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Pruebas de desgaste del pistón

PRUEBAS DE DESGASTE DE PISTONESUTILIZANDO EL TRIBÓMETRO NANOVEA

Pruebas de desgaste del pistón utilizando el tribómetro NANOVEA en condiciones lubricadas.

Preparado por

FRANK LIU

¿Qué es la prueba de desgaste de pistones?

Las pruebas de desgaste de pistones evalúan la fricción, la lubricación y la durabilidad de los materiales entre las faldas de pistón y las camisas de cilindro en condiciones controladas de laboratorio. Utilizando un tribómetroLos ingenieros pueden reproducir el movimiento alternativo real y medir con precisión el coeficiente de fricción, la tasa de desgaste y la topografía de la superficie en 3D. Estos resultados proporcionan información clave sobre el comportamiento tribológico de los revestimientos, lubricantes y aleaciones utilizados en los pistones de los motores, ayudando a optimizar el rendimiento, la eficiencia del combustible y la fiabilidad a largo plazo.

esquema de la interfaz de lubricación de la falda del pistón y la camisa del cilindro durante las pruebas de desgaste

 Esquema del sistema de cilindros de potencia e interfaces falda del pistón-lubricante-guarnición del cilindro.

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Por qué son importantes las pruebas de desgaste del pistón en el desarrollo de motores

El aceite de motor es un lubricante bien diseñado para su aplicación. Además del aceite base, se añaden aditivos como detergentes, dispersantes, mejoradores de la viscosidad (VI), agentes antidesgaste/antifricción e inhibidores de la corrosión para mejorar su rendimiento. Estos aditivos afectan al comportamiento del aceite en diferentes condiciones de funcionamiento. El comportamiento del aceite afecta a las interfaces P-L-C y determina si se produce un desgaste significativo por contacto metal-metal o si se produce lubricación hidrodinámica (muy poco desgaste).

Es difícil comprender las interfaces P-L-C sin aislar la zona de las variables externas. Resulta más práctico simular el suceso con condiciones representativas de su aplicación en la vida real. El sitio NANOVEA Tribometer es ideal para ello. Equipado con múltiples sensores de fuerza, sensor de profundidad, un módulo de lubricante gota a gota y una etapa lineal alternativa, el NANOVEA T2000 es capaz de imitar de cerca los acontecimientos que se producen en el interior de un bloque motor y obtener datos valiosos para comprender mejor las interfaces P-L-C.

nanovea tribometer piston wear and friction testing module setup

Módulo de líquido en el tribómetro NANOVEA T2000

El módulo gota a gota es crucial para este estudio. Dado que los pistones pueden moverse a gran velocidad (más de 3.000 rpm), es difícil crear una fina película de lubricante sumergiendo la muestra. Para solucionar este problema, el módulo gota a gota es capaz de aplicar una cantidad constante de lubricante sobre la superficie de la falda del pistón.

La aplicación de lubricante fresco también elimina la preocupación de que los contaminantes de desgaste desalojados influyan en las propiedades del lubricante.

Cómo simulan los tribómetros
Desgaste real de la camisa del pistón

En este informe se estudiarán las interfaces falda del pistón-lubricante- camisa del cilindro. Las interfaces se reproducirán mediante la realización de un movimiento alternativo lineal. prueba de desgaste con módulo de lubricante gota a gota.

El lubricante se aplicará a temperatura ambiente y en condiciones de calentamiento para comparar el arranque en frío y las condiciones óptimas de funcionamiento. Se observará el COF y la tasa de desgaste para comprender mejor cómo se comportan las interfaces en aplicaciones reales.

NANOVEA T2000
Tribómetro de alta carga

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Tribómetro neumático de alta carga NANOVEA T2000

Parámetros y configuración de la prueba de desgaste del pistón

CARGAR ............................ 100 N

DURACIÓN DE LA PRUEBA ............................ 30 minutos

VELOCIDAD ............................ 2000 rpm

AMPLITUD ............................ 10 mm

DISTANCIA TOTAL ............................ 1200 m

REVESTIMIENTO DE LA FALDA ............................ Moly-grafito

PIN MATERIAL ............................ Aleación de aluminio 5052

DIÁMETRO DEL PIN ............................ 10 mm

LUBRICANTE ............................ Aceite de motor (10W-30)

CAUDAL APROX. CAUDAL ............................ 60 mL/min

TEMPERATURA ............................ Temperatura ambiente y 90°C

Relevancia real de
Pruebas de desgaste del pistón

Las pruebas de desgaste de pistones basadas en tribómetros proporcionan una visión crítica de cómo las elecciones de materiales y las estrategias de lubricación afectan a la fiabilidad real del motor. En lugar de depender de costosas pruebas en motores completos, los laboratorios pueden evaluar revestimientos, aceites y superficies de aleación en condiciones realistas de carga mecánica y temperatura. NANOVEA Perfilometría 3D y los módulos de tribología permiten cartografiar con precisión la profundidad de desgaste y la estabilidad de la fricción, lo que ayuda a los equipos de I+D a optimizar el rendimiento y reducir los ciclos de desarrollo.

Resultados y análisis de las pruebas de desgaste del pistón

comparación de la cicatriz de desgaste del pistón a partir de la prueba de desgaste lubricada por tribómetro

En este experimento, se utilizó A5052 como contramaterial. Aunque los bloques de motor suelen estar hechos de aluminio fundido, como el A356, el A5052 tiene propiedades mecánicas similares al A356 para este ensayo de simulación [1].

En las condiciones de ensayo, se observó un desgaste significativo en la falda del pistón a temperatura ambiente en comparación con 90°C. Los profundos arañazos observados en las muestras sugieren que el contacto entre el material estático y la falda del pistón se produce con frecuencia a lo largo de la prueba. La alta viscosidad a temperatura ambiente puede impedir que el aceite llene completamente los huecos en las interfaces y cree contacto metal-metal. A mayor temperatura, el aceite se diluye y puede fluir entre el bulón y el pistón. Como resultado, se observa un desgaste significativamente menor a mayor temperatura. La FIGURA 5 muestra que un lado de la cicatriz de desgaste se desgasta mucho menos que el otro. Esto se debe probablemente a la ubicación de la salida de aceite. El espesor de la película lubricante era mayor en un lado que en el otro, lo que provocó un desgaste desigual.

[1] "Aluminio 5052 frente a aluminio 356.0". MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminum/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminum

El COF de los ensayos tribológicos alternativos lineales puede dividirse en paso alto y paso bajo. El paso alto se refiere a la muestra que se mueve en la dirección de avance, o positiva, y el paso bajo se refiere a la muestra que se mueve en la dirección de retroceso, o negativa. Se observó que el COF medio del aceite RT era inferior a 0,1 en ambas direcciones. El COF medio entre pasadas fue de 0,072 y 0,080. Se observó que el COF medio del aceite a 90°C era diferente entre pasadas. Se observaron valores medios de COF de 0,167 y 0,09. La diferencia en el COF es una prueba adicional de que el aceite sólo fue capaz de humedecer correctamente un lado del pasador. Se obtuvo un COF elevado cuando se formó una película gruesa entre el bulón y la falda del pistón debido a que se produjo una lubricación hidrodinámica. Se observa un COF más bajo en la otra dirección cuando se produce una lubricación mixta. Para obtener más información sobre la lubricación hidrodinámica y la lubricación mixta, visite nuestra nota de aplicación en Curvas Stribeck.
resultados del coeficiente de fricción y del índice de desgaste de la prueba de desgaste del pistón lubricado

Cuadro 1: Resultados de la prueba de desgaste de pistones lubricados.

gráficos del coeficiente de fricción para la prueba de desgaste del pistón a temperatura ambiente que muestran los perfiles de paso alto y bajo en bruto

FIGURA 1: Gráficos COF para la prueba de desgaste del aceite a temperatura ambiente A perfil bruto B paso alto C paso bajo.

gráficos del coeficiente de fricción para la prueba de desgaste del pistón a 90 grados centígrados que muestran los perfiles de paso alto y bajo en bruto

FIGURA 2: Gráficos COF para la prueba de aceite de desgaste a 90°C A perfil bruto B paso alto C paso bajo.

imagen al microscopio óptico de la cicatriz de desgaste del pistón en la prueba de desgaste del aceite de motor a temperatura ambiente

FIGURA 3: Imagen óptica de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste del aceite de motor RT.

superficie del pistón con cicatriz de desgaste localizada resaltada para el análisis tribológico
análisis de volumen y profundidad de la cicatriz de desgaste del pistón a partir de la prueba del tribómetro

FIGURA 4: Volumen de un análisis del agujero de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste del aceite de motor RT.

Perfilometría de superficie 3D de la cicatriz de desgaste del pistón que muestra la profundidad de desgaste y la rugosidad

FIGURA 5: Escaneado perfilométrico de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste del aceite de motor RT.

imagen al microscopio óptico de la cicatriz de desgaste del pistón en la prueba de desgaste del aceite de motor a 90 grados

FIGURA 6: Imagen óptica de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste de aceite de motor a 90°C

falda del pistón mostrando la zona de desgaste analizada durante la prueba de desgaste del pistón tribómetro
medición del volumen y la profundidad de la cicatriz de desgaste del pistón a partir de la prueba del tribómetro de aceite de motor de 90 grados

FIGURA 7: Volumen de un análisis de agujero de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste de aceite de motor a 90°C.

Escaneado de perfilometría de superficie 3D de la cicatriz de desgaste del pistón de una prueba de desgaste de aceite de motor de 90 grados que muestra la profundidad y la textura del desgaste.

FIGURA 8: Escaneado perfilométrico de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste de aceite de motor a 90°C.

Conclusiones: Evaluación del desgaste del motor con tribómetros NANOVEA

Se realizaron pruebas de desgaste alternativo lineal lubricado en un pistón para simular lo que ocurre en un motor operativo real. La interfaz entre la falda del pistón, el lubricante y la camisa del cilindro es crucial para el funcionamiento de un motor. El espesor del lubricante en la interfaz es responsable de la pérdida de energía debida a la fricción o al desgaste entre la falda del pistón y la camisa del cilindro. Para optimizar el motor, el espesor de la película debe ser lo más fino posible sin permitir que la falda del pistón y la camisa del cilindro se toquen. El reto, sin embargo, es cómo afectarán los cambios de temperatura, velocidad y fuerza a las interfaces P-L-C.

Con su amplio rango de carga (hasta 2000 N) y velocidad (hasta 15000 rpm), el tribómetro NANOVEA T2000 es capaz de simular diferentes condiciones posibles en un motor. Los posibles estudios futuros sobre este tema incluyen cómo se comportarán las interfaces P-L-C bajo diferentes cargas constantes, cargas oscilantes, temperatura del lubricante, velocidad y método de aplicación del lubricante. Estos parámetros pueden ajustarse fácilmente con el tribómetro NANOVEA T2000 para obtener una comprensión completa de los mecanismos de las interfaces falda del pistón-lubricante-guarnición del cilindro.

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