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Test di usura del pistone

Test di usura del pistone

Utilizzo di un tribometro

Preparato da

FRANK LIU

INTRODUZIONE

La perdita per attrito rappresenta circa 10% dell'energia totale del carburante per un motore diesel.[1]. 40-55% della perdita di attrito proviene dal sistema del cilindro di potenza. La perdita di energia dovuta all'attrito può essere ridotta con una migliore comprensione delle interazioni tribologiche che si verificano nel sistema del cilindro di potenza.

Una parte significativa della perdita di attrito nel sistema dei cilindri di potenza deriva dal contatto tra il cielo del pistone e la canna del cilindro. L'interazione tra il cielo del pistone, il lubrificante e le interfacce del cilindro è piuttosto complessa a causa dei continui cambiamenti di forza, temperatura e velocità in un motore reale. L'ottimizzazione di ogni fattore è fondamentale per ottenere prestazioni ottimali del motore. Questo studio si concentra sulla riproduzione dei meccanismi che causano le forze di attrito e l'usura alle interfacce gonna del pistone-lubrificante-camera del cilindro (P-L-C).

 Schema del sistema dei cilindri di potenza e delle interfacce gonna del pistone-lubrificante-camicia del cilindro.

[1] Bai, Dongfang. Modellazione della lubrificazione del mantello del pistone nei motori a combustione interna. Diss. MIT, 2012

IMPORTANZA DI TESTARE I PISTONI CON I TRIBOMETRI

L'olio motore è un lubrificante ben progettato per la sua applicazione. Oltre all'olio di base, per migliorarne le prestazioni vengono aggiunti additivi come detergenti, disperdenti, miglioratori di viscosità (VI), agenti antiusura/antiattrito e inibitori della corrosione. Questi additivi influenzano il comportamento dell'olio in diverse condizioni operative. Il comportamento dell'olio influisce sulle interfacce P-L-C e determina se si verifica un'usura significativa da contatto metallo-metallo o se si verifica una lubrificazione idrodinamica (usura minima).

È difficile comprendere le interfacce P-L-C senza isolare l'area dalle variabili esterne. È più pratico simulare l'evento con condizioni rappresentative della sua applicazione reale. Il NANOVEA Tribometro è l'ideale per questo. Dotato di più sensori di forza, sensore di profondità, modulo di lubrificazione goccia a goccia e stadio alternativo lineare, il NANOVEA T2000 è in grado di simulare da vicino gli eventi che si verificano all'interno di un blocco motore e di ottenere dati preziosi per comprendere meglio le interfacce P-L-C.

Modulo liquido sul tribometro NANOVEA T2000

Il modulo goccia a goccia è fondamentale per questo studio. Poiché i pistoni possono muoversi a una velocità molto elevata (superiore a 3.000 giri/min), è difficile creare un sottile film di lubrificante immergendo il campione. Per ovviare a questo problema, il modulo goccia a goccia è in grado di applicare in modo costante una quantità di lubrificante sulla superficie della gonna del pistone.

L'applicazione di un lubrificante fresco elimina anche il rischio che i contaminanti dell'usura possano influenzare le proprietà del lubrificante.

Tribometro pneumatico ad alto carico

NANOVEA T2000

Tribometro ad alto carico

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questa relazione verranno studiate le interfacce gonna del pistone-lubrificante-camicia del cilindro. Le interfacce saranno riprodotte eseguendo un test di usura lineare alternata con modulo di lubrificazione goccia a goccia.

Il lubrificante sarà applicato a temperatura ambiente e in condizioni di riscaldamento per confrontare le condizioni di avviamento a freddo e di funzionamento ottimale. Il COF e il tasso di usura saranno osservati per capire meglio come si comportano le interfacce nelle applicazioni reali.

PARAMETRI DEL TEST

per test tribologici su pistoni

CARICO ............................ 100 N

DURATA DEL TEST ............................ 30 minuti

VELOCITÀ ............................ 2000 giri al minuto

AMPLITUDINE ............................ 10 mm

DISTANZA TOTALE ............................ 1200 m

RIVESTIMENTO DELLA GONNA ............................ Moly-grafite

MATERIALE PERNO ............................ Lega di alluminio 5052

DIAMETRO DEL PIN ............................ 10 mm

LUBRIFICANTE ............................ Olio motore (10W-30)

APPROSSIMATIVA. PORTATA ............................ 60 mL/min

TEMPERATURA ............................ Temperatura ambiente e 90°C

RISULTATI DEL TEST DI RECIPROCITÀ LINEARE

In questo esperimento è stato utilizzato l'A5052 come materiale di contrasto. Mentre i blocchi motore sono solitamente realizzati in alluminio fuso come l'A356, l'A5052 ha proprietà meccaniche simili all'A356 per questa prova simulativa [2].

Nelle condizioni di prova, è stata riscontrata un'usura significativa
osservata sul mantello del pistone a temperatura ambiente
rispetto ai 90°C. I graffi profondi osservati sui campioni suggeriscono che il contatto tra il materiale statico e la gonna del pistone si verifica frequentemente durante il test. L'elevata viscosità a temperatura ambiente potrebbe impedire all'olio di riempire completamente gli spazi alle interfacce e di creare un contatto metallo-metallo. A temperature più elevate, l'olio si assottiglia e riesce a scorrere tra lo spinotto e il pistone. Di conseguenza, a temperature più elevate si osserva un'usura significativamente minore. La FIGURA 5 mostra che un lato della cicatrice da usura si è consumato molto meno dell'altro. Ciò è probabilmente dovuto alla posizione dell'uscita dell'olio. Lo spessore del film di lubrificante era maggiore su un lato rispetto all'altro, causando un'usura non uniforme.

 

 

[2] "Alluminio 5052 vs alluminio 356.0". MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminum/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminum

Il COF dei test tribologici lineari alternativi può essere suddiviso in un passaggio alto e un passaggio basso. Il passaggio alto si riferisce al campione che si muove in avanti, o in senso positivo, mentre il passaggio basso si riferisce al campione che si muove in senso inverso, o in senso negativo. La COF media per l'olio RT è stata osservata inferiore a 0,1 in entrambe le direzioni. I COF medi tra le passate sono stati di 0,072 e 0,080. Il COF medio dell'olio a 90°C è risultato diverso tra le passate. Sono stati osservati valori medi di COF pari a 0,167 e 0,09. La differenza di COF dimostra ulteriormente che l'olio è riuscito a bagnare correttamente solo un lato del perno. Si è ottenuto un COF elevato quando si è formato un film spesso tra lo spinotto e la gonna del pistone, a causa della lubrificazione idrodinamica. Si osserva un COF più basso nell'altra direzione quando si verifica una lubrificazione mista. Per ulteriori informazioni sulla lubrificazione idrodinamica e sulla lubrificazione mista, visitate la nostra nota applicativa su Curve di Stribeck.

Tabella 1: Risultati del test di usura lubrificata sui pistoni.

FIGURA 1: Grafici COF per il test di usura dell'olio a temperatura ambiente A profilo grezzo B passaggio alto C passaggio basso.

FIGURA 2: Grafici COF per il test dell'olio di usura a 90°C A profilo grezzo B passaggio alto C passaggio basso.

FIGURA 3: Immagine ottica della cicatrice da usura del test di usura dell'olio motore RT.

FIGURA 4: Volume di un foro per l'analisi della cicatrice da usura del test di usura dell'olio motore RT.

FIGURA 5: Scansione profilometrica della cicatrice da usura del test di usura dell'olio motore RT.

FIGURA 6: Immagine ottica di una cicatrice da usura da un test di usura dell'olio motore a 90°C

FIGURA 7: Volume di un foro per l'analisi della cicatrice da usura del test di usura dell'olio motore a 90°C.

FIGURA 8: Scansione profilometrica della cicatrice da usura del test di usura dell'olio motore a 90°C.

CONCLUSIONE

Sono stati condotti test di usura lineare alternata lubrificata su un pistone per simulare gli eventi che si verificano in un
motore in funzione nella vita reale. L'interfaccia gonna del pistone-lubrificante-camicia del cilindro è fondamentale per il funzionamento di un motore. Lo spessore del lubrificante all'interfaccia è responsabile della perdita di energia dovuta all'attrito o all'usura tra la gonna del pistone e la canna del cilindro. Per ottimizzare il motore, lo spessore del film deve essere il più sottile possibile, senza che il mantello del pistone e la canna del cilindro si tocchino. La sfida, tuttavia, consiste nel capire come le variazioni di temperatura, velocità e forza influiranno sulle interfacce P-L-C.

Grazie all'ampia gamma di carichi (fino a 2000 N) e velocità (fino a 15000 giri/min), il tribometro NANOVEA T2000 è in grado di simulare le diverse condizioni possibili in un motore. Possibili studi futuri su questo argomento includono il comportamento delle interfacce P-L-C in condizioni di carico costante, carico oscillante, temperatura del lubrificante, velocità e metodo di applicazione del lubrificante. Questi parametri possono essere facilmente regolati con il tribometro NANOVEA T2000 per fornire una comprensione completa dei meccanismi delle interfacce gonna del pistone-lubrificante-camicia del cilindro.

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