Оценка среднего расстояния между пятнами контакта в паре трения гильза цилиндра - поршневое кольцо двигателя внутреннего сгорания

УДК 621.43

ОЦЕНКА СРЕДНЕГО РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ ПЯТНАМИ КОНТАКТА В ПАРЕ ТРЕНИЯ ГИЛЬЗА ЦИЛИНДРА - ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

В. Г. Заренбин, д. т .н., проф.., Г. Г Карасев, .к .т. н., доц.

Ключевые слова: пятно контакта, среднее расстояние цилиндра, двигатель внутреннего сгорания.

Проблема. Известно, что среднее расстояние между пятнами контакта является одной из важнейших характеристик фактических пятен контакта и структуры фактической площади касания (ФПК) [1]. Знание этой характеристики необходимо для расчета температуры фактического контакта в условиях квазистационарного (повторно-кратковременного) режима трения.

Согласно литературным данным [2] к одному из лимитирующих факторов работоспособности двигателей внутреннего сгорания (ДВС) относится заедание поверхностей трения деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) ДВС. Поэтому изучение заедания этих деталей, в том числе и определение температуры на скользящем контакте с учетом особенностей и условий их работы, остается актуальным и превращается в одну из практических задач дальнейшего развития современного двигателестроения.

Обычно при решении тепловой задачи трения в ДВС рассматривается движение единичной неровности шероховатого твердого тела по гладкому полупространству, т.е. без учета циклического воздействия по стороны неровности контртела [3,4]. Избежать подобного упрощения и уточнить существующие методы расчета контактных температур в ДВС можно, если применить модель множественного контакта микровыступов, основу которой составляют циклы нагружения неровности, характеризуемые промежутками времени между двумя последовательными контактами, т.е. отношением среднего расстояния между неровностями к скорости скольжения.

Однако сведения по средним и относительным средним расстояниям между неровностями в трибосопряжениях ДВС практически отсутствуют.

Цель работы. Оценить среднее и относительное среднее расстояние между пятнами контакта в паре трения гильза цилиндра (ГЦ) - поршневое кольцо (ПК) ДВС и степень влияния на них различных факторов.

Основной материал. Для последующих расчетов представляет интерес оценить влияние шероховатости поверхности ГЦ на характер деформаций неровностей ГЦ и ПК. При пластической деформации микро неровностей [5]

1

а = Я„ (Р,/(НБ гц • впкАс ,

где:

а - максимальное сближение, Ятах,пк - максимальная высота неровностей ПК; НВгц -твердость по Бринеллю материала ГЦ, рг - номинальное давление на контакте; Ас -

относительная контурная площадь; ппк, впк - коэффициент опорной кривой ПК.

Условие, при котором поверхность ГЦ может быть принята за гладкую, представляется в

виде: Ятах,гц < а , где Ятах, гц - максимальная высота неровностей ГЦ. Полагая ппк = 1.6; в = 2.16; НВгц= 0,41010 Па, р = 35 105 Па, Ас = 0,1 [3] найдем:

^тах , гц / ^тах, пк < 0,03 .

Поскольку на практике полученное соотношение между Ятах, гц и Ятах, пк может не выполняться, то в приведенных ниже расчетах учитывалась шероховатость обеих сопряженных поверхностей.

В этом случае среднее расстояние между контактами 5 можно определить по формулам работы [1], которые после преобразования примут вид:

для упругого контакта:

5 =

л/2 к  г  А2

-V

к V

рс в

для пластического контакта

5 = -

л/4К

А0

0,5

^ Р / )

у-1 2у

где:

Я,

Л _ " ~тах

— 1 / у - комплексная характеристика шероховатостей ГЦ и ПК;

в

Г  в

1 -т

Е

2

- упругая постоянная материалов ГЦ и ПК, в = вгц + впк ;

г  г

гц пк

Г + Г

гц пк

- приведенный радиус закругления вершин неровностей ГЦ и ПК;

К-тах = К-тах, гц + К-тах, пк - наибольшая высота неровностей профиля ГЦ и ПК;

V = V + V

гц пк

и

в = ку  в  в

гц пк

Я V + Я V

тах, гг ггц тах, пк п

- параметры опорной кривой для случая контакта гладкой и шероховатой поверхностей;

Г V )  Г

kv

V  V

гц пк

V + V

гц пк

Г

1 .¡V

V -1

2V+ 1

г

V

1

1

Г (V) - числовые коэффициенты, выраженные через гамма-функции;

Vгц, вгц - параметры опорной кривой для ГЦ; рс - контурное давление, т - коэффициент Пуассона, Е - модуль упругости.

Для расчета температуры фактического контакта необходимо также знать значение отношения среднего расстояния между пятнами контакта 5 к среднему диаметру пятна контакта , т.е.

5 = 5 /

Подставляя известные выражения для [1] при упругом контакте

2л[К ку

1

А рсв

2v +1

при пластическом контакте

в формулу (3) найдем: при упругом контакте

ср

2уГ2Г

*П

А0" (Рс/НВ гц

5 =

42К А

4у + 2

2л/К ку

Рс в

2у + 1

V

V

2

при пластическом контакте

_ _ 42Р

S _ 2(рс / НВц Г

На рис. 1-3 представлены зависимости среднего расстояния между пятнами контакта s, относительного среднего расстояния s и отношения s/r при Егц=11104 МПа, Еш=21'104 МПа, Цгц = тпк = 0,23; r = 14210-6 м от комплексной характеристики шероховатостей А и относительной контурной площади Ac _Ac /A (Ан - номинальная площадь контакта).

При упругой деформации в зоне фактических контактов микронеровностей и Ac =0,9 увеличение А от 110-3 до 1210-3 приводит к возрастанию s от 2810-6 до 14510-6м

s,м

410-4

4

1 3

:

1 2

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 0.011 Д

Рис. 1. Зависимости среднего расстояния между пятнами контакта s от комплексной характеристики шероховатости Д при различных значениях

относительной контурной площади Ac, параметра пи видах деформирования: 1 - Ac =0,9; У = 3,6; 2 - Ac =0,1; У=3,6; 3 - Ac =0,1; У=4,4

s 18 16 14

0.012 А

Рис. 2. Зависимости относительного среднего расстояния между пятнами контакта ^ от комплексной характеристики шероховатости Д при различных значениях относительной контурной площади Лс , параметра Уи упругом деформировании: 1 - A =0,9; п=3,6; 2 - A =0,1; У=3,6; 3 - A =0,9

-4

5'10

-4

310

-4

210

-4

110

0

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

s/r

Рис. 3. Зависимости отношения s/r от комплексной характеристики шероховатости Л при различных значениях относительной контурной площади Ac, параметра V и упругом деформировании:: 1 - Ac =0,9; V=3,6; 2 - Ac =0,1 ; V=3,6 ; 3 - Ac =0,9 ; V=4,4

т.е. почти в 5 раз (рис.1, кривая 1), при этом jизменяется от 11 до 19 (1,7 раза), а s/r от 0,2 до 1 - в 5 раз (рис. 2.3, кривая 1).

При пластическом контакте s существенно увеличивается и может достигать значения 424 10-6м (рис.1, кривая 4 ).

Изменения A от 0,1 до 0,9 при заданном Л заметно влияют на s, s и отношение s/r , причем чем больше Л, тем оно сильнее. Так, при Л=1210-3 уменьшение Ac от 0,9 до 0,1 приводит к снижению s и s/r в 2 , а s - в 2,б раза (кривые 1 и 2).

Изменение параметра опорной кривой V от 3,6 до 4,4 при заданных значениях Л и Ac слабо влияет на значения и характер изменения этих величин (кривые 1 и 3).

Расчеты показывают, что при контакте шероховатых поверхностей, когда величина A

остается постоянной, происходит возрастание фактического давления на контакте и снижение числа пятен касания, т.е. увеличение среднего расстояния между пятнами контактов.

Следует отметить, что в реальных условиях контактирования, например, в процессе обкатки ДВС, изменение Л обусловлено изменениями Ac и другими взаимосвязанными

параметрами шероховатостей. При этом, как видно из приведенных выше зависимостей, возможно как увеличение, так и уменьшение или сохранение величины s, которая в конечном итоге будет определяться значением равновесной шероховатости.

Рассмотрим контакт шероховатых поверхностей ГЦ и ПК быстроходного дизеля при работе его на номинальном режиме. Примем следующие исходные данные [3 ]: R^, гц = 1,4410-6 м, Rmax, пк =1,б10-6 м, гпк = 270 10-6 м, V^ = 2, ипк=1,6, вгц = 2,37, впк = 2,16. ~AC = 0.9.

За наиболее вероятную зону граничной смазки допускаем 350...390 градусов поворота коленчатого вала двигателя.

Согласно приведенным выше формулам расчетные значения V = 3,6; в = 13,6; Rmax = 3,0410- м; r =14210- м , kv = 0,214; Л = 1010-3. Подставляя эти значения в формулы (1), (3), (6) для упругого контакта получим s = 13110-6 м ; s = 18

В справочнике [ 6 ] для расчета среднего расстояния между пятнами контакта широко распространенных шероховатых поверхностей при упругом контакте рекомендуется такая формула:

s = 0,57(11 • r  Ra)0'5 (pr /pc )0,33,

где рг - фактическое давление.

В нашем случае рг = 10108 Па, принимая Ra =0,2510-6м [ 3 ] найдем s=11610-6 м, т.е. разница в оценке s составит около 14%.

Зная среднее расстояние между двумя последовательными контактами неровностей в рассматриваемом примере, можно осуществить оценку его влияния на температуру фактического контакта в условиях повторно-кратковременного режима трения при граничной смазке.

Выводы. 1. Получены зависимости среднего и относительного среднего расстояния между пятнами контакта от комплексной характеристики шероховатости поверхностей при различных видах деформаций и условиях трения деталей двигателя внутреннего сгорания.

2. Дан пример расчета среднего и относительного среднего расстояния для пары трения гильзы цилиндра-поршневое кольцо быстроходного дизеля.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977. - 526с.

2. Конструирование двигателей внутреннего сгорания. Под ред. Н.Д.Чайнова. - М.: Машиностроение , 2008. - 496 с.

3. Большаков В.В., Красников В.Н., Новенников А.Л. и др. Некоторые особенности работы компрессионных поршневых колец быстроходного автотракторного дизеля. Меж вузовский сб.научных трудов. ДВС. - Ярославль, ЯПИ, 1975. - с.3-11.

4. Заренбин В.Г. К расчету контактных температур при трении деталей двигателей внутреннего сгорания. // Вюник Придшпровсько! державно! академп бущвництва та архггектури. - Дшпропетровськ: ПДАБАтаА. - 2009. №1 - с.11-14

5. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. - М.: Наука, 1970. - 227 с.

6. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. В 2-х кн.. / Под ред.. И.В.Крагельского, В.В.Алисина. - М.: Машиностроение, 1978. - Кн..1. 1978, - 400с.

УДК 621.43

Оценка среднего расстояния между пятнами контакта в паре трения гильза цилиндра - поршневое кольцо двигателя внутреннего сгорания. / В. Г. Заренбин, Г. Г. Карасев. // Вкник ПридншровськоТ державноТ академп будiвництва та арх^ектури. - Дншропетровськ: ПДАБтаА, 2010. - № с. - рис. 3. - Бiблiогр.:

Получены зависимости среднего и относительного среднего расстояния между пятнами контакта от комплексной характеристики шероховатости поверхностей при различных видах деформаций и условиях трения деталей двигателя внутреннего сгорания. Дан пример расчета среднего и относительного среднего расстояния для пары трения гильзы цилиндра-поршневое кольцо быстроходного дизеля.

Ключевые слова: пятно контакта, среднее расстояние цилиндра, двигатель внутреннего сгорания.

Оцшка середньоТ вщсташ мiж плямами контакту в парi тертя гшьза цилшдра -поршневе кшьце двигуна внутршнього згоряння . / В. Г. Заренбш, Г. Г .Карасьов. // Вкник ПридншровськоТ державноТ академп бущвництва та арх^ектури. -Дншропетровськ: ПДАБтаА, 2010. - № с. - рис. 3. - Бiблiогр.:

Отримано залежност середньо! й вщносно! середньо! вщсташ мiж плямами контакту вщ комплексно! характеристики шорсткостi поверхонь при рiзних видах деформацiй i умовах тертя деталей двигуна внутршнього згоряння. Дано приклад розрахунку середньо! й вщносно! середньо! вщсташ для пари тертя гшьзи цилiндра-поршневе кiльце швидкохщного дизеля.

KMWHoei слова: пляма контакту, середня в1дстань цилшдра, двигун внутр1шнього згоряння.

Evaluation of average distance between the spots of contact in a friction pair of cylinder -piston ring of internal combustion engine. / Zarenbin V. G., Karasion G. G. // Bulletin of the Pridneprovsk State Academy of Building and Architecture. Dnipropetrovsk: PSABA, 2009/ - -s, Fiq.3 - Bibliog.:

The dependences of average and relative average distance between the spots of contact from complex characteristic of rubbing surfaces at different types of deformation and in conditions of internal combustion engine details friction were obtained.

There was given the example of the calenlation of average and relative average distances for the friction pair of cylinder-piston ring in high diesel engine.

Key words: contact patch, the average distance of the cylinder internal combustion engine.