Трение и смазка в ДВС

Трение и смазка

Для грамотной эксплуатации и продления срока службы современных поршневых двигателей следует осознанно подбирать и использовать смазочные материалы. Неразборчивость и экономия могут обойтись дороже. К сожалению, имеющаяся информация о смазочных материалах носит в основном рекламный характер, поэтому потребителю бывает трудно разобраться в обилии представленных товаров (моторных масел на нашем рынке насчитывается более 100 наименований).

Вначале рассмотрим основные понятия и проблемы трения, износа и смазки.

Трение (внешнее) - явление сопротивления относительному перемещению, возникающее в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним.

Сила трения - сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, тангенциально направленная к общей границе между двумя телами.

Коэффициент трения - отношение силы трения между двумя телами к нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу.

По характеру взаимного перемещения трущихся поверхностей деталей различают трение покоя (трение двух тел при предварительном их смещении) и трение движения (трение двух тел, находящихся в относительном движении). Трение движения, в свою очередь, по характеру движения делится на трение скольжения и трение качения, а по наличию (отсутствию) смазочного материала - на трение без смазки, граничное и жидкост-ное.

Трение скольжения - трение движения, при котором скорости соприкасающихся тел в точках касания различны по значению и (или) направлению.

Трение качения - трение движения, при котором скорости соприкасающихся тел одинаковы по значению и направлению, по крайней мере, в одной точке зоны контакта. Сила трения качения примерно на порядок меньше силы трения скольжения несмазанных поверхностей. Это свойство используется в подшипниках качения (шарик или ролик соприкасаются с поверхностью в точке или по линии).

Трение качения с проскальзыванием - трение движения двух соприкасающихся тел при одновременном трении качения и скольжения в зоне контакта.

Трение без смазки возникает при отсутствии на поверхностях трения тел специально введенного смазочного материала. При трении без смазки дополнительная энергия тратится на преодоление:

- взаимного механического зацепления неровностей (шероховатостей) трущихся поверхностей при их относительном перемещении;

- сил межмолекулярного притяжения;

- явления сваривания отдельных острых выступов поверхностей трущихся пар.

Граничное трение возникает в случае, когда поверхности трения разделены слоем смазки малой толщины (менее 0,1 мкм), не превышающим высоты микронеровностей (шероховатости) поверхности. Коэффициент граничного трения составляет 0,08-0,15. Режим граничного трения очень неустойчив и характеризует предел работоспособности узла трения. Если граничный слой разрушается, а нагрузка превышает силы сцепления смазочного материала с рабочей поверхностью детали, то в месте контакта возникает сухое трение и как следствие - задиры, заклинивания и другие аварийные повреждения деталей (например выплавление антифрикционного слоя вкладышей коленчатого вала). Толщина и прочность граничного слоя масла при трении рабочих поверхностей деталей двигателя зависит от химического состава масла и входящих в него присадок, химической структуры деталей и состояния поверхностей трения. При этом работоспособность граничного слоя масла не зависит от его вязкости, а определяется взаимодействием молекулярной пленки масла с трущейся поверхностью металла.

При жидкостном трении смазочный слой полностью отделяет взаимоперемещающиеся рабочие поверхности одну от другой и имеет толщину, при которой проявляются нормальные объемные свойства масла.

Коэффициент жидкостного трения находится в пределах 0,003-0,03, что в 50-100 раз меньше, чем при трении без смазки. Сила трения при этом виде смазки зависит только от трения внутренних слоев в смазочном материале.

Устойчивость смазочного слоя, необходимого для жидкостного трения, зависит от следующих факторов: конструкции узла трения; скорости взаимного перемещения трущихся поверхностей; величины и равномерности распределения нагрузки на трущиеся поверхности; вязкости смазочного материала; площади трущихся поверхностей; величины зазора между трущимися поверхностями; температурного состояния узла трения.

Работа поршневого двигателя сопровождается постоянным процессом изнашивания (процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердой детали, накопления в ней остаточной деформации либо постепенного изменения ее размеров или формы под воздействием трения). Количественной мерой оценки изнашивания является износ, который может выражаться в единицах длины, массы или объема.

Существуют различные виды механического изнашивания:

- абразивное (когда твердые продукты износа, частицы нагара, пыль и другие, попадая в двигатель, вызывают интенсивное изнашивание поверхностей трения деталей и систем смазки);

- усталостное (следствие повторяющегося деформирования микрообъемов материала, из-за которого возникают трещины и происходит отделение частиц); типичным представителем усталостного изнашивания является питтинг, возникающий при трении качения в шариковых и роликовых подшипниках;

- кавитационное (возникает в условиях кавитации - процесса "схлопывания" пузырьков газа вблизи поверх-ности трения, создающего местное повышение давления или температуры; при кавитационном изнашивании наружные поверхности гильз цилиндров двигателя по-крываются кратерами или вырывами, образовавшимися от разрывов пузырьков);

- коррозионно-механическое (возникает в результате механического воздействия на трущиеся поверхности, сопровождаемого химическим или электрическим взаимодействием материала со средой; коррозионные разрушения в этом случае развиваются при воздействии на трущиеся поверхности таких агрессивных веществ, как химически активные газы и кислоты).

При изнашивании в процессе работы двигателя могут возникать следующие явления:

- схватывание при трении (прихват) - явление местного соединения двух твердых тел, происходящее при трении вследствие действия молекулярных сил;

- перенос материала - явление при трении твердых тел, состоящее в том, что материал одного тела соединяется с другим и, отрываясь от первого, остается на поверхности второго;

- заедание - процесс возникновения и развития повреждений поверхностей трения вследствие схватывания и переноса материала (Заедание может завершиться прекращением относительного движения. Заклинивание двигателя становится следствием схватывания, как правило, коренного либо шатунного подшипника коленчатого вала из-за нарушения жидкостного трения. Возникающее при этом повышение температуры приводит к выплавлению антифрикционного сплава (баббитового или алюминиевого) вкладышей. При этом антифрикционный слой заполняет зазор между трущейся поверхностью вкладыша и шейкой коленчатого вала, что и приводит к заклиниванию вала);

- задир - повреждение поверхности трения в виде широких и глубоких борозд в направлении скольжения. Задиры на стенках гильз цилиндров двигателей возникают при нарушении подвижности или разрушении поршневых колец.

- царапание - образование углублений на поверхности в направлении скольжения при воздействии выступов тела или твердых частиц;

- отслаивание - отделение с поверхности трения частиц материала в форме чешуек при усталостном изнашивании;

- выкрашивание - образование ямок на поверхности трения в результате отделения частиц материала при усталостном изнашивании;

- приработка (процесс) - процесс изменения геометрии поверхностей трения и физико-механических свойств поверхностных слоев материала в начальный период трения, обычно проявляющийся при постоянных внешних условиях в уменьшении силы трения, температуры и интенсивности изнашивания.

Для уменьшения интенсивности изнашивания и минимизации энергетических потерь в узлах трения, а также для обеспечения надежности и долговечности подвижных сопряжений двигателей предназначены смазочные материалы.

Смазочными материалами называются продукты органического и неорганического происхождения, которые вводят между поверхностями с целью уменьшения потерь на трение в этом сопряжении. Внешнее трение твердых тел отсутствует. Его заменяет внутреннее трение смазочной среды, составляющей слой, разделяющий эти тела.

Также часто встречаются дополнительные условия, такие как устойчивость к воде и химикатам, совместимость с пластиками или защита от коррозии.