Снижение износа юбок поршней двигателей внутреннего сгорания
- Авторы: Асоян А.Р.1, Горшков А.С.2, Исраелян А.Х.2
-
Учреждения:
- Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет
- Российский университет дружбы народов
- Выпуск: Том 21, № 3 (2020)
- Страницы: 175-180
- Раздел: Машиностроение и материаловедение
- URL: https://journals.rudn.ru/engineering-researches/article/view/25557
- DOI: https://doi.org/10.22363/2312-8143-2020-21-3-175-180
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Значительная доля механических потерь в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) приходится на цилиндропоршневую группу. В зависимости от режимов работы двигателя внутреннего сгорания возможно контактное взаимодействие в паре «поршень - цилиндр», что приводит к износу рабочих поверхностей ресурсоопределяющих элементов и снижению эксплуатационного ресурса силового агрегата в целом. В связи с этим снижение потерь на трение в элементах ДВС и, в частности, сопряжении «поршень - гильза цилиндров» является актуальным. Решением данных задач занимаются как отечественные, так и зарубежные исследователи, предложены различные профили поршней, методы расчета параметров масляного слоя, но практическое состояние вопроса обуславливает актуальность исследований в этом направлении. В работе рассмотрена возможность снижения износа юбок поршней за счет уменьшения контактной поверхности в сопряжении и обеспечения масляной пленки в зоне трения не зависимо от режимов работы двигателя. Данная возможность реализуется путем формирования определенного макропрофиля на рабочей поверхности юбки поршня. Формирование макрорельефа производилось путем поверхностного пластического деформирования с возвратно-поступательным перемещением сферического инструмента по обрабатываемой поверхности.
Полный текст
Введение [**] В процессе работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) наиболее нагруженными являются элементы цилиндропоршневой группы [1; 2]. Особенность ДВС заключается в многофакторности показателей надежности и большом диапазоне условий и режимов эксплуатации. Аварийный режим складывается из суммарного действия многих, в том числе случайных, факторов [3]. Обеспечение надежной и долговечной работы двигателей внутреннего сгорания - основная задача двигателестроителей. Главным узлом ДВС является цилиндропоршневая группа (ЦПГ), надежная и долговечная работа которой является важным условием для достижения высоких эффективных показателей двигателя в целом [4]. Общеизвестно, что сила давления газов нагружает поршни, гильзы цилиндров, головку блока и другие элементы, вызывая в них напряжения изгиба. В процессе рабочего цикла сила меняет свою величину и может быть определена по индикаторной диаграмме PГ = f(S) или PГ = f(V), где S - ход поршня, м; V - объем цилиндра (Vh+Vc), м3 или расчетом. На кривошипно-шатунный механизм действуют давление газов PГ, силы инерции Pj, силы веса Pg и силы трения Pтр (рис. 1). Суммарная движущая сила будет равна: РΣ = PГ + Pj + Pg + PТ. (1) Рис. 1. Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме [Figure 1. Forces acting in a crank arm] Действующая на поршень сила PГ направлена вниз и в совокупности с силами инерции нагружает поршень. Давление газов и сила инерции действуют в направлении оси цилиндра (рис. 1) и по ходу движения поршня, меняют свою величину, достигая максимумов в «мертвых» точках поршня. На первой половине хода поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке (рис. 2) сила Рj направлена вверх и препятствует движению поршня (в этот период работа силы инерции отрицательна), а на второй половине хода поршня сила инерции положительна (направлена вниз) и таким образом способствует движению поршня [5]. Сила давления газов определяется по формуле PГ = (рг - р0)FП, (2) где рг - давление газов в цилиндре, МПа; р0 - давление под поршнем, давление в картере двигателя, МПа; FП - площадь поршня, м2. Рис. 2. Разложение суммарной движущей силы в кривошипно-шатунном механизме [Figure 2. Decomposition of the total driving force in crank] Внешней нагрузкой юбки поршня является боковая сила - совокупность действий газовых и инерционных сил [6]. Приложив силу РΣ, определим нормальное усилие N, действующее на юбку поршня (боковую силу), N = РΣ tgβ, (3) где β = arcsin(λsinφ) - угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра и усилие, направленное вдоль оси шатуна, S = РΣ / cosβ, (4) Сила N прижимает поршень к стенкам цилиндра, вызывает перекладку поршня в цилиндре, влияет на трение и износ поверхностей цилиндра и поршня. Сопутствующим фактором при этом является скорость движения поршня. Описанные элементы относятся к динамически нагруженным, для которых, как обоснованно в работах Ф.Н. Авдонькина [7; 8], справедлива экспоненциальная зависимость износа S от наработки l: S = S0ebl, (5) где S0 - износ в конце периода приработки, приведенный к началу эксплуатации; b - изменение интенсивности изнашивания на единицу износа. Характер действующих нагрузок на рабочую поверхность гильзы цилиндров и поршень обуславливает изменение формы рабочих поверхностей описанных элементов в виде овальности, которая в процессе эксплуатации возрастает. С целью снижения коэффициента трения при касании юбок поршней о стенки цилиндров в процессе эксплуатации при производстве поршней на рабочую часть юбок поршней наносят антифрикционное твердосмазочное покрытие на основе мелкодисперсного дисульфида молибдена и графита, полимер тетрафторэтилена (тефлон) и др. Рис. 3. Износ антифрикционного покрытия на юбке поршня [Figure 3. Wear of the anti-friction coating on the piston skirt] Но практика показывает, что используемая технология с применением антифрикционного твердосмазочного покрытия малоэффективна, и при контакте рабочих поверхностей происходит истирание нанесенного покрытия (рис. 3), особенно при граничных условиях смазки сопрягаемых поверхностей (при запуске двигателя). Первоначальный запуск двигателя соответствует высокому износу и расходу топлива - примерно на 10 % больше, чем в нормальных условиях эксплуатации, вследствие отсутствия смазывающей жидкости между трущимися деталями, ввиду ее стекания с течением времени [9]. Известно, что в зависимости от режимов работы двигателя основную долю режимов трения в сопряжении «поршень - цилиндр» занимает гидродинамический режим - 52 %, далее следуют смешанный - 39 % и граничный - 9 % [10; 11]. В общем случае сила трения Fтр определяется по формуле Fтр = S (μv / h), (6) где S - площадь поверхности трения; μ - вязкость масла; v - скорость скольжения поверхностей относительно друг друга; h - толщина масляного слоя. Таким образом, потери на трение можно снизить, увеличив толщину масляного слоя (h). Но в рассматриваемом случае толщина масляного слоя ограничивается величиной зазора в сопряжении, который мы не можем изменить. 2. Моделирование процесса Коэффициент трения можно снизить за счет уменьшения площади контактной поверхности и локального увеличения толщины масляного слоя в специально сформированных макрополостях. Для этого предлагается на рабочей поверхности юбок поршней производить формирование определенного макрорельефа с целью снижения контактной поверхности и удержания масла в образованных полостях, что позволит гарантированно обеспечивать масляный слой между соприкасающимися поверхностями. В ходе исследования производилось моделирование процесса работы поршня с формированным макропрофилем на рабочей поверхности юбки (рис. 4). Система автоматизированного проектирования включает широкий набор различный функций трехмерного моделирования твердых тел, что важно при работе со сложными моделями узлов и деталей во время проектирования изделий. В используемом программном обеспечении моделировалось течение потоков жидкости по заданным направлениям [12-14]. Формирование макрорельефа производилось путем поверхностного пластического деформирования с возвратно-поступательным перемещением сферического инструмента по обрабатываемой поверхности. В результате на поверхности образовался синусоидальный профиль (рис. 5) [15]. Рис. 4. Моделирование процесса работы поршня с формированным макропрофилем на рабочей поверхности юбки [Figure 4. Modeling of the piston operation with the formed macro profile on the working surface of the skirt] Рис. 5. Профиль образуемого макрорельефа [Figure 5. Profile of the formed macrorelief] Сформированные углубления на поверхности юбки поршня способствуют удержанию масла в рабочей зоне независимо от режимов работы двигателя. Дальнейшее исследование направлено на определение оптимального рисунка макропрофиля и места расположения его на юбке поршня. Заключение Предложено техническое решение, позволяющее снизить коэффициент трения в паре «поршень - цилиндр» при любых режимах работы двигателя и повысить эксплуатационный ресурс поршня.
Об авторах
Артур Рафикович Асоян
Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: asoyan.ar@mail.ru
профессор кафедры «Эксплуатация автомобильного транспорта и автосервис» МАДИ; доцент департамента машиностроения и приборостроения Инженерной академии РУДН; доктор технических наук, доцент
Российская Федерация, 125319, Москва, Ленинградский пр-кт, д. 64Александр Сергеевич Горшков
Российский университет дружбы народов
Email: asoyan.ar@mail.ru
аспирант департамента машиностроения и приборостроения Инженерной академии РУДН
Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6Ани Хачатуровна Исраелян
Российский университет дружбы народов
Email: asoyan.ar@mail.ru
аспирант департамента машиностроения и приборостроения Инженерной академии РУДН
Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6Список литературы
- Луканин В.Н., Алексеев И.В., Шатров М.Г. и др. Двигатели внутреннего сгорания: в 3 кн. Кн. 2. Динамика и конструирование: учебник / под ред. В.Н. Луканина. М.: Высшая школа, 1995. 319 с.
- Чайнов Н.Д. и др. Конструирование двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 2008. 496 с.
- Коченов В.А. Определение причин преждвременных отказов двигателей внутреннего сгорания // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. 2013. № 2 (58). С. 47-49.
- Бутусов И.А., Дударева Н.Ю. Исследование влияния микродугового оксидирования на износостойкость поршня ДВС // Наука и образование: научное издание МГТУ имени Н.Э. Баумана. 2013. № 9. С. 127-144. doi: 10.7463/0913.0606017.
- Возницкий И.В., Пунда А.С. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Т. I. 2-е изд., перераб. и доп. М.: МОРКНИГА, 2010. С. 20.
- Путинцев С.В. Механические потери в поршневых двигателях: специальные главы конструирования, расчета и испытаний. М.: МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2011. С. 58.
- Авдонькин Ф.Н. Оптимизация изменения технического состояния автомобиля. М.: Транспорт, 1993. 352 с.
- Авдонькин Ф.Н. Теоретические основы технической эксплуатации автомобилей. М.: Транспорт, 1985. 215 с.
- Roberts A., Brooks R., Shipway P. Internal combustion engine cold-start efficiency: a review of the problem, causes and potential solutions // Energy Conversion and Management. 2014. Vol. 82. Pp. 327-350.
- Путинцев С.В. Механические потери в поршневых двигателях: специальные главы конструирования, расчета и испытаний. М.: МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2011. С. 41-42.
- Шабашевич Б.Э., Адамович А.В. Исследование потерь на трение в поршневой группе дизеля Д-50 // Тракторы и сельхозмашины. 1970. № 8. С. 13-15.
- Гузненков В.Н., Журбенко П.А., Бондарева Т.П. SolidWorks 2016, трехмерное моделирование деталей и выполнение электронных чертежей. М.: Изд-во МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2017.
- Блаховский Х.П. Новый метод разработки двигателей - концепция виртуального двигателя. URL: http://aps-c.ru/publications/virtual.pdf (дата обращения: 20.04.2020).
- Опыт фирмы AVL List GmbH в применении методов моделирования для разработки двигателей и автомобилей. URL: http://docplayer.ru/31416776-Opyt-firmy-avl-list-gmbh-v-primenenii-metodov-modelirovaniyadlya-razrabotki-dvigateley-i-avtomobiley.html (дата обращения: 20.04.2020).
- Пушкарев Д.В., Батинов И.В. Формирование регулярного микрорельефа в отверстиях малого диаметра // Технические науки - от теории к практике: сб. ст. по матер. XXXIII Междунар. науч.-практ. конф. № 4(29). Новосибирск: СибАК, 2014.
![](/img/style/loading.gif)