EHL视频的文案

今天想和大家聊聊润滑的话题。几个月前在一个微信群里看到一篇汽车养护的营销文，里面有一段关于机油选择的内容是这么说的：“不同发动机的气缸与气缸壁的间隙是不同的，间隙小的就要用粘度低的机油，而间隙大的就要用粘度高的机油”。

我相信很多人看了这句话，大概率会觉得：“对啊，那不然嘞？”但是在我的认知里，这个结论是有问题的。首先，我理解这个说法包含了三个逻辑前提：1.粘度越高，润滑油膜的形成能力越强。2.油膜的厚度受制于既有外部空间，也就是那个间隙，有多大地，耕多大田。3.构成间隙的零件，也就是活塞和气缸壁为刚体，所以间隙是固定不变的。第一个前提没有问题，问题出在第二和第三个逻辑前提。依照这个逻辑，采用负间隙，也就是施加了预压的滚动轴承，是不是就不用加油润滑了？反正实际间隙为零，已经没有构成油膜的空间了。

有些网友看到这里可能会心生疑惑：这个负间隙是什么鬼？难道轴承里的钢珠还能穿模到那两个圈圈里不成？这里让我们用一支圆珠笔来复习一下上期视频里对预压的解释。

一个线圈弹簧两端的弹簧座之间的距离如果大于弹簧的自由高度，那么座间距离减去弹簧的自由高度就是间隙，显然这是个正值。相应地，当座间距离小于弹簧的自由高度时，这个差值就变负值，这就是理论负间隙。实际组装起来时当然不可能发生弹簧穿透的情况，而是弹簧和弹簧座紧密接触(=间隙为0)，且弹簧被压缩相应的长度。由此产生了一个预压，大小等于负间隙的绝对值乘以弹簧弹性系数。这个压力由弹簧座来承担。所以负间隙和预压状态这两个概念基本可以画上等号。

把这个情况挪到滚动轴承上，滚子和内外轮都不是刚体，而是弹性体。因此我们可以把滚子想象成一个弹簧。如果外圈的内径和内圈的外径之差小于滚子的直径乘以二，滚子就会被弹性压缩，使轴承内部产生预压。(当然，这个时候内外圈轨道面的接触位置也会发生相应的弹性形变。)我们姑且先把轴承如何产生这种负间隙/预压状态，以及为什么会需要这样的状态放到一边，等下期聊轴承的时候再讲。如果我们对轴承施加外力，那么这个外部负载就会分走或者取代预压，成为压缩负载侧滚子的来源。而站在轨道轮的立场上，他感受到了来自滚子的亲密接触，这种接触还伴随着沉重的压迫感(接触压力)。至于这个压迫的来源是负间隙产生的预压，还是来自外部的负载，谁知道呢？而流体润滑研究的正是这种伴随着压迫(有负载或预压)的亲密接触(零间隙)状态下，两个接触物体间的油膜形成状况。

在切入正题前，先叠个Buff(做个免责声明)：以下我的论述都基于轴承应用，对于活塞和缸壁之间的油膜计算，不见得完全和滚动轴承或者滑动轴承一致，所以对于拉缸问题的思考仅供参考(我没有查阅相关资料，但我相信理论部分有共通之处)

然后给一个粗糙的结论：谈机油润滑时不谈速度，负载和温度，就谈油膜，那都是瞎扯。拿既存间隙说话是瞎扯中的瞎扯。那么轴承行业里是怎么评判油膜的呢？无论是滚动还是滑动，大手厂商采用的都是EHL理论，即弹性流体润滑(Elasto-hydrodynamic Lubrication)。为了证明我所言非虚，我放出几个著名的轴承厂商的网页或者技术资料作为佐证。

这个EHL和比他更早出现的流体润滑(HL)的不同之处在于。传统流体润滑认为流体，也就是润滑油的粘度各处相等，而EHL则认为这个粘度受到外部压力的影响而变化。压力越高，局部的粘度就变得越大。注意我这里说的不是输送润滑油的压力，而是两个零件接触面之间的压力(赫兹接触力)。如果你无法想象这种现象，那么可以先退出去，在B站搜索“非牛顿流体”，看看相关的视频，你大概就有概念了。这种粘度变化的程度取决于“压力粘度系数”这个特性。如果压力粘度系数很高，且外部压力又很大，那么承受压力的局部油液甚至能像固体一样硬，就跟玻璃和沥青有点类似。基于这个特性，高速滚动，不断碾压着油液的轴承零件，啃不动迎面而来的局部高粘度的润滑油，又拗不过后方的负载，那只好委屈自己发生弹性形变。由此，本来应该是紧密接触的两个零件间硬是被润滑油打开了一片空间。而根据油膜形成的厚度和摩擦副里两个部件的表面粗糙度的倍率关系，我们就可以定义出境边界润滑，混合润滑和流体润滑这些关系。

基于这套理论，数个研究者拟合出了一些计算式，来获得和试验非常接近的数值结果。比方说刚才引用的NSK的资料里就已经出现了一个Dowson-Higginson的用来计算最小油膜厚度hmin的计算式

这个式子看着很简单，只有三个变量：速度变量U，负载变量W和材料变量G，但是每个变量都可以各自分解出一个式子

除此之外，我的老东家会用Archard-Cowking计算式来计算点接触，也就是滚珠轴承的平均油膜厚度h0。而线接触，也就是滚子轴承的平均油膜厚度h0则用Grubin计算式来计算。

不过无论用哪个式子，他们都有个共同点，那就是代表(动力)粘度的η0，代表压力粘度系数的α，和代表转速的n或者u都作为分子出现，而代表负载变量的W或者Q作为分母出现。换句话说，如果其他参数都不变，那么(动力)粘度或者压力粘度系数越大，油膜越厚；转速越高，油膜越厚；负载越大，油膜越薄。至于既存间隙，不存在的。当然了，因为粘度通常都和温度成负相关，所以温度和油膜形成能力也成负相关。

所以机油润滑并不是什么有多大地产多少粮的发展故事，而是赤果果的无耻小三插足拆散情侣的狗血八卦。对于机油这个小三来说，就是只要你们车(滚动线速度)开的足够快，我毅力(粘度)足够高，你们的感情基础(负载)不够可靠，那我妥妥地拆散你俩。

而这个狗血故事，我还亲眼见过。我读研究生时，所在的是以摩擦学(Tribology)为主要研究领域的研究室。研究室有一台演示机，每年都会在校园开放日被摆出来，向参观者(主要是即将报考大学的当地高中生)展示流体润滑的作用。这台演示机有两个圆筒形油腔。隔着玻璃罩可以看到，油腔里面各有一个滚筒浸泡在油液里。两个滚筒会被一台马达驱动，并保证转速一致。油腔下方有个托盘连接着滚筒的转轴。在托盘上放上砝码，保证滚筒在油腔内触底，然后启动这台机子，就可以清楚地看到，油腔里的滚筒在油液里有一点点浮起。随着旋转速度提高，浮起程度也越来越大。如果保持转速一定，往托盘上添加砝码，就可以看到浮起高度又降下去了。而演示机的两个油腔内灌入的是两种粘度不同的油液。在相同转速，相同砝码重量的情况下，可以看到油液粘度高的那个油腔里，滚筒的浮起量略高。所谓眼见为实，耳听为虚，因为看过这个演示，我对EHL理论是深信不疑的。所有与之相矛盾的说法，我都不会采信，除非把证据摆到我眼前。在做这个视频前，我也曾考虑过回到母校，找教授借用一下这个机子，让屏幕前的观众也眼见为实一下。不过一来不确定教授愿不愿意让我借用，二来，从横浜到九州岛，单程有1100公里。来回路费加住宿，怎么也得四五万日元了，这个电我确实发不起。所以只好凭自己的理解和记忆做了这么一个数模。大家凑合看一下就可以了。

实际上EHL理论并不是什么新鲜玩意儿。之前提到的最小油膜计算式的提出者Dowson教授和Higginson教授，他们的著作《Elasto-Hydrodynamic Lubrication》(弹性流体润滑)的初版发表于1966年。而半个多世纪过去了，中文互联网平台上仍旧充斥着“间隙越大需要机油粘度越高”这样的伪科普，实在让人遗憾。然而这样的伪科普还不局限于此。就在前几天，我看到某个机油销售行业的up主在他的视频里说了类似于这样一句话：“跑市区(停停走走)为主的车主应该使用低粘度的机油，而经常跑高速的车主应该使用高粘度的机油。”这种说法是不是听着很有道理？但是如果我们基于EHL理论，把对油膜有利和不利的工况整理一下，可以大致得到一个这样的关系图。{Page13}比起高速巡航这种状态，明显怠速下的加速，尤其是地板油急加速，同时满足转速低和负载大这两个对油膜形成不利的条件。这么一想，市区里的停停走走工况比高速上的稳定巡航，油膜形成条件应该更不利，更需要高粘度的机油保护轴承才对。所以每次我和朋友聊起机油的话题时，我都会跟对方说，尽量不要怠速时地板油，这是很伤发动机的行为。如果真的喜欢那么做，那最好使用更高粘度的机油来弥补成膜条件的不足。（感谢网友H44class的指正和提醒，我忘了考虑挤压油膜阻尼（Squeeze Oil Film Damper）的作用了。H44class是油膜轴承方面的专家，以他给出的结论为准）

看到这里，可能有网友要说了，那机油粘度不是和温度有关系嘛，万一高速行驶时发动机温度高，而市区行驶时温度低，导致高速时机油粘度低了，那这种说法不就不成立了？那这个观点也和我的认知相反。至少就我在标致206和宝马E90 335i上的经历来说，是反过来的。我清楚地记得，在将近10年前，我还是个汽车小白的时候，有一次我在滨松城外的绕城道路上遇到严重堵车，车子基本上是挪个三五米，停个5分钟。在某个时间点，我无意间瞟了一眼仪表盘，发现水温已经到了将近110度。因为在此之前从没达到如此高的温度，这让我一下子紧张起来，害怕再过几分钟，就有一股白烟从我发动机舱里飘出来。当我好不容易熬过那段路，又重新以时速七八十公里跑起来后，水温很快就降到了90度。后来学习了一下冷却水循环和水泵构造的知识后，就理解这是正常现象了。206的水泵是通过正时皮带驱动的。因此怠速工况下水泵转速低，不能很好推动冷却水循环，再加上水箱撞风情况也差，那热量很快就会积累起来。而一旦车子跑起来，冷却水流量和撞风量都上来了，自然能把积热带走。即使是使用了电子水泵的N55发动机，我依旧观察到了同样的温度高低关系。尽管基于宝马的技术文档，我觉得这是宝马工程师故意进行了这样的热管理标定。如果单就这两台车的经验来看，之前说的油膜形成条件的优劣关系，不但没有被推翻，反而是被强化了。

当然了，上述内容是以一般家用的驾驶方式为前提的。在高速公路上以合法速度巡航，自动变速箱会运行在高档位以达到省油的目的，此时的发动机转速通常在3000转左右。这种工况，发动机的热管理还是完全够用的。但是如果把场景放到赛道上，发动机长时间地工作在最大输出功率，如果散热部分没有经过强化，那热管理可能就跟不上，导致发动机温度越来越高。到一定程度就必须限制发动机的输出，即所谓的跑散热圈。这样的工况虽然曲轴转速比之前说的城市路况和高速巡航更快，但是来自于活塞的负载也更高，同时高温使得机油粘度降低。综合来看，油膜的形成条件还是会变得不利。这就可以解释为什么赛用机油的(高温高剪切)粘度会更高，达到50乃至60级别。

那看到这里，屏幕前的你是不是觉得：懂了，所以要保护发动机，就该使用高粘度的机油。那如果光看油膜形成能力，是这样没错。但是发动机是系统工程，在方方面面上都有性能的相互制衡。机油粘度自然也不例外。粘度越高，机油的搅拌阻力，泵送阻力，以及轴承的滚动阻力也会越高。所以出于降低发动机损失，提高输出效率的目的，主机厂必然要想办法尽量降低机油粘度。这个并不是我的主观臆测，是真的由主机厂的大佬们亲口告诉我的。而且并不是只有主机厂这么想，轴承厂商也在不断地开发一些粘度低，又能保证轴承寿命的油脂，来降低封闭轴承的滚动阻力矩。再考虑到国内GPF这种存在，还要考虑灰分什么的。综合来看，我个人觉得用厂家推荐的油，推荐的周期来保养就可以了。不过这个视频的目的并非教你怎么挑选机油。只要你记住前面的油膜形成和粘度，负载，速度的利害关系，那我的目的就达到了。