CC BY
46
УДК 621.89
Тюняев И.В., Сологуб В.А.
Оренбургский государственный университет Е-mail: [email protected]
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТНОГО РЕЖИМА ДВИЖЕНИЯ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ПОДШИПНИКОВ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ДВИГАТЕЛЕЙ
В статье установлены закономерности износостойкости подшипников коленчатых валов двигателей в зависимости от скоростного режима движения автотранспортных средств (на примере автомобиля ВАЗ-2107 и автобуса ПАЗ-3205). Приведены методики и результаты ходовых испытаний автотранспортных средств для получения скоростных характеристик по новому критерию износостойкости подшипников коленчатых валов с помощью оригинальной экспресс-методики. Определены скоростные режимы движения автотранспортных средств, обеспечивающие максимальную износостойкость подшипников.
Ключевые слова: износостойкость, подшипники коленчатого вала, скоростной режим, ма-лоизносный режим, автотранспортное средство.
Практика эксплуатации автотранспортных средств (АТС) показывает, что долговечность их двигателей определяется, как правило, интенсивностью изнашивания подвижных сопряжений, в числе которых износ шатунных и коренных подшипников скольжения коленчатого вала является лимитирующим фактором. Конструкция подшипников и системы смазки должны обеспечивать максимальную износостойкость трущихся поверхностей на эксплуатационных режимах работы двигателя.
Работа автотранспортного двигателя характеризуется широкой вариацией параметров на-гружения и частоты вращения коленчатого вала, обусловленной изменением скорости движения и сменой передач в трансмиссии. Так, исследованиями авторов установлены распределения долей времени движения автомобиля ВАЗ - 2107 на различных передачах в городских и загородных условиях г. Оренбурга и его пригорода (рисунок 1). В городских условиях автомобиль движется преимущественно на II и III передачах (доля времени соответственно 17,2 и 46,4 %), а в загородных условиях - на III и IV передачах (34,5 и 59,3%).
Вместе с тем, известно, что различные режимы работы двигателя вносят разный вклад в эксплуатационный износ. Так, многочисленными исследованиями [1], в том числе авторов [3], установлено, что ускоренное изнашивание подшипников характерно для условий низкотемпературного пуска. Однако вопрос о влиянии других эксплуатационных режимов на изнашивание подвижных сопряжений решен не в полном объеме, несмотря на то, что известны исследования [1, 5].
Анализ результатов данных исследований позволяет предположить об эффективности преимущественной эксплуатации двигателя в ма-лоизносных режимах работы как одного из методов повышения долговечности. Применение подобного метода сдерживается затрудненностью адекватного определения малоизносных режимов работы двигателей. Известные методики, например [5], определения износа основаны на традиционных методах взвешивания, спектрального анализа, микрометрирования и т.п., что делает их использование для анализа широкого диапазона нагрузочного и скоростного режима чрезвычайно трудоемкими и затратными.
В связи с этим, реализация нового подхода к повышению эксплуатационной надежности двигателей возможна на основе разработки и анализа специальных критериев, характеризующих износостойкость различных подвижных сопряжений. При этом, материальные и трудовые затраты определения численных значений критериев экспериментально должны быть существенно меньше, чем затраты на традиционные методы определения износа.
Исходя из вышеизложенного, представляет интерес исследование закономерностей условий смазки в подшипниках коленчатого вала автомобильных двигателей в зависимости от нагрузочного и скоростного режимов, а также установление на основе анализа критерия износостойкости подшипников параметров режимов работы, обеспечивающих минимальную интенсивность изнашивания.
Цель настоящего исследования заключалась в повышении долговечности подшипников
46,40%
а) б)
Рисунок 1. Диаграммы распределения долей времени движения автомобиля ВАЗ-2107 на различных передачах в городских а) и загородных б) условиях г. Оренбурга и его пригорода
коленчатых валов за счет обоснования малоиз-носных скоростных режимов движения АТС.
Решены следующие основные задачи:
1) обоснован критерий износостойкости подшипников коленчатого вала автомобильного двигателя;
2) разработана методика экспериментального определения критерия износостойкости подшипников коленчатого вала при движении АТС;
3) обоснованы малоизносные режимы движения АТС по критерию износостойкости.
Объектом исследования являлся нагрузоч-но-скоростной режим работы автомобильного двигателя, предметом исследования - закономерности условий смазки подшипников коленчатых валов двигателей автомобилей ВАЗ-2107 и автобуса ПАЗ-3205 на различных скоростных режимах движения. Выбор указанных марок обусловлен их широкой распространенностью.
Теоретической основой настоящего исследования являлась модель смазки и изнашивания сложнонагруженных гидродинамических подшипников скольжения машин в переходном смазочном процессе [2, 6]. Переходный смазочный процесс является общим случаем взаимодействия смазываемых поверхностей трения и представляет собой последовательное во времени чередование жидкостной и граничной смазок (сухого трения) в зоне контакта. Интенсивность изнашивания ¡Нпсп подшипника в переходном смазочном процессе определяется по формуле:
К™ = рЛ =
/ V
N.
1С
где Рё - вероятность разрушения смазочного слоя (контактного взаимодействия);
¡Нк - интенсивность изнашивания при контактном взаимодействии;
х - показатель степени, х > 1; & - коэффициент пропорциональности, зависящий от физико-механических свойств поверхностей трения;
N- внешняя нагрузка на подшипник, Н; I и ё - опорная длина и диаметр подшипника, м.
Введем в формулу (1) нагрузочный Я = №с и конструктивный факторы К = к/(М)х . Тогда износостойкость подшипника гп( в переходном смазочном процессе определится по формуле: 1 1
(2)
(1)
В формуле (2) для подшипников конкретного двигателя конструктивный фактор К является величиной постоянной, а нагрузочный фактор И. - переменной.
Введем параметр z = 1/( РсЯ). Можно допустить, что значение фактора И пропорционально значению текущей мощности двигателя К, и при номинальной мощности Ыном будет иметь максимальную величину Rmax. Тогда параметр 2 в случае контактного взаимодействия трущихся поверхностей ( = 1) на номинальном режиме ( Я = Ятах ) будет иметь минимальное значение гтЬ = 1 /Ятах .
С учетом вышесказанного введен новый параметр Тн, определяемый по формуле:
Я
R
.1 ^
Р„ N
1 М„,
М и
(3)
ГДе Мном , Пном
крутящии момент и частота вращения коленчатого вала на номинальном режиме работы двигателя;
М, п - крутящиИ момент и частота вращения коленчатого вала на текущем режиме работы двигателя.
Вероятность разрушения смазочного слоя РЛ согласно известноИ модели динамического состояния смазочного слоя в каждом подшипнике коленчатого вала при работе двигателя обуславливается большим количеством случайных факторов [2, 4]. В условиях эксплуатации вероятность разрушения смазочного слоя в подшипнике коленчатого вала описывается моделью следующего вида:
Р = Р* (М, и, 1, *,М,(м, КР, А),
(4)
где М - крутящиИ момент на коленчатом валу, Нм;
п - частота вращения коленчатого вала,
мин
I - опорная длина шейки коленчатого вала,
мм;
й - диаметр шейки коленчатого вала, мм; Ьм - средняя температура масла в подшипнике, 0С;
М - динамическая вязкость масла при температуре Ь„ Па-с;
Н
' 'к
- критическая толщина смазочного слоя,
мкм;
А - диаметральный зазор в подшипнике,
мкм.
Для обобщенной оценки режима смазки в системе шатунных и коренных подшипников использован параметр Еу «трибонапряжен-ность подшипников коленчатого вала» [2, 4].
Значение параметра Еу изменяется от минимального (Еу )тЫ = 0, характеризующего установившийся режим жидкостной смазки во всех без исключения подшипниках коленчатого вала, до максимального значения (Е у )тах =1, при котором хотя бы один подшипник работает в режиме граничной смазки (сухого трения). Промежуточные значения параметра 0 < Еу < 1 имеют место в условиях переходного смазочного процесса при последовательном во времени чередовании жидкостной и граничной смазок (сухого трения).
При работе автомобильного двигателя переменными являются крутящий момент М и
частота вращения п. При одинаковом техническом и тепловом состояниях двигателя и свойствах моторного масла значения параметров А, 4, Нкр и М в модели (2) являются неизменными, и появляется возможность определения значения параметра трибонапряженности подшипников Еу в зависимости от параметров режима работы М и п, используя модель
Б£ = Еу(М,п). (6)
Таким образом, для обобщенной оценки износостойкости подшипников коленчатого вала предлагается использовать параметр Тн, названный «критерий износостойкости подшипников» и определяемый по формуле:
Т„ =
1 м и
__ном ном
Е, Ми
(7)
Параметр Тн безразмерен и принимает значения от 1 до «> и зависит от режима взаимодействия трущихся поверхностей ( Еу ) и нагру-зочно-скоростного режима работы двигателя (М и п). Физический смысл критерия заключается в том, что его значение показывает во сколько раз износостойкость подшипников коленчатого вала на текущем режиме работы двигателя больше износостойкости на режиме номинальной мощности при постоянном контактном взаимодействии подшипников.
Зависимость крутящего момента двигателя от частоты вращения коленчатого вала на установившемся режиме движения АТС определяется известной из теории эксплуатационных свойств автомобиля формулой:
м = -
+ квЕ
/0,105и г л2
(8)
где М - крутящий момент на коленчатом валу, Н*м;
гк - радиус колеса, м;
10 - передаточное отношение главной передачи;
г - передаточное отношение ктойпереда-
чи;
цтр - КПД трансмиссии; т - масса АТС, кг;
g - ускорение свободного падения, м/с2; у - коэффициент сопротивления качению колеса;
кв - коэффициент лобового сопротивления АТС, Н*с2/м4;
Р - лобовая площадь АТС, м2;
п - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1.
Зависимость скорости АТС Va (км/ч) от частоты вращения коленчатого вала имеет вид:
0,377пг
—• (9)
Основываясь на зависимостях (6 - 9), возможно определение значений критерия Тн на скоростных режимах движения АТС. Малоиз-носным будет такой скоростной режим, при котором значение критерия Тн принимает максимальное значение.
Для проверки выдвинутых теоретических положений проведены экспериментальные исследования для установления закономерностей износостойкости подшипников коленчатых валов двигателей от скоростного режима движения легкового автомобиля ВАЗ-2107 и автобуса ПАЗ-3205.
Испытания АТС проводились в маловетреную сухую погоду при температуре окружающей среды 12..15 °С на горизонтальной прямой автомобильной дороге. Методика ходовых испытаний была одинаковой для автотранспортных средств, и включала два вида: 1) на установившемся режиме движения (УРД) на разных передачах; 2) на неустановившемся режиме движения (НУРД) «разгон-торможение» на разных передачах.
1. Испытание на установившемся режиме движения (УРД) на разных передачах.
Для замера параметра Еисполь-зовалась оригинальная методика экспресс-оценки условий смазки подшипников коленчатого вала [2-4] с помощью измерительно-вычислительного комплекса «Автоматизированная система оценки смазочного процесса» (АСОСП), структурная схема которого показана на рисунке 2.
Основой АСОСП является устройство для контроля состояния подшипников 14, которое состоит из двух функциональных модулей - модуля детектора импульсов 15 и модуля генератора сигналов 1. Генератор вырабатывает входной биполярный электрический сигнал с частотой /,=500 кГц и амплитудой напряжения и=0,5 В, который подается между блоком цилиндров 5
и носком коленчатого вала, на котором установлен специально разработанный токосъемник 6. Выходной сигнал формируется в зависимости от условий смазки в каждом из подшипников вала. При функционировании всех подшипников в условиях жидкостной смазки между трущимися поверхностями образуется диэлектрический смазочный слой, и поэтому параметры сигнала остаются неизменными. При нарушении жидкостной смазки хотя бы в одном подшипнике возникает металлический контакт между трущимися поверхностями, и сигнал за это время теряет некоторое количество импульсов. Суммарное количество / потерянных за единицу времени импульсов определяется общей длительностью нарушения жидкостной смазки в отдельных подшипниках. Импульсы, прошедшие через токосъемник 6, коленчатый вал 4, подшипники 3 и блок цилиндров 5, поступают на модуль детектора импульсов 15, затем через устройство сопряжения 12 с компьютером при помощи разработанного программного обеспечения определяется величина параметра Е/ = ///0, которая в реальном времени записывается в файл и выводится на монитор ЭВМ 13.
Частота вращения коленчатого вала контролировалась по автомобильному цифровому тахометру модели ТХ-517, время контролировалось по цифровому секундомеру.
АТС перед испытанием прогревались пробегом около 30 км. Для автомобиля ВАЗ-2107 пос-
1 - модуль генератора сигналов; 2, 7, 10 - информационные шины; 3 -подшипники; 4 - коленчатый вал; 5 - блок цилиндров двигателя; 6 - токосъемник; 8 - первичный преобразователь; 9 - частотный фильтр; 11 - блок счета импульсов; 12 - устройство сопряжения; 13 - ЭВМ; 14 - устройство для контроля состояния подшипников; 15 - модуль детектора импульсов
Рисунок 2. Структурная схема АСОСП
ледовательно задавались установившиеся режимы движения с I передачи до IV при ступенчатом повышении частоты вращения коленчатого вала на каждой передаче: п=2000, 2500, 3000 мин-1, а затем в обратном порядке с IV до I передачи при снижении частоты: п=3000, 2500, 2000 мин-1.
Аналогично для автобуса ПАЗ-3205 - при ступенчатом повышении частоты вращения ко-
7 \
I
1 ii
iv
10 20 30 40 50 60 70
90 100
Мя, км/ч
Рисунок 3. Зависимости значений критерия Tн от установившейся скорости движения автомобиля ВАЗ-2107 на различных передачах
1 Т\
1
1 ♦ 1
_ и N1 -** IV
70 80 Уа,км/ч
Рисунок 4. Зависимости значений критерия T от установившейся скорости движения автобуса ПАЗ-3205 на различных передачах
Рисунок 5. Примеры зависимости мгновенных значений параметра Ef на режимах разгона и торможения автобуса ПАЗ-3205 на IV передаче
ленчатого вала на каждой передаче: п=1000, 1500, 2000, 2500 мин-1, а затем в обратном порядке при снижении частоты: п=2500, 2000, 1500, 1000 мин-1. Длительность каждого замера составляла около 30 с.
Получены для каждого АТС зависимости средних значений параметра Ef на каждой передаче от частоты вращения вала. Проведены расчеты значения критерия ^ при различных скоростях движения Уа. Результаты расчета приведены на рисунках 3 и 4.
Полученные для АТС опытные данные Тн на каждой к-ой передаче аппроксимированы квадратичной моделью следующего вида:
Тн.,=ак+Ьк\-скУа\ где ак,Ьк,ск - коэффициенты модели, значения которых приведены в таблице 1.
Найдены значения оптимальных скоростей движения АТС, соответствующие максимальным значениям критерия износостойкости 1н на каждой к-ой передаче, по формуле:
-к
Т Т опт ^
Полученные значения скоростей представлены в таблице 2.
Анализ полученных результатов свидетельствует, что износостойкость подшипников максимальна на I передаче, и по мере увеличения номера передачи снижается (в 3,8. ..23 раза для автомобиля ВАЗ-2107 и в 8,7 .84,3 раза для автобуса ПАЗ-3205). Износостойкость при оптимальной скорости движения на каждой передачи выше износостойкости, средней по передаче, в 1,14..2,10 раза для автомобиля ВАЗ-2107 и в 1,45..1,68 раз для автобуса ПАЗ-3205.
2. Испытание на неустановившихся режимах движения (НУРД) «разгон-торможение» на разных передачах
На каждой передаче осуществлялся многократный цикличный разгон АТС в среднем темпе от пониженной частоты пшш до повышенной ппов, а затем - торможение АТС двигателем до первоначальной. Для автомобиля ВАЗ-2107 значения граничных частот вращения составили п =2000 мин-1 и п =3000 мин-1; для ав-
пои 11ППВ
Таблица 1. Значения коэффициентов аппроксимирующей модели критерия Г для АТС
АТС Коэффициенты Значение коэффициентов при номере передачи
I II III IV
ВАЗ-2107 ак -1188942 -42831 -33894 -15077
Ьк 130735 5044 1831 387
ск -3291 -91 -18 -1,9
ПАЗ-Э205 ак -2117172 -262682 -80040 -43829
Ьк 749745 42697 6688 2115
ск -47396 -1257 -97,4 -20
Таблица 2. Значения оптимальных скоростей движения АТС на разных передачах
АТС Значение оптимальной скорости (км/ч) на разных передачах
I II III IV
ВАЗ-2107 19,9 27,8 51,0 102,9
ПАЗ-3205 7,9 17,0 34,3 52,9
тобуса ПАЗ-3205 соответственно ппон =1000 мин-1 и ппов =2500 мин-1. По техническим причинам для автобуса был исключен режим испытания на I передаче.
Анализ экспериментальных зависимостей значений параметра Е/ на режимах разгона и торможения от длительности показывает (рисунок 5), что в средней фазе разгона значения параметра значительно увеличиваются (до 880 раз на III передаче и до 400 раз на IV передаче), а затем резко уменьшаются. На фазе торможения значения параметра изменяются в 20...30 раз, особенно в конце фазы.
Для каждой передачи за время разгона и торможения рассчитывались средние значения параметра Е/ и критерия износостойкости Тн . Диаграммы распределения критерия Тн по разным передачам приведены на рисунках 6 и 7.
Анализ полученных результатов показывает, что для автомобиля ВАЗ-2107 и автобуса ПАЗ-3205 максимальная износостойкость подшипников коленчатого вала обеспечивается при режиме движения на II передачи. На остальных передачах износостойкость значительно меньше (соответственно в 4,6.6,6 и в 1,15.8,15 раза).
Проведенные экспериментальные исследования подтвердили гипотезу о существовании малоизносных режимов работы ав- денными в работе [5]. Однако предлагаемый томобильных двигателей. Полученные ре- метод определения малоизносных режимов зультаты для двигателя автомобиля ВАЗ- требует существенно меньших трудовых и ма-2107 хорошо согласуются с данными, приве- териальных ресурсов.
Рисунок 6. Диаграмма распределения значений критерия Т по разным передачам для УРД и НУРД автомобиля н ВАЗ-2107
Рисунок 7. Диаграммы распределения значений критерия Т по разным передачам для УРД и НУРД автобуса н ПАЗ-3205
На основании полученных результатов можно сделать вывод, что повышение долговечности автомобильных двигателей возможно за счет эксплуатации их на малоизносных режимах, установленных с помощью оригинальной методики экспресс-оценки условий смазки в подшипниках коленчатых валов. Предложенный подход
к повышению эксплуатационной надежности двигателей на основе критерия износостойкости подшипников коленчатого вала позволяет учесть дополнительные факторы и отойти от обобщенных рекомендаций в сфере эксплуатации АТС в сторону принятия более обоснованных организационно-технических решений.
05.10.2011
Список литературы:
1. Григорьев, М.А. Обеспечение надежности двигателей / М.А. Григорьев, В.А. Долецкий. - Издательство стандартов, 1977. -324 с.
2. Калимуллин, Р.Ф. Метод оценки трибологического состояния подвижных сопряжений автомобильных двигателей / Р.Ф. Калимуллин, Н.Н. Якунин, И.В. Тюняев // Вестник Оренбургского государственного университета, 2005. - № 12 (Приложение «Прогрессивные технологии в транспортных системах»).- С.50 - 55.
3. Коваленко, С.Ю. Методика оценки приспособленности автомобильных двигателей к изменяющимся условиям эксплуатации / С.Ю. Коваленко, И.В. Тюняев, Р.Ф. Калимуллин // Вестник Оренбургского государственного университета, 2009. - № 4.- С.165 - 170.
4. Сологуб, В.А. Разработка параметра и метода контроля приработанности подшипников коленчатого вала автомобильных двигателей по показателям смазочного процесса // В.А. Сологуб, Р.Ф. Калимуллин // Вестник Оренбургского государственного университета, 2005. - № 12 (Приложение «Прогрессивные технологии в транспортных системах»).- С.116 - 120.
5. Шабанов, А. Где живет износ / А. Шабанов // За рулем, 2009. - № 3 - С.150 - 152.
6. Якунин, Н.Н. Переходный смазочный процесс в коренных подшипниках автомобильных двигателей / Н.Н. Якунин, Р.Ф. Калимуллин, А.Ю. Алемасцев, С.В. Баловнев, В.А. Сологуб // Справочник. Инженерный журнал, 2002.- №7. - С. 14 - 20.
Сведения об авторах:
Тюняев Игорь Владимирович, главный инженер ЗАО «Автоколонна № 1825» (г. Оренбург), соискатель кафедры автомобильного транспорта транспортного факультета Оренбургского государственного университета 460052, г. Оренбург, ул. Лесозащитная, 20, тел. (3532) 752279 E-mail: [email protected]
Сологуб Владимир Арсентьевич, заведующий лабораториями кафедры автомобилей и безопасности движения транспортного факультета Оренбургского государственного университета,
кандидат технических наук 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, тел. (3532) 757771
UDC 621.89
Tjunjaev I.V., Sologub V. A.
Orenburg state university, e-mail: [email protected]
INFLUENCE OF THE HIGH-SPEED MODE OF MOVEMENT OF VEHICLES ON WEAR RESISTANCE OF BEARINGS OF CRANKED SHAFT OF ENGINES
In article laws of wear resistance of bearings of cranked shaft of engines depending on a high-speed mode of movement of vehicles (on an example of the car VAZ-2107 and bus PAZ-3205) are established. Techniques and results of trial runs of vehicles for reception of high-speed characteristics by new criterion of wear resistance of bearings of cranked shaft by means of an original express technique are resulted. High-speed modes of movement of the vehicles, providing the maximum wear resistance of bearings are defined.
Keywords: wear resistance, bearings of a cranked shaft, a high-speed mode, small breakups mode, the vehicle.
Bibliography:
1. Grigoriev, M.A. Security of reliability of engines / M.A. Grigoriev, V.A. Doletsky. - Standards Publishing House, 1977. - 324 with.
2. Kalimullin, R.F. Metod of an estimation tribology conditions of mobile interfaces of automobile engines / R.F. Kalimullin, N.N. Yakunin, I.V. Tjunjaev // the Bulletin of the Orenburg State University, 2005. - № 12 (the Appendix «Progressive technologies in transport systems»). W.50 - 55.
3. Kovalenko, S.J. Technique of an estimation of fitness of automobile engines to changing service conditions / S.J. Kovalenko, I.V.Tjunjaev, R.F. Kalimullin // the Bulletin of the Orenburg State University, 2009. - № 4. - W.165 - 170.
4. Sologub, V.A. Development of parameter and a quality monitoring wear-in bearings of a cranked shaft of automobile engines on indicators of lubricant process // V.A. Sologub, R.F. Kalimullin // the Bulletin of the Orenburg State University, 2005. - № 12 (the Appendix «Progressive technologies in transport systems»). W.116 - 120.
5. Shabanov, A. Where lives deterioration / A. Shabanov // At the wheel, 2009. - № 3 - W.150 - 152.
6. Yakunin, N.N. Transitive lubricant process in radical bearings of automobile engines / N.N. Yakunin, R.F. Kalimullin, A.J. Alemastsev, S.V. Balovnev, V.A. Sologub // the Directory. Engineering magazine, 2002. №7. - With. 14 - 20.
