warunki techniczne wykonania oraz odbioru tulei i cylindrów

WARUNKI TECHNICZNE WYKONANIA ORAZ ODBIORU TULEI
I CYLINDRÓW SILNIKÓW SPALINOWYCH
Jacek MICHALSKI
W artykule przedstawiono warunki techniczne dotyczące tulei cylindrowych i cylindrów
monobloków silników spalinowych firmy: VOLVO, GÖETZE i BERLIET. Zawarto wymagania
dotyczące: materiału, dokładności średnicy, odchyłek kształtu i położenia powierzchni gładzi cylindrowej
i powierzchni osadczej tulei, wyglądu powierzchni oraz chropowatości powierzchni. Wygląd powierzchni
charakteryzowano poprzez: kąt skrzyżowania rys gładzenia, ukształtowanie powierzchni płasko
wierzchołkowej, skazy strefy podpowierzchniowej warstwy wierzchniej oraz stopień makrofalistości
krawędzi powierzchni cylindra na poprzecznym zgładzie metalograficznym. Z kolei profil chropowatości
i falistości powierzchni cylindrów miał wymaganą wysokość oraz wymiary geometryczne głębokich rys
gładzenia: szerokości, głębokości i odstęp pomiędzy nimi. Podano także wymagane wartości udziału
materiałowego Mr na głębokości 2 μm oraz wysokość falistości powierzchni i inne.
1. WPROWADZENIE
Wzrastająca świadomość społeczeństwa dotycząca zagrożeń ekologicznych środowiska
spowodowała, że jednym z najważniejszych zadań konstruktorów maszyn i urządzeń stało się
zmniejszenie ich uciążliwego oddziaływania. Jednym z kierunków prowadzonych prac
rozwojowych jest zmniejszenie oporów ruch w węzłach mechanizmów silników spalinowych
i ograniczenie emisji szkodliwych składników spalin, jak również emisji CO2 oraz hałasu.
Dąży się do opracowania technologii zapewniających małe opory ruchu systemu tłokowo
cylindrowego silnika o dużej jego trwałości i nieuszkadzalności oraz możliwie małym
zużycia paliwa i oleju. Jedną z dróg jest optymalizacja struktury geometrycznej powierzchni
gładzi cylindrów [5,12].
2. ANALIZA LITERATURY
Stwierdzone związki topografii powierzchni cylindra z właściwościami funkcjonalnymi
silnika to: gładka powierzchnia cylindrów zapewnia małe zużycie materiału i krótki czas
docierania, zaś chropowata powoduje małą skłonność do zatarcia [1,2]. Odmienne relacje
stwierdzono w skojarzeniach modelowych, dla powierzchni polerowanych, i w układzie tuleja
cylindrowa-pierścień tłokowy silnika okrętowego [11]. Powierzchnie o jednakowej
wysokości chropowatości, mające skośny rozkład rzędnych profilu w porównaniu
z rozkładem normalnym, mają mniejszą odporność na zatarcie oraz krótszy czas docierania
[9]. Równocześnie w warunkach tarcia mieszanego powierzchnia płasko wierzchołkowa
zapewnia mniejszą siłę tarcia [9,13]. Wynika to ze styku jedynie szczytów o małej wysokości.
Powierzchnie płasko wierzchołkowe mają mniejsze zużycie promieniowe materiału aniżeli
powierzchnie o rozkładzie normalnym, dla uzyskania tej samej nośności, w przypadku
jednakowych ich wysokości [2]. Większe wartość odstępów nierówności powierzchni określone długością funkcji autokorelacji, w kierunku ślizgania, zapewniają mniejsze zużycie
w obecności smaru [7]. Zbyt małe lub duże nachylenie boków chropowatości powierzchni
powoduje niebezpieczeństwo zatarcia, oraz istnienie jego optymalna wartość [5].
W warunkach smarowania hydrodynamicznego tarcie powierzchni o jednakowej wysokości
chropowatości nie zależy od rozkładu rzędnych. Związek siły tarcia z ilorazem grubości filmu
olejowego i zastępczej wysokości chropowatości, lub innymi parametrami chropowatości
i falistości, opisuje tzw. wersja krzywej Stribecka. Pole powierzchni wgłębień chropowatości
powierzchni wpływa na zwiększone zużycia oleju silnikowego [4,8,15]. Zużycie oleju
99
silnikowego nie zależy od charakteru rozkładu rzędnych profilu chropowatości powierzchni.
Przedmuchy spalin są mniejsze dla mniejszych wartości głębokości wgłębień. Gładzenie
umożliwia: zróżnicowane ukierunkowania powierzchni cylindra, akceptowalne skazy
powierzchni, niską temperaturę procesu, naprężenia ujemne w warstwie wierzchniej, wysoką
odporność na zużycie cierne oraz wytrzymałość zmęczeniową jak i korzystne warunki
smarowania [14]. Kierunkowość struktury geometrycznej powierzchni wpływa na
wytrzymałość zmęczeniową łożysk ślizgowych, docieranie par trących oraz zużycie
tribologiczne w tarciu suchym i mieszanym [1,11]. Skrzyżowane ślady obróbki cylindrów
zapewniają dobrą adhezję i rozprowadzenie oleju smarnego (wysoka energia
powierzchniowa), zarówno w okresie docierania jak i w warunkach tarcia granicznego oraz
podczas długiego okresu eksploatacji. W smarowaniu hydrodynamicznym ukierunkowanie
równoległe topografii powierzchni cylindrów w porównaniu z prostopadłym, w stosunku do
kierunku ruchu, powoduje mniejszy współczynnik tarcia, mniejszy gradient ciśnienia
równocześnie jednak mniejszą zdolność przenoszenia obciążeń grupy tłokowo-cylindrowej
silników. W łożysku ślizgowym optymalny kąt skrzyżowania rys obróbki, ze względu na
rozkład ciśnienia, wynosi 60º. Stwierdzono mniejsze zużycie promieniowe stalowych i
żeliwnych cylindrów oraz mniejsze zużycie masowe pierścieni tłokowych, po gładzeniu
ściernym jednokierunkowym wzdłuż tworzącej cylindra, w porównaniu z gładzeniem
elektrochemicznym, gładzeniem elektrochemiczno-ściernym, gładzeniem obwodowym i
gładzeniem dwukierunkowym. Mniejszy kąt gładzenia wpływa na, zmniejszenie zużycia
oleju silnikowego jednak równocześnie większe straty energii. Stwierdzono korzystny wpływ
większej pojemności olejowej (pola powierzchni) wgłębień na osiągi silnika [13]. Rysy
gładzenia jednakowo wyraźnie w dwóch kierunkach nie powodują tendencji do obrotu
pierścieni oraz ich nadmiernego zużycia jak i zużycia kanalików tłoka. Natomiast zbyt
szerokie i głębokie lub przeważające w jednym kierunku wywołują wzrost zużycia oleju
silnikowego [7,8]. Zmniejszenie grubości filmu olejowego systemu tłokowo cylindrowego
wpłynęło na zwiększenie roli topografii powierzchni tych elementów jak i roli jej pomiaru.
Odkształceniu sprężystemu towarzyszy najczęściej zmęczenie powierzchniowe, zaś
odkształceniu plastycznemu zużycie lub zatarcie.
Firma MAHLE proponuje następujące metody wykończenia cylindrów gładzeniem:
standardowe, plateau trzyetapowe, szczotkowe, korkowe, strumieniowe, laserowe, gładkie,
polerujące, gładkie ślizgowe i plateau gładkie spiralne. Cylindry mogą być obrobione cieplne
i cieplno chemiczne. Gładzenie często jest odmienne dla cylindrów z żeliwa, stali, stopów
aluminium, ceramiki, kompozytów oraz dla warstw konwersyjnych Al2O3 i warstw
przyrostowych z PTFE, TiO2, Cr, Fe, Ni, NiSi, TiN [16]. Zarysowuje się tendencja gładzenia
płasko wierzchołkowego o, historycznie znanej, niskiej wysokości chropowatości
powierzchni Ra=0,1-0,3 μm, zarówno o kącie gładzenia 45-60º jak i ~140º. Wykonywanie są
także różne modyfikacje powierzchni gładzonego cylindra. Kształtowane są dodatkowe
wgłębienia metodą chemiczną, elektrochemiczną, erozją laserową lub strumieniowo-ścierną,
odkształceniem plastycznym i innymi technologiami [3]. Dotyczy to zwykle powierzchni
cylindrów z obszaru zwrotu zewnętrznego pakietu pierścieni tłokowych. Wgłębienia mają
najczęściej głębokość do 10 μm, zróżnicowany kształt i wielkość, obejmują 12-30% pola
powierzchni. Występuje wówczas zmniejszenie strat tarcia nawet o 30%. Oprócz
gromadzenia i usuwania zanieczyszczeń i produktów zużycia zamknięte wgłębienia
zwiększają nośność filmu olejowego, z kolei otwarte wgłębienia, poprzez przecieki, mogą
zmniejszyć kontakt powierzchni.
Procedura oceny chropowatości powierzchni cylindra, oprócz ogólnej charakterystyki
i dokładności przyrządów i ich powtarzalności oraz odtwarzalności wyników przez
pracowników kontroli jakości, sprowadza się do wyznaczenia liczby płaszczyzn na wysokości
cylindra, liczby przekrojów pomiaru, długości profilu (wielkości pola powierzchni), zakresu
oceny wyglądu oraz estymacji parametrów falistości oraz chropowatości powierzchni.
Istotnym są także rodzaje filtrów i graniczne długości ich fal. W masowej produkcji, istotne
100
są także problemy statystycznej kontroli jakości jak i ewentualne sterowanie jakością
[2,6,7,10,12,13,15]. Dużą pracochłonność stosowanych najczęściej profilowych metod
pomiaru geometrii powierzchni można zmniejszyć poprzez zwiększenie kroku próbkowania
stałego obszaru powierzchni czy stosowanie bardzo szybkich metod parametrycznych.
3. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA SPECYFIKACJI MATERIAŁOWEJ
I GEOMETRYCZNEJ WYKONANIA ORAZ ODBIORU TULEI I CYLINDRÓW
SILNIKÓW SPALINOWYCH
W procesie odlewania, jak i poprzez późniejsze operacje technologiczne, następuje
kształtowanie właściwości materiału w zakresie: składu chemicznego, wytrzymałości,
twardości i struktury metalograficznej. Cylindry najczęściej wytwarza się z żeliwa szarego
zawierającego: C=2,7-3,2%, Si=1,5-2,9%, Mn=0,50-1,00%, P=0,20-0,90%, max S=0,12%
oraz Cr, Cu, Ni, Sn i Ti. Twardość żeliwa wynosi HB=230-313 MPa, a granica wytrzymałości
na rozciąganie powinna być możliwie wysoka, co najmniej w zakresie 280-400 MPa. W
etapie drugim poprzez toczenie, wytaczanie i gładzenie powstaje ostateczną postać
geometryczna cylindra. Gładzeniem usuwamy naddatek obróbkowy wynoszący średnicowo
od 0,07 do 0,32 mm. Często gładzenie zawiera trzy fazy: zgrubną (wstępną) – formującą
wymiar i kształt cylindra (zwykle dzieloną na dwa zabiegi), wykończeniową (bazową) kształtującą strukturę wierzchołków i wgłębień, ostateczną (końcową) - kształtująca
powierzchnie nośną. Najtrudniejszym jest gładzenie wykończeniowe z uwagi na wymaganą
równomierność rozłożenia odstępu głębokich rys gładzenia oraz powtarzalną ich głębokość,
możliwie zbliżoną dla dwóch kierunków gładzenia. Zarazem wniesienia tej topografii
powierzchni winny mieć możliwie małe promienie, z uwagi na przebieg samoostrzenia osełek
gładzenia ostatecznego. Obecnie powszechnie uważa się, że właśnie struktura płasko
wierzchołkowa godzi w sobie dwie sprzeczności: łączy dobre własności ślizgowe
powierzchni gładkiej otworu cylindra, z możliwością gromadzenia odpowiedniej ilości oleju
smarującego na gładzi. Gładzenie osełkami z warstwą ziaren ściernych, super twardych,
oprócz dużej ich trwałości, umożliwia zachowane tolerancji średnicy 0,010 mm, odchyłki
okrągłości do 0,005 mm, prostoliniowości do 0,010 mm oraz walcowości do 0,010 mm.
Głowica laserowa jest używana z zasady po drugiej fazie gładzenia [3]. Wówczas w trzeciej
fazie gładzenia następuje skrawanie powierzchni nośnej jak i nadtopionych warstw materiału
w miejscu oddziaływania promieni lasera.
W ciągu ostatnich lat obserwuje się ewolucję wymagań dotyczącą struktury
geometrycznej powierzchni gładzi cylindra. Dotyczyło to odchyłek kształtu, falistości,
chropowatości i skaz powierzchni. Cylindry z warstwą azotowaną czy powłoką niklu, chromu
lub kompozytu miały powierzchnie o normalnym rozkładzie rzędnych i bardzo często o małej
wysokość chropowatości. Były to powierzchnie niemal lustrzane (Ra=0,20 µm). Wzrost mocy
silników i problemy z zatarciem cylindrów i pierścieni tłokowych, spowodował zmianę
chropowatości na wyższą (Ra=0,8-1,2 µm). Obecnie niemal powszechnie stosowane są
powierzchnie płasko wierzchołkowe (plateau) gładzi cylindra, jednak o bardzo
zróżnicowanych cechach geometrycznych. Zwykle, bowiem niska chropowatość cylindra
oznacza niskie zużycie oleju przez silnik, ale i zwiększoną podatność na zatarcie. Zwiększona
chropowatość, wymuszona głównie wzrostem mocy silników zmniejsza możliwość zatarcia,
powoduje jednak zwiększone opory ruchu, zużycie oleju i wzrost toksyczności spalin.
Dlatego powierzchnie płasko wierzchołkowe są modyfikowane zarówno w procesie gładzenia
jak i poprzez stosowanie dodatkowych zabiegów. Właściwości cylindrów zależą zarówno od
cech geometrycznych powierzchni płasko wierzchołkowej jak i cech geometrycznych
dodatkowych wgłębień, zwykle umiejscowionych w obszarze zwrotu zewnętrznego pakietu
pierścieni tłokowych. Przykładowo struktura geometryczna powierzchni cylindra wykonana
erozją laserową, znajdująca się w strefie zwrotu zewnętrznego pakietu pierścieni tłokowych,
ma pojedyncze poziome rysy o długości ~3 mm, szerokości ~80 μm i głębokości 15-20 μm.
Odstępy pomiędzy rysami, zarówno po obwodzie jak i pomiędzy poziomami, są takie same i
101
wynoszą ~2 mm. Wówczas zwiększeniu dwukrotnemu, w porównaniu z pozostałą
powierzchnią płasko wierzchołkową ślizgową, ulega głębokość wgłębień Rvk i pole
powierzchni wgłębień A2. W otoczeniu rysy naciętej laserem zwiększa się dyspersja perlitu i
wzrasta mikrotwardość, o około 60 HV. Laser służy także do oczyszczania powierzchni
cylindra (ablacja) po procesie gładzenia osełkami ze spoiwem metalowym. Odsłaniają
wówczas wyjścia grafitu, które również stanowią źródło dodatkowych zasobników oleju.
Odchyłki kształtu cylindra ulegają jednak niewielkiemu zwiększeniu. Taka metoda gładzenia
płasko wierzchołkowego ślizgowego, zapewnia w obszarze zwrotu zewnętrznego możliwość
gromadzenia zgarnianego oleju jak i zanieczyszczeń. Zapewnia to poprawę smarowania i
małe jego parowanie.
4. WYMAGANIA POWIERZCHNI GŁADZONYCH CYLINDRÓW PRZEZ FIRMĘ
VOLVO
Firma Volvo w latach 70 wymagała, dla silników ciężarówek (pojemności silnika
wysokoprężnego około 13 dm3), zarówno wąskiej tolerancji średnicy, minimalnych odchyłek
kształtu, dużej czystości powierzchni, braku skaz powierzchni oraz skaz strefy
mikroskopowej warstwy wierzchniej, również wartości wysokość chropowatości powierzchni
gładzonego cylindra Rz=5-10 μm oraz maksymalnej wysokość chropowatości powierzchni
Rmax=13 μm (Rys. 1).
Udział materiałowy powinien zawierać się w granicy 50-80%, na głębokości 2 μm,
wyznaczonej od linii odniesienia będącej na wysokości profilu chropowatości powierzchni
odpowiadającej udziałowi materiałowego Mr=5%.
Krzywa udziału materiałowego profilu chropowatości powierzchni powinna mieć
pojemność olejową (pole powierzchni wgłębień profilu chropowatości powierzchni)
A2=0,025-0,070 mm3/cm2, poniżej 70% poziomu udziału materiałowego.
0
0
A2 = 0.025-0.070 mm3/cm 2
Wysokość Rt, μm
Wysokość Rt, μm
2 μm
Linia odniesienia
Rz=5-10 μm
Rmax=13 μm
Mr=5% Mr=50-80%
Mr =70%
0
20
40
60
80
Udział materiałowy Mr, %
100
0
20
40
60
80
Udział materiałowy Mr, %
100
Rys. 1. Wymagane powierzchni gładzonego cylindra firmy VOLVO w latach 70, określone poprzez
parametry profilu chropowatości powierzchni i parametry krzywej udziału materiałowego
5. WYMAGANIA POWIERZCHNI GŁADZONYCH CYLINDRÓW PRZEZ FIRMĘ
GÖETZE
Wymagania dla powierzchni gładzonych cylindrów silników spalinowych firma
GÖETZE AG opublikowała w normie D-5093 w roku 1988 [6]. Obecnie firma GÖETZE jest
własnością producenta komponentów silników spalinowych MAHLE. Wymagania tej normy
nie są obowiązujące w ocenie jakości powierzchni tulei i cylindrów produkowanych przez
MAHLE. Norma ta zawierała dwie niezależne oceny:
1. Wyglądu powierzchni, przeprowadzanego mikroskopem świetlnym (światło
przechodzące) z repliki negatywowej przeźroczystej tzw. odbitki fax film (obecnie można
tego dokonać systemem wizyjnym CCD, z powierzchni materialnego cylindra) oraz oceny
102
Tabela 1. Wymagania firmy GÖETZE dotyczące wyglądu mikroskopowego powierzchni i strefy
mikroskopowej warstwy wierzchniej cylindra – kryteria i znaczenie
A. Rozpatrywane kryteria oraz ich wskaźniki jakości oraz współczynniki ważności (wagi)
1. Kąt gładzenia (skrzyżowania rys gładzenia) 40 ≤ α ≤ 65º - diagram wzorcowy o skali ocen od 1 do 10.
Znaczenie kryterium - 0,20.
2. Orientacja rys gładzenia – cechy geometryczne rys głębokich gładzenia dla dwóch kierunków
(zwłaszcza odstępu i szerokości) - wzorcowe skale graficzne o ocenie od 1 do 10. Znaczenie kryterium
0,15.
3. Ukształtowanie powierzchni płasko wierzchołkowej – cechy geometryczne powierzchni nośnej
(zwłaszcza odstępu i szerokości rys powierzchni o kształcie trapezu ograniczonej głębokimi rysami
gładzenia) - wzorcowe skale graficzne o ocenie od 1 do 10. Znaczenie kryterium 0,20.
4. Skazy strefy podpowierzchniowej warstwy wierzchniej (zwłaszcza odkształcenie plastyczne – stopień
zamknięcia płatków grafitu) - wzorcowe skale graficzne o ocenie od 1 do 10. Znaczenie kryterium 0,40.
5. Stopień makrofalistości (prostoliniowość krawędzi oraz występowanie nieciągłości, szczerbatości) na
poprzecznym zgładze metalograficznym - wzorcowe skale graficzne o ocenie od 1 do 10. Znaczenie
kryterium 0,05.
Przyjęto: wskaźniki jakości rozpatrywanych kryteriów: 1 - najgorszy, 5 - akceptowalny, 10 - najlepszy.
B. Ostateczna ocena powierzchni gładzonego cylindra polega na obliczeniu sumy pięciu iloczynów: oceny
kryterium za pomocą wartości wskaźnika jakości oraz wartości współczynnika ważności kryterium, dla
wszystkich pięciu ocen.
Suma współczynników znaczenia (wag, ważności) tych ocen wynosi 1.
wyglądu mikroskopowego poprzecznego zgładu metalograficznego cylindra (światło odbite),
2. Profilu chropowatości i falistości powierzchni wzdłuż tworzącej.
Ocena powierzchni gładzonego cylindra na podstawie - wyglądu powierzchni oraz ocena
wyglądu poprzecznego zgładu metalograficznego zawierała pięć kryteriów (tabela 1):
1. Kąt gładzenia - skrzyżowania rys gładzenia,
2. Orientacja rys gładzenia (geometria rozłożenia rys głębokich gładzenia),
3. Ukształtowanie powierzchni plateau (geometria rozłożenie rys gładzenia w obszarze
pomiędzy rysami głębokimi – w trapezowych obszarach powierzchni),
4. Skazy strefy podpowierzchniowej warstwy wierzchniej (głębokość odkształcenia
plastycznego - stopień zamknięcia płatków grafitu, (ang. smeared metal, niem. Blechmantel),
5. Stopień makrofalistości krawędzi zgładu metalograficznego gładzonego cylindra odchylenie od prostoliniowości krawędzi zgładu metalograficznego oraz jej nieciągłości,
szczerbatości i wykruszenia.
Rozpatrywane kryteria (wskaźniki jakości) mają oceny w skali od 1 do 10 oraz każde
z nich znaczenie (wagę, współczynnik ważności). Tylko kąt gładzenia ma wartość liczbową,
wymaganą 40≤α≤65º. Norma zawiera diagram schodkowy przypisujący dla kątów gładzenia
nieobjętych podanym zakresem wartość 1. Kąty gładzenia z podanego zakresu maja wartości
od 1 do 10. Kąt 45º ma najwyższą wartość kryterialną wskaźnika jakość równą 10. Ocenioną
wartość wskaźnika jakości - w skali od 1 do 10, należy pomnożyć przez wartość wagi. Wynik
jest częścią oceny jakości. Dla kąta gładzenia znaczenie (waga) wynosi 0,20. Wynik oceny
jakości ma, więc wartość od 0,20 do 2. Pozostałe cztery kryteria nie mają wartości liczbowej,
103
Tabela 2. Wymagania firmy GÖETZE dotyczące profilu chropowatości i falistości powierzchni kryteria i znaczenie
Wt <= 5 μm
5.5 μm <= c <= 13.5 μm
45% <= tp 2 μm <= 85%
40 μm <= a <= 100 μm
175 μm <= d <= 325 μm
A. Rozpatrywane kryteria oraz ich wskaźniki jakości oraz współczynniki ważności (wagi)
1. Szerokość rys gładzenia, wartość wymagana 40 μm ≤ a ≤ 100 μm - diagram wzorcowy o skali ocen od
1 do 10. Znaczenie kryterium 0,15.
2. Głębokość rys gładzenia (głębokość międzyszczytowa - od wierzchołka do dna wgłębienia), wartość
wymagana 5,5 μm ≤ c ≤ 13,5 μm - diagram wzorcowy o skali ocen od 1 do 10. Znaczenie kryterium
0,15.
3. Odstęp pomiędzy głębokimi rysami, wartość wymagana 175 μm ≤ d ≤ 325 μm - diagram wzorcowy o
skali ocen od 1 do 10. Znaczenie kryterium 0,10.
4.
Nośność powierzchni (udział materiałowy Mr na głębokości 2 μm od najwyższego wzniesienia), wartość
wymagana 45% ≤ Mr ≤ 85% - diagram wzorcowy o skali ocen od 1 do 10. Znaczenie kryterium 0,45.
5.
Wysokość falistości powierzchni, wartość wymagana Wt≤5 μm - diagram wzorcowy o skali ocen od 1
do 10. Znaczenie kryterium 0,15.
Przyjęto: wskaźniki jakości rozpatrywanych kryteriów: 1 - najgorszy, 5 - akceptowalny, 10 - najlepszy.
B. Ostateczna ocena powierzchni gładzonego cylindra polega na obliczeniu sumy pięciu iloczynów: oceny
kryterium za pomocą wartości wskaźnika jakości oraz wartości współczynnika ważności kryterium, dla
wszystkich pięciu ocen.
Suma współczynników znaczenia (wag, ważności) tych ocen wynosi 1.
oceniane są też wskaźnikiem jakości w skali od 1 do 10 oraz mają odpowiednie wartości wag
(tabela 1). Ocenę przeprowadza się na podstawie subiektywnego porównania obrazu
mikroskopowego z wzorcami zawartymi w normie. Podstawą do oceny jakości powierzchni
gładzonego cylindra, na podstawie oceny wyglądu powierzchni dokonanego mikroskopem
z odbitki mikroskopowej przeźroczystej fax film oraz na podstawie wyglądu
mikroskopowego poprzecznego zgładu metalograficznego jest, suma iloczynów wskaźników
jakości i współczynników ważności dla wszystkich pięciu wytypowanych kryteriów.
Niedokładność takiej oceny została zmniejszona poprzez opracowaną automatyczną
komputerowa ocenę obrazu mikroskopowego przez firmę GÖETZE.
Druga ocena powierzchni gładzonego cylindra dotyczy profilu chropowatości
i falistości powierzchni (tabela 2). Wszystkie kryteria jakości ocenienia się wskaźnikami
jakości na podstawie wartości liczbowych zmierzonych wielkości. Dla każdego kryterium jest
diagram schodkowy, umożliwiający przypisanie odpowiedniej wartości liczbowej pomiaru,
oceny w skali od 1 do 10. Każde z pięciu kryterium oceny należy pomnożymy przez
odpowiednie wagi (współczynniki ważności). Suma tych pięciu ilorazów jest ostateczną
oceną jakości gładzonego cylindra dotyczącą profilu chropowatości i falistości powierzchni.
6. WYMAGANIA POWIERZCHNI GŁADZONYCH CYLINDRÓW PRZEZ FIRMĘ
BERLIET
Firma BERLIET, normą 01.10.4002, wprowadziła wymagania powierzchni gładzonych
cylindrów silników spalinowych o zapłonie samoczynnym [16]. Stwierdziła w latach 90, iż
nowe przepisy o zmniejszeniu zanieczyszczenia środowiska zmuszają do zmniejszenia
104
b)
Mr=20%
0
Mr=70%
20
40
60
80
Udział materiałowy Mr, %
1.8<=CL<=7μm
Wysokość Rt, μm
0.4<=CF<=3μm
2.5 μm <= Rśrednie <=6.5 μm
0<=CR<=1.7μm
10 μm <=l<= 65 μm
125 μm <=L<= 600 μm
6 μm <= H <16 μm
0
1 <= Rplateau <= 3 μm
a)
100
OR = 1 75-325 μm
Rys. 2. Wymagane powierzchni gładzonego cylindra firmy BERLIET dla: a) udziału materiałowego od
0% od 20% to CR o wartości 0 ≤ CR ≤ 1,7 μm, dla udziału materiałowego od 20% do 70% to CF
o wartości 0,4 ≤ CF ≤ 3 μm oraz dla udziału materiałowego od 70% do 100% to CL o wartości
1,8 ≤ CL ≤ 7 μm, b) średniej głębokości chropowatości powierzchni to Rśrednie o wartości 2,5 μm
≤ Rśrednie ≤ 6,5 μm, głębokości chropowatości plateau to Rplateau o wartości 1 μm ≤ Rplateau ≤ 3 μm,
głębokości rys gładzenia to H o wartości 6 μm ≤ H ≤ 16 μm, szerokości plateau to L o wartości
125 μm ≤ L ≤ 600 μm, szerokość rowków to l o wartości 10 μm ≤ l ≤ 65 μm oraz odstęp rys
gładzenia to OR o wartości 175 μm ≤ OR ≤ 325 μm
zużycia oleju poprzez większą równomierność gładzenia jak również przez zmniejszenie
objętości zapasu oleju. Zużycie oleju w silniku powoduje dodatkowy wzrost emisji cząstek
stałych w spalinach rzędu 30%. Producenci dążą do uzyskania zużycia oleju w silniku na
poziomie poniżej 0,07 dm3/1000 km, lub jednostkowego zużycia oleju wynoszącego poniżej
0,4 g/kW·h (Euro 5 ogranicza emisję zapylenia PM do poziomu 0,005 g/km, samochody M1,
N1). Udoskonalenia systemu tłokowo cylindrowego wynikają z faktu, iż może on być
odpowiedzialny za straty oleju w 97%. Firma BERLIET podała wymagania, co do krzywej
udziału materiałowego i wymagania geometryczne profilu chropowatości powierzchni (rys.
2). Wartość wysokości chropowatości ocenionej parametrem CR (0 μm ≤ CR ≤ 1,7 μm)
uzasadniono okresem docierania silnika. Wartość wysokości chropowatości, ocenionej
parametrem CF (0,4 μm ≤ CF ≤ 3 μm), jest związana z okresem trwałości (normalnej
eksploatacji) oraz oceniona parametrem CL (1,8 μm ≤ CL ≤ 7 μm) z poprawą smarowania.
7. WYMAGANIA POWIERZCHNI GŁADZONYCH CYLINDRÓW FIRMY VOLVO
SFORMUŁOWANE DO BADAŃ W ROKU 2006
Wymagania gładzonych cylindrów silników spalinowych firmy VOLVO (Diesla
z doładowaniem) o pojemności skokowej około 13 dm3, spełniające normy ekologiczne
EURO 5, skoncentrowane są z małej wysokości chropowatości powierzchni ocenianych
krzywą udziału materiałowego oraz ocenie wyglądu powierzchni gładzonej i ocenie wyglądu
strefy mikroskopowej warstwy wierzchniej. Zastosowano opis krzywej udziału
materiałowego zgodny z parametrami zawartymi w normie EN ISO 13565-2: 1997. Sposób
filtrowania profilu pierwotnego należy przeprowadzać według procedury określonej w normie
EN ISO 13565-1:1997. Podstawowym parametrem była bardzo mała głębokość rdzenia
chropowatości powierzchni, Rk≤0,8 μm (rys. 3). Wymaganym była również, głębokość
wzniesień chropowatości powierzchni, nie przekraczających Rpk≤0,3 μm oraz ograniczona
została głębokość wgłębień powierzchni plateau, Rvk≤1,5 μm. Kąt gładzenia (skrzyżowania
rys głębokich) miał wartość α=55-60º. Znane są także właściwości silników firmy VOLVO o
kącie gładzenia α=140º. Przykładowo silnik o pojemności skokowej 13 dm3, z taką
powierzchnią tulei cylindrowej, o głębokości rdzenia chropowatości Rk=0,25 μm, miał
zużycie oleju silnikowego 0,064 g/kWh i przedmuchy spalin o wydatku 1,9 dm3/s.
Identycznej konstrukcji silnik, lecz o kącie gładzenia α=60º i głębokości rdzenia
105
chropowatości Rk=0,28 μm, miał nieco mniejsze zużycie oleju silnikowego 0,057 g/kWh i
przedmuchy spalin również o wydatku 1,9 dm3/s.
Przedstawione w publikacji wyniki gładzenia dotyczą tulei cylindrowych o średnicy
131 mm i wysokość 261 mm (rys. 3, 4 i 5). Gładzenie przeprowadzono osełkami z warstwą
diamentów kruchych firmy NAGEL. Stosowano następujące osełki do gładzenia - wstępnego
3x5x75/3 D151/112/x44/50, bazowego 2x5x75/3 D54/812/x44/25 i ostatecznego 4x5x75/3
D7/818/x31/50. Stosowano obrabiarkę GEHRING SZS150.M o głowicy z sześcioma
osełkami o długości 150 mm. Płynem obróbkowym była emulsja syntetyczna HON 15.
a)
b)
0
ΔMr=40%
A1
Rpk
A2
Rk
Wysokość Rt, μm
Rpk < 0.3 μm
Rk < 0.8 μm
Rvk
Rvk < 1.5 μm
55o<= α<= 60o
Mr1
0
Mr2
20
40
60
80
Udział materiałowy Mr, %
100
Rys. 3. Wymagane powierzchni gładzonego cylindra firmy VOLVO: a) wymagane wysokości
chropowatości powierzchni na podstawie krzywej udziału materiałowego Rpk≤0,3 μm, Rk≤0,8
μm oraz Rvk≤1,5 μm o kacie gładzenia α =55-60º, b) profil chropowatości powierzchni zgodny z
wymaganiami gładzenia ślizgowego o wartości parametrów chropowatości powierzchni:
Rpk=0,059 μm, Rk=0,203 μm, Rvk=1,133 μm (nie wymagane - dla informacji: Ra=0,29 μm,
Rt=4,29 μm, RzDIN=3,31 μm, A2=0,165 μm)
Rys. 4. Charakterystyka powierzchni cylindra obrobionego gładzeniem płasko wierzchołkowym
ślizgowym, określona za pomocą: a) widma mocy, b) udziału materiałowego, c) widmowej mocy
skumulowanej, d) funkcji autokorelacji, e) funkcji struktury, f) widma amplitudowego
106
a)
b)
c)
Rys. 5. Charakterystyka powierzchni cylindra obrobionego gładzeniem płasko wierzchołkowym
ślizgowym, określona za pomocą: a) kątowych wykresów powierzchni - widmowej mocy
PWGM, korelacji wzajemnej PFKW i funkcji autokorelacji PFAC, b) róży anizotropowości, c)
mapy konturowej - Sa=0,36 μm, Str=0,0282, izotropowość 2,82%
Nastawy programu sterującego gładzarki zapewniały: prędkość obwodowa głowicy 57-60
m/min, prędkość osiową 24-26 m/min, ciśnienie układu hydraulicznego 1-6 MPa oraz czas
obróbki 20-150 s. Naddatek obróbkowy wynosił 0,24 mm, średnicowo. Przedstawiono
widmową gęstość mocy, widmo amplitudowe, krzywą Abbotta, widmową moc skumulowaną,
funkcję autokorelacji i funkcję struktury (dla informacji podano wartości:. Ra, Rt, RzDIN i
A2). Parametry krzywej Abbotta w układzie laplasonormalnym wynosiły: Rpq=0,068 μm,
Rvq=1,101 μm, Rmq=74%. Ocenę topografii powierzchni tulei cylindrowej zamieszono na
rysunku 5. Ocena jest odmienna, za pomocą róży anizotropii oraz wykresów kątowych.
8. WNIOSKI
Specyfikacje techniczne wykonania oraz odbioru tulei cylindrowych i cylindrów
monobloków silników spalinowych dotyczą zwłaszcza:
1. Składu chemicznego - najczęściej żeliwa szarego, jego granicy wytrzymałości na
rozciąganie, twardości oraz odporności na zużycie i korozję, wg szczegółowych specyfikacji.
Mikrostruktura winna być na osnowie perlitycznej z grafitem w postaci płytek średniej
wielkości, równomiernie rozłożonych. Nie dopuszcza się zwykle w strukturze ferrytu,
wolnego cementytu oraz potrójnej eutektyki fosforowej. Wymagania dotyczą także zdolności zwilżania olejem (energii powierzchniowej), rodzaju pokrycia, modyfikacji
obróbką cieplną i cieplno chemiczną.
2. Tolerancji powierzchni walcowej gładzi cylindra i powierzchni osadczej tulei
cylindrowych aktualnie nie przekraczających wartości 0,01 mm. Z kolei odchyłki: okrągłości,
walcowości, współosiowość, bicia i prostoliniowość tych powierzchni nie powinny być
również większe od 0,01 mm.
3. Wyglądu powierzchni cylindra, w tym ograniczenia zanieczyszczeń i ziaren z
narzędzi ściernych. Rysy gładzenia powinny być możliwie wąskie, w obu kierunkach
gładzenia jednakowo wyraźne oraz równomiernie rozłożone. Nie powinno być odkształceń
plastycznych - przemieszczenia warstwy wierzchniej pod wpływem siły skrawania.
4. Wysokość chropowatości limitowana jest wymaganiami zanieczyszczenia
środowiska, strat energii ruchu, trwałością i nieuszkadzalnością silnika.
9. LITERATURA
[1] Buhaug O., Almas T.: Characterisation of diesel engine cylinder liner deposits by surface
measurements. TriboTest, 2004, vol. 10, no. 3, s. 207-223.
[2] Campbell J.C.: Cylinder bore surface roughness in internal combustion engines. Its
appreciation and control. Wear 1973, vol. 19, s. 163-168.
[3] Duffet G., Sallamand P., Vannes A.B.: Improvement in friction by cw Nd:YAG laser
surface treatment on cast iron cylinder bore. Applied Surface Science 2002, vol. 205, no.
1 4, s. 289-296.
107
[4] Froelund K., Real-time steady-state oil consumption measurement on commercial SIengine. Transactions. Journal of Fuels and Lubricants 1999, vol. 108, SAE 3461, s.
1337-1346.
[5] Galligan J., Torrance A.A., Liraut G.: A scuffing test for piston ring/bore combinations:
Pt. II. Formulated motor lubrication. Wear 1999, vol. 236, no. 1-2, s. 210-220.
[6] Goetze Honing Guide. Rating Criteria For The Honing of Cylinder Running Surfaces.
GOETZE AG HAPTVERWALTUNG D-5093 BURSCHEID. Part 1: Fax Film and
Transverse Section. Part 2: Roughness Trace. GOETZE AG Technik Metall - December
1988.
[7] Hessling D.M.: A study of typical bore finishes and their effect on engine performance.
Symposium 18 ASLE Annual Meeting, New York 1983, s. 414-432.
[8] Hill S.H., Kantola T.C., Brown J.R., Hamelnik J.C.: En experimental study of the effect
of cylinder bore finish on engine oil consumption. Transactions, Journal of Engines 1995,
vol. 104, SAE 950938, s. 1568-1576.
[9] Jeng Y.-R.: Impact of plateaued surfaces on tribological performance. Tribology
Transactions 1996, vol. 39, no. 2, s. 354 361.
[10] Kościelny E., Michałski J., Pawlus P.: Badanie przyspieszone zużycia warstwy
wierzchniej złożenia: tłok-pierścień-cylinder silnika spalinowego w warunkach sztucznie
zwiększonego zapylenia. Mat. Konf.: Wpływ technologii na stan warstwy wierzchniej.
Gorzów Wielkopolski 1990, s. 534-534.
[11] Nosal S., Grześkowiak J., Kotkowski K., Mrowicka-Wołyńska, Heppel K.: Wpływ
wybranych czynników na przebieg docierania węzła modelującego skojarzenie tuleja
cylindrowa-pierścień tłokowy silnika okrętowego. IX Kongres Eksploatacji Urządzeń
Technicznych, Krynica, 2001, s. 143-152.
[12] Ohlsson R., Rosen B. G, Pulkkinen T., Jonasson M.: Practical consideration when
measuring 3D surface roughness. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn 1994, vol. 99-100,
s. 422-429.
[13] Santochi M., Vignale M., Giusti F.: A study on the functional properties of the honed
surface. CIRP Annals 1982, vol. 31/1, s. 432-434.
[14] Szabó O., Barylski A., Tribology of honing, Tribologia 1997, nr 1, s. 89-101.
[15] Tomaniuk E., Linear honing quality main characteristics. Transactions, Journal of
Engines 1992, vol. 101, SAE 921453.
[16] Warunki techniczne odbioru oraz wykonania tulei i cylindrów silników spalinowych
firm: Berliet-Renault, Cummins, DAF, Dorman, Ferry-Capitain, Fiat, Gëotze, KG Krauss
Mafei, Leyland, Moteurs Boudouin, Motoren Werke Manheim, OBR Samochodów
Osobowych, Perkins, Rolls Royce, Stal Refrigeration, Valmet, Volvo-AB, Volvo-BM,
Volvo-Penta, ZM PZL-Wola, Wellworthy, WSK-PZL Kalisz.
TECHNICAL REQUIREMENTS FOR CYLINDER LINERS MANUFACTURING
The paper presents the technical requirements, which should be satisfied by cylinder
liners of heavy duty Diesel engines according to VOLVO, GÖETZE and BERLIET
specifications. The requirements apply to the material characteristics, dimensional
accuracy and form deviations of the liner surface and mountings, the surface appearance
and roughness. The surface appearance is characterized by the following parameters:
honing angle, orientation of grooves, plateau formation, groove appearance - crossover
points, macro waviness in transverse section. The roughness and waviness profile
characteristics include the groove width, peak to valley height, and distance between
grooves. The surface percentage material ratio Mr at 2 μm section depth and macro
waviness is also described and others.
108