Giáo trình Chẩn đoán trạng thái kỹ thuật ô tô - Chương 1: Lý thuyết ma sát và hao mòn

Nội dung text: Giáo trình Chẩn đoán trạng thái kỹ thuật ô tô - Chương 1: Lý thuyết ma sát và hao mòn

1. Chương 1*Chẩn đoán trạng thái kỹ thuật ô tô - Biên soạn- Trần Thanh Hải Tùng, Nguyễn Lê Châu Thành 1.1.2.2. Ảnh hưởng của vận tốc. Hình 1.2 Đường cong μ = f(v,C) μ cũng có qui luật tương tự đường cong μ = f(p,C). μ = f(v, C2) μ = f(v, C1) 0 vth1 vth2 v’th1 v’th2 v Hình1.2. Ảnh hưởng của vận tốc đến μ 1.1.2.3. Ảnh hưởng của điều kiện ma sát. Hình 1.3 Thí nghiệm 1: cho cặp ma sát Fe-Fe làm việc với tải trọng p = const, vận tốc v = const, có cho μ và không cho bột mài vào giữa hai bề mặt ma sát. OA: không có bột mài. AB: μ giảm do tác dụng rà trơn của bột mài O A B C D t BC: μ tăng cao và không ổn định do sự phá hoại của bột mài. Hình1.3. Ảnh hưởng của điều kiện ma sát đến μ CD: không có bột mài > μ ổn định và giảm. Nhận xét: μ ≠ const khi điều kiện ma sát thay đổi Thí nghiệm 2: Cho ba cặp ma sát Fe-Fe, Al-Al, Cu-Cu làm việc với p = const, v =const, thay đổi chế độ gia công để đạt độ bóng bề mặt khác nhau. Kết quả, μ thay đổi như bảng 1.1 Bảng 1.1. Ảnh hưởng của độ bóng bề mặt đến μ Độ μ Phương pháp gia công bóng Fe-Fe Al-Al Cu-Cu ∇7 Đánh bóng bằng điện giải 2,08 4,05 1,7 ∇14 Đánh bóng bằng điện giải 1,32 3,00 1,08 Đánh bóng bằng điện giải có lớp màng ô xít ∇14 0,8 1,08 0,37 dày 300A0 ∇14 Giữa hai bề mặt có màng dầu bôi trơn 0,06 0,05 0,07 Kết luận: hệ số ma sát phụ thuộc vào nhiều yếu tố. μ = f(p,v,C) - μ ≠ const. - Tồn tại khoảng có μ = const và nhỏ nhất. - Cho ta phương hướng chỉ đạo thực tiễn thay đổi điều kiện ma sát C sao cho mở rộng được phạm vi sử dụng mà μ = const và nhỏ nhất. 1.1.3. Phân loại ma sát - Dựa vào động học chuyển động: 2
2. Chương 1*Chẩn đoán trạng thái kỹ thuật ô tô - Biên soạn- Trần Thanh Hải Tùng, Nguyễn Lê Châu Thành l1, l2-kích thước chi tiết đo theo phương pháp tuyến với bề mặt ma sát trước ma sát và khi đo, ( μ m). V1, V2-thể tích chi tiết trước và sau khi đo. G1, G2-khối lượng chi tiết trước và sau khi đo. L-chiều dài quãng đường xe chạy, (1000km). - Tốc độ mòn V: l− l VV− GG− V = 1 2 ( μ m/giờ) hoặc V= 1 2 (m3/giờ) hoặc I= 1 2 (g/giờ) t t L t-thời gian ma sát (giờ) Hư hỏng: là sự phá hoại bề mặt chi tiết xảy ra không có qui luật và ở mức độ vĩ mô. Có thể quan sát được bằng mắt thường và có sự phá hoại kim loại gốc như: tróc, rỗ, biến dạng bề mặt, cong, vênh, cào, xước, nứt bề mặt (phương pháp tuyến), dập, lún, xâm thực. 1.2.2. Phân loại hao mòn, hư hỏng 1.2.2.1. Phân loại hao mòn Hao mòn ôxy hoá loại 1: là hao mòn mà lớp cấu trúc thứ cấp là lớp màng dung dịch rắn (có xô lệch mạng). Hao mòn ôxy hoá loại 2: là hao mòn mà lớp cấu trúc thứ cấp là lớp ôxít. Ví dụ: FeO, Fe2O3 1.2.2.2. Phân loại hư hỏng Tróc loại 1: là dạng phá hoại bề mặt, thể hiện sự dính cục bộ giữa hai bề mặt do biến dạng dẻo gây ra vì lực lớn quá giới hạn đàn hồi. Tróc loại 2: là dạng phá hoại bề mặt, thể hiện sự dính cục bộ giữa hai bề mặt do nhiệt gây ra. Mài mòn: do tồn tại hạt mài giữa hai bề mặt ma sát, do cát bụi hoặc do tróc Tróc ôxi hoá động: là sự cường hoá quá trình hao mòn. Ăn mòn điện hoá, xâm thực Mỏi: xảy ra khi tải trọng thay đổi tuần hoàn, xuất hiện và phát triển các vết nứt tế vi, dẫn đến gãy đột ngột. 1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hao mòn, hư hỏng Bất kỳ cặp chi tiết nào làm việc với nhau đều sinh ra ma sát trong điều kiện có trượt tương đối, chịu lực, điều kiện môi trường làm việc, chất bôi trơn, chất lượng chi tiết (thành phần vật liệu, tính chất cơ lý hoá bề mặt ) là dẫn đến hao mòn. 4
3. Chương 1*Chẩn đoán trạng thái kỹ thuật ô tô - Biên soạn- Trần Thanh Hải Tùng, Nguyễn Lê Châu Thành + Không tạo cặn, sinh bọt nhũ - Cơ chế bôi trơn: + Ma sát ướt (bôi trơn thuỷ động). Khi trục bắt đầu quay, do dầu có độ nhớt, nên trong khe hở giữa trục và bạc tạo thành nêm dầu có áp suất, áp suất càng tăng khi tốc độ quay của trục tăng lên. Đến khi ứng với tốc độ nào đó, tổng áp lực của dầu đủ sức nâng trục lên, không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa trục và bạc, dẫn đến không hao mòn. Thực tế khi khởi động, tắt máy hoặc thay đổi tốc độ thì trục và bạc có tiếp xúc nên có hao mòn. n.η Trong bôi trơn thuỷ động hệ số ma sát μ phụ thuộc vào như ở đồ thị. Trong đó: p n-số vòng quay/phút η-độ nhớt p-áp suất 1-vùng ma sát khô 2-vùng ma sát tới hạn 3-vùng ma sát ướt, vùng này vẫn có μ là do nội ma sát trong dầu. + Ma sát tới hạn: xảy ra khi lớp màng dầu có μ chiều dày rất nhỏ δ < 0,1μm. Ở bề dày này, các phân tử dầu sắp xếp đúng hướng. Do đó, cácchi tiết Thực tế Lý thuyết như trượt trên một đệm đàn hồi, μ giảm. Tuy nhiên, đây là một quá trình kém bền vững dễ chuyển thành ma sát khô hoặc ướt. 1 2 n.η - Cải thiện tính chất dầu bôi trơn: người ta 3 p pha vào dầu bôi trơn các chất phụ gia hoạt tính hoá học hoặc hoạt tính bề mặt. Hình 1.8. Anh hưởng của n,η,p đến hệ số ma sát. + Chất phụ gia hoạt tính hoá học, có gốc là axit vô cơ, làm tăng khả năng chịu tải của màng dầu bôi trơn, cải thiện độ bền lớp cấu trúc thứ cấp, mở rộng phạm vi làm việc, giảm hao mòn. + Chất phụ gia hoạt tính bề mặt, có gốc là các axit hữu cơ, gốc rượu, xà phòng, có tác dụng làm mềm lớp rất mỏng trên bề mặt chi tiết, làm tăng khả năng rà khít nhanh, giảm áp suất riêng, giảm lực ma sát, công ma sát. Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt ma sát Chất lượng bề mặt ma sát được thể hiện qua các yếu tố: - Hình học bề mặt: vĩ mô, vi mô và siêu vi mô: + Vĩ mô: phản ánh trên toàn bộ, phạm vi lớn: độ côn, độ ô van, dung sai chế tạo, những sai số này do dao động của hệ máy-dao-chi tiết trong quá trình gia công gây nên. + Vi mô: phản ánh tình trạng bề mặt ở phạm vi kích thước tương đối bé + Siêu vi mô: là sai khác hình học trong phạm vi rất nhỏ do cấu trúc kim loại gây ra. 6
4. Chương 1*Chẩn đoán trạng thái kỹ thuật ô tô - Biên soạn- Trần Thanh Hải Tùng, Nguyễn Lê Châu Thành Bảng 1.2. Đặc tính bề mặt khi hao mòn ô xy hóa Hao mòn ô xy hoá loại 1 Hao mòn ô xy hoá loại 2 ô xýt Dung dịch Kim loại Kim loại + Độ bóng: ∇ 10 ÷ 14 ∇ 9 ÷ 13 + Nhiệt độ bề mặt: F1,F2 Æ tróc rời tạo thành hạt mài * Flk [p], ứng với giới hạn chảy của vật liệu. Tróc loại 1 rất nhạy cảm với hai bề mặt có cùng loại vật liệu. Tróc loại 1 chịu ảnh hưởng lớn của độ cứng bề mặt, độ cứng bề mặt tăng sẽ giảm tróc loại 1. Đặc tính bề mặt: hình 1.9 + Chiều sâu phá hoại: δ = 0,5mm. + Nhiệt độ bề mặt: <500C + Độ bóng bề mặt: ∇3 ÷ ∇4 + Tốc độ phá hoại: 10 ÷15μm/h. 1.2.4.3. Tróc loại 2 Khái niệm: là dạng phá hoại do biến dạng vì nhiệt, làm mềm nhũn bề mặt khi nhiệt độ tăng do vận tốc trượt tăng. 8
5. Chương 1*Chẩn đoán trạng thái kỹ thuật ô tô - Biên soạn- Trần Thanh Hải Tùng, Nguyễn Lê Châu Thành + Độ bóng: ∇ 5÷10 ∇ 7÷12 + Nhiệt độ bề mặt: 50 0C 50 0C + Chiều sâu phá hoại: δ = 0,2mm 2000A0 + Tốc độ phá hoại: 0,5÷50μm/h [ 0,5 μm/h 1.2.4.5. Mỏi Do thay đổi tải trọng tuần hoàn trên các chi tiết, sinh ra các vết nứt tế vi. Các vết nứt này được phát triển từ bề mặt chi tiết vào kim loại gốc dẫn đến gãy do mỏi. Chi tiết điển hình là trục khuỷu. Ví dụ: trục khuỷu động cơ D6-3D12 gãy 40 ÷ 50%. Kết cấu trùng điệp bằng không. Nguyên nhân: trong quá trình sửa chữa không chú ý đến kết cấu tránh ứng suất tập trung: góc lượn, hoặc trong lắp ghép do sai lệch tâm các ổ trục, tạo tải trọng làm hỏng trục bạc. Biện pháp chống mỏi: tăng chất lượng bề mặt, mài hết các vết nứt, tránh tập trung ứng suất, bảo đảm đồng tâm lắp ráp, chống tải phụ, hạn chế tải trọng lớn đột ngột. 1.2.4.6. Xâm thực Hiện tượng rỗ, hà, sâu, sắc cạnh ở phương pháp tuyến, thường phát triển ở vùng bề mặt sạch do tác dụng của dòng chảy tại khu vực áp suất nhỏ hơn áp suất bay hơi bão hòa. Các vị trí thường gặp: trên bề mặt cánh bơm và vỏ bơm tại cửa ra, bề mặt ngoài của lót xi lanh Biện pháp chống xâm thực: mạ lớp kim loại cứng trên bề mặt. 1.2.5. Luận đề cơ bản của lý thuyết hao mòn 1.2.5.1. Luận đề 1 Cơ sở: hao mòn do nhiều quá trình khác nhau gây ra, ký hiệu là P1,2 , tương ứng tốc độ quá trình v1,2 , Trong bất kỳ điều kiện ma sát nào cũng diễn ra quá trình với tốc độ lớn nhất vP. Phát biểu luận đề: “Dạng hao mòn được quyết định bởi quá trình P, diễn ra trên bề mặt ma sát với tốc độ lớn nhất vP”. Hệ quả: khi sự hao mòn là ổn định, tốc độ phá hoại các bề mặt làm việc (tốc độ hao mòn) không thể lớn hơn tốc độ của quá trình quyết định dạng hao mòn. Tức là: vph vph (vox = vp) 10
6. Chương 1*Chẩn đoán trạng thái kỹ thuật ô tô - Biên soạn- Trần Thanh Hải Tùng, Nguyễn Lê Châu Thành Cưỡng bức hở 500C: tổn hao nhiệt tăng, chất ăn mòn, tạp chất dễ ngưng tụ, dẫn đến hao mòn nhiều. Cưỡng bức kín: ổn định nhiệt. Làm mát bằng gió: + Làm sạch bề mặt tản nhiệt. (xe máy) + Làm kín quạt gió để tăng lượng gió. Chọn kết cấu lọc: + Không khí: lọc khô, ướt. + Bôi trơn: thô, tinh, ly tâm. + Nhiên liệu: Động cơ Diesel yêu cầu lọc rất khắt khe để đảm bảo làm việc cho bộ đôi. Đối với động cơ xăng: hao mòn ziclơ do bảo dưỡng không đúng kỹ thuật. Lọc nhiên liệu không cho phép có van an toàn. Chọn phương án bôi trơn hợp lý. Sử dụng lựa chọn vật liệu hợp lý. 1.2.6.2. Biện pháp công nghệ: Chất lượng gia công chi tiết ảnh hưởng rất lớn đến hao mòn hư hỏng của chi tiết, mạ hoặc tôi cứng bề mặt làm việc của chi tiết kết hợp với ổ đỡ phù hợp để chống mòn: Tăng bền bề mặt: + Biến cứng nguội: phun bi, lăn, ép + Nhiệt luyện: tôi, ram, nhiệt hoá, thấm C, N, kim loại + Mạ phủ (không dùng với chi tiết chịu tải trọng động) Bảo vệ bề mặt: Mạ phủ bề mặt để trách ô xy hoá, tráng thiếc, chất dẻo. Nâng cao chất lượng gia công: + Độ bóng gia công gần bằng độ bóng làm việc. + Độ chính xác côn, ô van. + Làm cùn các cạnh sắc (trừ một số trường hợp như bộ đôi bơm cao áp). 1.2.6.3. Chế độ sử dụng: - Chế độ làm việc: phải căn cứ vào điều kiện đảm bảo ma sát bình thường: p<pth, v<vth. (tránh quá tải và vượt tốc). - Trình độ và thói quen của người điều khiển xe. - Chăm sóc bảo dưỡng kỹ thuật kịp thời: hằng ngày định kỳ đúng lúc. Nếu dùng quá thời hạn qui định sẽ gây phá hoại, hư hỏng mãnh liệt. Không cho phép chạy cố khi chi tiết đã đạt đến kích thước giới hạn. - Sử dụng nguyên vật liệu. + Động cơ xăng yêu cầu dùng xăng đúng chủng loại. + Dầu bôi trơn phải đảm bảo chất lượng. 12
7. Chương 1*Chẩn đoán trạng thái kỹ thuật ô tô - Biên soạn- Trần Thanh Hải Tùng, Nguyễn Lê Châu Thành Piston ép lên xi 0 360 360 720 lanh theo phương vuông góc bệ chốt về 2 phía do lực ngang N. Sự biến thiên của lực ngang N theo chiều cao của xi lanh và theo góc quay của trục khuỷu được biểu diễn như hình 1.14. 180 180 540 540 Hình 1.14. Áp suất(do N) tác dụng lên thành xi lanh theo các Vận tốc trượt do tiếp xúc giữa séc măng và thân piston thay đổi lớn. Hao mòn của xi lanh tỷ lệ thuận với lực, vận tốc trượt, nhiệt độ. Đó là hao mòn có qui luật. 1.3.1.2. Hao mòn xy lanh theo phương dọc trục p_áp suất v_Vận tốc t_nhiệt độ p v t Dạng mòn Hình 1.15. Dạng mòn hướng trục của xi lanh 1.3.1.3. Hao mòn theo phương hướng kính Theo phương lực ngang N xi lanh bị mòn nhiều nhất dọc theo chiều trục. 1.3.1.4. Hao mòn không theo qui luật Trong vùng nhiều bụi, khoảng giữa xi lanh mòn nhiều do bụi (hạt mài tỷ lệ với vận tốc trượt). Bụi càng N nhiều qui luật mòn càng tăng về phía dưới. - Mòn nhiều theo phương vuông góc lực ngang N thì lý do là piston bị nghiêng. N - Đối với động cơ xăng: vùng đối diện xupáp nạp thường mòn nhiều, lý do là khí nạp rửa sạch màng dầu bôi trơn hoặc do ngưng tụ sản phẩm gây mòn. Hình 1.16. Dạng hao mòn hướng kính của xi lanh 14
8. Chương 1*Chẩn đoán trạng thái kỹ thuật ô tô - Biên soạn- Trần Thanh Hải Tùng, Nguyễn Lê Châu Thành Dạng hao mòn Dạng hao mòn Hình 1.18. Hao mòn trục khuỷu không qui luật - Do thanh truyền chế tạo lệch tâm nên phân bố lực không đều (dạng hình thang). Do đó, hao mòn không đều. - Khoan lỗ dầu không hợp lý: do quán tính ly tâm mà các cặn dầu bám vào thành và đem sang phía trái (hình 1.18). Vì vậy, ở phía trái chốt khuỷu mòn nhiều hơn ở phía phải. 1.3.2.4.Hỏng do mỏi Xuất hiện các vết nứt tế vi ở nơi tập trung ứng suất: góc lượn, cạnh sắc lỗ dầu Dưới tác dụng của tải trọng biến thiên và đổi chiều mà các vết nứt tế vi dần phát triển lớn lên đến lúc làm gãy trục, vết gãy phẳng. Thường xảy ra đối với các trục khuỷu: - Có kết cấu không hợp lý: ε = 0 (không có độ trùng điệp). Ví dụ: động cơ D6- 3D12 (gãy 40÷50%). - Có quá trình gia công sửa chữa không đúng: không có góc lượn hoặc góc lượn không đúng, không làm cùn các cạnh sắc của lỗ dầu. - Chế độ sử dụng không tốt: thay đổi tải đột ngột. - Lắp ráp không tốt: các cổ trục không đồng tâm gây tải trọng phụ trong quá trình sử dụng. 1.3.3. Hao mòn séc măng 1.3.3.1. Điều kiện làm việc - Chịu nhiệt độ cao: trong quá trình làm việc, séc măng trực tiếp tiếp xúc với khí cháy, do piston truyền nhiệt cho xi lanh qua séc măng và do ma sát với vách xi lanh nên séc măng có nhiệt độ cao, nhất là séc măng thứ nhất. Khi séc măng khí bị hở, không khít với xi lanh, khí cháy thổi qua chỗ bị hở làm cho nhiệt độ cục bộ vùng này tăng lên rất cao, có thể làm cháy séc măng và piston. Nhiệt độ của séc măng khí thứ nhất 623÷673K, các séc măng khí khác 473÷523K, séc măng dầu 373÷423K. Do nhiệt độ cao, sức bền cơ học bị giảm sút, séc măng dễ bị mất đàn hồi, dầu nhờn dễ bị cháy thành keo bám trên séc măng và xilanh, làm xấu thêm điều kiện làm việc, thậm chí làm bó séc măng. - Chịu lực va đập lớn: khi làm việc, lực khí thể và lực quán tính tác dụng lên séc măng, các lực này có giá trị rất lớn, luôn thay đổi về trị số và chiều tác dụng nên gây ra va đập mạnh giữa séc măng và rãnh séc măng. - Chịu mài mòn: khi làm việc, séc măng ma sát với vách xi lanh rất lớn. Công ma sát của séc măng chiếm đến 50÷60% toàn bộ công tổn thất cơ giới của động cơ đốt 16