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
[table]
[tr][th]Детали
[/th][th]Требования к антифрикционным покрытиям
[/th][th]Рекомендуемые антифрикционные покрытия[/th][/tr]
[tr][td]Поршень
[/td][td]]- 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
[/td][td]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[/td][/tr]
[tr][td]Поршневые кольца
[/td][td]- Высокая смазывающая и несущая способность
- Высокая износостойкость и термостойкость
- Устойчивость к воздействию моторных масел
[/td][td]Антифрикционное покрытие Molykote D-7409 на основе дисульфида молибдена и графита с полиамидным связующим, отверждаемое при нагреве[/td][/tr]
[tr][td]Шейки коленчатого вала
[/td][td]- Высокая смазывающая и несущая способность
- Ускорение приработки
- Высокая устойчивость к нефтепродуктам
[/td][td]Антифрикционное покрытие Molykote D-7409 на основе дисульфида молибдена и графита с полиамидным связующим, отверждаемое при нагреве[/td][/tr]
[tr][td]Прокладка головки блока цилиндров
[/td][td]- Высокие противоизносные свойства
- Высокая прочность на сжатие
- Термостойкость
- Устойчивость к воздействию нефтепродуктов и охлаждающих жидкостей
- Облегчение демонтажа
- Увеличение герметичности
[/td][td]Антифрикционное покрытие Molykote D-7620 на основе дисульфида молибдена и графита с полиамидным связующим, отверждаемое при нагреве[/td][/tr]
[/table]
! 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.