Разработка новой пары трения ЦПГ двигателей легковых автомобилей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А."

Институт энергетики и транспортных систем

Кафедра Автомобили и двигатели

Направление: Эксплуатация транспортных и технологических машин

и комплексов

Профиль: Автомобильный сервис

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Разработка новой пары трения ЦПГ двигателей легковых автомобилей

Студент: Коваленко М.А

Руководитель: Виноградов А.Н

Саратов 2017 г.

Целевая установка и исходные данные

Провести обзор и анализ рынка данного вида услуг. Обосновать необходимость введения на рынок данного вида услуг. Определить объём потребности в данном виде услуг. Произвести технологический расчёт производственно-технической базы проектируемой СТО. Разработать технологию ремонта (диагностики) и произвести подбор необходимого технологического оборудования. На основании обзора конструкций и (или) элементов патентного поиска предложить оригинальную конструкцию стенда (приспособления), обосновать предложенные конструктивные решения и произвести их прочностной расчёт. Предложить решения и произвести расчёты в области безопасности труда, производственной санитарии и экологической безопасности при проведении ремонтных работ. Произвести технико-экономический анализ принятых решений.

Реферат

Пояснительная записка содержит 71 стр., 22 литературных источника.

Цель выпускной квалификационной работы - повышение ресурса ЦПГ автомобиля и снижение затрат на обслуживание и обеспечение ее работоспособности путем замены стандартной поршневой группы в частности поршней с поршневыми кольцами и последующим использованием новых гильз, с применением новых видов и принципов работы трибосопряжений. Необходимость такой модернизации вызвана в первую очередь необходимостью повышения ресурса двигателя в целом, увеличением межсервисного интервала технического обслуживания, повышением КПД ДВС, уменьшением числа простоев за счет увеличения моторесурса.

Задачи проектирования:

· Провести анализ состояния вопроса о материалах применяемых в двигателестроении;

· Провести аналитическое исследование процесса разработки ремонтного комплекта;

· Провести сравнительный анализ профилирования поршней, для последующей разработки конструкции без использования поршневых колец.

· Разработать методику поиска и внедрения нового трибосопряжения.

· Определить практические рекомендации, выводы для дальнейшей разработки темы.

Аннотация

Целью выпускной квалификационной работы является повышение ресурса ЦПГ автомобиля и снижение затрат на обслуживание и обеспечение ее работоспособности путем замены стандартной поршневой группы в частности поршней с поршневыми кольцами и последующим использованием новых гильз, с применением новых видов и принципов работы трибосопряжений. Необходимость такой модернизации вызвана в первую очередь необходимостью повышения ресурса двигателя в целом, увеличением межсервисного интервала технического обслуживания, повышением КПД ДВС, уменьшением числа простоев за счет увеличения моторесурса.

Для достижения поставленной цели в выпускной квалификационной работе необходимо решить ряд задач.

Необходимо провести анализ состояния вопроса о материалах применяемых в двигателестроении. Провести аналитическое исследование процесса разработки ремонтного комплекта. Провести сравнительный анализ профилирования поршней, для последующей разработки конструкции без использования поршневых колец. Разработать методику поиска и внедрения нового трибосопряжения. Определить практические рекомендации, выводы для дальнейшей разработки темы.

The purpose of the final qualifying work is to increase the resource of the piston group of the car and to reduce maintenance cost and ensure its efficiency by replacing the standard piston group, in particular pistons with piston rings and subsequent use of new sleeves, using new types and principles of tribo mating.

The need for such modernization is primarily due to the need to increase the service interval of maintenance, to increase the efficiency of the number of downtimes due to the increase in the motor resource.

To achieve the task in the final qualifying work it is necessary to solve a number of problems.

It is necessary to analyze the state of the matter of materials used in engine building. Carry out an analytical study of the development of the repair kit. Carry out a comparative analysis of the profile of the pistons, the further development of the design without the use of piston rings. To develop a methodology for the search and introduction of a new tribocoupling. Identify practical recommendations and conclusions for the further development of the topic.

Содержание

• Введение
• 1. Анализ состояния вопроса о материалах применяемых в двигателестроении
• 2. Аналитическое исследование процесса
• 2.1 Анализ перспективных конструкций и материалов для ремонтного цикла ЦПГ без применения поршневых колец
• 3. Методика разработки нового трибосопряжения
• 3.1 Оловянистая БрОЦС 5-5-5 и бериллиевая бронзы БрБ 2
• 3.2 Исследование САС и СПАК как материалов для изготовления поршней
• 3.3 Анализ современных методов, технологий, и разработок в области профилирования поршней
• 4. Результаты исследования новых трибосопряжений
• Заключение
• Литература

Введение

Актуальность исследования. Курс на модернизацию производства двигателей предъявляет повышенные требования к проектированию, заключающиеся в полном использовании технических возможностей изготовления и перспектив их дальнейшего роста.

Совершенствование конструирования геометрических параметров трущихся поверхностей деталей, является резервом повышения долговечности трибосопряжений, обосновывает развитие двигателестроения. Как известно, работоспособность и ресурс двигателя определяется прочностью и износостойкостью его деталей.

В частности, прочность обеспечивает отсутствие механических поломок, а износостойкость - быстро прогрессирующего износа трущихся пар, если не нарушены условия эксплуатации (смазка, охлаждение, максимальная частота вращения и т.д.).

Связь характеристик деталей (прочность, износостойкость, шероховатость поверхности, величина износа и т.д.) двигателя с различными неисправностями и поломками (отказами) механической части двигателя имеет важное для ремонтной практики значение.

Для обеспечения работоспособности и ресурса двигателя важное значение помимо прочности, имеет износостойкость трущихся деталей, т.е., способность противостоять постепенному уменьшению размеров при трении.

На износостойкость деталей оказывает влияние большое число факторов, среди которых следует отметить материалы трущейся пары, геометрия и шероховатость рабочих поверхностей, условия смазки.

В результате взаимодействия этих факторов возникают различные виды изнашивания.

Наиболее характерно для автомобильных двигателей абразивное изнашивание, вызываемое попаданием в зазор между трущимися деталями со смазкой твердых частиц, не задержанных фильтрами (масляными, топливными или воздушным). Изнашивание деталей происходит в результате микрорезания поверхностей этими частицами.

В парах трения где одна из деталей имеет мягкую рабочую поверхность (например, поршень ДВС абразивные частицы могут внедряться в такую поверхность и изнашивать ответную деталь.)

Износостойкость деталей на практике определяется, таким образом, целым рядом внешних условий, среди которых следует выделить:

Условия смазки, обеспечивающие отсутствие непосредственного контакта деталей, и химического реагирования масла с материалом трущихся поверхностей;

Условия охлаждения, препятствующие перегреву деталей в зоне контакта (в том числе из-за уменьшения теплового зазора при нагреве), качественная фильтрация масла, топлива и воздуха.

Помимо этого, износостойкость деталей обеспечивается определенным подбором материалов пар трения скольжения. В общем случае правильный подбор материалов сопряженных деталей определяет не только их износостойкость, но и вообще работоспособность.

Проблема повышения надёжности различных машин и механизмов с течением времени не только не снижается, а наоборот неуклонно возрастает.

Степень разработанности темы исследования. Исследования в области повышения надежности и снижения затрат на поддержание работоспособности элементов ЦПГ в процессе эксплуатации автомобилей ведутся в различных научных и образовательных учреждениях таких, как МАДИ, НГАУ, ПГУАС, СПбГАУ, ВолгГТУ и др., а также в ряде зарубежных стран. Однако, исследования в области разработки нового трибосопряжения для повышения КПД, увеличении ресурса двигателя в целом, повышения мощностных показателей другими исследователями не проводились и публикации по этой тематике нам не известны

Объектом исследования являются процессы функционирования элементов цилиндро-поршневой группы ДВС при его эксплуатации.

Предмет исследования - ремонтный комплект ЦПГ с применением нового трибосопряжения в паре цилиндр-поршень без применения поршневых колец.

Цель работы - повышение ресурса ЦПГ автомобиля и снижение за- трат на обслуживание и обеспечение ее работоспособности путем замены стандартной поршневой группы в частности поршней с поршневыми кольцами и последующим использованием новых гильз, с применением новые видов и принципов работы трибосопряжений.

Задачи исследования:

1) Проанализировать возможность восстановления работоспособности ЦПГ заменой гильзы и поршня ремонтным комплектом с применением нового типа трибосопряжения;

2) Провести, сравнительный анализ применяемых материалов в конструкции двигателей в частности ЦПГ и материалов применяемы в нашем исследовании.

4) провести оценку результатов исследования и практических рекомендаций.

Научная новизна:

1) способ восстановления ЦПГ ремонтными комплектами с применением нового трибосопряжения отличающегося новым принципом работы трибосопряжений на основе цветной пары трения, и иной конструкцией поршня, что позволит обойтись без установки поршневых колец.

Таким образом, тема исследования, направлена на научное обоснование, разработку и внедрение в технологический процесс технического обслуживания и ремонта автомобилей ремонтных циклов ЦПГ двигателей с использованием новых трибосопряжений, позволяющих повысить ресурс элементов поршневой группы двигателя, и отказаться от использования поршневых колец.

1. Анализ состояния вопроса о материалах применяемых в двигателестроении

На работы по восстановлению изношенных деталей, снижению интенсивности изнашивания различного вида деталей механизмов ЦПГ двигателей внутреннего сгорания расходуется до 4…5% национального дохода. Такое положение связано не только с ужесточением режимов работы машин, но также с отсутствием во многих случаях расчётных методов обоснованного выбора триботехнических сопряжений, режимов эксплуатации по достаточно объективным критериям для конкретных условий работы трибосопряжений.

При разработке двигателя материалы пар трения подбираются для обеспечения их высокой износостойкости. К наиболее важным парам, определяющим ресурс всего двигателя, относятся "цилиндр-поршневые кольца", "вкладыши - шейки вала", "кулачки распредвала - толкатели". Иногда при ремонте детали пар приходится заменять, тогда установка одной из деталей пары, выполненной из иного, нежели рекомендованного заводом-изготовителем двигателя, материала можно привести к более интенсивному изнашиванию и заметному снижения ресурса.

Очень большое влияние на износостойкость и ресурс пары трения оказывает шероховатость поверхности. Практика показывает, что шероховатость не должна быть чрезмерно большой или малой, а оптимальной для данного сопряжения деталей.

Если новая или отремонтированная деталь имеет слишком грубую рабочую поверхность, то возрастают удельные давления из-за уменьшения площади контакта деталей.

Слишком гладкая поверхность, напротив обеспечивает большую площадь контакта и снижение контактных напряжений. Однако при этом ухудшается удержание смазки поверхностью, что также ведет к задирам.

Изменение характеристик пар трений посредством введения дополнительных добавок или вовсе использования других материалов и покрытий, даёт возможность увеличить межремонтный период и повысить надёжность трибосопряжений. Использование упрочняющих покрытий в некоторых случаях позволяет даже восстановить изношенные детали. Поэтому проблема разработки новых трибосопряжений (пар трения), упрочняющих покрытий, становится особенно актуальной.

Общими тенденциями для современных двигателей являются уменьшение диаметра и высоты поршня при увеличении числа цилиндров, уменьшение диаметров подшипников коленчатого вала, переход к многоклапанным головкам блока, новым ранее не применявшимся материалам и технологиям.

Значительный вклад в решение указанной задачи внесли многие отечественные и зарубежные исследователи: А.В. Белогуб, В.М. Волков, Б.Я. Гинцбург, О.П. Голубев, Е.А. Григорьев, Н.А. Кузьмин, А.П. Маслов, В.Н. Никишин, О.А. Пищаев, Г.М. Рык, В.И. Суркин, В.Н. Попов, С.В. Путинцев, Ю.В. Рождественский, Л.А. Савин, И.Я. Токарь, W.L. Blaiz, C. Chin, H.A. Ezzat, P.K. Goenka, D.P. Hoult, D.F. Li, F.M. Meng, R.S. Paranjpe, S.M. Rohde, H. Wang, и др.

Несмотря на глубокие и обстоятельные исследования учёных в области трения и износа, различных трибосопряжений существует необходимость в разработке новых методов при разработке эксплуатационных материалов для повышения эксплуатационных характеристик машин и механизмов.

Одним из условий нормальной работы узла трения является такой выбор материалов, который обеспечивает приемлемые потери на трение и минимальные затраты на изготовление, обслуживание и ремонт.

В одних случаях детали пары трения изготовлены из однотипных материалов с примерно одинаковой твердостью (подшипники качения, шестерни зубчатых передач). В других - применяются разнотипные материалы с разной твердостью (подшипники скольжения, червячные передачи). Поскольку износ трущихся деталей неизбежен, в подобных случаях дешевая деталь "приносится в жертву" более дорогостоящей. Например, стальной червяк должен изнашиваться меньше колеса и выдержать несколько его замен. Вал подшипника должен изнашиваться меньше опоры. Материалы, из которых изготавливают более изнашиваемую деталь узла трения, часто называют антифрикционными (АФ). Они должны обладать следующей совокупностью свойств:

Совместимость - АФ материал должен иметь малый коэффициент трения, небольшую склонность к заеданию с материалом сопряженной детали и не изнашивать её. Совместимость может меняться со временем (во время и после приработки) и зависит от режима смазки.

Прирабатываемость - способность материала изменять геометрию поверхности, степень микронеровностей и структуру поверхностного слоя. После приработки снижается коэффициент трения и возрастают допустимые нагрузки.

Износостойкость - определяет сопротивление различным видам изнашивания.

Стойкость к заеданию - Чем выше значения нагрузок и скоростей, при которых происходит схватывание с материалом сопряженной детали, тем выше стойкость к заеданию.

Способность к поглощению твердых частиц - Речь идет об абразивных частицах и продуктах износа. Если они способны "вдавливаться" в основу, то абразивное воздействие на сопряженную деталь минимизируется.

Сопротивление усталости - Чем большее число циклов нагружения при заданной нагрузке выдерживает материал, тем позже развивается усталостное изнашивание. Т.е. сопротивление усталости определяется кривой усталости соответствующего материала.

Температуростойкость - Чем меньше зависят от температуры физико-химические и механические свойства АФ материала, тем менее чувствителен он к повышению температуры во время работы. Прежде всего, это важно с точки зрения предупреждения заедания при перегреве. Кроме этого, желательно, чтобы коэффициент теплопроводности был большим (лучше отвод тепла), а коэффициент теплового расширения минимальным (стабильность зазоров).

Приведем примеры наиболее распространенных вариантов применяемых материалов в конструкциях ЦПГ двигателей:

Конструкция блока без протока между гильзами

Рисунок 1.1 - Блок без протока между гильзами

Блоки данной конструкции отливаются из легированного чугуна, обеспечивающего необходимую износостойкость пар трения "гильза-поршневые кольца" и " гильза - поршень". При этом поверхности цилиндров термически и химически не обрабатываются, и на них не наносится каких-либо покрытий. В процессе эксплуатации поверхности цилиндров могут упрочниться вследствие воздействия повышенной температуры. В результате этого поверхности закаливаются на небольшую глубину, а износостойкость цилиндров увеличивается.

Двигатели многих моделей фирм, имеют алюминиевый блок с залитыми в него тонкостенными сухими гильзами из износостойкого чугуна.



Рисунок 1.2 - Блок с сухими гильзами

Такая конструкция, обеспечивает небольшую массу двигателя не меняя технологию ремонта (расточка и хонингование в ремонтный размер)

На некоторых современных двигателях блок с гильзами не отливают а спекают из гранул, это позволяет значительно увеличить легирование алюминия кремнием и уменьшить коэффициент линейного расширения материала блока, приблизив его к коэффициенту линейного расширения чугуна (методом литья получить сплав с содержанием кремния более 14% сложно).

На автомобилях представительского класса некоторые фирмы используют алюминиевые блоки с упрочняющими покрытиями.

Таким образом, при отливке блока достигается направленная кристаллизация кремния у поверхности зеркала цилиндров. Последующим травлением поверхности с нее удаляется алюминий, и после окончательной обработки здесь остается чистый кремний.

Такие гильзы в паре с поршнем, имеющим гальваническое покрытие железом, и хромированными кольцами обладают исключительно высокой износостойкостью. Недостатками такой конструкции является высокая стоимость и сложность изготовления, а также чувствительно к недостаточной смазке.

Еще реже встречаются алюминиевые блоки со специальным очень твердым гальваническим покрытием цилиндров типа никасил (никель-карбид-кремниевое покрытие).

Существенным преимуществом алюминиевых блоков цилиндров с различными покрытиями рабочей поверхности является стабильность зазора между поршнем и цилиндром в широком диапазоне температур, чего невозможно добиться в конструкциях с чугунными блоками или гильзами цилиндров. автомобиль поршневой гильза затраты

При близких коэффициентах линейного расширения алюминиевых сплавов поршня и гильзы цилиндра при увеличении температуры с -20 до +100 зазор в цилиндре неработающего двигателя изменяется в приделах 0.02 + 0.04мм, в то время как у того же поршня в чугунном цилиндре 0.01 до 0.1 мм

Все двигатели серийно выпускаемых автомобилей имеют поршни из алюминиевого сплава. Широко использовались эвтектические сплавы алюминия с содержанием кремния 12+14%.

Высокий уровень форсирования двигателей потребовал перехода на заэвтектические сплавы.

Износостойкое покрытие наносится на днище и верхнюю канавку до середины пеермычки между верхней и средней канавками (рисунок). Покрытие представляет собой так называемое твердое анодирование - преобразование тонкого слоя алюминия в керамику AL2O3.

Приведем наиболее распространенные варианты упрочняющих покрытий:

Технология Локасил (фирма Kolbenschmidt) предусматривает, что при формировании литейной заготовки блока цилиндров в него устанавливаются цилиндровые вставки из сплава алюминия с повышенным содержанием (20…27%) кремния. Такая конструкция блока цилиндров предполагает обработку изношенных цилиндров в ремонтные размеры. Технология Алюсил (фирма Kolbenschmidt) и Силумал (фирма Mahle) предусматривает, что отверстия цилиндров обрабатываются непосредственно в самом материале блока. При этом за счет направленной кристаллизации алюминиевого сплава формируется прилегающий к поверхности цилиндра слой металла с повышенным содержанием кремния (17%). Отверстия цилиндров таких блоков также могут обрабатываться в предусмотренные изготовителем ремонтные размеры. Распространенной является конструкция блока цилиндров, при которой на поверхность цилиндра наносится электролитическое твердое износостойкое никель-кремниевое покрытие - это технологии Галникал (фирма Kolbenschmidt) и Никасил (фирма Mahle). Для блоков цилиндров такой конструкции ремонтные размеры не предусмотрены. Все это позволило ощутимо снизить массу двигателя, удешевить его производство и повысить удельную мощность.

Пористое хромирование применяется в тех случаях, когда покрытие должно иметь очень высокую твердость и износостойкость. Электролитический хром обладает твердостью от НВ 400 до НВ 1200, а также высокой износостойкостью, низким коэффициентом трения (0,13 при трении по баббиту и 0,16 при трении по стали), высокой теплопроводностью, низким коэффициентом линейного расширения. Электрохимический эквивалент хрома равен 0,324 г./A - ч.[4]

Хромовые электролиты представляют собой растворы хромовой кислоты Н₂СrO₄, образующейся при растворении хромового ангидрида СrО ₃ в воде. Для осаждения хрома на катоде-детали, в раствор нужно добавить серную кислоту Н₂SО₄. При этом наилучшие по качеству осадки и наибольший выход хрома по току получаются при соотношении СrО₃: Н₂SО₄= 100. Выход хрома по току очень мал - всего 13-15%. Установлено, что нормальный процесс хромирования обеспечивается, если трехвалентный хром содержится в пределах от 5 до 20 г./л. Это может быть обеспечено, если площадь анодов будет в 1,8-2 раза больше площади катодов-деталей.

В качестве анода при хромировании применяют рольный свинец с добавлением 6-12% сурьмы. В процессе работы ванны аноды окисляются, и их следует периодически очищать. [5]

Технологический процесс износостойкого хромирования деталей состоит из следующих операций [8]:

1. Очистка деталей от масла и грязи.

2. Предварительное шлифование для придания деталям правильной геометрической формы и получения необходимой шероховатости.

3. Промывка. Детали промывают в горячем щелочном растворе, протирают венской известью, промывают в проточной воде.

4. Изоляция подвески и поверхностей деталей, не подлежащих хромированию. Изолируют обычно цапон-лаком (раствором целлулоида в ацетоне), перхлорвиниловым лаком 9-32 или клеями АК-20 и БФ, которые наносят в 2-3 слоя.

5. Навешивание (установка) деталей на подвеску.

6. Обезжиривание. При химическом обезжиривании детали промывают в бензине или в водном растворе, нагретом до 60-70° С в течение 3-5мин.

При электрохимическом обезжиривании детали навешивают на подвеску и погружают в ванну с горячим водным раствором. Раствор подогревают до 70-75° С и выдерживают в нем детали в течение 5-8 мин при плотности тока 3-10 A/дм² и напряжении 8-10 B.

7. Анодное декапирование. Производится c целью удаления с поверхности обезжиренных деталей, окисных пленок и выявления структуры детали. Для этого подвеску с деталями загружают в специальную ванну со слабым раствором серной кислоты в воде (3-5 г./л) и выдерживают в течение 1-2 мин. После этого детали промывают в дистиллированной воде.

8. Хромирование. Для получения твердых износостойких покрытий чаще всего применяют следующий состав ванны и режим хромирования: 150-200 г./л хромового ангидрида и 1,5-2,0 г/л серной кислоты; плотность тока 35-45 А/дм² и температура электролита 56-58° С.

9. Промывка. По окончании процесса хромирования подвески с покрытыми деталями промывают в дистиллированной воде для сбора электролита, а затем последовательно в проточной воде, в 3-5%-ном растворе щелочи для нейтрализации, снова в проточной воде и наконец в подогретой до 70-80° С воде.

10. Демонтаж (снятие) деталей с подвески и удаление изоляции.

11. Термообработка деталей для устранения их водородной хрупкости. Детали обычно нагревают в сушильных шкафах или в масляной ванне до температуры 150-220° С и выдерживают в течение 1,5-2,0 ч.

Реверсивное хромирование позволяет в 2 раза увеличить скорость отложения хрома, повысить на 1 - 2 класса чистоту покрытия по сравнению с обычным хромированием. При реверсивном хромировании периодически меняют полярность тока: продолжительность катодного периода 10-15 мин, а анодного - 10 - 15 сек. Состав электролита обычный (СгО₃ - 200 - 250 г./л и Н₂SO₄ - 2,0 - 2,5 г/л) при повышении плотности тока до 60 - 150 A/дм².

Струйное хромирование цилиндрических поверхностей валов и осей дает возможность в 4-8 раз повысить производительность процесса, не снижая качества покрытия.[5] При струйном хромировании деталей на специальных установках электролит интенсивно перемешивается и постоянно обновляется в зоне, непосредственно прилегающей к покрываемой поверхности катода.

Осталивание. Выход металла по току при осталивании в 5- 7 раз выше, чем при хромировании, и равен 75-95%, а скорость отложения осадка в 10 раз больше (0,4 мм за час). При осталивании можно получить покрытия толщиной до 2 мм.

Для твердого и износостойкого осталивания обычно применяют хлористые электролиты следующего состава: хлористое железо FеСl₂ - 200-500 г./л, хлористый натрий NaСl - 100 г./л, соляная кислота НСl - 0,5-0,9 г/л, хлористый марганец MnCl₂-10 г./л. Аноды изготавливают из малоуглеродистой стали. Общая площадь анодов должна быть в 2 раза больше покрываемой поверхности деталей.

Твердость, вязкость и износостойкость покрытий при осталивании можно изменять в широких пределах, изменяя состав электролита, его температуру и плотность тока. При малой плотности тока и высоких температурах электролита получают мелкозернистые вязкие покрытия. С повышением плотности тока увеличивается твердость покрытий.

Технологический процесс осталивания аналогичен хромированию. Недостатком восстановления гильз электролитическими покрытиями является небольшая толщина наносимого покрытия, большая продолжительность нанесения покрытия и неравномерность наносимого слоя.

Проведенные исследования показали, что применение гальвано-механического способа при восстановлении деталей машин наиболее полно удовлетворяет требованиям ремонтного производства. Отличительной его особенностью является то, что в процессе электролиза покрываемая поверхность подвергается механическому активированию (царапанию) абразивными или алмазными инструментами в виде лент или брусков, которые перемещаются в межэлектродном пространстве.

Механическое активирование способствует снижению перенапряжения разряда оседаемого металла за счет уменьшения концентрационных ограничений, интенсивного удаления с поверхности катода адсорбировавшихся гидридов, гидроокисей и газообразного водорода. Все это позволяет в десятки раз увеличивать рабочие плотности тока при нанесении хрома, никеля, кобальта, меди и существенно повышать скорость их осаждения.

Данный способ представляет собой разновидность электрохимического хонингования, где в качестве СОЖ используется электролит для нанесения соответствующего металла, и сводится к предварительному хонингованию, электро-осаждению металла с одновременным хонингованием при незначительном давлении брусков и к окончательному хонингованию для получения необходимой геометрии обрабатываемой поверхности. Таким образом, весь технологический процесс осуществляется с одной установки на одном и том же оборудовании.

Постоянное хонингование обрабатываемой поверхности во время электро-осаждения, высокая скорость циркуляции электролита при малом межэлектродном зазоре обеспечивают высокую скорость осаждения металла, которая в 20 - 50 раз выше, чем при стационарных условиях нанесения покрытий.

Технологический процесс сводится к обезжириванию, промывке в воде, гальвано-механическому процессу нанесения покрытий (декапирование 15…85 с, нанесение покрытия с выходом на режим в течение 8…10 мин, с плавным увеличением D_к и Р_а до оптимального), последующей промывке детали в проточной воде, их нейтрализации и ополаскиванию.

Прошли апробацию в условиях опытного производства технологический процесс и установка для восстановления зеркала гильз цилиндров Д-50 (Д-240), а также произведены стендовые испытания трех серий гильз, восстановленных по разработанной технологии, которые показали высокую работоспособность деталей.

Недостатком данного способа является сложность приобретения необходимого оборудования, сравнительно высокая стоимость материалов, используемых при восстановлении.

Никелевое боровое покрытие, полученное химическим способом (сплав никель-фосфор), применяют как защитно-износостойкое и наносят на сталь, медь, алюминий, титан и другие металлы непосредственно.

Покрытие осаждается равномерным слоем на деталях сложного профиля и содержит от 3 до 15% фосфора в виде фосфида никеля.

На полированной поверхности покрытие имеет зеркальный блеск с желтоватым оттенком. Свойства никелевого покрытия зависят от его химического состава. Температура плавления находится в пределах от 890 до 1200°С (в зависимости от содержания фосфора в покрытии). Плотность равна 7.95-8.05 г/см³. Коэффициент линейного расширения равен 13·10-5 К-1. Теплопроводность, рассчитанная по данным электрической проводимости, составляет 4,4-5,7 Вт/м К (0,0105-0,0135 кал/смсС). Удельное электрическое сопротивление равно 6 10-5 Ом м. Покрытие выдерживает удлинение от 3 до 6% и имеет внутреннее напряжение сжатия около 35 МПа (3,5 кгс/мм²). Относительная магнитная восприимчивость значительно ниже, чем у электролитического никеля, и равна для химического никеля 4% (для электролитического никеля 37,3%).

Твердость покрытия составляет 3200-6000 МПа (320-600 HV) в зависимости от состава и кислотности растворов, используемых для получения осадков.

После термообработки твердость в зависимости от температуры составляет:

Таблица 1.1 - Твердость покрытия после термообработки

Температура, С°	Твердость, МПа
200	4500-6000
300	6500-7500
400	7500-9000
600	4500-6500
800	3000-3500
1200	2000-2500

Максимальная твердость при температуре 400°С достигается за 10 мин., при 300 °С - за 1,5-2,0 ч.

Покрытие содержит от 20 до 30 см 3 водорода на 100 г металла.

Сцепление никелевого покрытия с углеродистой низко- и среднелегированной сталью, медью и ее сплавами, никелем и кобальтом является очень прочным; с коррозионностойкими сталями, титаном и алюминием хорошее сцепление получают в результате применения специальных методов подготовки поверхности перед покрытием. Сцепление покрытия с основой улучшается после термообработки в течение 1 ч (для стали при 300-350°С, для алюминия при 140-250 °С). Сцепление покрытия составляет от 415 до 219 МПа.

Износостойкость покрытия зависит от термообработки, т.е. от твердости. Не термообработанные покрытия имеют очень низкую износостойкость, и уже при давлении 1МПа покрытие задирается и отслаивается от основного металла. Покрытие, термообработанное при 400°С, имеет износ при работе со смазкой в 10 раз меньше, чем сталь марки 30ХГСА с твердостью 34 HRCЭ, но в два раза больше, чем хромовое покрытие.

Аналогичное соотношение по износу имеет никелевое покрытие по сравнению с хромовым и при сухом трении. Термо-обработанное никелевое покрытие при работе в паре с бронзой и баббитом по износостойкости равноценно хромовому покрытию и закаленной стали марки Ст. 45. Не термо-обработанное покрытие в этом случае изнашивается в 2-3 раза больше, чем закаленная сталь марки Ст. 45 и хром. Предельное давление, до задира покрытия, превышает 42 МПа. Коэффициент трения при смазке маслом АМГ-10 и давлении 4,0-8,0 МПа находится в пределах 0,065-0,070, при трении по бронзе - 0,02-0,06, по баббиту - 0,024-0,090. Механические свойства стали с химическим никелевым покрытием толщиной 20 мкм (временное сопротивление разрыву, предел текучести, относительное удлинение, поперечное сжатие и ударная вязкость) не подвергаются заметным изменениям.

Усталостная прочность в результате нанесения никель-фосфорного покрытия снижается на 3,8%, У образцов с надрезом - на 40%. Пористость и защитные свойства покрытий, полученных химическим и электролитическим способом, практически равноценны.

Известно что никель - боровое покрытие превосходит технологю пористого хромирования по скорости и получаемой твердости покрытия.

Никель - фосфорное покрытие

Процесс химического никелирования позволяет осаждать покрытия равномерной толщины с отклонениями не более 10% на деталях сложной конфигурации. По сравнению с никелевыми покрытиями, полученными гальваническим способом они обладают более высокой твердостью и износостойкостью, поэтому могут применяться для деталей, работающих в условиях трения, особенно при отсутствии смазки.

Покрытия имеют минимальную пористость и высокие декоративные свойства (особенно при осаждении из свежеприготовленного раствора), поэтому применяются в качестве защитно-декоративных.

Химическое никелирование обязательно выполняется в присутствии одного из сильных восстановителей. Самым распространенным является гипофосфит натрия. В основе процесса лежит реакция взаимодействия гипофосфита натрия с ионами никеля. Гипофосфит натрия гидролизуется в воде с образованием фосфита натрия и атомарного водорода по химической реакции:

NaH₂PO₂+ Н ₂О = NaH₂PO₃+ 2Н_ат.

Атомарный водород, адсорбированный на поверхности покрываемой детали, восстанавливает ионы никеля по химической реакции:

Ni²⁺+ 2Н_ат-› Ni + 2Н⁺.

Одновременно атомарный водород взаимодействует с анионами Н2РО2-1 и Н2РО3-1, восстанавливая фосфор до элементарного состояния, который в последствии входит в состав покрытия.

При химическом никелировании всегда выделяется водород:

2Н_ат -› H₂.

На эту реакцию расходуется более 60 % выделяющегося по реакции водорода.

Реакция восстановления никеля является автокаталитической, т.е. для ее начала необходимо наличие катализатора. Каталитическими свойствами обычно обладает металл детали, например железо, титан, алюминий, а в дальнейшем - никель (отсюда и название механизма - автокаталитический, т.е. никель сам провоцирует свой рост на покрываемой детали).

Наносить химический никель можно и на металлы, которые не являются катализаторами данной реакции: медь, серебро и др. В этом случае необходимы предварительный контакт детали с более отрицательным металлом, например с алюминием, или подача короткого импульса тока. На таких металлах, как свинец, кадмий, олово и др., покрытие получить невозможно. Химический никель наносят и на неметаллические материалы: стекло, керамику и пластмассу. Перед нанесением покрытия поверхность подвергают активированию известными методами.

Содержание фосфора в покрытии колеблется в пределах от 3 до 12 % и зависит от кислотности раствора, снижаясь с понижением рН. Возможно, это связано с тем, что скорость восстановления ионов никеля с ростом рН увеличивается быстрее, чем скорость восстановления фосфора.

На скорость химического никелирования оказывают влияние и такие факторы, как температура, концентрация и соотношение гипофосфита натрия и ионов никеля, природа и количество органических добавок.

Температуру рабочего раствора поддерживают равной 80-97°С. При повышении температуры с 80 до 90°С скорость осаждения увеличивается в 1,5 раза, а при снижении ее ниже 70°С процесс осаждения полностью прекращается.

Химическое никелирование протекает при рН 4-4,5 и при рН 8-10, поэтому растворы, в которых происходит осаждение покрытия, делятся на кислые и щелочные. При рН<4 процесс осаждения прекращается. При рН>5,5 начинается гидролиз солей никеля, при этом частицы гидроксида никеля становятся центрами разложения рабочего раствора и может произойти "саморазряд" ванны - выделение металлического никеля во всем объеме раствора.

Так как во время химического никелирования все время выделяется кислота, необходимо вводить различные буферные добавки: уксусную кислоту, янтарную кислоту и т. п. Введение в раствор комплексообразователей препятствует образованию фосфита никеля, который, выпадая в осадок, делает его непригодным для дальнейшего использования.

Обычно раствор используют один раз, при этом 10-15 % исходных компонентов пропадает, а буферные добавки пропадают полностью. Однако из-за своей простоты этот способ широко применяется в промышленности, хотя его и нельзя назвать экологичным. Кроме буферных добавок и комплексообразователей в растворы вводят в очень малых количествах специальные добавки-стабилизаторы, например катионы сурьмы, висмута и мышьяка.

В кислых растворах оптимальным отношением соли никеля к гипофосфиту натрия, выраженным в молях, является 0,4. Накопление фосфитов никеля оказывает вредное влияние на процесс осаждения: взвешенные частицы труднорастворимых фосфитов оседают на деталях, делая поверхность шероховатой.

Процесс протекает при температуре 80-100 °С. Так как кислотность раствора все время увеличивается из-за образования фосфористой кислоты, добавляют 1-2 %-ный раствор NaOH или 25 %-ный раствор NH4OH (1:10).

Кислые растворы по сравнению со щелочными имеют ряд преимуществ: они более стабильны, имеют более высокую скорость осаждения и обладают более высокими защитными свойствами.

Щелочные растворы кроме солей никеля и гипофосфита натрия содержат комплексообразователи - аммиак и лимонную кислоту, что позволяет вести процесс осаждения длительное время. Растворимость фосфитов в щелочных растворах значительно выше, чем в кислых. Накапливающийся фосфит не оказывает вредного влияния при концентрации менее 340 г/л. В щелочных растворах можно наносить покрытие на коррозионно-стойкую сталь, алюминий, титан и т. п.

Покрытия, полученные при химическом никелировании, имеют слоистую аморфную структуру. Недостатком покрытия является его хрупкость, которая начинает проявляться при толщине слоя около 10 мкм и выше. После термической обработки покрытие становится кристаллическим и представляет собой твердый раствор никеля с небольшим содержанием фосфора и интерметаллическое соединение Ni3P. Содержание фосфора 4-8 % для щелочных и 8-10 % для кислых растворов.

Термическая обработка позволяет повысить микротвердость покрытий до 8400-11 800 МПа. Термическая обработка стальных деталей производится при температуре 300-400 °С, алюминиевых - при 275-280 °С, а деталей из дюраля - при 375-385 °С. Время выдержки 1 ч. Структурные превращения в покрытиях сопровождаются выделением тепла и изменением объема, поэтому при очень быстром нагреве возможно разрушение покрытий.

Сцепление никель-фосфорных покрытий сильнее сцепления электролитического никеля, так как осаждение происходит равномерно как внутри, так и снаружи детали, заполняя все микроуглубления и неровности. Отклонения толщин не превышают 10 %, поэтому химический никель наносят на прецизионные детали, например на плунжерные пары топливных насосов двигателей, мелкие детали в часовой и оптической промышленности и т. п.

Высокие защитные свойства наряду с небольшой пористостью позволяют применять никель-фосфорные покрытия в качестве защитных, в том числе в условиях перегретого пара и воздуха, вплоть до 700 °С. Для увеличения износоустойчивости и снижения коэффициента трения никель-фосфорное покрытие наносят на трущиеся поверхности. Незаменимо покрытие в полевых условиях и в небольших мастерских для восстановления размеров изношенных деталей. Целесообразно нанесение покрытия на крупногабаритные детали.

Скорость осаждения при химическом никелировании колеблется в зависимости от состава электролита от 10 до 25 мкм/ч. Химическое никелирование проводят в проточных и непроточных растворах. В проточных растворах постоянство состава поддерживается при помощи циркуляции раствора по замкнутому циклу: из реактора, в котором происходит осаждение, в теплообменник, где раствор охлаждается до 55 °С, затем насосом перекачивается через фильтр, оттуда самотеком стекает в корректировочный бак и поступает в реактор. Установка снабжена приборами автоматического регулирования рН и температуры.

2. Аналитическое исследование процесса

2.1 Анализ перспективных конструкций и материалов для ремонтного цикла ЦПГ без применения поршневых колец

Известно что сейчас многие компании занимающиеся функциональным тюнингом ведут свои исследования в области повышения износостойкости, ресурса двигателя в целом и повышения его КПД при уменьшении веса, и минимизации расхода топлива.

Компания Victorian работает над технологией, которая возможно вненесет серьезные изменения в будущее конструкции бензинового и дизельного двигателя, которая позволяет избавиться от поршневого кольца, формирующее уплотнение между поршнем и стенкой цилиндра.

Ключом к технологии является замена чугунных поршневых колец на "виртуальными кольцами" для увеличения максимального давления воздуха, создаваемого движением воздуха через ламели на теле поршня.

Рисунок 2.1 - Конструкци ЦПГ без применения поршневых колец

Принцип действия заключен в следующем:

Вместо колец у каждого поршня есть многочисленные маленькие, угловые канавки, полукруглые в их вершине. С маленькими расстояниями между ними, движение поршня создает быстродействующие завихрения - увеличивающие давление воздуха, и работающие как поршневые кольца, формирующие уплотнение, чтобы сократить утечку и прорыв газов и потерю КПД во время сжатия и рабочих ходов.

Таким образом проявляется эффект газодинамического уплотнения цилиндра.

Это означает, что нет никакого контакта между поршнями и стенкой цилиндра. Фактически отсутствие трения означает, что механизму не нужна никакая смазка и на парах трения нет никакого износа.

Так же наблюдается еще одна полезная особенность. Возникновение так называемой "воздушной подушки" вокруг камеры сгорания создает направленную подачу топливно-воздушной смеси смеси - инжекционный профиль, который обогащает смесь в центре отсека и наклоняет его к периферии.

Так же известно изобретение с каплевидной канавкой:

Рисунок 2.2;2.3 - Профиль поршня с каплевидной канавкой



Рисунок 2.4- Общий вид

Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания. Поршень с канавкой согласно изобретению имеет на профиле боковой поверхности днища поршня каплевидную канавку, нарезанную на расстоянии 2-3 мм от огневого днища под углом 22° относительно оси поршня с общей длиной 12-13 мм и имеющую сферическое основание радиусом r = 1,5 мм. Изобретение обеспечивает улучшение компрессионных качеств соединения поршень-гильза цилиндра, увеличение степени сжатия, улучшение сгорания топливно-воздушной смеси, снижение токсичности отработанных газов, повышение мощности двигателя.

Конструкция работает следующим образом. После сгорания топлива отработанный газ под давлением 7,4-7,76 МПа течет в начальный момент между огневым днищем поршня и головкой цилиндра, а далее направляется в кольцевой дроссель, образованный стенками цилиндра и поршня.

Газ, протекаемый по кольцевому дросселю в пределах нарезанной канавки, имеет сложную форму течения. В начале тока и конце истока течение газа имеет турбулентный характер, а в промежутке ламинарный, фиг.2. Визуализация физической картины течения газа производилась методом дымового туннеля, который заключается в том, что в исследуемый кольцевой дроссель вводился дым, который делает течение видимым в проходящем свете. Для этого был изготовлен макет, состоящий из поршня 2 (фиг.3), выполненный из алюминиевого сплава АК 4 со всеми размерами и технологическими требованиями, которые к нему предъявляются в соответствии с отраслевой инструкцией 2452018И по эксплуатации дизеля типа 4 ч 8,5/11-9,5/11, а также цилиндровой гильзы 3, изготовленной из оргстекла. Воздух с помощью насоса закачивался в отверстие крышки 1, имитирующей головку цилиндра.

Используемый способ визуализации не показал четкой картины течения дыма. По этой причине был изготовлен специальный мундштук (фиг.4). Корпус 4 мундштука был изготовлен из стали, а его крышка 5 выполнена из оргстекла. Обе детали были склеены между собой с зазором 0,1 мм, образуя, таким образом, дроссельный канал 3.

Из картины характера протекания газа видно, что после течения по дроссельной каналу мундштука он поступает в каплевидную канавку. Далее в нижней части канавки идет его турбулизация с последующим частичным возвратом струи.

Таким образом, каплевидная канавка создает так называемый "воздушный затвор", препятствующий движению воздушного потока через лабиринты компрессионных колец.

Воздух, подаваемый через трубку 2, поступает в дроссельный канал 3 и в нижней части каплевидной канавки турбулизуется, образуя воздушный затвор, обеспечивая тем самым выход воздуха 1 в большем объеме в атмосферу.

При обратном ходе поршня каплевидная канавка работает по тому же принципу, захватывая воздушную массу и поднимая ее с более высоким по сравнению серийным поршнем давлением.

Практическое применение конструкция поршня исключающая необходимость применения поршневых колец, нашла в автомодельном строении.

Вскрытый нами двигатель МДС 6.5 КР 2У показал, что такая конструкция имеет место быть, детальный анализ цилиндропоршневой группы и материалов применяемых в конструкции этого двигателя показывает нам действительную актуальность нашей темы.

Таким образом, в конструкции данного двигателя применялась гильза изготовленная их безоловянистой бронзы БРб-2, с последующим нанесением пористого хромирования гальваническим методом по описанной нами выше методике, в дальнейшем при изготовлении гильзы выполнялась внутренняя шлифовка, притирка на чугунной конусной скалке и хонингование. Шлифовка и притирка позволяют получить на зеркале гильзы небольшой конус - верхняя часть гильзы должна быть чуть уже нижней. Во-первых, это делается для уменьшения трения, а во-вторых, потому, что верхняя часть гильзы при работе нагревается сильнее, и, соответственно, расширяется больше. Нормальный конус в холодном состоянии чуть-чуть "прихватывает" поршень примерно за 2-5 мм от ВМТ (этот размер зависит от кубатуры двигателя, точнее - от хода поршня). Обычно величина конусности равна ~ 0,01-0.015 мм на 10 мм.

Рисунок 2.5 - Бронзовая гильза с покрытием методом пористогого хромирования.



Рисунок 2.6 - Бронзовая гильза с покрытием методом пористогого хромирования.

Двигатель обладает следующими техническими характеристиками: рабочий объем 6,5 см ³; частота вращения колен вала с винтом 250*150 (горючие с 20% масла) - 12000 об/мин; направление вращения (со стороны винта) - против часовой стрелки (справа вверх налево); мощность при максимальных оборотах - 0,8 л.с.; калильная свеча КС 10Р на напряжения 1,5В

3. Методика разработки нового трибосопряжения

3.1 Оловянистая БрОЦС 5-5-5 и бериллиевая бронзы БрБ 2

В нашем случае уплотнение внутрицилиндрового пространства должно осуществляться за счет одинакового ТКР (температурного коэффициента расширения) пары трения на всем диапазоне рабочих температур из чего следует, что зазор в трибосопряжении всегда будет оставить постоянно минимальным и достаточном для того, что бы не привести к заклиниванию. Для этого необходимо подобрать материал со сходным коэффициентом линейного расширения по отношению к материалу гильзы цилиндра. В нашем случае БрОЦС 5-5-5.

Антифрикционные бронзы очень широко используются в качестве антифрикционных материалов. К числу бронз, которые используются в качестве антифрикционных материалов относится большинство оловянных (кроме БрОЦ 4-3) бронз, а из безоловянных - БрАМц, БрАЖ, БрАЖМц, БрАЖН. Эти бронзы применяются главным образом для изготовления 1) опор подшипников скольжения, 2) колес (венцов) червячных передач и 3) гаек в передачах "винт-гайка".

Антифрикционные свойства составляют отдельную группу свойств и не связаны напрямую с их механическими свойствами. Антифрикционные свойства определяются свойствами поверхностного слоя, тогда как механические свойства определяются объемными свойствами материала.

Это неочевидное утверждение можно проиллюстрировать на примере двух бронз - БрС 30 и БрАЖ 9-4 при их использовании в подшипниках скольжения. БрС 30 существенно уступает бронзе БрАЖ 9-4 по всем механическим показателям (прочность, твердость, относительное удлинение). Однако именно она применяется в особо ответственных подшипниках, допускающих высокие скорости и высокие нагрузки (в т.ч. ударные).

Поэтому при выборе бронзы для использования в узлах трения учитывают, прежде всего, антифрикционные, а затем - механические свойства. Для этих целей массово используются круги и полые заготовки БрАЖ 9-4 и БрАЖМц 10-3-1.5, БрОЦС 5-5-5, БрОФ 10-1. Критерии выбора той или иной марки бронзы зависят от вида узла трения и условий его работы. Для наиболее распространенных случаев общие рекомендации могут быть следующими.

Так как объектом нашего исследования является преимущественно разработка ремонтного комплекта ЦПГ двигателя без использования поршневых колец, то нам необходимо подобрать пару трения гильза цилиндра - поршень с как можно близким коэффициентом линейного расширения.

За основной изучаемый материал гильзы возьмем оловянистую бронзу БРОЦС 555, в связи с ее хорошими антифрикционными свойствами.

БрОЦС 5-5-5 (БрО 5Ц 5С 5) - бронза оловянная литейная. В соответствии с действующей классификации, БрОЦС 5-5-5 относится к группе цинково-свинцовых оловянистых бронз. Химический состав сплава включает:

· олово - 5%;

· цинк -5%;

· свинец - 5%;

· медь - остальная часть.

Содержание олова не менее 5% улучшает литейные свойства БрОЦС5-5-5 и уменьшает коэффициент усадки готового изделия до 1%. Цинк повышает коррозионную стойкость, а свинец - механическую обрабатываемость.

Обозначения:

T- Температура, при которой получены данные свойства, [Град]

E- Модуль упругости первого рода, [МПа]

a- Коэффициент линейного) расширения (диапазон 20° - T), [1/Град]

l - Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), [Вт/(м·град)]

r- Плотность материала, [кг/м³]

C- Удельная теплоемкость материала (диапазон 20° - T), [Дж/(кг·град)]

RА- Удельное электросопротивление, [Ом·м]

Состав:

Особенности:

- хорошая обрабатываемость резанием; высокая плотность отливок;

- достаточная коррозионная стойкость;

- высокие механические свойства, детали из этого сплава обладают хорошими антифрикционными свойствами.

...