Влияние режимов работы дизеля на параметры смазочного слоя подшипников поршневого пальца

Среди подшипников двигателя внутреннего сгорания условия работы подшипника поршневого пальца (бобышка поршня – палец и головка шатуна – палец) являются особенно неблагоприятными. Для этих подшипников характерно действие высоких удельных давлений (самых высоких среди всех подшипников двигателя) при относительно малых угловых скоростях шипа. Действующие нагрузки и угловые скорости пальца крайне неравномерны как по величине, так и по направлению. На температуру подшипников большое влияние оказывает тепловой поток со стороны камеры сгорания.

Несмотря на крайнюю неблагоприятность условий работы, гидродинамические процессы, происходящие в подшипниках поршневого пальца, остаются малоизученными. Одной из главных причин этого является необычайная сложность их экспериментального исследования.

В данной статье приводятся результаты экспериментального исследования гидродинамических параметров подшипников поршневого пальца высокофорсированного дизеля ЧВН 15/16 [1]. Измерения диаметральных зазоров, эксцентриситетов и угловых перемещений пальца (плавающего) производились с помощью индуктивных датчиков, давлений в смазочном слое – с помощью мембранных датчиков с малобазными тензорезисторами, температур поверхностей трения – с помощью хромель-копелевых термопар. Связь датчиков с измерительной аппаратурой осуществлялась непрерывно с использованием двух рычажных токосъемников: поршень – шатун и шатун – блок двигателя.

Исследование угловых перемещений пальца показало, что эти перемещения происходят главным образом в головке шатуна. В бобышке поршня проворачивания пальца происходят мелкими пульсациями (от 5 до 20° за цикл) и преимущественно в направлении вращения кривошипа. Указанные проворачивания носят практически случайный характер и являются следствием схватывания поверхностей трения в подшипнике головка шатуна – палец. Схватывания происходят только в нижней части указанного подшипника.

Диаметральные зазоры в исследуемых подшипниках из-за деформаций сопрягаемых деталей существенно изменяются в течение цикла (рис. 1). В головке шатуна наибольшие изменения диаметрального зазора происходят в период действия сил инерции на ее верхнюю часть. Изменения зазоров в вертикальной (А – А) и горизонтальной (Б – Б) плоскостях происходят противоположно, что свидетельствует об упругом характере деформаций. Монтаж пальца в подшипнике бобышка поршня – палец осуществлялся с натягом (0,020 мм). На исследованных режимах работы двигателя вместо указанного натяга имели место тепловые зазоры (рис. 2). В подшипнике головка шатуна – палец тепловые диаметральные зазоры от монтажного зазора (0,030 мм) отличались незначительно.

Рис. 1. Изменения диаметрального зазора в течение цикла: а – в подшипнике бобышка поршня – палец; б – в подшипнике головка шатуна – палец; Δ 0 – тепловой диаметральный зазор

(монтажный натяг — 20 мкм)

(монтажный зазор — 30 мкм)

Рис. 2. Зависимость тепловых диаметральных зазоров от режимов работы двигателя: а – в подшипнике бобышка поршня – палец; б – в подшипнике головка шатуна – палец

На рис. 3 представлены траектории центра пальца в относительных (χ) и абсолютных (мкм) единицах. Выходы траекторий за пределы указанных в виде окружностей тепловых зазоров объясняются деформациями сопрягаемых деталей. Траектории центра пальца в бобышке имеют четко выраженную, вытянутую вдоль продольной оси поршня форму. Боковые поверхности отверстия в бобышке под палец явно не нагружены. В головке шатуна траектории имеют две характерные формы: направленную вдоль продольной оси шатуна и наклоненную относительно этой оси в направлении вращения кривошипа. Указанный наклон объясняется действием динамического момента инерции шатуна. Боковые поверхности отверстия в головке шатуна на отдельных режимах работы двигателя нагружены.

N e ном

88°

0,5 1,0 χ

81°

0°

мк

N e ном

0°

77 ̊

0,5 1,0 χ

^~ 639

Рис. 3. Траектории центра пальца

Одной из главных задач данного исследования являлось определение толщины смазочного слоя в подшипниках. От толщины смазочного слоя зависит, как известно, режим трения в подшипнике. Проведенные исследования показали, что в подшипниках поршневого пальца имеют место два режима трения: жидкостный и полужидкостный (граничный), которые в течение цикла периодически сменяют друг друга и соизмеримы по продолжительности. В периоды действия наибольших газовых и наибольших инерционных сил трение в подшипниках полужидкостное (граничное). На прочих участках цикла трение в подшипниках жидкостное. В подшипнике головка шатуна – палец на частоте вращения двигателя 1700 об/мин полужидкостный (граничный) режим трения в течение цикла становится преобладающим (рис. 4). В процессе исследования было также установлено, что средние за цикл толщины смазочного слоя на исследованных режимах очень малы и равны примерно 2–3 мкм. На режимах с частотой вращения двигателя 1700 об/мин эти средние толщины практически равны нулю.

На рис. 5 представлены графики изменения давлений в смазочном слое подшипников в течение цикла. Приведенные результаты получены на непрогретом двигателе. На прогретом двигателе ни на одном из исследуемых режимов его работы гидродинамические давления в подшипниках обнаружены не были. Причиной этого является, зочного слоя. Полученные значения давлений центра пальца в подшипниках.

На рис. 6 представлены графики изменения ля. Из графиков следует, что температура масла влияющим на их несущую способность.

скорее всего, малость исследуемых толщин сма-достаточно полно согласуются с траекториями давлений в подшипниках при прогреве двигате-в подшипниках является важнейшим фактором,

Рис. 4. Изменение минимальной толщины смазочного слоя в течение цикла: а – в подшипнике бобышка поршня – палец; б – в подшипнике головка шатуна – палец

0 90 180 270 360 450 540 α°, п.к.в.

Рис. 5. Изменение давлений в смазочном слое подшипников в течение цикла (на непрогретом двигателе)

В исследуемых подшипниках температуры наиболее нагруженных зон (рис. 7) на номинальном режиме примерно на 20 °С выше, чем на режиме максимального крутящего момента. В зонах действия максимальных инерционных сил температуры на указанных режимах практически одинаковы. Исследования также показали, что в подшипнике головка шатуна – палец рост частоты вращения коленчатого вала приводит к значительно более интенсивному росту температур наиболее нагруженных зон, чем рост среднего эффективного давления за цикл.

n=1000 мин^-1; ρ е =0,2

ρ гд , t 1 =58°

t 1

t 3

ρ гд , МП₄а t 1 =68° ⁴ t 1 =92°

20 40

60 80 100 t 1 , °C

60 80 100 t 3 , °C

4 МПа

__L_ 0 t 3 =82° t³ 3 =58° ₄

ρ гд , МПа а)

20 40

ρ гд ,

б)

Рис. 6. Зависимость давлений в смазочном слое от температуры масла: а – в подшипнике бобышка поршня – палец; б – в подшипнике головка шатуна – палец

Приведенные результаты позволяют сделать вывод о том, что в исследованных подшипниках поршневого пальца на большинстве из режимов работы двигателя имеют место два периодически сменяющих друг друга и соизмеримых по продолжительности режима трения – жидкостный и полужидкостный (граничный). В подшипнике головка шатуна – палец с выходом двигателя на определенную высокую частоту вращения (в исследованном двигателе это 1700 об/мин) полужидкостный (граничный) режим трения становится преобладающим.

Рис. 7. Зависимость температур поверхностей трения от режимов работы двигателя: а – в подшипнике бобышка поршня – палец; б – в подшипнике головка шатуна – палец: t 1 , t 6 – температуры наиболее нагруженных зон