ANALIZA GRUPULUI PISTON-CILINDRU Definitia uzarii Uzarea este procesul fizic (a uza-uzare), iar uzura este produsul, rezultatul uzarii. Suprafata pieselor mecanice, indiferent de procesul de prelucrare si finisare, prezinta numeroase asperitati, care devin vizibile sub microscop. Cand doua asemenea suprafete A si B aluneca una spre cealalta (figura 4.1 [15]), asperitatile lor vin in contact unele cu altele, ducand la incalzirea si la aparitia fenomenului de uzare. La interpunerea unui lubrifiant intre cele doua suprafete, ele pot fi mentinute la o anumita distanta, dar, datorita sarcinilor si vitezelor lor variate, unele din asperitati pot ajunge in contact direct. Metalele, cu exceptia celor ce lucreaza in vid sau in atmosfera de gaz inert, se acopera cu un strat subtire de oxid, care contribuie la reducerea uzarii. Daca tangenta a doua asperitati aflate in contact direct este mai mica de 1 grad, apar deformatii plastic. Stratul de oxid poate fi inlaturat in acest caz, dar se reface imediat impiedicand astfel aparitia uzarii. In acest caz, stratul de oxid actioneaza la inceput ca un film de EP (extreme pressure). Daca insa panta asperitatilor in contact depaseste 1 grad si asperitatile sunt bine reliefate, ele vor intra in coliziune, vor distruge filmul de oxid, se vor suda instantaneu intre ele si apoi se vor rupe. Este putin probabil ca ruptura asperitatilor sa aiba loc de-a latul sudurii, atata timp cat majoritatea metalelor sunt mai putin rezistente decat sudura. De aceea, particulele de metal se desprind de pe una din suprafete, adaugandu-se celeilalte. Acest fenomen mareste efectiv asperitatile celor doua suprafete care vor intra ulterior in contact si vor provoca noi ruperi. Prin indepartarea succesiva a metalului de pe suprafata pieselor in contact apare uzura. In cazurile extreme de coliziune a asperitatilor si de degajare de caldura poate sa apara distrugerea celor doua suprafete. In conditiile unei ungeri hidrodinamice, grosimea normala a filmului de ulei este cuprinsa intre 0,01 si 0,0001 mm. Filmul de ulei poate avea grosimea de 10-6 mm in cazul suprafetelor bine finisate, cum sunt cele ale rotilor dintate sau ale lagarelor de rostogolire. Grosimea stratului de oxid la cele mai multe suprafete din otel ale lagarelor de rostogolire este de aproximativ 10-8 mm. Ungerea lagarelor de alunecare, a lagarelor de rostogolire si a angrenajelor care efectueaza miscare de rotatie, precum si a pistoanelor si cilindrilor in miscare de translatie, pune problem deosebite.103

Cauzele uzarii Uzarea pieselor metalice se datoreaza, in special, proceselor de coroziune, de abraziune si de adeziune. La uzura unor piese, cum sunt cuzinetii camele si tachetii motoarelor sau angrenajelor, poate interveni fenomenul de oboseala. Uzarea corosiva Uzarea corosiva constituie cauza principala a uzurii motoarelor, in special a celor care folosesc combustibili cu continut mare de sulf. Uzarea cea mai grava se datoreaza coroziunii de tip umed, cand este prezenta apa. Apa provine din sistemul respectiv in faza dispersata (cum este cea condensata din gazele de ardere scapate in carter) sau din umezeala atmosferica. Coroziunea care apare in aceste cazuri este de natura electrochimica si consta in formarea unor pile galvanice pe suprafata metalelor (fig 4.2 [15]). Potrivit acestui mecanism, atomii de fier de la anod pierd cei doi electroni (e) de pe ultima lor orbita si devin cationi: (4.1) [15] In acelasi timp la catod, printr-o reactie de reducere a oxigenului dizolvat in pelicula de apa de pe suprafata metalului, se formeaza anioni de hidroxil: (4.2) [15] Ionii de fier se combina cu cei de hidroxil si formeaza hidroxilul de fier care precipita formand astfel rugina. In solutiile acide diluate insa reducerea catodica a ionilor de hidrogen se face cu degajarea hidrogenului din zona catodului: (4.3) [15] Reactia de fier si acidul sulfuric poate fi reprezentata prin ecuatia: (4.4) [15] Pentru aparitia coroziunii electrochimice trebuie sa existe: o diferenta de potential intre anod si catod;104

mediul respectiv sa fie bun conducator de elctricitate;

sa existe posibilitatea reactiilor electrodului pentru transferul sarcinilor electrice solutiei la interfata metalului. In cazul m.a.i., prezenta acizilor in solutii apoase este obisnuita. Se formeaza numerosi acizi: carbonic, sulfuric, sulfuros, azotic, azotos, bromhidric, clorhidric precum si alte produse cu actiune corosiva. Din analiza uleiurilor uzate reiese ca 80% din aciditatea totala a uleiului se datoreste acidului sulfuric. Cea mai mare parte a oxizilor formati se elimina prin gazele de evacuare. Daca motorul functioneaza la o temperatura scazuta a camasii cilindrului, umiditatea si produsele de oxidare se pot usor condensa si acumula. Acesta contribuie la deteriorarea prin coroziune a suprafetei cilindrului si a segmentilor de piston. Condensarea acidului sulfuric pe peretii cilindrilor unui motor depinde de temperatura lor, de presiunea din cilindrii si de continutul sulfului din combustibil. Dintre piesele motorului, cele mai expuse coroziunii sunt cilindrii (in partea lor superioara), segmentii de piston si cuzinetii din aliaje cu cupru-plumb. Uzarea corosiva a motoarelor se combate prin: folosirea unor aliaje mai rezistente la actiunea agresiva a acizilor pentru realizarea pieselor; asigurarea unui regim termic de functionare ridicat, care sa previna condensarea produselor acide; utilizarea unor uleiuri de ungere alcaline, care sa neutralizeze acizii formati.

Produsele uzurii corosive sunt paricule solide de material care ajung in ulei si apoi intre suprafetele pieselor in miscare, contribuind astfel la intensifcarea uzarii abrazive. Uzarea abraziva Aceasta forma de uzare a motorului este de natura mecanica, fiind provocata de interpunerea unor particule dure, abrazive, intre suprafetele in miscare. In motor ajung prin diferite cai o serie de alte produse abrazive, ca: praful din aerul de admisiune sau de ventilatie,105

particule de carbune dur din camera de ardere, particule metalice datorate uzurii abrazive, precum si alte produse solide patrunse in ulei din afara sau din interioul motorului. Dintre acestea, praful din aerul atmosferic are o pondere insemnata. Experimentari pe motoare cu filtre si fara filtre de aer au aratat rezultate foarte diferite in ceea ce priveste uzarea pieselor. S-a constatat de exemplu, ca, dupa un parcurs de 5000 km, uzura cilindrilor motorului si a segmentilor pistonului a fost cu 75% mai mare la functionarea fara flitru fata de cea cu filtru [15]. Praful poate ajunge in motor si cu ajutorul aerului de ventilatie a carterului, daca filtrele respective nu functioneaza normal. Particulele metalice rezultate in urma uzurii segmentilor de piston si a cilindrilor cotribuie la uzarea suplimentara a motorului. Aceste particule sunt purtate de ulei la locurile de ungere, comportandu-se ca materiale abrazive. Prin schimbarea periodica a uleiului si a filtrului de ulei se micsoreaza influenta surselor de uzare. Aspectul uzurii abrazive depinde de materialul si de modul de miscare a pieselor respective. In cazul pieselor din fonta, cu miscare de translatie, uzarea abraziva a suprafetelor in contact se prezinta sub forma unor linii dispuse paralel cu directia miscarii. Daca impuritatile abrazive ajung odata cu uleiul intre suprafetele pieselor cu miscare de rotatie cum sunt lagarele motorului, uzarea abraziva are forma unor linii circulare dispuse paralel pe latimea de lucru. Uzura prin contact Este forma cea mai usoara de uzare prin frecare, facandu-si aparitia in momentul in care se produce o discontinuite a filmului de ulei intre suprafetele celor doua piese in miscare. Asperitatile se vor atinge in aceasta situatie si isi vor tesi varfurile. Acest tip de uzare apare in special in perioada rodajului, inainte ca asperitatile suprafetelor sa fi fost aplatizate. Urmele dispar insa foarte repede dupa un rodaj suplimentar cu un ulei adecvat si de aceea ea nu constituie un motiv de ingrijorare, cand este cuprinsa in limitele normale. In majoritatea cazurilor uzarea prin contact se datoreste conditiilor de funtionare si modului de alimentare cu ulei a locului de ungere. Uzarea prin contact cea mai intensa se produce in momentul pornirii motorului la rece sau in primele minute dupa pornire, cand motorul functioneaza la temperaturi mici si turatie scazuta. In aceasta situatie nu se poate asigura o pelicula proaspata de ulei pe suprafata cilindrului, singurul material de ungere ramas106

fiind uleiul de la ungerea precedenta. Dar nici acesta nu serveste in intregime ungerii, deoarece este spalat de combustibilul din amestecul imbogatit la pornirea motorului. Uzarea prin contact este specifica nu numai perioadei de pornire ci si a celei de exploatare a autovehiculului cu porniri si opriri frecvente. Uzura unui motor care a fost pornit o singura data pentru opt ore de functionare este de cinci ori mai mica decat a altui motor care a fost pornit si oprit la fiecare ora. Uzarea prin contact poate conduce uneori la deteriorarea pieselor prin gripare sau sudarea suprafetelor de alunecare. Uzarea prin oboseala Pentru producerea acestei uzari este suficient sa existe o forta cu actiune alternativa si un mediu lichid de transmitere a acesteia. Uzura prin oboseala apare sub forma unor desprinderi de material de pe suprafata pieselor in miscare, prin exfolieri sau ciupituri, lasand urme adanci cu margini crenelate. Uzarea prin oboseala sub forma de ciupituri se intalneste mai mult la piesele motorului supuse, in timpul functionarii, la o frecare prin rostogolire (cuplul cama-tachet) sau cel al rulmentilor. Uzarea prin oboseala datorita actiunii pulsatorii a fortelor hidraulice (prin fenomenul de cavitatie [15]) intensifica dezvoltarea microdefectelor superficiale existente. Aceasta uzura este intalnita, in special, in cazul lagarelor de alunecare ale arborelui cotit. Uzarea poate fi diminuata prin reducerea raportului dintre raza lagarului si grosimea filmulului de ulei. 4.1.2. Curbele uzarii Curba uzarii ca lege generala, in functie de timp (figura 4.3 [8] are trei perioade distincte:

prima perioada, I, denumita perioada de uzura sau de uzura initiala, se intinde,

de regula, pe durata rodajului (Tr); in aceasta perioada, se netezesc intens neregularitatile de pe suprafetele in frecare;

Fig. 4.3. Variatia in functie de timp a uzurii

107

a doua perioada, II, denumita perioada de functionare normala, se extinde pe perioada

functionarii normale Tn; in aceasta perioada uzura creste aproximativ proportional cu timpul de functionare: (4.5) [8] a treia perioada a uzurii, III, perioada ulterioara uzurii normale denumita uzura de

avarie, uzura anormala sau catastrofala este caracterizata de cresterea brusca care da o functionare anormala, apar batai, apar socuri, ungere insuficienta, se intensifica zgomotele, incalzirile etc.; toate aceste fenomene pot provoca distrugerea pieselor astfel ca se admite functionarea in perioada a III-a de evolutie a uzurii. 4.2. Factorii care influenteaza marimea uzurii 4.2.1. Calitatea materialului si tratamentul termic aplicat Duritatea superficiala este factorul cu cea mai mare influenta asupra uzurii. Din figura 4.4 [8] rezulta ca daca duritatea scade sub 200-300 unitati Brinell, creste intensitatea uzurii in mod accentuat. Astfel, pentru cresterea rezistentei la uzura este indicat un tratament de durificare (calire, cementare, nitrurare etc). Continutul de carbon al otelurilor influenteaza substantial intensitatea uzurii. Elementele de aliere asigura cresterea tenacitatii otelului si a rezistentei la uzura a fontelor. Pentru cresterea rezistentei la uzura, piesele conjugate dintr-o imbinare se executa din materiale diferite. 4.2.2. Marimea jocurilor initiale ale imbinarilor Asamblarea cu un jmin (joc minim) mai mare decat cel optim, duce la uzuri mai mari, mai rapide, la batai, la scaderea durabilitatii. Asamblarea cu jmin mai mic decat cel optim nu permite formarea peliculei de ulei necesara, astfel ca se produce o incalzire exagerata, creste posibilitatea aparitiei gripajului. 4.2.3. Calitatea lubrifiantilor Lubrifiantii trebuie sa aiba stabilitate chimica, o viscozitate corespunzatoare, calitati de onctuozitate si sa nu contina acizi sau impuritati mecanice (apa, particule metalice etc.).108

Stabilitatea chimica este capacitatea lubrifiantului de a-si mentine caracteristicile in conditii de presiune, de temperatura, agenti chimici etc. Daca stabilitatea chimica este insuficienta, se formeaza gudroane care impreuna cu eventualele impuritati din circuitul de ungere se solidifica la temperaturi inalte si se depun pe suprafetele pieselor, inrautatind conditiile de ungere si favorizand depunerea calaminei. Viscozitatea influenteaza direct asupra grosimii si vitezei de formare a peliculei, fiind influentata mai mult de temperatura decat de presiune. Rezulta ca uzura este cu atat mai mare cu cat viscozitatea este mai mica. 4.2.4. Conditiile de functionare si de exploatare Cu cat incarcarea pe unitatea de suprafata (presinea) este mai mare, cu atat este mai mare uzura. La cresterea turatiei arborilor, in conditiile ungerii hidrodinamice, creste grosimea peliculei de ulei astfel ca scade forta de frecare, iar uzura maxima se produce la viteze reduse, in special la pornirea motoarelor. Daca viteza depaseste o anumita valoare, creste temperatura lubrifiantului si, ca urmare, scade viscozitatea acestuia. In cazul frecarii uscate insa, marirea vitezei duce la cresterea uzurii. 4.3. Uzura grupului piston cilindru 4.3.1. Uzarea pistonului Pistonul este elementul cel mai solicitat al mecanismului motor avand rolul de a asigura evolutia fluidului motor in cilindru si de a transmite arborelui cotit, prin intermediul bielei, lucrul mecanic rezultat din transformarea energiei chimice a combustibilului.

Principalele conditii tehnice pentru pistoane sunt:a. Diametrul mantalei, care este zona de ghidare a pistonului ce vine in contact direct cu

camasa cilindrului, trebuie sa se incadreze in clasa de precizie 4-5. Pentru realizarea eficientei economice a procesului de prelucrare mecanica, se practica executia in clasa

109

de precizie 6-7 si apoi se sorteaza pistoanele si camasile, astfel ca sa se realizeze in fiecare grupa de sortare jocurile termice impuse de proiectantul motorului;b. Diametrul in zona canalelor de segmenti, unde pistonul nu are contact direct cu

camasa cilindrului, se executa clasa de precizie 7-8;c. Diametrul alezajului pentru bolt (din umerii pistonului) se executa in clasa de precizie

5, uneori practicandu-se sortarea bolturilor si asamblarea selectiva cu pistoanele, ceea ce permite prelucrarea acestui diametru in clasa de precizie 6;d. Distanta de la axa alezajului pentru bolt la capatul pistonului, influentand direct

raportul de copresie, se impune a se realiza in clasa de precizie 6-7, precizia mai inalta, corespunzand motoarelor cu raport de compresie ridicat; e. Cota de inaltime a canalelor de segmenti trebuie executata cel putin in treapta 7, deoarece se impune ca perioada de timp cat segmentul nu este aplicat pe nici unul din flancurile canalelor, la capetele de cursa ale pistonului, sa fie minima si in acelasi timp sa se evite posibilitatea blocarii segmentului in canal din cauza dilatarilor termice normale in timpul functionarii; f. Precizia formei geometrice a suprafetelor geometrice a suprafetelor cilindrice ale pistoanelor sa fie ridicata, admitandu-se abateri (conicitate, ovalitate) in limitele 6070% din toleranta dimensionala; g. Axa de simetrie a pistonului trebuie sa fie perpendiculara pe axa boltului cu o abatere maxima admisa de 0,03-0,05 mm la 100 mm lungime;h. Axa alezajului pentru bolt poate fi deplasata fata de axa de simetrie a pistonului cu

0,1-0,25 mm;i. Rugozitatea medie admisa pentru manta si canalul boltului sa fie Ra=1,5 m;

j. Toleranta in greutate este de 0,5-2 % din greutatea totala a pistonului, valorile minime corespunzand motoarelor de turatie ridicata. Factorii care influenteaza uzarea pistonului Uzarea pieselor ansamblului piston-cilindru-segmenti depinde in principal de:

material, particularitatile constructive si dimensiunile pieselor;110

marimea jocului dintre piston si cilindru, precum si intre segmentii pistonului si canalele acestora; presiunea radiala a segmentilor;

deformarea pieselor in frecare, care pot aparea in timpul montajului sau

in exploatare; rugozitate; lubrifiant; compozitia si punctul de inflamabilitate al combustibilului; starea aerului aspirat in cilindrii; regimul de lucru al motorului (turatie, sarcina, temperatura). Procesul de uzare al pistonului este determinat de tipurile principale de uzare si anume: uzarea adeziva, uzarea abraziva, uzarea de contact si uzarea prin oboseala. Daca jocurile la montaj sunt insuficiente, ungerea este nesatisfacatoare, deformarea pistonului este neuniforma, aparand rizuri pe suprafata mantalei. Prin bataia pistonului se expulzeaza pelicula de ulei si apar punctele de contact direct. In cazul unui montaj incorect sau al supraincalzirii pistonului, uzarea de contact evolueaza pana la griparea pistonului. Aparitia intre manta si cilindru a unor particule dure (aschii de metal, praf, particule de calamina sau lac) deplasate indeosebi de curentul de ulei, produc uzura abraziva. Materialul pistonului din dreptul primului canal incalzindu-se puternic isi pierde rezistenta si duritatea, iar socurile repetate ale segmentului pe flancurile canalului produc tesirea sau ruperea lor. Deformarea flancurilor canalelor reduce intr-atat eficienta de etansare a segmentilor incat constituie principala cauza care scoate din functionare pistonul. Incalzirea intensa a capului pistonului provocata la m.a.s. de detonatie sau aprinderi secundare, de amestecul prea sarac sau de un avans prea mic la declansarea scanteii, conduce la deformarea capului sau gaurirea lui. Temperatura pistoanelor executate din aliaje usoare ajunge, in partea superioara la 350 oC la cele de fonta si 450 oC la cele din otel, iar pe mantua pistonului la 250 oC. Se evidentiaza existenta unor uzuri semnificative in zona canalelor de segmenti, alezajul pentru axul de piston (alezajul pentru bolt) si a fustei pistonului. Canalele de segmenti, ca urmare a fenomenului de uzare isi modifica forma, din dreptunghiulara in trapezoidala, avand baza mare spre peretel exterior al pistonului. Se constata ca uzarea este mai intensa la canalul unu (superior) si in general, peretele inferior al canalului se uzeaza mai mult decat cel superior, aceasta datorandu-se presarii acesteuia de catre segment.

111

La fusta pistonului uzura se produce datorita frecarii, aceasta fiind mai mare in planul de lucru al bielei. Uzura zonei boltului face ca sa se reduca sau sa dispara strangerea boltului de piston, producandu-se batai si putand avea loc chiar scoaterea din functionare a motorului. Alte defectiuni importante ale motoarelor termice sunt depunerile carbunoase, in special calamina, cocsul si lacurile.

Fig. 4.5. Formarea stratului de calamina pe fundul unui piston a-stratul initial; b-intermediar; c-final.

In schema de formare a stratului de calamina pe piston (figura 4.5 [5]) se presupune ca in camera de ardere este o zona a temperaturilor inalte T. Cand suprafata stratului de calamina depus atinge zona temperaturilor inalte (figura [5]), acesta se incalzeste intens. Combustibilul sau uleiul ajunse pe suprafata stratului arde complet, iar daca arderea este incompleta, particulele de carbon nu pot fi retinute, lipsind substantele liant, stratul de calamina ajungand astfel intr-o stare de echilibru. Cu cat zona temperaturilor inalte va fi mai aproape de suprafetele pieselor din camera de ardere, cu atat grosimea stratului de calamina va fi mai mica. Calamina se formeaza intens in primele 40..50 ore de functionare, dupa care grosimea stratului de calamina ajunge in echilibru. Cauzele principale ale formarii calaminei in motoare se considera modificarile chimice la care sunt supusi combustibilul si uleiul ajunse in stare luchida pe piesele principale din camera de ardere, precum si depunerile de cocs si alte substante liante rezultate din ardere. Regimul termic al motorului este considerat unul din factorii principali care participa la formarea calaminei sau cocsului [5]. La temperaturile inalte de 2000 pana la 2500 oC, in camera de ardere a motorului ard toate substantele atat timp cat este asigurat oxigenul si timpul necesar. Din cauza timpului scurt in care se desfasoara arderea, precum si din cauza amestecurilor neomogene sau a amestecurilot bogate, se creeaza conditii favorabile pentru112

arderea incompleta a combustibilului, astfel formandu-se cocsul, funinginea, si alte produse ale arderii incomplete. Fenomenul de pompaj al segmentilor (figura 4.6 [5] permite intrarea unor cantitati mici de ulei in camera de ardere, care se depun sub forma de pelicula pe fundul pistonului, camasa de cilindru etc. Pelicula de ulei se amesteca cu produsele arderii, fiind apoi supusa unor procese de oxidare repetata, dand nastere la substantele rasinoase si mai apoi la lacuri care joaca rolul de liant. Pelicula de liant retine pe suprafata metalica alte produse ale arderii incomplete, care, in prezenta regimului termic, se transforma intr-un strat de calamina. O parte din calamina formata in camerele de ardere este evaucata de gazele evacuate, numai o fractiune foarte redusa ramanand depusa pe piesele principale din camera de ardere a motorului. Modificarea regimului de lucru al motoarelor franeaza depunerile de calamina si cocs. Daca motorul functioneaza la sarcini mici, cu un regim termic redus, se intensifica formarea calaminei in camera de ardere, aceasta putand fi explicata prin reducerea zonei de temperaturi inalte. La m.a.s. formarea calaminei se explica prin faptul ca functioneaza cu turatii si sarcini reduse, avand amestecuri bogate. Unele incercari au arata ca la imbogatira amestecului (=0,80) cantitatea de calamina formata in camera de ardere creste de circa doua ori. [5]. Reducere si prevenirea formarii calaminei se poate realiza prin utilizarea unui ulei cu o stabilitate marita la oxidare. Prin introducerea unor aditivi in ulei sau utilizarea uleiurilor cu continut ridicat in fractiuni usoare, se reduce la aproximativ jumatate depunerea calaminei [5]. Formarea lacurilor (in care componentul principal este cocsul) se desfasoara in doua etape distincte:1.

in timpul functionarii, cand pelicula de ulei este mobila; in timpul stationarii, cand pelicula de ulei ramane imobila pe suprafetele cale

2.

ale pieselor motorului. Transformarea peliculei de ulei in timpul stationarii depinde de temperatura pieselor, grosimea peliculei de ulei, de actiunea catalitica a metalului si de calitatea uleiului. In figura 4.7 [5] este prezentata influenta temperaturii suprafetelor metalice asupra formarii depunerilor de lac, la o durata de incalzire de 60 minute. Influenta temperaturii si grosimii stratului de ulei asupra cantitatii de lac, la o incalzire de 10 minute este data in figura 4.8a [5]. Se observa ca intensitatea maxima de transformare a peliculei de ulei in lac este practic aceeasi pentru straturi de grosimi diferite, ea depinzand numai de temperatura, insa cantitatea de lac formata pe unitatea de suprafata depinde de grosimea peliculei (figura 4.8b113

[5]). Cea mai mare responsabilitate in formarea depunerilor de lac o are calitatea uleiului. Pentru combaterea acestui fenomen se impune ca uleiurile utilizate sa aiba o temperatura cat mai inalta la care se formeaza aceste depuneri.

4.3.2. Uzarea segmentilor de piston Segmentii au ca scop principal etansarea camerei de ardere. Se deosebesc segmenti de compresie care impiedica scaparea gazelor din camera de ardere spre carter si segmenti de ungere (raclori) care asigura ungerea camasii de cilindru si impiedica intrarea uleiului in camera de ardere. Segmentii se uzeaza radial uniform sau neuniform, se rotunjesc pe fata de contact cu cilindrul, sufera pete de coroziune, se rup la partea opusa a fantei sau formeaza muchii taietoare. Uzurile care apar la nivelul segmentului sunt de mai multe feluri avand cauze diferite:

uzura radiala uniforma este cea mai intalnita avand drept explicatie tendinta de

rotire a segmentului din timpul functionarii;

uzura radiala neuniforma indica faptul ca segmentul a fost impiedicat a se roti; uzura radiala numai la capetele segmentului este o consecinta a bataii radiale; formarea muchiilor taietoare se explica prin prezenta jocurilor radiale prea mici

si a lipsei lubrifiantului. 4.3.2.1. Factorii care determina uzarea segmentilor de piston In cazul m.a.i. cu ardere interna supuse la porniri frecvente, la rece, are loc un grad de uzare ridicat a pieselor din grupul piston-cilindru si, in special, a segmentilor. Factorii principali care intervin in uzarea segmentilor in faza initiala de functionare, dupa pornirea la rece sunt coroziunea si abraziunea.

114

Abraziunea se datoreaza actiunii produsilor de coroziune formati in timpul opririi motorului pe segmenti sau oricare alta sectiune a camasii cilindrului supusa frecarii. Produsii de coroziune provoaca un grad inalt de uzare imediat dupa pornirea motorului, actiunea lor incetand odata cu eliminarea lor prin intermediul uleiului de ungere. Uzura abraziva poate aparea si datorita impuritatilor continute in uleiul din carter. Coroziunea se considera ca se produce sub actiunea vaporilor de apa sau a produselor volatile acide ramase in camera de ardere si in carter dupa oprirea motorului. In timpul racirii motorului, vaporii de apa continuti de gazele din camera de ardere se condenseaza si pot coroda segmentii in partea superioara a camasii de cilindru. Elementele esentiale care se remarca privitor la uzarea segmentilor de cilindru in faza de pornire sunt: Uzarea la pornire intr-un motor cu ardere interna se datoreaza in primul

rand produselor corosive prezente in uleiul de ungere; Produsele corosive prezente in camera de ardere si retinute dupa oprirea

motorului in uleiul din zona segmentilor au un efect mult mai pronuntat asupra uzarii la pornire decat cele dizolvate in uleiul din carter; Uzarea la pornire este accentuata de efectul coroziunii, asociat de

abraziunea datorita produselor de coroziune, in timpul perioadei de functionare initiale, dupa o noua pornire la rece;

Produsele de coroziune continute de uleiul din carter nu prezinta un

efect sensibil asupra uzarii segmentilor la pornire. 4.3.2.2. Dependenta uzurii de presiunea segmentilor pe piston Epura presiunii segmentilor pe peretele cilindrului manifesta o mare influenta asupra capacitatii de lucru a segmentilor. Segmentii pistonului sunt apasati pe peretii cilindrului de elasticitatea proprie si de presiunea gazelor. Presiunea gazelor influenteaza segmentii pe o portiune mica din cursa pistonului, in apropiere de punctul mort superior, in rest apasarea pe oglinda cilindrului fiind datorata elasticitatii proprii a segmentului, care are o contributie insemnata la uzarea acestora.

115

In figura 4.9 [5] se da uzura radiala pentru doi segmenti la diferite durate de incarcare. La segmentul 1 presiunea a fost practic aceeasi pe circumferinta, iar la segmentul 2 a fost mai ridicata la capete, ceea ce a manifestat o influenta asupra uzurii. Masurarea grosimii radiale a segmentilor pe masura uzarii lor, s-a facut in mai multe puncte ale circumferintei. Duratele incercarilor au fost de 30 minute, 1 h 30 minute si 3 h 30 minute. 4.3.3. Uzarea boltului de piston Boltul sau axul boltului este organul care stabileste legatura dintre piston si biela si transmite forta de presiune de la piston la biela. Pentru ca biela sa poata oscila fata de axa cilindrului, boltul se monteaza cu joc, fie in piston, fie in biela, fie simultan in ambele organe (bolt flotant). La utilizarea boltului flotant, fortele de frecare variabile antreneaza boltul in miscare alternativa de rotatie, iar dupa un numar de cicluri motoare, are loc o rotatie completa a acestuia. Uzura la care este supus boltul este datorata faptului ca nu se poate realiza ungerea in regim hidrodinamic. Acest lucru este o consecinta a miscarii de rotatie cu caracter alternativ, cu viteze periferice reduse (circa 1 m/s). Pe de alta parte alimentarea cu ulei se face cu dificultate si are in general un caracter discontinuu, rezultand un regim semifluid de ungere. Regimul termic al boltului are un rol hotarator asupra ungerii. Nivelul regimului termic al boltului se poate limita prin mai multe metode: prin reducerea presiunii specifice dintre bolt si suprafetele de sprijin; prin reducerea rugozitatii suprafetelor; prin intensificarea alimentarii cu ulei a imbinarii; prin imbunatatirea calitatii lubrifiantului; prin marirea rigiditatii boltului. Solicitarea prin soc in prezenta jocurilor intensifica uzura boltului si zgomotul. Dupa un interval de timp apar batai metalice caracteristice, care avertizeaza asupra jocului inadmisibil aparut in imbinare (uzura exagerata) si impune interventia radicala. Un joc prea

116

mic in timpul functionarii impiedica formarea peliculei de ulei, iar un joc prea mare amplifica socul si zgomotul. 4.3.4. Uzarea camasii de cilindru Uzarea suprafetei interioare a cilindrului constituie una din principalele cauze care limiteaza durata de functionate a motorului. Un criteriu de apreciere a gradului de uzare a cilindrului il constituie numarul de milimetrii cu care se mareste alezajul raportat la 1000 ore de functionare sau la numarul de kilometrii parcursi. Experienta arata ca uzura maxima a cilindrului in exploatare se produce in dreptul primului segment, cand pistonul se afla in p.m.s. (figura 4.10 [7]) Cilindrul este organul in interiorul caruia evolueaza fluidul motor si are loc ghidarea pistoanelor in vederea transformarii miscarilor de translatie in miscare de rotatie a arborelui cotit. In timpul functionarii, aceste piese sunt supuse in interior unor forte de presiune din partea gazelor arse si a tensiunilor termice datorita temperaturilor inalte, iar la exterior actiunii temperaturii fluidului de racire. Aceste conditii de functionare impun camasii de cilindru urmatoarele cerinte: rezistenta ridicata la actiunea gazelor; rezistenta mare la uzare; rezistenta mare la coroziune a suprafetelor de lucru si a suprafetelor in contact cu mediul de racire; siguranta etansarii la gazele din interior si fata de mediul exterior. Studierea constructiei camasii de cilindru din punct de vedere al formei si materialului contribuie la evidentierea unor aspecte importante privind uzarea. Forma constructiva si materialul camasii de cilindru sunt corelate cu tipul si destinatia motorului. Criteriile de clasificare a camasilor de cilindrii se prezinta in schema 4.1 [5]. 4.3.4.1. Factorii si procesele de uzare specifice camasii de cilindru Factorii care determina uzarea cilindrului sunt: a. b. c. d. regimul de functionare al motorului (sarcina, turatie, stare termica); presiunea exercitata de segmenti; regimul de ungere a clindrului; gradul de impurificare a aerului, uleiului si combustibilului;

e. natura, viscozitatea si stabilitatea uleiului;117

f. g. h. i.j.

compozitia chimica si fractionata a combustibilului; natura materialului de cilindru; tehnologia de finisare a oglinzii cilindrului (rugozitate, tratament particularitatile constructive ale cilindrilor sau camasilor de cilindru deformarile cilindrului produse la montaj (strangerea neuniforma a racirea cilindrului.

termic, tratament termo-chimic); (distributia nesimetrica a materialului, variatiile rapide de sectiune); prezoanelor chiulasei) sau de starea termica; k. Frecarea dintre suprafetele in contact care au miscare relativa au drept efect pierderea de energie (degajare de caldura) si uzarea. Grupul de piese format din camasa de cilindru, piston si segmenti formeaza o cupla de frecare cu mai multe contacte pe suprafetele cilindrice. Frecarea dintre piston, segmenti si cilindru produce efecte daunatoare de incalzire si uzare, care determina scoaterea din functiune a acestor componente. Frecarea este determinata de conditiile grele de lucru. Astfel, temperatura pieselor este de 200...250 oC, viteza pistonului variaza in limitele 0...25 m/s, presiunea medie a gazelor este aleatoare si exista o serie de particule abrazive aspirate din atmosfera si o cantitate de gaze arse. Frecarea din cupla de frecare cilindru-segment-piston este influentata si de calitatea prelucrarii pieselor cuplei, calitatea combustibililor si lubrifiantilor, raportul de compresie etc. Forta de frecare din cupla (pe forta de suprafata) este maxima in cursa de ardere si dupa punctul mort superior (figura 4.11 [5]), unde valoarea sa medie este mai mare decat celelalte curse. Varfurile de pe diagrama fortei de frecare se datoreaza ungerii necorespunzatoare in punctele moarte si actiunii gazelor de ardere. Procesul de uzare al camasii de cilindru este determinat de tipurile principale de uzare si anume: uzarea adeziva, uzarea abraziva, uzarea corosiva si uzarea prin oboseala. Uzarea de adeziune apare ca rezultat al contactului direct, in punctele moarte (p.m.s. si p.m.i.), dintre piston, segmenti si cilindru, cand, datorita vitezi pistonului, filmul de lubrifiant este intrerupt de rugozitatile suprafetelor. Aparitia uzurii adezive cu valoare maxima in p.m.s. (figura 4.12 [7]) se explica prin presiunea de apasare mai mare a primului segment, datorita actiunii asupra acestuia a gazelor de ardere, a temperaturii ridicate a acestuia si a

118

cilindrului. Acesti factori favorizeaza formarea unor oxizi superficiali cu rezistenta mecanica redusa, precum si reducerea viscozitatii peliculei de ulei. Cel mai raspandit exemplu sub care se manifesta uzarea adeziva este bazat pe sudarea varfurilor asperitatilor suprafetelor ce vin in contact, in acele portiuni unde filmul de lubrifiant este intrerupt. In punctele de contact are loc formarea unor legaturi metalice insotite de deformare plastica, legaturi care apoi se rup datorita miscarii relative a pieselor, aparand particule metalice, care antrenate de lubrifiant, contribuie la intensificarea uzurii. Uzarea adeziva se prezinta sub forma granulara si atomica. Uzarea atomica duce la o netezire a suprafetelor in frecare, in timp ce uzarea granulara depinde de calitatea suprafetelor. Uzarea de adeziune este asociata, sub o anumita forma, cu diferite manifestari electrice. Frecarea este insotita de aparitia unor curenti termoelectrici, la care se adauga fenomene de termodifuzare in masa materialului. Sesizarea acestui tip de uzare este foarte dificila, concretizandu-se printr-o superfinisare foarte lenta si progresiva a suprafetelor, alteori avand urme vizibile, ducand la cresterea rugozitatii suprafetelor, putandu-se ajunge la griparea grupului piston-segmenticilindru. Uzarea corosiva se datoreste actiunii unor produsi agresivi, formati in procesul de ardere, in cazul pornirii la rece, prin degradarea uleiurilor, asupra suprafetei de lucru a cilindrului. Temperatura suprafetei interioare a cilindrului are un rol important in intensificarea uzurii corosive, deoarece cand coboara sub temperatura punctului de roua produsele agresive din gazele de ardere se condenseaza pe cilindru, care corespunde nivelului maxim atins de primul segment. Dintre formele de coroziune, cea mecano-chimica (tribochimica) prezinta interes deosebit pentru cupla piston-segment-cilindru. Uzarea suprafetei de lucru evolueaza aleator prin suprapunerea efectelor uzarii mecanice cu a celor a coroziunii tribochimice. Produsele de ardere din motor sunt cei mai agresivi agenti de coroziune, mai ales cand lucreaza cu amestecuri de ardere sarace. Temperatura pieselor cuplei de frecare este factorul care influenteaza in cea mai mare masura activitatea corosiva. Uzarea abraziva a suprafetei interioare a cilindrului se produce datorita patrunderii intre piesele in miscare a unor particule dure din combustibilul, uleiul si aerul care ajung in spatiul chiulasa-cilindru-segmenti-piston. Profilul uzarii abrazive arata ca uzura este concentrata la partea inferioara a cilindrului, unde este provocata de particulele dure din ulei,

119

(figura 4.12 [7] si in zona superioara, unde este provocata de particulele dure din aer sau combustibil (figura 4.12 [7]). Actiunea particulelor abrazive este de scurta durata, deoarece intr-un timp scurt se produce pierderea actiunii distrugatoare a abrazivului prin faramitarea sau tesirea muchiilor si uzarea grupului piston-segmenti-cilindru si astfel se reduce presiunea dintre piese. Uzarea de oboseala apare datorita manifestarilor dinamice dintre suprafetele de lucru a cilidrului si suprafetele de contact ale segmentilor si pistonului. Un prim aspect al evolutiei procesului de uzare prin oboseala decurge din faptul ca tensiunile interne din stratul superficial reduc fortele de coeziune moleculare, permitand astfel smulgerea mai usoara a particulelor metalice prin procesul de uzare abraziva si adeziva. Al doilea aspect al evolutiei procesului de uzare prin oboseala a suprafetei de lucru a cilindrului decurge din aceea ca starea complexa de tensiuni a stratului activ de metal din apropierea suprafetei de frecare si fenomenele speciale de oboseala la sarcini ciclice provoaca curgerea materialului din stratul superficial, ceea ce mascheaza efectele clasice ale acestui tip de uzare. Al treilea aspect al uzarii prin oboseala decurge din actiunea corosiva a mediului. Actiunea simultana a mediului corosiv si al solicitarilor variabile este mai accentuata decat suma actiunilor corosive si solicitarilor variabile in cazul cand acestea actioneaza succesiv. Experienta arata ca o influenta exceptionala asupra gradului de uzare o exercita temperatura redusa a lichidului de racire (figura 4.13 [7]). Pentru condensarea produsilor agresivi, temperatura oglinzii cilindrului trebuie sa fie de circa 140 oC, ceea ce corespunde unei temperaturi a lichidului de racire de 80...90 oC. La temperaturi mai joase ale mediului de racire se intensifica fenomenul de condensare si deci uzarea corosiva. Pe aceasta cale se explica in mare parte influenta enorma a pornirii motorului rece asupra uzarii cilindrului (uzarea de pornire). Dupa experientele clasice ale lui H. Ricardo, uzarea la pornirea unui motor rece (m.a.s.), echivaleaza cu uzarea produsa intr-un interval de 10 ore de functionare a motorului in regim nominal. J. Williams evidentiaza pentru prima data influenta conditiilor de ungere asupra uzarii cilindrului la temperaturi joase ale mediului de racire (figura 4.13 [7]. De aici rezulta necesitatea de a reduce timpul de incalzire a motorului dupa pornire, un rol important in acest sens avandu-l termostatul (figura 4.13 [7]). 4.4. Studii experimentale asupra uzurii grupului piston cilindru dupa un numar de ore de functionare

120

Experimentele s-au realizat pe motorul monocilindric Briggs&Stratton 245400 (figura 4.14). Metodele de masurare aplicate au fost: micrometrarea; cantarirea. Metoda micrometrarii permite determinarea modificarii dimensionale, a marimilor liniare, prin masurarea dimensiunilor inainte si dupa functionare. Metoda necesita demontarea masinii si curatarea pieselor. Metoda cantaririi consta in determinarea diferentei dintre masa neta initiala (mi) a piesei si masa acesteia dupa un anumit numar de ore de functionare (mT): (4.6) [8] Pentru realizarea studiului s-au realizat doua teste, in ambele cazuri motorul monocilindric functionand timp de 30 ore. In primul test, sa utilizat combustibil E10 (amestec de benzina 90% si alcool etilic 10%), iar in al doilea test s-a utilizat benzina Premium 95. Cel de-al doilea caz a fost necesar ca si etalon, pentru a se putea face comparatie asupra uzurilor care se produc datorita alimentarii cu combustibilul E10, si uzurile pe care le produce alimentarea cu benzina asupra grupului piston-cilindru. 4.4.1. Studiul asupra uzurii pistonului Determinarea uzurii prin masurare (prin metoda micrometrarii) s-a realizat dupa doua cicluri de functionare ale motorului. Pentru realizarea masuratorilor, motorul a fost demontat, pistonul spalat in benzina, dupa care s-a trecut la masurarea lui cu ajutorul micrometrului. Masuratorile sau realizat in opt puncte, masurate echidistant in lungul pistonului in plan perpendicular pe planul boltului (figura 4.15 a) si in patru puncte in planul boltului de-a lungul pistonului (figura 4.15 b). Etapele premergatoare masurarii si masurarea efectiva a diametrului pistonului s-au realizat de trei ori: inainte de functionarea motorului, dupa functionarea cu combustibil E10 si dupa functionarea cu benzina Premium 95.

121

In ambele cazuri de functionare, pe piston si camera de ardere se constata depuneri de calamina (figura 4.16). Aceasta s-au format deoarece motorul a functionat in gol, motiv fiind faprul ca nu s-a atins regimul termic optim. Rezultatele masuratorilor diametrului pistonului in planul boltului sunt redate in tabelul 4.2, iar valorile in plan perpendicular pe planul boltului sunt prezentate in tabelul 4.3. Pentru determinarea uzurii, diametrul pistonului are ca referinta dupa functionarea motorului cu combustibil E10 masuratorile pistonului initiale, iar diametrul masurat la functionarea cu benzina Premium 95, are ca valori de referinta diametrul masurat in cazul alimentarii motorului cu combustibil E10. In figura 4.17 se prezinta diametrul pistonului in functie de punctul de masurare de-a lungul acestuia la functionarea motorului cu combustibil pe baza de alcooli, E10, iar in figura 4.18 se prezinta graficul uzurii dupa functionarea timp de 30 ore a motorului. Figura 4.19 arata variatia diametrului pistonului in functie de punctul de masurare, dupa ce motorul monocilindric a functiont 30 ore, iar in figura 4.20 variatia uzurii pistonului dupa functionarea motorului alimentat cu benzina Premium 95. Din cele doua figuri si din tabelul 4.3 rezulta faptul ca in punctul de masurare 1 si in planul perpendicular pe planul boltului apare o uzura de 0.01 mm dupa 60 de ore de functionare.

122

Fig. 4.20. Uzura pistonului dupa 60 ore de functionare cu combustibil E10 si benzina

Determinarea uzurii pistonului prin cantarire s-a realizat tot dupa doua cicluri de functionare, si a avut ca scop certificarea rezultatelor primei metode de masurare. Dupa demontarea motorului in cele doua cazuri, pistonul a fost spalat de calamina si de depunerile de pe capul pistonului pentru a nu infleunta rezultatele cantaririi. Cantarirea s-a rezlizat cu o balanta electronica cu o precizei de 0,01 g (fig. 4.21). Datele prezentate in tabelul 4.22 demonstreaza ca masa pistonului nu s-a modificat dupa cele 60 de ore de functionare. In urma acestor cercetari, rezultatele convergente demonstreaza veridicitatea experimentelor.

Rezultatele cantaririi pistonului Greutatea pistonului inainte de functionare 341,8 Greutatea pistonului dupa functionarea cu E10 341,8 Greutatea pistonului dupa functionarea cu E10 341,8

4.4.2. Studiul asupra uzurii cilindrului Uzura cilindrului s-a determinat prin micrometrarea cu micrometrul de interior. S-a urmarit masurarea in planele si sectiunile care sa corespunda cu cele masurate pe piston123

(respectiv planul care coincide cu planul perpendicular pe planul boltului, si in planul boltului). In tabelul 4.5 se prezinta rezultatele obtinute. Se observa ca nici in cazul cilindrului nu se observa uzuri dupa 60 de ore de functionare. Figura 4.22 prezinta graficul uzurii dupa ciclurile de testare, 30 ore motorul functionand cu combustibil E10 si 30 ore cu benzina premium 95. Tabelul 4.5Diametrul cilindrului dupa functionarea motorului Planul de masurare Inainte de functionarea motorului 1 88,98 88,97 88,97 88,98 2 88,98 88,97 88,97 88,965 3 88,98 88,97 88,97 88,96 1 88,98 88,97 88,97 88,98 Dupa functionarea cu combustibil E10 2 88,98 88,97 88,97 88,965 3 88,98 88,97 88,97 88,96 Dupa functionarea cu benzina Premium 95 1 88,98 88,97 88,97 88,98 2 88,98 88,97 88,97 88,965 3 88,98 88,97 88,97 88,96

I-I II-II III-III IV-IV

124