Test Drive Εσωτερική Τριβή II

Τύποι λίπανσης και μέθοδος λίπανσης διαφόρων εξαρτημάτων κινητήρα

Τύποι λίπανσης

Οι αλληλεπιδράσεις των κινούμενων επιφανειών, συμπεριλαμβανομένης της τριβής, της λίπανσης και της φθοράς, είναι αποτέλεσμα μιας επιστήμης που ονομάζεται τριβολογία, και όταν πρόκειται για τους τύπους τριβής που σχετίζονται με κινητήρες καύσης, οι σχεδιαστές ορίζουν διάφορους τύπους λιπαντικών. Η υδροδυναμική λίπανση είναι η πιο απαιτούμενη μορφή αυτής της διαδικασίας και το τυπικό μέρος όπου συμβαίνει είναι στα κύρια ρουλεμάν ράβδων του στροφαλοφόρου άξονα, τα οποία υπόκεινται σε πολύ υψηλότερα φορτία. Εμφανίζεται στο μικροσκοπικό χώρο μεταξύ του ρουλεμάν και του άξονα V και μεταφέρεται εκεί από μια αντλία λαδιού. Η κινούμενη επιφάνεια του ρουλεμάν ενεργεί ως δική της αντλία, η οποία αντλεί και διανέμει το λάδι περαιτέρω και τελικά δημιουργεί ένα αρκετά παχύ φιλμ σε ολόκληρο το χώρο του ρουλεμάν. Για το λόγο αυτό, οι σχεδιαστές χρησιμοποιούν ρουλεμάν μανικιών για αυτά τα εξαρτήματα του κινητήρα, καθώς η ελάχιστη περιοχή επαφής ενός ρουλεμάν δημιουργεί ένα εξαιρετικά υψηλό φορτίο στο στρώμα λαδιού. Επιπλέον, η πίεση σε αυτό το φιλμ λαδιού μπορεί να είναι σχεδόν πενήντα φορές υψηλότερη από την πίεση που δημιουργείται από την ίδια την αντλία! Στην πράξη, οι δυνάμεις σε αυτά τα μέρη μεταδίδονται μέσω του στρώματος λαδιού. Φυσικά, για να διατηρηθεί η κατάσταση υδροδυναμικής λίπανσης, είναι απαραίτητο το σύστημα λίπανσης του κινητήρα να παρέχει πάντα επαρκή ποσότητα λαδιού.

Είναι πιθανό σε κάποιο σημείο, υπό την επίδραση υψηλής πίεσης σε ορισμένα μέρη, το λιπαντικό φιλμ να γίνει πιο σταθερό και πιο σκληρό από τα μεταλλικά μέρη που λιπαίνει, και ακόμη και να οδηγήσει σε παραμόρφωση μεταλλικών επιφανειών. Οι προγραμματιστές αποκαλούν αυτόν τον τύπο λίπανσης ελαστοϋδροδυναμικά και μπορεί να εκδηλωθεί στα ρουλεμάν που αναφέρονται παραπάνω, σε γρανάζια ή σε ανυψωτικά βαλβίδων. Σε περίπτωση που η ταχύτητα των κινούμενων μερών σε σχέση μεταξύ τους γίνεται πολύ χαμηλή, το φορτίο αυξάνεται σημαντικά ή δεν υπάρχει αρκετή τροφοδοσία λαδιού, συχνά εμφανίζεται η λεγόμενη οριακή λίπανση. Σε αυτήν την περίπτωση, η λίπανση εξαρτάται από την προσκόλληση των μορίων λαδιού στις υποστηρικτικές επιφάνειες, έτσι ώστε να διαχωρίζονται από ένα σχετικά λεπτό αλλά ακόμη προσβάσιμο φιλμ λαδιού. Δυστυχώς, σε αυτές τις περιπτώσεις υπάρχει πάντα ο κίνδυνος η λεπτή μεμβράνη να "τρυπηθεί" από αιχμηρά τμήματα παρατυπιών, επομένως, προστίθενται κατάλληλα πρόσθετα κατά της ενδυμασίας στα λάδια, τα οποία καλύπτουν το μέταλλο για μεγάλο χρονικό διάστημα και αποτρέπουν την καταστροφή του με άμεση επαφή. Η υδροστατική λίπανση εμφανίζεται με τη μορφή λεπτού υμενίου όταν το φορτίο αλλάζει απότομα την κατεύθυνση και η ταχύτητα των κινούμενων μερών είναι πολύ χαμηλή. Αξίζει να σημειωθεί εδώ ότι οι εταιρείες ρουλεμάν, όπως οι κύριες ράβδοι σύνδεσης, όπως η Federal-Mogul, έχουν αναπτύξει νέες τεχνολογίες για την επικάλυψή τους, ώστε να μπορούν να λύσουν προβλήματα με συστήματα εκκίνησης, όπως φθορά ρουλεμάν σε συχνές εκκινήσεις, μερικώς στεγνά ότι υπόκεινται σε κάθε νέα κυκλοφορία. Αυτό θα συζητηθεί αργότερα. Αυτή η συχνή εκκίνηση, με τη σειρά της, οδηγεί σε μετάβαση από τη μία μορφή λιπαντικού στην άλλη και ορίζεται ως «λιπαντικό μικτής μεμβράνης».

Συστήματα λίπανσης

Οι πρώτοι κινητήρες εσωτερικής καύσης αυτοκινήτων και μοτοσυκλετών, και ακόμη και αργότερα, είχαν «λίπανση» στάγδην, κατά την οποία το λάδι εισήλθε στον κινητήρα από ένα είδος «αυτόματης» θηλής λίπους λόγω βαρύτητας και ρέει ή καίγεται αφού περάσει από αυτό. Οι σχεδιαστές σήμερα ορίζουν αυτά τα συστήματα λίπανσης, καθώς και συστήματα λίπανσης για δίχρονους κινητήρες, στους οποίους αναμιγνύεται λάδι με καύσιμο, ως "συστήματα λίπανσης συνολικής απώλειας". Αργότερα, αυτά τα συστήματα βελτιώθηκαν με την προσθήκη μιας αντλίας λαδιού για την παροχή λαδιού στο εσωτερικό του κινητήρα και στο (συχνά βρεμένο) τραίνο βαλβίδων. Ωστόσο, αυτά τα συστήματα άντλησης δεν έχουν καμία σχέση με τις μεταγενέστερες τεχνολογίες αναγκαστικής λίπανσης που εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται σήμερα. Οι αντλίες εγκαταστάθηκαν εξωτερικά, τροφοδοτώντας λάδι στον στροφαλοθάλαμο και έπειτα έφτασε στα μέρη τριβής πιτσιλίζοντας. Ειδικές λεπίδες στο κάτω μέρος των συνδετικών ράβδων ψέκασαν λάδι στο στροφαλοθαλάμη και στο μπλοκ κυλίνδρων, με αποτέλεσμα να συλλέγεται περίσσεια λαδιού σε μίνι λουτρά και κανάλια και, υπό τη δράση της βαρύτητας, να ρέει στα κύρια και τα έδρανα ράβδου σύνδεσης και ρουλεμάν εκκεντροφόρου. Ένα είδος μετάβασης σε συστήματα με αναγκαστική λίπανση υπό πίεση είναι ο κινητήρας Ford Model T, στον οποίο ο σφόνδυλος είχε κάτι σαν τροχό μύλου νερού, ο οποίος προοριζόταν να σηκώσει το λάδι και να το μεταφέρει στο στροφαλοθαλάμου (και να σημειώσει το κιβώτιο ταχυτήτων), τότε τα κάτω μέρη του στροφαλοφόρου άξονα και των συνδετικών ράβδων ξύσαν λάδι και δημιούργησαν ένα λουτρό λαδιού για τρίψιμο τμημάτων. Αυτό δεν ήταν ιδιαίτερα δύσκολο δεδομένου ότι ο εκκεντροφόρος άξονας ήταν επίσης στο στροφαλοθάλαμο και οι βαλβίδες ήταν ακίνητες. Ο Πρώτος Παγκόσμιος Πόλεμος και οι κινητήρες αεροσκαφών που απλά δεν λειτουργούσαν με αυτό το είδος λιπαντικού έδωσαν μια ισχυρή ώθηση προς αυτήν την κατεύθυνση. Έτσι γεννήθηκαν συστήματα που χρησιμοποιούσαν εσωτερικές αντλίες και λίπανση μικτής πίεσης και ψεκασμού, τα οποία στη συνέχεια εφαρμόστηκαν σε νέους και βαρύτερους κινητήρες αυτοκινήτων.

Το κύριο συστατικό αυτού του συστήματος ήταν μια αντλία λαδιού με κινητήρα που αντλούσε λάδι υπό πίεση μόνο στα κύρια ρουλεμάν, ενώ άλλα μέρη βασίζονταν στη λίπανση ψεκασμού. Έτσι, δεν ήταν απαραίτητο να σχηματιστούν αυλακώσεις στον στροφαλοφόρο άξονα, οι οποίες είναι απαραίτητες για συστήματα με πλήρως αναγκαστική λίπανση. Το τελευταίο προέκυψε ως αναγκαιότητα με την ανάπτυξη κινητήρων που αυξάνουν την ταχύτητα και το φορτίο. Αυτό σήμαινε επίσης ότι τα έδρανα έπρεπε όχι μόνο να λιπαίνονται αλλά και να ψυχθούν.

Σε αυτά τα συστήματα, το λιπαντικό υπό πίεση τροφοδοτείται στα κύρια και κάτω ρουλεμάν μπιέλας (το τελευταίο δέχεται λάδι μέσω αυλακώσεων στον στροφαλοφόρο άξονα) και στα ρουλεμάν εκκεντροφόρου. Το μεγάλο πλεονέκτημα αυτών των συστημάτων είναι ότι το λάδι πρακτικά κυκλοφορεί μέσω αυτών των ρουλεμάν, δηλ. περνά από μέσα τους και μπαίνει στο κάρτερ. Έτσι, το σύστημα παρέχει πολύ περισσότερο λάδι από αυτό που είναι απαραίτητο για τη λίπανση, και ως εκ τούτου ψύχονται εντατικά. Για παράδειγμα, στη δεκαετία του '60, ο Χάρι Ρικάρντο εισήγαγε για πρώτη φορά έναν κανόνα που προέβλεπε την κυκλοφορία τριών λίτρων λαδιού την ώρα, δηλαδή για έναν κινητήρα 3 ίππων. – XNUMX λίτρα κυκλοφορίας λαδιού ανά λεπτό. Τα σημερινά ποδήλατα αναπαράγονται πολλές φορές περισσότερο.

Η κυκλοφορία λαδιού στο σύστημα λίπανσης περιλαμβάνει ένα δίκτυο καναλιών ενσωματωμένων στο σώμα και τον μηχανισμό του κινητήρα, η πολυπλοκότητα του οποίου εξαρτάται από τον αριθμό και τη θέση των κυλίνδρων και τον μηχανισμό χρονισμού. Για χάρη της αξιοπιστίας και της αντοχής του κινητήρα, οι σχεδιαστές προτιμούσαν από καιρό τα κανάλια σε σχήμα καναλιού έναντι των αγωγών.

Μια αντλία που λειτουργεί με κινητήρα αντλεί λάδι από το στροφαλοθάλαμο και το κατευθύνει σε ένα ενσωματωμένο φίλτρο τοποθετημένο έξω από το περίβλημα. Στη συνέχεια, χρειάζεται ένα (για εν σειρά) ή ένα ζευγάρι καναλιών (για κινητήρες μπόξερ ή σχήματος V), που εκτείνονται σχεδόν σε όλο το μήκος του κινητήρα. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας μικρές εγκάρσιες αυλακώσεις, κατευθύνεται προς τα κύρια ρουλεμάν, εισερχόμενά τους μέσω της εισόδου στο άνω κέλυφος ρουλεμάν. Μέσω μιας περιφερειακής εγκοπής στο ρουλεμάν, μέρος του λαδιού κατανέμεται ομοιόμορφα στο ρουλεμάν για ψύξη και λίπανση, ενώ το άλλο μέρος κατευθύνεται προς το κάτω ρουλεμάν μπιέλας μέσω μιας κεκλιμένης οπής στον στροφαλοφόρο άξονα συνδεδεμένο στην ίδια εγκοπή. Η λίπανση του άνω ρουλεμάν μπιέλας είναι πιο δύσκολο στην πράξη, έτσι το άνω μέρος της μπιέλας είναι συχνά μια δεξαμενή σχεδιασμένη να περιέχει πιτσιλιές λαδιού κάτω από το έμβολο. Σε ορισμένα συστήματα, το λάδι φτάνει στο ρουλεμάν μέσω μιας οπής στην ίδια τη ράβδο σύνδεσης. Τα ρουλεμάν του εμβόλου είναι, με τη σειρά τους, λιπαντικά.

Παρόμοιο με το κυκλοφορικό σύστημα

Όταν ένας εκκεντροφόρος άξονας ή κίνηση αλυσίδας είναι εγκατεστημένος στον στροφαλοθάλαμο, αυτός ο κινητήρας λιπαίνεται με λάδι κατευθείαν διέλευσης και όταν ο άξονας είναι εγκατεστημένος στην κεφαλή, η αλυσίδα μετάδοσης κίνησης λιπαίνεται με ελεγχόμενη διαρροή λαδιού από το σύστημα υδραυλικής επέκτασης. Στον κινητήρα Ford 1.0 Ecoboost, ο ιμάντας μετάδοσης κίνησης εκκεντροφόρου λιπαίνεται επίσης - σε αυτήν την περίπτωση με βύθιση στη λεκάνη λαδιού. Ο τρόπος με τον οποίο παρέχεται λιπαντικό στα ρουλεμάν εκκεντροφόρου εξαρτάται από το αν ο κινητήρας έχει κάτω ή πάνω άξονα - ο πρώτος συνήθως το λαμβάνει με αυλάκωση από τα κύρια ρουλεμάν του στροφαλοφόρου και ο δεύτερος με αυλάκωση συνδεδεμένος με το κύριο κάτω αυλάκι. ή έμμεσα, με ξεχωριστό κοινό κανάλι στην κεφαλή ή στον ίδιο τον εκκεντροφόρο, και αν υπάρχουν δύο άξονες, αυτό πολλαπλασιάζεται επί δύο.

Οι σχεδιαστές επιδιώκουν να δημιουργήσουν συστήματα στα οποία οι βαλβίδες λιπαίνονται με επακριβώς ελεγχόμενους ρυθμούς ροής για να αποφευχθεί η πλημμύρα και η διαρροή λαδιού μέσω των οδηγών βαλβίδων στους κυλίνδρους. Πρόσθετη πολυπλοκότητα προστίθεται από την παρουσία υδραυλικών ανελκυστήρων. Οι βράχοι, οι ανωμαλίες λιπαίνονται σε ένα λουτρό λαδιού ή με ψεκασμό σε μικροσκοπικά λουτρά, ή μέσω καναλιών μέσω των οποίων το λάδι φεύγει από το κύριο κανάλι.

Όσον αφορά τα κυλινδρικά τοιχώματα και τις φούστες εμβόλων, λιπαίνονται πλήρως ή μερικώς με λάδι που βγαίνει και απλώνεται στον στροφαλοθάλαμο από τα κάτω έδρανα μπιέλας. Οι βραχύτεροι κινητήρες έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε οι κύλινδροι τους να λαμβάνουν περισσότερο λάδι από αυτήν την πηγή επειδή έχουν μεγαλύτερη διάμετρο και είναι πιο κοντά στον στροφαλοφόρο άξονα. Σε ορισμένους κινητήρες, το τοίχωμα του κυλίνδρου αντλεί επιπλέον λάδι από μια πλευρική οπή στο περίβλημα της ράβδου σύνδεσης, το οποίο συνήθως κατευθύνεται προς την πλευρά όπου το έμβολο ασκεί μεγαλύτερη πλευρική πίεση στον κύλινδρο (αυτό στο οποίο το έμβολο ασκεί πίεση κατά την καύση κατά τη λειτουργία). ... Στους κινητήρες V, είναι σύνηθες να εισάγετε λάδι από μια ράβδο σύνδεσης που κινείται στον αντίθετο κύλινδρο στο τοίχωμα του κυλίνδρου έτσι ώστε η άνω πλευρά να λιπαίνεται και στη συνέχεια να τραβιέται στην κάτω πλευρά. Αξίζει να σημειωθεί εδώ ότι στην περίπτωση των υπερτροφοδοτούμενων κινητήρων, το λάδι εισέρχεται στο ρουλεμάν του τελευταίου μέσω του κύριου καναλιού και του αγωγού λαδιού. Ωστόσο, συχνά χρησιμοποιούν ένα δεύτερο κανάλι που κατευθύνει τη ροή λαδιού σε ειδικά ακροφύσια που κατευθύνονται στα έμβολα, τα οποία έχουν σχεδιαστεί για να τα κρυώνουν. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η αντλία λαδιού είναι πολύ πιο ισχυρή.

Σε συστήματα ξηρού κάρτερ, η αντλία λαδιού λαμβάνει λάδι από ξεχωριστή δεξαμενή λαδιού και το διανέμει με τον ίδιο τρόπο. Η βοηθητική αντλία απορροφά το μείγμα λαδιού / αέρα από το στροφαλοθάλαμο (οπότε πρέπει να έχει μεγάλη χωρητικότητα), το οποίο περνά μέσα από τη συσκευή για να διαχωρίσει το τελευταίο και να το επιστρέψει στη δεξαμενή.

Το σύστημα λίπανσης μπορεί επίσης να περιλαμβάνει ένα καλοριφέρ για την ψύξη του λαδιού σε βαρύτερους κινητήρες (αυτό ήταν κοινή πρακτική για παλαιότερους κινητήρες που χρησιμοποιούν απλά ορυκτέλαια) ή έναν εναλλάκτη θερμότητας συνδεδεμένο με το σύστημα ψύξης. Αυτό θα συζητηθεί αργότερα.

Αντλίες λαδιού και ανακουφιστικές βαλβίδες

Οι αντλίες λαδιού, συμπεριλαμβανομένου ενός ζεύγους γραναζιών, είναι εξαιρετικά κατάλληλες για τη λειτουργία ενός συστήματος λαδιού και επομένως χρησιμοποιούνται ευρέως σε συστήματα λίπανσης και στις περισσότερες περιπτώσεις κινούνται απευθείας από τον στροφαλοφόρο άξονα. Μια άλλη επιλογή είναι οι περιστροφικές αντλίες. Πρόσφατα, χρησιμοποιήθηκαν επίσης αντλίες συρόμενων πτερυγίων, συμπεριλαμβανομένων εκδόσεων μεταβλητής μετατόπισης, οι οποίες βελτιστοποιούν τη λειτουργία και συνεπώς την απόδοσή τους σε σχέση με την ταχύτητα και μειώνουν την κατανάλωση ενέργειας.

Τα συστήματα λαδιού απαιτούν ανακουφιστικές βαλβίδες επειδή σε υψηλές ταχύτητες η αύξηση της ποσότητας που παρέχεται από την αντλία λαδιού δεν ταιριάζει με την ποσότητα που μπορεί να περάσει από τα έδρανα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι σε αυτές τις περιπτώσεις, σχηματίζονται ισχυρές φυγοκεντρικές δυνάμεις στο έδρανο, εμποδίζοντας την παροχή νέας ποσότητας λαδιού στο έδρανο. Επιπλέον, η εκκίνηση του κινητήρα σε χαμηλές εξωτερικές θερμοκρασίες αυξάνει την αντίσταση λαδιού με την αύξηση του ιξώδους και τη μείωση της αντίδρασης στους μηχανισμούς, γεγονός που συχνά οδηγεί σε κρίσιμες τιμές της πίεσης λαδιού. Τα περισσότερα σπορ αυτοκίνητα χρησιμοποιούν έναν αισθητήρα πίεσης λαδιού και έναν αισθητήρα θερμοκρασίας λαδιού.

(ακολουθώ)

Κείμενο: Georgy Kolev