FAC. DE INGINERIE MECANICA
Cat. de Autovehicule şi Motoare
PROIECT
LA SOLUTII NOI LA MOTOARELE CU
ARDERE INTERNA
SNMAI
Tema: Solutii pentru reducerea frecarii
dintre componentele mecanismului
motor:segmenti-piston-cilindru
Capitolul I
Odată cu evoluţia tehnică, construcţia şi geometria segmenţilor,
cilindrului şi a pistonului, împreună cu materialele din care sunt
confecţionate acestea precum şi tehnologiile aferente, s-au perfecţionat
continuu.
Motoarele moderne sunt mai puţin poluante, lucrează la temperaturi
şi presiuni mai mari şi, mai ales, sunt mult mai durabile. Singurul lucru
care nu s-a schimbat este funcţia de bază a segmenţilor. Şi în prezent
aceştia sunt cei care asigură o comprimare corespunzătoare, reduc efortul
termic al pistonului, contribuind la evacuarea unei importante părţi a
căldurii preluată de acesta, împiedică pătrunderea gazelor în carter şi
controlează ungerea ansamblului, realizând împreună cu cilindrul o cuplă
de frecare de clasa a III-a care asigură în acelaşi timp ghidarea ansamblului
piston în mişcarea sa alternativă.
CAPITOLUL II
UZAREA SI EFECTELE EI
Uzarea este procesul fizic (a uza-uzare), iar uzura este produsul,
rezultatul uzarii. Suprafata pieselor mecanice, indiferent de procesul de
prelucrare si finisare, prezinta numeroase asperitati, care devin vizibile sub
microscop. Cand doua asemenea suprafete A si B aluneca una spre cealalta
, asperitatile lor vin in contact unele cu altele, ducand la incalzirea si la
aparitia fenomenului de uzare.
La interpunerea unui lubrifiant intre cele doua suprafete, ele pot fi
mentinute la o anumita distanta, dar, datorita sarcinilor si vitezelor lor
variate, unele din asperitati pot ajunge in contact direct.
Metalele, cu exceptia celor ce lucreaza in vid sau in atmosfera de gaz
inert, se acopera cu un strat subtire de oxid, care contribuie la reducerea
uzarii. Daca tangenta a doua asperitati aflate in contact direct este mai mica
de 1 grad, apar deformatii plastic. Stratul de oxid poate fi inlaturat in acest
caz, dar se reface imediat impiedicand astfel aparitia uzarii. In acest caz,
stratul de oxid actioneaza la inceput ca un film de EP (extreme pressure).
Daca insa panta asperitatilor in contact depaseste 1 grad si asperitatile sunt
bine reliefate, ele vor intra in coliziune, vor distruge filmul de oxid, se vor
suda instantaneu intre ele si apoi se vor rupe. Este putin probabil ca ruptura
asperitatilor sa aiba loc de-a latul sudurii, atata timp cat majoritatea
metalelor sunt mai putin rezistente decat sudura. De aceea, particulele de
metal se desprind de pe una din suprafete, adaugandu-se celeilalte. Acest
fenomen mareste efectiv asperitatile celor doua suprafete care vor intra
ulterior in contact si vor provoca noi ruperi. Prin indepartarea succesiva a
metalului de pe suprafata pieselor in contact apare uzura. In cazurile
extreme de coliziune a asperitatilor si de degajare de caldura poate sa apara
distrugerea celor doua suprafete. In conditiile unei ungeri hidrodinamice,
grosimea normala a filmului de ulei este cuprinsa intre 0,01 si 0,0001 mm.
Filmul de ulei poate avea grosimea de 10-6 mm in cazul suprafetelor bine
finisate, cum sunt cele ale rotilor dintate sau ale lagarelor de rostogolire.
Grosimea stratului de oxid la cele mai multe suprafete din otel ale lagarelor
de rostogolire este de aproximativ 10-8 mm.
Ungerea lagarelor de alunecare, a lagarelor de rostogolire si a
angrenajelor care efectueaza miscare de rotatie, precum si a pistoanelor si
cilindrilor in miscare de translatie, pune problem deosebite.
Cauzele uzarii
Uzarea pieselor metalice se datoreaza, in special, proceselor de coroziune,
de abraziune si de adeziune. La uzura unor piese, cum sunt cuzinetii
camele si tachetii motoarelor sau angrenajelor, poate interveni fenomenul
de oboseala.
Uzarea corosiva
Uzarea corosiva constituie cauza principala a uzurii motoarelor, in special
a celor care folosesc combustibili cu continut mare de sulf. Uzarea cea mai
grava se datoreaza coroziunii de tip umed, cand este prezenta apa. Apa
provine din sistemul respectiv in faza dispersata (cum este cea condensata
din gazele de ardere scapate in carter) sau din umezeala atmosferica.
Coroziunea care apare in aceste cazuri este de natura electrochimica si
consta in formarea unor pile galvanice pe suprafata metalelor .
CAPITOLUL III
Solicitarile segmentilor
Alaturi de solicitarile mecanice produse de reactiunile elastice din segment, acesta mai este supus la insemnate solicitari termice. Dintre toti
segmentii, cel superior (dinspre pmi) are nivelul termic cel mai ridicat,
deoarece vine in contact cu gazele fierbinti si cu portiunea cea mai calda a
pistonului. De aceea, el este numit si segmentul de foc.
Temperatura segmentului variaza radial, avand valoarea minima pe
suprafata de contact, pe directia axiala temperatura segmentului fiind
practic constanta. Urmarind deplasarea fluxului termic prin segment (fig
1), se observa ca un rol deosebit il joaca suprafetele de contact
ale segmentului si deci, variatia convenabila a
caldurii evacuate din piston se obtine modificand
cele doua dimensiuni principale ale segmentului,
a si h.
Procesul de uzura a segmentului are trei
aspecte fundamentale:
a) uzura adevarata sau de contact;
b) uzura abraziva; Figura 1
c) uzura coroziva.
Cazurile de uzura prin oboseala sunt foarte rare.
Fata de pozitia optima a segmentului in canal (fig 2 a), se pot ivi abateri de provocate de dezaxarea pistonului in
cilindru datorita jocurilor (fig. 2 b si c), de inclinarea flancurilor canalului fata de planul normal de la axa
cilindrului (fig.2. d),
Fig. 2.
de dilatarea sau uzarea cilindrului (fig. 33. e) sau de toate acestea la un loc. Deformarea segmentului si uzura lui
(fig. 33. f si g) impiedica, de asemenea, contactul perfect pe suprafata de lucru. Se intelege ca asemenea abateri,
micsorand suprafata de contact, reduc si eficienta etansarii.
Materiale de fabricatie
Materialul pentru segmenti trebuie sa posede urmatoarele proprietati:
a) calitati bune de alunecare, pentru a atenua pierderile mecanice
in conditiile frecarii semifluide si pentru a preveni gripajul;
b) duritate ridicata, pentru a prelua sarcinile mari de contact si
pentru a rezista la uzura coroziva si abraziva;
c) rezistenta la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor
chimice si electrochimice;
d) rezistenta mecanica la temperaturi relativ mari, pentru a realiza
un segment usor, de dimensiuni reduse;
e) modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari,
invariabil in timp, pentru a preveni vibratiile;
f) calitati bune de adaptabilitate rapida la forma cilindrului.
Nu exista materiale care sa satisfaca simultan cerintele enumerate.
Otelul este impropriu, intrucat nu poseda calitati satisfacatoare de
alunecare, fiind folosit doar cand sunt necesare rezistente mecanice sporite.
Cel mai des intalniti sunt segmentii din fonta. Fonta trebuie sa contina, ca
orice material antifrictiune, doua faze: o faza dura, cu rezistenta mecanica
inalta, pentru a prelua sarcinile de contact si o faza moale, cu rezistenta
mica la deformatia plastica, ceea ce asigura proprietatea antigripanta a
materialului. Fonta pentru segmenti care satisface bine cerintele unui
material antifrictiune este fonta cenusie perlitica, cu grafit lamelar.
Segmentii sunt realizati din fonta, prin turnare sau din banda de otel
prin stantare. Unii segmenti din fonta se cromeaza poros la exterior pentru
a le creste rezistenta la uzura si pentru a retine în porozitati ulei pentru
ungere. O caracteristica foarte importanta a materialelor pentru segmenti
este elasticitatea.
În timpul exploatarii segmentii se uzeaza, îsi pierd elasticitatea, se
pot bloca în canalul portsegment sau se pot rupe. Toate acestea compromit
mai mult sau mai putin etansarea precum si celelalte functii ale segmentilor
si se manifesta prin: pierderi de putere a motorului, consum ridicat de ulei,
fum albastru la esapament, ancrasarea bujiilor, cocsarea injectoarelor,
acoperirea cu calamina a peretilor camerei de ardere, zgârierea oglinzii
cilindrilor, zgomote si vibratii...
Materialele utilizate sunt fonta cenuşie cu structura perlitică (faza
dură) şi grafit lamelar distribuit uniform, în special datorită proprietăţilor
antifricţiune bune, şi fonta cu grafit nodular, care are proprietăţi mecanice
mai bune în defavoarea celor antifricţiune. În scopul măririi rezistenţei la
uzură şi la coroziune şi a îmbunătăţirii adaptabilităţii pe oglinda cilindrului,
la segmenţi se practică aplicarea unor acoperiri de suprafaţă, cum ar fi
fosfatarea şi feroxidarea, cositorirea şi plumbuirea, cromarea poroasă,
acoperirile cu molibden, etc.
În timpul functionarii pistonul este supus la diverse solicitari datorate
conditiilor de presiune si temperatura din motor. Fortele care actioneaza
asupre lui determina cresterea frecarilor dintre piston si cilindru. Trebuie
stiut ca aceasta cupla de frecare (piston - cilindru) prezinta carente, uneori
mari, de ungere. În partea superioara a cursei pistonului ungerea este
aproape compromisa deoarece uleiul de pe peretele cilindrului este ars la
fiecare ciclu motor. Tot în acea zona cantitatea de ulei este mica iar
presiunile sunt cele mai mari. Ca urmare lucrul mecanic de frecare este
destul de mare si determina uzuri însemnate. Se cauta diverse metode de a
reduce frecarea si pentru mentinerea unei pelicule de ulei pe peretele
cilindrului. Astfel s-au realizat pistoane din materiale din ce în ce mai
bune, plecând de la pistoanele din fonta apoi cele din aluminiu, la cele
ceramice sau alte materiale compozite. si uleiurile de motor au evoluat în
ultima vreme. S-a ajuns de la uleiurile minerale neaditivate (monograde) la
uleiuri minerale aditivate, la aditivi care realizeaza pelicule persistente pe
peretii cilindrului si pâna la uleiurile sintetice actuale cu performante foarte
ridicate.
CAPITOLUL IV
SOLUTII NOI
Fosfatarea segmentilor de piston
Aceastã acoperire superficialã de culoare neagrã este în concordantã cu
cerinþele impuse motorului, pentru toate tipurile de segmenti din otel sau
fontã. Desi stratul de acoperire este foarte subtire (câtiva microni) acesta
oferã urmãtoarele avantaje:
- protejeazã segmentul împotriva arderii;
- reduce frecarea dintre piston si cilindru datoritã proprietãtilor lubrifiante;
- reduce uzura pe suprafatã si profil, în special pentru fonta cu grafit
nodular ;
- imbunãtãteste alunecarea pistonului în primele câteva ore de utilizare (la
rodaj);
- imbunãtãteste etansarea segmentilor la compresoarele de aer.
Informatii generale privind montajul segmentilor:
Calitatea si înalta precizie a segmentilor de acest tip” asigurã succesul
reparãrii motoarelor.”
Cilindrul nu trebuie sã fie uzat peste urmãtoarelor limite:
- 0,10 mm pentru diametre pânã la 80mm
- 0,15 mm pentru diametre de la 80,01 la 100mm
- 0,20 mm pentru diametre peste 100,01mm
Conditiile de suprafata ale cilindrului trebuiesc corectate dacã este necesar.
Ca regulã generalã nu trebuie sã existe nici un risc care sãafecteze
functionarea normalã a segmentilor. Dacã este zgâriat nu trebuie folosit.
Recomandãrile producatorului autovehiculului trebuie urmate si respectate
cu strictete.
SEGMENTI LKZ
Producatorul de componente auto Federal Mogul a lansat segmentul de
motor LKZ din gama Goetze, pentru ungerea motorului, care reduce
consumul de ulei cu pana la 50% comparativ cu segmentii conventionali,
frecarea fiind si ea redusa cu 15%.
Conceput pentru motoare echipate cu tehnologie LKZ de la bun inceput,
segmentul asigura o tensiune scazuta care permite reducerea frecarii dintre
perete (camasa) si segment. Acest fapt imbunatateste nu doar consumul de
combustibil, dar si performanta si durata de viata a masinii.
Impactul noului tip de segment Goetze pe piata pieselor de schimb a fost
recent recunoscut in cadrul premiilor Automotive News PACE Awards,
fiind premiat la categoria produse inovative .
Durabilitatea noului segment Goetze LKZ si performanta acestuia a fost
dovedita pe motoare diesel testate o perioada lunga de timp, iar acum
segmentul este introdus ca echipament standard la mai multe motoare pe
benzina ale constructorilor de vehicule.
Pe masura ce motoarele cu injectie directa devin mai comune, segmentii
de piston LKZ ajung sa joace un rol tot mai important pe piata pieselor de
schimb pentru prim montaj (OE).
Noua tehnologie consta in designul deosebit al suprafetelor de sprijin ale
segmentului, in trepte si tesite in zona muchiei de contact.
Spre deosebire de segmentii conventionali, tehnologia LKZ asigura mai
putina rezistenta cand pistonul este in cursa de compresie, reducand
pierderile prin pompare. Acest mecanism reduce pierderile generate de
frecare si readuce uleiul in baia de ulei intr-o maniera eficienta.
In functie de nivelul de uzura acceptat de catre producatorii de motoare,
segmentii LKZ utilizeaza o varietate de tratamente de suprafata. Printre
acestea sunt si tratamentele CKS (acoperire ceramica cromata) si GDC
(Goetze Diamond Coating), care protejeaza periferia inelului impotriva
frecarii, minimizand uzura si permitand segmentului de ungere sa
functioneze corect pe intreaga durata de viata a motorului.
Figura 3. Diferenta dintre segement conventional si cel LKZ
Figura 4 Segment LKZ
DLC
Nissan a redus substantial frecarea intre piesele motorului dezvoltand
prima tehnologie la nivel mondial care combina un lac pe baza de carbon
fara hidrogen asemanator cu diamantul cu un ulei special.
1 DLC (diamond like carbon): o pelicula tare din carbon care proprietati
similare cu diamantul. Are o rezistenta abraziva superioara si un coeficient
de frecare scazut.
Datorita frecarii care are loc intre sutele de piese care formeaza un motor
se pierde energie. Aceasta tehnologie cu frecare ultra-scazuta foloseste
nano-tehnologia pentru a reduce frecarea. Ea reduce frecarea cu
aproximativ 40% comparativ cu motoarele conventionale, formand o
pelicula cu frecare ultra-scazutade grosime nanometrica deasupra stratului
fara hidrogen asemanator diamantului.
Cum functioneaza
Utilizarea unui strat asemanator cu diamantul fara hidrogen imbunatateste
legatura cu uleiul de motor, rezultand in formarea unei pelicule ferme, cu
frecare ultra-scazuta, atunci cand se adauga aditivi de ulei speciali. Este
acum posibil sa se reduca frecarea totala a motorului cu 25% prin aplicarea
tehnologiei la fusta de piston, bolt si supape.
Tehnologia aceasta este disponibila pe modele cum ar fi Nissan 350Z
Figura5: NISSAN 350Z
Figura6: COMPONENTE DLC(pistoane, segmenti, bolt)