[发现机油]第三期:机油的意义?在光滑的地面

专注于机械行业、专业、职业信息分享

服务于制造业百万工程师

推荐阅读

【见多识广】不可思议，燃气管道泄露，带火就焊接！

【专业积累】伺服电机故障分析大总结

【制造之美】手工斯特林发动机，机械人快动手打造一台吧

正文

“摩擦”一词，表述的是两个物体表面相对运动的现象：机构的运动、物体的变形、化学变化、失效的机理等等。而汽车一般可以分解为好些个系统，每个系统又都由上千个零部件组成，其中的多数都存在着相互运动，这都是我们恰好需要润滑的原因。

1.你真的知道什么是“摩擦”？

自从打开了微观世界的大门，我们知道了物体的表面是不平整的，而物体也因此给了我们特别的触感。比如图a，物体表面肉眼看到的可能是光滑的，但微观上起伏不平，有无数的“小山丘”。当然，更精细的方法可以在微观上得到光滑的平面，比如图b，蓝宝石、钻石都可能断裂形成这样的结果，每一个台阶都是光滑的，但台阶和台阶之间依然存在凸起。工程上为此定义了“粗糙度”这个参数。

物体表面接触的方式

当两个物体相接触时，可能出现c中的情况，实际接触的是无数个“小山丘”，这些“小山丘”首先会受到力的作用出现变形；也有可能出现d中的情况，另一个物体被台阶所阻碍而难以位移，最后也会因为阻力而产生变形。

不论如何，在两个物体要发生相对运动的时候，这种“小山丘”或者“小台阶”，就好像有无数牙齿咬在一起，对运动形成阻碍，而材料的变形会积蓄势能，在压力消失恢复原状时势能转化为热能消散，微观上的表现就是分子之间的撞击导致了热运动的加剧，这就是摩擦损失的本质。只要压力足够大，“小山丘”受到挤压发生的变形就无法逆转，最终会使物体表层更加褶皱，更或者导致整个物体内部失效。

润滑的意义就是使用机油，将有微观接触的两个面分开，更柔和的传递两个物体之间的作用力，适当的改善变形和磨损的情况。

微观图解

磨损作为零部件表面失效最直观的现象，也就被用来评价润滑的状态了。磨损失效有很多种类型，但可以通过多种方式进行归类，比如磨损的伤痕外观上可以分为拖痕、刮伤还是沟槽；比如造成损伤的原因是一次强烈的冲击带来的磨损，还是千万次冲击最终导致的疲劳。

粘性磨损

举个例子上中黄色部分的是焊接材料，当上半部分黑色的物体相对下方灰色的物体发生移动时，一部分焊接材料被拖动，中间出现了断裂，这就会导致上下两个物体焊接不牢。再比如下图中，红色物体作为外来的，较为坚硬的颗粒，在运动过程中对较软的材料造成了损伤，等等。

异物磨损

2.原来保养周期就是依照磨损程度来定义！

不晓得大家对4S店门外经常贴着的几个保养阶段说明是否还有印象？其实那就是依据磨损的程度来进行定义的。

汽车上的几大系统

第一个阶段是所谓的磨合：

零部件表面我们所看不到的“小山丘”，固然是无法完全消除的，但在出厂之期，两个零件进行相互运动时，“小山丘”的随机性就会使当中的一部分显得鹤立鸡群，与对面的“小山丘”匹配得不是那么好，牙齿和牙齿咬得更紧，摩擦就变得更大。磨合不能用力过猛，也是担心这部分“小山丘”引起的不稳定会伤害正常表面。

这部分鹤立鸡群的“小山丘”由于更容易受到碰撞，也就优先被磨损掉，直至彼此接触的棱角消除圆滑世故，达到一种契合。这个阶段的磨损因此显得比较快速，多余被削掉的材料分散进入机油，导致杂质积累的速度也比较快，所以首保要求的里程也比较少。

第二阶段是我们正常的使用阶段：

即零部件寿命的关键。“小山丘”在机油的保护下，磨损依然长期进行，不过相对平缓很多。

但金属都有一种叫做“疲劳”的特性。不知道大家是否有所体会，一根铁丝第一次对折是比较费力的，掰直以后进行第二次第三次对折就越来越轻松，直到第七次第八次对折的时候，会突然断裂。

3.两个实验来看磨损

当微观表面的“小山丘”在千万次的形变中出现了疲劳，最后即使只施加轻微的受力，都会成为击垮它的最后一根稻草。所以进入第三阶段以后，千万座“小山丘”开始纷纷倒下，磨损开始加速，导致零部件迅速的进入生命的结尾，也就是维修率大幅提升的阶段。

零部件不同寿命阶段的磨损速度

下面的例子包含了两个物品的两项试验，从上到下分别是磨合、稳定以及失效的三个阶段，微观上的磨损、划痕都是一步步开始，越演越烈，直至走向灭亡的。

零部件不同寿命阶段的磨损状态

那么，机油又是如何对磨损进行保护的呢？在前几次我们对机油历史的介绍里，已经提到了19世纪末到20世纪这段历程中，许多科研工作者对机油的研究工作，相关理论也不断的成熟起来。Stribeck是当中一位先驱，他的贡献是一条以他名字命名的曲线。

机油对运动件的保护存在三种状态。假如运动件相互之间间隙很小，则称为边界润滑，此时摩擦系数一般在0.1~0.15之间；当运动件之间间隙足够大，以至于被油膜分开时，称为流体润滑，摩擦系数一般在0.01左右；这两种之间的过度状态称为混合润滑，针对机械工作状态以及特定的环境，需要选择相应的润滑方式。

Stribeck 曲线

但不论是哪一种方式，既然“小山丘”之间会像牙齿一样咬紧、发生碰撞，形成摩擦，只要机油适当的将接触的两个物体分开，“小山丘”和“小山丘”之间被填充，就能保证它们之间不再相互碰撞。零部件之间这样一个平滑、稳定的环境，也就是润滑了。如果一款机油的粘度过低，就无法在运动件之间形成有效的油膜，“小山丘”和“小山丘”最后还是会发生碰撞；而如果一款机油的粘度过高，则粘滞会形成额外的阻力。

一款机油能否在特定的环境下建立起油膜，某种程度上也象征着其耐磨性的能力，试验室里是如何来进行测试的呢？这里想和大家分享的是，70~80年代发生的一件有意思的事。当时的机油技术已经发展到了一定程度，也就是前几次我们提到的厂商们纷纷开始吹嘘自己产品的那段时间，一次换油终生维护等等让人脸红心跳的广告不断刷新节操的底线。

被各种科研机构纷纷打脸以后，类似的广告开始收敛成“16万公里换油”，再下降到“8万公里换油”，短短的时间里这个数据落入凡间。这次事件当中，针对机油耐磨性的考察，美国国家标准技术研究所(NIST)提出了著名的四球耐磨测试。

四球耐磨测试

这项测试会将机油淋浴在三个钢球之上，用一定的压力将第四个钢球挤向其他三个围成的中心并旋转。试验结束时这些小球的温度越低，表面的伤痕越少，则说明受到的摩擦力越小，机油的耐磨性越强。下图这个案例当中，S牌的三种产品测试结束时小球表面伤痕都是最多的，M牌的5W40半合成产品做的最好，C牌看起来比较擅长调配全合成系列，而3M的表现相对比较稳定。

耐磨性对比

4.至于合成机油和矿物机油的差异究竟在哪里？

机油粘度大体上是由分子大小所决定的，分子越大则粘度越高。矿物油的分子大小以及结构复杂多样，受到外界影响后，当中一部分分子的大小结构会出现变异，最终使粘度发生变化。而合成机油的分子非常一致，相比之下可靠性好太多。

矿物油与合成机油的微观对比

当然，机油的作用不仅仅是解决摩擦问题而已，它还起到冷却、清洁以及密封的作用。

钻木取火是摩擦生热的结果，如果说冷却系统带走的是发动机内燃烧生成的多余热量，那么机油带走的实际上就是零部件之间高速运动摩擦产生的热量。针对机构之间运动的剧烈程度以及环境温度，选择不同级别的机油是比较好的做法。

机体内部的杂质来源就非常多了，比如前面提到的磨合阶段或者正常工作时磨损掉落的材料，比如发动机燃烧产物残留等等，都会对“小山丘”造成不必要的伤害，所以也需要机油来充当“清道夫”的角色。细小的微粒会被分散在机油里，而已经生成的大颗粒，或者附着在活塞等位置的积碳，最终都会被机油冲刷掉，带到油底壳接受过滤。

机油清洁度的评价及测试业内都有相关标准，一般认为颗粒的尺寸与部件运动间隙相当时，会引起严重的磨损，直径在50~100μm以上的大颗粒根本进不到零件之间的间隙，只有5~15μm的颗粒危害是最大的，这种尺寸是什么概念呢？一根头发的直径约为80μm。对每100ml机油中直径最大的颗粒进行计数，就可以对被测油样进行一个评级，比如下面的照片是不同品牌机油高温下的清洁性测试结果，对比3M和品牌A，目视就可感受到一级和二级的区别。

清洁性比较

这次就先说到这，下次我们来谈谈发动机上的润滑系统吧。

文章作者：Zero 转自：途虎养车