Основные агрегаты транспортных машин содержат узлы трения. Самые древние узлы трения — колесо — грунт и ступица — ось. К самым точным и тонким устройствам среди трущихся пар можно отнести топливную и газораспределительную аппаратуру двигателей внутреннего сгорания. В сложнейших условиях работают узлы трения цилиндро-поршневой, шатунной группы, коленчатый вал с коренными и шатунными подшипниками, коробки скоростей, редукторы, ременные, цепные передачи и т.д.
Надежность и эффективность транспортных машин во многом определяются совершенством узлов трения: приводных двигателей, трансмиссии и колесных пар.
1. Факторы, влияющие на интенсивность изнашивания
Интенсивность изнашивания зависит от очень большого количества факторов.
Основные факторы можно подразделить на:
- конструкторские;
- эксплуатационные.
К конструкторским факторам относятся:
- вид трения (сухое, жидкостное, граничное);
- вид металла (механические характеристики, химический состав, структура);
- вид обработки металла (термообработка, различные виды упрочнений, насыщение поверхностного слоя другими металлами и т.д.).
К эксплуатационным факторам относятся:
- условия работы автомобиля;
- режим работы его сопряжений.
Конструкторские факторы. 1) Большое влияние на скорость процесса изнашивания оказывают смазка и вид трения. Скорость изнашивания, в первую очередь, зависит от вида перемещения сопряженных деталей. Общеизвестно, что при трении качения, при общих равных условиях, скорость изнашивания деталей, наименьшая.
При трении большое влияние на интенсивность изнашивания оказывает смазка.
а) При сухом трении имеет место наибольшая скорость изнашивания. Здесь создаются условия для возникновения молекулярного взаимодействия и таких явлений, как повышение температуры, концентрация давлений на отдельных участках, что ускоряет процесс разрушения поверхностных слоев. В общем случае, при работе деталей автомобиля, стремятся избежать сухого трения. В ряде случаев, там, где требуется передача усилий, наоборот используют сухое трение (например: сцепление, тормоза).
б) При жидкостном трении наблюдается наименьшая скорость изнашивания. Слой смазки устраняет непосредственный контакт двух поверхностей, благодаря чему не только значительно уменьшаются силы трения, но создаются условия для устранения или резкого уменьшения износа поверхностей.
Реакционная способность веществ и скорость химической реакции
... и реакционная способность веществ зависят от многих факторов, главные из них указаны в табл. 5.10. Таблица 5.10 Факторы, влияющие на скорость химической реакции Факторы. Характер ... условиях; pf — потенциал для условий, принятых стандартными (часто это условия чистого компонента); R — газовая постоянная; Т — температура. Как следует из формулы (5.10), при определении реакционных способностей веществ ...
в) Граничное трение наиболее характерно для большинства узлов трения в конструкции автомобиля. В этом случае на трение и износ оказывают влияние как характеристики сопряженных материалов, так и свойства смазочного слоя. Износ может происходить при локальных разрывах масляной пленки и при передаче усилий через эту пленку, которая играет роль эластичной прокладки и обладает некоторыми свойствами квазитвердого тела.
В условиях граничного трения от смазки требуется:
- а) создание прочной поверхностной пленки, что связано с явлением смачивания и налипания;
- б) способность взаимодействовать с поверхностными слоями материала и изменять их структуру и свойства.
2) На скорость изнашивания существенное влияние оказывают механические характеристики материала.
Из механических характеристик с износостойкостью связаны в первую очередь:
- а) предел текучести или прочности;
- б) предел усталости;
- в) твердость материала.
Основной характеристикой абразивной износостойкости является твердость металлов. Для необработанных сталей имеется линейная зависимость между их твердостью и износостойкостью.
Для термически обработанных сталей износостойкость также возрастает с увеличением твердости, но в меньшей степени.
Исходя из этого поверхности деталей автомобиля, подвергающиеся абразивному изнашиванию, изготовляют с повышенной твёрдостью (например: гильзы цилиндров, кольца, шейки коленчатого вала и т.д.).
Существенное влияние на износостойкость оказывает структура материала.
Для сплавов положительное влияние на повышение износостойкости, как правило, оказывают
а) мелкозернистая структура;
- б) наличие твердых структурных составляющих, воспринимающих основную нагрузку;в) наличие включений (например, графитных), играющих роль твердой смазки.
Следует отметить, что требования к структуре материалов, работающих в условиях износа, весьма различны. Эксплуатационные факторы.
1) Вид трения, наблюдаемый в сопряженных деталях, зависит от условий работы автомобиля (нагрузки, скорости, температурного режима).
При изменении нагрузки или скорости движения автомобиля, жидкостное трение может перейти в граничное и наоборот. Это наглядно видно из характера зависимости изнашивания цапфы вала от скорости его вращения при прочих постоянных условиях. При малой частоте вращения коленчатого вала вследствие граничной смазки, изнашивание относительно велико. При повышении частоты вращения оно уменьшается и доходит до минимума. Это объясняется появлением в сопряженных деталях жидкостного трения наиболее благоприятного с точки зрения износа. При дальнейшем повышении частоты вращения, износ возрастает в связи с увеличивающимся влиянием центробежных сил, снижением вязкости нагревающегося масла и другими явлениями.
2) Режимы работы сопряжения, такие как давление, на поверхность трения, скорость относительного скольжения, температура связаны не только с конструкцией и кинематикой сопряжения, но и зависят от режимов работы самого автомобиля. При возрастании скорости движения автомобиля и его нагрузочного режима изменяются и режимы работы сопряжения трущихся пар. Скорость изнашивания находится в прямой зависимости от р и v.
Изнашиванием называется процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и его остаточной деформации. Износ- это результат изнашивания. Он выражается в изменении размеров, формы, объема и веса сопряженных деталей.
2. Основные узлы трения и изнашивание в двигателях внутреннего сгорания
Конструкция узлов трения двигателей внутреннего сгорания (ДВС) должна максимально удовлетворять требованиям повышения ресурса работоспособности, надежности, экономичности расходования топлива и масел, увеличения удельной агрегатной мощности, простоты обслуживания, условиям экологической безопасности и др.
Несмотря на особенности двигателей легковых и грузовых автомобилей, железнодорожных тепловозов, тракторов, судовых и других двигателей, основные узлы трения имеют общую основу конструкции и характерные триботехнические показатели.
Цилиндро-поршневая группа (ЦПГ) является основным и важнейшим узлом трения ДВС. Внутренняя поверхность цилиндра, днище поршня и крышка образуют камеру сгорания. Боковая поверхность (зеркало цилиндра) служит направляющей для движения поршня.
Поршни ДВС, являясь подвижным элементом пары трения, работают в условиях высоких механических и тепловых нагрузок.
Блоки цилиндров обычно выполняют как коробчатую конструкцию с отверстиями для цилиндровых гильз и каналов охлаждающей среды.
По конструкции гильзы подразделяют на «мокрые», омываемые снаружи охлаждающей жидкостью, и «сухие», имеющие небольшую толщину стенок (2-4 мм), что позволяет без больших расходов применять качественные износостойкие материалы.
В большинстве дизелей для изготовления гильз используют высокопрочный легированный чугун. Основные типы поршней и сведения об их тепловой нагруженности приведены в табл. 1.
Таблица 1 — Характеристика тепловой напряженности поршней
|
Тип поршней |
Комплексная характеристика тепловой напряженности (условная единица) |
|
|
Неохлаждаемые чугунные: из алюминиевых сплавов Охлаждаемые: с опрыскиванием оребренного днища маслом с циркуляционным масляным охлаждением с инерционным масляным охлаждением (взбалты- ваемым маслом) |
4 6 6,6-6,8 8 10 |
|
Конструкция поршня определяется силовыми, температурными и триботехническими факторами.
По высоте поршень делят на три основных пояса: жаровой, уплотнительный, несущий компрессионные и маслосъемные кольца и направляющий пояс.
От поршня требуется повышенная стойкость к износу рабочих поверхностей кольцевых канавок (особенно для первого поршневого кольца) и к задирам.
Диаметр поршня определяют из мощностных характеристик ДВС, а высота поршня связана с функциональными и конструктивными особенностями.
Прежде всего высота поршня определяется числом компрессионных и маслосъемных колец, высотой Н0 жарового и Н2 направляющего пояса, в котором расположено отверстие под поршневой палец диаметром dn. Поршни дизелей имеют большую относительную высоту (Hn/D = 1,161,54) по сравнению с поршнями карбюраторных двигателей, у которых Hn/D = 0,91,3. Это связано с тем, что в дизелях устанавливают большее число компрессионных и маслосъемных колец, задают большую высоту жарового и направляющего поясов и более толстые межкольцевые перемычки. Число колец зависит также и от частоты вращения коленчатого вала двигателя, уменьшаясь с ростом последней.
Связь диаметра и других характеристик поршня показана на примере поршня автомобильного дизеля из алюминиевого сплава (рис. 1).
Рис. 1. Размерные характеристики поршня
При изнашивании цилиндро-поршневой группы имеет место неравномерность распределения нагрузки и износа в контакте колец и юбки поршня, что создает искажение его цилиндричности. Износ в зоне первого кольца обычно больше, чем в других местах; юбка поршня в поперечном сечении приобретает форму эллипса.
Дополнительная неравномерность распределения нагрузки в трущихся контактах связана с неравномерным тепловым расширением поршня, имеющего неоднородное распределение массы, и тепловую деформацию блока цилиндров.
Важной причиной неравномерности распределения контактных нагрузок является неточность размеров и формы цилиндра, поршня, колец и их элементов, сборочные отклонения взаимного расположения и др.
Износ поршневых колец при работе двигателя обусловлен их одновременным перемещением в продольном и радиальном направлениях относительно канавок. Интенсивность перемещений и износа поверхностей определяют соотношения между силами инерции и упругости колец, силами трения о поверхности канавок поршня и гильзы цилиндра, давление газов в закольцевом пространстве.
Гильзы цилиндров изнашиваются неравномерно как по образующей, так и по окружности в поперечном сечении. Пик износа по образующей располагается в месте остановки компрессионного кольца в верхней «мертвой точке». Это связано с увеличением силы трения при замедлении, остановках и реверсе; ухудшением условий смазки; смывом масла конденсатом паров топлива со стенок гильзы; наличием высоких нормальных давлений на стенки гильзы в момент изменения ориентации поршня в зоне верхней «мертвой точки»; испарением граничных слоев смазки под действием высоких температур, нарушением гидродинамического режима смазки в «мертвых точках» и др. Гидродинамический режим смазки в паре кольцо-гильза возможен лишь в средней части хода поршня.
Зона наибольшего износа по окружности в поперечном сечении обычно располагается в стороне, противоположной впускному клапану, что связано с поступлением в эту зону горючей смеси с абразивными частицами.
Наибольший износ гильз наблюдается в плоскости, перпендикулярной к оси вала, что связано с характером деформаций поршня, гильзы и действием нормальной нагрузки.
Поршневые кольца также изнашиваются по торцам и в радиальном направлении. Износ по торцам связан с перемещением колец в радиальном направлении под действием газовых сил и переориентацией поршня при смене направления движения.
Износ колец в радиальном направлении происходит вследствие трения под давлением газов в закольцевом пространстве и сил упругости колец. Наибольшему износу подвержены первые компрессионные кольца, работающие при высоких давлениях и температурах, при недостаточной смазке.
Маслосъемные кольца работают в более благоприятных условиях, однако их давление на стенки цилиндров от сил упругости в 2 — 4 раза превышает давление компрессионных колец, что определяет их повышенный износ и потерю способности сбрасывать излишки масла со стенок цилиндров.
Ресурс работоспособности поршня, как правило, лимитируется износом канавки под верхнее компрессионное кольцо, возникающим под действием относительных перемещений кольца.
Интенсивность изнашивания поверхностей юбки поршня, поршневых пальцев и внутренних поверхностей бобышек поршня невелика. Эти износы, как правило, не лимитируют долговечность ЦПГ.
Весомым фактором, определяющим вид и скорость изнашивания в цилиндро-поршневых парах, являются механохимические процессы на поверхностях трения.
Рабочий процесс в двигателях сопровождается образованием паров воды, двуокиси углерода и других соединений, которые, взаимодействуя с продуктами окисления серы, образуют серную или сернистую кислоту. Происходит также образование азотной и угольной кислот, которые инициируют процессы электрохимической коррозии. В случае применения современных высококачественных масел с дополнительным удалением серы ведущая роль переходит к абразивному виду изнашивания, что, в свою очередь, ставит проблему улучшения очистки масла от механических примесей.
Узлы трения шатунов и подшипников коленчатых валов входят во вторую, особенно высоко нагруженную и ответственную группу изнашивающихся деталей ДВС.
В подшипниках, поршневой и кривошипной головках шатунов, а также в коренных подшипниках коленчатых валов с целью обеспечения высокой износостойкости наиболее часто применяют бронзовые (Бр ОФ 7.0-0.2), латунные или биметаллические втулки. В последнем случае антифрикционный слой изготавливают на основе свинца, олова и меди (например, сплав СОС-6-6 — сурьма, олово, металлокерамические включения).
Смазка в зону трения подается по внутренним каналам в теле шатунов или шатунных шеек.
Износ коренных и шатунных подшипников обусловлен действием ряда порой непреодолимых факторов.
Один из главных — невозможность поддержать гидродинамический режим трения при пусках и остановках, мгновенных перегрузках, что вызвано разрывом масляного клина, снижением вязкости масла в случаях перебоев подачи масла и др. Другой фактор связан с наличием в масле абразивных частиц. Однако износ происходит и при нормальной работе в гидродинамическом режиме, так как локальное давление в масляном клине в 2,5 — 3 раза превышает среднее давление, вызывает деформацию и накопление усталости в приповерхностных слоях материала подшипников.
Соотношение износа коренных и шатунных подшипников различно и зависит от величины нагрузки. Так, например, в однорядных двигателях нагрузки на шатунные шейки больше, чем на коренные, и износ их выше.
У V- образных двигателей большие нагрузки приходятся на коренные подшипники. В результате этого износ коренных шеек и вкладышей в 1,5 — 2 раза больше, чем шатунных. Износ шеек неравномерен по окружности, что связано с недостаточной жесткостью коленвалов, а также с наличием противовесов. У всех двигателей в коренных подшипниках нижние вкладыши изнашиваются больше верхних, а в шатунных подшипниках верхние вкладыши изнашиваются больше нижних. Износостойкость вкладышей определяется жесткостью конструкции, формой расточки, схемой подвода масла, качеством масла, антифрикционными свойствами материалов и т.д. Отклонения макрогеометрии шеек, деформации вкладышей и узла под нагрузкой также вызывают локальное нарушение гидродинамического режима смазки, резкое повышение температуры, в результате чего интенсифицируется изнашивание и возможен задир, сопровождающийся выплавлением антифрикционного слоя.
Однако неравномерность распределения давления в подшипниках является конструктивно обусловленной, что иллюстрирует рис.14.2, а.
По оси шипа эпюры давления тоже нелинейны и определяются формой пятна контакта после приработки пары.
Характер износа шатунных шеек коленчатого вала показан на рис.14.3.
С целью обеспечения прочности и износостойкости коленчатые валы и шатуны изготовляют ковкой, штамповкой или отливкой из высокопрочных марок стали или чугуна.
Применение валов из углеродистых сталей для двигателей малой и средней напряженности объясняется сравнительно низкой стоимостью и хорошими пластическими свойствами этих сталей.
Для валов стационарных, судовых и тепловозных двигателей чаще применяют стали 35, 40, 50, 35Г, 40Г, 45Г, 50Г и др. Валы быстроходных двигателей изготовляют из тех же сталей, а также из хромовых, хромоникелевых и хромомолибденовых (40Х, 40ХН, 35ХМ, 30ХН2МА, 18Х2Н4МА и др.).
Для валов автомобильных и тракторных двигателей применяют стали 45, 50Г, 40Х, 45Г2, 38хгн, 40ХН2МА.
Хромованадиевые, хромомолибденовые, хромоникелевые и хромоникельмолибденовые стали (30ХМА, 20ХН3А, 38Х2МЮА, 40Х2Н2МА, 25Х2Н4МА, 38Х2МЮА и др.) служат для изготовления коленчатых валов быстроходных дизелей повышенной мощности различного назначения, в том числе для поршневой авиации, судов на подводных крыльях и др.
В судовых, стационарных, тепловозных и автотракторных двигателях нередко применяют литые коленчатые валы из специального модифицированного чугуна с шаровидным графитом (СЧ30, СЧ35 и др.) перлитно-ферритной структуры и из углеродистой и легированной сталей.
Изготовление литых чугунных валов проще и экономичнее, при этом расходуется меньше металла и меньше времени затрачивается на обработку, чем при изготовлении стальных штампованных или кованых валов. Причем износостойкость шеек вследствие наличия в чугуне графита возрастает, надежность работы вала благодаря большой циклической вязкости чугуна повышается.
При применении для подшипников сплавов цветных металлов шейкам валов придают высокую твердость.
Характерным является изнашивание контактирующих пар газораспределительного механизма: кулачок-толкатель, клапан-седло, стержень клапанонаправляющая втулка, подшипники распределительного кулачкового вала.
В особо тяжелых условиях работают пары кулачок-толкатель и клапан-седло, износ, которых лимитирует долговечность механизма газораспределения. Причинами износа пары выпускной клапан-седло являются высокотемпературная газовая коррозия под воздействием агрессивных компонентов продуктов сгорания рабочей смеси, а также биения клапана относительно седла, вызванные износом направляющей втулки клапана. Износ этого сопряжения приводит к нарушению его герметичности и прогоранию клапана.
Для отвода тепла и снижения температуры выпускного клапана на форсированных двигателях применяют натриевое охлаждение. Для обеспечения равномерного износа седла и уплотняющего пояска клапана предусматривают конструктивные меры по проворачиванию клапана во время работы двигателя. На износ сопряжения клапан-седло влияет также величина регулировочного зазора. С увеличением зазоров возрастает динамичность посадки клапана в седло и ускоряется износ.
Для изготовления седел клапанов применяют сплавы на основе никеля ЭПЦ-616, высокохромистые стали, аустенитный чугун, хромистый и хромоникелевый высокопрочный чугун и др. На дополнительные фаски клапанов наносят покрытия из высокопрочных антикоррозионных сплавов.
Направляющие втулки клапанов изготовляют из металлокерамики, стали, чугуна.
Пара кулачок-толкатель работает при контактных давлениях 1200 ~ 1700 МПа и скоростях скольжения 2-5 м/с. Износ деталей рассмотренных пар сопровождается усталостным выкрашиванием (питтинг) и задирами.
Износ кулачков и толкателей приводит к сокращению времени отсечки клапанов и снижению мощностных и экономических показателей двигателей.
Список использованной литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/povyishenie-iznosostoykosti-detaley-dvs/
1. Основы трибологии: Учебник для технических вузов. — М.: Машиностроение, 2002. — С. 205-269.
2. Богданович П.Н., Прушак В.Я. Трение и износ в машинах: Учебник для технических вузов. — Минск: Высшая школа, 1999.
3. Погодаев Л.И., Кузьмин В.Н., Дудко П.П. Повышение надежности трибосопряжений. — С-Пб.: Академия транспорта РФ, 2001.
