Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Badania i modelowanie procesów tribologicznych zachodzących w układzie gniazdo – lekki zawór – prowadnica w rozrządach tłokowych silników spalinowych

Siczek K.

Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka

|

2012

|

Z. 439

1--224

PL

W pracy zaproponowano rozwiązanie problemów tribologicznych w układach z lekkimi zaworami w krzywkowych i bezkrzywkowych rozrządach tłokowych silników spalinowych. Pierwszym problemem jest zużycie przylgni zaworu i gniazda. Drugim są opory ruchu i zużycie trzonka i prowadnicy zaworu. Rozwiązanie tych dwóch problemów osiągnięto poprzez rozpoznanie procesów i zjawisk tribologicznych we wspomnianych węzłach ciernych lekkich zaworów wykonanych ze stopów tytanu i z ceramiki, napędzanych krzywkowo i bez-krzywkowo. Przeprowadzono na drodze eksperymentalnej i teoretycznej analizę istotnych zjawisk zachodzących podczas procesu zużywania przylgni gniazda i lekkiego zaworu oraz procesu tarcia mieszanego i zużycia między trzonkiem lekkiego zaworu i jego prowadnicą, przy zmieniającym się udziale tarcia płynnego. W efekcie tej analizy zaproponowano charakterystykę oporów ruchu i zużywania w ramach jednego modelu, z uwzględnieniem zjawisk sprzężonych. Pozwala ona dobierać wolnozmienne parametry geometryczne i materiałowe oraz szybkozmienne wymuszenia w układzie prowadnica-lekki zawór-gniazdo, w sposób warunkujący racjonalny (z możliwością optymalizacji) przebieg pracy lekkiego zaworu podczas przebiegu międzynaprawczego silnika. Jako kryterium optymalizacji zaproponowano minimalizację sumy przepływów mediów między przylgniami zaworu i gniazda oraz w szczelinie między trzonkiem zaworu i prowadnicą, w obrębie ustalonego cyklu roboczego silnika. W pracy dokonano krytycznej oceny opisanych w literaturze modeli tarcia, na podstawie której wybrano dwa, uwzględniające obecność warstwy ochronnej na powierzchniach zaworu i/lub gniazd i prowadnic. Pierwszy model umożliwia wykonywanie symulacji oporów ruchu między trzonkiem zaworu i prowadnicą w warunkach zbliżonych do rzeczywistości, przy małej angażowanej mocy obliczeniowej. Drugi szybki, oparty na sieciach neuronowych, może być wykorzystywany w algorytmie sterowania napędu zaworu, głównie do kompensacji tarcia. Opracowano modułowy model zużywania zaworu, gniazda i prowadnicy uwzględniający istnienie warstwy ochronnej na powierzchniach zaworu i/lub gniazd i prowadnic. Umożliwia on wykonywanie symulacji procesu zużywania w warunkach zbliżonych do rzeczywistości, przy małej angażowanej mocy obliczeniowej. Opracowano sieci jednoznacznych powiązań między modelem oporów ruchu i modelem zużywania elementów układu gniazdo-zawór-prowadnica. Wyznaczono dopuszczalne prędkości osiadania zaworu w jego gnieździe ze względu na zużycie i hałaśliwość pracy. Dobrano racjonalne materiały trzonka i prowadnicy ze względu na ich zużycie przy założeniu ograniczonego smarowania. W pierwszej części pracy wskazano konsekwencje, jakie powstaną w różnych silnikach spalinowych w wyniku zastąpienia klasycznych, pełnych zaworów stalowych przez zawory z lekkich materiałów. W drugiej części pracy podano cel, zakres i tezę pracy. W kolejnej części omówiono układ prowadnica-zawór-gniazdo jako system tribologiczny. Potraktowano go jako obiekt analizy, omówiono elementy składowe, wymuszenia i zachodzące między nimi relacje. Podano zależności matematyczne opisujące te relacje. W kolejnej części pracy omówiono stosowane materiały, powierzchnie ochronne i parametry geometryczne lekkich zaworów oraz współpracujących z nimi prowadnic i gniazd. W następnej części pracy przeprowadzono dyskusję istniejących modeli tarcia, efektem której był wybór jednego z nich do symulacji oporów ruchu trzonka lekkiego zaworu względem prowadnicy, drugiego zaś do kompensacji tarcia w algorytmie sterowania bezkrzywkowego napędu zaworu. W modelach tarcia uwzględniono istnienie warstwy ochronnej na powierzchni zaworu, prowadnicy i gniazda. Podano przykładowe obliczenia oporów ruchu. Omówiono stosowane metody kompensacji tarcia w algorytmach sterowania urządzeń mechatronicznych, do których należy bezkrzywkowy napęd zaworu. Przedstawiono model fizyczny i matematyczny tarcia między trzonkiem lekkiego zaworu i prowadnicą. W kolejnej części pracy omówiono proces zużywania par ciernych systemu HSZG-TSZP ( grzybek zaworu-Smar-Zanieczyszczenie-Gniazdo-Trzonek zaworu-Smar-Zanieczyszczenie-Prowadnica). Omówiono rodzaje zużycia i parametry na nie wpływające. Przeprowadzono dyskusję istniejących modeli zużywania zaworu, prowadnicy i gniazda i w wyniku opracowano własne fizyczne i matematyczne modele zużywania elementów systemu HSZG-TSZP. Opracowano też model uwzględniający występowanie nagana i model poziomu ogólnego hałasu podczas uderzeń zaworu o gniazdo. W kolejnej części pracy omówiono przeprowadzone badania eksperymentalne. Przedstawiono opracowane stanowiska badawcze, obiekt, przebieg badań, uzyskane wyniki i analizę błędów pomiarów. W kolejnej części pracy przedstawiono model symulacyjny oporów ruchu i zużycia elementów systemu HSZG-TSZP. Zamieszczono przykładowe wyniki obliczeń symulacyjnych. W przedostatniej części pracy przedstawiono zależności matematyczne, uzależniające sumę przepływów mediów w szczelinie między trzonkiem zaworu i prowadnicą oraz między przylgniami gniazda i zaworu od zużycia elementów systemu HSZG-TSZP. W ostatniej części przedstawiono wnioski i zalecenia dotyczące przyszłych kierunków badań.

EN

The solution to tribological problems in systems with lightweight valves in cam and camless valvetrain in internal combustion engines has been proposed in the book. The first problem is the seat wear of valve and its seat insert. The second is friction and wear of valve stem and valve guide. The solution to these two problems is achieved by recognition of tribological processes and phenomena in the mentioned friction contact zones for these lightweight valves made from titanium alloys and ceramics, driven by cam and camless drive. It has been performed the experimental and theoretical analysis of the major phenomena that occur during the process of seat wear for lightweight valve and its seat insert and the process of mixed friction and wear between the lightweight valve stem and its guide, at the changing participation of lubricated friction. As a result of the analysis, it has been proposed the models of motion resistance and of wear. It allows to choose the slowly varying geometric and material parameters and rapidly changing force in the system guide - lightweight valve –seat insert, in a way allowing optimal operation of lightweight valve during the inter-repairing period of combustion engine. As the optimization criterion is proposed to minimize the sum of the media flow between the seats of valve and its seat insert and in the gap between the valve stem and its guide, within a fixed cycle engine. It has been done the critical evaluation of models described in the literature of friction. On that basis the models have been developed, taking into account the presence of a protective layer on the surface of the valve and/or its seat insert and guide. The first model is to perform simulations of motion resistance between the stem and the guide in conditions close to reality. The second one being fast, based on neural networks can be used in the control algorithm, valve drive, mostly to friction compensation. It has been developed the modular model for wear of valve, its guide and seat insert taking into account the existence of a protective layer on the surface of the valve and / or its seat insert and guides. It allows to perform simulation of wear process in conditions close to reality. It has been developed the network clearly linking between the wear model and the model of motion resistance for components of the seatvalve-guide assembly. It has been elaborated the acceptable settling velocity of the valve in respect to its seat insert due to the wear and noise emissions. Rational materials have been chosen for valve stem and its guide due to assumed limited use of the lubrication. Experimental studies have been performed. Elaborated research stands, object, research process, obtained results and analysis of measurement errors have been shown in the book. It has been elaborated the simulation model of motion resistance and of wear for the TSZP-HSZG (namely: Valve stem T – grease S – contamination Z – valve guide P – valve head H – grease S – contamination Z – seat insert G) system and of the media flow in the gap between the stem and the guide and between the seats of valve and its seat insert during wear process of TSZP-HSZG system.

2

Wykorzystanie pomiaru poziomu hałasu w czasie badań oporów ruchu w układzie gniazdo - zawór - prowadnica dla bezkrzywkowego napędu zaworu

Siczek K.

Silniki Spalinowe

|

2011

|

R. 50, nr 3

PL

Przeprowadzono badania eksperymentalne na stanowisku, którego schemat zamieszczono w artykule. Obiektem badań były napędzane magnetoelektrycznie zawory stalowe i tytanowe współpracujące z żeliwnymi prowadnicami i gniazdami. Celem badań było uzyskanie wartości parametrów charakteryzujących pracę układu gniazdo - zawór - prowadnica. Na stanowisku badano wznios i przyspieszenie zaworu, siłę uderzenia zaworu o gniazdo, siłę oporów tarcia trzonka zaworu o prowadnicę, temperaturę gniazda i temperaturę prowadnicy. Ponadto mierzono poziom hałasu uderzenia zaworu o gniazdo. Badania przeprowadzono dla różnych wartości wzniosu zaworu, częstotliwości wymuszenia oraz temperatury pracy elementów. W wyniku pomiarów uzyskano wykresy poziomu hałasu w funkcji częstotliwości i czasu, zamieszczone w artykule. Opracowano także model stanowiska badawczego z użyciem Metody Elementów Skończonych. W modelu tym uzyskano rozkłady ciśnienia akustycznego i poziomy hałasu, zamieszczone w artykule. Uzyskane wyniki wskazują na nieliniowy wzrost poziomu hałasu w funkcji częstotliwości wymuszenia, zaś rozkłady ciśnienia akustycznego sugerują miejsce umiejscowienia mikrofonu pomiarowego w czasie badań.

EN

Experimental researches have been carried out on the research stand, which scheme has been given in the article. Driven magneto electrically, steel and titanium valves mating with guides and seat inserts made of cast iron have been the object of investigations. The aim of the study has been to derive the parameters characterizing the work of the assembly seat insert - valve - guide. It has been studied the lift and acceleration of the valve, the valve impact force into seat insert, the friction force between valve stem and the guide, the temperature of the guide and of seat insert. The sound level from the impact of valve into its seat insert has been measured, either. Tests have been performed for different values of the valve lift, the frequency of excitation and the temperature for components. The graphs obtained by measuring the sound level as a function of frequency and time, have been included in the article. Also a model of the research stand has been developed using Finite Element Method. In this model it has been obtained distributions of sound pressure and of sound level, contained in the article. The results indicate the non-linear increase in noise levels as a function of excitation frequency, and sound pressure distributions suggest that the measurement microphone placement position during testing.

3

Properties and research direction for lightweight valves of valve timing in combustion engine

Siczek K., Zbierski K.

Journal of KONES

|

2009

|

Vol. 16, No. 4

415-422

EN

It has been pul the attention on the necessity for use of valves made of lightweight material in camless valve train in the article. Such necessity has been explained in the aniele [10]. Such lightweight materials are particularly, the TiAl alloys and ceramic composites. The small mass, in respect to the mass of valves made of steel, is characteristic of the valves made of lightweight material. The masses of valves, depending on the case: valve made of TiAl alloy or valve made of ceramic composite, can be smaller about 50% and more than the mass of valve made of steel. The properties of such lightweight materials have been discussed in detail and the methods of their manufacturing have been mentioned in the article. A lot of place has been devoted to titanium alloys, putting attention on the fact, that such alloys are called the materials of XXI century. The classification of titanium alloys has been presented, the problems of intermetallic phases, of alloy microstructure, of heat resistance, high-temperature creep resistance and other have been raised in the article. Finally the direction of researches, being carried out by authors of the article, including tribology of lightweight valves in valve timing has been presented. The aim of such researches is to identify the tribological processes and phenomena, which take place in the region, where lightweight valves mate with valve guides, in assumed bounded lubrication conditions, and in the region, where valve heads mate with valve seats.

PL

Artykuł koncentruje się na potrzebie użycia zaworów wykonanych ze stopów lekkich w bezkrzywkowym układzie rozrządu. Taka potrzeba została wyjaśniona w artykule [10]. Takie lekkie stopy, to szczególnie stopy TiAl i ceramiczne kompozyty. Mała masa, w porównaniu do masy zaworów wykonanych ze stali, jest charakterystyczna dla zaworów wykonanych ze stopów lekkich. Masy zaworów, zależnie od wypadku: zawór wykonany ze stopu TiAl albo zawór wykonany z ceramicznego kompozytu, mogą być mniejsze o około 50% i więcej niż masa zaworu wykonanego ze stali. Właściwości zaworów wykonanych ze stopów lekkich są dyskutowane szczegółowo, jak również metody ich wytwarzania są wzmiankowane w artykule. Dużo miejsca poświęcono stopom tytanu, kładąc szczególną uwagę na fakt, że takie stopy nazywają się materialami XXI stulecia. Przedstawiona klasyfikację stopów tytanu, jak również problemy faz międzymetalicznych, mikrostruktury stopów, żaroodporności, wysokotemperaturowy opór pełzania oraz inne. W końcu kierunki badań wykonanych przez autorów artykułu, włączając w to problemy tribologiczne zaworów są przedstawione. Celem takich badań jest identyfikacja procesów tribologicznych i zjawisk, które mają miejsce w obszarze, gdzie zawory współpracują z prowadnicami zaworów, w ograniczonych warunkach smarowania i w regionie, gdzie główka zaworu współpracuje z gniazdami zaworu.