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피스톤 마모 테스트

피스톤 마모 테스트

트라이보미터 사용

작성자

프랭크 리우

소개

마찰 손실은 디젤 엔진 연료의 총 에너지 중 약 10%를 차지합니다.[1]. 마찰 손실의 40-55%는 파워 실린더 시스템에서 발생합니다. 마찰로 인한 에너지 손실은 파워 실린더 시스템에서 발생하는 마찰학적 상호 작용을 더 잘 이해하면 줄일 수 있습니다.

파워 실린더 시스템에서 발생하는 마찰 손실의 상당 부분은 피스톤 스커트와 실린더 라이너 사이의 접촉에서 비롯됩니다. 피스톤 스커트, 윤활유, 실린더 인터페이스 간의 상호 작용은 실제 엔진에서 힘, 온도, 속도가 지속적으로 변화하기 때문에 매우 복잡합니다. 각 요소를 최적화하는 것이 최적의 엔진 성능을 얻기 위한 핵심입니다. 이 연구는 피스톤 스커트-윤활유-실린더 라이너(P-L-C) 인터페이스에서 마찰력과 마모를 유발하는 메커니즘을 재현하는 데 중점을 둡니다.

 파워 실린더 시스템 및 피스톤 스커트-윤활유-실린더 라이너 인터페이스의 개략도.

[1] 바이, 동팡. 내연 기관의 피스톤 스커트 윤활 모델링. Diss. MIT, 2012

트라이보미터를 이용한 피스톤 테스트의 중요성

모터 오일은 용도에 맞게 잘 설계된 윤활유입니다. 기유 외에도 세제, 분산제, 점도 개선제(VI), 마모 방지/마찰 방지제, 부식 방지제 등의 첨가제가 첨가되어 성능을 향상시킵니다. 이러한 첨가제는 다양한 작동 조건에서 오일이 작동하는 방식에 영향을 미칩니다. 오일의 거동은 P-L-C 계면에 영향을 미치며 금속과 금속의 접촉으로 인한 심각한 마모가 발생하는지 또는 유체 역학적 윤활(마모가 거의 발생하지 않음)이 발생하는지를 결정합니다.

외부 변수로부터 영역을 분리하지 않고는 P-L-C 인터페이스를 이해하기 어렵습니다. 실제 적용을 대표하는 조건으로 이벤트를 시뮬레이션하는 것이 더 실용적입니다. P-L-C 인터페이스의 나노비아 트라이보미터 이것에 이상적입니다. 다중 힘 센서, 깊이 센서, 적하식 윤활 모듈 및 선형 왕복 스테이지를 갖추고 있습니다. 나노비아 T2000은 엔진 블록 내에서 발생하는 이벤트를 면밀히 모방하고 P-L-C 인터페이스를 더 잘 이해하기 위한 귀중한 데이터를 얻을 수 있습니다.

나노베아 T2000 트라이보미터의 액체 모듈

드롭 바이 드롭 모듈은 이 연구에서 매우 중요합니다. 피스톤은 매우 빠른 속도(3000rpm 이상)로 움직일 수 있기 때문에 시료를 담가서 윤활유의 얇은 막을 만드는 것이 어렵습니다. 이 문제를 해결하기 위해 드롭 바이 드롭 모듈은 피스톤 스커트 표면에 일정한 양의 윤활제를 일관되게 도포할 수 있습니다.

또한 새로운 윤활유를 바르면 윤활유의 특성에 영향을 미치는 마모 오염 물질이 제거될 염려가 없습니다.

고부하 공압 트라이보미터

나노베아 T2000

고부하 트라이보미터

측정 목표

이 보고서에서는 피스톤 스커트-윤활유-실린더 라이너 인터페이스에 대해 연구합니다. 드롭 바이 드롭 윤활유 모듈을 사용하여 선형 왕복 마모 테스트를 수행하여 인터페이스를 복제합니다.

윤활유를 실온 및 가열 조건에서 도포하여 콜드 스타트와 최적의 작동 조건을 비교합니다. COF와 마모율을 관찰하여 실제 애플리케이션에서 인터페이스가 어떻게 작동하는지 더 잘 이해할 수 있습니다.

테스트 매개변수

피스톤의 마찰 테스트용

로드 ............................ 100 N

테스트 기간 ............................ 30분

속도 ............................ 2000 rpm

증폭도 ............................ 10 mm

총 거리 ............................ 1200 m

스커트 코팅 ............................ 몰리 그라파이트

비밀번호 자료 ............................ 알루미늄 합금 5052

핀 직경 ............................ 10 mm

윤활유 ............................ 모터 오일(10W-30)

APPROX. 흐름 속도 ............................ 60mL/min

온도 ............................ 실내 온도 및 90°C

선형 왕복 테스트 결과

이 실험에서는 A5052를 카운터 재료로 사용했습니다. 엔진 블록은 일반적으로 A356과 같은 주조 알루미늄으로 제작되지만, A5052는 이 시뮬레이션 테스트에서 A356과 유사한 기계적 특성을 가졌습니다 [2].

테스트 조건에서 상당한 마모가 발생했습니다.
실온에서 피스톤 스커트에서 관찰됨
90°C에서와 비교했습니다. 샘플에서 보이는 깊은 스크래치는 정적 물질과 피스톤 스커트 사이의 접촉이 테스트 내내 자주 발생했음을 시사합니다. 실온에서 점도가 높기 때문에 오일이 계면의 틈새를 완전히 채우고 금속과 금속이 접촉하는 것을 제한할 수 있습니다. 더 높은 온도에서는 오일이 묽어져 핀과 피스톤 사이를 흐를 수 있습니다. 그 결과 고온에서 마모가 현저히 줄어듭니다. 그림 5는 마모 흉터의 한쪽이 다른 쪽보다 훨씬 적게 마모된 것을 보여줍니다. 이는 오일 출력의 위치 때문일 가능성이 높습니다. 윤활막 두께가 한 쪽이 다른 쪽보다 두꺼워서 마모가 고르지 않게 발생했습니다.

 

 

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

선형 왕복 마찰 테스트의 COF는 하이패스와 로우패스로 나눌 수 있습니다. 하이 패스는 샘플이 정방향 또는 양의 방향으로 이동하는 것을 의미하고 로우 패스는 샘플이 역방향 또는 음의 방향으로 이동하는 것을 의미합니다. RT 오일의 평균 COF는 두 방향 모두 0.1 미만인 것으로 관찰되었습니다. 패스 간 평균 COF는 0.072와 0.080이었습니다. 90°C 오일의 평균 COF는 패스마다 다른 것으로 나타났습니다. 평균 COF 값은 0.167과 0.09로 관찰되었습니다. COF의 차이는 오일이 핀의 한쪽 면만 제대로 적실 수 있었다는 추가적인 증거를 제공합니다. 유체 역학적 윤활이 발생하여 핀과 피스톤 스커트 사이에 두꺼운 막이 형성되었을 때 높은 COF를 얻을 수 있었습니다. 혼합 윤활이 발생하면 다른 방향에서 낮은 COF가 관찰됩니다. 유체 역학 윤활 및 혼합 윤활에 대한 자세한 내용은 다음 애플리케이션 노트를 참조하십시오. 스트라이벡 커브.

표 1: 피스톤의 윤활 마모 테스트 결과.

그림 1: 상온 오일 마모 테스트용 COF 그래프 A 원시 프로파일 B 하이 패스 C 로우 패스.

그림 2: 90°C 마모 오일 테스트의 COF 그래프 A 원시 프로파일 B 하이 패스 C 로우 패스.

그림 3: RT 모터 오일 마모 테스트의 마모 흉터 광학 이미지.

그림 4: RT 모터 오일 마모 테스트에서 마모 흉터의 구멍 분석 부피.

그림 5: RT 모터 오일 마모 테스트에서 마모 흉터의 프로파일 측정 스캔.

그림 6: 90°C 모터 오일 마모 테스트의 마모 흉터 광학 이미지

그림 7: 90°C 모터 오일 마모 테스트에서 마모 흉터의 구멍 분석 부피.

그림 8: 90°C 모터 오일 마모 테스트에서 마모 흉터에 대한 프로파일 측정 스캔.

결론

윤활 선형 왕복 마모 테스트는 피스톤에 대해 수행되어 피스톤에서 발생하는 이벤트를 시뮬레이션했습니다.
실제 작동하는 엔진. 피스톤 스커트-윤활유-실린더 라이너 인터페이스는 엔진 작동에 매우 중요합니다. 계면의 윤활유 두께는 피스톤 스커트와 실린더 라이너 사이의 마찰 또는 마모로 인한 에너지 손실의 원인이 됩니다. 엔진을 최적화하려면 피스톤 스커트와 실린더 라이너가 닿지 않도록 필름 두께를 가능한 한 얇게 유지해야 합니다. 하지만 온도, 속도, 힘의 변화가 P-L-C 인터페이스에 어떤 영향을 미치는지 파악하는 것이 과제입니다.

나노베아 T2000 트라이보미터는 광범위한 하중(최대 2000N)과 속도(최대 15000rpm)를 통해 엔진에서 가능한 다양한 조건을 시뮬레이션할 수 있습니다. 이 주제에 대한 향후 가능한 연구에는 다양한 정하중, 진동 하중, 윤활유 온도, 속도 및 윤활유 도포 방법에서 P-L-C 인터페이스가 어떻게 작동하는지가 포함됩니다. 이러한 파라미터는 나노베아 T2000 트라이보미터로 쉽게 조정할 수 있어 피스톤 스커트-윤활유-실린더 라이너 인터페이스의 메커니즘을 완벽하게 이해할 수 있습니다.

이제 애플리케이션에 대해 이야기해 보겠습니다.

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