今天想和大家聊聊潤滑的話題。幾個月前在一個微信群里看到一篇汽車養(yǎng)護的營銷文，里面有一段關于機油選擇的內容是這么說的：“不同發(fā)動機的氣缸與氣缸壁的間隙是不同的，間隙小的就要用粘度低的機油，而間隙大的就要用粘度高的機油”。

我相信很多人看了這句話，大概率會覺得：“對啊，那不然嘞？”但是在我的認知里，這個結論是有問題的。首先，我理解這個說法包含了三個邏輯前提：1.粘度越高，潤滑油膜的形成能力越強。2.油膜的厚度受制于既有外部空間，也就是那個間隙，有多大地，耕多大田。3.構成間隙的零件，也就是活塞和氣缸壁為剛體，所以間隙是固定不變的。第一個前提沒有問題，問題出在第二和第三個邏輯前提。依照這個邏輯，采用負間隙，也就是施加了預壓的滾動軸承，是不是就不用加油潤滑了？反正實際間隙為零，已經(jīng)沒有構成油膜的空間了。

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有些網(wǎng)友看到這里可能會心生疑惑：這個負間隙是什么鬼？難道軸承里的鋼珠還能穿模到那兩個圈圈里不成？這里讓我們用一支圓珠筆來復習一下上期視頻里對預壓的解釋。

一個線圈彈簧兩端的彈簧座之間的距離如果大于彈簧的自由高度，那么座間距離減去彈簧的自由高度就是間隙，顯然這是個正值。相應地，當座間距離小于彈簧的自由高度時，這個差值就變負值，這就是理論負間隙。實際組裝起來時當然不可能發(fā)生彈簧穿透的情況，而是彈簧和彈簧座緊密接觸(=間隙為0)，且彈簧被壓縮相應的長度。由此產(chǎn)生了一個預壓，大小等于負間隙的絕對值乘以彈簧彈性系數(shù)。這個壓力由彈簧座來承擔。所以負間隙和預壓狀態(tài)這兩個概念基本可以畫上等號。

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把這個情況挪到滾動軸承上，滾子和內外輪都不是剛體，而是彈性體。因此我們可以把滾子想象成一個彈簧。如果外圈的內徑和內圈的外徑之差小于滾子的直徑乘以二，滾子就會被彈性壓縮，使軸承內部產(chǎn)生預壓。(當然，這個時候內外圈軌道面的接觸位置也會發(fā)生相應的彈性形變。)我們姑且先把軸承如何產(chǎn)生這種負間隙/預壓狀態(tài)，以及為什么會需要這樣的狀態(tài)放到一邊，等下期聊軸承的時候再講。如果我們對軸承施加外力，那么這個外部負載就會分走或者取代預壓，成為壓縮負載側滾子的來源。而站在軌道輪的立場上，他感受到了來自滾子的親密接觸，這種接觸還伴隨著沉重的壓迫感(接觸壓力)。至于這個壓迫的來源是負間隙產(chǎn)生的預壓，還是來自外部的負載，誰知道呢？而流體潤滑研究的正是這種伴隨著壓迫(有負載或預壓)的親密接觸(零間隙)狀態(tài)下，兩個接觸物體間的油膜形成狀況。

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在切入正題前，先疊個Buff(做個免責聲明)：以下我的論述都基于軸承應用，對于活塞和缸壁之間的油膜計算，不見得完全和滾動軸承或者滑動軸承一致，所以對于拉缸問題的思考僅供參考(我沒有查閱相關資料，但我相信理論部分有共通之處)

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然后給一個粗糙的結論：談機油潤滑時不談速度，負載和溫度，就談油膜，那都是瞎扯。拿既存間隙說話是瞎扯中的瞎扯。那么軸承行業(yè)里是怎么評判油膜的呢？無論是滾動還是滑動，大手廠商采用的都是EHL理論，即彈性流體潤滑(Elasto-hydrodynamic Lubrication)。為了證明我所言非虛，我放出幾個著名的軸承廠商的網(wǎng)頁或者技術資料作為佐證。

這個EHL和比他更早出現(xiàn)的流體潤滑(HL)的不同之處在于。傳統(tǒng)流體潤滑認為流體，也就是潤滑油的粘度各處相等，而EHL則認為這個粘度受到外部壓力的影響而變化。壓力越高，局部的粘度就變得越大。注意我這里說的不是輸送潤滑油的壓力，而是兩個零件接觸面之間的壓力(赫茲接觸力)。如果你無法想象這種現(xiàn)象，那么可以先退出去，在B站搜索“非牛頓流體”，看看相關的視頻，你大概就有概念了。這種粘度變化的程度取決于“壓力粘度系數(shù)”這個特性。如果壓力粘度系數(shù)很高，且外部壓力又很大，那么承受壓力的局部油液甚至能像固體一樣硬，就跟玻璃和瀝青有點類似?；谶@個特性，高速滾動，不斷碾壓著油液的軸承零件，啃不動迎面而來的局部高粘度的潤滑油，又拗不過后方的負載，那只好委屈自己發(fā)生彈性形變。由此，本來應該是緊密接觸的兩個零件間硬是被潤滑油打開了一片空間。而根據(jù)油膜形成的厚度和摩擦副里兩個部件的表面粗糙度的倍率關系，我們就可以定義出境邊界潤滑，混合潤滑和流體潤滑這些關系。

基于這套理論，數(shù)個研究者擬合出了一些計算式，來獲得和試驗非常接近的數(shù)值結果。比方說剛才引用的NSK的資料里就已經(jīng)出現(xiàn)了一個Dowson-Higginson的用來計算最小油膜厚度hmin的計算式

這個式子看著很簡單，只有三個變量：速度變量U，負載變量W和材料變量G，但是每個變量都可以各自分解出一個式子

除此之外，我的老東家會用Archard-Cowking計算式來計算點接觸，也就是滾珠軸承的平均油膜厚度h0。而線接觸，也就是滾子軸承的平均油膜厚度h0則用Grubin計算式來計算。

不過無論用哪個式子，他們都有個共同點，那就是代表(動力)粘度的η0，代表壓力粘度系數(shù)的α，和代表轉速的n或者u都作為分子出現(xiàn)，而代表負載變量的W或者Q作為分母出現(xiàn)。換句話說，如果其他參數(shù)都不變，那么(動力)粘度或者壓力粘度系數(shù)越大，油膜越厚；轉速越高，油膜越厚；負載越大，油膜越薄。至于既存間隙，不存在的。當然了，因為粘度通常都和溫度成負相關，所以溫度和油膜形成能力也成負相關。

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所以機油潤滑并不是什么有多大地產(chǎn)多少糧的發(fā)展故事，而是赤果果的無恥小三插足拆散情侶的狗血八卦。對于機油這個小三來說，就是只要你們車(滾動線速度)開的足夠快，我毅力(粘度)足夠高，你們的感情基礎(負載)不夠可靠，那我妥妥地拆散你倆。

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而這個狗血故事，我還親眼見過。我讀研究生時，所在的是以摩擦學(Tribology)為主要研究領域的研究室。研究室有一臺演示機，每年都會在校園開放日被擺出來，向參觀者(主要是即將報考大學的當?shù)馗咧猩?展示流體潤滑的作用。這臺演示機有兩個圓筒形油腔。隔著玻璃罩可以看到，油腔里面各有一個滾筒浸泡在油液里。兩個滾筒會被一臺馬達驅動，并保證轉速一致。油腔下方有個托盤連接著滾筒的轉軸。在托盤上放上砝碼，保證滾筒在油腔內觸底，然后啟動這臺機子，就可以清楚地看到，油腔里的滾筒在油液里有一點點浮起。隨著旋轉速度提高，浮起程度也越來越大。如果保持轉速一定，往托盤上添加砝碼，就可以看到浮起高度又降下去了。而演示機的兩個油腔內灌入的是兩種粘度不同的油液。在相同轉速，相同砝碼重量的情況下，可以看到油液粘度高的那個油腔里，滾筒的浮起量略高。所謂眼見為實，耳聽為虛，因為看過這個演示，我對EHL理論是深信不疑的。所有與之相矛盾的說法，我都不會采信，除非把證據(jù)擺到我眼前。在做這個視頻前，我也曾考慮過回到母校，找教授借用一下這個機子，讓屏幕前的觀眾也眼見為實一下。不過一來不確定教授愿不愿意讓我借用，二來，從橫浜到九州島，單程有1100公里。來回路費加住宿，怎么也得四五萬日元了，這個電我確實發(fā)不起。所以只好憑自己的理解和記憶做了這么一個數(shù)模。大家湊合看一下就可以了。

實際上EHL理論并不是什么新鮮玩意兒。之前提到的最小油膜計算式的提出者Dowson教授和Higginson教授，他們的著作《Elasto-Hydrodynamic Lubrication》(彈性流體潤滑)的初版發(fā)表于1966年。而半個多世紀過去了，中文互聯(lián)網(wǎng)平臺上仍舊充斥著“間隙越大需要機油粘度越高”這樣的偽科普，實在讓人遺憾。然而這樣的偽科普還不局限于此。就在前幾天，我看到某個機油銷售行業(yè)的up主在他的視頻里說了類似于這樣一句話：“跑市區(qū)(停停走走)為主的車主應該使用低粘度的機油，而經(jīng)常跑高速的車主應該使用高粘度的機油?！边@種說法是不是聽著很有道理？但是如果我們基于EHL理論，把對油膜有利和不利的工況整理一下，可以大致得到一個這樣的關系圖。{Page13}比起高速巡航這種狀態(tài)，明顯怠速下的加速，尤其是地板油急加速，同時滿足轉速低和負載大這兩個對油膜形成不利的條件。這么一想，市區(qū)里的停停走走工況比高速上的穩(wěn)定巡航，油膜形成條件應該更不利，更需要高粘度的機油保護軸承才對。所以每次我和朋友聊起機油的話題時，我都會跟對方說，盡量不要怠速時地板油，這是很傷發(fā)動機的行為。如果真的喜歡那么做，那最好使用更高粘度的機油來彌補成膜條件的不足。（感謝網(wǎng)友H44class的指正和提醒，我忘了考慮擠壓油膜阻尼（Squeeze Oil Film Damper）的作用了。H44class是油膜軸承方面的專家，以他給出的結論為準）

看到這里，可能有網(wǎng)友要說了，那機油粘度不是和溫度有關系嘛，萬一高速行駛時發(fā)動機溫度高，而市區(qū)行駛時溫度低，導致高速時機油粘度低了，那這種說法不就不成立了？那這個觀點也和我的認知相反。至少就我在標致206和寶馬E90 335i上的經(jīng)歷來說，是反過來的。我清楚地記得，在將近10年前，我還是個汽車小白的時候，有一次我在濱松城外的繞城道路上遇到嚴重堵車，車子基本上是挪個三五米，停個5分鐘。在某個時間點，我無意間瞟了一眼儀表盤，發(fā)現(xiàn)水溫已經(jīng)到了將近110度。因為在此之前從沒達到如此高的溫度，這讓我一下子緊張起來，害怕再過幾分鐘，就有一股白煙從我發(fā)動機艙里飄出來。當我好不容易熬過那段路，又重新以時速七八十公里跑起來后，水溫很快就降到了90度。后來學習了一下冷卻水循環(huán)和水泵構造的知識后，就理解這是正?，F(xiàn)象了。206的水泵是通過正時皮帶驅動的。因此怠速工況下水泵轉速低，不能很好推動冷卻水循環(huán)，再加上水箱撞風情況也差，那熱量很快就會積累起來。而一旦車子跑起來，冷卻水流量和撞風量都上來了，自然能把積熱帶走。即使是使用了電子水泵的N55發(fā)動機，我依舊觀察到了同樣的溫度高低關系。盡管基于寶馬的技術文檔，我覺得這是寶馬工程師故意進行了這樣的熱管理標定。如果單就這兩臺車的經(jīng)驗來看，之前說的油膜形成條件的優(yōu)劣關系，不但沒有被推翻，反而是被強化了。

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當然了，上述內容是以一般家用的駕駛方式為前提的。在高速公路上以合法速度巡航，自動變速箱會運行在高檔位以達到省油的目的，此時的發(fā)動機轉速通常在3000轉左右。這種工況，發(fā)動機的熱管理還是完全夠用的。但是如果把場景放到賽道上，發(fā)動機長時間地工作在最大輸出功率，如果散熱部分沒有經(jīng)過強化，那熱管理可能就跟不上，導致發(fā)動機溫度越來越高。到一定程度就必須限制發(fā)動機的輸出，即所謂的跑散熱圈。這樣的工況雖然曲軸轉速比之前說的城市路況和高速巡航更快，但是來自于活塞的負載也更高，同時高溫使得機油粘度降低。綜合來看，油膜的形成條件還是會變得不利。這就可以解釋為什么賽用機油的(高溫高剪切)粘度會更高，達到50乃至60級別。

那看到這里，屏幕前的你是不是覺得：懂了，所以要保護發(fā)動機，就該使用高粘度的機油。那如果光看油膜形成能力，是這樣沒錯。但是發(fā)動機是系統(tǒng)工程，在方方面面上都有性能的相互制衡。機油粘度自然也不例外。粘度越高，機油的攪拌阻力，泵送阻力，以及軸承的滾動阻力也會越高。所以出于降低發(fā)動機損失，提高輸出效率的目的，主機廠必然要想辦法盡量降低機油粘度。這個并不是我的主觀臆測，是真的由主機廠的大佬們親口告訴我的。而且并不是只有主機廠這么想，軸承廠商也在不斷地開發(fā)一些粘度低，又能保證軸承壽命的油脂，來降低封閉軸承的滾動阻力矩。再考慮到國內GPF這種存在，還要考慮灰分什么的。綜合來看，我個人覺得用廠家推薦的油，推薦的周期來保養(yǎng)就可以了。不過這個視頻的目的并非教你怎么挑選機油。只要你記住前面的油膜形成和粘度，負載，速度的利害關系，那我的目的就達到了。