CC BY
44
Mr Zoran Gredin, pukovntk, dipt. inž. Tehniiki opitni cental KoV.
Beograd
MEHANIČKIGUBICI IMEHANIZAM TRENJA U MOTORIMA SUS
UDC: 621.434:531.43
Rezime:
Savremene konstrukeije motora SUS treba da zadovolje sahtev za та!и potrošnju gori-va i ulja za podmazivanje. pre svega zbog ekoloikih a zatim i energelskih i ekonomskih razlo• ga. Poito se pretpostavlja da će konvencionalni motori SUSJoS dugo dominirati kao pogon-ski agregati, raznim konstrukeionim merama pristupa se smanjenju poiroinje goriva, a time i smanjenju izduvne emisije. Pre svega, radi se о optimizaeiji radnog ciklusa. primeni varija-bilnog stepena sabijanja. primeni varijabilnog razvoda radne materije, boljim sprezanjem sa gasnim mašinama, itd. Znaćajan poteneijal za povećanje ekonomićnosti rada motora jeste и smanjenju mehanićkih gubitaka. Najveći udeo и mehaničkim gubicima predstavlja trenje po-kretnih delova motora, pre svega delova klipno-cilindarskog sklopa. Zbog toga se posebna painja posvećuje izućavanju mehanizma trenja, koji je inaće veoma sloien.
Kljufne reći: motor SUS. mehanički gubici, raspodela gubitaka.
MECHANICAL LOSSES AND THE PRINCIPLE OF FRICTION IN IC ENGINES
Summary:
One of demands for modem designed IC engines is low fuel and lubricant consumption because of reasons concerning ecology as well as energy and economy. The sumption is that conventional IC engines will be the first choice as a power source for numerous applications in the future. Therefore, many changes and improvements in design need to be done for further decrease of fuel consumption followed by the decrease of exhaust emission. First of all, there is the optimisation of the working cycle, the application of variable compression, the aplication of variable valve control, better couplina with gas machines, etc. Significant potential for efficiency improvement of IC engines is in reducing mechanical losses. Mechanical losses in IC engines are caused mostly by friction between the mobile parts of the engine (piston-cylinder assembly). Therefore, continual attention to the research process of studyng friction problemys vvt>uld be necessary.
Key words: IC engine, mechanical losses, distribution of losses, engine tribology,'.
Uvod
Za poslednjih 25 godina snaga auto mobilskih motora povećana je 100%, dok je emisija gasova smanjena 10 puta,
a potrošnja goriva dva puta. Savremeni motori su manji, rade sa siromaSnijom smeSom, imaju promenljivi stepen kom-prcsije, radne temperature su vise, a koli-čina ulja u koritu motora sve manja. Ve-
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2003
29
liki broj motora nove gcneracije su sa natpunjenjem (naročito dizelmotori), sa četiri ili pet ventila po cilindru koji obez-beduju kvalitetnije radne procese, ali su im i radne temperature viSe.
Proizvodači motora i motomih vozi-la će i nadalje nastojati da postignu što veće iskori&enje encrgijc i smanjenje emisije izduvnih gasova, uz zadovoljenje potreba krajnjih korisnika. Evropske pro-izvodačc, izmedu ostalog, na to obavezu-ju i propisi EURO.
Veća ekonomičnost i smanjena emi-sija savremenih motomih vozila ne može da se ostvari samo odvojenim intervenci-jama konstruktora na vozilu ili motoru. U ovakvom pristupu postoji potreba za ko-rišćenjem vrhunskih znanja iz širokog kruga naučnih i tehničkih disciplina.
Poboljšanje efektivnog stepena kori-snosti kod savremenih motora postižc se,
pored ostalog, optimizaeijom radnog ci-klusa, primenom varijafcitnog stepena sa-bijanja, varijabilnog razvoda, boljim sprezanjem sa gasnim maSinama, ali i smanjenjem mehaničkih gubitaka.
Vrste gubitaka u motoru
Mehanički gubici u motoru, koji se dcfinišu kao razlika izmedu indicirane snage (dobija se delovanjem radne mate-rije na klip) i cfektivne snage (izmerena kao izlaz na kolenastom vratilu) važan su faktor za odredivanje performansi motora i stepena korisnosti (slika 1).
Gubici usled trenja u motoru defini-šu se kao gubici usled relativnog kretanja izmedu čvrstih površina u motoru, tj. kretanja izmedu klipa i zida cilindra ili izmedu mkavaca kolenastog vratila i le-žajeva. Relativno kretanje ne znači da se
SI. / - Gubici и motoru
30
VOJNOTEHNlCKlGI-ASNlK 1/2003.
obavczno radi о tome da su dva čvrsta tela u kontaktu jedno sa drugim. Činjenica je da, u opštem slučaju, postoji uljni film između površina.
Gubici usled pogona pomodnih ure-daja obuhvataju i gubitke trenja i pump-ne gubitke na samim pomoćnim uredaji-ma. Pomoćni uredaji su:
- pumpa za ulje;
- pumpa za tečnost u sistemu hla-denja;
- generator;
- sistem za napajanje gorivom (pumpa visokog i niskog pritiska);
- razvodnik paljenja kod oto motora;
- mchanički napojni kompresor (dvotaktni i natpunjeni moton).
Gubici usled aerodinamičkih otpora krctanja delova motora nastaju usled aero-dinamičkih otpora pri kretanju klipa, klip-njače, kolenastog vratila i ostalih delova u kućištu motora. Ovi gubici su u odnosu na ostale gubitke rclativno mali i iznose od 2% do 3% ukupnih mehaničkih gubitaka, i najčcšće se zanemaruju [1].
Pumpni gubici definišu se kao zbir-ni gubici kretanja fluida kroz cilindar i gubici koji nastaju pri usisavanju i izdu-vavanju. Gubici pri usisavanju i izduva-vanju jesu rezultat proticanja fluida kroz usisni sistem, usisne vcntile, izduvnc ventile i izduvni sistem. Dodatni pumpni gubitak usled turbulentnog rasipanja ulja iz hidrodinamičkih ležajeva kolenastog vratila uključen je u gubitke do kojih do-lazi pri trenju na kolenastom vratilu.
Pumpni gubici (gubici protoka za vreme usisavanja i izduvavanja u usisnim i izduvnim kolektorima motora i ventili-ma) ne pripadaju mehaničkim gubicima,
ali ih je teško razdvojiti od njih u toku eksperimenta, tako da se često razmatra-ju kao deo mehaničkih gubitaka, što nije korektno. Oni sa mehaničkim gubicima čine „gubitke pogona motora4* [21. Ovaj termin je odabran, јег se mehanički gubici ekspcrimentalno odreduju najčeSće metodom spoljnjeg pogona motora (mc-todom vučcnja).1
Globalno uzevši, najveći gubici nastaju pri trenju, ali znatan udeo u gubicima čini utrošak snage na pogon pomoć-nih uredaja motora. U svakom slučaju, različiti faktori utiču na veličinu meha-ničkih gubitaka u motoru, a svi se mogu svrstati u tri grupe [3], kao što jc prikaza-no na slici 2.
Raspodela mchaničkih gubitaka
po komponentama motora
Na slici 3 prikazane su prosečnc vrednosti raspodele energije za tri različi-ta četvorocilindrična oto motora radne zapremine 2 1 na 5000 min*1 i pri punom opterećenju. Kružni dijagram na levoj strani pokazuje da se na osnovu 100% ulazne energije dobija 28,5% cfektivnc snage na kočnici, 9,8% energije se ubraja u gubitke pogona, a ostatak su toplotni gubici [4]. Kružni dijagram na desnoj strani pokazuje da od 100% gubitaka na pogon, 11% otpada na kolcnasto vratiio, 14,5% se pripisuje klipovima i klipnjača-ma, a 9% se odnosi na klipne prstenove. U trenju klipova sa klipnjačama lctcći lc-žajevi učcstvuju sa око 50% i isto toliko
1 Motor SUS pokrcćc se ipoljnim pogonom (naj£cš(e eldctromotoroin), pod uslovima S;o pribli^nijim uslovima pn sagorevanju. a potrebna snaga /л x>kretanje пкмога мпмга sc snagom gubitaka pod uslovima sagorevanja. Radi dobijan)a uCeSda pojcdinih komponenata ko'isti sc progresivno sktdan>c delova motora (strip-postupak).
VOJNOTEHNlCKl GLASNIK 1/2003.
31
klipovi. Ostatak predstavljaju gubici usled izmene gasova i pogona pomodnih uredaja, kao što su pumpe za ulje, vodu, itd. Može se zaključiti da klip i klipni pr-stenovi učestvuju u ukupnim gubicima pogona sa 16% ili 1,6% od ulazne ener-gije [41.
Zbog zakonske regulative u vezi s emisijom gasova, razvoj motora nije fo-
kusiran na rad pri punom opteredenju, nego pri parcijalnim rcžimima. Na slici 4 prikazana je raspodela energije u jednom od ovih motora, pri delimičnom optere-ćenju na 2000 min*1 i efektivnoj snazi od 5 kW, §to korespondira upotrebi sa ogra-nidenjima gradske vožnje [4]. Potrebna ulazna energija je približno 35 kW, od kojih se 26 kW i oko 4 kW gube na neis-
32
VOJNOTEHNlCKIGLASNIK 1/2003.
oto motor: Vk*1900 (cm*). n=2000 (min '). P.=5(kWj, bes585 (g/kWh)
100% energije goriva 35 [kW]
klipnjaCa*osovimca 0,09 [kW] klip 0,1? IkW}______________
toplotni gubici 26 [kW) J
toptotnaenegajia ^ , ođvedena sfetemornnlađenja J S 1 1
toplQtnaenergiia odvedena izduvmm gasovima J
toplotna energija izgubljena zraćenjem
klipni prstenovi 0.73 [kW]
SI. 4 - Raspodela energije oto motora pri delimičnom opierećenju
korišćeno zagrevanje i mehaničke gubit-ke, respektivno. Na trenje motomog me-hanizma tj. kolenasto vratilo. klipnjaču, klip ! klipne prstenove troSi se 1,54 kW. U donjem delu dijagrama ovih 1,54 kW prikazani su pojedinačno. Kolenasto vratilo odnosi 0,59 kW, a deo gubitaka koji se odnosi na ležajeve klipnjače približno iznosi 0,09 kW. Sledi da se ukupni gubi-ci od 0,86 kW odnose na klipove i klipne prstenove. Istraživanja sprovedcna radi smanjenja gubitaka trenja klipova i klip-nih prstenova zasnovana su na potencija-lu od 0,86 kW ili približno 2,5% od ula-zne energije, na koju može da se utiče optimizacijom sistema klipnih prstenova i klipa. Raspodela gubitaka trenja u mo-tomom mehanizmu pokazuje da klipni prsten u trećem žlcbu (uljni prsten), sa uče&em od 0,37 kW, verovatno ima naj-veći potencijal.
Na slici 5 prikazanc su vrednosti sna-ge trenja četvorocilindričnog motora pri
radnim uslovima i pri brojevima obrtaja od 1000 min'1 do 5000 min1. Upotrebljen je metod vučenja ogoljenog motora.2
Dijagram na levoj strani pokazuje apsolutne vrednosti snage u kW za kolc-nasto vratilo, klip i klipnjaču, uljni prsten, drugi prsten i prvi prsten (od dna do vrha). Dijagram na desnoj strani prikazu-je iste izmerene nivoe, procentualno, u funkciji broja obrtaja.
Posmatrajući sliku 5 može se uočiti dominantna snaga trenja u donjem delu vrednosti brojeva obrtaja, Što je prouzro-kovano klipnim prstcnovima, s obzirom na to da su glavni gubici u oblasti viših brojeva obrtaja prouzrokovani klipovima, letećim ležajevima i glavnim ležajevima.
Na slici 6 prikazana su ista ispitiva-nja pri temperaturi vode 30°C i tempera-
•’ Proizvođaći kiipova ugla.nom к odloćuju n pogon ogoljenog тоЮга, tj. samo blok nwiora sa kolcnastim vranlom, klipnjaCom i klipovima. ukljuCujud prstenove. Radna deforma-etja cilindra postile se pritezanjcn spcojalnog alata umesto glave. Prednost ovog mctoda je da se, ako je primcnjena odgo-varajuCa tnema tchnika. moic odckivaii (aćnost mcrenja od 20 W do 25 W, ito nije moguCc sa koaipletnim motorotn
VOJNOTEHNlCKI G1ASN1K 1/2003.
33
turi ulja 55°C. Apsolutne vrednosti su znatno vcćc, ali je uočljivo da, poscbno u oblasti niskih brojcva obrtaja procentual-ni udeo gubitaka klipnib prstcnova opada dok udeo kolenastog vratiia raste.
Na prethodnim slikama prikazana je raspodcla udela snage trenja pri različi-tim radnim temperaturama, a na slid 7 uticaj temperature ulja i vode kao jednog radnog uslova, pri 4700 min'1. Kada je
radni ustovitopao motor T,=X3 [°C].T.»I02 (°C| Metod vučenja - ogoljem motor
broj obrtaja X 1000 [min '1 osnovni delovi motora:
Щ kol. vratilo ■ klip+kfipnjača | 3.prsten (Bg 2.prsten [_ Iprsten
SI. 5 - A naliza snage trenja toplog motora
radni oslovl::hladan motor T,-30 [°СЈ.Т.*55 f°Cl Metod vučenja - ogoljeni motor
oto motor 4al.
95 mm
5 12 3
broj obrtaja X 1000 [min**]
osnovni delovi motora:
kol. vratilo I klip+klipnjaća В 3.prsten £jv- 2.prsten SI. 6 - Analiza snage trenja hladnog motora
ШО
iprsten
34
VOJNOTHHNlCKtGUSNIK 1/2003.
sniman ovaj dijagram, svi ostali parame-tri održavani su konstantnim. Bazirajući se na ovoj vrednosti broja obrtaja, pro-mena temperature vode za 10°C dovodi do promene snage trenja za oko 360 W. Promena temperature ulja dovodi do istih zavisnosti, ali je koincidencija da su ovi uticaji približno isti (isti nagib krivulja), dok su uzroci različiti. Time se dokazuje da, ako se promeni temperatura ulja, gu-bici trenja jedino utiču na glavne i leteće lcžajeve, dok promene u temperaturi vode nemaju efekta na glavne ležajeve. Ce-lokupna promena snage trenja kroz tem-peraturu zida ciiindra posledica jc trenja klipova i klipnih prstenova.
Na slid 8 prikazani su rezuitati do-bijeni metodom vučenja po ,,strip“ po-stupku [51, po kojem se vidi razlika u tre-nju izmedu pojedinih sklopova. listed promenljivosti inercijalnih sila, pritiska u cilindru i temperature, ovaj metod do-zvoljava samo grubu raspodelu gubitaka trenja u motoru. Ipak, jasno mo?,e da se
SI. 7 - Uticaj temperature vode t ulja na snagu trenja
<o
лс
3
Б
э
O)
CO
<u
■o
a
u>
5
izvor podauka.
(1) 0fuker (3) Sjćkj (5)Vasijev
(2) Derndinger (4) F-ojde (6) Rikardo
SI. 8 - Raspodela mchaničkih gubitaka
uoči dominantan uticaj klipnc grupe na te gubitke sa učešćem 50 do 60%. Ležajevi (osnovni i letcći) u mehaničkim gubici-ma učcstvuju sa 15 do 30%, dok pogon ventila, pumpe za ulje i pumpe visokog pritiska učestvuju u proseku sa 5 do 10%. Raspodelu srednjeg pritiska trenja u funkeiji broja obrtaja za pojedine kom-ponente mogu da izmene različita kon-strukeiona rešenja i različiti tokovi srednjeg pritiska trenja pojedinih kompone-nata. Detaljnim saglcdavanjem ovih me-duzavisnosti moguće je dobiti višc činje-nica о postupcima merenja i moguenosti-ma proračuna pojedinih komponenata, kao i zavisnosti gubitaka od konstrukeio-nih i radnih parametara.
Izbor motomog i transmisionog ulja može znatno da utiče na potroSnju gori-va, 5to se dokazuje i kamionskim testom [6J, koji pokazuje poboljšanje ekonomič-nosti potrošnjc oto mo'.ora (0,5 do 2,7%) izborom motomih ulja i kombinaeijama motomo ulje - transmisiono ulje.
U uslovima hladnog starta motora mnogo su veći efekti uticaja maziva na
VOJNOTEHNIČKIGLASNIK 1/2003.
35
potrošnju goriva nego Sto je to uticaj ve-Stine vozača. Relativan značaj promenlji-vih veličina koje utiču na potrošnju goriva za vreme hladnog starta, odreduju ni-ska temperatura okoline i kratkotrajnost procesa, kao uslovi u kojima izabrana maziva mogu da obezbede značajno sma-njenje potroSnje goriva. Poboljšanje ka-raktcristika ulja može da obezbedi znatnu uštedu goriva u radnim uslovima toplog motora. To ukazuje na mogućnost eko-nomičnije potroSnje goriva izborom maziva, i sugeriše operativni nivo na kojem mogu da sc očekuju najveća poboljSanja. Ostala ispitivanja identifikovala su lake uslove eksploatacije, kao uslova pri kojem viskozitet motomog ulja ima najzna-
čajnije efekte u smanjenju potroSnje goriva. Snaga koja se razvija kod nekog motora umanjuje se za iznos snage koja se koristi za savladivanje trenja u rnotom. Mnogi testovi u kojima se motor pogoni elektromotorom ne mogu da reprodukuju toplotni i mehanički uticaj koji postoji u testovima sa sagorevanjem, tako da oni predstavljaju pogodan cačin za odrediva-nje približne vrednosti ove snage.
Podaci о snazi trenja dobijcni meto-dom vučenja u raznim ispitivanjima, pri-kazani na slici 9, pokazuju gubitke snage motora.
Pri broju obrtaja vučenjem od 4000 min'1 gubici klipnih prstenova i plaSta klipa su 47% do 54% od snage trenja do-
broj obrtaja motora (°KKV] broj obrtaja motora (°KKV)
SI. 9 - Analiza snage gubitaka и motoru:
I - komptetan motor, 2 - kompletan motor sa uklonjenim Sipkama podizaia, 3 - podignuta glava motora i ukbnjene iipke podizaća, 4 - kao (3) ali sa Sipkama podizaia, 5 - kao (3) ali sa uklonjenim gomjim prstenovima, 6 - kao (5) alt sa uklonjenim drugim prstenovima, 7- као (6) ali sa uklonjenim uljnim prstenovima, 8 - kao (3) ali sa uklonjenim klipovima i klipnjačama, 9 - samo kolena-
sto vratilo
36
VOJNOTEHNlCKl GLASNIK 1Я00У
bijene metođom vučenja, ukoliko se ко-riste motoma ulja SAE 5 i SAE 30, ге-spektivno. Snaga gubitaka na klipnim рг-stenovima i plaštu klipa pokazuje poten-cijal za pobotjšanje potrošnje goriva iz-borom odgovarajućeg motomog uija.
Test vuCcnja motora pokazuje da iz-bor poboljšivača viskoziteta omogućava da se ulje SAE 10W-40 predstavi slično kao ulje SAE 5W ili SAE 20W-20 u po-gledu snage trenja. Multigradna ulja koja sadrže poboljšivače viskoziteta mogu da imaju niži viskozitet u motoru nego u la-boratoriji. Zbog njihove nenjutnovske pri-rode, ona mogu da ponude dodatne mo* gućnosti za poboljšanje potrošnje goriva.
Za testove vučenja motora izabrana je tempcratura vode u prostoru oko cilin-dra od 85°C. Određena istraživanja su pokazala da tempcratura vode u prostoru око cilindarske koSuljice ima znatno veći uticaj na gubitke trepja nego što to ima temperatura motomog ulja [6].
Podaci dobijeni sa dva različita ulja metodom vučenja kompletnog motora i motora sa uklonjenim Sipkama podizača ventila (slika 10) pokazuju razliku u gu-bicima, koja u proseku iznosi 55% i 49% od gubitaka pogona kompletnog motora (SAE 20W-20 i SAE 40 bazno linijsko ulje), respektivno duž celog raspona broja obrtaja pri vučenju motora. Veliči-na ove razlike gubitaka je, kao procenat ukupne snage gubitaka, u potpunoj sagla-snosti sa ostalim studijama.
Pri uslovima manjih brojeva obrtaja i opterećenja, gde je specifična efektivna potroSnja goriva najveća i sa najvećom promenom, srednja specifična efektivna potrošnja goriva opada u zavisnosti od viskoziteta ulja.
Stabilizovana temperatura ulja u ко-ritu motora evoluirala je. u testovima sa sagorevanjem u motoru, u temperaturu vode oko cilindarske košuljice od 88°C. Ova ispitivanja pokazuju povećanje temperature uija sa povećanjem opterećenja i broja obrtaja. Opterećenje i broj obrtaja imaju direktan uticaj na temperaturu motomog ulja, kao što imaju i temperatura radnog ciklusa i rashladnc tečnosti.
Pri temperaturi vode od 85°C oko cilindarske košuijice, monogradna ulja bazne iinije pokazuju eseneijaian lineami odnos temperature i broja obrtaja pri vu-čenju. Broj obrtaja pri vučcnju ima manji uticaj na temperaturu ulja u koritu kod ulja SAEI0W-4O [6].
Raspored i veličina temperature u koritu pri vučenju, u odnosu na testove sa
SI 10 - Gubici и motoru pri upotrebi dva različiia ulja
VOJNOTEHNlCKIGLASNIK 1/2003.
37
sagorevanjem u motoru, pri uporedivim temperaturama rashladnog sredstva, poka-zuju ograničenje tehnike vučenja u simu-liranju toplotnih uticaja koji postoje u mo-torima sa unutraSnjim sagorevanjem.
Mehanizam trenja izmcdu
pokretnih dclova u motoru
Trenje se javlja tamo gde delovi me-haničkog sistema, uz istovremeno prcno-Senjc optcrećcnja, klize jedan po drugom. Za savladavanje trenja troSi se rad, pri Čcmu dolazi i do trošenja kliznih delova na spregnutim povrSinama. Veličine trenja i trošenja zavise, uglavnom, od mazi-va koje se nalazi izmedu kliznih povrSi-na, pri čemu stanje maziva, trenje i troše-nje uzajamno uslovljavaju jedno drugo. Od stanja maziva u svakom momentu, osim vrednosli sile trenja, zavisi i mo-gućnost kojom te sile mogu uzajamno da dcluju na povrSinu habanja. Osobine ma* terijala povrSine trenja i sredina, takode, odreduju karakter i vrednost sila trenja koje nastaju. SuStina je u tome da se mo* lekulske sile unutar tvrdog tela kompen-zuju deiovanjem susednih molekula, pa te sile uspostavljaju sjedinjavanje u čvr-stom telu. Na površini tog tela molekul-ske sile se ne kompcnzuju u potpunosti, jcr postoji težnja za kompcnzacijom. Na malim rastojanjima te slobodnc (nekom-penzovane) molekulske sile imaju veliku aktivnost (7).
Ako se dva tela od istog materijala, sa tehnički simetričnim oblicima povrSi-na, sjedinjavaju, onda se to sjedinjavanje ne ostvaruje po celoj povrSini, nego samo po najisturenijim tačkama. Tehnički, glatke povrSine, posmatrane u molckular-
noj razmeri, obiluju neravninama. U tać-kama dodira na povrSinama stupaju u dejstvo slobodne molekulske sile i spaja-ju oba tela u taćkama kontakta toliko ja-ko da njihovo sjedinjavanje postajc jed-nako čvrstoći samog materijala. Ako se oba tela pomeraju jedno u odnosu na drugo, sjedinjene čestice se odvajaju jedna od druge, pri čemu površinske čestice mogu da se odvajaju od tela, odnosno, može da nastupi habanje.
Pri klizanju različitih materijala jedan po drugom habanje zavisi od vredno-sti sila privlačenja koje deluju izmedu molekula dva različita porekla (vrste). Pri prenosu opterećenja izmedu sjedinje-nih delova ili pri klizanju pritisci u poje-dinim tačkama spajanja mogu da postanu neSto veći, što u tint tačkama plastično deformišc materijal do :c mere da sc sjedinjene povrSine povečavaju toliko da mogu da izdržc dato opterećenje. Usled visokog pritiska i pod dejstvom molekul-skih sila sjedinjavanja povrSine trenja se pri odredenim uslovima zavaruju. U tom slučaju vcoma mala, mnogobrojna i ne-prekidno obrazovana mesta varova pri klizanju površina se kidaju. Sila neop-hodna za raskidanje ^edinjenih mesta varova (tačaka), približno odgovara pro-izvodu stvame povrSine sjedinjavanja i otpora smicanja zavarenih mesta. Та sila uvećava delovanje molekulskih sila spajanja, silama utroSenim na čisto mehanić-ku deformaeiju pomeranja i plastičnu de-formaeiju mctala u hladnom stanju. Kod nepodmazanih metalnih površina ona odgovara vrednosti sile trenja.
Kao molekuii čvrstih tela, tako se i molekuli tečnosti (na primer mazivo) do-bro adsorbuju od povrSine čvrstog tela,
38
VOJNOTEHtilCKt GLASNIK 1/2003.
posredstvom slobodnih valentnih veza i čvrsto se drže na toj povrSini. Isto tako povrSine čvrstih tela adsorbuju gasovc i pare. Tanak sloj maziva, koji se nalazi iz-medu dvc ravne metalne povrSine, poka-zuje veliki otpor odvajanju tih tela jcdno od drugog, ne toliko zbog toga što se sloj čvrsto prilepljuje za metalne površine, već zato Sto on sam dobija znatnu Čvrsto-ću pod delovanjem molekulskih sila, ko-je mogu da budu Čak i veće od Čvrstoće samih metalnih tela. Ako se ta tela pri-nudno udaljavaju jedno od drugog, iz tih tela mogu da se oslobadaju čestice usled velike čvrstoće mazivog sloja. Pri nepo-stojanju maziva izmcdu kliznih povrSina reč je о „suvom trenju“. U tom slučaju koeficijent trenja je rezultat delovanja molekulskih sila u dodimim tačkama i suprotstavljanja smicanju zavarcnih delo-va povrSine. Samim tim koeficijent trenja zavisi od svojstva materijala i stanja po-vrSina. Može se zapaziti da je zbog velike aktivnosti povrSina, sa fizičke tačke gledišta, veoma teško ostvariti stanje su-vog trenja. Svaka čista metalna povrSina brzo adsorbuje gasove i pare tečnosti ko-je deluju kao mazivo i uti£u na vrednost sile trenja koja se pojavljuje. To dovodi do značajnih poteSkoća pri ispitivanju su-vog habanja svih vrsta. Stanje poznato pod terminom „polusuvo trenje“ ili ,,gra-nično podmazivanjc“ (nekad jednostavno ,,podmazivanje“) određuje se fizičkim procesom adsorpeije maziva na kliznim površinama. Molckuli maziva, udruženi molekulskim silama, obrazuju ovde ad-sorpeioni sloj debljine nekoliko molekula ili čak i jednog molekula - takozvani „granični sloj**, koji se velikom silom priljubljuje uz metalne klizne povrSine
(slika 11). Pri tome je verovatno reč sa-mo о silama konačne vrednosti, pa je moguće odvajanjc slcja maziva pod dej-stvom veoma visokih opterećenja.
Ako je čvrstoća prianjanja izmcdu sloja maziva i povrSine metaia na nekom mestu naruSena. to dovodi do metalnog sjedinjavanja, sa ved pomenutim posledi-cama. Da bi se dobilo „stvamo granidno podmazivanjc“, podmazujude sredstvo treba da sadrži nc samo polame grupc molekula sa velikom dužinom lanca koji se hvata za metalnu povrSinu, ved i takve matcrije, kao Sto su masne kiselinc, koje hemijski rcaguju sa metalnim povrSina-ma i obrazuju metalne sapune (soli ma-snih kiselina sa metalima). Uvode se i druge podobnije materije, na primer tri-krezilfosfat koji na mctalnoj površini može da obrazuje sloj sa niskom tempe-raturom topljenja. Zshvaljujudi tim he-mijskim reakeijama na metalnim povrSi-nama dolazi do gubitka metaia, odnosno javlja se jedna vrsta habanja. Obrazova-nje meSovitog trenja, u čisto mehanič-kom smislu, zasniva se na delimičnim povrSinama klizanja, koje su uvek prisut-ne u obliku mikroneravnina [7].
Ako je srednja debljina maziva ma-nja od zbira visina mikroneravnina obe povrSine, dolazi do kidanja sloja maziva, рге svega u tačkama koje su najviše istu-rene i do dodirivanja metaia sa metalom u tim tačkama, iako su drugi, vise ili ma-nje Siri delovi povrSine, razdvojeni slo-jem maziva. Čisto mešovito trenje može da postoji praktično bez habanja i u siu-Ćaju ako su povrSine koje klize jedna po drugoj savrSeno glatke, a specifičan priti-sak ne prelazi kritične vrednosti, Sto zavisi od materijala. Površinsko-granični
VOJNOTEIINICKI OLASNIK 1/2003
39
slojevi rnaziva ponašaju se, po nekim autorima, kao „kruta tela“. U jednomole-kulskom sloju rnaziva, koje je adsorbo-vano na površini metala, lančasti dugi molekuli su strogo orijentisani (slika I!).
^г4 ’ ГГ > < t ' r- 1 f »
. > t « . 1 . . . i
^Г ■ ’ ▼ ' %
.L ■ t ‘
¥ 1 ’ + 1 > ' ■ ' 1-3
I - drugi sloj 1 - ravan klizanja
II * prvi sloj 2 - pdarna povrtina
III • granKni sloj 3 • povrSina klizanja
SI II - Molekulska veza adsorpcionog sloja uljnog filma
Jednim krajem oni su spojeni sa povr-Sinom metala, a sa strane sa susednim mo-lekulima. Та bočna veza očigiedno ima su-Štinski znaćaj za zaštitu podmazivanih povrSina. Sa povećanjem temperature, boč-ne veze usled dejstva toplotnog kretanja molekula postaju slabije, i na kraju na odredcnoj temperaturi („tački topljenja44 sloja) u potpunosti nestaju. U tom trenut-ku sloj više ne predstavlja nikakvu zaSti-tu, jer postaje „tečno44 telo i trenje se na-glo povećava. Odredeni materijali, na primer masne kiseline, obezbeduju zaSti-tu metalnih povrSina do znatno vise temperature nego Sto je njihova temperature topljenja, čak do tačke omekSavanja jedi-njenja koja su obrazovana sa metaiima, na primer metalni sapun. Samo pri temperaturi koja je visa od tačke omekšava-nja nastupa skokovito povećanje trenja.
Ako se temperature i dalje povećava doiazi do drugog skokovitog povećanja trenja. Po nekim autorima ono se obja-Snjava prelazom mazivog sloja iz ,,teč-
nog‘* u „gasovito44 stanje. To može da se defiava pri takvim temperaturama na ko-jima granični sloj gubi vezu sa povrSi-nom metala. Taj drugi skok može da se dogodi kod mineralnih rnaziva već na 90°C do 100°C. Moguće je da, čak i pri umcrenoj temperaturi, kada se klizne po-vrSine obilno „podmazuju44, tj. obezbeduju mazivom, ono ne bude u stanju da is-kaže podmazujuće dcjstvo, i u tom siuča-ju gubici trenja su veliki kao i površinska oštećenja. U tom slučaju, mazivi sloj тоге da ostvarujc zaštitu površine metala od korozije. Pri tečnom trenju obe povr-Sine koje klize jcdna po drugoj, u svim svojim tačkama su razdvojene hidrodina-mičkim, tj. nosećim slojem rnaziva. Tada čak i izmedu isturenijih tačaka povrSina пета dodira. Sloj rnaziva se nalazi izmedu ranije navedenih adsorpcionih slojeva, koji sc nalaze u spoju sa obe klizne povr-Sine i sastoji se od vise odvojenih slojeva koji leže jedan na drugom i pri krctanju dclova klize jedan po drugom (slika 12).
Pri tome se unutar rnaziva pojavljuje trenje koje treba da se suprotstavi silama koje deluju spolja. Na veličinu tog tečnog trenja, osim dcbljine adsorbovanih slojc-va, utiče i položaj (orijentacija) molekula u sloju rnaziva izmedu graničnih slojeva. Pri odgovarajucem pomeranju kliznih povrSina molekuli koji su rasporedeni nor-malno na površinu okreću se u smeru kretanja. Dugački molekuli rnaziva, koji se nalaze iznad njih u sloju rnaziva, posta-vljaju se svojim uzdužnim osama u prav-cu tečenja i time smanjuju suprotstavlja-nje trenja u sloju tečnosti. Pri takvoj ori-jentaeiji molekula u tečenju, dinamički vi-skozitet rnaziva je manji nego Sto to poka-zuje merenje na viskozimetru.
40
VOJNOTKHNIĆKI GLASNIK 1/2003.
reSetka metala
ЩЩГ
\\\\\\\\.
smer
tečenja
)—I ^ >—I
>—» I—C
■7?7?7777
f
f
fe
rešetka metala
>- aktivni krajevi molekula h- neutralni krajevi molekula
SI. 12 - Molekulsko formiranje uljnogfilma pri lećnom trenju
Stcpen sniženja viskozitcta zavisi od hemijskog sastava molekula maziva, od brzine klizanja i visine podmazuju-ćeg rastojanja izmedu kliznih povrSina. Povećanje pritiska u podmazujućem slo-ju može opet da poveća viskozitet. Osim toga, u svakom pojedinačnom slučaju postoji uzajamno dejstvo izmedu mate-rijala tamih povrSina, s jedne strane, i maziva, s drage strane. Molekulske sile povrSinskih slojeva metala koje odredu-ju raspored molekula maziva ne ograni-čavaju se čvrstim graničnim slojem maziva (debljinom, koja je verovatno jedan molekulski sloj), nego se rasprostiru, pri postojanju debljih slojeva, јоб dalje (imajući u vidu molekulsku razmeru) u dubinu sloja maziva. Pri tome se mole-kuli maziva različitom silom primiču graničnoj povrSini, u zavisnosti od nji-hove specifične stmkture, obtika i di-menzija. Ti molekuli verovatno predsta-vljaju polame električno opterećene mo-lekule, koji se svojim aktivnim krajevi-ma čvrsto spajaju sa metalnim povrSina-
ma. Neaktivni krajevi molekula izlaze u podmazujući sloj i naiaze se zajedno sa takvim istim brojem molekula susednog sloja, pod dejstvom malih orijentacionih sila. Duž tih dodimih slojeva, pretposta-vlja se, može da postoji klizanje sa ma-njim otporom, koji se naziva otpor tre-nja klizanja.
Svakoj kombinaeiji metala i maziva odgovara sopstvena sila kvašenja. Dodaci u mazivu mogu da imaju aktivi-rajući uticaj na molekule i time da sma-njuju trenje, a samim tim i habanje. Тако deluju, na primer, aditivi organskih kiselina i ricinusovog ulja, kao i sumpor ili hlor u organskim edinjenjima. Mogu, takode, da se aktiviraju, i granične površine, na primer pomoću grafitnih dodataka u ulju za podmazivanje. Grafit ima sposobnost obrazovanja jednomole-kulskog sloja koji se izrazito Cvrsto spa-ja sa površinom metala. Grafitni film formiran na taj način odlikuje se veoma visokom stabilnošću na visokim tempe-raturama.
Nasuprot suvom i tečnom trenju, meSovito trenje nema tačno odredeno stanje - ono se uvek sastoji od oba kraj-nja stanja, čiji se odnos menja od slučaja do sludaja. Dva razliCita maziva sa jed-nakim karakteristikama viskoziteta, koji se pri tečnom trenju ponaSaju skoro jed-nako, pri mešovitom trenju mogu da imaju veoma različite osobine. Koje osobinc maziva dovede do tih razlika još nije sasvim jasno. Po teoriji adsorp-cije tcčnih molekula, na povrSinama klizanja ulje treba da ima Sto izraženije osobine smanjenja trenja. Ono mora da bude sposobno da zasiti obilne molekulske sile na površini metala. Tvrde Česti-ce koje se naiaze u mazivu, kao Sto su
VQJNOTEHNlClCI GLASNIK 1/2003
41
prašina, pepeo, koks i sl., mogu da delu-ju tako da se stanje meSovitog trenja do-stiže već na osnovu čisto mehaničkih uslova u okolnostima pri kojima bi tre-balo da vlada tečno trenje. Pri tome se namšava polje sila u filmu maziva, tako što suspendovane čvrste česticc utiču na orijcntaciju molckula maziva i njihovo adhcziono svojstvo u odnosu na klizne površinc (7J.
I u motorima SUS je trenje i haba-nje dclova povezano sa uzajamnim delo-vanjcm sistema metal-mazivo-metal. Uspešan rad takvog sistema u istoj meri zavisi od osobina obe tame površine i maziva. SuStina samog procesa trenja i troSenja zasnovana jc na složenim mcdu-sobnim delovanjima izmcdu povrSine trenja i maziva, koje je odredeno delova-njem mnogobrojnih faktora: fizičkih, he-mijskih, mehaničkih, geometrijskih i ki-nematičkih [8).
Geometrija određene površinc ka-rakteriše se talasastim reljefom sa mikro-neravninama, čija je površina obrazovana od kristala koji su raspoređeni bez odre-denog poretka. Pri mehaničkoj obradi dolazi do veoma intenzivne plastične dc-formacije metala, usled čega povrSinski slojevi po dubini do desetak nanometara naglo mcnjaju osobine. Nakon mehanič-ke obradc u površini se zadržavaju zao-stala naprezanja sabijanja (korisna) i iste-zanja (štetna).
U nizu slučajeva povrSinski stojevi delova se obraduju specijalnim metoda-ma, kako bi se postigle odredene fizićko--hemijske osobine. U takve metode spa-daju kaljenje, cementiranje. valjanje, ga-sno hromiranje, nitriranje, itd.
Pri radu površinc delova mogu da pretrpe mnogobrojnc promene mikrogeo-
metrije i mikrostrukture u procesu trenja i habanja. Kao rezultat razrade hrapavost se obično smanjuje. Neravnine obrazova-ne u procesu obradc zamenjuju se nerav-ninama formiranim u procesu habanja. Kao posledica intenzivnih topiotnih i me-haničkih međudelovania obrazuju se no-ve struklure metala, nekad bolje a nekad manje odgovarajuće, u porcdenju sa po-laznom strukturom.
Poznato je da atomi u povrSini imaju samo jednostavne veze koje su usmcrene unutar metala. Rezultat toga je njihova nekompenzovana slobodna cnergija koja formira elektromagnetno energetsko polje površine i prouzrokuje pojave adsorpcije i privlačenje metala pri trenju.
Visoke temperature koje se stvaraju na površini trenja stimulišu obrazovanje oksidnih slojcva, a njihovo kidanje nasta-je zbog mehaničkih uzroka - delovanjem site trenja i rezultujućom plasiičnom dc-formacijom površine ispod tog sloja. Ot-por održanju oksidnih filmova čak je znatno manji ncgo kod metala, tako da imaju odgovarajućc veliki koefieijent trenja. Oksidni slojevi ns mogu sami da obezbede podmazivanje tamih površina, što izaziva neophodnost primene maziva koja imaju bolja podmazujuća svojstva od oksida, i to pre svega u uslovima me-Sovitog trenja.
Takvi adsorpeioni granični slojevi imaju vcoma veliku Čvrstoću na gnječe-nje, veliku elastičnost pri postojanju normalnog pritiska i obezbeduju moguć-nost lakog klizanja, kao rezultat smica-nja po površinama koje su obrazovale prstenaste ili metilnc gmpe molekula, tj. oni obezbeduju takozvanu ,,mazivost“ maziva. Debljina adsorpeionih filmova
42
VOINOTEHNlCKl GLASNIK 1/2003.
obično nije vcća od 0,1 nm. Takvi fil-movi ne mogu da nivelišu hrapavost po-vršine trenja, čija je visina neravnina, po pravilu, znatno veća, vcć formiraju mi-kroreljef površinc [8]. Na taj način gra-nični slojevi na čvrstim povrSinama imaju ogroman značaj za sve procese trenja, habanja i graničnog podmaziva-nja. Ti slojevi razdvajaju tarnc povrSine kada nc postoji tečno podmazivanje i, ometajući neposredan metalni kontakt, sprećavaju trenje njihovih čistih površi-na i zavarivanje.
Prirodni površinski oksidni i ad-sorpcioni siojevi sposobni su da zaštite tame povrSine od prekomemog trenja i habanja pri umerenim termičkim i opte-retnim radnim režimima. Isto tako, oni nisu otpomi i ne obezbeduju cfektivnu zaštitu od habanja pri teškim režimima trenja. Taj zadatak rešava se stvaranjem veštačkih slojeva na tamim površinama, koji se formiraju u procesu trenja, aditi-vima protiv habanja i zadiranja, koji se dodaju u motomo ulje.
Postoje mnoge klasifikacije trenja. Neki predlažu da se pri spoljašnjem trc-nju dve metalne površine razlikuje „trenje idealno čistih (juvenilnih) povrSi-na“, kao proccs direktnog medusobnog dejstva izmcdu njih i ..hidrodinamičko trenje“ u uslovima kada se srcdina, ko-ja deli Čvrste povrSine, podvrgava za-konima hidrodinamike viskozne tečno-sti. Između ta dva granična stanja postoji velika klasa, u praksi važnih poja-va „meSovitog trenja“. Na mešovito trenje odnose se svi procesi trenja kada su površine čvrstih tela razdvojene veo-ma tankim adsorpcionim slojevima raz-ličitog porekla.
Kod motora SUS u uslovima pri-bližnim hidrodinamičkom trenju rade lcžajevi kolcnastog vratila. Do naruša-vanja tog režima u ležajevima dolazi pri pokretanju motora, malom viskozi-tetu ulja ili malom broju obrtaja ili zbog ncdovoljnog pritiska ulja. Ispiti-vanja karaktera podmazivanja izmedu klipnog prstcna i cilindra motora poka-zala su da u spoljnoj mrtvoj tački i u unutraSnjoj mrtvoj tački postoji granič-no podmazivanje, a u sredini hoda kli-pa podmazivanje jc približno hidrodi-namičkom. Izmedu prstena i košuljice cilindra sve vreme dolazi do smanjcnja dcbljine sloja ulja, dok jc pri povećanju brzine kretanja to smanjenjc manjc iz-raženo. Smanjenje viskoziteta ulja do-vodi do povećanog kontakta prstena i cilindra. Pri porastu temperature dolazi do primetnog smanjenja debljinc sloja ulja, što je posledica viskoziteta ulja, i desorpeije polamoaktivnih molekula na tamim površinama.
Zaključak
Snaga koja se troSi na savladavanje mehaničkih gubitaka u motoru SUS va-žan je faktor za odredivanje performansi i stepena korisnosti motora. Najveći deo tih gubitaka Činc gubici uslcd trenja u motoru, koji nastaju usied relativnog kretanja izmedu čvrstih povrSina u motoru. Mehanizam ovog trenja je veoma složen, posebno kada se uzmu u obzir i okolnosti nastale konstrukeijom savre-menih visokooptercćenih motora. Zbog toga je neophodno da se analiziraju me-hanički gubici u motoru, i ispituje mehanizam trenja.
VOJNOTGWNiCKI GLASNIK 1/2003.
43
Litcnirura:
(1) Patton. J. K., Nitschke, G. R.. Heywood, B. J.: Develop-mem and Evaluation of a Friction Model for Spark-lgni* tion Engines, SAE 890836. at 1441-1461.
(2) Gradin, B. Z.: Analiza mehanitkih gubitaka dizel motor* sa dircktnim ubrizgavanjem, Magistarski nd. Maiinski fakul-let. Beograd, 2002.
(3) Petrov k, S.; Experimental and theoretical evaluation of frictioa losses in a four cylinder gasoline engine. Stmpozi-jum Balkamrib, Solun 1996, Zbomik ndova, st. 554—561.
(4| Scheling, H., Freier, R.: Factors influencing the friction power of pistons. MAMIE - Technical Information
(5] Thiele, Б.: Mechanische Reibunjsverluste m Hubkolbentri-ebwerken. Institut fur Kolbenraaschinen, Univcrsiuu Hannover. 1985.
(61 Chamberlin, B. W., Sheehan. J. T.: Automotive Fuel Sa vings Through Selected Lubricants, SAE 750377.
|7) Englisch. K.; Kolbenringe, Sprnger - Veriag, Wien. 1958. (npeatvi на рудой јсзик 1962).
(8] Григорьев. M А., Пономаре, Н. Н.: Плюс и долю-вечноегь ашомобилышх ланга гелей, Машинострос-нне. Москва, 1976.
44
VOJNOTEH'JlCKl GLASNIK 1/2003.
