Диссертация (1026217), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Н.Э.Баумана. Эксперименты проведены в лаборатории двигателей кафедры тепловых двигателей и энергетическихустановок Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых.Полученные в результате исследования технические рекомендации и объекты, в том числе защищенные соответствующими патентами на полезные моделии изобретения детали ЦПГ быстроходного двигателя-объекта исследования - дизеля с воздушным охлаждением 1Ч 8,5/8,0 (ТМЗ-450Д), расчетные модели и ре 9 зультаты их применения используются в учебном процессе кафедры поршневыхдвигателей МГТУ им.Н.Э. Баумана и отделе дизелей ТМЗ. 10 ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ СНИЖЕНИЯМЕХАНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ И ИЗНОСА В ДВС1.1 Распределение механических потерь по узлам и агрегатам ДВСЦПГ является одним из основных источников механических потерь, а условия смазывания трущейся поверхности юбки поршня - ключевой детали этойгруппы - можно с полным основанием отнести к гидродинамическому режимусмазки и трения на подавляющей части времени рабочего цикла быстроходногоДВС [1, 2].На близость условий смазывания юбки поршня быстроходных двигателей кгидродинамическому режиму указывает, в частности, сильная зависимость силытрения поршня от изменения его скорости, реологических свойств моторногомасла, его температуры, а также и площади и формы (макро- и микрорельефа) сопряженных поверхностей как поршня.
так и цилиндра.Кроме того, в упомянутых выше исследованиях отмечается довольно слабоевлияние нагрузки двигателя на трение поршня. В то же время выявлено наличиеразличий в условии смазывания элементов ЦПГ в отдельности, как для произвольного момента времени, так и для одинаковых тактов рабочего цикла двигателя, что объясняется взаимосвязью внешних силовых факторов (в том числе и оттемпературных полей) и положения детали относительно цилиндра.Анализ результатов целого ряда экспериментальных работ [3-16], связанныхс измерением толщины слоя смазки и силы трения в сопряжении «поршеньцилиндр», доказывает существование гидродинамического режима трения юбкина основной части хода поршня. Там же отмечено нарушение данного режима взоне верхней мертвой точки (ВМТ).
Данный факт объясняется максимальнымисиловым и температурным воздействиями инерционных и газовых сил на поршень и уменьшением (вплоть до нуля) скорости последнего в указанной зоне.Кроме того, деструктивное действие на нормальные условия смазки в ЦПГ оказывает перекладка поршня, происходящая вблизи мертвых точек кривошипно- 11 шатунного механизма (КШМ), что в некоторых случаях приводит к кромочномуконтакту поверхности юбки поршня и внутренней стенки цилиндра [17].Для объяснения этого явления в работе [18, 19] представлена гипотеза обаддитивности силы трения поршня, при нахождении его в зоне мертвых точек.Рисунок 1.1 поясняет это предположение.
Характер изменения силы трения с максимумом после ВМТ и переходом к пропорциональной скорости поршня характеристике (линия 3 на рисунке 1.1), определяется суммой соответствующих ординаткривых 1 (описывает граничную составляющую) и 2 (описывает гидродинамическую составляющую).Рисунок 1.1. Гипотеза исследования [18] об аддитивности силы тренияпоршня в зоне ВМТ: 1 – гидродинамическая составляющая; 2 – граничнаясоставляющая; 3 – суммарная величинаЗа границами этой области гипотеза теряет значение, в результате чего трение становится гидродинамическим, пропорциональным вязкости моторного масла и скорости движения поршня.По поводу определения характера режима трения для поршневых колец существует большое количество противоречивых гипотез.
В работах [20-46] предпочтение отдается гидродинамическому режиму трения кольца о цилиндр, в исследованиях [47-49] – граничному, а в [50-52] придерживаются мнения о смешанном характере, содержащем в себе признаки как граничного, так и гидродинамического режимов трения. 12 Теория о смешанном режиме основывается на связи экспериментальных ирасчетных данных и указывает на наличие четкой взаимосвязи между трениемпоршневого кольца о цилиндр и как профилем его рабочей поверхности, так ираспределенной силой давления на поверхность цилиндра, что является отличительными признаками соответственно гидродинамического и граничного режимов трения. Поэтому эта теория считается наиболее основательной.Анализ различных режимов смазки и трения для подшипников КШМ ДВСможно найти в исследованиях [53-57].
Согласно результатам этих работ цилиндрическим подшипникам данного механизма свойственно преобладание гидродинамического режима (до 90%), в то время как на граничный режим трения выпадает чуть менее 10%.Отличительные условия работы элементов газораспределительного механизма (ГРМ), такие как недостаток маслоснабжения его деталей и сравнительнобольшие удельные нагрузки, позволяют положить в основу гипотезу о эластогидродинамическом режиме трения [58, 59].В работах [60-63] отмечается характерность для вспомогательных агрегатов(стартер, различные насосы и т.д.) смешанного режима трения, содержащего признаки и гидродинамического и граничного режимов.Баланс механических потерь, подтверждает существенное преобладаниеэнергозатрат на трение в ЦПГ над другими узлами и указывает на резерв повышения эффективных показателей ДВС за счет совершенствования конструкциидеталей этой группы [64].Рисунок 1.2.
Соотношение общих механических потерь для основных узлов ДВС:1 – ЦПГ; 2 – КШМ; 3 – насосные ходы; 4 – ГРМ; 5 – вспомогательныеагрегаты 13 1.2 Способы снижения механических потерьАнализ работ [65-67] позволяет разделить методы уменьшения механических потерь в ДВС на следующие:1. Конструкционные;2.
Технологические;3. Эксплуатационные.Первая группа методов предполагает воздействие на конструкцию, а именно: видоизменение кинематической схемы для уменьшения нагрузок на КШМ,оптимизацию формы, размеров, микро- и макропрофиля трущихся поверхностейдеталей. Вдобавок к этому, рассматривается влияние на реологические свойствамоторного масла и согласование его показателей с конструкцией смазываемыхдеталей.
Последнее подразумевает, что смазочный материал является неотъемлемой частью группы трения «тело – смазочный материал - контртело».Вторая группа в большей мере относится к материалу и параметрами поверхности детали, а также к обоюдному влиянию свойств поверхностей трения насвойства материала смазки.Третья - включает как управление режимами работы ДВС в целом, так иотдельных узловых единиц с целью снижения общих механических потерь.
Типичным примером реализации данного подхода может служить отключение цилиндров при работе многоцилиндрового двигателя.Сравнение эффективности вышеприведенных методов, представленное вработе [65], дает основание выбрать конструкторский подход и входящее в негопрофилирование (как макро-, так и микро-) наиболее лучшими соответственноподходом и способом с точки зрения уменьшения механических потерь на современном этапе совершенствования ДВС. 14 1.3 Обзор конструкций и технологий, обеспечивающих снижение трениядеталей ЦПГ ДВС1.3.1 КонструкцияВ работе [68] поршни классифицируют по ряду конструкционных признаком, связанных, главным образом, с надежностью отдельных элементов даннойдетали (Рисунок 1.3):Рисунок 1.3. Поршни фирмы KOLBENSCHMIDT: а – поршень с неразрезнойюбкой, литой; б – поршень с терморегулирующей кольцевой вставкой;в – поршень с охлаждающими каналами и со втулкой поршневого пальца;г – поршень с упрочняющей вставкой для кольца с каналом для охлаждения;д – терморегулируемый поршень с сегментной упрочняющейвставкой для кольцаЛитые поршни из алюминия обладают меньшим весом при отличной теплопроводности, располагают, в зависимости от назначения, влитыми укрепляющимидеталями, такими как упрочняющая вставка для кольца из чугуна, стальные детали для заданного теплового расширения или керамические детали с усилениемволокном из оксида алюминия. 15 Твердо-анодированные кольцевые канавки предотвращают износ и микросваривание при использовании поршней для дизельных двигателей [69-71].Кроме того, широко распространено применение противоизносных и антикоррозионных нитридных покрытий, которые наносятся на трущиеся поверхностиколечных канавок поршня путем плазменного азотирования или электролитноплазменной нитроцементации в среде инертных газов [72].Широкое распространение получили кованые поршни со сплошной юбкой,запатентованных конструкций AutoThermik и HydroThermik [73, 74].
Первые изназванных находят применение преимущественно в двигателях гоночных автомобилей и серийных двигателях, допускающих высокие нагрузки. Благодаря специальной технологии производства данная модель поршня обладает высокой прочностью, что позволяет нанесение небольших пропилов на стенках для снижениявеса конструкции. Вторые - используются преимущественно в допускающих высокие нагрузки бензиновых и дизельных двигателях для легковых автомобилей.Такие поршни имеют влитые стальные вставки и шлицы между поясом поршневых колец и юбкой.Постоянно увеличивающаяся удельная мощность ДВС значительно усложняет работу поршней, которые должны как можно дольше выдерживать значительно возросшие механические и термические нагрузки, отличаясь при этоммаксимальной легкой конструкцией и работая с минимальными потерями на трение. Для того чтобы справиться с такими жесткими требованиями, разработаныновые технологии производства алюминиевых и стальных поршней [75-77].
Особенность запатентованной конструкции Evotec SC (Рисунок 1.4, а) заключается винтегрированном канале охлаждения, который способствует снижению температуры в районе первой колечной канавки на величину до 25 оС.На основе технологического принципа создания поршней Evotec обнаруженпотенциал экономии веса конструкции, как результат – появление поршня Evoliteс новым дизайном (Рисунок 1.4, б), что привело к снижению веса поршня на 5%.Кроме того, как в ходе испытаний, так и в условиях нормальной эксплуатацииподтверждены значительные сокращения потерь на трение. 16 Рисунок 1.4.
Поршни фирмы Mahle: а – Mahle Evotec SC; б – Mahle Evolite;в – Mahle MonoGuideСтальные поршни выдерживают более высокие значения температур и давлений, чем алюминиевые, и вдобавок к этому отличаются меньшими потерями натрение. Во-первых, это объясняется более низким температурным расширениемстали, а во-вторых, повышенной жесткостью и прочностью, которые достигаютсяблагодаря снижению высоты поршня при одновременном сохранении его массы.Запатентованные конструкции поршней Monotherm и MonoGuide отлично зарекомендовали себя в дизелях для легковых автомобилей (Рисунок 1.4, в).Переходя от поршней к поршневым кольцам для быстроходных форсированных ДВС, следует отметить, что выбор количества, расположения, формы иматериала поршневых колец в значительной мере влияет на механические потери,износ и расход масла в двигателе. В соответствии с все возрастающей быстроходностью проектируемых двигателей, количество поршневых колец должно выбираться из принципа минимальной достаточности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
