kisdeák lajos, kenéstechnikai szolgáltatás vezető mol-lub kft. · a felületi érdesség...

Kenéstechnikai alapok Kisdeák Lajos, kenéstechnikai szolgáltatás vezető

MOL-LUB Kft.

E-mail: [email protected]

Tel: +36 20 945 4695

mailto:[email protected]

A kenőanyagok alkalmazásának célja

A tribológia

Súrlódás és kopás

A szilárdtest-súrlódás jellemzése

A folyadéksúrlódás

Kenésállapotok

A leggyakoribb kopásformák

2

Kenéstechnikai alapok

Alapok A súrlódás általános természeti jelenség. Megjelenési formái változatosak:

Szilárd testek közötti súrlódás

Folyadékokban és gázokban jelentkező súrlódás

Szilárd testek és folyadékok érintkezése során keletkező súrlódás

A szilárd testek közötti súrlódás általában a felületek károsodásához – pl. kopásához – vezet.

A súrlódás energiafajták közötti transzformációt eredményez: a mechanikai energia hőenergiává alakul. A folyamat irreverzibilis.

A súrlódás a gépek alkatrészei között is jelentkezik. A hatása lehet káros, vagy hasznos.

A súrlódás káros, ha energiaveszteséget okoz.

A súrlódás hasznos, ha energia- illetve erőátvitelt valósít meg, vagy egyéb okok miatt elengedhetetlen technikai berendezéseink működéséhez.

3

A súrlódás

Az alapvető cél: a szilárd testek közötti súrlódás kiküszöbölése Ha a szilárd testek felületei között folyadékfilmet – kenőfilmet – hozunk

létre, a súrlódási veszteségeket lényegesen lecsökkenthetjük.

Gépeink hatásfoka megnövekedik.

Az egymással nem érintkező felületek csak minimális mértékben kopnak

Ha nem alakul ki kenőfilm, kopásra kell számítani.

A kenőanyagot fel kell készíteni a kopás csökkentésére (EP/AW adalék)

A valóságos gépek túl bonyolultak ahhoz,

hogy a kopást teljesen kiküszöböljük.

EP: Extreme Pressure AW: Antiwear

4

A kenőanyagok alkalmazásának céljai

A súrlódás és kopás csökkentése

A gépekben a bennük lejátszódó fizikai folyamatok – pl. égésfolyamat a belsőégésű motorokban – és a súrlódási veszteségek miatt hőenergia keletkezik

A felesleges hőenergiát el kell vezetni. Szivattyú (piros) és turbina (kék)

A hidrodinamikus fék munkafolyadéka (ATF,

Automatic Transmission Fluid) ) esetenként 100 kW-nál is több

energiát közvetíthet a környezet felé.

Volvo retarder

Retarder: központi hidrodinamikus fékberendezés közúti nehéz haszonjárművek

(autóbuszok, kamionok) számára

5


Hőenergia elvezetés

Olaj- és szűrőcserék alkalmával a szennyezőanyagokat el kell távolítani. Ennek érdekében:

A szilárd szennyező részecskéket (kopásrészecskék, külső szennyezők) lebegésben (diszperz állapotban) kell tartani, hogy azok eljuthassanak a szűrőig, vagy távozhassanak az olajtöltettel → diszpergens hatás Meg kell akadályozni, hogy az iszapképzésre hajlamos anyagok – pl. az olaj saját degradációs termékei – bevonatot képezzenek a felületeken → detergens hatás

Erősen lerakódott felület, rossz DD (detergens-diszpergens) hatású olaj

Jó DD hatás

6


A kopásrészecskék és szennyezőanyagok eltávolítása, a felületek tisztán tartása

7

A gépalkatrészek felületei sok esetben agresszív, korrozív hatású közegek hatásának vannak kitéve

A kenőanyagnak el kell látnia a korrózióvédelem feladatát


Korrózióvédelem

Összefoglalva: A kenőanyagok alapvető feladatai

Az egymáson elmozduló felületek szétválasztása,

súrlódás- és kopáscsökkentés Hőenergia elvezetés

A kopásrészecskék és szennyezőanyagok eltávolítása,

a felületek tisztántartása Korrózióvédelem


A gördülőcsapágyakban jelentkező súrlódás energia- veszteséget okoz, tehát káros. Milyen mértékig csökkenthetjük?

Hibrid jármű automatikus hajtóműve. Ezek a tengelykapcsoló-tárcsák

a súrlódás segítségével közvetítik a nyomatékot. Itt tehát a súrlódás

hasznos, és elengedhetetlen. (Forrás: Chrysler)

9


A kenőanyagok súrlódási tulajdonságait optimálni kell

A tribológia

A tribológia szilárd testek egymással, valamint folyadékokkal és gázokkal való érintkezése során tapasztalt jelenségekkel foglalkozó tudományterület

Célkitűzései

A tribológiai folyamatokban fontos feladatokat kapnak a kenőanyagok

10


Az egymáson elmozduló szilárd testek érintkezése során lejátszódó folyamatok vizsgálata, tervezése és alkalmazása

A legjobb konstrukciós kialakítások keresése

A legjobb felületi kialakítások keresése (nem a lehető legkisebb felületi érdesség elérése)

A súrlódás optimálása (nem a lehető legkisebb súrlódás elérése)

A kopások csökkentése

Az érintkezésben részt vevő anyagok tulajdonságainak helyes megválasztása

Az átmenetek természetesen nem voltak élesek, a feltüntetett dátumok csupán orientáló jellegűek

Jobb technikai megoldások keresése

1966 Jost report

Gazdasági előnyök kiaknázása

1997 Kyoto protocol

A tribológia – legmarkánsabban a

járműiparban – a szén-dioxid kibocsátás csökkentésének

szolgálatába állt.

1

2

11


A tribológia szerepkörének bővülése az utóbbi fél évszázadban

A szilárdtest súrlódás természetének közelítő leírására általában az ún. Coulomb törvényt alkalmazzák:

Fs = μ · Fn ahol Fs a súrlódási erő [N], Fn a felületeket összeszorító – normál – erő [N], μ a súrlódási együttható.

A súrlódási együttható a felületek anyagának és morfológiájának (felületi érdességének, az érdesség irányultságának, stb.) függvénye.

A súrlódási erő független az érintkezési felület nagyságától.

A súrlódási erő létrejöttének alapvetően két oka van:

A felületi érdesség csúcsainak deformálása

Az érintkezési pontokban kialakuló adhéziós erők.

Ha az érdesség mértéke kicsi, az adhéziós erők dominánsak. Erősen érdes felületek érintkezése esetén az érdesség-csúcsok deformációja kerül előtérbe.

12


Súrlódás és kopás A szilárdtest-súrlódás

A túl érdes felület nem előnyös, mert az érdesség-csúcsok nagymértékű képlékeny alakváltozása növeli a súrlódási tényezőt és a kopást.

A túl sima felület nem előnyös, mert a tényleges érintkezési felület növekedése miatt nagy területen alakul ki adhéziós kapcsolat a felületek között, tehát a súrlódási tényező nagy lesz.

A valóságos fémfelületeken mindig találhatók kémiai rétegek, amelyek jelentősen lecsökkentik az adhézió érvényesülésének lehetőségét

1. Adszorbeált molekulákkal borított oxid-réteg (szulfát-réteg, foszfát-réteg, stb.) 2. Fém-oxigén szilárd oldat

3. Alakított réteg

4. Alapfém

Példa a gépelemeken kialakuló felületi rétegekre

Könnyen leváló rétegek esetén erős kopásra kell számítani

13



Súrl

ód

ási t

énye

ző, μ

Érdesség paraméter, Δ

Rugalmas alakváltozás

Képlékeny alakváltozás

Az érdesség függvényében a súrlódási tényezőnek minimuma van. Nem lehet érdekünk az érdesség minden határon túl történő csökkentése. A cél a megfelelő felületi paraméterek kialakítása pl. lézerhónolással.

14



Lézermegmunkáló (hónoló) berendezés az Audi Motor Hungária Kft-nél Forrás: Széchenyi István Egyetem 15

„Hónoló” tüske



Belsőégésű motor lézermegmunkáló berendezéssel kialakított hengerfelülete. A felső holtpont közelében más jellegű felület kedvező.

Forrás: Széchenyi István Egyetem

Olajmegtartó „hornyok”

16



A szilárd testek felületei között jelentkező súrlódás szinte mindig kopáshoz vezet.

A súrlódás és a kopás közötti kapcsolat nem egyértelmű: kis súrlódás is eredményezhet erős kopást, és nagy súrlódás mellett is lehetséges minimális kopás.

A kopás megelőzésének legeredményesebb módja a szilárd felületek érintkezésének megakadályozása. Vajon ez mindig lehetséges?

A valóságos gépek túl bonyolultak ahhoz, hogy a kopást teljesen kiküszöböljük.

17

Kenéstechnikai alapok Kenéstechnikai alapok


Miért érdekes számunkra ez a kép?

Az érdekel bennünket, ami itt történik

Ez több, mint hasonlóság

19


A vízisí és a forgó csap egyaránt a folyadékban keletkező nyomás hatására „marad fenn”. A siklócsapágyat azért kenjük, hogy a csap

és a furat felületei ne érintkezzenek.

A kenőfilm kialakulásának feltételei: Megfelelő nagyságú relatív sebesség a felületek között.

Kis sebesség mellett a vízisí is elsüllyed

A kenőanyag (relatív) áramlási sebessége irányában csökkenő

keresztmetszet

A vízisí esetében ehhez megfelelő állásszög szükséges, a siklócsapágynál megfelelő

csapágyhézagot kell biztosítani.

A szilárd testek súrlódását folyadéksúrlódás váltja fel.

A súrlódási energiaveszteség általában

nagymértékben lecsökken. Kivételek lehetségesek: pl. nagy

fordulatszámú tengelyek

Szilárd test súrlódás: Fs = μ · Fn

Folyadék súrlódás: τ ~ η·(dv/dx)*

ahol: τ a folyadékfilmben keletkező

csúsztatófeszültség, N/m2.

η a folyadék dinamikai viszkozitása, mPa·s. A

viszkozitás a kenőanyag fizikai jellemzője.

dv/dx (nyírási sebesség) a sebesség hely

szerinti differenciál-hányadosa (gradiense) a

sebesség vektorra merőleges irányban.

* Newtoni folyadék esetén τ = η·(dv/dx)

20


A felületek szétválasztása, kenőfilm kialakítása

A kenőfilm kialakulásának előnye

A gépelemek közötti relatív sebesség kicsi Jellemző példa: belsőégésű motor indítási

folyamata

A gépelemek geometriai kialakítása kedvezőtlen

Jellemző példa: Vezérműtengely és szelepemelő tőke kapcsolata

21

A kenőfilm kialakulásának feltételei rosszak, a fémes érintkezés nem küszöbölhető ki.

Kopáscsökkentő olaj-adalékot kell használni.


A felületek szétválasztása, kenőfilm kialakítása Kenőfilmnem alakul ki, ha

Kialakul kenőfilm, vagy nem?

Elősegíthető-e a kenőfilm kialakulása geometriai vagy kinematikai változtatásokkal, vagy a felületek jellemzőinek változtatásával?

Ha nem alakul ki kenőfilm, elegendő-e a kenőanyag kopásvédelme?

Ha a kenőanyag kopásvédelme nem elegendő, megfelelő tulajdonságokkal rendelkeznek-e a gépelemek szerkezeti anyagai?

Manapság a tribológiai teljesítmény megítélésének szempontja az is, hogy a gépelemek illetve gépek milyen energiaveszteség mellett látják el funkcióikat.

A tribológiai teljesítmény hiánya komoly meghibásodások okozója lehet

22


A tribológiai teljesítmény Kifejezi, hogy két kapcsolódó gépalkatrész milyen eredménnyel áll ellen a károsító hatásoknak

A súrlódási veszteség csökken, ha csökkentjük a viszkozitást.

A viszkozitás csökkenésével csökken a kenőfilm vastagsága. Változatlan geometriai és kinematikai feltételek mellett emiatt növekedik a kenőfilmben a

sebesség-gradiens. A súrlódási veszteség tehát nem csökken a viszkozitás csökkentésének mértékében.

A viszkozitás-módosító adalékot tartalmazó kenőanyagok esetében a kenőfilmben a speciális körülmények között mért HTHS (High Temperature High Shear) viszkozitás értéke mérvadó.

A kisebb kenőfilm vastagság dinamikus terhelés esetén növeli a fémes érintkezés kockázatát.

A kockázat csökkenthető a gépelemek rugalmas deformációjának csökkentésével (nagyobb átmérőjű tengelyek, vastagabb falú öntvények alkalmazása). Az ilyen megoldás ellentétben áll a méret- és súlycsökkentési törekvésekkel.

A kisebb kenőfilm vastagság nagyobb gyártási pontosságot, és kopásálló anyagok alkalmazását követeli meg.

Ugyanolyan mértékű kopás kisebb kenőfilm vastagság esetén nagyobb relatív változást jelent.

23


A folyadéksúrlódás csökkentésének korlátai

Nyugalmi állapot, szilárdtest érintkezés

Kis fordulatszám, határ- vagy vegyes-

kenés állapot

Nagy fordulatszám, hidrodinamikai,

vagy elasztohidrodinamikai kenésállapot

A csap középpontja a fordulatszám függvényében vándorol.

24

Kenésállapotok

A siklócsapágyakban kialakuló kenésállapot a fordulatszám függvénye

Folyamatos szilárdtest-érintkezés. Az érdesség-mélységekben kenőanyag van, ami rontja az adhéziós kapcsolatok kialakulását. Kedvezőtlen esetekben mégis kialakulhat drasztikus adhéziós kopás, emiatt kopáscsökkentő adalék használata szükséges. A leggyakrabban használt kopáscsökkentő adalék a cink-dialkil-ditio-foszfát (ZDDP), jelenleg még nincs versenyképes alternatívája.

A felületeken cink-foszfát réteget képez, gátolja az adhéziós kapcsolatokat.

Magas hőmérsékletű kémiai reakciók során – különösen víz jelenlétében – korrozív vegyületeket képez.

Emiatt a motorolajok csereperiódusát nem csak a futásteljesítmény függvényében, hanem időben is korlátozni kell.

A cinkfoszfát bevonat súrlódási tényezője magas (0,11 – 0,14). Magasabb, mint acél-acél kapcsolat esetén lenne.

A foszfortartalom káros hatással van a katalizátorokra.

ZDDP által képzett bevonat

25

Kenésállapotok

Határkenés állapot

A súrlódási veszteségek csökkentésének lehetőségei Kenőolaj segítségével

Alacsonyabb súrlódású tribofilmet (bevonatot) létrehozó adalékolás Nanotechnológiai megközelítés: súrlódáscsökkentő adalékok használata, komplex,

önszerveződő tribofilm kialakulásának biztosítása (felületmódosítás)

A kenőfilm kialakulásának elősegítése a felületek morfológiájának módosításával

Más lehetőségek

Az adhéziós kapcsolatok gyengítése a szerkezeti anyagok megválasztásával vagy felületi bevonatok alkalmazásával

Mechanikai és kinematikai optimálás (a tömegerők csökkentése, a sebességek növelése, stb.), downsizing

A geometriai kialakítás módosítása (pl. MCE motor)

Harc a felületért

Detergens adalék Korróziógátló

adalék

Súrlódáscsökkentő

adalék

Kopáscsökkentő

adalék

26

Kenésállapotok

Határkenés állapot

A határkenés állapot és a tiszta folyadékkenés közötti átmenetet jelenti.

Hidrodinamikai kenésállapot A felületeket teljesen szétválasztja a kenőfilm, gyakorlatilag nincs kopás

Elasztohidrodinamikai kenésállapot

A hidrodinamikai kenésállapot egyik válfaja

A kenőanyagfilm vékony, az erő átadása kis felület mentén történik

A kenőfilmben uralkodó nyomás nagy, felületek rugalmasan deformálódnak

A nagy nyomás miatt növekedik a kenőolaj viszkozitása

A deformáció a felületek fáradásos károsodásához vezethet

A fáradásos károsodás jelei belsőégésű motor csapágyain

27

Kenésállapotok Kenésállapotok

Vegyes kenésállapot

Elasztohidrodinamikai kenésállapot

Hidrodinamikai kenés- állapot

Hat

árke

nés

ál

lap

ot

Veg

yes

ken

ésál

lap

ot

Olajfilm vastagság/felületi érdesség

Súrl

ód

ási t

én

yező

Itt a viszkozitás fontos

Itt az adalékok fontosak

Erős kopás

Minimális kopás

Dugattyúgyűrűk Szelepvezérlés

Gördülőcsapágyak, hajtóművek Siklócsapágyak, kis terhelésű hajtóművek

A Stribeck diagram

28

Kenésállapotok

A szelepvezérlés kenésállapota alig lép ki a határ- illetve vegyes kenés állapotából.

A szilárdtest érintkezés miatt kopáscsökkentő motorolaj-adalék alkalmazása szükséges.

Hagyományos összetételű motorolajok esetében a súrlódási veszteség nagy.

A dugattyúgyűrűk és a hengerfal kenési állapota minden tartományt átölel.

Kopáscsökkentő adalék szükséges. Magas viszkozitású motorolaj használata mellett a

súrlódási veszteség nagy.

A siklócsapágyak az elasztohidrodinamikai és a hidrodinamikai kenésállapot tartományában működnek.

Az elasztohidrodinamikai tartományban fennáll a csapágyak fáradásos károsodásának veszélye. Mágneses erőtér hatására sorba rendeződött

kopásrészecskék mikroszkópos képe

29

Kenésállapotok

A Stribeck diagramból levonható következtetések

A kopásrészecskék mérete, μm

0,1 1,0 10 100 1000

A r

ész

ecs

kék

szám

a

Normál kopás

Rendellenes kopás

Kifejlett meghibásodás

Katasztrofális tönkremenetel

30

Kopásformák

A kopásrészecskék számának és méretmegosz- lásának változása egy gép elhasználódása során

Karcoló, forgácsoló hatás következtében jön létre

Két-test abrázió

Három-test abrázió

Lágy anyag

Lágy anyag

Kemény anyag

Kemény anyag

Beágyazódott kemény részecske

Két-test abrázió esetén a kemény anyagból készült test karcolja, forgácsolja a lágy felületet.

Három-test abrázió esetén a lágy anyagból készült felületbe ágyazódott kemény abrazív részecske forgácsolja a kemény felületet.

Két-test abrázió Három-test abrázió

Ferrográfiás felvételek

31

Kopásformák

Abráziós kopás

A f

oly

amat

irán

ya

Ha az érintkező alkatrészek anyaga azonos, vagy közel azonos, a szilárdtest-érintkezés esetén keletkező erős adhéziós erők „hideg” mikro-hegedéseket hoznak létre. Az egyik alkatrészben a kristálysíkok mentén megcsúszások jönnek létre. A folyamat egy anyagrész leválásához vezet. A felhegedt részecske később általában leválik.

Lehet, hogy csak egy, vagy néhány réteg válik le

Adhéziós kopásrészecske ferrográfiás képe

Mikro-hegedések

32

Kopásformák

Adhéziós kopás

A f

oly

amat

irán

ya

Rácshiba (diszlokáció)

Kopásrészescke

Ismétlődő igénybevétel hatására a rácshibák mentén – gyakran a felület alatt – repedések keletkeznek.

A repedések terjedésével anyag-darabkák válnak le.

Pitting

A pittingesedés a gördülőcsapágyak élettartamának végét jelenti

33

Kopásformák

Fáradásos kopás (pitting)

A pittingesedés kenőanyaggal alig befolyásolható

Gördülőtest

Elasztohidrodinamikus kenésállapotban a felületek a

kenőfilmben kialakuló nagy nyomás hatására deformálódnak.

A folyamatos rugalmas deformáció hatására bekövetkezik a fáradásos kopás

Csapágy belső gyűrű

Kenőanyag

Deformáció

Deformáció

Nyomáskép a kenőfilmben

Forrás: SKF

34

Kopásformák


A fáradásos kopás a fogaskerekeket is veszélyezteti

Forrás: MÁV Zrt.

Erős pitting mozdony

hajtóművében

Hajtó fogaskerék

Hajtott fogaskerék

35

Kopásformák


A f

oly

am

at

irán

ya

Mozgó folyadékban nyomáscsökkenés hatására gőzbuborékok keletkeznek.

A buborékok magasabb nyomású helyre érve rendkívül gyorsan kondenzálódnak.

Ha egy buborék „összeroppanása” aszimmetrikus, mikrosugár keletkezik.

A mikrosugár roncsolja a fémfelületeket (erózió).

A buborékok „összeroppanása” nyomáshullámokat kelt, amelyek szintén felületkárosító hatásúak (fáradásos károsodás).

A mikrosugár eróziót okoz

36

Kopásformák

Kavitációs kopás

Egy egyszerű fogaskerék-szivattyúban létrejöhet kavitáció

Folyadék belépés

Folyadék kilépés

Belső tömítés

Belső tömítés

37

Kopásformák

Kavitációs kopás

1

Az 1 jelű tér gyorsan növekedik.

A folyadék a 2 jelű résen keresztül áramlik az 1 jelű térbe.

Mivel a 2 jelű rés még nagyon kicsi, a 2 jelű térben a nyomás lecsökken, és a 3 helyen gőzbuborékok keletkeznek.

A 4 jelű rés már elegendően nagy, a nyomás megnövekszik, az 5 jelű helyen a buborékok kondenzálódnak.

2

3

4

5 Kavitációs károsodás

1

38

Kopásformák Kopásformák

Kavitációs kopás

Eróziós kopás Szilárd falhoz ütköző részecskék okozzák. Főleg szilárd részecskéket tartalmazó

közegek csővezetékekben szállításakor jelentkezik. A falnak ütköző szilárd részecskék nagy mozgási energiájuknál fogva részecskéket szakítanak ki a felületekből.

Súrlódási korrózió (fretting) Egymással érintkező felületek rezgése váltja ki. A kis amplitúdójú elmozdulásokat

erős oxidáció kíséri, amelynek során fekete- vagy vörös-oxid részecskék keletkeznek.

Fekete- és vörös-oxid részecskék ferrográfiás felvételei

39

Kopásformák

További kopásformák

A kopásrészecskék vizsgálata hagyományos ferrográf készülékkel

Kilépés Belépés Csatorna

Kis részecskék

Nagy részecskék

Olaj belépés

Olajminta

Tárgylemez

Mágnes Gyenge mágneses

hatás Erős mágneses

hatás

Az olaj folyásának iránya

Nagy részecskék

Kis részecskék

A kopásrészecskék az olajjal együtt gravitációs és mágneses erőtérben mozognak.

Miután a részecskék nyugalomba kerültek, az olajat oldószerrel eltávolítják.

Ferrogram készítés

40

Kopásformák

Milyen anyagból lehet ez a kék színű részecske?

Acélból, csak hőkezelték.

A részecskék vizsgálatára használt

mikroszkóp (ferroszkóp) is sok lehetőséget nyújt:

Alsó vagy felső megvilágítás, színszűrők alkalmazása, poláros

fény használata, stb.

41

Kopásformák

A kopásrészecskék vizsgálata hagyományos ferrográf készülékkel

Köszönöm a figyelmet

kisdeák lajos, kenéstechnikai szolgáltatás vezető mol-lub kft. · a felületi érdesség...

Documents