Разработка новой пары трения ЦПГ двигателей легковых автомобилей

Применение:

- антифрикционные детали;

- направляющие;

Литейно-технологические свойства материала БрО 5Ц 5С 5



Помимо БрОЦС 5-5-5 известно что в автомодельном строении применяются материалы гильз изготовленных из БрБ2

Берилиевая бронза - перспективный материал для изготовления гильзы как вариант использования в нашем трибосопряжений БРБ2

Бериллиевые бронзы относятся к классу так называемых дисперсионно упрочняемых сплавов, характерной особенностью которых является зависимость растворимости легирующих компонентов от температуры. При закалке из однофазной области в твердом растворе фиксируется избыточное количество атомов легирующего компонента по сравнению с равновесным состоянием для данной системы. Образовавшийся пересыщенный твердый раствор термодинамически неустойчив и стремится к распаду, процесс активизируется с повышением температуры. Эффект упрочнения определяется дисперсностью выделений образовавшихся при распаде.

Наиболее применяемыми сплавами системы Cu-Be являются сплав БрБ 2 (CuBe2, alloy 25, C 17200 по зарубежным спецификациям) содержащий около 2 % бериллия, а также сплавы МНБ (медь-никель-бериллий или CuNi2Be, alloy 11, С 17510 по зарубежным спецификациям) и МКБ (медь-кобальт-бериллий или CuСо 2Be, alloy 10, С 17500 по зарубежным спецификациям), содержащие до 0,8 % бериллия. Сплав БрБ 2 также называют высоколегированной бериллиевой бронзой, а сплавы МНБ и МКБ - низколегированной бериллиевой бронзой.

Перечисленные сплавы в закаленном состоянии обладают хорошей пластичностью и технологичностью, а также высокими механическими свойствами в термообработанном (состаренном) состоянии.

Дополнительного повышения уровня механических свойств можно добиться пластической деформацией перед старением (НТМО).

Перечисленные особенности лежат в основе применения бериллиевых бронз в промышленности. Полуфабрикат из бериллиевой бронзы в закаленном или закаленном и деформированном состоянии методами штамповки можно превратить в изделие самой сложной формы: подшипниковую опору, пружинный контакт, разъем, мембрану и, проведя старение, резко повысить прочность и пружинные свойства этого изделия, сохранив его форму.

БРб 2



Таким образом, мы определили для себя необходимость исследования двух типов бронз имеющими право быть использованными в автомобильной промышленности в качстве материалов для изготовления гильз цилиндров с последующим упрочнением и доведением до значений твердости сопоставимых по твердости с использующимся на данный момент в двигателестроении серого чугуна СЧ 25.

Следующим этапом, Нам необходимо определить какой из материалов применяемых в изготовлении поршней ДВС отвечает нашим требованиям по твердости, значениям ТКР, механическим и антифрикциоонным свойствам.

Имеет место напомнить, что в нашей теме, мы абстрагируемся и разрабатываем трибосопряжение взяв за исходный материал гильзы цилиндра бронзу БрОЦС 5-5-5 с:

ТКР , и

БрБ 2 с:

ТКР

Из этого следует что необходимо подобрать материал поршня как сопрягаемой пары в нашей разработке со сходным температурным коэффициентом расширения.

3.2 Исследование САС и СПАК как материалов для изготовления поршней

Поршень представляет из себя довольно сложный в отношении конструкции, технологии материалов элемент ДВС, практически определяющую его технический уровень.

Рисунок 3.1 - Общий вид поршня в разрезе.

Главные функции, исполняемые поршнем - герметизация внутрицилиндрового объема при помощи днища и канавок с поршневыми кольцами и перенос сил давления в цилиндре на КШМ. Боковые усилия передаются на направляющую часть поршня - юбкой. Этим функциям приходится выполняться в течение всего ресурса двигателя внутреннего сгорания в большом диапазоне режимов по частоте вращения и нагрузке в условиях достаточно высокой тепловой нагрузке.

Поршень - наиболее серьезная и составляющая часть в современном двигателе. Этот элемент должен быть легким и прочным, для того чтобы выдерживать большие механические нагрузки и тепловые удары от воздействия газов и сил инерции, а, и как следствие, обладать большой износостойкостью рабочих поверхностей, малым трением при минимально возможном зазоре в цилиндре двигателя. Крайнее требование в достаточной степени важно для хорошего уплотнения, возможности предупредить прорывы газов из камеры сгорания в поддон картера и истекания масла в обратном направлении, другими словами - для минимального расхода смазки с одновременным отсутствием ударений (шума) поршня о стенки цилиндра.

Рассмотрим наиболее часто встречающиеся материалы, из которых изготавливают поршни для двигателей внутреннего сгорания. Подобрав материалы мы выбрали наиболее удовлетворяющие нашим требованиям по прочностным, механическим, и температурным свойствам: СПАП АК 8Л; АК 12M2MrH; АЛ 26; АЛ 30; АЛ 19; АК 4-1

Алюминиевый спекаемый порошок АК 8Л

Алюминиевый спекаемый порошок АК 12M2MrH

Алюминиевый спекаемый порошок АЛ 26

Алюминиевый спекаемый порошок АЛ 30

Алюминиевый спекаемый порошок АЛ 19

Алюминиевый спекаемый порошок АК 4-1

Следует отметить, что твердость материала БроЦС 5-5-5 и БрБ 2 не достаточная для использования в паре с предлагаемыми алюминиевыми сплавами в связи с большей твёрдостью последних, что приведет к быстрому износу гильзы цилиндра изготовленной из БроЦС 5-5-5 или БрБ 2

Очевидно, что необходимо найти или разработать методы по упрочнению данного материала, сравнимой по твердости с СЧ 25 из которого изготавливают блоки цилиндров с твердостью 260-300Мпа. К таким методам можно отнести технологии, при которых на поверхность пары трения наносится упрочняющий материал. На данный момент применяются такие технологии как: пористое хромирование, покрытие никасил, алюсил, локасил и т.д.

3.3 Анализ современных методов, технологий, и разработок в области профилирования поршней

Для обеспечения большого ресурса поршень должен иметь жесткую силовой схему, обладать достаточной большой механической прочностью и теплостойкостью, большой прочностью от усталостных изнашиваний при высоких температурах, большой теплопроводностью, малым коэффициентом температурного расширения, оптимальной формой нижней части поршня юбки, распростроняющее равномерное давление на стенки цилиндра, высоким сопротивлением износу, хорошей прирабатываемостью, коррозионной стойкостью. Из-за высоких показателей максимального давления газовых воздействий и частот рабочих циклов, особенно в форсированных двигателях, по характеру нагрузки на поршень близко к ударному. Силы инерции в форсированных двигателях по величине незначительно меньше чем силы давления газов, а чаасто и превышают их. Передача поршнем этих нагрузок совмещена с большой скоростью его движения. Температура газов воздействующих на поршень достигает 2000 - 2500 С.

Увеличение температуры поршня как следствие сопровождается уменьшением механических свойств материала из которого он изготовлен. При этом температуры в поршне неодинаковы и, могут возникать температурные перепады, способствующие возникновению термических напряжений. Как следствие, в теле поршня механические напряжения суммируются с температурными. При передаче сил возникает трение, поэтому рабочие поверхности элементов поршневой группы и рабочего цилиндра в условиях недостаточной смазки подвергаются ускоренному изнашиванию. Ускорению износа способствует деформация гильзы и поршня под воздействием действующих сил. Основные требования, предъявляемые к конструкции поршня

1) обеспечение уплотнения полости цилиндра от пропуска газов;

2) хороший отвод тепла от днища поршня в стенки цилиндра, обеспечивающий оптимальные температуры днища поршня, стенок головки и поршневых колец;

3) тепловая инертность внешней поверхности днища;

4) высокое сопротивление изнашиванию;

5) обеспечение уменьшения расхода масла двигателем;

6) уменьшение массы при большой прочности и жесткости;

7) увеличение ресурса, работы ЦПГ до первой переборки поршневой группы.

Наиболее основными составляющими поршня являются головка и цилиндрическая часть. Цилиндрическая часть состоит из верхней уплотняющей и нижней направляющей. Герметизирующая часть включает в себя, поршневые кольца, обеспечивающие уплотнение рабочего объема цилиндра. Через верхнюю часть поршня и установленные в поршне кольца в стенки цилиндра отводится большая часть тепла, воспринимаемого днищем (60-75%) Направляющая часть поршня передает на стенки цилиндра боковые усилия. Днище поршня вместе с примыкающей к нему герметизирующей частью образует головку поршня. Бобышки для поршневого пальца относят обычно к направляющей части - юбке (тронку) поршня. дизайн поршня и его основные размеры определяются главным образом условиями отвода воспринимаемого поршнем тепла. При разработке поршня важно стремиться к тому, чтобы поршень имел как можно более простую (цилиндрическую) и по возможности симметричную относительно оси цилиндра форму. В статье [19] приведены результаты анализа конструктивных нюансов, влияющих на гидродинамические показатели трибосопряжения "поршень - цилиндр" - основного источника механических потерь в двигателе, и произведен вывод, что создание профиля направляющей части поршня и направленный подбор его геометрических отношений помогают добится снижения потери на трение, значительным образом улучшить другие триботехнические показатели пары "поршень - цилиндр" в ДВС. В статье [72] моторного центра AБ-Инжиниринг приведены важные тенденции развития технологий конструирования поршней. Включены иллюстации и описания поршней, имеющих достаточный пробег. На всех ппоказанных поршнях имеются натиры. Это говорит о том, что в этих зонах происходит контакт поршня со стенкой цилиндра - образуется пятно контакта. В разных типах ДВС пятна контакта имеют различную форму (рис. 1.1). Поршень мотора AUDI разработки конца 60 годов (рис. 1.1 а) имеет прямоугольную форму пятна контакта. Поршень двигателя Mercedes конца 70х годов (рис. 1.1 б) имеет пятно контакта овальной формы, смещенное в нижнюю часть юбки. Поршень разработки конца 80-х годов (рис. 1.1 в) - пятно контакта иксообразной формы.



Рисунок 3.2 - Конструкция поршней от использовавшихся ранее до современных.

На поршнях (рис. 1.1 г) разработки конца 80-х годов заметно существенное уменьшение площади натира овальной формы. Поршень форсированного двигателя (рис. 1.1 д) разработки 90-х годов, пятно контакта имеет большую площадь овальной формы и смещено в верхнюю часть поршня так что оно проявилось даже в герметизирующем поясе на перегородке между компрессионным кольцом и маслосъемным. Поршень двигателя ЗМЗ-402 (рис. 1.1 е), пятно контакта представляет собой прямоугольную форму. а) б) в) г) д) е) ж) з) 13 Конструкция современного автоспортивного поршня (рис. 1.1 ж) имеет выраженную Т-образную форму, два тонких поршневых кольца, достаточно жесткую юбку, в которой выполнены отверстия для дополнительной подачи смазки в зону контакта поршня со стенками цилиндра. Натир рабочей области такого поршня имеет иксообразную форму, благодаря дополнительной подаче масла пятно кон- такта практически невидно. такой поршень с антифрикционным покрытием (рис. 1.1 з) рабочих областей имеет большой износ иксообразной формы поверхности юбки на ненагруженной стороне после 120 000 км пробега. Как следствие, в текущее время наблюдаются следующие тенденции: уменьшение веса поршня; создание профиля направляющей части поршня для улучшения показателей трибосопряжения "поршень - цилиндр"; разделение нижней части поршня на нагруженную и ненагруженную с соответствующим профилированием каждой; уменьшение площади опорной поверхности тронка поршня с менее нагруженной стороны путём заужения этой поверхности или путем укорачивания; переход к Т - образной форме поршня. Подавляющее большинство всех "форм" поршня - неправильные. Их "неправильность" выражена желанием получить равномерный, минимально допустимый зазор между стенкой цилиндра и поршнем по всей его высоте.

Трудность такой задачи заключается в том, что различные части поршня при работе нагреваются крайне неравномерно, а, значит, неодинаково меняются в размерах. Ситуация сильно усложняется тем, что поршень имеет не равножесткую конструкцию, которая также влияет на последствия теплового расширения. Применение облегченных поршней с коротким и узким тронком существенно уменьшает потери на трение, что, способствует увеличению мощности при сокращении расхода топлива и уменьшении токсичности. Главный момент - обеспечение эффективной смазки маслом. Ранее главной задачей оставался съем масла маслосъемным кольцом. Для его удаления в канавке маслосъемного кольца монтировались отверстия. На форсированных моторах возникает обратная задача - обеспечения смазки мест контакта юбки с цилиндром при движении поршня вверх. Если этого не делать, не удастся избежать увеличенного трения и натиров на тронке, особенно на ее ненагруженной стороне. Проблема решилась другими способами: расположением отверстий для смазки в зоне маслосъемного кольца, профилированных канавок под маслосъемным кольцом для удержаня в них нужного количества масла. Потребовалось предпринять дополнительные меры по отводу тепла от поршня. Один из часто применяемых способов - использование форсунок, разбрызгивающих масло на днище поршня.

На дизельных моторах с наддувом часто применяют еще более технологичные способы борьбы с перегревом поршней. Точно настроенная форсунка нагнетает масло в кольцевую полость, созданную в теле поршня в районе герметизирующего пояса. Таким образом, поршень современного ДВС - сложное техническое изделие, сочетающее в себе большое количество знаний из различных областей науки и техники. Конструкция поршня жестко связана с конструкцией двигателя, в котором он работает, необдуманный, необоснованный выбор поршня может оказаться не просто неправильным, например, с технологической иэкономической точек зрения, но и нанести катастрофический вред работе двигателя. Таким образом, предельно оптимизированной конструкции современные поршни обладают меньшим запасом по прочности, а потому больше требовательны к соблюдению расчетных условий эксплуатации. Известна конструкция поршня Э. Рипбергера [16]. Поршень имеет овальное поперечное сечение с большой овальностью и меньшей толщиной стенки на ненагруженной стороне (рис. 1.2). Это придает возможность уменьшить зазор между нагруженнй стороной поршня и стенкой цилиндра и, следовательно, уменьшить расход масла.

Большая длина тронка на нагруженной стороне уменьшает угол наклона поршня и тем самым уменьшает создаваемый им шум при перекладке в районе ВМТ. Автор приводит примерные соотношения размеров основных составляющих поршня в зависимости от номинального диаметра.



Рисунок 3.3 - Поршень с овальным поперечным сечением.

Проведя анализ существующих современных конструкций поршней отечественных и зарубежных производителей можно говорить о том, что поршень - это достаточно сложное и наукоемкое изделие, включающее в себя передовые идеи и достижения различных сфер науки и техники. В частности, это высказывание напрямую относится к созданию профиля и технологическим вопросам выполнения направляющей части (тронка) поршня.

Важно отметить, что техника профилирования поршней, в частности, их направляющей части, а также технология, применяемые материалы и сплавы, содержащие составы покрытий, являются коммерческой тайной. Известные на сегодня методики профилирования направляющей поршня связаны, в большинстве своем, с обеспечением самоцентровки поршня при его движении в цилиндре, и не решают задачи уменьшения механических потерь в ЦПГ. Можно говорить, что задача обоснованного выбора методики создания профиля с дополнительными подзадачами обработки, нанесения покрытия, лазерного переплава практически не рассматривается в теории и практике создания конструкций поршней. 16 Необходимо сказать, что на первых этапах разработки и развития принципов конструирования поршней основными факторами качества конструкции были надежность, прочностные качества, допустимая простота формы и реализации технологических процессов. Это были первые шаги в области создания профилей как методологии выбора оптимальной макро- и микроформы поверхности детали Требования по уменьшению коэффициента трения, увеличению противоизносных свойств трибосопряжения "поршень - цилиндр" считались избыточными, и иногда рассматривались, но носили лишь рекомендательный характер, поскольку не было системных требований по обеспечению каких-либо конкретных числовых значений. Кроме того, формулируемые рекомендации по конструированию могли вступать в противоречие с другими служебными критериями.

Так, в работе [6] рассмотрена упрощенная методика конструирования и профилирования поршней, базирующаяся на обеспечении наилучших условий отвода воспринимаемого поршнем тепла. Кроме того, авторы придерживаются принципа обеспечения простой цилиндрической, по возможности симметричной, формы поршня, а для уменьшения трения рекомендуется увеличить зазор в сопряжении. Однако об увеличении расхода масла, наличии стуков и износа поршня вследствие перекладки в мертвых точках авторами умалчивается. В работе предлагаются следующие формы боковой поверхности поршней в осевом направлении: коническая, коническо-цилиндрическая и ступенчато-коническая, однако профилирование ограничивалось на стадии задания соотношений характерных диаметров. Результаты экспериментальных исследований, появившиеся к середине 60-х годов прошлого столетия позволили получить представление о величине толщины смазочного слоя в зазоре трибосопряжения "поршень - цилиндр", что доказало наличие гидродинамического режима смазки на большей части (исключая зоны мертвых точек) траектории движения поршня в течение рабочего цикла ДВС. Эти результаты послужили переходу на новый качественный уровень теоретических исследований в этой области. При расчетном анализе трибосопряжения "поршень - цилиндр" большое внимание стали уделять применению аппарата классической теории гидродинамической смазки. В результате такого подхода в качестве основных критериев обеспечения работоспособности трибосопряжения выступают гидродинамическая несущая способность профиля, минимальная толщина слоя смазки, силы гидродинамического трения. Необходимо отметить большое многообразие существующих на сегодняшний день принципов профилирования поршней ДВС, существенно отличающиеся по обоснованности выбора основного целевого критерия. В качестве таких критериев выступают: удельная работа сил трения; угол самоустанавливаемости поршня; гидродинамическая несущая способность направляющей поршня; толщина слоя смазочного материала и др. Крупный вклад в теорию профилирования поршней внес проф. Б.Я. Гинсбург и его коллеги. В работе [58], выполненной группой этих авторов рассмотрен наиболее распространенный в настоящее время бочкообразно-овальный тип поршня. Главной целью профилирования по Гинцбургу было устранение так называемого рамочного контактирования, вызывавшего натир и задир трущихся поверхностей юбок поршней, имевших в исходном состоянии цилиндрическую и коническую формы боковой поверхности. Цель достигалась за счет вовлечения в контакт с цилиндром возможно большей площади юбки в зоне передачи боковой силы при одновременном устранении контактирования юбки с цилиндром в зоне бобышек поршня.

Кроме поршней с традиционным бочкообразным (одноопорным симметричным) профилем были изобретены и опробованы на практике многоопорные, состоявшие из двух и более сопряженных участков и асимметричные профили юбок поршней [76, 63, 64]. В частности, в отличие от бочкообразных симметричных и асимметричных конструкций (рис. 1.3 а, д, е), поршни с двухопорной и многоопорной юбками (рис. 1.3, б, в, г) не нуждались в опоре по колечному поясу [2], так как отличались достаточно хорошей самоустановкой юбки за счет формирования гидродинамических реакций по обе стороны от оси поршневого пальца [61, 32, 37, 29].

Рисунок 3.4 - Общий вид и формы профилей юбок известных конструкций поршней автотракторных ДВС: а) бочкообразно-симметричный; б) двух- и многоопорный параболоидный; в) двухопорный трапецевидный; г) двухопорный термоадаптивный; д) бочкообразно-ассимметричный; е) бочкообразно-ассимметричный

В статье [68] рассмотрены методики моделирования и оптимизации трибосопряжения "поршень - цилиндр" двигателя внутреннего сгорания, приведены результаты гидродинамического расчета пары "поршень - цилиндр" различных двигателей для серийных и оптимизированных по профилю направляющей части поршней, показана эффективность применения поршней с ассиметричным профилем юбки. Динамика поршня на смазочном слое в цилиндре двигателя в значительной степени зависит от профиля направляющей части поршня. а) б) в) г) д) е)

Для аналитического описания профиля юбки поршня в плоскости перпендикулярной оси поршневого пальца использовалась параболическая функция. С целью оценки влияния профиля было проведено исследование параметров аппроксимирующей кривой на гидродинамические параметры. Варьирование коэффициентами параболы [66], позволило автору установить основные закономерности их влияния на гидродинамические параметры сопряжения "поршень - цилиндр". Из полученных результатов был сделан вывод, что наибольшее влияние на гидродинамические параметры оказывает смещение вершины профиля (вершины параболы) относительно геометрического центра юбки поршня и степень параболы. В статье [70] для обеспечения одинаковых условий смазки нагруженной поверхности поршня, на которую в течение рабочего цикла действует наибольшая боковая сила, и противоположной - ненагруженной, была исследована динамика поршня на смазочном слое в цилиндре двигателя.

Методика экспериментальных и расчетных исследований описана в работах [18, 69]. В статье [70] делается вывод, что для улучшения условий смазки трибосопряжения вершины профиля юбки на нагруженной и ненагруженной стороне целесообразно выполнять на различных уровнях, а, следовательно профиль юбки поршня должен быть асимметричным. Также были рассчитаны несущие поверхности нагруженной и ненагруженной стороны юбки поршня в рабочем состоянии и проведено исследование влияния особенностей профиля на гидродинамические параметры трибосопряжения при расчете траектории движения поршня в цилиндре. Результаты расчетов свидетельствуют, что смещение вершины профиля юбки на ненагруженной стороне поршня к оси поршневого пальца позволяет уменьшить расход масла на угар, несколько снизить потери мощности на трение. При этом вершина профиля на нагруженной стороне должна располагаться выше, чем вершина на ненагруженной стороне поршня. Однако смещение вершины 20 профиля ниже оси поршневого пальца приводит к увеличению расходов масла на угар и уменьшению наименьшей толщины смазочного слоя. Уменьшение радиального зазора в трибосопряжении способствует снижению потерь мощности на трение, снижению расходов смазки, повышению толщины смазочного слоя, хотя при достаточно малых зазорах резко увеличиваются потери на трение и уменьшается наименьшая толщина смазочного слоя, что может привести к задиру. Увеличение зазоров в нижней части юбки приводит к некоторому уменьшению расходов смазки, а в верхней части, наоборот, к повышению расходов смазки на угар. По результатам расчетов был подобран асимметричный профиль юбки поршня, позволяющий по сравнению с исходным симметричным увеличить несущую способность трибосопряжения и снизить трибологические потери. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования поршней с асимметричным профилем юбки. Обзор патентов показывает, что за рубежом уделяется значительное внима- ние конструкциям поршней с асимметричным профилем [39, 36, 45, 40, 17]. Ха- рактерным примером может служить поршень, запатентованный Эмилем Рипбергером [39]. Целью изобретения являются снижение шума от ударов порш- ня о стенку цилиндра и опасности его заклинивания при перегреве, а также уменьшение потерь на трение. Для этого предлагается овально-бочкообразный поршень, у которого отклонение от цилиндричности больше на нагруженной стороне в верхней части юбки (рис. 1.4). При этом профили образующих в плоскости поршневого пальца также отличаются, т. е. поперечные сечения поршня имеют переменную степень овальности.

Рисунок. 3.5. Поршень с овально-бочкообразным профилем: А, В - профили образующей в плоскости оси поршневого пальца; С, D - то же в плоскости качения шатуна

Для уменьшения потерь на трение и шума некоторые авторы предлагают выполнять поршень с направляющей частью как можно меньшей длины [24, 23, 42]. Примером может служить поршень, запатентованный в Германии Фейзером Эберхардом [24] (рис. 1.5). Для этого поршня рекомендованы следующие соотношения размеров основных элементов: Н = (0,5...0,6)·D; К = (0,3...0,4)·D; R = (0,20...0,37)·D. Автор считает, что при таком соотношении размеров уменьшится угол наклона поршня и, следовательно, уровень шума от его удара о стенку цилиндра.

Рисунок. 3.6. Симметричный поршень с короткой юбкой: D - диаметр поршня; Н - высота поршня; К - расстояние от днища поршня до оси поршневого пальца; R - длина юбки поршня

Для уменьшения расхода масла на угар разрабатывают конструкции поршней с переменной овальностью по высоте [73, 41]. Тойоми Шиба [73] предложил одноопорный симметричный поршень, у которого овальная в поперечном сече- нии юбка условно разделена на две части плоскостью, проходящей через ось поршневого пальца (рис. 1.6). В верхней части больший и меньший диаметры овалов равномерно увеличиваются в направлении от камеры сгорания, а в нижней - увеличивается только меньший диаметр овала. В результате на юбке образуются контактные поверхности трапециевидной формы, сужающиеся кверху. При работе масло со стенок цилиндра поступает вдоль границ этих поверхностей к прямоугольным проточкам и через направляющие канавки возвращается в картер, снижая попадание смазки в камеру сгорания. За счет большей ширины контактных поверхностей возрастает износостойкость и уменьшается уровень шума от удара поршня о стенку цилиндра.

В настоящее время в патентной литературе прослеживается тенденция к применению составных поршней [75, 28, 7]. Поршень, запатентованный Рэнделом Гэйзером [75], предназначен для высоконапряженных дизелей и состоит из верх ней и нижней частей, соединенных между собой сваркой трением. Верхняя часть содержит днище с камерой сгорания, пояс канавок для поршневых колец и внутреннюю верхнюю часть камеры масляного охлаждения. Нижняя часть содержит D DK Tненагр Н Tнагр С В 28 канавку под маслосъемное поршневое кольцо, внутреннюю нижнюю часть камеры масляного охлаждения, бобышки под поршневой палец и юбку. Бобышки заглублены относительно наружного диаметра поршня и связаны с юбкой, которая выходит на наружный диаметр поршня только в зонах, перпендикулярных бобышкам.

Таблица 3.1 - Соотношение размеров поршня

Так же примером составных поршней может служить запатентованный в 2003 году группой конструкторов поршень, характерной особенностью которого является отсутствие втулок под поршневой палец [28]. Он выполнен из двух частей: стальной головки с поясом поршневых колец и бобышками под поршневой палец; юбки из алюминиевого сплава. Поршневой палец покрыт тонким пористым слоем фосфата магния. Покрытие обеспечивает передачу усилий от поршня к шатуну через стальные поверхности и удержание между ними слоя масляной пленки. Данный поршень предназначен для тяжело нагруженных дизелей и обеспечивает работу с удельными давлениями в сочленениях с поршневым пальцем более 180 бар. 29 Применение составных конструкций может служить как для облегчения поршней тяжело нагруженных двигателей, так и для облегчения изготовления поршней со сложной системой масляного охлаждения. Вэйбо Венг, Гордон Старр и Гуангпинг Пан в 2004 году запатентовали конструкцию в которой осуществляется масляное охлаждение головки поршня с одновременным охлаждением и смазыванием верхней головки шатуна и поршневого пальца [7]. Поршень выполнен составным из головки с поясом поршневых колец и юбки с бобышками под поршневой палец. В головке поршня выполнена кольцевая масляная галерея. Форсунка, подающая снизу струю масла на вход масляной галереи максимально приближена к ней за счет вертикального выреза в нижней части юбки поршня. Отражатель на входе в масляную галерею направляет часть подаваемого форсункой масла на верхнюю головку шатуна и поршневой палец. Судя по количеству статей и патентов, посвященных совершенствованию конструкций поршней, одним из наиболее перспективных представляется на- правление, связанное с изменением соотношений размеров элементов поршня и профилированием образующей поверхности юбки. В работе [92] предложен метод, основанный на предположении о самопрофилировании поршня в ходе приработки. Для достижения такого эффекта на поршень наносится композитный материал, после чего проводятся 2-4 часовые испытания на двигателе в номинальном режиме.

Изначально поршень устанавливается в двигатель с нулевым зазором. Предполагается, что в процессе работы профиль поршня примет форму, при которой потери мощности, угар и шумность будут минимальны. Авторами статьи [27] предлагается схожий метод профилирования. После кратковременной работы двигателя изучаются натиры на поршне, и производится фланкирование несущей поверхности. Можно предположить, что результат применения такого подхода во много будет определен уровнем подготовки и навыками исполнителя.

Следует отметить, что этот метод так же, как и предыдущий не требует проведения новой серии испытаний для каждой модели и модификации двигателя. Так же в производственной практике зачастую выбирают профиль поршня по двигателю аналогу. При этом просто подбирается соответствующий масштаб исходя из значений диаметров проектируемого и масштабируемого поршней.

Однако, как правило, не учитывается различие других геометрических параметров, условий тепловых и механических нагружений, не принимается во внимание влияние профиля несущей поверхности на образование гидродинамического масляного клина. Не смотря на свою простоту такой подход совершенно неприемлем. Экспериментальные исследования указывают на факт возникновения в сопряжении "поршень - цилиндр" гидродинамического режима трения. В работе [12] изучалась взаимосвязь профиля несущей поверхности поршня и потерь мощности на трение. Установлено, что подбором образующей можно добиться снижения на 40 % потерь механических потерь в сопряжении. Этот факт позволяет достоверно утверждать, что между поршнем и цилиндром имеет место жидкостное трение. Обобщая изученные способы получения профиля образующей поршня можно сделать вывод об отсутствии единых методологических основ и узкой направленности применяемых подходов. Как правило, авторы фокусируются на решении одной из задач, таких как снижение вероятности кромочного контактирования, снижении вибраций, сокращении расхода масла, снижения трения. Зачастую не принимается во внимание установленный факт наличия смазочного слоя между юбкой поршня и цилиндром. Эффективность методов учитывающих наличие масляной пленки ограничивается исходным предположением о том, что осуществляется только один из режимов трения (гидродинамический, смешанный, либо граничный), в то время, как одновременно могут реализовываться сразу несколько режимов [59]. Следует подчеркнуть, что в настоящее время возрастает интерес к применению загущенных моторных масел с различными комплектами присадок. В связи с этим появляется необходимость выбора профиля образующей поршня с учетом вязкостно-температурной характеристики новых масел. 31 Воздействие технологии изготовления на трение и износ деталей ДВС проявляется через следующие параметры поверхностей трения: микропрофиль (микрорельеф); шероховатость; физико-химические свойства поверхностного слоя (покрытия). Влияние перечисленных параметров на гидромеханические характеристики поршня подробно рассматривается в работах

4. Результаты исследования новых трибосопряжений

В связи с необходимостью добиться твердости БрОЦС 5-5-5 сравнимой с чугунными гильзами СЧ 25(260-300Мпа), применяется технология термической закалки, с последующим нанесение упрочняющего покрытия.

В настоящее время разработано большое количество сплавов на алюминиевой, медной, железной, никелевой и других основах, у которых можно значительно повысить прочностные свойства путем термической обработки, при этом прочность возрастает в результате дисперсионного твердения после закалки.[7]

Термическая обработка - дисперсионное твердение (с закаленного состояния). Заключается в нагреве под закалку до температуры 770-790°С, выдержке при данном интервале температур и последующем охлаждении в воде. В процессе нагрева под закалку интерметаллидное соединение бериллия с медью (Cu-Ве) и другие легирующие элементы растворяются в основной составляющей сплава - меди и образуют твердый раствор. Последующий нагрев бронзы до температурного интервала 300-340°С способствует выделению из твердого раствора зародышей фазы Cu-Ве, благодаря чему происходит упрочнение бронзы приблизительно до HB 138-148 МПа. В таблице 1 сведем статистику анализа по материалам, представляющим интерес при разработке нового трибоспряжения.

Таблица 4.1 - Сводная статистика характеристикам материалов

п/н	Материал	а Ч106	HB, МПа	с. кг/м3
1	БроЦС 5-5-5	19.1	60-70	8800
2	АК 8-Л	20.7	60-90	2630
3	АК 12-М	19	90	2720
4	АЛ 26	17	90	2680
5	АЛ 30	19	90-100	2700
6	АЛ 19	19.5	70-90	2780
7	АК 4-1	20.8	109-117	2800
8	БРБ 2	16.6	150	8200

Нанесение покрытия по методу N 5080056 описывающему четырехтактный двигатель, блок цилиндров которого изготовлен из алюминиевого сплава 319 и имеет несколько каналов, представляющих цилиндры двигателя. Внутренние поверхности цилиндров снабжены твердым износостойким слоем из сплава алюминия и бронзы, который может напыляться при помощи техники высоковольтного бескислородного напыления для получения непрерывного, плотного и твердого покрытия. Сплав из алюминия и бронзы считается здесь особенно пригодным, поскольку он имеет хорошие качества скольжения относительно поршней, изготовленных из алюминия. Покрытие было нанесено толщиной до 0,1 мм, и после нанесения, примерно около одной третьей части толщины покрытия было удалено прошлифовыванием.[8]

Таким образом, мы создадим условия для стабильной работы нового трибосопряжения гильза БрОЦС 5-5-5 - поршень АК 12-М.

На рисунке 1 представлена структура оловянистой бронзы БрОЦС 5-5-5, легированной 5% никеля. Структура данной бронзы представляет собой в основе дендриты б-твердого раствора олова и никеля в меди, между которыми расположены включения свинца. Это можно объяснить неравновесной кристаллизацией и как следствие неравномерное распределение элементов в сплаве. Наличие эвтектоида возможно для неравновесной кристаллизации при содержании Sn от 7%.

Рисунок 4.1 - Образец БрОЦС 5-5-5: а) при температуре 20°С б) выдержка 2 часа при температуре 700°С

После каждой выдержки замерялась твердость образцов. Значения твердости представлены в таблице 2. Как показывают результаты измерений, рост твердости происходит с увеличением температуры. При температуре 700°С наблюдается максимальные значения твердости для исследуемых сплавов.

Таблица 4.2 - Значения твердости

	БрОЦС 5-5-5
Температура выдержки,°С	Твердость,HB
20	84,9
250	121
300	129
500	138
700	190

Заключение

В данной работе проведено исследование нацеленное на разработку нового типа трибосопряжения пары поршень-гильза цилиндра, как варианта для последующей разработки ремонтного комплекта цилиндропоршневой группы автомобиля или для использования в качестве функционального тюннинга.

Исследованы основные материалы использующиеся как исходные в двигателестроени. Так как за основу для гильзы цилиндра взята оловянистая бронза БрОЦС 5-5-5, то последующий анализ был направлен на разработку пары с одинаковым коэффициентом температурного расширения, сходной твердости по Бринеллю, механической прочности и сопротивлению изнашиванию.

Показаны основные методы, методики, и технологии нанесения упрочняющих покрытий. Установлено что повышению твердости способствует температурная закалка, с последующим нанесением пористого хрома, методом гальванического хромирования.

Установлено что таким образом мы можем добится повышения прочности исследуемого материала БрОЦС 5-5-5 с 84 по HB до 190 по HB

Анализ спекаемых алюминиевых сплавов показал, что в достаточной мере нам подходит алюминиевый сплав АК 12-М, так как его температурный коэффициент практически идентичен ТКР оловянистой бронзы БрОЦС 5-5-5, что позволит добиться стабильно одинакового теплового зазора во всем диапазоне рабочих температур.

Таким образом, в дальнейшей перспективе будет разработан макетный образец четырехтактного двигателя, с применением нового трибосопряжения.

Дополнительно разработав профиль поршня по разработкам уже известных методов, мы сможем отказаться от применения поршневых колец в связи с отсутствием необходимости дополнительного уплотнения внутрицилиндрового пространства.

Таким образом мы добьемся повышения 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 нового видов и принципа работы трибосопряжения. 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.

Литература

1. Берковский, Б.М. Разностные методы решения задач теплообмена / Б.М. Берковский, Е.Ф. Ноготов. - Минск: Наука и техника, 1976. - 144 с.

2. Бойков, Д.В. Влияние профиля боковой поверхности поршня на условия работы и старение моторного масла / Д.В. Бойков, В.Н. Красников, П.А. Лощаков // Химия и технология топлив и масел. - 1992. - № 7. - С. 21-24.

3. Бреве. Теоретическое моделирование паровой кавитации в радиальных подшипниках при динамической нагрузке / Бреве // ТАОИМ. - М.: Мир / Серия Ф. Проблемы трения и смазки. - 1984. - №3. - С.118-129.

4. Гаврилов, К.В. К расчету баланса расхода смазки в шатунном подшипнике коленчатого вала / К.В. Гаврилов // Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения. Сб. тр. - Челябинск: Изд. ЮУрГУ. - 2003. - С. 22-25.

5. Гинсбург, Б.Я. Профилирование юбок поршней / Б.Я. Гинсбург.- М.: Машиностроение, 1973. - 89 c.

6. Двигатели внутреннего сгорания. Т.2: Конструкция и расчет / А.С. Орлин, Д.Н. Вырубов, М.Г. Круглов и др.; под ред. проф. А.С. Орлина. - М.: Машгиз, 1955. - 531 с.

7. Двигатель внутреннего сгорания с охлаждаемым поршнем: Пат. 6701875 США, МПК F 01 P 1/04. / Cummins Inc., Weibo Weng, Gordon L. Starr, Guangping Pan. - № 10/158137; заявл. 31.05.2002; опубл. 09.03.2004; НПК 123/41.35.

8. Демкин, Н.Б. Физические основа трения и износа машин: Учебн. пособие / Н.Б. Демкин. - Калинин: Изд-во КГУ, 1981. - 115 с.

9. Дьяченко, Н.Х. Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания / Под ред. Н.Х. Дьяченко. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1979. - 392 с.

10. Жилинскас, А. Поиск оптимума: компьютер расширяет возможности / А. Жилинскас, В. Шалтянис. - М.: Наука, 1989. - 128 с. 100

11. Керчер, Б.М. Исследование зазора между поршнем и гильзой двигателя / Б.М. Керчер, М.И. Подщеколдин // Тракторы и сельхозмашины. - 1970. - № 11. - С. 13-14.

12. Конструктивные особенности и технико-экономические показатели тракторных двигателей "Чента Феррари", "Самэ" (Италия) и "Дорман" (Англия): Обзор ЦНИИТЭИ тракторосельхозмаш. - М., 1973. -62 с.

13. Крагельский, И.В. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн. / И.В. Крагельский, В.В. Алисин. - М.: Машиностроение, 1978. - Кн.1. - 400 с.

14. Лазарев, В.Е. Повышение ресурса распылителей топлива в дизелях снижением нагруженности прецизионных сопряжений: дисс. ...д-ра. техн. наук: 05.04.02 / Лазарев Владислав Евгеньевич. - Челябинск., 2008. - 340 с.

15. Лазарев, Е.А. Основные принципы, методы и эффективность средств совершенствования процесса сгорания топлива для повышения технического уровня трауторных дизелей // Учебное пособие. - Челябинск: ЧГТУ, 1995. - 360 с.

16. Легкий поршень для двигателей внутреннего сгорания: Пат. 5158008 США, МКИ F16 J 1/00 / Emil Ripberger; Mahle GmbH. - №688583. Опубл. 27.10.92.

17. Легкий поршень для двигателей внутреннего сгорания: Пат. 5158008 США, МКИ F16 J 1/00 / Emil Ripberger; Mahle GmbH. - №688583. Опубл. 27.10.92.

18. Маслов, А.П. Методика экспериментального исследования параметров смазки сопряжения "юбка поршня - цилиндр" с целью повышения работоспособности при форсировании тракторных двигателей / А.П. Маслов // Повышение степени использования установленной мощности двигателя сельскохозяйственных тракторов: Сб. науч. работ. - Челябинск: ЧИМЭСХ, 1983. - С. 84-87.

19. Маслов, А.П. Снижение механических потерь в двигателях внутреннего сгорания / А.П. Маслов // Конструирование и эксплуатация наземных транспортных машин: Сб.тр. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2002. - С. 58-63.

20. Моделирование методом конечных элементов теплового и деформированного состояния поршней дизеля из алюминиевого сплава и чугуна / В.И. Суркин, Н.Н. Попков, В.Е. Лазарев, А.Н. Лаврик // Техника и технологии строительства и эксплуатации автомобильных дорог: Сб. науч. тр. МАДИ (ТУ); УФ МАДИ. - М. - 2000. - С. 93-109. 101 21. Никитин, Ю.Н. Профиль поршня и смазывание деталей цилиндро-поршневой группы / Ю.Н. Никитин, С.В. Коротеев, П.С. Макаревич // Автомобильная промышленность. - 1990. - № 10. - С.13-14.

22. Никишин, В.Н. Основы теории соударения и исследование колебаний пары поршень-гильза автомобильного двигателя: автореф. дисс. ... канд. техн. на- ук: 05.04.02 / Вячеслав Николаевич Никишин. - М., 1978. - 21 c.

Размещено на Allbest.ru

...