Консистентные смазки для автомобиля – типы, характеристики, назначение | SUPROTEC
Наряду с использованием жидких масел, которые крайне важны для обеспечения нормальной работы двигателя и других агрегатов автомобиля, применяются также так называемые пластичные или, как их ещё называют, консистентные смазки.
Наряду с использованием жидких масел, которые крайне важны для обеспечения нормальной работы двигателя и других агрегатов автомобиля, применяются также так называемые пластичные или, как их ещё называют, консистентные смазки. Они представляют собой достаточно густые составы, которые используются в тех узлах трения и механизмах, где жидкое масло не удерживается или отсутствует возможность непрерывного пополнения его запаса. Это могут быть подшипники, рычажные или шарниры конструкции, цепные, червячные и другие виды передач, множество других узлов авто.
Отличия консистентных смазок от жидких
Пластичные составы отлично удерживаются на вертикальных деталях, никогда не удаляются из мест трения, способны осуществлять герметизацию смазываемого узла, препятствуя проникновению агрессивных жидкостей или различных абразивных частиц, таких как, например, пыль или грязь.
При использовании пластичных смазок снижается коэффициент трения, значительно увеличивается скольжение деталей, формируется устойчивая антикоррозийная плёнка, эффективно отводится тепло, что особенно актуально при использовании консистентной смазки для подшипников. При этом они снижают износ, и препятствуют задирам, заеданиям и возможным заклиниваниям поверхностей трения, тем самым обеспечивая нормальную работу механизмов.
Состав консистентных смазок, купить которые можно на авторынке, лучше всего рассмотреть на схеме, представленной ниже.
Как можно видеть, пластичные составы состоят из базовой основы, которая может быть как минеральной, так и полностью синтетической, специальных загустителей и присадок, определяющих основное назначение того или иного вида смазки. Загустители представляют собой мыла или твёрдые углеводороды. В составах они могут быть продуктами как органического, так и неорганического происхождения. Все они выполняют задачу обеспечения пластичности материала, который в нерабочей фазе густеет и ведёт себя как твёрдое тело, а во время нагрузки превращается в вязкую жидкость.
Основные характеристики консистентных смазок
Прочность
Загуститель образует своеобразную структуру, которая благодаря имеющейся прочности хорошо удерживается на деталях, расположенных наклонно или вертикально.
Существует зависимость, что чем ниже прочность, тем материал мягче. Причём слишком малый предел делает материал текучим, а слишком высокий – препятствует её подачи к трущимся деталям.
Вязкость
Важная характеристика пластичных материалов, которая является величиной непостоянной, и определяет поведение их в местах трения при переходе в жидкое состояние.
Вязкость материала зависит от того насколько быстро происходит деформация. При высоких степенях деформации вязкость смазки снижается.
Механическая стабильность
Характеристика, определяющая способность материала сохранять свои свойства после снятия нагрузки.
Важно учитывать тот факт, что нестабильные пластичные материалы не следует использовать в узлах, где отсутствует герметичность.
Если есть необходимость купить консистентную смазку, то важно учитывать и другие её характеристики, такие как химическую стойкость, степень адгезии, водостойкость, морозоустойчивость, термическую стабильность.
Классификация пластичных смазок
Действующий межгосударственный стандарт классифицирует смазки по назначению и сферам применения.
Подгруппа | Индекс | Область применения |
Антифрикционные | ||
Общего назначения для обычных температур | С | Узлы трения с рабочей температурой до 70ºС |
Общего назначения для повышенных температур | О | Узлы трения с рабочей температурой до 110ºС |
Многоцелевые | М | Узлы трения с рабочей температурой –30…+130ºС в условиях повышенной влажности среды; в достаточно мощных механизмах сохраняют работоспособность до –40ºС |
Термостойкие | Ж | Узлы трения с рабочей температурой ≥150ºС |
Морозостойкие | Н | Узлы трения с рабочей температурой ≤–40ºС |
Противозадирные и противоизносные | И | Подшипники качения при контактных напряжениях более 250 кПа и подшипники скольжения при удельных нагрузках ≥15 кПа |
Химически стойкие | Х | Узлы трения, имеющие контакт с агрессивными средами |
Приборные | П | Узлы трения приборов и точных механизмов |
Редукторные | Т | Зубчатые и винтовые передачи всех видов |
Приработочные пасты | Д | Сопряжение поверхности с целью облегчения сборки, предотвращения задиров и ускорения приработки |
Узкоспециализированные (отраслевые) | У | Узлы трения, смазки для которых должны удовлетворять дополнительным требованиям, не предусмотренным в вышеперечисленных подгруппах (прокачиваемость, эмульгируемость, искрогашение и т. |
Брикетные | Б | Узлы и поверхности скольжения с устройствами для использования смазки в виде брикетов |
Консервационные | ||
Консервационные | З | Металлические изделия и механизмы всех видов, за исключением стальных канатов и случаев, требующих использования консервационных масел или твердых покрытий |
Уплотнительные | ||
Арматурные | А | Запорная арматура и сальниковые устройства |
Резьбовые | Р | Резьбовые соединения |
Вакуумные | В | Подвижные и разъемные соединения и уплотнения вакуумных систем |
Канатные | ||
Канатные | К | Стальные канаты, органические сердечники канатов |
д.)В обозначении смазочных материалов указывается:
- первые две буквы – вид загустителя в зависимости входящего в него металла, к примеру, Ли – литиевая консистентная смазка;
- дробь, обозначающая диапазон рабочих температур, где числительное – минимальное значение температуры использования, знаменатель – максимальное значение, которые уменьшены в десять раз;
- строчные буквы, обозначающие дисперсионную среду, например, г –графит, у – углеводороды;
- число, обозначающее густоту смазочного материала.
К примеру, классификационный шифр МЛи 4/13-3, соответствующий смазке Литол-24, будет расшифровываться как: М – многоцелевая, Ли – загуститель литиевое мыло, отсутствие строчной буквы – без дисперсионных добавок, 3 – густота.
Зарубежные производители ввиду отсутствия единой классификации маркируют свою продукцию в зависимости от консистенции смазок – NLGI, разработанной в Соединённых Штатах Америки и соответствующей стандарту DIN 51 818, действующему в Европе.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПЛАСТИЧНЫХ СМАЗОК NLGI | |||
Класс NLGI | Число (0,1 мм) пенетрации | Консистенция | Область применения |
000 00 | 445-475 400-430 | очень жидкая жидкая | закр. передачи |
0 1 | 355-385 310-340 | полужидкая очень мягкая | центр. смаз. системы |
2 | 265-295 | мягкая | шар./рол. подш. |
3 4 | 220-250 175-205 | полутвёрдая твёрдая | высокоскор. подшипники |
5 6 | 130-160 85-115 | очень твёрдая особо твёрдая | откр. зубч. передачи |
зубч.Популярные смазки для авто
Современный рынок изобилует смазочными материалами, Цена консистентных смазок вполне доступна, выбор большой, поэтому всегда можно подобрать самый подходящий в том или ином случае материал.
Компания «Супротек» предлагает автомобилистам восстанавливающую триботехническую смазку «Супротек Универсал-М» и восстанавливающую триботехническую консистентную смазка «Универсал-PRO». Эти составы значительно увеличивают ресурс подшипников, зубчатых передач, ШРУСов и других узлов, где используется смазка. Главное достоинство – восстановление геометрии детали при незначительной степени износа.
Кроме этого в линейке составов компании есть специальный триботехнический концентрат. Он применяется, когда старая автомобильная смазка имеет вполне нормальный внешний вид, но подшипник или другая деталь работает не оптимально. Если не заметно следов износа, то работоспособность узла можно восстановить при помощи добавления триботехнического концентрата Suprotec в старую смазку.
Концентрат вводят в рабочую полость узла прямо в имеющееся там смазывающее вещество. По возможности следует перемешать две субстанции до однородного состояния. Если не получается хорошо смешать концентрат со смазкой, следует эксплуатировать автомобиль в щадящем режиме, пока эти два вещества не перемешаются самостоятельно.
Для чего нужна система смазки в автомобиле?
Благодаря системе смазки в автомобиле, процесс стирания деталей двигателя, которые изнашиваются из-за постоянного трения и повышенных температур, заметно снижается. Этот узел является ключевым для здоровья авто.
Каждому человеку, даже ребенку понятно, что автомобиль — это по определению очень сложный агрегат. Количество деталей, систем и узлов представляют собой одно целое, а самым сложным во всей этой системе является двигатель. Сердце машины подвержено колоссальным нагрузкам, постоянное трение от вращения механизмов, повышенные температуры и беспрерывная работа сильно сказываются на сроке жизни этого агрегата, именно по этой причине конструкторами была придумана система смазки. Благодаря ей, детали участвующие в рабочем процессе претерпевают меньше ущерба от трения и служат намного дольше.
Содержание
- Принцип работы и назначение системы смазки
- Как устроена система смазки
- Уровень масла в системе
- Разновидности систем смазки
- Вывод
Принцип работы и назначение системы смазки
Как уже говорилось выше, система смазки для автомобилей отыгрывает колоссальную роль и влияет на то, как долго прослужит двигатель.
Обусловлено это тем, что механизмы внутри двигателя прибывают в постоянном движении, шестерни и другие детали непрерывно трутся друг о друга, из-за этого они нагреваются еще больше, не говоря о том, что во время сгорания топлива этот узел и так находится в среде с повышенными температурами. Ввиду этих обстоятельств, внутренние механизмы могут подвергаются большому износу, но чтобы минимизировать ущерб, нужно постоянно добавлять в процесс работы смазочное вещество, чем и занимается обсуждаемая система.
Помимо своей прямой задачи, данная система выполняет ряд не менее важных функций:
- Смазка охлаждает трущиеся элементы;
- Смазочное вещество также способствует устранению нагара и всевозможных микрочастиц, которые скапливаются во время работы автомобиля;
- Данный узел также не позволяет образовываться ржавчине внутри двигателя.
Как устроена система смазки
Если не брать во внимание какой-то определенный двигатель, а брать за основу общие показатели данного механизма, то система смазки в обязательном порядке включает в себя следующие составляющие:
- Поддон картера;
- Заборник масла;
- Масляный радиатор;
- Масляный насос;
- Масляный фильтр;
- Датчик для замера давление;
- Датчик количества масла и температуры;
- Масляный щуп;
- Клапан пропуска;
- магистраль и каналы для масла.
Само масло, которое является одним из основных условий функционирования этой системы, храниться в поддоне картера двигателя внутреннего сгорания. Когда «сердце машины» не работает, в эту емкость стекает все масло, кроме остатков, застрявших в фильтре и совсем малого количества, оставшегося на самих деталях.
Элементом, который позволяет смазывающему веществу циркулировать по системе без перерывов, выступает насос. В работу он включается благодаря коленчатому валу с распределительным и дополнительным приводами.
Что касается масляного фильтра, то он просто незаменим, и выполняет свою очевидную роль. Благодаря ему, смазывающая жидкость очищается от продуктов горения и других загрязнителей, которые появляются в процессе работы двигателя и от которых система может сильно пострадать.
Еще один важнейший элемент, входящий в данный узел — это радиатор. Благодаря ему в процесс вступает жидкость системы охлаждения, которая не дает перегреваться моторному маслу, ведь в случае перегревов оно теряет свои важнейшие качества и свойства.
Уровень масла в системе
Ни в коем случае нельзя позволять маслу превышать определенный заданный уровень в поддоне картера, ведь это может привести к различным неисправностям и поломкам, в частности выходу из строя накачивающего агрегата. Для этого предусмотрен отдельный элемент, именуемый масляным щупом.
На нем имеется две отметки, одна отвечает за минимум масла в поддоне, другая за допустимый максимум, который позволяет содержать система. Естественно, оптимальным считается промежуточный показатель. Если же масляная жидкость находится на нижней отметке, детали смазываются недостаточно, если на верхней, система быстро загрязняется, а расход жидкостей, в том числе топлива, увеличивается.
Разновидности систем смазки
Данная система делится на три основных вида, различаются они по принципу подачи смазывающей жидкости:
- Масло разбрызгивается;
- Подается под давлением;
- Комбинированный принцип (сочетает в себе первые два вида).
Принцип работы в первом случае является самым простым. Кривошипные подшипники, установленные в узле, имеют так называемые черпачки, с помощью которых смазывающая жидкость зачерпывается из поддона картера, а затем разбрызгивается на детали. Минус такого решения заключается в том, что степень и обильность орошения деталей маслом напрямую зависит от того, сколько этой субстанции имеется в поддоне, а также от наклона машины во время движения.
Второй случай является более качественным с точки зрения эксплуатационных характеристик, но из-за своей дороговизны и сложности работы, он стал намного реже устанавливаться на транспортные средства.
В современных авто чаще всего используется именно третий вариант. Данная система наиболее продумана, так как в этом случаем масло подается под давлением именно на те участки двигателя, которые испытывают наибольшие нагрузки. В местах, где износ менее заметен, имеет место быть только разбрызгивание. Таким образом, расход смазки уменьшается, и она используется с большим КПД.
Вывод
Система смазки отыгрывает важнейшую роль, как в работе всего автомобиля, так и самого двигателя. Она позволяет постоянно орошать внутренние составляющие «сердца машины», которые подвержены колоссальным нагрузкам и изнашиваются от высоких температур и трения. Таким образом, все составляющие двигателя прослужат максимально долго и с наименьшим износом.
и в работе двигателя. Она позволяет постоянно орошать внутренние составляющие «сердца машины», которые подвержены колоссальным нагрузкам и изнашиваются от высоких температур и трения. Таким образом, все составляющие двигателя прослужат максимально долго и с наименьшим износом.
фактов и трения – Physics World
Физики разрабатывают лучшие масла и смазочные материалы, которые обещают улучшить топливную экономичность автомобилей и сократить выбросы парниковых газов.
Плавный ход Смазочные материалы необходимы в современной жизни.
Автомобильные двигатели и коробки передач работают безотказно благодаря сложным маслам и смазкам, в то время как в жестких дисках компьютеров используются тонкие органические пленки, гарантирующие, что головка «считывания/записи» может надежно перемещаться на высоких скоростях по носителе записи. Однако, по мнению некоторых аналитиков, прямые затраты на трение и износ могут составлять почти 10% валового национального продукта (ВНП) во многих промышленно развитых странах. Более того, по их оценкам, снижение затрат до 1% от ВНП может быть достигнуто просто за счет использования подходящего смазочного материала для работы.
Смазочные материалы — замечательные жидкости. Зимой в Детройте, например, одно и то же автомобильное моторное масло должно надежно работать при температурах от -40 °C до свыше 250 °C — температура вблизи верхнего поршневого кольца. Он также должен выдерживать давление от 10 
Последней каплей является то, что эта жидкость должна надежно справляться с этими условиями каждый день в течение двух лет — рекомендуемого времени между заменами масла, согласно некоторым производителям автомобилей.
Удивительно, но одной из основных движущих сил разработки смазочных материалов является окружающая среда. Современные автомобили должны выбрасывать гораздо меньше загрязняющих веществ, чем старые автомобили и грузовики. Действительно, выбросы типичного современного автомобиля примерно в 50 раз ниже, чем у автомобилей, произведенных в 1960-х годах.
Углекислый газ является естественным побочным продуктом сгорания топлива и относится к наиболее значительным загрязнителям, сокращение которых необходимо. Действительно, автомобили с высоким расходом топлива выделяют большое количество углекислого газа. Однако Европейский союз играет ведущую роль в решении этой проблемы и указал, что среднее количество углекислого газа, выбрасываемого каждым транспортным средством, должно быть снижено с сегодняшних средних 200 граммов на километр до менее 140 граммов на километр по сравнению с 2008 годом.
Очевидно, что производители вносят ряд технических изменений в свои автомобили, чтобы попытаться улучшить экономию топлива. Менее известен, однако, тот факт, что расход топлива можно значительно снизить, просто заменив смазочные материалы. Например, можно уменьшить количество потребляемого современными автомобилями топлива до 5%, просто заменив обычное всесезонное масло на «модифицированное трением» смазочное масло с меньшей вязкостью. Это привело бы к годовому выбросу CO 
Очевидно, что большая экономия CO 2 возможна, если оптимизированные смазочные материалы также используются в грузовых автомобилях и другой технике.
Что такое смазка?
Автомобильные смазочные материалы выполняют четыре основные функции: контролируют трение и износ в двигателе, защищают двигатель от ржавчины, охлаждают поршни и защищают моторное масло, хранящееся в картере, от продуктов сгорания.
Примерно 75-95% типичного моторного масла состоит из базового масла – минерального масла, полученного непосредственно с нефтеперерабатывающего завода. Эти базовые масла могут естественным образом содержать прямые или разветвленные цепи углеводородов, молекулы углеводородов с присоединенными ароматическими кольцами, или эти цепи могут быть получены в результате дальнейших химических реакций базовых масел.
Остальная часть смазочного материала содержит различные присадки, которые используются для улучшения характеристик. Обычно к ним относятся противоизносные присадки, ингибиторы коррозии, антиоксиданты, детергенты, диспергаторы, противопенные присадки и крупные полимерные молекулы, известные как модификаторы вязкости, которые добавляют для улучшения изменения вязкости смазочного материала в зависимости от температуры.
Действительно, вязкость является наиболее важным физическим свойством смазочного материала. То, как оно изменяется в зависимости от температуры, скорости сдвига и давления, в значительной степени определяет поведение смазочного материала в двигателе. Но важен и химический состав смазки: она должна быть устойчива к окислению и способна «складывать» защитную пленку для борьбы с износом там, где контакт с металлом неизбежен.
Поведение масляной пленки, застрявшей между двумя движущимися поверхностями, количественно определяется динамической вязкостью, которая измеряется в миллипаскалях-секундах (мПа с). Точнее, динамическая вязкость связана с напряжением сдвига, силой сдвига, действующей на масло на единицу площади, и скоростью сдвига, разницей в скорости между двумя поверхностями, деленной на их расстояние. Однако часто удобнее измерять величину, известную как кинематическая вязкость, которая представляет собой динамическую вязкость, деленную на плотность жидкости и измеряемую в мм 9 .
Смазочные материалы делятся на две широкие категории – моносезонные и всесезонные – в зависимости от того, существенно ли изменяется их вязкость в зависимости от температуры или нет. Более подробная система классификации была разработана Обществом автомобильных инженеров (SAE) (см. таблицу). Одна распространенная смазка описана в соответствии с этой схемой как всесезонная SAE-10W/30. Первое число (10W) относится к динамической вязкости, измеренной при низких температурах, а второе (30) описывает кинематическую вязкость при 100 
Класс вязкости всесезонного масла различается при высоких и низких температурах из-за присадок, известных как модификаторы вязкости. Например, SAE-10W/30 имеет такую же вязкость, что и моносезонная смазка SAE-30 при 100 °C. Однако при более низких температурах SAE-10W/30 намного жиже, чем сезонное масло. Это означает, что всесезонное масло обеспечивает защиту при высоких температурах и обладает достаточной текучестью при низких температурах, что позволяет легко запускать двигатели в большинстве европейских стран. Напротив, густое моносортное масло будет просто непригодно зимой.
Смазочные материалы марки
| Класс вязкости | Кинематическая вязкость при 40 °C (сСт) | Кинематическая вязкость при 100 °C (сСт) | Динамическая вязкость при -15 °C (мПа·с) |
| SAE-30 | 91,3 | 10,8 | 3950 |
| SAE-20W/50 | 144,8 | 17,8 | 5870 |
| SAE-15W/40 | 114,3 | 14,9 | 2940 |
| SAE-10W/30 | 72,3 | 10,8 | 1900 |
| SAE-5W/30 | 57,4 | 9,9 | 1090 |
| SAE-0W/20 | 44,4 | 8,3 | 690 |
Типичная вязкость обычных смазочных материалов согласно классификации J300 Общества автомобильных инженеров.
Хорошо смазанные компоненты
В обычном бензиновом двигателе внутреннего сгорания топливо поступает в камеру сгорания при открытии впускного клапана. Затем этот клапан закрывается, и поршень движется вверх, сжимая топливно-воздушную смесь. Когда поршень достигает своего верхнего положения, активируется свеча зажигания и происходит сгорание, толкая поршень обратно вниз. Затем поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение через шатун и подшипники коленчатого вала.
Для эффективной работы двигателя контакты между кулачками (которые толкают клапаны, управляющие впуском и выпуском в камеру сгорания) и толкателями (которые управляют клапанами) должны быть надлежащим образом смазаны, чтобы компоненты не изнашивались чрезмерно .
Полная масляная пленка также должна образовываться между поршневыми кольцами и гильзой поршня, чтобы предотвратить износ, изолировать газы камеры сгорания от остальной части двигателя и минимизировать потери на трение. Наконец, толстая пленка масла должна покрывать подшипники двигателя, чтобы металлические поверхности в подшипнике не соприкасались.
Рисунок 1
Состав типичного моторного масла тщательно разработан для защиты клапанного механизма, подшипников и узла поршня, несмотря на различные требования к смазке этих компонентов. Фактически толщина масла определяет его коэффициент трения и определяет четыре различных области смазки (рис. 1).
Подшипники двигателя и поршень в основном работают в зоне «гидродинамической смазки», где толстая пленка разделяет движущиеся металлические поверхности, исключая возможность их соприкосновения. Однако, когда поршни на мгновение останавливаются, слой масла, покрывающий их, может иметь толщину, аналогичную шероховатости поверхности компонентов.
В этой области «смешанной смазки» металлические поверхности периодически вступают в непосредственный контакт. Если толщина масляной пленки намного меньше шероховатости поверхности, металлические поверхности многократно трутся друг о друга – это известно как «граничная смазка». Контакт между кулачками и толкателями в клапанном механизме охватывает смешанную и граничную области.
Последний тип смазки – эластогидродинамическая смазка – возникает при высоких нагрузках и обычно встречается с маслами на углеводородной основе. Здесь давление, создаваемое в смазке, достаточно велико, чтобы упруго деформировать металлические поверхности по обе стороны от масляной пленки. Это происходит потому, что вязкость этих жидкостей значительно увеличивается при повышении давления. Клапаны и поршневые кольца иногда работают в этой области.
Смазочные материалы также используются в других важных компонентах автомобиля, включая коробку передач. Это сложная среда, где давление обычно превышает 10 9 Па и шестерни работают в режиме упругогидродинамической смазки.
Более того, во многих автомобилях трансмиссионная смазка заливается один раз и ни разу не заменяется в течение всего срока службы автомобиля. Тем не менее, исследователи из Torotrak в Лейланде, Великобритания, в настоящее время разрабатывают новые системы трансмиссии, которые фактически представляют собой коробки передач с бесконечным диапазоном передаточных чисел. Эти бесступенчатые трансмиссии предназначены для максимального повышения эффективности использования топлива, и для них требуются смазочные материалы, обладающие особыми свойствами, такими как очень высокие коэффициенты трения, которые наша группа в Чеширском инновационном парке Shell разрабатывает в сотрудничестве с Torotrak.
Консистентные смазки также обычно используются для смазывания шарниров равных угловых скоростей, которые соединяют оси с ведущим колесом, позволяя подвеске перемещаться вверх и вниз. Эти шарниры являются важными компонентами многих современных моделей полноприводных автомобилей и внедорожников, поэтому для них требуются высокоэффективные смазки.
Измерения облегчают путь
Большинство производителей двигателей разрабатывают свои компоненты для работы с маслами и смазками в определенном диапазоне вязкости. Поэтому важно уметь точно измерять свойства смазочных материалов.
Кинематическая вязкость нефти обычно определяется при низких скоростях сдвига, просто путем измерения времени, необходимого мениску, чтобы течь вертикально вниз между двумя отметками на капиллярной трубке. Капиллярные трубки разного диаметра используются для более жидких или более густых масел.
Между тем, динамическая вязкость обычно измеряется в условиях высокого сдвига, а иногда и при высоких температурах, которые обычно встречаются в подшипниках и других критических контактах в двигателях. Эти измерения проводятся приборами, в которых тонкая пленка масла заключена между двумя поверхностями, движущимися относительно друг друга. Например, в «вискозиметре с вращающимся цилиндром» динамическая вязкость оценивается по сдвиговому моменту, создаваемому вращающимся внешним цилиндром на неподвижном внутреннем цилиндре.
Другой прибор, который используется, в частности, для измерения очень малых количеств смазки, содержит коническую поверхность, вращающуюся относительно плоской пластины, покрытой маслом.
Рисунок 2
Эти измерения также могут рассказать нам кое-что о том, как вязкость зависит от скорости сдвига. Наша группа в Shell и другие, включая Джагадиша Сораба в Ford, подогнали эти данные к реалистичным уравнениям, описывающим, как вязкость меняется в зависимости от температуры и скорости сдвига (рис. 2). Например, мы обнаружили, что вязкость обычного моторного масла снижается при высоких скоростях сдвига. Причина в том, что большие полимерные молекулы, используемые в качестве модификаторов вязкости, выстраиваются в направлении силы сдвига при высоких скоростях сдвига. Такое выравнивание уменьшает эффект «сгущения», который имеют эти полимеры, когда они выровнены случайным образом.
Рисунок 3
Действительно, моделирование неравновесной молекулярной динамики модельных смазочных материалов, проведенное физиками Shell в начале 1990-х годов, ясно показывает, как молекулы выстраиваются в линию, когда к жидкости применяется высокая скорость сдвига (рис.
3). Эффект, однако, временный – вязкость возвращается к прежнему значению при уменьшении скорости сдвига.
Что особенно важно для автомобильных приложений, такие эксперименты также показали, как вязкость смазочного материала зависит от давления. Например, вязкость типичного смазочного материала при 500 МПа может быть в 10 000–100 000 раз выше, чем при атмосферном давлении. Грубо говоря, вязкость увеличивается экспоненциально с увеличением давления. Это экспоненциальное изменение известно как закон Баруса и действует при давлении до нескольких сотен мегапаскалей. Однако при очень высоких давлениях (2-4 ГПа) это простое соотношение приводит к завышению оценки увеличения вязкости. Вместо этого смазка становится похожей на стекло и ведет себя скорее как твердое тело, чем как жидкость, упруго деформируя металлические поверхности по обе стороны от смазки — это режим эластогидродинамической смазки.
Упругие эффекты
Рисунок 4
Для исследования поведения масел и смазок в эластогидродинамической области были разработаны другие оптические и механические методы.
Одним из наиболее распространенных инструментов, используемых для этой цели, является так называемый реометр с шариком на пластине, который впервые широко использовался группой Хью Спайкса в Имперском колледже в Лондоне в 1980-х годах. По сути, инструмент состоит из стального шарика, прижатого к прозрачному вращающемуся диску из стекла или сапфира. Когда диск вращается, толщина масляной пленки между двумя компонентами измеряется путем пропускания света через прозрачный диск и наблюдения за результирующими интерференционными полосами (рис. 4, вверху).
Когда шар слегка прижимается к диску, поверхность остается неизменной и наблюдается серия концентрических окружностей. Однако если шар сильно прижать к диску, то пластина упруго деформируется, о чем свидетельствует характерная подковообразная интерференционная картина (рис. 4, внизу). Такая форма свидетельствует о том, что толщина масляной пленки в центральной точке контакта примерно постоянна, а увеличение количества полос за пределами центральной области свидетельствует о том, что по краям пленка утолщается.
В этой эластогидродинамической области плоская центральная область ведет себя аналогично шарику пластилина, прижатому к плоской поверхности, с той разницей, что поверхности возвращаются к своей первоначальной форме при снятии давления.
Упругогидродинамическая смазка происходит в зубчатых передачах, клапанных механизмах и в «подшипниках качения», находящихся в ступицах колес, которые должны справляться с большими радиальными и осевыми нагрузками при минимальном трении. Таким образом, реометр с шариком на пластине идеально подходит для оценки характеристик смазочных материалов в реальных условиях, характерных для многих компонентов машин.
Другие методы измерения вязкости смазочных материалов под высоким давлением включают эксперименты с «падающим мячом», впервые предложенные Бо Якобсоном, в настоящее время работающим в Лундском университете в Швеции, и его коллегами в 1985. В этих опытах стальной шарик роняют либо вертикально, либо, чаще, под углом, на пластину, смазанную каплей масла или жира.
Таким образом, в смазочной пленке можно создать давление до 7,5 ГПа. А коэффициент трения можно определить либо по движению мяча после контакта, либо по датчикам силы на поверхности. Различные смазочные материалы имеют разные коэффициенты трения из-за того, что вязкость зависит от температуры, скорости сдвига и давления.
Наконец, стоит упомянуть, что многие смазочные материалы также проявляют некоторые эластичные эффекты – другими словами, их поведение нельзя полностью объяснить, просто предполагая, что они являются чисто вязкими жидкостями. Смазка, например, является вязкоупругой: при определенных условиях она ведет себя как вязкая жидкость — например, когда она свободно течет по трубе под приложенным давлением; в других случаях он ведет себя как твердое тело, например, до течения. Большинство других коммерчески доступных смазочных материалов также проявляют вязкоупругие свойства, хотя и в меньшей степени.
Реометры также можно использовать для измерения вязкоупругих свойств, а также вязкости.
Однако мало что известно о том, как эти характеристики меняются в зависимости от температуры, давления и скорости сдвига, потому что эти измерения трудно провести для коммерческих смазочных материалов со слабой вязкоупругостью. Однако несколько исследователей, в том числе Брайан Уильямсон из Shell и Кен Уолтерс из Уэльского университета в Аберистуите, в настоящее время предполагают, что вязкоупругие смазки образуют более толстые масляные пленки в подшипниках двигателя в экстремальных условиях, чем менее эластичные жидкости.
Моделирование «смазочных молний»
Благодаря возросшей производительности компьютеров, которая стала доступной за последнее десятилетие, теперь стало возможным точно моделировать характеристики смазочных материалов в двигателях, коробках передач и других компонентах. Например, если мы знаем минимальную толщину масляной пленки, мы можем предсказать долговечность компонента и потери мощности из-за трения. Эта возможность может помочь исследователям, разрабатывающим новые смазочные материалы, прогнозировать, как производительность машины связана с вязкостью смазочного материала и как на нее будут влиять температура, скорость сдвига и давление.
Теория упругогидродинамической смазки была впервые разработана Дунканом Доусоном из Университета Лидса и другими в 1950-х годах, когда компьютерное моделирование было невозможно. В эластогидродинамической смазке необходимо моделировать как уравнения жидкости, так и упругую деформацию поверхностей, и теперь эти сложные симуляции могут быть выполнены на современных компьютерах относительно быстро. Между тем, гидродинамическая смазка в подшипниках скольжения и поршневых кольцах может быть проанализирована за считанные секунды. Моделирование смешанной и граничной смазки более сложно, так как требуется детальное понимание шероховатости поверхностей, а также свойств смазки. В целом выходом моделей является минимальная толщина масляной пленки и потери на трение.
Многие группы точно оценили минимальную толщину масляной пленки в упругогидродинамическом контакте. Однако оценка коэффициента трения оказалась гораздо более проблематичной из-за большого изменения вязкости в зависимости от давления, которое не всегда точно известно.
Недавно Лоуренс Скейлз из Shell показал, что стоит приложить усилия, чтобы найти точные соотношения между вязкостью, температурой, давлением и скоростью сдвига, поскольку они позволяют оценить как минимальную толщину масляной пленки, так и коэффициент трения. Однако для этого требуется не менее восьми параметров, характеризующих смазку.
Рисунок 5
Но, комбинируя модели подшипников скольжения, узла поршня и клапанного механизма, исследователи обнаружили, что они могут моделировать условия смазки в полном двигателе внутреннего сгорания. Поскольку подшипники и поршневые кольца смазываются преимущественно в гидродинамическом режиме, смазка с меньшей вязкостью должна приводить к более тонкой масляной пленке и, следовательно, к меньшему трению. Однако клапанный механизм работает в режиме смешанной граничной смазки, что означает, что более низкое трение может быть достигнуто только при использовании более густых смазочных материалов. Модели трения двигателя позволяют нам изучить компромисс между вязкостью и трением и, следовательно, выбрать оптимальную смазку для повышения топливной экономичности автомобиля (рис.
5).
Проблемы будущего
При разработке смазочных материалов будущего предстоит решить множество задач. Автомобили становятся мощнее, водители хотят реже менять моторное масло, а производители хотят еще больше снизить потери на трение. Чтобы разработать смазочные материалы, отвечающие этим требованиям, физики и инженеры должны более детально изучить характеристики смазочного материала.
Во-первых, нам необходимо полностью понять роль, которую эластичные свойства смазочных материалов играют в экстремальных условиях. Для этого нам потребуется измерить вязкоупругие свойства смазочных материалов при различных температурах, давлениях и скоростях сдвига и разработать подходящую модель. Наши текущие модели основаны на уравнении Рейнольдса, которое предполагает, что толщина масляной пленки составляет порядка нескольких микрон, а диаметр компонентов — несколько миллиметров. Более серьезный недостаток уравнения Рейнольдса заключается в том, что оно предполагает, что упругие эффекты не важны.
Вторая важная задача — включить химию в физические модели. В конце концов, смазочные материалы изменяются химически во время своего пребывания в двигателе. Проще говоря, свежая смазка подобна чистому углеводороду. Однако со временем он окисляется и химически разлагается с образованием спиртов, кетонов, альдегидов, кислот и сложных эфиров. Эти химические изменения могут привести к увеличению вязкости. Автор настоящей статьи в настоящее время разрабатывает химическую модель, которая также моделирует реакции в двигателе, в сотрудничестве с Мартином Пристом из Университета Лидса и Джоном Линдси-Смитом из Йоркского университета, оба в Великобритании. Цель состоит в том, чтобы определить химический состав смазки в поддоне в любой момент и, в принципе, увеличение вязкости, которое затем будет учитываться в рассмотренных ранее физических моделях. Однако остается проблема понимания физики и химии в области граничной смазки.
Охрана окружающей среды
Физики играют все более важную роль в решении экологических проблем загрязнения и глобального потепления, а также в понимании природных климатических явлений, таких как Эль-Ниньо.
Все более изощренные эксперименты показывают, что смазочные материалы являются богатым источником физики, и физики быстро используют эти открытия для разработки экологически безопасных смазочных материалов, которые помогут уменьшить наше воздействие на планету. Прогресс, достигнутый сегодня в исследованиях смазочных материалов, несомненно, сыграет свою роль в защите окружающей среды для многих поколений.
Пять применений автомобильной смазки |
Термин «автомобильные смазочные материалы» является широким термином, который может использоваться для обозначения широкого спектра автомобильных продуктов. Автомобильные смазочные материалы имеют решающее значение для защиты и продления срока службы самых дорогих деталей вашего автомобиля или грузовика, но использование неправильной смазки для неправильных целей может быть как разрушительным, так и дорогостоящим.
Знакомы ли вы с различными видами автомобильных смазочных материалов и их различным применением? Если нет — или если вам просто нужно освежить знания, мы разбили все это для вас!
Прежде всего, мы обсудим наиболее распространенную автомобильную смазку.
Сможете угадать, что это? Вот так . . .
Моторное масло
Иногда называемое моторным маслом, моторное масло заменяется путем регулярной замены масла. Состав моторного масла специально разработан, чтобы помочь уменьшить пенообразование и предотвратить поломку и коррозию двигателя с течением времени. Таким образом, это важный компонент планового технического обслуживания автомобиля.
Автомобильная смазка
Так же, как существует множество различных типов смазочных материалов, автомобильная смазка также может использоваться по-разному. Наиболее распространенной является смазка для колесных подшипников, которая выпускается как в стандартном, так и в высокотемпературном форматах. Смазка для колесных подшипников в рулевом управлении и подвеске предотвращает износ. Когда требуется смазка, часто можно услышать слышимый писк, и его часто применяют, прикрепляя смазочный шприц к пресс-масленкам. В дополнение к консистентной смазке для колесных подшипников существуют водостойкие смазки для металлических соединений и электронные смазки, которые не проводят электричество для электрических соединений.
Трансмиссионное масло
Трансмиссионное масло используется в случаях, когда требуется смазка при экстремально высоких температурах, например, в дифференциале автомобиля или механической коробке передач. Вязкость трансмиссионного масла выше — около 75. Это означает, что индустриальное трансмиссионное масло более густое по консистенции и, следовательно, лучше подходит для высокотемпературной среды.
Трансмиссионное масло
Трансмиссионное масло — это смазка яркого цвета, которая помогает поддерживать бесперебойную работу трансмиссии. Он делает это, выполняя множество функций, включая смазку, охлаждение, защиту и кондиционирование трансмиссии и ее многочисленных движущихся частей. Яркая окраска трансмиссионной жидкости позволяет легко обнаруживать утечки, чтобы обеспечить бесперебойную работу трансмиссии.
Смазочные материалы для электромобилей
В последние годы популярность электромобилей резко возросла, что вызвало потребность в совершенно новом типе автомобильной смазки, разработанной специально для этих уникальных транспортных средств.