CC BY
16
УДК 620.178.1.002.237
В. И. Кубич, Л. И. Ивщенко
КИНЕМАТИКА, ДИНАМИКА РАБОТЫ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЯ «ШЕЙКА-ПОКРЫТИЕ-ВКЛАДЫШ» И РЕАЛИЗАЦИЯ В НЕМ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО ПЕРЕНОСА
Рассмотрено деформационное нагружение локальных зон контакта элементов три-босопряжения «шейка-покрытие-вкладыш» относительно проявления в нем избирательного переноса. Предложен подход к моделированию кинематики и динамики взаимодействия поверхностей исследуемого трибосопряжения.
Актуальность
Эффективное снижение износа трибосопряжения «шейка-вкладыш» за счет реализации эффекта избирательного переноса (ИП) на основании первичного сформированного покрытия дают возможность значительно повысить долговечность двигателя в целом [1].
Однако, вопрос об обеспечении условий для протекания комплекса структурно-фазовых превращений в зоне поверхностной деформации медьсодержащего пленочного покрытия, свойственных проявлению ИП в трибосопряжении «шейка-вкладыш» является открытым [2, 3].
При исследованиях возможности проявления эффекта ИП с использованием медьсодержащих композиций в двигателях внутреннего сгорания была обнаружена закономерность в виде затухающих колебаний интенсивности изнашивания в зависимости от %-го содержания медьсодержащий композиции, т.е наблюдалась цикличность триботехнических параметров, свойственных ИП [1].
Возбуждение колебательных процессов в трибосопряжении «шейка-покрытие-вкладыш» можно объяснить наличием деформационных зон, т.е. диссипацией энергии в результате динамического на-гружения [1, 2].
Вместе с тем конкретные модели и представления о характере деформационного нагружения локальных зон элементов рассматриваемого трибосопряжения, что в определенной мере будет обусловливать протекание процессов, свойственных проявлению ИП, пока отсутствуют.
Особенности взаимодействия элементов рассматриваемого сопряжения
Для сопряжения «шейка-вкладыш» двигателя внутреннего сгорания характерны следующие факторы динамического нагружения: газовая и инерционная составляющая при цикличности установив-
шихся и неустановившихся режимов работы двигателя в процессе эксплуатации [4]. Процесс смены режимов работы сопровождается изменением состояния смазочного слоя - переход от граничного трения к жидкостному трению. В результате такого взаимодействия изменяется геометрия и характер, как первоначального, так и последующего контакта поверхностей: вращательный касательный удар с проскальзыванием, сегментное скольжение, скольжение по фактической площади контакта, осевое смещения шеек коленчатого вала относительно коренных опор блока цилиндров. В зависимости от моментов передачи составляющих динамического нагружения будут неоднозначно изменяться зоны поверхностного деформирования, как структуры покрытия, так и подложки основного материала деталей сопряжения. Неоднократный процесс страги-вания зон фрикционного контакта особенно проявляется в режиме «пуска-останова». Наряду с этим начало движения очень редко не сопровождается значительными колебаниями силы трения, вызванными автоколебаниями, которые возникают при малых скоростях скольжения, при падающих фрикционных характеристиках, в процессе пуска и остановки двигателя [5].
Исходя из изложенного трибосопряжение «шейка-вкладыш» с покрытием в процессе работы будет испытывать сложное динамическое нагружение и взаимное перемещение локальных зон фрикционного контакта, характер изменения которых представляет особый интерес с точки зрения влияния их на процессы, свойственные ИП.
Обзор публикаций и анализ методов оценки изнашивания сопряжений
Общепринятая методика экспериментального исследования процессов трения и изнашивания три-босопряжений типа «шейка-вкладыш» предлагает рассматривать и оценивать контактное взаимодействие, при котором учитывается только одномерно
© В. И. Кубич, Л. И. Ивщенко, 2008
направленное нагружение пары трения по классической схеме: тело ^ контртело ^ нормальная нагрузка в зоне контакта ^ беззазорное относительное перемещение одного из элементов ^ критерии, характеризующие изнашивание данного узла. При этом не в полной мере учитывается роль тангенциальной составляющей нагружения, что может оказаться существенным в образовании и перемещении градиентов напряжений в зонах фрикционных контактов [6, 7, 9-11]. Значительное внимание уде -ляется элементам схематизации процесса изнашивания и построению его модели, причем на уровне разрушаемых локализованных микрообъемов на дискретных, контактирующих между собой площадках фактического контакта. Однако специфической схемы механизма сложного взаимодействия элементов рассматриваемого сопряжения, которая бы позволяла учитывать объективно изменение направленности, величины нагрузок с одновременной сменой взаимного перемещения зон контакта на микроуровне, пока не представлено.
Классический вариант расчета на износ рабочих поверхностей коленчатого вала двигателей сводится к косвенной оценке удельных давлений действующих на коренные и шатунные шейки. Теоретические диаграммы износа шеек коленчатого вала строятся на основе предположения о том, что его величина пропорциональна средней нагрузке и времени ее действия на каждый участок шейки [4].
Такая методика не позволяет получить объективную картину износа приповерхностных слоев материалов сопряжения «шейка-покрытие-вкладыш» в условиях проявления ИП по двум причинам. Во-первых, не учитывается разновекторность направления и соответственно величины нагружения в зонах локальных деформаций, что будет обусловливать особенность протекания структурных превращения в зонах контакта. Во-вторых, не может быть отражена картина возможного переноса массы модифицированного медьсодержащего слоя с поверхности шейки на поверхность вкладыша и обратно, т. е. не воспроизводится графически цикличность изменения характера изнашивания самого медьсодержащего покрытия. Для последнего в условиях ИП будет ха-
рактерно некоторое постоянство массы пленочного образования с характерными специфическими свойствами [12].
В связи с этим представляется интересным моделирование механики контактного взаимодействия локальных деформационных зон элементов рассматриваемого сопряжения с учетом его геометрических характеристик и условий работы.
Геометрические характеристики рассматриваемого сопряжения и определение схемы кинематического и динамического взаимодействия его элементов
Для подшипников скольжения коленчатого вала: коренные шейки с вкладышами, шатунные шейки с вкладышами, - характерны осевые и диаметральные зазоры, конструктивно выполняемые для каждого типа двигателей. Численные значения таковых приведены в таблице 1. Коленчатый вал подвергается воздействию значительных осевых усилий, возникающих при выключении сцепления, а также вследствие работы косозубых распределительных шестерен. В собранном узле образуется осевой зазор, обеспечивающий свободное вращение вала, см. в табл. 1 [4, 13].
В рассматриваемом трибосопряжении «шейка-вкладыш» с целью последующей реализации ИП используется медьсодержащее покрытие, полученное методом финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО) шеек коленчатых валов в специальной адгезионной среде [12]. Толщина данного покрытия составляет от 4 до 10 мкм, в зависимости от технологических факторов обработки [14]. Сам же факт реализации ИП предполагает образование сервовитной пленки из медьсодержащего покрытия с особыми свойствами, толщина которой составляет порядка 2 мкм [2].
Сопоставление общих по маркам двигателей численных значений величин зазоров в подшипниках (табл. 1), толщин медьсодержащего покрытия, и предполагаемой в сопряжении сервовитной пленки (см. табл. 2) вызывает необходимость разработки схемы и механизма оценки взаимного перемещения поверхностей в данном сопряжении в зависи-
Таблица 1 - Зазоры в подшипниках коленчатого вала, мкм
Наименование Марка двигателя
ЗИЛ Урал ГАЗ ЯМЗ МеМЗ ВАЗ «Москвич»
Шатунные, 26-65 26-65 30-65 56-106 26-71 36-86 30-76
диаметральный 250* 250* 250* 250* 250* 150* 150*
Коренные, диа- 26-65 26-65 30-65 76-120 70-110 50-95 37-82
метральный 250* 250* 250* 250* 200* 150* 150*
Осевой зазор 100-200 100-200 75-175 100-200 40-265 55-265 50-290
* - данные соответствуют предельно допустимым значениям зазоров в подшипнике
мости от действующих сил в трехмерном пространстве. Мало того анализ геометрических характеристик рассматриваемого трибосопряжения показывает, что для оценки изнашивания поверхностей нецелесообразно пренебрегать осевым смещением, вертикальными и горизонтальными перемещениями шейки, тангенциальными и радиальными силами в зоне деформаций, что не принимается во внимание в предлагаемых методиках расчета коленчатых валов на износ.
В соответствии с данными табл. 2 схему взаимного перемещения контактируемых поверхностей элементов подшипника в общем виде можно представить следующим образом, см. рис. 1.
В системе координат ОХ, ОТ, OZ приведено возможное движение коренной шейки 6 коленчатого вала 5 относительно оси ОХ, причем начало координат определено в центре оси вращения шейки. Ось ОХ представляет направление осевого смещения шейки 6 относительно неподвижного корпуса 3 в пределах осевого зазора, см. табл. 2 значение величины Ly. Ось ОУ представляет направление вертикального смещения шейки 6 относительно неподвижного корпуса 3 в пределах диаметрального зазора, см. табл. 2 значение величины L2. Ось OZ определяет направление бокового смещения шейки относительно неподвижного корпуса 3 в пределах диаметрального зазора, см. табл. 2 значение величины L3.
Исходя из приведенного, перемещения относительных смещений зон контакта можно рассмотреть и представить в виде определяемого действующими силами некоторого планетарного движения шейки относительно вкладыша. Учитывая микромасштабность взаимного перемещения элементов данного сопряжения аналогичное взаимное перемещение зон смещений можно трансформировать в локализованные объемы материалов элементов, взаимодействующих на пятнах фактического контакта (как вариант на рисунке показаны направления из точки Оу пунктиром к слою вкладыша 4 и вдоль медьсодержащего покрытия 1). Т.е. представляется воз-
можным рассматривать взаимное перемещение объема медьсодержащего покрытия, имеющего определенную прочность адгезионной связи с подложкой материала шейки, с обьемом структуры антифрикционного покрытия вкладыша в трехмерном пространстве. Причем взаимное перемещение можно рассматривать с учетом различной несущей способности смазочной среды в трибосопряжении.
В соответствии с изложенным при моделировании механики контактного взаимодействия элементов данного сопряжения предлагается учитывать изменения относительных перемещений по углу поворота коленчатого вала ф в трехмерном пространстве, т. е. использовать для математической модели
дЬ дЬ2 дЬ3 следующие величины: —-; —— ;-. Эти же ве-
дф дф дф
личины предлагается использовать для определения контурных площадей контакта, перемещающихся по углу вращения шейки. Контурные площади контакта могут определяться, например, для геометрического взаимного положения поверхностей, приведенного на рис. 2, как (для последующих положений по углу поворота ф аналогичным образом):
DS, =
dL2dL ; дф
öS, =
dL3dL ; дф
dSk =
öLi öL
1^2
дф
(1)
где дSi - элементарная контурная площадь контакта, образованная смещениями относительно оси ОУ и ОХ, без учета осевого смещения, мкм2;
у - элементарная контурная площадь контакта, образованная смещениями относительно оси ОZ и OX, без учета осевого смещения, мкм2;
дSk - элементарная контурная площадь контакта, образованная смещениями относительно оси ОУ и OX на определенном элементарном опорном участке дЬ общей длины контакта Ь, образованным отклонением микропрофильности.
Таблица 2 - Соотношение значений зазоров, обусловливающих взаимное перемещение деталей сопряжения «шейка-покрытие-вкладыш»
Наименования элементов узла Смещение L1 по оси ОХ, мкм Смещение L2 по оси ОУ, мкм Смещение L3 по оси OZ, мкм
Поверхность коренной шейки 40-290 165** 26-120 250* 73 ** 26-120 250* 73**
Поверхность шатунной шейки 40-290 165** 26-106 250* 61** 26-106 250* 61**
Толщина покрытия шейки 4-6 4-6 4-6
Толщина антифрикционного слоя вкладыша 20-45 20-45 20-45
Толщина формируемой пленки 2 2 2
величины:
дРг дГт
дф ' дф ' дф Эти же величины можно использовать для определения напряжений на контурных площадях контакта, которые будут определяться как:
дГ
да г = г
дР„
д£ ■ дфдЬЬ3
(2)
да1 = ?Рг
д¥г
дБк дфд^1 ¿2
дГ
дат = т
дГт
д£г- дфдЬЬ2
8а\-дРт
дГт
д^ дфд^1^3
да, =
дГ,
дфд^2¿3
(3)
(4)
(5)
(6)
где даг, дат - напряжение в слоях материалов покрытий шеек и вкладышей, вызванные радиальной и тангенциальной силами на фрагментальной площади касания по углу поворота коленчатого вала ф без учета осевого смещения шейки, МПа.
Рис. 1. Схема взаимного перемещения элементов подшипника коленчатого вала:
1 - медьсодержащее покрытие на шейке вала;
2 - вкладыш подшипника; 3 - корпус подшипника;
4 - антифрикционный слой вкладыша подшипника;
5 - коленчатый вал; 6 - шейка (коренная, шатунная) вала
Для составления картины силового нагружения шеек коленчатого вала предлагается использовать следующие силы: нормальную (радиальную) - Гг, направленную по радиусу кривошипа; тангенциальную - Гт, касательную к окружности радиуса кривошипа, что положено в основу классической методики построения полярных диаграмм нагрузок на шейки коленчатых валов. С учетом наличия осевого перемещения шеек дополнительно предлагается использовать фактор силового нагружения со стороны трансмиссии автомобиля, т. е. использовать силу - Г,, вызывающую осевое смещение шеек, и представить приведенные силы следующим образом, см. рис. 3.
При моделировании механики контактного взаимодействия элементов данного сопряжения предлагается учитывать силовые воздействия по углу поворота коленчатого вала ф в трехмерном пространстве, т. е. использовать в математической модели
да1г, да\, да, - напряжение в слоях материалов покрытий шеек и вкладышей, вызванные радиальной, тангенциальной и осевой силами на фраг-ментальной площади касания по углу поворота коленчатого вала ф, с учетом осевого смещения шейки, МПа.
Теоретически получаемые таким образом напряжения в локальных деформируемых объемах, характер их изменения в зависимости от условий работы исследуемого трибосопряжения, известные исходные значения параметров (микротвердость, предел прочности, предел текучести, модуль упругости, тангенциальная прочность адгезионной связи и т. п.), определяющих физико-механические свойства как покрытий, так и основного материала деталей, позволят определить границы полей действия напряжений, вы нения в зонах деф женность к ни
зывающих структурные изме-также предрасполо-
Рис. 2. Схема перемещения относительного смещения зон контакта:
1 - тело вкладыша; 2 - тело шейки, относительно центра вращения О1; 3 - тело шейки, относительно центра вращения
О1 при повороте на некоторый угол ф; А - точка начала зоны контакта и относительного смещения
Рис. 3. Схема нагружения элементарной зоны контакта: 1 - контурная линия поверхности антифрикционного слоя вкладыша; 2 - контурная линия поверхности медьсодержащего покрытия шейки; А - точка начала зоны контакта и относительного смещения дЬ2 (см. рис. 2); дЬ13 - элементарная глубина зоны деформации (упругой, пластической) при перекрытии микропрофильности поверхностей
Выводы
Таким образом, рассмотренный подход к моделированию кинематики и динамики взаимодействия поверхностей исследуемого трибосопряжения «шейка-покрытие-вкладыш» позволит:
- моделировать градиенты деформаций и напряжений в покрытии и приповерхностных слоях шеек валов, вкладышей;
- получать более объективную и достоверную картину структурных превращений, происходящих в приповерхностных слоях материалов деталей, обусловленных деформационным нагружением, в отношении проявления ИП;
- давать оценку триботехническим параметрам износостойких покрытий как при использовании медьсодержащих композиций для реализации в них ИП, так и в отсутствии такового.
Перечень ссылок
1. Балабанов В.И. Повышение качества отремонтированных двигателей внутреннего сгорания путем реализации избирательного переноса при
7.
трении. - М.: Вестник машиностроения, 2001. -№ 8. - C.14-19.
Гаркунов Д.Н. Триботехника. - М.: Машиностроение, 1985. - 424 с.
Буяновский И. А. и др. Методы повышения эффективности смазочного действия путем организации двухслойной смазки// Вестник машиностроения, 2000. - №4. - C. 6-17. Белов П.М. Двигатели армейских машин. - М.: Воениздат, ч.1. - 1971. - 511 с. Ленкевич В., Земба С. Влияние вибраций на трение скольжения при пусках и остановках. Контактное взаимодействие твердых тел и расчет сил трения и износа. - М.: Наука, 1971. - C.4 9-53. Меделяев И. А. Физические представления о процессах трения и изнашивания при граничной смазке // Вестник машиностроения, 2005. -№1 0. - С. 27-38.
Громаковский Д.Г. Разрушение поверхностей при трении и разработка кинетической модели изнашивания // Вестник машиностроения, 2000.
- №1. - С. 3-9.
Дроздов Ю.Н. Структура метода расчетов на износ // Вестник машиностроения. 2003. - № 1.
- С. 25-29.
Дроздов Ю.Н. Исследование триботехнических свойств пар трения «стальной вал - многослойный подшипник» с различными покрытиями // Вестник машиностроения, 2005. - № 12. - С. 2527.
Яхьяев Н.Я. Влияние различных факторов и коэффициента трения на износ шеек коленчатых валов судовых дизелей // Вестник машиностроения, 2003. - № 5. - С. 50-53. Харламов В.В. Экспериментальное исследование тяжело нагруженного высокотемпературного подшипника скольжения // Вестник машиностроения, 2001. - № 1. - С. 14-18. 12. Кубич В.И. Ивщенко Л.И. К методике исследования избирательного переноса в трибосопря-жении // Hcrni матерiали i технологи в металурги та машинобудувант, 2007. - № 2 - С. 134-138. Рютман Х. Ремонт легковых автомобилей. - М.: Патриот, 1992. -320 с.
Колчаев А.М., Степанов В.Б. Способ фрикци-онно-механического нанесения антифрикционного покрытия. Патент РФ № 2060300. - 1996.
Поступила вредакцию 29.05.2008
9.
10.
11.
13.
14.
Розглянуто деформацшне навантаження локальних зон контакту елементiв трибоз '-еднання «шийка-покриття-вкладиш» щодо прояву в ньому виборчого переносу. Запропо-новано mdxid до моделювання юнематики i динамжи взаемодИ поверхонь до^джуваного трибоз 'еднання.
The deformation loading of local areas of contact of elements of tribology connecting «neck-coverage-input» in relation on selective transfer are considered. Approach for simulating kinematics and dynamics of interation of surfaces ofprobed tribology connecting is offered.
