Kuidas töötab hõõrdumine mootori sees
Iga kord, kui mootor käivitub, hakkavad tuhanded metallosad liikuma suure kiirusega. Väntvõll pöörleb, kolvid liiguvad, nukkvõllid avavad klapid ja laagrid võtavad vastu tohutuid koormusi. Kõike seda saadab hõõrdumine.
Ilma õlikileta algab kahjustus peaaegu koheselt: turbokompressori laagrid, kus kile on vaid 6-9 mikromeetrit paks pöörete juures üle 100 000 p/min, võivad õlirõhu kadumisel puruneda mõne sekundi jooksul. Väntvõlli peamised laagrid ja kepslid on vastupidavamad, kuid ka need hakkavad kahjustuma 30-60 sekundi jooksul ning pöördumatu kulumine tekib juba mõne minuti pärast. Just seetõttu on mootoriõli peamine ülesanne luua tugev õlikile, mis eraldab osade pindu.
Mootoriõli ei vähenda ainult hõõrdumist. See loob tingimused, mille korral metallpinnad enamikus töörežiimides otseselt ei puutu kokku.
Kust hõõrdumine tuleb
Mikroskoobi all on isegi täiuslikult töödeldud metall kaetud mikroskoopiliste ebatasasustega, mida nimetatakse pinnakaredaduseks. Osade liikumisel need mikroskoopilised eendid interakteeruvad omavahel, tekitades liikumistakistust ja põhjustades hõõrdumist. Just õlikile paksuse ja nende ebatasasuste kõrguse suhe määrab, kui usaldusväärselt on osad üksteise eest kaitstud.
Kolm määrimisrežiimi: Stribecki kõver
Tribolooogid (hõõrdumise spetsialistid) kirjeldavad määrimise käitumist Stribecki kõvera abil, mis on nime saanud saksa inseneri Richard Stribecki järgi, kes uuris 20. sajandi alguses hõõrdumise sõltuvust liikuvate osade kiirusest. Kõver näitab, et olenevalt kiirusest, koormusest ja õli viskoossusest töötab määrimine mootori sees ühes kolmest režiimist.
| Määrimisrežiim | Mis toimub |
|---|---|
| Piirmäärimine | Õlikile on pinna ebatasasustest õhem, osad puutuvad osaliselt otse kokku. Hõõrdumine on suurim. |
| Segamäärimine | Koormust kannab osaliselt õlikile, osaliselt ebatasasused ise. Üleminekuseisund kahe teise režiimi vahel. |
| Hüdrodünaamiline määrimine | Õlikile eraldab pinnad täielikult, kile paksus ületab mitmekordselt ebatasasuste kõrgust. Hõõrdumine on väikseim. |
Hüdrodünaamilises režiimis on õlikile paksus tavaliselt mõnest kuni umbes saja mikromeetrini, sellest piisab pindade täielikuks eraldamiseks suurel kiirusel. Oluline on mõista, et kõik kolm määrimisrežiimi toimivad töötavas mootoris samaaegselt, lihtsalt erinevates sõlmedes ja tsükli erinevatel hetkedel.
Kus mootoris milline režiim toimib
Väntvõlli peamised laagrid ja kepslid töötavad enamiku ajast hüdrodünaamilises režiimis: suur pöörlemiskiirus tekitab stabiilse õlikile, mis eraldab täielikult võlli ja pukse. Kolvirõngad seevastu satuvad regulaarselt piirmäärimise tingimustesse: ülemises ja alumises surnud punktis peatub kolb hetkeks, kiirus langeb peaaegu nullini ning õlikilel ei jää aega täieliku paksuseni jõuda. Ka klapimehhanism (nukkvõlli nukk-tõukuri kontakt) töötab valdavalt piir- või segarežiimis kõrgete punktkoormuste ja madala libisemiskiiruse tõttu.
Miks metall ei keevitu kokku
Kui osade vahel puudub õlikile, viib otsene metall-metall kontakt kiire kulumise, kohaliku ülekuumenemise ja töötavate pindade kahjustumiseni, mis võib jõuda üksikute kontaktpunktide mikrokeevitumiseni. Just seetõttu vajab piirmäärimise režiim, kus selline kontakt on osaliselt vältimatu, mitte niivõrd konkreetset õli viskoossust, kuivõrd spetsiaalseid kulumiskaitse lisandeid.
Klassikaline kulumiskaitse lisand ZDDP (tsink-dialküül-ditiofosfaat) toimib just piirrežiimis: hõõrdumisel moodustab see metallpinnale kaitsekile, tavaliselt 50-150 nanomeetrit paks, mis ohverdab end põhimetalli asemel, kulub järk-järgult ja taastub. See kile tekib ainult sinna, kus seda vaja on, see tähendab just piirmäärimise tsoonides, mitte ühtlaselt kogu mootori pinnal.
Levinud väärarusaamad
Hõõrdumine mootoris on alati halb.
Mitte päris. Õli ülesanne ei ole hõõrdumist täielikult kõrvaldada, vaid viia see kontrollitud ja etteaimatavasse režiimi, mis minimeerib kulumist, mitte füüsiliselt takistada mis tahes pindade koostoimet.
Mida paksem õlikile, seda parem igas olukorras.
Ei. Piirrežiimis (näiteks mootori käivitamisel või kolvi surnud punktides) on kile paksus füüsiliselt piiratud kiiruse ja koormusega, ning nendes tingimustes tagab kaitse mitte kile paksus, vaid kulumiskaitse lisandite keemiline koostis.
Hästi määritud mootoris ei puutu metall kunagi metalliga kokku.
Ei. Lühiajaline mikroebatasasuste kontakt piir- ja segamäärimise režiimis on normaalne osa mootori tööst, eriti sellistes sõlmedes nagu kolvirõngad surnud punktide juures ja klapimehhanism. Lisandid on olemas just kaitseks nendel hetkedel, mitte nende täielikuks kõrvaldamiseks.
Korduma kippuvad küsimused
- Miks mootor kulub kõige kiiremini külmkäivitusel?
- Käivitamisel ei ole õli veel läbi kogu süsteemi pumbatud ja sellel on madala temperatuuri tõttu kõrgem viskoossus, mistõttu paljud sõlmed satuvad lühiajaliselt piirmäärimise režiimi, kus metall-metall kontakti risk on suurem.
- Mis on Stribecki kõver lihtsalt öeldes?
- See on graafik, mis näitab, kuidas hõõrdumine muutub sõltuvalt liikuvate osade kiirusest, koormusest ja õli viskoossusest, jagades määrimise käitumise selgelt piir-, sega- ja hüdrodünaamiliseks režiimiks.
- Kas sama mootori osa saab töötada korraga erinevates määrimisrežiimides?
- Jah. Näiteks kolvirõngas liigub piirrežiimist surnud punktides hüdrodünaamilisse režiimi kolvikäigu keskel, kus kiirus on maksimaalne, kõik ühe väntvõlli pöörde jooksul.
- Kas määrimisrežiim sõltub õli viskoossusest?
- Jah, viskoossus on üks kolmest Stribecki kõvera tegurist koos kiiruse ja koormusega: viskoossem õli nihutab muude tegurite samaks jäädes sõlme lähemale hüdrodünaamilisele režiimile, kuid ei suuda piirrežiimi täielikult kõrvaldada seal, kus kiirus langeb nullini.
Kokkuvõte
Hõõrdumine mootori sees ei ole üks nähtus, vaid kolme erineva füüsikalise režiimi kogum, mis toimivad samaaegselt erinevates sõlmedes: alates peaaegu täielikust pindade eraldamisest väntvõlli laagrites kuni lühiajalise mikroebatasasuste kontaktini kolvi surnud punktides. Selle pildi mõistmine selgitab, miks mootoriõli ei ole lihtsalt viskoosne vedelik, vaid keeruline süsteem, milles viskoossus ja lisandid lahendavad erinevatel tingimustel erinevaid ülesandeid.