Перспективные материалы пар трения в цилиндропоршневых группах двигателя внутреннего сгорания

Размещено на http://allbest.ru

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

УДК62-242

Перспективные материалы пар трения в цилиндропоршневых группах двигателя внутреннего сгорания

Виноградов Александр Николаевич

Коваленко Матвей Александрович

г.Саратов

Детали двигателя, изготовленные из керамических материалов, в отличие от обычных (они работают при 250-450°С) могут выдерживать температуры до 1300- 1500°С.

Благодаря высокой термостойкости и малой теплопроводности керамики отпадает необходимость в охлаждении отдельных деталей, а при изготовлении из керамических материалов всех деталей - и необходимость вообще в системе охлаждения.

Кроме того, керамические изделия легче равнопрочных металлических. Так, по данным фирмы "Камминс", разрабатывающей свой вариант керамического двигателя, благодаря отсутствию системы охлаждения, а, следовательно, и таких устройств, как водяной насос и радиатор, масса двигателя уменьшится на 20% по сравнению с традиционным агрегатом той же мощности. двигатель металлокерамический моторесурс

Создание более высокой температуры цикла и устранение потерь тепла, связанных с охлаждением деталей, позволит поднять кпд двигателя до 45% и выше, значительно снизить расход топлива по результатам испытаний у керамического двигателя он был на 34% меньше, чем у традиционного той же размерности, то есть имеющего тот же рабочий объем цилиндров.

Весьма существенно, что повышение температуры деталей камеры сгорания двигателя (до 1200°С) делает керамический двигатель многотопливным. Это значит, что могут использоваться бензин, керосин, дизельное топливо, спирт, синтетические топлива из угля и горючих сланцев и при необходимости даже некоторые сорта мазута.

Кроме того, благодаря более высокой температуре в камере сгорания значительно возрастет топливная экономичность двигателя при частичных нагрузках, что очень важно для транспорта, движущегося в условиях города. Благодаря более полному сгоранию топлива в цилиндрах снизится и уровень токсичности выхлопных газов.

Для деталей двигателя, работающих при высоких температурах (250-450°С) и подверженных большому износу, наиболее подходящими керамическими материалами следует считать карбиды и нитриды кремния. Сырьем для их получения служат широко распространенные в природе вещества: кварцевый песок, полевой шпат и каолин. Следовательно, при отработанной технологии изготовления деталей поршневого двигателя из керамики замена дорогостоящих легированных и жаростойких сталей положительно скажется на его стоимости.

Использование благоприятных свойств карбидов и нитридов кремния в технике стало возможным благодаря созданию технологии изготовления из них деталей требуемой формы путем горячего прессования или спекания основного материала с применением связующих веществ. Существенно, что керамический материал, получаемый по такой технологии, обрабатывать легче, и поэтому именно ему отдается предпочтение при изготовлении деталей двигателя.

Методика жидкого штампования с керамическими вставками относится к области получения композиционных деталей в металлургическом машиностроении с помощью литья, литья в кокиль, литья с кристаллизацией под давлением, а также тиксолитья и тиксоштамповки. В инструмент устанавливают предварительно изготовленную металлокерамическую вставку. Затем производят формование корпуса и юбки поршня. В результате обеспечиваются расширение возможностей промышленного изготовления таких поршней на имеющемся оборудовании и повышение качества. Изобретение относится к области получения композиционных деталей в металлургическом машиностроении с помощью литья, литья в кокиль, литья с кристаллизацией под давлением, а также тиксолитья и тиксоштамповки, и может быть использовано при изготовлении различных композиционных изделий из цветных металлов и сплавов.

Литье композиционных деталей позволяет создать местное упрочнение, повышенную износостойкость, повысить технологичность изготовления отливок и получить в них новые свойства.

Аналогом заявляемого способа является используемый при производстве композиционных поршней двигателей внутреннего сгорания (ДВС) способ, при котором канавки для поршневых колец выполнены во вставках из более твердых материалов - легированных сталей или чугуна. Для обеспечения прочной связи с основным материалом поршня такую вставку предварительно прогревают, алитируют и заливают металлом, образующим основное тело поршня, в штампе или в кокиле. Продукция, изготовленная таким образом, получила широкое распространение в промышленности.[1] Однако в связи с прогрессом в автомобилестроении для повышения коэффициента полезного действия двигателей проводятся работы по применению в поршнях металлокерамических вставок.

Исследователям известны способы изготовления композиционных металлокерамических деталей методом литья с кристаллизацией под давлением, в том числе с пропиткой и соединением отдельных составляющих элементов в одно целое.

Прототипом этого способа является способ изготовления композиционных деталей методом литья с кристаллизацией под давлением, включающий установку пористой керамической вставки в рабочую камеру, формующую поршень, заливку в эту камеру жидкого металла, пропитку пористой вставки расплавом и кристаллизацию металла под давлением. Недостатками прототипа являются:

- повышенное отфильтровывание крупных составляющих сплава и скопление их по границе с пропитываемым материалом вставки;

- появление довольно значительной буферной зоны - границы с собственным химическим составом, отличающимся и от состава основного материала заготовки и от состава вставки, пропитанной жидкой субстанцией, отличающейся по химическому составу от основного материала заготовки;

- изменение механических свойств пропитывающего материала на границе с пропитываемой вставкой, что приводит к эффекту отслоения вставки от основного материала детали, а при механических нагрузках именно в этой зоне происходит разрушение заготовки.

Техническим результатом предлагаемого способа изготовления заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания с металлокерамическими вставками является устранение перечисленных выше недостатков за счет разделения операций по пропитке пористой керамической вставки расплавленным металлом и штамповке поршня в целом.

При этом на первом этапе производства поршня керамическую вставку предварительно изготавливают в отдельном штампе путем пропитки керамики расплавом металлов методом жидкой штамповки.

Такое предварительное приготовление металлокерамической вставки позволяет устранить нежелательную зону перехода от пропитывающего материала к керамике простой проточкой шайбы. Подбором пропитывающего материала достигаются повышенные механические свойства металлокерамической вставки. И, кроме того, отдельное приготовление металлокерамической вставки позволяет включить в нее другие элементы, улучшающие ее свойства, например, ввести в нее нирезистовую вставку или вентиляционные кольца, позволяющие существенно улучшить работоспособность двигателя в целом. При этом появляется возможность применить ряд технических приемов, способствующих более прочному соединению вставки с металлом корпуса поршня, например, выполнить углубления или глухие отверстия на торцевой поверхности вставки с обратной по отношению к юбке поршня конусностью боковых поверхностей, заполняющихся при операции штамповки поршня расплавом с образованием замковых соединений.[1] На втором этапе производства поршня металлокерамическую вставку помещают в камеру, предназначенную для изготовления заготовки поршня, заполняют ее необходимым сплавом и изготавливают изделие известными способами: кокильным литьем, литьем под давлением, литьем с кристаллизацией расплава под давлением, тиксо- и реоштамповкой и др.

Технический результат предложенного способа достигается тем, что формование корпуса и юбки поршня осуществляют в инструменте в виде штампа для тиксо- или реоштамповки или в виде кокиля для кокильного литья или для литья под давлением, в который устанавливают предварительно изготовленную металлокерамическую вставку и производят формование корпуса и юбки поршня, при этом на торцевой поверхности вставок выполняют кольцевые углубления с обратной к юбке поршня конусностью боковых поверхностей, или на торцевой поверхности вставок выполняют глухие отверстия, а также в пористую керамическую вставку перед пропиткой ее расплавом устанавливают упрочняющие кольца.

Графические материалы по предложенному способу изготовления заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания с металлокерамическими вставками представлены на рисунках1-3, где:

- на рисунке 1 приведена конструкция поршня с металлокерамической вставкой;

Рисунок 1. Конструкция поршня с металлокерамической вставкой

- на рисунке 2 показан штамп для пропитки и сборки металлокерамической вставки;

Рисунок 2. Штамп для пропитки и сборки металлокерамической вставки

- на рисунке 3 изображен штамп (кокиль) для формования поршня.

Рисунок 3. Штамп (кокиль) для формования поршня

Конструкция поршня двигателя внутреннего сгорания 1 с металлокерамической вставкой 2 представляет собой сборную единицу. В состав ее входит керамическая шайба 3, пропитанная металлом.

Кроме того, в состав металлокерамической вставки 2 может входить нирезистовое кольцо 4 или другое (например, вентиляционное) кольцо, улучшающее работу поршня.

Металлокерамическая вставка 2 соединяется с остальной частью поршня для большей надежности замковым соединением 5, представляющим собой кольцевые углубления или ряд глухих отверстий на ее торцевой поверхности с обратной по отношению к юбке поршня конусностью боковых поверхностей.

Для изготовления металлокерамической вставки нагретую пористую керамическую шайбу 3 помещают в штамп для сборки металлокерамической вставки.

При необходимости в этот штамп дополнительно устанавливают нирезистовое кольцо 4, предварительно алитированное.

Затем заливают расплав, предназначенный для пропитки керамики. С помощью пуансона 7 к поверхности расплава прикладывают давление, при котором происходят пропитывание и кристаллизация жидкой части металлокерамической вставки.

Выталкивание готового изделия производят толкателем 8. Механообработкой доводят размеры полученной вставки до заданной величины, в том числе выполняют замковые соединения, предназначенные для более прочного соединения с металлом основного поршня 1.

Полученная металлокерамическая вставка 2 используется для дальнейшего формования заготовки поршня.

Для этого ее повторно нагревают и помещают в матрицу 9 штампа для формования поршня с металлокерамической вставкой. При жидкой штамповке в эту же матрицу заливают определенное количество расплава основного материала поршня.

При твердожидкой штамповке закладывают порцию рео- или тиксозаготовки. Затем производят окончательную штамповку заготовки поршня.

Таким образом, использование способа изготовления заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания с металлокерамическими вставками позволяет:

- расширить возможность промышленного изготовления таких поршней на имеющемся в промышленности оборудовании;

- реализовать возможность изготовления таких поршней методами литья, кокильного литья, литья под давлением, тиксо- и реоштамповкой;

- получать заготовки поршней с более высоким качеством металлокерамической вставки;

- получать металлокерамические вставки повышенной сложности - с упрочняющими нирезистовыми и вентиляционными кольцами.

Одним из наиболее эффективных, экономичных и экологически безопасных способов модифицирования поверхности алюминиевых сплавов, является микродуговое оксидирование [2].

В основе процесса лежит высокотемпературная электрохимическая реакция в виде микродуговых разрядов на поверхности деталей, помещенных в электролит.

Результатом реакции является образование покрытия большой толщины (до 400 мкм), обладающего высокой твердостью, прочностью, низкой химической активностью, тепло- и электропроводностью.

Механические параметры покрытия регулируются составом электролита и электрическим режимом обработки.

Электролит содержит щелочные растворы натрия, калия и других легирующих элементов.

Напряжение активации процесса, как правило, составляет 450-500 В.

Основными преимуществами микродуговых покрытий являются

- возможность создания сверхпрочных покрытий, уступающих по прочности только алмазам

- возможность нанесения покрытий на внешних и внутренних поверхностях деталей любой конфигурации

- возможность получения разных цветов покрытий без дополнительной покраски

- отсутствие необходимости в предварительной обработке поверхностей

- высокое сопротивление коррозионной усталости (высокий предел выносливости).

В таблице 1 представлены технические характеристики МДО покрытий на сплавах:

Таблица 1 - технические характеристики МДО покрытий на сплавах

- на рисунке 4 представлена структура МДО покрытий.

Рисунок 4. а) Алюминиевое покрытие АД31, б) Магниевый МЛ5 сплав

Свойства покрытий достигаются за счет формирования на поверхности изделий керамических оксидных пленок, в частности - AL₂O₃ (корунд), позволяющих многократно повысить износостойкость и коррозионную стойкость деталей.

Таким образом данные научные исследования открывают возможность для разработки ремонтного комплекта цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания с применением материалов с одинаковым коэффициентом линейного расширения, что при правильном выполнении профиля поршня, гильзы цилиндра по описанным выше технологическим операциям, позволит исключить применение поршневых колец.

Библиографический список

1. Ефимова В.А. Специальные способы литья. Справочник. Машиностроение, 1991 г., с.669.

2. Липчин Т.Н. Получение заготовок поршней литьем с кристаллизацией под давлением», издательство Томского университета, Пермское отделение, 1991 г., с.117.

Аннотация

УДК62-242

Перспективные материалы пар трения в цилиндропоршневых группах двигателя внутреннего сгорания. Виноградов Александр Николаевич, Коваленко Матвей Александрович. Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.,г.Саратов

Целью работы является повышение ресурса ЦПГ автомобиля и снижение затрат на обслуживание с применением новых видов и принципов 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.

Ключевые слова. Ремонтный комплект, ЦПГ, трибосопряжение, ДВС, поршень, гильза.

Annotation

Perspective materials of friction pairs in cylinder piston groups of the engine of internal combustion. Vinogradov Alexander Nikolaevich, Kovalenko Matvey Aleksandrovich. Saratov State Technical University named after Yu.A.Gagarin,Saratov

The aim of the work is to increase the resource of the CNG of the car and reduce the cost of maintenance with the use of new types and principles of operation of the friction unit. The need for such a modernization is primarily caused by the need to increase the engine's life in general, an increase in the maintenance interval of the service, an increase in the efficiency of the engine, a decrease in the number of downtimes due to an increase in engine life.

Keywords. Repair kit, CPG, tribo, ICE, piston, sleeve

Размещено на Allbest.ru