התפקיד הקריטי של טריבולוגיה בביצועים של Racing Engine

Tribology - מדע הבינתחומי של חיכוך, ללבוש, סיכה - הוא אבן הפינה של עיצוב מנוע מירוץ ביצועים גבוה. in מנועsport, שבו מנוע מהירויות גבוהות יותר 15,000 RPM וטמפרטורות רכיב יכול לעלות על 300 מעלות צלזיוס, ניהול אינטראקציות פני השטח הוא לא אופציונלי: זה מגדיר את הגבול בין מנצח וכשל קטסטרופלי צוותי הנדסה ליישם עקרונות משולשים כדי להפחית הפסדים פרציטיים, להאריך את המרווחים, ואת כל שבריר של כוח סוס של כוח תחת הגבלת כוח תחת פיקוח.

מאמר זה חוקר כיצד טריבולוגיה מעצבת מנועי מירוץ מודרניים, מחבילות טבעת piston כדי ל lobes סוחפט, ומדגיש את החומרים המתקדמים, הציפויים, ואסטרטגיות סיכה שהופכים את אלה להשתלות אמין תחת עמידות קיצונית.

יסודות של טריבולוגיה בסביבה גבוהה

Tribology בוחן שלוש תופעות הקשורות בין-תחומיות: חיכוך, ללבוש, ו- lubricationcationcationcation. במנוע מירוץ, כל אחד מהגורמים האלה משפיע ישירות על תפוקת כוח, יעילות דלק ועמידות. פריון בין חלקי תנועה צורכת אנרגיה שאחרת תוביל ל- crankshaft. Wear details סטיות קריטיות לאורך זמן, צמצום דחיסה וצריכת שמן מוגברת.

מנועי מירוץ פועלים במשטרים שבהם הגבול המסורתי, מעורב ומודלים הידרודינמיקה של סיכה נדחקים לקיצוניות.המהירויות הגבוהות של מהירויות בפירסטון אסיפות ורכבות שסתום לייצר שערי הרדאר שיכולים לעלות על 106 s-1.תחת תנאים כאלה, סיכה של סרטים דקים באופן דרמטי, ואת הסיכון של מגע אספרטי עולה על ידי מהנדסי שמן מולקולוס, תוספת כימיה, ושכבה עליונה של שבץ אפילו על פני השטח של כוח מגן.

לצליל עמוק יותר בפיזיקה של פיל-סרט דק במנועי התחדשות, SAE International מפרסם מאמרים טכניים מקיף על הנושא.FLT:0.0.This SAE PaperofLT:1 מציע ניתוח קפדני של מדידות עובי סרט סיכה במנועי בנזין מהירים.

הערכה ומודל של ביצועים Tribological

עיצוב טריביולוגי מודרני מסתמך על בדיקות השקיה הניסוייות והמודלים החישוביים.בדיקות Pin-on-disk, תכנות מחדש של בודקי לבישת, ומנועים מפוטרים מייצרים חיכוך ועייפים נתונים.בינתיים, ניתוח אלמנטים סופי (FEA) ודינמיקה נוזלי חישובית (CFD) סימולציה של זרימת שמן, לחץ מגע, ורכיבי העברה חום על פני כלים אלה מאפשרים למהנדסים לחזות נפיחות, סף, , נפיחות, נפיחות, נפיחות, נפיחות, נפיחות, נפיחות, נפיחות, נפיחות של חיי מתכת לפני פיסות מתכת .

מדידה קריטית אחת היא עקומת סטריבק, אשר המפות חיכוך מול שילוב של מולטיות, מהירות ועומס (מספר סומרפלד) על ידי הצבת נקודות הפעלה במשטר הידרודינמיקה - שבו סרט נוזל מלא מפריד פני השטח - מקטין מגע מתכת-למטרי. ב RPM גבוה, מנועי מירוץ פועלים לעתים קרובות היטב לתוך האזור הידרודינמי, אבל נוח כגון אירועים כגון הילוכים פתאומיים או שינויים מעגליים פתאומיים יכול להיות מעורבים באופן זמני לתוך מגע.

אסטרטגיות להורדת פיתויים ב- Racing Engines

צמצום הפריון משפר באופן ישיר את היעילות המכנית.במנוע מירוץ טיפוסי, חיכוך של פיסטון מהווה כ-40-50% מכלל ההפסדים המכניים, ואחריו נושאים (20–30%) ואת השחית (10%) תוקף כל מקור דורש התערבות ממוקדת.

מילואים מתקדמים ותוספות

שמנים בסיס סינתטי -polyalphaolefins (PAOs), esters, ופולידלקילן גליקולס (PAGs) - מול יציבות תרמית גבוהה יותר ואינדקס מולטי בהשוואה שמנים מינרליים קונבנציונליים. נוסחאות שמן מרוצי שמן להוסיף ממריצים כגון molybdenum dithiocarmate (MoDTC) ואורגני כי צורה של סרטים גבול ארקטיקן (D) אם כי הוא מגן על חיטוי (Dicialphs) אם כי הוא מגן על ידי הגנה מפני חומרים אנטי-DZ) הוא גרורתי) הוא חיטוי (Dicialphics) הוא הגנה מפני חומרים נוגדתיקים).

לדוגמה, ה-FLT של גרנוויל נפט ממונעים לפעולה מתמשכת מעל 150 מעלות צלזיוס ללא התמוטטות של סטיות:0 The Technical Literature, FigFLT:1, How Custom Supplementחבילות להפחית את החיכוך ב- 15% לעומת מחסנים סינתטיים.

« נמוך-Friction Betaings

מקלות להפוך את התנהגות פני השטח ללא שינוי תכונות חומר גדולות. ציפויים נפוצים במנועי מירוץ כוללים:

  • (FLT:0) דיפידמן דמוי פחמן (DLC) ציפויים FLT 1:1 - Applied to piston pins, Tappets, ו-פרקים. DLC מציע קשיחות מעל 20 GPa ו חיכוך coefficient כמו נמוך כמו 0.05 כאשר הוא שופע.
  • (FLT:0)Molybdenum disulfide (MoS2) וסרטים יבשים מבוססי גרפיטי FLT:1 - בשימוש על פני השטח מלוטשים בלחץ גבוה כגון כאבי ראש וכלי סלע.
  • (FLT:0Ceramic תרמי ציפויים (TBCsib)FLT 1:1 - Applied to piston כתרים ומשטחי תא בעירה כדי להפחית את אובדן החום, ובכך לשפר את היעילות התרמית תוך השפעה גם על טמפרטורות הקולנוע המקומי.
  • (FLT:0) Aluminum ברונזה וכרום platingFLT:1) - קוינדר טבעות מקבל לעתים קרובות כרום אלקטרו-מאומת או פיזורים של ניקל-סילייקון להתנגדות מוגברת.

בחירת הציפוי האופטימלית תלויה בחומר תת-קרקעי, בטמפרטורה התפעולית ובכימיה סיכה.לדוגמה, ציפויי DLC יכולים להפיג אם השמן מכיל משככי תוקפנות מסוימים, כך ש- OEM וצוותי מרוץ משתפים פעולה עם ספקי שמן כדי להבטיח תאימות.

ההרחבה Surface Topography Optimization

מעבר לים - מאומץ כמו רא (ריתמטי פירושו גסות) או Rz (גובה מקסימלי) - משפיע ישירות על עובי סרט שמן וחיכוך. משטח שהוא חלק מדי יכול למנוע שמן להיות לכוד מיקרו-reservoirs, המוביל לרעב.verse, משטח מגפי ו מאיץ חיכוך.

ב- cylinder נשא, צחצוח צלב-ההההההה בזווית מסוימת (בדרך כלל 20-35 °) משפר את חלוקת הנפט ואת חותמת הטבעת.העומק והדחיסות של מבנה הרמה נשלטים כעת עם כלי גינון מדויקים ומברשת קנייניים.מיקרו-ג'אמפטורות אלה מאומתים עם אינטרפרומטריה לבנה ופרופילים פיסוליים.

חבית התנגדות ובחירת חומרית

ללבוש במנועי מירוץ מתבטא כמו ללבוש דבק, ללבוש חודר, עייפות בעיטות, ואת ללבוש קורוזי.כל מנגנון דורש תכונות חומר ספציפיות.מגבלות משקל באופנוע לדחוף מהנדסים להשתמש ⁇ קל משקל (אלומה, טיטניום, מגנזיום) כי לעתים קרובות חסר את ההתנגדות ללבוש intrinsic של פלדה.

טבעות פיסטון ו-Cylinder Liners

חבילת טבעת הפיסטון - פיזור טבעות דחיסה, טבעות בקרה שמן, וגרדנים - היא ההרכבה טעון ביותר במנוע.טבעת הפנים ציפויים התפתחו מ chrome פשוט לחומרים מתקדמים כמו FLT:0physical vapor deposition (PVD) כרום nitrideFLT:1 ו-FLT:2gas-nitrided פלדה מבולדרומה 1: 3, 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Cylinder קושרים במנועי מירוץ הם לעתים קרובות עשויים מברזל אפור עם קשקשים גרפיים דקים עבור סיכה מוצקה סיכה.עם זאת, מנועי ביצועים רבים עכשיו להשתמש FLT:0nikasil-coated אלומיניום קושרים FLT:1 ( ניקל ללא תשלום עם חלקיקים סיליקון). ציפוי זה מספק קשיחות דומה לשבריר של משקל ולהפחית חיכוך נגד טבעות פלדה.

מחקר מבית הספר להנדסה מכנית של אוניברסיטת לידס ממחיש כיצד מתח טבעת משתנה וקשה על פני השטח להשפיע על שיעורי הלבוש.FLT:0 The tribology מעבדהFLT:1 פרסם נתונים המציגים כי ציפויי טבעת אופטימיזציה יכולים להפחית את ללבוש ב-40% מעל סוף שבוע טיפוסי של גזע.

דובים: Crank, Rod, and Cam

נושאים קבועים במנועי מרוץ משתמשים בפגזי פלדה ממונעים עם ציפוי של ברונזה, אלומיניום-טין, או פולימרים פולימרים.הביקוש לעומסים גבוהים יותר הוביל אימוץ של FLT:0tri-metal נשאים (FLT:1) (התמיכה + נחושת + נחושת + שכבת נחושת + עודף רזה של בביט או tin).

נושאי רולרו-יישום - כגון אלה המשמשים זעזועים בעלי ביצועים גבוהים - עובדים (FLT:0) הכדור הקרמיקה המפוארונד נושאות FLT:1 (כדורים ניטרידיים של סרטן בגזעי פלדה) כדורי סרמכאיים הם קלים יותר, קשה יותר, ומייצרים פחות חום מאשר פלדה, ומאפשרים מהירויות טוראו המטען מעל 200 אלף RPM עם חיכוך מופחת.

במשחתת, זרועות רוקנר ותומכי האצבע עם מחטים להפחית את החיכוך בממשק מעקב אחר ה-Hud-follower. חלק ממנועי F1 השתמשו במעייןי סתום pneumatic כדי לחסל לחלוטין את החיכוך של מעיינות פלדה קונבנציונליים, אם כי מערכות כאלה אינן מותרות בכל הסדרה.

Camshaft ו- Valve Train

ה-Samshaft lobe מתפתל נגד המרשם השסתום (tappet) הוא אחד ממשקי מגע הגבוהים ביותר במנוע. Racing camshafts עשויים לעתים קרובות מברזל או פלדה מצמרר, חום מטופל עבור קשיחות, ואז קרקע עם פרופילים מחושבים בדיוק. ppets עשוי להיות תוכנן עם אלמנט מתגלגל (מעקבים) או פנים שטוח עם ציפוי DLC.

מדריכי Valve וגזעים גם חווים כיתול.מדריכי שסתום ברונזה נפוצים, אבל כמה מנועי מירוץ משתמשים במדריכי אלומיניום מאוישים או קרמיקה.החותמת גזע השסתום היא מרכיב טריבולוגי קריטי: זה חייב מטר מספיק שמן כדי לפתות את ממשק המדריך - אסטם מבלי לאפשר עודף שמן לתוך תא ההבעירה, אשר יגרום עשן או היווצרות הפקדה.

טכניקות לבריונות ב High-Performance Engines

לובריציה היא הניהול הפעיל של אספקת שמן, הפצה, וחזרה למזער חיכוך, להסיר חום, ושטף החוצה ללבוש פסולת. מנועי מירוץ פועלים עם לחץ שמן בדרך כלל החל מ 3 עד 7 בר, וטמפרטורות שמן שיכול לעלות על 140 מעלות צלזיוס.

מערכות Sump יבשות

כמעט כל מנועי המירוצים המיוצרים בכוונה משתמשים במערכת סיכה יבשה.בסכום יבש, שמן מואב מהפאן על ידי משאבות חד-פעמיות או יותר למאגר חיצוני.זה מונע רעב שמן במהלך פינות בעלות-יתר על-ידי פחת גבוה, מקטין את אובדן הרוח (השמן מוכובש על ידי ה- crankshaft), ומאפשר למנוע לשבת נמוך יותר עבור מרכז כבידה נמוכה יותר.

עיצובי סכומים יבשים כוללים בדרך כלל שני עד חמישה שלבים של scavenge בהתאם לתצורת המנוע (למשל, אחד עבור כל בנק של V-engine) השמן הוא נתבעה באמצעות מסננים וקרקרים לפני מועבר באמצעות משאבת לחץ לגלריית הנפט הראשית.חלק מהמערכות משתמשות באכילת שמן נפרדת עבור השסתום כדי להבטיח תנובת נאותה במהירויות נמוכות.

אספקת דלק ותיקון זרימה

מנועי מרוץ מודרניים מאמצים יותר ויותר משאבות שמן משתנה (למשל, גרטור שואבת עם שליטה אלקטרונית) כי התאמת זרימת שמן על בסיס RPM ועומס.במהירויות גבוהות, המשאבה מפחיתה יכולת עודף למזער אובדן parasitic ו aeration. at idle, הלחץ נשמר כדי להבטיח כי נושאים הם תמיד שופעים.

בנוסף, מטוסי שמן מכוונים מתחת לקוויסטון - לעתים קרובות נקרא שמן נביחות קורנות - שמן תפילה על מתחת לכתר פיסטון כדי לנהל עומסים תרמיים.קצב זרימת הדם לפעמים הוא לעתים מוחלף כדי להימנע מעומס יתר במהלך תנאי עומס האור.

בקרת נפט וזיהום

שמן נקי הוא חיוני עבור חיים ארוכים מנועים.מנועי מירוץ להשתמש מסננים עם שסתום עקף כמו גם מנקי שמן צנטריפוג כי ספינ חלקיקים מתוך השעיה. בפועל, ללבוש פסולת מן מחזורי החום הראשונים (מפרקים בהריסות) יכול להיות יותר abrasive מאשר ללבוש מצב יציב.

בחירת מסנן שמן דירוג micron דירוג כולל מסחר-off: מסנן 10מיקרוני מספק יותר הסרת חלקיקים אבל עשוי ליצור ירידה בלחץ גבוה יותר, במיוחד כאשר קר. כמה סדרות מירוץ סיבולת מחייבות סטנדרטים של סינון מסוים.FLT:0N-Fiter המשאבים הטכניים של Mann-Fiter FLT:1 להסביר כיצד מסננים של שמן המירוצים שונים מגרסאות רחוב, עם כוח מוגברת וקיבולת לכלוך גבוהה יותר.

מחקרים: טריבולוגיה בפעולה

High-Performance Diesel Racing Engines

ב מרוצי דיזל, מנועי לייצר יותר מ -4,000 hp עם לחץ הזריקה מעל 30,000 psi. הדלק עצמו פועל כמו סיכה עבור צוללים מזרקים ואלמנטים משאבה.ל-נמוך דיזל יש לובריות גרועה, כך צוותים להוסיף סוכנים סיכה או להשתמש בתערובת ביודיוזל.טיפטון הוא דאגה גדולה בשל הלחץ הגבוה cylinders.

פורמולה 1 יחידות כוח היברידיות

מנועי F1 הנוכחיים (1.6L V6 turbo היברידיs) להשיג יעילות תרמית מעל 50%, בעיקר בשל ההתקדמות הטריבולוגית. מכונות MGU-H ו MGU-K חשמליות ספינים במהירויות גבוהות, ואת הנושאים שלהם דורשים מטוסי שמן מיוחדים ואלמנטים קרמיקה מתגלגלים.המנוע הראשי פועל עם סרטי שמן רק 1-2 מיקרונים סמיבים, המתקרבים לגבולות של דלקת ריאות או דלקת ריאות.

כיוונים עתידיים בטריבולוגיה עבור מנועי מירוץ

דחיפה לקיימות ב-Sport היא לעצב מחדש סדרי עדיפויות טריביולוגיות.הסדרה היברידית וחשמלית מלאה (Formula E, Extreme E) עדיין מסתמכת על טריבולוגיה בתיבת הילוכים, נושאים ומערכות ניהול תרמיות.עם זאת, מנוע הבעירה הפנימית הוא רחוק מת במנועים, ושיפורים עתידיים צפויים לבוא:

  • (ב) ,0) ,Ionic נוזל lubricantsFLT:1 , אלה יכולים לפעול בטמפרטורות גבוהות יותר ולהציע תכונות חיכוך טונה.
  • ייצור אדרבא (D Print) של גלריות שמן וקטעי קירור כדי לייעל נתיבי זרימה ולהקטין את המשקל.
  • (FLT:0 חיישנים מחליפים 1FLT) עבור ניטור בזמן אמת של עובי סרט שמן, טמפרטורה והריסות.חיישנים אלה להאכיל נתונים כדי לבור מהנדסי קיר עבור תחזוקה חיזוי.
  • (ב) [17] ,0 , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) שמן סינתטי בעל עוצמה נמוכה יותר, עמידה הן בקריטריונים של ביצועים וקיימות.

בסופו של דבר, התחרות ב- Motorsport מניעה את הפיתוח של פתרונות תלת-חמצני אשר בסופו של דבר מתעתקים בכלי רכב לייצור.החיפוש הקבוע של יעילות מינוס - ממונעים בעשיריות של אחוז - מבטיח כי טריבולוגיה נותרה שדה חיוני בעיצוב הנדסי.

מסקנה

טריבולוגיה אינה רק משמעת תומכת בעיצוב מנוע מירוץ; היא מאפשרת בסיסית של ביצועים, אמינות ויעילות. מציפוי חיכוך ו lubricants מתקדמים למערכת סכומים יבשה משאבות זרימה משתנה, כל פרט מותאם אישית להילחם בכוחות שפסול אנרגיה וקיצור חיי רכיב.