Mobilitás és Környezet Konferencia Magyar Tudományos Akadémia Budapest, 2012. január 23. Belsőégésű motorok hengerfelületének mikrogeometriai vizsgálata Dr. Solecki Levente
2 2 9 Mobilitás és Környezet konferencia Hengerfelületek mikrogeometriájának vizsgálata Áttekintés Belsőégésű motorok hengerfelületének mikrogeometriai kialakításának jelentősége Különböző felületkialakítások A hengerfelületek mikrogeometriai érzékelésének módszerei Kísérletsorozatok: 1. Spirálhónolt motor 500 óra futás után 2. 3 ugyanolyan spirálhónolt hengerfelületű motor 500, 1000 és 1500 óra futás után 3. Ugyanannak a spirálhónolt motornak a 40, majd 140 óra futás utáni állapota 4. Ugyanannak a lézerkezelt motornak a 40, majd 140 óra futás utáni állapota Összefoglalás
3 2 9 Mobilitás és Környezet konferencia Hengerfelületek mikrogeometriájának vizsgálata Belsőégésű motorok hengerfelületének mikrogeometriai kialakításának jelentősége A közúti közlekedésben a gépjárművek túlnyomó részét belsőégésű motor hajtja A belsőégésű motor energiamérlegében 10 % esik a súrlódási veszteségekre, Ezeknek a súrlódási veszteségeknek a 40 %-át a dugattyú/dugattyúgyűrű/hengerfal kapcsolat teszi ki. A hengerfelület mikrogeometriai kialakítása meghatározó a belsőégésű motor hatásfoka, veszteségei, megbízható működése, kopása és károsanyag kibocsátása szempontjából. Cél: olyan felületszerkezet elérése, amely lehetőség szerint minimális felületi egyenetlenségek mellett (kis ellenállás és kopás és minimális kenőanyagszükség) lehetővé teszi az egymáson elmozduló alkatrészek kenését, helyet biztosítanak kopadékoknak, szennyeződéseknek (koksz)
4 2 9 Mobilitás és Környezet konferencia Hengerfelületek mikrogeometriájának vizsgálata Különböző felületkialakítások Többfokozatú spirálhónolás (klasszikus módszer) Finomfúrás Előhónolás Hónolás Hengerfelület előállítása Alakpontosság növelése Mintázat létrehozása
5 Lézertáskák beégetése
6 Felület lézerkezelése
7 A hengerfelületek mikrogeometriai érzékelésének módszerei Közvetlen érzékelési módszerek: Korlátozottak a hengerfelület viszonylag nagy kiterjedése (~ Ø80 mm átmérő és ~ 100 120 mm hossz) és rossz hozzáférhetőség (belső felületek) miatt -Tűs letapogatás: csak tengelyirányú és korlátozott számú metszet -Optikai érzékelés: pl. fehér fény interferométerrel (egyedi kialakítás) -Metszetek készítése: roncsolásos vizsgálat
8 A hengerfelületek mikrogeometriai érzékelésének módszerei Közvetett módszer: Felületről szilikonlenyomat készítése és a szilikonlenyomat érzékelése és kiértékelése Nagyfelbontású (~1 μm) szilikonanyag (STRUERS Repliset, Heraeus)
9 A hengerfelületek mikrogeometriai érzékelésének módszerei A közvetett módszer - lenyomatok alkalmazásának előnyei: -Felület állapotának megőrzése, mivel általában utólag derül ki, hogy mely felületrészek kiindulási állapotára vagyunk kíváncsiak -Többlépcsős vizsgálatokat tesz lehetővé: össze lehet így hasonlítani ugyanannál a hengerfelületnél a gyártási folyamat különböző állapotait, az elkészült hengerfelületet és különböző kopási fokozatokat.
1 0 A hengerfelületek mikrogeometriai érzékelésének módszerei Képi érzékelés és mérési helyek helyzetének meghatározása MAHR PMC800 koordináta mérőgép Kamera Lézer-letapogatás Kapcsolós tapintó (Renishaw TP6) A kamera nagyítása: 200x Képméret: 1,245 mm x 0,93 mm Mérési bizonytalanság: 3,5 + L/300 µm Méréstartomány: 800 mm x 1500 mm x 500 mm
1 1 A hengerfelületek mikrogeometriai érzékelésének módszerei Térbeli mikrogeometriai érzékelés TALYSURF CLI2000 érdességmérő (Taylor Hobson) Induktív érzékelés: tapintótű Optikai érzékelés: konfokális fény Letapogatás: Legkisebb ponttávolság: 0,5 μm Magassági felbontás: 10-30 nm
1 2 Kopásnyomok a hengerfelületen 3. Gyűrű alsó holtpont 1. Gyűrű alsó holtpont 3. Gyűrű felső 1. Gyűrű holtpont felső holtpont 2. Gyűrű alsó holtpont 2. Gyűrű felső holtpont
1 3 Felület optikai vizsgálata a felső holtpontnál lenyomat futás előtt lenyomat kopott eredeti kopott tükrözve Mintázat csökken => kopás Hosszirányú hornyok => karcok Jó képminőség A fontos információk megmaradnak
1 4 Felület optikai vizsgálata a felső holtpontnál lenyomat futás előtt lenyomat kopott Térbeli letapogatás
1 5 Ugyanazoknak a felületrészeknek a térbeli vizsgálata lenyomat futás előtt lenyomat kopott
1 6 A közvetett és a közvetlen érzékelés összehasonlítása lenyomat kopott eredeti kopott
1 7 3 egyforma motor vizsgálata - 3 ugyanolyan (típus, változat, gyártás ) motor - lézerkezelt hengerfelület - különböző próbapadi futásidők: 500, 1000 és 1500 óra - különböző futásprogramok: kevert ill. teljes terheléssel - mind a 4 henger szívó- és kipufogóoldali vizsgálata a teljes lökethosszra
1 8 500 óra futás kevert programmal kopott állapot közvetlenül kopott állapot lenyomat kiindulási állapot lenyomat
1 9 1000 óra futás kevert programmal kiindulási állapot lenyomat kopott állapot lenyomat
2 0 1500 óra futás teljes terheléssel kiindulási állapot lenyomat kopott állapot lenyomat
2 1 A 3 azonos motorral végzett vizsgálat eredményei - a kiindulási hengerfelületek egyformáknak tekinthetők - 500 óra kevert program: kopási nyomok és a gyűrűk holtpontjai megjelennek, de a legtöbb érintésnélküli terület - 1000 óra kevert program: a kopási nyomok nagyobb kopást mutatnak, mint 500 óránál - 1500 óra teljes terheléssel: a kopásból adódó hosszirányú karcok nagyobbak, mint a kiindulási mintázat általános megállapítások: -egy motoron belül sem az egyes hengereknél sem a szívó és a kipufogó oldalnál nem állapítható meg számottevő különbség - nagyobb kopás a löket felső részén - nemcsak a gyűrűk, hanem a dugattyú is érintkezik a hengerfelülettel
2 2 Ugyannak a 2 motornak a futtatása két szakaszban - egy spirálhónolt és egy lézerkezelt hengerfelületű motor - lenyomatvétel az összeszerelés előtt - 40 óra kevert programú futás könnyű terheléssel - szétszerelés - lenyomatvétel - összeszerelés - 100 óra kevert programú futás könnyű terheléssel - szétszerelés - lenyomatvétel
2 3 A spirálhónolt motor hengerfelületének változása 40 óra után kiindulási állapot 40+100 óra után
2 4 A lézerkezelt motor hengerfelületének változása 40 óra után kiindulási állapot 40+100 óra után
2 5 Ugyannak a 2 motornak a futtatása két szakaszban Megállapítások: - a bejáratás nyomai (a kiindulási mintázat csökkenése és hosszirányú karcok megjelenése) már 40 üzemóra után megállapítható - a spirálhónolt hengerfelületnél az első 40 utáni 100 üzemóra után további kopás figyelhető meg - a lézerkezelt felületnél az első 40 utáni 100 üzemóra nem okoz észrevehető kopást - a hengerfelület többlépcsős vizsgálatára ez a módszer alkalmazható
2 6 Az érzékelt mikrogeometriák kiértékelése A fehérfény interferométeres közvetlen érzékelés összehasonlítása a lenyomatok konfokális letapogatásával
2 7 A kiindulási és a kopott felületek összehasonlítása - A széles, mély hornyok jól illeszkednek - A keskeny, lapos hornyok átvitele pontatlan, zajos - ok: lenyomat és az érzékelés (csak a magassági koordináta mért) - számszerüsíthető a keletkező karcok mélysége és a hónolási nyomok mélységcsökkenése (kopás) - értékelés GOM-Inspecttel - színezés a magasságkülönbségeket fejezi ki
2 8 A kopott felületek közvetlen érzékelésének összehasonlítása a közvetettel - a hornyok kék színe azt mutatja, hogy a lenyomat mennyit veszt el a horonymélységből -értékelés GOM-Inspecttel - színezés a magasságkülönbségeket fejezi ki
2 9 Következtetések - belsőégésű motorok hengerfelületének vizsgálatára a lenyomattechnika egy hatékonyan alkalmazható módszer - optikai 3D méréstechnikával lehetséges ugyanazoknak a kis felületrészeknek a megtalálása - szilikonlenyomatok az 1 μm-nél nagyobb egyenetlenségeket megbízhatóan átviszik - lenyomattechnikával viszonylag kis kopások, amelyeket 40-100 üzemóra okoz is kimutathatók - a lenyomattechnikával több lépcsős vizsgálatot lehet végezni ugyanazon a motoron
TAMOP-4.2.1/B-09/1/KONV-2010-0003 Mobilitás és környezet Járműipari, energetikai és környezeti kutatások a Közép- és Nyugat-Dunántúli Régióban A projekt a Magyar Állam és az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. Nemzeti Fejlesztési Ügynökség www.ujszechenyiterv.gov.hu 06 40 638 638
Köszönöm megtisztelő figyelmüket!