Трибология и трение

Трибология и трение

 

Трибология занимается исследованием и описанием контактного взаимодействия твердых деформируемых тел при их относительном перемещении. Областью трибологических исследований являются процессы трения, изнашивания и смазки.

Поршень, поршневые кольца и стенки ци­линдра представляют собой замкнутую и очень сложную трибологическую систему. Это также относится к поршневому пальцу и подшипникам скольжения коленчатого вала. Ввиду постоянно изменяющихся как по ве­личине, так и по направлению сил, требуется детальное моделирование этой системы.

Чтобы обеспечить приемлемую износо­стойкость, необходимо создать гидроди­намическую пленку смазочного материала, толщина которой больше высоты шерохова­тостей двух контактирующих поверхностей (см. также «Кривая Штрибека»). Масляная пленка либо уже присутствует в зазоре (подшипника скольжения с принудительной подачей смазочного масла), либо должна быть создана динамически в виде «масля­ного клина» (скошенное поршневое кольцо в гильзе цилиндра). Однако, этот масляный клин всегда разрушается, когда относитель­ная скорость перемещения поверхностей ста­новится равной нулю. Что касается поршне­вых колец и стенок цилиндра, это происходит в момент изменения направления движения на противоположное (в верхней и нижней мертвых точках), а для поршневого пальца — между этими положениями. Поэтому, во из­бежание заклинивания и преждевременного износа, важно обеспечить также наличие достаточного объема, в котором смазочное масло будет удерживаться между контакт­ными поверхностями за счет сил сцепления в течение этих кратковременных остановок. В трибологической системе, для поршня — это хонингованная поверхность гильзы ци­линдра, а для поршневого пальца — форма втулок.

Еще Ньютон установил, что сила трения между двумя соседними элементами мас­ляной пленки практически не зависит от приложенного давления и пропорциональна только разности скоростей двух элементов (скорости скольжения).

τ =τ η dv / dz.

τ = F/A — напряжение сдвига;

F сила сдвига;

А — площадь поверхности контакта;

v — скорость скольжения;

z-направление координаты, перпендикуляр­ной к направлению скорости v.

Иногда также используется такой параметр, как кинематическая вязкость v. Она равна динамической вязкости, деленной на плот­ность, и определяется соотношением:

v = η2/с]

 

Силы давлений в одномерной системе напряженийДинамическая вязкость η [Н·с/м2 или Па·с] резко уменьшается с ростом температуры, Поэтому важно, чтобы при данной темпера­туре вязкость масла η обеспечивала напря­жение сдвига, достаточное для поддержания масляной пленки. Необходимо также обеспе­чить достаточную относительную скорость перемещения поверхностей контакта v. Из формулы видно, что гидродинамическое на­пряжение сдвига становится равным нулю в точках изменения направления движения поршня или поворота малой головки ша­туна относительно поршневого пальца. Сле­дует также указать, что толщина смазочной пленки Δу не должна быть слишком боль­шой, поскольку в этом случае напряжение сдвига становится слишком малым, что при­водит к разрыву смазочной пленки.

Условие равновесия сил для упрощенного случая одномерного состояния напряжений в направлении х (рис. «Силы давлений в одномерной системе напряжений») демонстрирует, что должно иметь место соотношение др/дх = дt/дz и, таким образом,

др/дх = η·д2·v/дz2.

Это демонстрирует, что величина падения давления потока зависит от вязкости и ско­рости. В дополнение к этому может быть вы­веден профиль скорости.

В соответствии с условием сцепления, ко­торое указывает, что скорость движения масляной пленки на стенке равна скорости движения стенки, можно определить рас­пределение скорости (линейное для лами­нарного потока) и распределение давления в зазоре (см. «Подшипники скольжения»).

При помощи (термо-) эластогидродинамического моделирования (EHD, эластогидродинамика) были сделаны попытки опреде­лить толщину пленки смазочного материала путем решения математических уравнений для многомерного случая, для определения условий массового баланса и равновесия моментов.

  • Баланс масс: масса поступающего масла и количество масла, выходящего через за­зор, должны быть равны.
  • Равновесие моментов: равновесие сил прямой нагрузки (давления подаваемого масла), напряжения сдвига (вызванного вязкостью масла), включая кажущиеся на­пряжения внутреннего трения, вызванные турбулентностью потока и силами инерции (составляющая ускорения).

 

Для решения проблемы течения были ис­пользованы системы дифференциальных уравнений Рейнольдса или Навье-Стокса. При помощи моделирования методом конеч­ных элементов были также учтены деформа­ции подшипников, и эта сложная система уравнений была решена в числовом виде.

Надлежащая подача масла в подшипники должна быть обеспечена потому, что давле­ние масла в подшипниках (>100 бар) обычно значительно превышает статическое давле­ние, создаваемое масляным насосом (<10 бар). Это достигается при помощи смазочных отверстий малого диаметра и специальных канавок в подшипниках скольжения, или за счет начальных сил, создаваемых поршне­выми кольцами.

Также предпринимались попытки модели­рования случая смешанного трения. Влияние геометрии поверхности (шероховатости по­верхности) на микродинамику течения учитывается при помощи «тензоров течения» в расширенном дифференциальном уравнении Рейнольдса. Используя модели давления контакта шероховатых поверхностей, можно определить пропорции площадей гидродина­мического контакта и сплошного контакта и соответствующим образом учесть их. Также ведутся интенсивные работы в области мо­делирования процесса приработки контакти­рующих поверхностей. Это в конечном итоге позволит оценить процесс износа.

Поскольку напряжения сдвига, а также силы трения пропорциональны скорости скольжения, доли трения поршня в мертвых точках и трения во втулках поршневого пальца малы. Здесь определяющими являются пара­метры износа.

 

 

Подшипники скольжения

 

Наиболее распространенными подшипни­ками в двигателях внутреннего сгорания являются подшипники скольжения. К ним относятся, например, смазываемые маслом коренные и шатунные подшипники колен­чатого вала, втулки поршневых пальцев и подшипники распределительного вала (см. раздел «Подшипники скольжения»).

В целях предотвращения заклинивания и обеспечения нормального вращения в усло­виях высоких температур или недостаточной смазки необходимо обеспечить точное дав­ление посадки как разъемных подшипников (коленчатого вала, шатунов), так и неразъ­емных подшипников (поршневых пальцев, распределительного вала). В то же время необходимо исключить возможность пере­грузки материалов.

Смазочный зазор в коренных подшипниках коленчатого вала изменяется под действием постоянно изменяющихся усилий (см. также «Конструкция коленчатого вала»). Эти усилия создают своего рода эффект подкачки, вслед­ствие чего масло в подшипнике постоянно об­новляется.

Колебательное движение шатуна вызывает увеличение относительной скорости в смазоч­ном зазоре шатунного подшипника коленча­того вала, когда поршень движется вверх, и ее уменьшение, когда поршень движется вниз. Только это вызывает подкачку масла в зазор для смазки. Кроме того, периодически изме­няющиеся усилия, воздействующие на под­шипник, вызывают постоянное изменение по­ложения шатуна и, тем самым, способствуют увеличению давления смазочной пленки.

Подшипник малой головки шатуна со­вершает просто колебательное движение. Поэтому надлежащая подача масла в этот подшипник особенно важна, однако трудно­достижима. Избежать смешанного трения здесь практически невозможно. Если кон­струкция включает плавающий подшипник поршневого пальца, палец совершает поворот из стороны в сторону на несколько гра­дусов — здесь также должна быть обеспечена надлежащая подача масла.

Масло обычно подается посредством раз­брызгивания, а также частично через устано­вочное отверстие или через канавки в шейках коленчатого вала и вертикальное отверстие в шатуне.

 

 

Пары качения

 

В двухтактных двигателях и иногда в каче­стве подшипников распределительного вала используются шариковые, роликовые или игольчатые подшипники качения (см. «Роли­ковые подшипники»).

Особым случаем является следящий ролик плунжера топливного насоса высокого дав­ления. Система, состоящая из вращающегося ролика и движущегося кулачка, представляет собой пару качения с линейным контактом. Характеристической переменной является контактное давление качения Штрибека:

K = F/Dl·leff

F-динамическая нагрузка;

φ=Dl/D коэффициент соприкосновения;

Dl — эквивалентный диаметр;

D -диаметр ролика;

leff — эффективная ширина ролика.

Эффективный эквивалентный диаметр Dl может быть получен из мгновенного радиуса кривизны — радиуса кулачка Rcam и радиуса ролика Rroller:

D= 2·Rcam · Rroller / (Rcam + Rroller)

Он учитывает соприкосновение двух тел ка­чения.

Также учитывается напряжение Герца pHertz:

pHertz = √KE/2.86

где:

 Е — модуль упругости (модуль Юнга);

Е = 2·Ecam · Eroller / (Ecam + Eroller)

Слегка изменив угол наклона ролика по отно­шению к кулачку, можно обеспечить стабиль­ный масляный клин и непрерывное вращение ролика. Типичным признаком перегрузки пар качения является питтинг. Он возникает вследствие деформации металла на моле­кулярном уровне и возможного внедрения масла, вызывающего чрезвычайно высокие локальные давления и пластичные дефор­мации или эрозию материала. Тенденцию к питтингу можно уменьшить, применяя более твердые материалы и снижая нагрузку.

 

 

Поршневое кольцо и несущая поверхность

 

Поршневые кольца вместе с несущей поверх­ностью образуют сложную трибологическую систему. С одной стороны, сила давления, действующая на поршневое кольцо, сильно зависит от давления в цилиндре и, следова­тельно, от угла поворота коленчатого вала и положения поршня. С другой стороны, порш­невые кольца совершают вторичные движе­ния в осевом направлении в своих канавках, что также оказывает значительное влияние на толщину смазочной пленки.

Масло обычно подается на несущую по­верхность путем разбрызгивания (масло, вспениваемое коленчатым валом или раз­брызгиваемое для охлаждения поршня и смазки поршневого пальца) и возвраща­ется при помощи маслосъемного кольца в виде тонкой пленки. Объем, удерживающий масло, зависит от качества обработки гильзы цилиндра (хонингования). Это качество определяется шероховатостью поверхности (глубиной бороздок) и картиной хонингова­ния (углом пересечения бороздок).

Параметры шероховатости поверхности и теория образования масляной пленкиХонингование несущей поверхности имеет две цели. Во-первых, оно производится для того, чтобы за счет бороздок достаточной глубины масло удерживалось силами сцепления в течение достаточно продолжитель­ного времени (рис. «Параметры шероховатости поверхности и теория образования масляной пленки»). Во-вторых, шерохо­ватость поверхности должна быть настолько низкой, чтобы предотвратить ее контакт с поршневым кольцом. Для определения хонингования используются различные па­раметры шероховатости поверхности; эти па­раметры стандартизованы на общем уровне в стандарте DIN 4760 и детально в стандарте DIN EN ISO 13565. Начальный износ и на­чальное трение определяются значением Rpk («уменьшенная высота вершин», см. DIN 4760 и DIN EN ISO 11562 или DIN EN ISO 13565), однако эта величина очень быстро и значи­тельно уменьшается в процессе приработки (от нескольких микрон до 0,2-0,8 мкм). Зна­чение Rvk (от 1,0 до 3,5 мкм) является основ­ным параметром, определяющим объем для удержания масла после приработки деталей. Следует отметить, что после хонингования поверхность представляет собой систему пе­рекрестных бороздок. Эта система образует большое количество сообщающихся друг с другом масляных каналов. При этом масло частично вытесняется из зазора, но такая система позволяет равномерно распределить масляную пленку по поверхности. Большие углы хонингования (углы между перекрещи­вающимися бороздками) уменьшают коли­чество вытесняемого масла, однако при этом возникает тенденция к образованию задиров вследствие неудовлетворительного распре­деления масла в осевом направлении. Малые углы вызывают повышенный расход масла. Обычно угол хонингования составляет от 30° до 90°

В любом случае в точках изменения на­правления движения поршня имеет место смешанное трение. Самое меньшее, что тре­буется в этих областях, это микрокарманы для масла, которые могут быть образованы путем лазерного хонингования или удаления некоторого количества сплава вовремя хо­нингования.

Обычно температуры, создаваемые во время сгорания топлива в поршневом двига­теле, столь велики, что основная часть масла, находящегося на несущей поверхности, ис­паряется, а в дизельных двигателях даже сгорает. Это испарение или сгорание явля­ется основной причиной расхода масла в со­временных двигателях внутреннего сгорания.

Для облегчения создания «масляного клина» применяются поршневые кольца специаль­ной формы. Критичным фактором является, с одной стороны, скорость поршня, которая не должна становиться слишком высокой, поскольку в этом случае силы сдвига не будут абсорбировать масло, и произойдет разрыв масляной пленки. С другой стороны точки реверсирования направления движе­ния поршня следует рассматривать, как кри­тичные в отношении износа. ­

В следующей статье я расскажу об эмпирических и расчетных параметрах двигателя внутреннего сгорания.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *