Kaip veikia trintis variklio viduje
Kiekvieną kartą užvedus variklį, tūkstančiai metalinių detalių pradeda judėti dideliu greičiu. Alkūninis velenas sukasi, stūmokliai juda, skirstymo velenai atidaro vožtuvus, o guoliai patiria milžiniškas apkrovas. Visa tai lydi trintis.
Be alyvos plėvelės, pažeidimas prasideda beveik akimirksniu: turbokompresoriaus guoliai, kur plėvelė yra tik 6-9 mikrometrų storio esant apsukoms virš 100 000 aps./min, gali sugesti per kelias sekundes praradus alyvos slėgį. Alkūninio veleno pagrindiniai ir stūmoklio guoliai yra atsparesni, tačiau ir jie pradeda gadintis per 30-60 sekundžių, o negrįžtamas dėvėjimasis prasideda jau po kelių minučių. Būtent todėl pagrindinė variklinės alyvos užduotis - sukurti patvarią alyvos plėvelę, atskiriančią detalių paviršius.
Variklinė alyva ne tik sumažina trintį. Ji sukuria sąlygas, kuriomis metalinės paviršiai daugumoje darbo režimų tiesiogiai nesiliečia.
Iš kur atsiranda trintis
Pro mikroskopą net idealiai apdorotas metalas yra padengtas mikroskopiniais nelygumais - juos vadina paviršiaus šiurkštumu. Detalėms judant, šie mikroskopiniai iškilimai sąveikauja tarpusavyje, sukurdami pasipriešinimą judėjimui ir sukeldami trintį. Būtent santykis tarp alyvos plėvelės storio ir šių nelygumų aukščio lemia, kaip patikimai detalės yra apsaugotos viena nuo kitos.
Trys tepimo režimai: Štribeko kreivė
Tribologai (trinties specialistai) apibūdina tepimo elgseną naudodami Štribeko kreivę, pavadintą vokiečių inžinieriaus Richardo Štribeko vardu, kuris XX amžiaus pradžioje tyrinėjo trinties priklausomybę nuo judančių detalių greičio. Kreivė rodo, kad priklausomai nuo greičio, apkrovos ir alyvos klampos, tepimas variklio viduje veikia vienu iš trijų režimų.
| Tepimo režimas | Kas vyksta |
|---|---|
| Ribinis tepimas | Alyvos plėvelė yra plonesnė už paviršiaus nelygumus, detalės iš dalies tiesiogiai liečiasi. Trintis didžiausia. |
| Mišrus tepimas | Apkrovą iš dalies neša alyvos plėvelė, iš dalies - patys nelygumai. Pereinamoji būsena tarp kitų dviejų režimų. |
| Hidrodinaminis tepimas | Alyvos plėvelė visiškai atskiria paviršius, plėvelės storis kelis kartus viršija nelygumų aukštį. Trintis mažiausia. |
Hidrodinaminiame režime alyvos plėvelės storis paprastai svyruoja nuo kelių iki maždaug šimto mikrometrų, to pakanka visiškam paviršių atskyrimui dideliu greičiu. Svarbu suprasti: visi trys tepimo režimai veikiančiame variklyje veikia vienu metu, tiesiog skirtinguose mazguose ir skirtingais ciklo momentais.
Kur variklyje veikia kiekvienas režimas
Alkūninio veleno pagrindiniai ir stūmoklio guoliai didžiąją laiko dalį veikia hidrodinaminiame režime: didelis sukimosi greitis sukuria stabilią alyvos plėvelę, visiškai atskiriančią veleną ir įdėklą. Stūmoklio žiedai, priešingai, reguliariai atsiduria ribinio tepimo sąlygomis - viršutiniame ir apatiniame mirties taškuose stūmoklis akimirkai sustoja, greitis krenta beveik iki nulio, ir alyvos plėvelė nespėja pasiekti pilno storio. Vožtuvų mechanizmas (skirstymo veleno kumštelio kontaktas su stūmikliu) taip pat daugiausia veikia ribiniame arba mišriame režime dėl didelių taškinių apkrovų ir mažo slydimo greičio.
Kodėl metalas nesusivirina
Jei tarp detalių nėra alyvos plėvelės, tiesioginis metalo ir metalo kontaktas sukelia greitą dėvėjimąsi, lokalų perkaitimą ir darbinių paviršių pažeidimus, įskaitant pavienių kontaktinių taškų mikrosuvirinimą. Būtent todėl ribinio tepimo režimui, kuriame toks kontaktas iš dalies neišvengiamas, reikalinga ne tiek alyvos klampa, kiek specialūs priešdilimo priedai.
Klasikinis priešdilimo priedas ZDDP (cinko dialkilditiofosfatas) veikia būtent ribiniame režime: trinties metu jis ant metalo paviršiaus suformuoja apsauginę plėvelę, paprastai 50-150 nanometrų storio, kuri paaukoja save vietoj pagrindinio metalo, palaipsniui nudildama ir atsinaujindama. Ši plėvelė susiformuoja tik ten, kur jos reikia, tai yra būtent ribinio tepimo zonose, o ne tolygiai visame variklio paviršiuje.
Dažni klaidingi įsitikinimai
Trintis variklyje visada yra blogai.
Ne visai. Alyvos užduotis - ne visiškai pašalinti trintį, o perkelti ją į kontroliuojamą ir nuspėjamą režimą, mažinant dėvėjimąsi, o ne fiziškai pašalinti bet kokią paviršių sąveiką.
Kuo storesnė alyvos plėvelė, tuo geriau bet kokioje situacijoje.
Ne. Ribiniame režime (pavyzdžiui, variklio užvedimo metu arba stūmoklio mirties taškuose) plėvelės storis fiziškai ribojamas greičio ir apkrovos, ir šiomis sąlygomis apsaugą užtikrina ne plėvelės storis, o priešdilimo priedų cheminė sudėtis.
Gerai sutepto variklio metalas niekada nesiliečia su metalu.
Ne. Trumpalaikis mikronelygumų kontaktas ribiniame ir mišriame tepimo režimuose yra normali variklio darbo dalis, ypač tokiuose mazguose kaip stūmoklio žiedai prie mirties taškų ir vožtuvų mechanizmas. Priedai egzistuoja būtent apsaugai šiais momentais, o ne jų visiškam pašalinimui.
Dažniausiai užduodami klausimai
- Kodėl variklis greičiausiai dyla šalto starto metu?
- Užvedant alyva dar nėra pripumpuota per visą sistemą ir turi didesnę klampą dėl žemos temperatūros, todėl daug mazgų trumpam atsiduria ribinio tepimo režime su padidėjusia metalo ir metalo kontakto rizika.
- Kas yra Štribeko kreivė paprastais žodžiais?
- Tai grafikas, rodantis, kaip trintis keičiasi priklausomai nuo judančių detalių greičio, apkrovos ir alyvos klampos, aiškiai padalijant tepimo veikimą į ribinį, mišrų ir hidrodinaminį režimus.
- Ar ta pati variklio detalė gali veikti keliais tepimo režimais vienu metu?
- Taip. Pavyzdžiui, stūmoklio žiedas pereina iš ribinio režimo mirties taškuose į hidrodinaminį stūmoklio eigos viduryje, kur judėjimo greitis yra didžiausias, per vieną ir tą patį alkūninio veleno apsisukimą.
- Ar tepimo režimas priklauso nuo alyvos klampos?
- Taip, klampa yra vienas iš trijų Štribeko kreivės veiksnių kartu su greičiu ir apkrova: klampesnė alyva, esant kitoms vienodoms sąlygoms, priartina mazgą prie hidrodinaminio režimo, tačiau negali visiškai pašalinti ribinio režimo ten, kur judėjimo greitis krenta iki nulio.
Išvada
Trintis variklio viduje nėra vienas reiškinys, o trijų skirtingų fizikinių režimų visuma, vienu metu veikianti skirtinguose mazguose: nuo beveik visiško paviršių atskyrimo alkūninio veleno guoliuose iki trumpalaikio mikronelygumų kontakto stūmoklio mirties taškuose. Šio vaizdo supratimas paaiškina, kodėl variklinė alyva yra ne tiesiog klampus skystis, o sudėtinga sistema, kurioje klampa ir priedai skirtingomis sąlygomis sprendžia skirtingas užduotis.