Elméleti tribológia és méréstechnika Összefüggések felület- és kenőanyag-minőség, súrlódás és kopás között

Átírás

1 ÜZEMFENNTARTÁSI TEVÉKENYSÉGEK 3.03 Elméleti tribológia és méréstechnika Összefüggések felület- és kenőanyag-minőség, súrlódás és kopás között Tárgyszavak: tribológia; kenés; kenőanyag; mérés; kenőolaj. Motorolaj-fejlesztés és használati követelmények Az elmúlt évtizedek műszaki újdonságai egyre nagyobb követelményeket támasztanak a motorolajok iránt. Ennek oka a korszerű motorok növekedő teljesítménysűrűsége (egységnyi tömegre jutó teljesítmény), amely méretcsökkenésre, a befecskendezés fokozódó nyomására, csökkenő olajfogyasztásra, magasabb olajhőmérsékletre és a mind hosszabb időközönkénti olajcserére vezethetők vissza. Újabban szintén döntő szerepet játszik a motorolaj hatása az üzemanyag-fogyasztásra, az emelkedő kőolaj- és üzemanyagárak, valamint az energiamegtakarítás mindinkább általánossá váló irányzata következtében. Ezért szerepel a kenőanyag-, köztük a motorolajgyártók marketingszótárában a fuel economy vagy a Leichtlauföl, mint üzemanyag-megtakarító (ill. a haladást megkönnyítő) termékek reklámozása. Bár a súrlódási veszteség a motor összes energiaveszteségének csupán 15%-a, a jó kenőanyaggal elérhető üzemanyag-megtakarítás világviszonylatban jelentős. A súrlódás, valamint a légellenállás konstrukciós csökkentésére irányuló erőfeszítéseknél lényegesen olcsóbb speciális kenőanyagot használni. Az olajok súrlódáscsökkentő adalékai a kedvezőtlen üzemi feltételek esetén fellépő, ún. vegyes súrlódásra hatnak. A szokásos motorterhelés tartományában a súrlódó helyeken hidrodinamikai erők működnek, így az üzemanyag-fogyasztást csak a motorolaj viszkozitásával lehet befolyásolni. A túlságosan kis viszkozitás viszont a várttal ellentétes hatást fejthet ki: növeli a kopást és vele a felhasználást. Ezért a termékek forgalmazása előtt nélkülözhetetlen a kipróbálás a gyártónál. Számítások szerint 1 SAE-osztállyal kisebb motorolaj-viszkozitás kb. 15%-kal csökkenti a súrlódási tényezőket, ami 0,4 és 4% közötti ma-

2 ximális üzemanyag-megtakarítással egyenértékű, kedvező, ill. kedvezőtlen üzemi körülmények között. A csekély viszkozitás pozitív hatása a motor növekedő terhelésével csökken, mivel ilyenkor fokozódik a vegyes súrlódás (1. ábra). súrlódási tényező, µ G határsúrlódás M vegyes súrlódás F kopásmentes folyadéksúrlódás csúszósebesség, ν 1. ábra Súrlódási tartományok a tribológia egyszerűsített (Stribeck-féle) görbéjén Negatív hatású a túl kis viszkozitás a kenőréteg vastagságára is, ezáltal ugyanis bővül a vegyes súrlódás tartománya. Bizonyos határig azonban, az üzemanyag-megtakarítás mellett a kis viszkozitású motorolajok kisebb belső súrlódása lecsökkenti az üzemi hőmérsékletet, így kedvezően alakul az olaj tényleges viszkozitása. Alapvető súrlódási ismeretek Az 1902-ban ismertetett Stribeck-féle görbe alkalmas a különböző súrlódási és kenési állapotok leírására az érintkező testek geometriai elrendezésétől, felületi érdességétől, a kenőanyag viszkozitásától és a terheléstől függően. A súrlódási tényezőt a görbe az η olajviszkozitás, a v sebesség (csúszási sebesség, amellyel terhelés szempontjából azonos jellegű a fordulatszám), a p nyomás (felületegységre ható erő)

3 paraméterkombináció függvényében adja meg, amennyiben az érintkező részek elrendezése megengedi az olaj áramlási irányában keskenyedő rés képződését. A kenőanyagréteg növekedő vastagságával kialakuló állapotok: határsúrlódás, vegyes súrlódás, elaszto-hidrodinamikai kenés és hidrodinamikai kenés. A görbe abszcisszáján feltüntetett fenti paraméterkombináció csökkenésével csökken a kenőanyag rétegvastagsága, így a hidrodinamikai és a vegyes súrlódás közötti átmeneti tartományban megjelennek az első szilárdtest-érintkezések. A terhelés egy részét a kenőréteg, a másikat az érdesség egymással érintkező dombjai veszik fel, s ez már számottevő kopást okozhat. A szilárdtest-érintkezés túlsúlyával megindul az ún. határsúrlódás, amely nagyobb fokú kopást okoz, mint a vegyes súrlódás. A határsúrlódás beállításának feltételei között a terhelést teljesen az érdesség említett érintkező kiemelkedései, a nyíróerőt pedig a szilárd felületeken adszorbeált kenőanyag-molekulák veszik át. Amennyiben olajjal kent szerkezetianyag-párok igénybevételi feltételei nem engedik meg a kenőrétegben hidrodinamikai vagy elasztohidrodinamikai réteg képződését, mivel pl. túl kicsi a csúszósebesség vagy túl nagy a terhelés, akkor a súrlódást és a kopást azon felületi határrétegek tulajdonságai szabják meg, amelyek elsősorban a kenőanyag, ezen belül leginkább az adalékok sajátságaitól függnek. Ilyen határréteg fizikai szorpció, kemiszorpció és tribokémiai reakció útján jöhet létre. A viszkozitás és a terhelés hatásai A csúszócsapágyak üzemi pontja, vagyis helyzete a Stribeck-féle görbén a fordulatszámtól, a kenőanyag viszkozitásától és a terheléstől függ. A viszkozitás és a terhelés ezen kívül befolyásolja a görbe alakját (2. ábra). Állandó terhelésnél a közepes helyett nagyobb viszkozitás, a vegyes súrlódásból a folyadéksúrlódásba való átmenethez kisebb fordulatszám tartozik, mivel a külső terhelés átviteléhez szükséges nyomás gyorsabban kialakul. Ennek az előnynek az ára azonban a folyadéksúrlódás gyors növekedése. Ezzel szemben kis viszkozitású olaj használata nagyobb sebességet kíván, mielőtt a hidrodinamikai nyomás elegendő a folyadéksúrlódás kis súrlódási veszteségű tartományának eléréséhez.

4 nyugalmi súrlódás határsúrlódás súrlódási tényező, µ vegyes súrlódás folyadéksúrlódás (hidrodinamikai súrlódás) üzemidő hidrodinamikai csapágyak kioldási pont hidrosztatikai csapágyak n ü n min fordulatszám, n n max 2. ábra A tribológia Stribeck-féle görbéje Változatlan viszkozitás mellett a növekedő terhelés nagyobb csúszósebességet igényel, mielőtt a külső terhelés elbírálásához szükséges hidrodinamikai nyomás kialakul. Fejlesztés új tesztmódszer és készülék A Mannheimi Műszaki Főiskola Tribológiai Intézetében motorolajok kenési tulajdonságainak vizsgálatára szolgáló új tesztmódszer és készülék kifejlesztésekor az sz. DIN-szabványban felsorolt SAEviszkozitási osztályokat vették figyelembe, és kereskedelmi forgalomban levő standard gépjármű-kenőolajokkal dolgoztak. Az új precíziós univerzális mikro-tribométer súrlódási és kopási állapotok vizsgálatára és szimulálására szolgál. A készülék 20 khz-es összesített mintavételi program keretében méri és egy-egy mérőciklus alatt feljegyzi a súrlódási erőt, a hőmérsékletet és a kopás mélységét mint legfontosabb tribológiai paramétereket. A mérési adatok értékelését speciális Viewer -programmal végzik. Az első kísérletsorozatban különböző viszkozitású motorolajokkal vizsgálták a súrlódási értéket a csúszósebesség függvényében. A programban szintén szereplő hidrodinamikai viszonyok pontosabb tanulmá-

5 nyozásához tudatosan választottak kedvezőtlen érintkezést (futógyűrű és csapágygolyó között), csekély felületi érdességet és kis normálerőt (500 mn). A számított maximális nyomás ( Hertz-nyomás ) 685 N/mm 2 volt. A kísérletek során kiderült, hogy a gyors kopás miatt a nyomás 1,0 4,0 N/mm 2 -re csökken, s ez nem teszi lehetővé olajok közötti különbségek értékelését. Mérések A kísérleti eredmények a viszkozitásnak és a belső szerkezetnek a súrlódási viselkedésre és a kenőréteg felépítésére gyakorolt hatásáról tanúskodnak. A vizsgált motorolajok súrlódási értéke a legkisebb fordulatszámon (8 min 1 = 0,013 m/s) hasonló. A szintetikus olajok súrlódási értéke ezután logaritmikusan csökken, viszont az ásványolaj-alapú SAE 30 motorolaj súrlódási értéke a 0,42 m/s (250/perc) tartományban, a SAE 15 W-40 jelű terméké 0,63 m/s (380/perc)-nél minimumot ér el. A csúszócsapágy-kenés gyakorlati kérdései A csúszócsapágy fontos gépelem, amelyben a hidrodinamikai nyomás kialakulását befolyásoló egyetlen tényező a kenőanyag viszkozitása. A csúszócsapágyak fajtái: hidrodinamikai csúszócsapágyak a kenőrésben képződő nyomással, szintercsapágyak, porózus csúszó szerkezeti anyagokkal. A hidrodinamikai csúszócsapágyak a többnyire tengelyátvitelű erőket az olajjal kent csapágyperselyen át adják tovább a háznak. A csúszócsapágyolajok üzembiztonsági okokból legfontosabb követelményei: erős tapadás, hatásos korrózióvédelem, nagy üzemi sebességek, kompatibilitás műanyagokkal és elasztomerekkel, hosszú olajcsere-időközök, nagy teherbírás, valamint élelmiszerjogi és ökológiai problémamentesség (3. ábra).

6 a súrlódó felület jó nedvesítése gyors átmenet folyadéksúrlódásba csekély belső súrlódás csekély kopás (reakcióréteg képződése) hőelvezetés kenőolaj öregedési stabilitás magas hőmérsékleten is továbbíthatóság habképzés nélkül korrózióvédő hatás kompatibilitás a csúszócsapággyal, tömítésekkel és más kenőanyagokkal engedélyek, specifikációk 3. ábra Csúszócsapágy-kenőolajokkal szembeni követelmények A kenőolaj viszkozitásának megválasztását célszerű négy összefüggésre alapozni: kis csúszósebesség nagy viszkozitás, nagy csapágyjáték nagy viszkozitás, nagy csúszósebesség kis viszkozitás, nagy terhelés nagy viszkozitás. A felsoroltakból következik, hogy minél nagyobb a fajlagos felületi nyomás és minél kisebb a csúszósebesség, annál viszkózusabb olajat kell használni. Ha pedig a csúszósebesség nagy és kicsi a terhelés, akkor kis viszkozitású, hígan folyó kenőanyagra van szükség. Csúszócsapágyak kenőanyagának kiválasztása Csúszócsapágyak kenése a vegyes súrlódás feltételei mellett nem könnyű feladat, mivel az oszcilláló és meg-megszakadó mozgásra jellemző kis sebességek nem engedik meg ún. kenőék kialakulását. Csúszócsapágyakat ezért bizonyos üzemi körülmények között csak zsírral vagy pasztával lehet kenni. A kenőpaszták beválnak kezdő, behajtó kenésre is, emellett megmaradnak magas hőmérsékleten, ahol a kenőolajok elpárolognak. Ahol száraz kenésre van szükség, ott olajoknak, zsíroknak, pasztáknak egyaránt alternatívája a csúszólakkbevonat. A futófelületek lakkozása a kezdő- és szükségkenés feltételeit is javítja.

7 A csúszócsapágyak 2,5 m/s csúszósebességig kenhetők zsírral, ami különösen előnyös lehet, ha tömítési nehézségek merülnek fel a csapágyházban, vagy a csapágy működését por, víz vagy más szennyezés befolyásolja. A csúszócsapágyak kenőzsírjául különféle szappanok vannak használatban, amelyek közül a hőmérséklet, a terhelés, valamint a csapágyjáték, a tengely és a csapágypersely érdessége alapján kell választani. Magas hőmérsékleten inkább komplex és gélesített zsírok felelnek meg. Figyelembe kell venni, hogy a zsírzás az olajkenésnél nagyobb játékot igényel. A kenőanyag kiválasztásához a rendelkezésre álló számítógépes programok és útmutatók a szükséges információknak csupán egy részét nyújtják. Különösen az időtényező, azaz a gép vagy gépelem élettartama és a kenőanyag használati időtartama függ erősen az üzemi feltételektől, pl. a csapágyban uralkodó hőmérséklettől, az összes terheléstől, a környező közegektől, valamint a kenőanyag minőségétől, főként oxidálással szembeni ellenállásától és a vele érintkező közegek iránti tűrőképességétől. A döntéshez tehát nélkülözhetetlenek a valós viszonyok között végzett vizsgálatok. Irodalom Összeállította: Dr. Boros Tiborné Gerbe, M., Feinle, R.: Reibwertuntersuchungen an Motorenölen im Mikrotribometer. = Tribologie+Schmierungstechnik, 52. k. 5. sz p Cornu, O.: Optimale Schmierung von Gleitlagern. = SMM Schweizer Maschinenmarkt, 106. k. 25/26. sz dec. p