Nota applicativa | Tribologia dei motori
Prova di usura dei pistoni con un tribometro
Simulazione delle interfacce mantello del pistone–lubrificante–canna del cilindro all'avviamento a freddo e alla temperatura di esercizio
Ricerca e prove sperimentali
Frank Liu
Progetto grafico e redazione
Andrew Shore
Introduzione
La prova di usura dei pistoni valuta attrito, lubrificazione e durata dei materiali tra mantelli dei pistoni e canne dei cilindri in condizioni di laboratorio controllate. Con un tribometro gli ingegneri possono riprodurre il moto alternato reale e misurare con precisione coefficiente di attrito, tasso di usura e topografia 3D della superficie. Questi risultati forniscono informazioni chiave sul comportamento tribologico di rivestimenti, lubrificanti e leghe usati nei pistoni dei motori, aiutando a ottimizzare prestazioni, efficienza nei consumi e affidabilità a lungo termine.
Perché la prova di usura dei pistoni è importante nello sviluppo dei motori
L'olio motore è un lubrificante ben progettato per la sua applicazione. Oltre all'olio base, vengono aggiunti additivi come detergenti, disperdenti, miglioratori dell'indice di viscosità (VI), agenti antiusura/antiattrito e inibitori di corrosione per migliorarne le prestazioni. Questi additivi influiscono sul comportamento dell'olio nelle diverse condizioni di esercizio. Il comportamento dell'olio incide sulle interfacce P-L-C e determina se si verifica un'usura significativa per contatto metallo-metallo o una lubrificazione idrodinamica (usura minima).
È difficile comprendere le interfacce P-L-C senza isolare la zona dalle variabili esterne. È più pratico simulare il fenomeno in condizioni rappresentative della sua applicazione reale. Il tribometro NANOVEA è ideale a questo scopo. Dotato di più sensori di forza, sensore di profondità, modulo di lubrificazione a goccia e tavola lineare alternata, il NANOVEA T2000 riproduce fedelmente ciò che avviene in un basamento motore e fornisce dati preziosi per comprendere meglio le interfacce P-L-C.
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L'interfaccia pistone–canna e il modulo di lubrificazione a goccia
Il modulo a goccia è fondamentale per questo studio. Poiché i pistoni possono muoversi molto velocemente (oltre 3000 rpm), è difficile creare un sottile film di lubrificante immergendo il campione. Per risolvere il problema, il modulo a goccia applica in modo costante una quantità fissa di lubrificante sulla superficie del mantello del pistone.
L'apporto di lubrificante fresco elimina anche il timore che i residui di usura distaccati influenzino le proprietà del lubrificante.
Come un tribometro simula l'usura reale pistone–canna
In questo rapporto si studiano le interfacce mantello del pistone–lubrificante–canna del cilindro. Le interfacce saranno riprodotte con una prova di usura in moto lineare alternato con modulo di lubrificazione a goccia.
Il lubrificante sarà applicato a temperatura ambiente e riscaldato, per confrontare l'avviamento a freddo con le condizioni ottimali di esercizio. Si osserveranno COF e tasso di usura per capire meglio come si comportano le interfacce nelle applicazioni reali.
NANOVEA T2000 High Load
Tribometro pneumatico
Parametri e configurazione della prova di usura dei pistoni
| Parametro | Valore |
|---|---|
| Carico | 100 N |
| Durata della prova | 30 min |
| Velocità | 2000 rpm |
| Ampiezza | 10 mm |
| Distanza totale | 1200 m |
| Rivestimento del mantello | Molibdeno-grafite |
| Materiale del perno | Lega di alluminio 5052 |
| Diametro del perno | 10 mm |
| Lubrificante | Olio motore (10W-30) |
| Portata appross. | 60 mL/min |
| Temperatura | Temp. ambiente e 90°C |
Parametri delle prove di usura lubrificate sui pistoni.
Rilevanza pratica della prova di usura dei pistoni
La prova di usura dei pistoni al tribometro fornisce informazioni fondamentali su come la scelta dei materiali e le strategie di lubrificazione influiscono sull'affidabilità reale del motore. Invece di affidarsi a costose prove su motori completi, i laboratori possono valutare rivestimenti, oli e superfici di leghe con carico meccanico e temperatura realistici. La profilometria 3D e i moduli di tribologia NANOVEA permettono di mappare con precisione la profondità di usura e la stabilità dell'attrito, aiutando i team di R&S a ottimizzare le prestazioni e accorciare i cicli di sviluppo.
Risultati e analisi della prova di usura dei pistoni
In questo esperimento si è usato l'A5052 come materiale antagonista. Sebbene i basamenti motore siano di solito in alluminio fuso come l'A356, l'A5052 ha proprietà meccaniche simili all'A356 per questa prova di simulazione[1].
Nelle condizioni di prova si è osservata un'usura significativa sul mantello del pistone a temperatura ambiente rispetto a 90°C. I graffi profondi visibili sui campioni indicano che il contatto tra il materiale statico e il mantello del pistone avviene spesso durante tutta la prova. L'alta viscosità a temperatura ambiente può impedire all'olio di riempire completamente i giochi alle interfacce, creando contatto metallo-metallo. A temperatura più alta l'olio si fluidifica e riesce a scorrere tra perno e pistone. Di conseguenza, a temperatura più alta si osserva un'usura molto minore. La Fig. 5 mostra che un lato della traccia di usura si è usurato molto meno dell'altro. Ciò è dovuto molto probabilmente alla posizione dell'uscita dell'olio. Lo spessore del film di lubrificante era maggiore su un lato che sull'altro, causando un'usura irregolare.
Il COF delle prove tribologiche in moto lineare alternato si può dividere in passata alta e bassa. La passata alta corrisponde al movimento del campione in avanti, o in direzione positiva, e la passata bassa al movimento all'indietro, o in direzione negativa. Il COF medio con l'olio a TA è risultato inferiore a 0,1 in entrambe le direzioni. I COF medi delle due passate erano 0,072 e 0,080. Il COF medio con l'olio a 90°C è risultato diverso tra le passate. Sono stati osservati COF medi di 0,167 e 0,09. La differenza di COF è un'ulteriore prova che l'olio riusciva a bagnare correttamente un solo lato del perno. Il COF alto si è ottenuto quando tra perno e mantello del pistone si formava un film spesso per effetto della lubrificazione idrodinamica. Nell'altra direzione si osserva un COF più basso, quando avviene una lubrificazione mista. Per maggiori informazioni su lubrificazione idrodinamica e mista, consulta la nostra nota applicativa sulle curve di Stribeck.
| Temp. dell'olio | COF max (alta/bassa) | COF min (alta/bassa) | COF medio (alta/bassa) | Tasso di usura (×10⁻⁷ mm³/N·m) |
|---|---|---|---|---|
| TA | 0.229/0.106 | 0.053/0.045 | 0.072/0.080 | 36.77 |
| 90°C | 0.345/0.161 | 0.008/0.021 | 0.167/0.094 | 10.77 |
Tabella 1: risultati della prova di usura lubrificata sui pistoni.
Fig. 4: analisi del volume di un foro della traccia di usura della prova con olio motore a TA.
Fig. 7: analisi del volume di un foro della traccia di usura della prova con olio motore a 90°C.
Conclusioni
È stata eseguita una prova di usura lubrificata in moto lineare alternato su un pistone per simulare ciò che avviene in un motore reale in funzione. Le interfacce mantello del pistone–lubrificante–canna del cilindro sono cruciali per il funzionamento di un motore. Lo spessore del lubrificante all'interfaccia è responsabile della perdita di energia per attrito o usura tra mantello del pistone e canna del cilindro. Per ottimizzare il motore, lo spessore del film deve essere il più sottile possibile senza che mantello e canna vengano a contatto. La sfida, però, è capire come le variazioni di temperatura, velocità e forza influiranno sulle interfacce P-L-C.
Con il suo ampio intervallo di carico (fino a 2000 N) e di velocità (fino a 15000 rpm), il tribometro NANOVEA T2000 può simulare diverse condizioni possibili in un motore. Studi futuri su questo tema potrebbero riguardare il comportamento delle interfacce P-L-C con diversi carichi costanti, carichi oscillanti, temperature del lubrificante, velocità e metodi di applicazione del lubrificante. Questi parametri si regolano facilmente con il tribometro NANOVEA T2000 per una comprensione completa dei meccanismi delle interfacce mantello del pistone–lubrificante–canna del cilindro.
Riferimenti
[1] “5052 Aluminum vs 356.0 Aluminum.” MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminum/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminum
Domande frequenti sulla prova di usura dei pistoni
Che cos'è la prova di usura dei pistoni?
La prova di usura dei pistoni valuta attrito, lubrificazione e durata dei materiali tra mantelli dei pistoni e canne dei cilindri in condizioni di laboratorio controllate. Un tribometro riproduce il moto alternato e misura coefficiente di attrito, tasso di usura e topografia 3D della superficie di rivestimenti, lubrificanti e leghe usati nei pistoni dei motori.
Come simula un tribometro l'interfaccia pistone–canna?
Con una prova di usura in moto lineare alternato e un modulo di lubrificazione a goccia. Qui un perno in A5052 da 10 mm ha lavorato contro un mantello di pistone rivestito al molibdeno-grafite a 100 N, 2000 rpm e 10 mm di ampiezza per 30 minuti (1200 m), con olio motore 10W-30 a circa 60 mL/min, a temperatura ambiente e a 90°C.
Perché usare un modulo a goccia invece di un bagno d'olio?
I pistoni possono muoversi molto velocemente (oltre 3000 rpm), quindi immergere il campione rende difficile formare un sottile film di lubrificante. Il modulo a goccia applica in modo costante una quantità fissa di lubrificante fresco sul mantello, il che elimina anche il timore che i residui di usura distaccati alterino le proprietà del lubrificante.
Come ha influito la temperatura dell'olio sull'usura del mantello del pistone?
A temperatura ambiente si è avuta un'usura significativa, perché l'alta viscosità può impedire all'olio di riempire i giochi e permettere il contatto metallo-metallo. A 90°C l'olio si fluidifica e scorre tra perno e pistone: il tasso di usura è sceso da 36,77 a 10,77 × 10⁻⁷ mm³/N·m.
Perché l'attrito si divide in passata alta e bassa?
In una prova in moto lineare alternato, la passata alta è la corsa di andata (positiva) e la passata bassa quella di ritorno (negativa). A 90°C il COF medio è risultato diverso tra le passate (0,167 e 0,094), un'ulteriore prova che l'olio bagnava correttamente un solo lato del perno.
Quale strumento NANOVEA è stato usato per la prova di usura dei pistoni?
Il tribometro ad alto carico NANOVEA T2000 con tavola lineare alternata, più sensori di forza, un sensore di profondità e un modulo di lubrificazione a goccia. Il suo intervallo di carico fino a 2000 N e di velocità fino a 15000 rpm consente di simulare diverse condizioni del motore.
