Диссертация (1026217), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Поэтому первое, что необходимо решать при использовании цилиндров своздушным охлаждением – это добиться по возможности требуемой макрогеометрии цилиндра как тела вращения в продольном и в поперечном сечениях. Приэтом, рациональная геометрия необходима не в исходном (после изготовления), ав рабочем (после установки в блок и приложения монтажных нагрузок в условияхреального теплового поля) состоянии.
В этом случае для получения наибольшегоэффекта энерго- и ресурсосбережения, отклонения от идеальной геометрии в исходном состоянии иногда даже необходимы [113].С точки зрения повышения долговечности представляет интерес конструкция гильзы, на внутренней поверхности которой выполнены канавки, состоящиеиз двух встречных винтовых линий с правой и левой резьбой соответственно (Рисунок 1.22) [114].
Винтовые линии канавки заполнены цветным металлом (сплавом), угол их подъема лежит в пределах 15…60о, а величина шага не превышает 31 расстояния между верхним компрессионным и нижним маслосъемным кольцами.В работе [114] указывается, что снижение трения поршня и поршневых колец впредлагаемом цилиндре достигается без внесения дорогостоящих антифрикционных присадок в моторное масло.Рисунок 1.22. Гильза цилиндра с винтовыми канавками согласно [114]1.3.3 Материалы и покрытияШирокое распространение получили юбки поршней с покрытием LofriKS,NanofriKS или графитовым покрытием [69]. Благодаря этому сокращается трениевнутри ЦПГ и обеспечиваются работоспособность в условиях масляного голодания. Покрытия LofriKS применяются также из соображений минимизации шумапри перекладках поршня.
Покрытие NanofriKS является усовершенствованнымвидом покрытия LofriKS и отличается от последнего содержанием наночастиц, засчет которых повышаются износостойкость и срок службы покрытия.Эти частицы представляют собой так называемые карбоновые нанотрубки –CARBON NANOTUBES (CNT) – диаметром около 32 нм. Их основу составляетинновационный синтетический материал фуллерен С60, образно называемый «молекулярным подшипником качения».Юбки поршней с покрытием из железа (Ferrocoat) обеспечивают надежнуюработу в случае его использования на алюминиево-кремниевых поверхностях цилиндров (Alusil). 32 ОАО «Мотордеталь» (г. Кострома) использует комплекс современных конструкторских и технологических решений, помогающих снизить износ и механические потери на трение, а значит, снизить расход топлива, увеличить мощностьдвигателя и заметно увеличить его моторесурс. К таким решениям можно отнестиантифрикционное покрытие MOLYKOTЕ D10, особый микрорельеф юбки поршня, а также методы обеспечения точности формы и расположения поверхностейдеталей ЦПГ [115].Чаще всего покрытие наносят на юбку поршня для повышения смазочныхсвойств, благодаря которым значительно сокращается время приработки деталейЦПГ, снижается вероятность микроконтактного схватывания, появления задировна поршне при холодном пуске и в условиях недостаточной смазки, при этом поверхность поршня защищается от воздействия агрессивных сред, уменьшаетсяизнос поршня и цилиндра, увеличивается моторесурс двигателя в целом.
Покрытие обычно состоит из композиции синтетических смол и твердо-слоистых самосмазывающихся материалов типа фторопласта, дисульфида молибдена и графита.Такие композиционные покрытия имеют несколько большую, нежели металлизация, толщину порядка 15…30 мкм и значимо снижают механические потери, износ и риск задира юбки поршня [116].
Подобные антифрикционные покрытия успешно используют все признанные мировые лидеры в производстве деталей ЦПГ:фирмы «Federal Mogul», «Mahle», «Kolbenschmidt» и многие другие.Среди патентованных марок покрытий на основе дитиофосфатов молибденанаиболее часто применяются: MOLYVAN A, MOLYVAN L (обе марки производства R.T. VANDERBILT CO.
INC. – США) и вышеупомянутый MOLYKOTЕ D10(производство DOW CORNING GMBH – Германия) [115]. Из чисто графитсодержащих покрытий известны GGRAF-IT; на основе фторопласта - MOLYKOTEPTFE-N-UV SPRAY [115]. Технология нанесения этих покрытий предусматриваетлибо окунание юбки в раствор покрытия с последующей вулканизацией в электропечи (при штучном производстве), либо предполагает использование трафаретной термопечати (при мелкосерийном и серийном производстве). 33 В случае применения технологии металлизации большинство современныхпоршней быстроходных ДВС покрывают относительно тонким (5…25 мкм) слоеммягких цветных металлов: свинца, олова или цинка. Такие покрытия снижаютопасность задира юбки на режимах граничного трения, например, пуске, местномперегреве или в случаях масляного голодания, когда условия смазки резко ухудшаются.В соответствии с положениями физики граничного трения наибольший эффект от антифрикционного покрытия наблюдается при использовании перед нанесением предварительного повышения поверхностной твердости юбки поршня[117].
Этим реализуется известный принцип положительного градиента механических свойств трибосопряжения, который обеспечивает минимизацию трения иизнашивания подвижно контактирующих поверхностей [118].В качестве покрытия РПК применяют в основном хром, молибден и хромокерамическое покрытие. Хромированные рабочие поверхности поршневых колецсокращают износ сопряженных скользящих частей и увеличивают срок службы.Толщина наносимого гальваническим способом хрома для поршневых компрессионных колец форсированных дизелей колеблется от 20 до 30 мкм.Во избежание пригорания РПК может быть покрыта молибденом либо егосолями (дисульфидом молибдена (MoS2), что может быть осуществлено как впроцессе плазменного, так и газопламенного напыления [120] .
Молибден гарантирует из-за высокой точки плавления (2620 ), пористой структуры и смазывающего действия более высокую устойчивость РПК к деструктивным воздействиям внешних факторов скорости, нагрузки и температуры.Поршневые кольца с хромо-керамическими покрытиями сокращают износцилиндров и обеспечивают максимальный срок их службы [119]. Такое покрытие,наносимое рабочую поверхность кольца электрохимическим способом, обычносостоит из хрома, насыщенного твердыми частицами алюмооксидной керамики. Внастоящее время технология по нанесению хромо-керамических покрытий является наиболее перспективным направлением при изготовлении поршневых колецдля современных ДВС. Применение указанных покрытий позволяет в 1,5 раза 34 увеличить износо- и прижогостойкость колец.
В России производство колец с нанесенным хромо-керамическим покрытием освоено упомянутой выше компанией«Мотордеталь».Также представляет интерес покрытие DuroGlide для поршневых колец [78].Противоизносные свойства данного покрытия обеспечиваются наличием аморфного углеродосодержащего слоя с алмазоподобной структурой. Это обеспечиваетвысокую твердость, благодаря которой скорость изнашивания колец снижается в2 раза. Кроме того, разработаны методы обработки поверхностей и процесс физического осаждения из паровой фазы, которые позволяют получить покрытие толщиной более 20 мкм без риска его отслоения.
Толщина большинства существующих высокопрочных углеродных покрытий ограничивается значением не болеенескольких микрометров: это связано как раз с тем, что при увеличении толщинытаких покрытий происходит рост остаточных напряжений и, как следствие, увеличение отслоения покрытия.Хорошими антифрикционными свойствами обладают поршневые кольцаизготовленные по технологии физического газоотделения (Physical Vapour Deposition или сокращенно PVD) [120]. Этот метод обработки, берущий свое начало вавтоспорте, состоит в напылении алмазосодержащих углеродных слоев в глубоком вакууме.
Таким образом создается высокопрочный слой с весьма низкими потерями на трение. Покрытие PVD отличается не только твердостью, но и износоустойчивостью. Доказано, что поршневые кольца с указанным покрытием демонстрируют даже при тяжелейших условиях эксплуатации и недостаточной смазкеболее высокую износо- и задиростойкость. Уменьшение высоты кольца благодаряиспользованию данного покрытия, имеет еще один положительный аспект – повышенную гибкость [121], благодаря которой кольца еще лучше адаптируются кформе цилиндра.
Это позволяет снизить собственную упругость колец без потериуплотняющих свойств, чем обеспечивается возможность дальнейшего уменьшения касательного напряжения при сохранении исходных рабочих характеристик.Как результат - имеет место сокращение затрат мощности на преодоление тренияна 20-30% в зависимости от нагрузки и скоростного режима. На малых оборотах и 35 при небольшой нагрузке, то есть в типичных условиях городского движения автомобиля, минимизация трения достигла наилучших значений.Рисунок 1.23.
Зависимость силы трения от угла поворота коленчатого валапо данным работы [120]Преодоление трения в сравнении (Рисунок 1.23): сила трения и среднее эффективное давление трения - Friction Mean Effective Pressure (FMEP) на комплектах колец с размерами 1,2/1,2/2,0 мм (синяя линия) и 1,0/1,0/1,5 мм (красная линия). На кольцах с меньшей высотой замеры показали сокращение их собственной упругости на 42% и, тем самым, уменьшение трения в среднем на 28%.Заслуживают внимания два новых исполнения рабочих поверхностей Alusilи Lokasil, наиболее часто используемых в алюминиевых блоках цилиндров [122,123]. Причиной высокой износостойкости является армирование рабочей поверхности цилиндра твердыми кристаллами кремния (Рисунок 1.24).Рисунок 1.24. 3D-профиль шероховатости Alusil-поверхности [122] 36 Данные кристаллы кремния, в зависимости от метода изготовления, либогомогенно распределены в материале блока цилиндров (Alusil), либо присутствуют гетерогенно только в зоне зеркала цилиндра (Lokasil).При последующей эксплуатации таких поверхностей происходит так называемое «раскрытие» кристаллов кремния, которые освобождаются до определенной глубины от находящегося вокруг алюминия, округляются в процессе изнашивания и формируют в промежутках между собой вмещающий масло объем, необходимый для обеспечения смазки пары скольжения «поршень – цилиндровое отверстие блока цилиндров».1.4 Анализ конструкции и резервов минимизации трения деталей ЦПГдизелей семейства ТМЗВысокий уровень механических потерь является достаточно типичным явлением для быстроходных ДВС.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
