{y otw
刘长生 q汽车摩擦学 q合肥 }安徽科学技术出版社 ot||{ qvu ouvt ∗ uv{
温诗铸 q摩擦学原理 q北京 }清华大学出版社 ot||s ot
t| 第 w期 刘长生 }手提二冲程汽油机镀双金属气缸的研究