Analiza strat tarcia towarzyszących przemieszczaniu się pierścienia tłokowego

Transkrypt

1 ARCHIWUM MOTORYZACJI 3, (2006) Analiza strat tarcia towarzyszących rzemieszczaniu się ierścienia tłokowego WOJCIECH SERDECKI Politechnika Poznańska Instytut Silników Salinowych i Transortu Podczas racy silnika salinowego warunki smarowania tłoka i osadzonych na nim ierścieni tłokowych nieustannie się zmieniają. Zmienne siły gazowe i masowe działające na elementy układu tłokowo-cylindrowego, jak również zmieniająca się temeratura owodują, że zmianie ulega również rozkład filmu olejowego. Wykonując obliczenia rozkładu grubości filmu olejowego można wskazać obszary na gładzi cylindra, w których dochodzi do zerwania ciągłości filmu olejowego i zmiany tarcia łynnego w tarcie mieszane. Na rodzaj tarcia, orócz wymienionych warunków wsółracy, będą miały wływ jeszcze inne czynniki, związane n. ze stanem owierzchni elementów oraz ilością i rodzajem oleju smarowego i jego charakterystyką lekościowotemeraturową. W oracowaniu omówiono roblemy związane z modelowaniem rozkładu filmu olejowego na gładzi cylindra oraz wyznaczono związki łączące stan owierzchni wsółracujących elementów oraz gatunek stosowanego oleju smarowego z wielkościami charakteryzującymi wsółracę ierścienia tłokowego z gładzią cylindra, w tym w szczególności z mocą tarcia. 1. Wstę W referacie rzygotowanym na konferencję KONMOT-AUTOPROGRES 2004 [1] analizowano wływ lekości dynamicznej wsółczesnych olejów smarowych na arametry charakteryzujące wsółracę ierścienia tłokowego z gładzią cylindra. Wykorzystując wcześniej oracowane komuterowe rogramy symulacyjne wykonano obliczenia strat tarcia towarzyszących ruchowi ierścienia tłokowego smarowanego olejami Lotos SAE 5W/40 i SAE 15W/40. Analizę wykonano dla rzyadku, gdy ierścień rzemieszcza się względem gładzi cylindra w ściśle zdefiniowany sosób. Przyjęto wstęnie, że olej smarowy jest cieczą lekosrężystą, co wymagało zastosowania równania Maxwella do obliczenia siły otrzebnej do okonania oorów ruchu ierścienia [2]: gdzie: τ η. τ u hx d + =, (1) G h 2η dx x

2 2 W. Serdecki τ narężenia styczne, η lekość dynamiczna oleju, G moduł srężystości orzecznej, u względna rędkość owierzchni ograniczających szczelinę, h x odległość omiędzy owierzchnia mi ograniczającymi, ciśnienie w filmie olejowym. Rys. 1. Szczelina smarna utworzona rzez owierzchnie ślizgowe ierścienia i cylindra. Fig. 1. Lubrication ga formed by the ring face and bore. Obliczenia symulacyjne i analiza wyników, wykonane w ramach oisanych wówczas badań wykazały [1], że srężystość orzeczna wsółczesnych olejów smarowych, łącznie z syntetycznymi, ma mały wływ na siły tarcia (co oznacza, że wsółczynnik G ) i człon zawierający ten arametr we wzorze (1) może zostać ominięty (wzór rzyjmie ostać równania Newtona). Rys. 2. Rozkład temeratury gładzi cylindra omiędzy unktami zwrotnymi. Fig. 2. Bore temerature distribution between the iston dead oints. Rys. 3. Symulowany rzebieg grubości filmu olejowego. Fig. 3. Simulative course of oil film thickness.

3 Analiza strat tarcia towarzyszących rzemieszczaniu się ierścienia tłokowego 3 W trakcie wsomnianych badań określano również różnice w stratach tarcia generowanych odczas rzemieszczania się ierścienia tłokowego względem gładzi cylindra, a sowodowane odmiennymi właściwościami zastosowanych olejów smarowych (mineralnego lub syntetycznego). Przyjęto bardzo rosty model zmian temeratury gładzi cylindra, w którym, wraz z uływem czasu racy silnika, nastęuje wzrost temeratury oleju okrywającego gładź cylindra (a więc roces zbliżony do zachodzącego odczas rozruchu silnika). Wykorzystując dane literaturowe rzyjęto hiotetyczny rzebieg zmian temeratury obszarów gładzi cylindra, leżących w obszarze unktu zwrotu zewnętrznego (ZZ) i wewnętrznego (ZW), a także rzebieg zmian temeratury omiędzy tymi unktami (rys. 2). Rys. 4. Schemat owiązań omiędzy głównymi modułami rogramu ozwalającymi wyznaczyć ołożenie ierścienia w cylindrze. Fig. 4. Schematic of links between the main modules of rogram which enables the determination of ring osition in bore.

4 4 W. Serdecki W trakcie rzerowadzonych wówczas badań rzyjęto wyidealizowany rozkład grubości warstwy smaru od rzemieszczającym się ierścieniem rysunek 3 (grubość ta to jednocześnie najmniejsza odległość omiędzy owierzchniami ślizgowymi ierścienia i cylindra). W rzeczywistym silniku salinowym kształt rzebiegu grubości filmu olejowego rozdzielającego te owierzchnie jest znacznie bardziej złożony, co wynika z dużej liczby wielkości mających wływ na ołożenie ierścienia w cylindrze (rys. 4). Biorąc to od uwagę rzyjęto, że celem rezentowanych w tym oracowaniu badań będzie weryfikacja uzyskanych wówczas wyników obliczeń strat tarcia, generowanych odczas rzemieszczania się ierścienia tłokowego względem gładzi cylindra. W obecnych badaniach, w rzeciwieństwie do wcześniej oisanych, ostanowiono uwzględnić większą liczby wielkości mających wływ na rzebieg tej wsółracy. W szczególności będą one związane ze stanem owierzchni ślizgowych ierścienia i cylindra. 2. Przygotowania do realizacji badań modelowych Weryfikacja rzedstawionych w oracowaniu [1] wyników badań wymagała rzyjęcia zbliżonych warunków omiarów. W szczególności roblem ten dotyczył odtworzenia w rogramie obliczeniowym wcześniej rzyjętych rzebiegów rozkładu temeratury gładzi cylindra oraz grubości filmu olejowego (rys. 2 i 3). Próba uwzględnienia w stosowanym rogramie obliczeniowym rzyjętego wcześniej rozkładu temeratury nie naotkała na roblemy, natomiast róba uzyskania identycznego do wcześniej założonego rozkładu grubości warstwy oleju od ierścieniem była bardzo trudna. Problemy wynikały ze złożonych owiązań ołożenia ierścienia z arametrami charakteryzującymi konstrukcję elementów silnika, warunki jego racy oraz właściwości oleju smarowego. W szczególności decydujący wływ na ołożenie ierścienia mają ciśnienie hydrodynamiczne anujące w filmie olejowym oraz srężystość własna ierścienia (ołożenie rzyjęte rzez ierścień wynika z równowagi tych oddziaływań). Średnie ciśnienie s w filmie olejowym jest sumą trzech ciśnień składowych, a mianowicie: wywołanego oddziaływaniem ciśnienia zewnętrznego : wywołanego efektem klina smarnego f : wywołanego efektem wyciskania w : a+( b a )W =, (2) η u b f = W, (3) f 2 hm u

5 Analiza strat tarcia towarzyszących rzemieszczaniu się ierścienia tłokowego 5 2 η v b f = W, (4) w 3 hm gdzie: η lekość dynamiczna oleju smarowego, a, b ciśnienia zewnętrzne działające na ierścień, u, v rędkości ierścienia, odowiednio osiowa i romieniowa, h m minimalna grubość filmu olejowego, wysokość osiowa ierścienia, b f W i wsółczynniki umożliwiające uwzględnienie wływu kształtu owierzchni ślizgowej ierścienia na średnie ciśnienie w filmie olejowym. Analiza wzorów (3) i (4) wykazała, że rzy stałej rędkości obrotowej wału silnika oraz niezmiennej geometrii ierścienia, na minimalną grubość h m filmu olejowego będzie rzede wszystkim miała wływ lekość oleju, odowiadająca zmieniającej się temeraturze gładzi cylindra. Obliczenia symulacyjne otwierdziły ten wniosek. Wraz ze wzrostem temeratury gładzi cylindra (w kolejnych unktach omiarowych rys. 2) zmniejsza się grubość warstwy oleju (rys. 5). a) b) v Rys. 5. Przykładowe rzebiegi minimalnej grubości filmu olejowego od ierścieniem uszczelniającym wyznaczone dla oleju SAE 15W40 (a) i SAE 5W/40 (b), rzy stałej rędkości ω wału korbowego. Fig. 5. Exemlary courses of minimum oil film thickness under a comression ring; SAE 15W/40 grade lube oil (a) and SAE 5W/40 grade lube oil (b), crankshaft seed ω = const. Grubość ta zmienia się w sosób odowiadający charakterystyce temeraturowej stosowanego oleju (rys. 6), tzn. w miejscach, w których lekość oleju jest większa, tworzy on grubszą warstwę (co jest zgodne z odanymi wzorami 3 i 4). Przykładowo, w ierwszym unkcie omiarowym (rys. 2), gdzie lekość dynamiczna oleju SAE 15W40 jest większa niż oleju SAE 5W/40, również większa owinna być odo-

6 6 W. Serdecki wiadająca temu olejowi grubość filmu. Z kolei w dalszych unktach omiarowych, gdzie większą lekością cechuje się olej syntetyczny, odowiadająca temu olejowi grubość owinna mieć większą wartość. Wnioski te znajdują odbicie w rzebiegu krzywych zebranych na rysunku 5. Rys. 6. Przebiegi zależności lekości dynamicznej oleju η od temeratury t wyznaczone dla gruy olejów Lotos. Fig. 6. Oil dynamic viscosity η vs. temerature t for oils of Lotos family. Analiza możliwości uzyskania rzyjętego wcześniej rzebiegu grubości warstwy filmu olejowego (rys. 3) wykazała, że rzy narzuconej geometrii ierścienia oraz rzy znanym rozkładzie lekości oleju na gładzi cylindra jedyną wielkością mającą wływ na grubość filmu olejowego jest rędkość kątowa ω wału korbowego. Wykonane obliczenia wykazały jednak, że jest możliwe uzyskanie tylko zbliżonych do wstęnie zalanowanych rzebiegów grubości (rys. 7). a) b) Rys. 7. Przykładowe rzebiegi grubości filmu olejowego w trzech rzykładowych unktach omiarowych (a) oraz rzebiegi zmian rędkości kątowej ω dla h m,max = 4 µm, w zależności od gatunku oleju (b). Fig. 7. Exemlary courses of the oil film thickness at three chosen measurement oints (a) and the course of angular seed variations ω for h m,max = 4 µm deending on oil grade (b).

7 Analiza strat tarcia towarzyszących rzemieszczaniu się ierścienia tłokowego 7 Inną metodą uzyskania zbliżonego do zakładanego wcześniej rozkładu minimalnej grubości h m filmu olejowego wydaje się być zmiana grubości h d warstwy oleju rzed oruszającym się ierścieniem. Można wykazać, że grubość ta jest owiązana z grubością minimalną zależnością [3]: h 2. (5) m h d Przykładowe rozkłady grubości filmu olejowego, wyznaczone odczas badań symulacyjnych dla h d 2 µm (jest to wartość dla której h m 4 µm, a więc tyle, ile wynosi wcześniej rzyjęta wartość maksymalna grubości filmu olejowego), okazano na rysunku 8. Widoczne jest obcinanie największych grubości filmu olejowego na założonym oziomie. Uzyskane w tej fazie badań wyniki zostały uwzględnione w dalszych badaniach, w szczególności odczas obliczeń strat tarcia. Należy w tym miejscu wsomnieć, że w rzeczywistym silniku ierścienie zestawu tłokowego oruszają się o warstwie oleju ukształtowanej rzez ierścienie je orzedzające. Grubość tej warstwy jest najczęściej mała i waha się w granicach od ułamka do kilku mikrometrów. a) b) Rys. 8. Przykładowe rzebiegi minimalnej grubości filmu olejowego od ierścieniem uszczelniającym smarowanym olejem SAE 15W/40 (a) i SAE 5W/40 (b); warstwa h d 2 µm. Fig. 8. Exemlary courses of minimum oil film thickness under a comression ring; SAE 15W/40 grade lube oil (a) and SAE 5W/40 grade lube oil (b), layer h d 2 µm. Wyniki obliczeń zamieszczone w oracowaniu [1], ze względu na zastosowany do ich wyznaczenia uroszczony model obliczeniowy, miały z założenia charakter rzybliżony i nie uwzględniały n. związku omiędzy wielkością strat tarcia i ich rodzajem. Zakładano jedynie, że istnieje ewna krytyczna grubość h kr filmu olejowego, której rzekroczenie owoduje rzejście tarcia łynnego od razu w tarcie graniczne (h<h o rys. 9).

8 8 W. Serdecki Rys. 9. Zmiany wartości wsółczynnika tarcia µ w zależności od wartości wsółczynnika Herseya [4]. Fig. 9. Changes in the coefficient of friction µ vs Hersey s coefficient [4]. W obecnie rezentowanym modelu obliczeniowym rzyjęto m.in., że: obszary, w których wsółraca ierścienia z gładzią cylindra rzebiega w warunkach tarcia łynnego i mieszanego, rozdziela grubość krytyczna h kr warstwy smaru, w obszarze tarcia łynnego (h>h kr ), gdzie wsółczynnik tarcia wzrasta wraz z grubością warstwy smaru, siłę tarcia oblicza się z zależności wynikającej z hydrodynamicznej teorii smarowania (wg wzorów odanych n. w [2]), dla grubości warstwy oleju h<h kr wartość wsółczynnika tarcia µ wzrasta wraz ze zmniejszaniem się tej grubości, udział obciążenia rzenoszonego rzez mikrokliny olejowe zmniejsza się wraz ze zmniejszaniem się grubości warstwy oleju, od 100% dla h>h kr do 0% dla h = h o. Wartość grubości krytycznej warstwy oleju będzie m.in. zależna od mikrogeometrii owierzchni wsółracy ierścienia i cylindra [5] oraz od rozmiarów zanieczyszczeń znajdujących się w oleju smarowym. Przy zmieniającej się grubości h filmu olejowego dobór jej wartości będzie miał wływ na moment rozoczęcia wsółracy elementów w warunkach tarcia mieszanego, a tym samym na wartość oorów tarcia. Wykorzystując rzyjęte warunki (uwzględnione w modelu układu tłokowocylindrowego) wykonano obliczenia kształtowania się strat tarcia w różnych warunkach wsółracy uszczelniającego ierścienia tłokowego z gładzią cylindra. Wartości stałe, wstęnie wrowadzane do modelu, odowiadały konstrukcji i warunkom racy silnika salinowego 170A.000 samochodu Cinquecento.

9 Analiza strat tarcia towarzyszących rzemieszczaniu się ierścienia tłokowego 9 3. Wyniki badań Na wykresach zamieszczonych na rysunkach 10 i 11 okazano rzebiegi zmian mocy tarcia, uzyskane odczas obliczeń w wyznaczonych wcześniej unktach omiarowych, rzy uwzględnieniu wybranych wartości grubości krytycznej (0,5, 2,0 i 5 µm ). a) b) Rys. 10. Zmiany mocy tarcia N t od wartości grubości krytycznej h kr dla oleju SAE 15W/40 (a) i SAE 5W/40 (b). Fig. 10. Variations in friction ower N t vs. critical thickness value h kr for SAE 15W/40 oil (a) and SAE 5W/40 oil (b). Wraz ze wzrostem wartości grubości krytycznej wzrasta moc tarcia, co sowodowane jest coraz wcześniejszym rzerywaniem ciągłości filmu olejowego i racą ierścienia w warunkach tarcia mieszanego. Jest to szczególnie dobrze widoczne w wynikach badań wykonanych w wyższych unktach omiarowych. Rys. 11. Zmiany mocy tarcia N t w zależności od unktu omiarowego dla olejów oleju SAE 15W/40 i SAE 5W/40; h kr = 0,5 µm. Fig. 11. Variations in friction ower N t deending on measurement oint for SAE 15W/40 and SAE 5W/40 oils; h kr = 0,5 µm.

10 10 W. Serdecki Przebieg krzywych na wykresie na rysunku 11 jest zbliżony do uzyskanego w trakcie obliczeń rowadzonych rzy wykorzystaniu uroszczonego modelu obliczeniowego [1]. Potwierdziły się również wcześniej sformułowane wnioski, że zmiany mocy tarcia są odbiciem zmian lekości oleju smarowego. Do ważniejszych wniosków wynikających z rzerowadzonych badań można zaliczy: na grubość filmu olejowego od ierścieniem mają rzede wszystkim wływ rędkość rzemieszczania się ierścienia, lekość oleju, a także grubość warstwy oleju na gładzi cylindra, uzyskanie zalanowanego rozkładu grubości filmu olejowego, orzez wływanie na arametry związane z geometrią i warunkami racy ierścienia, ze względu na skomlikowane owiązania omiędzy nimi, jest bardzo trudne do zrealizowania, rzebiegi mocy tarcia są skorelowane z rzebiegami lekości oleju smarowego, ukształtowanie warstwy wierzchniej wsółracujących owierzchni ierścienia i tulei ma wływ na wielkość strat tarcia towarzyszących ruchowi ierścienia, do rzybliżonych obliczeń wartości mocy tarcia można zastosować uroszczony model wsółracy ierścienia z gładzią cylindra. Ilościowa analiza związków omiędzy stanem owierzchni roboczej ierścienia i cylindra a rodzajem i wartością towarzyszących jego ruchowi strat tarcia, wymaga jednak rzerowadzenia dalszych badań, w tym rzede wszystkim stanowiskowych. Literatura [1] SERDECKI W.: The Effect of Lubricating Oil Selected Proerties on Cooeration of Piston Ring and Cylinder Surface. KONMOT-AUTOPROGRES 2004, T2 Silniki Salinowe, Kraków [2] SERDECKI W.: Badania wsółracy elementów układu tłokowo-cylindrowego silnika salinowego. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań [3] SERDECKI W.: Wływ ierścieni uszczelniających na kształtowanie filmu olejowego na gładzi cylindrowej silnika salinowego, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej. Seria Rozrawy Nr 235, Poznań [4] HEBDA M., WACHAL A.: Trybologia. WNT, Warszawa [5] NOWICKI B.: Struktura geometryczna. Chroowatość i falistość owierzchni. WNT, Warszawa Analysis of friction losses accomanying the iston ring travel S u m m a r y Conditions of engine iston and rings lubrication vary continuously at engine start and further run. Varying gas and inertia forces acting uon the elements of iston cylinder assembly together with changeable temerature cause the changes in oil film distribution. When carrying out the comutations of oil film distribution it is ossible to oint those regions where the oil film ruture occurs and the fluid

11 Analiza strat tarcia towarzyszących rzemieszczaniu się ierścienia tłokowego 11 friction becomes the mixed one. Beside the mentioned above conditions of collaboration also other factors affect the tye of friction. They are related to the conditions of moting surfaces as well as the volume, grade and viscosity temerature characteristics of lube oil. The aer resents roblems connecting with the modeling of oil film distribution over the bore surface, and relations between the condition of moting surfaces and lubricating oil grade with the data characteristic for cooeration of ring and bore, the friction ower in articular.