Антифрикционные покрытия деталей кривошипно-шатунных механизмов автомобильных двигателей

Категория: Технологии и материалы

Антифрикционные покрытия деталей кривошипно-шатунных механизмов автомобильных двигателей

В статье описаны особенности применения антифрикционных покрытий Molykote для деталей кривошипно-шатунных механизмов автомобильных двигателей, таких как поршни, поршневые кольца, шейки коленчатого вала, прокладки головки блока цилиндров.

Особенности работы кривошипно-шатунного механизма в двигателях автомобилей

Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), применяемые в автомобилях, преобразуют энергию сгорания топлива в механическую энергию. ДВС имеет различные механизмы и системы, которые работают в различных условиях. Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) используется для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала и является одним из самых нагруженных частей, так как непосредственно воспринимает давление расширяющихся газов, которые образуются при сгорании топлива.

КШМ включает в свой состав детали двух групп:

  • Подвижные детали КШМ: поршень с поршневыми кольцами, поршневой палец, шатун, коленчатый вал с подшипниками, маховик

  • Неподвижные детали КШМ: блок цилиндров, гильзы цилиндров, головка блока цилиндров, картер, картер маховика и сцепления, поддон, крышка блока, прокладки крышки блока и головки блока цилиндров, полукольца коленчатого вала

Детали КШМ подвержены действию наиболее опасных, знакопеременных нагрузок, работают в условиях изменения направления движения, повышенного нагрева и недостаточной подачи смазочного материала в зону трения. Все это приводит к высокому уровень механических потерь мощности в КШМ и повышает интенсивность изнашивания его деталей.

Потери на трение в кривошипно-шатунном механизме

Особенности движения подвижных деталей КШМ определяются тем, что в процессе его происходит трение в нескольких различных режимах одновременно. Эти режимы: граничное трение, гидродинамическое и смешанное. В парах «кольцо поршня – цилиндр» и «поршень – цилиндр» основным является граничный режим трения. Для подшипниковых узлах КШМ из-за однонаправленного вращательного характера движения шеек коленчатого вала преобладает гидродинамическое трение, отклонения от которого вызывается недостатком смазочного материала, который как правило наблюдается при запуске двигателя или во время нарушений в работе системы смазки, или перегревом двигателя в связи с превышением допустимых значений нагрузок.

В общем случае механические потери на трение между поршневой группой и цилиндром составляют 45...55%, а потери в подшипниковых узлах – до 20% от всех механических потерь двигателя. Рост механических потерь в КШМ сопровождается снижением КПД и мощности двигателя, увеличением удельного расхода топлива, повышением теплонапряженности работы и всегда является причиной снижения долговечности соответствующих деталей и узлов.

Поскольку в тепло превращается наибольшая часть (до 99%) энергии трения в сопряжениях, для оценки механических потерь часто используют величину температуры трения. Поэтому для более детального исследования и оценки механических потерь в КШМ автомобильных двигателей применяется метод снятия температурных полей трения при прокрутке двигателя без сжатия, сгорания и охлаждения. По относительной величине температуры трения в этих условиях можно судить об изменении мощности трения в соответствующих сопряжениях КШМ, причем измерение температуры трения (особенно неподвижного тела) в рассматриваемом случае является наиболее простой процедурой.

Исследования показывают, что наиболее эффективным методом снижения потерь на трение в ДВС современных автомобилей является применение антифрикционных покрытий на основе твердых смазочных материалов (дисульфид молибдена, графит и др.). Компания Dow Corning предлагает широкий ассортимент антифрикционных покрытий под торговой маркой Molykote, многие из которых успешно применяются автомобильными производителями в узлах трения ДВС с целью обеспечения энергосбережения силовых установок и повышения их долговечности.

Неисправности кривошипно-шатунного механизма автомобильных двигателей, связанные с износом узлов трения и неисправностями системы смазки

Износ основных деталей КШМ вызывает увеличение зазоров в сопряжениях, что приводит к возникновению стуков и шумов при работе двигателя. Это позволяет диагностировать большинство неисправностей КШМ по внешним признакам или с помощью простейших приборов. Так при износе поршня и цилиндра работа двигателя (в особенности непрогретого) сопровождается звонким металлическим стуком. Увеличение зазора между поршневыми пальцами и втулкой верхней головки шатуна вызывает резкий металлический стук на всех режимах работы двигателя. Износ поршневых колец приводит к перерасходу масла, потере компрессии и снижению мощности двигателя. Большой износ вкладышей подшипников коренных и шатунных шеек коленчатого вала сопровождается резким снижением давления масла в системе смазки двигателя, при котором его дальнейшая эксплуатация невозможна.

Поскольку около 70% износа двигателя приходится на режим пуска, характеризующийся недостатком смазочного материала в сопряжениях и доминированием граничного режима трения, для повышения долговечности деталей КШМ и двигателя в целом необходимо применение антифрикционных покрытий, сохраняющих эффективность после продолжительных простоев и обеспечивающих эффективное снижение трения при запуске двигателя в холодное время года.

При эксплуатации автомобильных двигателей нередко возникают аварийные ситуации работы цилиндропоршневой группы КШМ без наличия жидкой смазки в зоне трения. Местный перегрев рабочей поверхности цилиндра вызывает разрыв масляной пленки, а неисправности системы смазки двигателя сопровождаются общим уменьшением слоя масла между рабочей поверхностью цилиндра и поршня. В этих случаях возможно заклинивание поршней в цилиндрах, причем схватывания происходят, как правило, в направляющей части поршня (юбке) и реже распространяются в область кольцевого пояса.

Износ поршневых колец характеризуется уменьшением наружного диаметра и увеличением зазора в замке.износ поршневых колец Интенсивнее остальных изнашивается первое компрессионное кольцо, что обусловлено большей работой трения о стенку цилиндра и о стенку канавки поршня вследствие большего давления газов. Износ поршневых колец негативно сказывается на их уплотняющих и теплопередающих свойствах, что приводит к перегреву поршня и повреждению его рабочих поверхностей, снижению мощности двигателя, перерасходу топлива, появлению дыма в отработавших газах (при нормальном уровне масла в картере). Повышенный износ поршневых колец наблюдается в процессе приработки двигателя.

Сильный износ и задиры на поверхностях коренных и шатунных шеек коленчатого вала возникают вследствие неисправностей системы смазки двигателя, недостаточного уровня или низких эксплуатационных свойств применяемого моторного масла. Задиры всегда сопровождаются увеличением зазора в подшипниках, износом рабочих поверхностей с глубокими кольцевыми рисками, местным перегревом поверхности шейки. Опасность эксплуатации коленчатого вала с задирами и износом шеек связана с перегревом и возможностью изгиба коленчатого вала, нарушением соосности шеек и возникновением биения. В результате, как правило, требуется капитальный ремонт двигателя, шлифовка шеек коленчатого вала и установка утолщенных вкладышей, а в некоторых случаях – дорогостоящая замена вала.

Небольшое давление масла в системе смазки двигателя или его абсолютное отсутствие приводит к разогреву подшипников скольжения. Разрыв масляной пленки между вкладышами и шейками коленчатого вала влечет за собой приваривание вкладыша к шейке и его проворачиванию в опорах коленчатого вала (подшипники коренных шеек) или же нижней головке шатуна (подшипники шатунных шеек) с образованием глубоких задиров и катастрофического износа отверстий.

Прокладки головки блока цилиндров с металлическими поверхностями обладают устойчивостью при действии высоких температур и применяются для уплотнения соединений, подверженных высокому нагреву и давлению. Применение антифрикционных покрытий для кривошипно-шатунного механизма двигателейОднако при нагреве и охлаждении деталей КШМ в процессе работы двигателя происходят микроскопические смещения блока относительно прокладки, что обусловливает ее постепенный износ. Кроме того, при длительной работе может происходить прикипание прокладки к поверхности блока или головки блока цилиндров и ее тепловое разрушение, вследствие чего ухудшается герметизация соединения указанных деталей и затрудняется демонтаж прокладки при ремонте автомобильного двигателя.

Таким образом, при повышенном износе деталей КШМ и неисправностях системы смазки эксплуатация автомобиля категорически запрещена и зачастую приводит к его заклиниванию и дорогостоящему ремонту.

Антифрикционные покрытия Molykote от компании Dow Corning обеспечивают снижение интенсивности изнашивания узлов трения КШМ автомобильных двигателей и уплотнительных прокладок при работе в экстремальных температурных условиях, возникающих при длительной работе двигателя под высокой нагрузкой и в случае возникновения неполадок системы смазки. Снизить износ деталей КШМ автомобильного двигателя и повысить надежность его работы в аварийных режимах возможно путем нанесения антифрикционных покрытий Molykote на участки сопряжений подвижных деталей КШМ (направляющую часть рабочей поверхности поршней, поршневые кольца, шейки коленчатого вала) и рабочие поверхности уплотнительных элементов.

Применение антифрикционных покрытий для деталей кривошипно-шатунного механизма автомобильных двигателей

Антифрикционные покрытия (АФП) представляют собой дисперсии твердых смазочных веществ с очень малым размером частиц (дисульфид молибдена, графит и др.) в неорганических или органических связующих агентах. Твердые смазочные материалы при нанесении связываются между собой и с поверхностью детали с помощью полимерной связующей матрицы и образуют после испарения растворителя сухую пленку со смазочными защитными функциями толщиной 5…20 мкм. Типичный состав АФП включает в себя:

  • твердые смазочные материалы – 30%;

  • связующие агенты – 12%;

  • присадки – 3%;

  • растворители – 55%.

Твердые смазки (пигменты) обеспечивают требуемое смазывание деталей сопряжения и выбираются в зависимости от требований к несущей способности и контактным нагрузкам в узлах. При высоких нагрузках (до 1000 Н/мм2 и более) в качестве смазочного материала применяется дисульфид молибдена MoS2 и/или графит. Связующие агенты (смолы) обеспечивают адгезию твердых смазок к поверхности металлов, обеспечивают химическую стойкость образованной антифрикционной пленки и защиту от коррозии. При рабочих температурах сопряжения до 250° С используются органические связующие, а при более высоких (до 600° С) – неорганические. Присадки удаляют нежелательные, улучшают существующие либо придают покрытию новые свойства. Растворители (органические либо водные) удерживают АФП в жидкой форме до нанесения на материал, регулируют вязкость в процессе нанесения и непосредственно процесс создания антифрикционной пленки, а также улучшают смачиваемость пигментов смолами.

При нанесении АФП большое внимание уделяется предварительной обработке поверхности детали, призванной обеспечить условия для хорошей адгезии твердых смазочных материалов АФП с обрабатываемой поверхностью. Хорошая адгезия обеспечивается механическим закреплением за микронеровности поверхности (увеличение шероховатости поверхности перед нанесением покрытия при этом приводит к увеличению площади контакта детали и твердых смазочных веществ). Улучшению адгезии также способствует поляризация частиц твердых смазочных материалов и образование между ними и материалом детали химических связей.

Способность к пленкообразованию АФП ограничивается загрязнениями поврехности:

  • пыль, мелкие частицы и частицы износа на поверхности детали приводят к образованию дефектов в образующемся антифрикционном слое;

  • органические загрязнители (масла, жировые следы от пальцев рук и т.п.) и частицы с низким поверхностным натяжением приводят к ухудшению адгезии;

  • неорганические загрязнители (например, соли, образующиеся на поверхности в результате процесса очистки) также приводят к ухудшению адгезии и образованию пузырьков в образующейся после отвердения АФП антифрикционной пленке.

Основными методами подготовки поверхности детали к нанесению АФП являются обезжиривание, пескоструйная очистка (для очистки от следов коррозии и образования равномерной шероховатости поверхности), фосфатирование (для улучшения коррозионной защиты, адгезии и смазывания), травление, активирование, пассивирование, полоскание и сушка. При этом необходимо учитывать, что различные материалы деталей требуют применения различных методов предварительной обработки.

После нанесения жидкого АФП на поверхность, оно подвергается отверждению и превращается в сухую пленку. В зависимости от состава покрытия отверждение происходит либо при комнатной температуре, либо при нагревании до 250° С. Основными методами нанесения АФП являются распыление, погружение, окунание с вращением (центрифугирование), нанесение покрытия валиком, трафаретная печать. Выбор метода нанесения является важным фактором образования прочного и стабильного антифрикционного слоя.

В узлах трения кривошипно-шатунного механизма АФП Molykote применяются для обеспечения высоких антифрикционных свойств пар трения и обеспечивают надежную работу сопряжений в режиме граничной смазки при высоких контактных давлениях, знакопеременном движении, запусках после продолжительного простоя. Дополнительным преимуществом применяемых антифрикционных покрытий является обеспечение ими антиаварийной смазки, позволяющей избежать заклинивания двигателя при его работе в критических условиях перегрева, разрыва масляной пленки или при отсутствии жидкого смазочного материала в зоне трения.

Для защиты деталей цилиндропоршневой группы от задиров и износа при тяжелых условиях работы широко применяется антифрикционное покрытие Molykote D-10. Покрытие поршней обладает высокой несущей способностью, длительной устойчивостью к бензину, моторным маслам и растворителям, обеспечивает защиту от износа и коррозии. Продукт пригоден к эксплуатации в широком диапазоне рабочих температур (-70…+380° С) и является идеальным для нанесения в качестве долгосрочной пленочной смазки на поршни, используемые в бензиновых и дизельных двигателях для уменьшения износа поршней и стенок цилиндров. Антифрикционное покрытие Molykote D-10 поставляется в виде вязкой жидкости для нанесения способом трафаретной печати, но может наноситься также распылением, погружением и другими методами. Рекомендуемая толщина пленки составляет 10…20 мкм.

В качестве антифрикционного покрытия поршневых колец и шеек коленчатого вала двигателя хорошо зарекомендовало себя отверждаемое при нагреве покрытие Molykote D-7409 на основе дисульфида молибдена и графита с полиамидным связующим. Этот продукт обладает высокими смазывающими свойствами, несущей способностью, износостойкостью, термостойкостью и хорошей устойчивостью к воздействию нефтепродуктов. Покрытие значительно уменьшает износ деталей и их элементов в процессе приработки, снижает уровень шума и подходит для работы в экстремально высоких рабочих температурах. При нанесении на рабочую поверхность поршневых колец дополнительно проявляется эффект герметизации.

Ведущие мировые производители уплотнительных элементов наносят на металлические поверхности прокладок антифрикционное покрытие Molykote D-7620, что обеспечивает их высокие противоизносные свойства, улучшение герметизации сопрягаемых поверхностей за счет заполнения впадин микронеровностей, защиту прокладок от теплового разрушения и прикипания, обеспечивая вместе с тем легкость демонтажа при ремонте двигателя.

Рекомендации по применению антифрикционных покрытий Molykote для деталей кривошипно-шатунного механизма автомобильных двигателей

Детали

Требования к антифрикционным покрытиям

Рекомендуемые антифрикционные покрытия
Поршень

]- Защита поршня и цилиндра от задиров и износа при тяжелых условиях работы (пуск при пониженных температурах, недостаток смазки, перегрев и т.п.)

  • Высокая несущая способность поверхности, износостойкость и термостойкость

  • Ускорение приработки

  • Долговременное смазывание

  • Устойчивость к воздействию моторных масел

Антифрикционнное покрытие поршней Molykote D-10 на основе графита и полиамидного связующего, отверждаемое при нагреве

Антифрикционное покрытие Molykote D-7409 на основе дисульфида молибдена и графита с полиамидным связующим, отверждаемое при нагреве

Поршневые кольца

- Высокая смазывающая и несущая способность

  • Высокая износостойкость и термостойкость

  • Устойчивость к воздействию моторных масел

Антифрикционное покрытие Molykote D-7409 на основе дисульфида молибдена и графита с полиамидным связующим, отверждаемое при нагреве
Шейки коленчатого вала

- Высокая смазывающая и несущая способность

  • Ускорение приработки

  • Высокая устойчивость к нефтепродуктам

Антифрикционное покрытие Molykote D-7409 на основе дисульфида молибдена и графита с полиамидным связующим, отверждаемое при нагреве
Прокладка головки блока цилиндров

- Высокие противоизносные свойства

  • Высокая прочность на сжатие

  • Термостойкость

  • Устойчивость к воздействию нефтепродуктов и охлаждающих жидкостей

  • Облегчение демонтажа

  • Увеличение герметичности

Антифрикционное покрытие Molykote D-7620 на основе дисульфида молибдена и графита с полиамидным связующим, отверждаемое при нагреве

Опыт применения антифрикционных покрытий для деталей кривошипно-шатунного механизма автомобильных двигателей

Антифрикционные покрытия Molykote для деталей кривошипно-шатунного механизма автомобильных двигателей доказали свою эффективность многочисленными испытаниями и опытом эксплуатации.

Исследование влияния антифрикционного покрытия юбки поршня на механические потери в поршневых двигателях проводилось в МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре «Поршневые двигатели» (Путинцев С.В. Механические потери в поршневых двигателях: специальные главы конструирования, расчета и испытаний [Электронный ресурс] : учебное издание / С.В. Путинцев. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. – 288 с.).

Объектом исследования выступал серийный одноцилиндровый поршневой дизельный двигатель ТМЗ-450Д рабочим объемом 454 см3 с серийным и опытным поршнем, юбка которого имела антифрикционное покрытие Molykote D-10.

В результате проведенных моторных испытаний установлено, что применение поршня с покрытием Molykote D-10 при номинальной частоте вращения коленчатого вала 3600 об/мин приводит к увеличению механического КПД двигателя на 1,5% и снижению до 6% мощности механических потерь. При этом значение удельного эффективного расхода топлива снижается на 2%. Кроме того, испытания показали, что положительный эффект от использования антифрикционного покрытия поршня возрастает при увеличении скорости вращения коленчатого вала двигателя до режимов, при которых механические потери и нагрузки на детали двигателя достигают наибольших значений.

Для более детального исследования и оценки механических потерь при использовании серийного поршня и поршня с покрытием далее применялся метод снятия и сопоставления температурных полей трения цилиндра при прокрутке двигателя без сжатия, сгорания и охлаждения. Было доказано, что наиболее обусловленной трением является температура в центральном поясе цилиндра (в верхней части юбки поршня). Исследованиями установлено, что при использовании опытного поршня с покрытием Molykote D-10 температура трения во всем скоростном диапазоне оказалась ниже (на 9 ... 10%) температуры трения серийного поршня.

Уже в течение нескольких лет крупнейшее специализированное предприятие по производству полных комплектов деталей цилиндропоршневой группы ОАО «Костромской завод "Мотордеталь" успешно применяет антифрикционное покрытие поршней Molykote D-10, благодаря которому:

  • значительно снижается время приработки деталей цилиндропоршневой группы

  • снижается вероятность микроконтактного схватывания, появления задиров на поршне при холодном пуске и в условиях недостаточной смазки

  • поверхность поршня защищается от воздействия агрессивных сред

  • уменьшается износ поршня и цилиндра, увеличивается моторесурс двигателя в целом

  • уменьшается расход топлива и масла

  • снижается шумность

Наряду с базовыми комплектами цилиндропоршневых групп в настоящее время «Мотордеталь» производит профессиональные (серии «Дальнобой», «Поршневая Особого Назначения» и «Грузовичок») и улучшенные комплекты (серии «Специалист») для двигателей грузовых (ЯМЗ, КамАЗ, АМЗ, ММЗ, ЗИЛ) и легковых автомобилей (ВАЗ, ЗМЗ, УМЗ), поршни которых имеют антифрикционное покрытие Molykote D-10.

Высокая эффективность покрытия Molykote D-10 подтверждена дорожными испытаниями двигателей. После пробега в 1 000 км с 8-цилиндрового двигателя автомобиля КамАЗ-5320 были сняты поршни, четыре из которых имели графитовое покрытие, а четыре - антифрикционное покрытие Molykote D-10 . Поршни обеих групп успешно прошли процесс приработки и этап послеремонтной обкатки двигателя без задиров и повышенного износа. Однако графитовое покрытие на базовых поршнях полностью сработалось, а АФП Molykote D-10 сохранилось и продолжало выполнять свои функции на протяжении около 40000 км пробега, снижая трение, уменьшая расход топлива, предотвращая задиры и схватывание поршня при перегрузке двигателя.

Таким образом, испытаниями и опытом эксплуатации установлено очевидное уменьшение потерь на трение и снижение интенсивности изнашивания деталей кривошипно-шатунного механизма автомобильных двигателей при использовании антифрикционных покрытий Molykote от компании Dow Corning. Они позволяют снизить расход топлива, повысить мощность и надежность двигателя, а также существенно сократить расходы на ремонтные работы.

Анатолий
07.06.2012

www.promoil.com.ua

Игровые автоматы вулкан играть бесплатно онлайн без регистрации - vinotecaender.ru.

Применение паст Molykote для резьбовых соединений из нержавеющих сталей
27.03.2014

Применение Molykote Multigliss при работах по ремонту головки блока цилиндров ДВС
27.03.2014

Molykote Lubolid продлевает жизнь тормозным колодкам
05.07.2013

Гидравлические масла марки Molykote
15.04.2013

Molykote L-0346 (Гидравлические масла (Hydraulic Oils))

Molykote L-1346 (Гидравлические масла (Hydraulic Oils))

Molykote L-0346FG (Гидравлические масла (Hydraulic Oils))

Molykote L-0368FG (Гидравлические масла (Hydraulic Oils))

Molykote L-1346FG (Гидравлические масла (Hydraulic Oils))

Molykote L-1368FG (Гидравлические масла (Hydraulic Oils))