SAE J3070-2020
Задир силового цилиндра: механизмы

Стандартный №

SAE J3070-2020

Дата публикации

2020

Разместил

Society of Automotive Engineers (SAE)

состояние

быть заменен

быть заменен

SAE J3070_202008

Последняя версия

SAE J3070_202008

сфера применения

Углубленная интерпретация технического стандарта SAE J3070 по деформации силового цилиндра

Технический отчет SAE J3070™, ключевой руководящий документ по разработке систем силовых цилиндров, предоставляет инженерам всесторонний анализ механизмов разрушения от деформации и превентивных мер. Опубликованный в августе 2020 года, этот стандарт систематически рассматривает общие проблемы адгезионного износа в системах силовых цилиндров двигателей внутреннего сгорания.

---

Определение и анализ механизма деформации силового цилиндра

Согласно стандарту, деформация компонента силового цилиндра является экстремальным случаем адгезионного износа, который возникает между относительно движущимися деталями. Деформация возникает, когда локализованная удельная нагрузка между двумя поверхностями достигает определенного уровня, в результате чего микронеровности поверхности прорываются через смазочную пленку и вступают в прямой контакт. Относительное движение в сочетании с прямым контактом генерирует достаточно тепла для локального плавления материала. Затем расплавленный материал переносится между поверхностями и снова соединяется с основным материалом и/или материалом другого компонента.

Классификация типичных мест деформации силового цилиндра

Место деформации	Механизм возникновения	Типичные характеристики	Уровень риска
Между поршнем и гильзой цилиндра	Высокое удельное давление из-за термомеханической деформации	Обширный перенос материала алюминиевого поршня	Высокая
Между поршнем и поршневым пальцем	Высокая удельная нагрузка в сочетании с низкой относительной скоростью	Перенос материала поршня на поршневой палец	От средней до высокой
Между поршнем и поршневым кольцом (микросварка)	Взаимодействие неровностей при высоких удельных нагрузках	Сварка материала поршня с нижней стороной поршневого кольца	Средняя
Между поршневым кольцом и гильзой цилиндра	Аналогично поршню-гильзе, но с более тонкими признаками	Небольшая локализованная плавка и перенос материала	Низко-средняя
Между поршневым пальцем и отверстием шатуна	Высокие удельные нагрузки в конструкции с плавающим пальцем	Проблемы совместимости материалов очевидны	Низкая

---

Причины и меры противодействия деформации поршня и гильзы цилиндра

Избыточное локальное контактное давление

Неправильная посадка поршня и гильзы цилиндра является ключевым фактором, приводящим к деформации. В современных методах проектирования диаметр поршня может быть немного больше диаметра гильзы цилиндра при комнатной температуре для улучшения направления юбки и снижения шума двигателя. Посадка поршня и гильзы должна полностью учитывать разницу в коэффициентах теплового расширения, которые обычно выше для алюминиевых поршней, чем для чугунных или стальных гильз. Неправильная конструкция профиля поршня может существенно повлиять на распределение удельной нагрузки. Современные конструкции поршней используют осевые профили (бочкообразные или конические) и окружную овальность для управления термомеханической деформацией. Головка поршня испытывает более высокие температуры, чем юбка, поэтому диаметр головки должен быть меньше диаметра юбки. Это уменьшение диаметра от точки сопряжения до верхней части головки достигается за счет осевых профилей. Проблемы геометрии гильзы цилиндра могут возникнуть в результате процессов механической обработки или термомеханической деформации. Хонингование гильз, остаточные литейные напряжения, закупорка каналов охлаждения и перетянутые болты головки блока цилиндров — все это может привести к нарушению геометрии гильзы цилиндра, что приводит к локально высоким удельным нагрузкам.

Чрезмерная тепловая нагрузка

Перегрев заставляет компоненты силового цилиндра работать при более высоких, чем обычно, температурах, что увеличивает вероятность возникновения помех, вызванных относительным тепловым расширением поршня и гильзы цилиндра. Высокие температуры также ухудшают механические свойства компонентов и эффективность смазочных материалов. Неисправности системы охлаждения, масляного радиатора и проблемы с топливными форсунками могут способствовать перегреву.

Ненормальное сгорание (детонация, детонация и преждевременное зажигание) значительно увеличивает тепловые нагрузки поршня. Двигатели с системами контроля детонации могут допускать некоторую детонацию на низкооктановом топливе; это состояние должно быть включено в квалификационные испытания.

Чрезмерный прорыв газов определяется как утечка газа под высоким давлением мимо поршневых колец. Горячий прорыв картерных газов увеличивает теплопередачу к поршню и ухудшает теплопередачу от колец к стенке цилиндра. Концентрация сажи более 3% значительно увеличивает риск износа.

Недостаточная смазка

Загрязнение смазки может быть вызвано водой, топливом, охлаждающей жидкостью, побочными продуктами сгорания или другими абразивными загрязнителями. В крайних случаях загрязнения водой или охлаждающей жидкостью юбка поршня может приобрести серый, пятнистый вид. Во время холодного запуска низкие температуры гильзы цилиндра или высокое соотношение воздуха и топлива могут привести к конденсации топлива и/или воды на гильзе цилиндра, загрязняя смазку.

Смазочное голодание включает в себя не только работу с низким уровнем масла, но и временную потерю смазки в зоне контакта поршня и гильзы. Условия холодного запуска создают множество проблем для зоны контакта поршня и гильзы, и двигатели, которые не запускались в течение длительного периода времени, испытывают плохие условия смазки в начале работы.

---

Технологии предотвращения деформации поршня и поршневого пальца

Выбор материала и обработки поверхности

Алюминиевые отверстия под поршневые пальцы часто подвергаются твердому анодированию для повышения сопротивления деформации. Поршневые пальцы могут быть хромированы, а в некоторых случаях покрытие из алмазоподобного углерода (DLC) может повысить прочность соединения пальца. Покрытие из фосфата марганца, нанесенное на отверстия под пальцы, помогает распределять и удерживать смазку во время работы двигателя.

Конструкция с улучшенной смазкой

Доступ смазки к сопряжению поршневого пальца увеличивается за счет сверления отверстий в бобышке поршневого пальца или обработки канавок в отверстии под поршневой палец вдоль оси пальца. Выпуск масла из камеры охлаждения поршня может быть стратегически расположен для улучшения смазки поршневого пальца. В некоторых конструкциях для тяжелых условий эксплуатации в шатуне просверлены отверстия, через которые смазка под давлением из подшипника кривошипа поступает в подшипник поршневого пальца на малом конце шатуна.

---

Меры по предотвращению микросваривания поршневых колец

Технологии обработки поверхности

Наиболее распространенными способами обработки поверхности канавок алюминиевых поршневых колец являются фосфатирование или твердое анодирование. Другим вариантом является химическое никелирование. В крайних случаях требуется литье более прочной вставки в область канавки днища поршня. Алюминиевые поршни часто армируются коррозионно-стойким чугуном типа 1 с высоким содержанием никеля.

Оптимизация смазки

Твердая смазка в виде смоляного покрытия, нанесенного на боковые поверхности колец, обеспечивает дополнительную смазку в период приработки, когда вероятность возникновения напряжений между кольцом и канавкой наиболее высока. Поршни, изготовленные методом литья под давлением, могут использовать пористую керамическую заготовку, расположенную в области верхней кольцевой канавки, с расплавленным алюминием, пропитывающим керамическую заготовку для достижения локального усиления поверхности верхней кольцевой канавки.

---

Рекомендации по внедрению и передовой опыт

Испытания на проверку конструкции

Испытания двигателя для оптимизации посадки поршня должны включать рабочие условия, при которых термомеханические нагрузки поршня максимальны. Процедура испытаний должна учитывать обычные производственные допуски, чтобы гарантировать определение наихудшего случая посадки поршня и гильзы. Испытания без покрытий юбки и преимущества процесса обкатки повышают строгость испытания, обеспечивая большую уверенность в надежности конструкций, прошедших такое испытание.

Контроль производственного процесса

Процесс расточки и хонингования гильзы цилиндра требует строгого контроля для обеспечения качественной геометрии гильзы. Круглость, прямолинейность и цилиндричность поршневого пальца и отверстия под палец являются критическими параметрами. Контроль шероховатости поверхности колец и канавок имеет важное значение для управления локальными нагрузками на единицу продукции.

Руководство по техническому обслуживанию и эксплуатации

Избегайте использования низкооктанового топлива, регулярно проверяйте работоспособность системы охлаждения, следите за качеством и уровнем масла, а также соблюдайте надлежащие процедуры обкатки двигателя. Для мобильных применений избегайте длительной работы под углами, выходящими за рамки нормальной конструкции двигателя.

---

Развитие технологий и будущие тенденции

Поскольку двигатели движутся в сторону более высоких плотностей мощности, в системы силовых цилиндров внедряются стальные поршни. Цельные стальные поршни (без гильз) увеличивают беспокойство по поводу деформации закаленных стальных поршневых пальцев, что требует защитного покрытия. Усовершенствованная обработка поверхности, такая как DLC-покрытия, позволяет штифтовому соединению выдерживать высокие контактные напряжения в условиях предельной смазки.

Исследования совместимости материалов продолжают углубляться, и некоторые материалы трибологически несовместимы (например, хромированные кольца могут создавать деформацию на хромированных гильзах цилиндров). Достижения в области материалов поршневых колец и обработки поверхности открывают множество возможностей для снижения тенденции к деформации между поршневыми кольцами и гильзами цилиндров.

Развитие технологии предиктивного анализа позволяет прогнозировать такие параметры, как изгиб и овализация поршневого пальца, на этапе проектирования, а также устанавливать комплексные предельные критерии проектирования на основе материалов и рабочих параметров двигателя.