피스톤 마모 시험은 통제된 실험실 조건 하에서 피스톤 스커트와 실린더 라이너 사이의 마찰, 윤활 및 재료 내구성을 평가합니다. 사용된 트라이보미터, 엔지니어들은 실제 왕복 운동을 재현하고 마찰 계수, 마모율 및 3D 표면 지형을 정밀하게 측정할 수 있습니다. 이러한 결과는 엔진 피스톤에 사용되는 코팅, 윤활제 및 합금의 마찰학적 거동에 대한 핵심적인 통찰력을 제공하여 성능, 연비 및 장기적 신뢰성을 최적화하는 데 기여합니다.
파워 실린더 시스템 및 피스톤 스커트-윤활유-실린더 라이너 인터페이스의 개략도.
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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 트라이보미터가 이에 이상적입니다. 여러 개의 힘 센서, 깊이 센서, 드롭 바이 드롭 윤활유 모듈, 선형 왕복 스테이지가 장착되어 있습니다. 나노비아 T2000 엔진 블록 내부에서 발생하는 현상을 정밀하게 모방할 수 있으며, P-L-C 인터페이스를 더 잘 이해하기 위한 유용한 데이터를 확보할 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.
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
마찰계 기반 피스톤 마모 시험은 재료 선택과 윤활 전략이 실제 엔진 신뢰성에 미치는 영향을 파악하는 데 중요한 통찰력을 제공합니다. 고비용의 전체 엔진 시험에 의존하는 대신, 연구소는 현실적인 기계적 하중 및 온도 조건 하에서 코팅, 오일, 합금 표면을 평가할 수 있습니다. NANOVEA의 3D 프로파일 측정법 마모 및 마찰학 모듈은 마모 깊이와 마찰 안정성을 정밀하게 매핑하여 연구개발팀이 성능을 최적화하고 개발 주기를 단축하는 데 도움을 줍니다.
본 실험에서는 A5052를 대조 재료로 사용하였다. 엔진 블록은 일반적으로 A356과 같은 주조 알루미늄으로 제작되지만, 본 시뮬레이션 테스트에서는 A5052가 A356과 유사한 기계적 특성을 나타낸다[1].
실험 조건 하에서 실온에서는 90°C에 비해 피스톤 스커트에 상당한 마모가 관찰되었다. 시편에서 확인된 깊은 스크래치는 정적 재료와 피스톤 스커트 간의 접촉이 시험 전반에 걸쳐 빈번하게 발생했음을 시사한다. 실온에서의 높은 점도는 오일이 계면 간극을 완전히 채우는 것을 방해하여 금속-금속 접촉을 유발할 수 있다. 온도가 상승하면 오일이 묽어져 핀과 피스톤 사이로 유입될 수 있습니다. 그 결과 고온에서는 현저히 적은 마모가 관찰됩니다. 그림 5는 마모 흔적의 한쪽 면이 다른 쪽보다 훨씬 덜 마모된 모습을 보여줍니다. 이는 오일 배출 위치 때문일 가능성이 높습니다. 윤활유 막 두께가 한쪽 면에서 더 두꺼워 불균일한 마모가 발생했습니다.
[1] “5052 알루미늄 대 356.0 알루미늄.” MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminum/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminum
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.
실제 작동 엔진에서 발생하는 현상을 모사하기 위해 피스톤에 윤활된 선형 왕복 마모 시험을 수행하였다. 피스톤 스커트-윤활유-실린더 라이너 접합부는 엔진 작동에 매우 중요하다. 이 접합부의 윤활유 두께는 피스톤 스커트와 실린더 라이너 사이의 마찰 또는 마모로 인한 에너지 손실을 결정한다. 엔진 성능을 최적화하려면 피스톤 스커트와 실린더 라이너가 접촉하지 않으면서 가능한 한 얇은 윤활막 두께를 유지해야 합니다. 그러나 온도, 속도, 힘의 변화가 P-L-C 접합부에 미치는 영향이 핵심 과제입니다.
NANOVEA T2000 마찰계는 넓은 하중 범위(최대 2000 N)와 속도 범위(최대 15000 rpm)를 통해 엔진 내에서 발생 가능한 다양한 조건을 시뮬레이션할 수 있습니다. 이 주제에 대한 향후 연구 가능성으로는 피스톤 스커트-윤활유-실린더 라이너 접촉면이 다양한 정하중, 진동 하중, 윤활유 온도, 속도 및 윤활유 도포 방법 하에서 어떻게 동작하는지 분석하는 것이 포함됩니다. 이러한 매개변수들은 NANOVEA T2000 마찰계로 쉽게 조정 가능하여 피스톤 스커트-윤활유-실린더 라이너 접촉면의 메커니즘에 대한 완전한 이해를 제공할 수 있습니다.
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