Исследовательская работа "Выбор сплава для ДВС"

Государственное образовательное автономное  учреждение

начального профессионального образования Амурской области

«Профессиональный коммунально-строительный лицей»

город Белогорск

ОБЛАСТНОЙ  КОНКУРС НАУЧНО – ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ

«НАУКА. ТЕХНИКА. ЖИЗНЬ»

 Тема: «ВЫБОР СПЛАВА

ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРШНЯ ДВС»

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ  РАБОТА

по предмету «Материаловедение»

профессия «Автомеханик»

Работу выполнили:

Пыхтин Артём, Козлов Сергей

учащиеся 1 курса, группы 51

Научные руководители:

Левберг Александра Петровна-

мастер производственного обучения

Симоненко Людмила Николаевна-

преподаватель химии

г. Белогорск

2013г.

Содержание

Стр.

I. Введение ………………………………………………………………………………………………...3

Проблемы научного исследования        5

Актуальность исследования                                                        5

Цели исследования                                                                                5

Задачи исследования                                                                        5

Выбор объекта и предмета исследования        6

Гипотеза исследования                                                        6

Методы исследования                                                                        6

II. Исследовательская …………………………………………………………………………………...7

1. Анализ условий работы материала и комплекс технических требований к нему7
2. Поиск и обоснованный выбор материала на основе заданных параметров          8        Алюминий        9

Алюминиевые сплавы                                                                                                            9

3. Выбор методов и оборудования для определения структуры и свойств материалов       17

III. Вывод ……………………………………………………………………………………………      23

IV. Список использованной литературы …………………………………………………………..24

V. Приложения…………………………………………………………………………(прилагаются)

1. ВВЕДЕНИЕ

Время диктует бурное развитие  автомобильного транспорта для народного потребления. Появление в настоящее время  большого количества  автомобилей, которые отличаются не только современным дизайном, но и мощностью,  привело к необходимости   в   разработке и получению новых   конструкционных материалов, в том числе и для изготовления узлов и механизмов ДВС. Двигатель – это «сердце» автомобиля, в котором поршень(рис.1,2) – наиболее ответственная и специфичная деталь. Она занимает центральное место в процессе преобразования химической энергии топлива в тепловую, а затем в механическую.  Поршень должен быть прочным, способным выдерживать значительные механические нагрузки, тепловые удары, обладать высокой износостойкостью, низким трением приминимально возможном зазоре в цилиндре.  

рис.1

                          рис.2                                                              

Разработка и изготовление современных поршней – задача особая. Свойства, которыми должен обладать поршень, трудно совместимы и технически тяжело реализуемы.

Какие же  требования предъявляются к этой детали?

Во-первых, поршень, перемещаясь в цилиндре, позволяет расширяться сжатым газам, продукту горения топлива, и совершать механическую работу. Следовательно, он должен сопротивляться высокой температуре, давлению газов и надежно уплотнять канал цилиндра.

Во-вторых, представляя собой вместе с цилиндром и поршневыми кольцами линейный подшипник скольжения, он должен наилучшим образом отвечать требованиям пары трения с целью минимизировать механические потери и, как следствие, износ.

В-третьих, испытывая нагрузки со стороны камеры сгорания и реакцию от шатуна, он должен выдерживать механическое воздействие.

В-четвертых, совершая возвратно-поступательное движение с высокой скоростью, должен как можно меньше нагружать кривошипно-шатунный механизм инерционными силами.

Таким образом, все проблемы этой важной детали двигателя можно разделить на две большие группы.

Первая – это тепловые процессы.

• температура в камере сгорания может достигать более 2000 0С,  соответственно  температура поршня без риска потери прочности материала, не должна превышать 350 0С;
• при выборе материала для поршня необходимо учитывать тепловое расширение материала и исключить возможность заклинивания поршня в цилиндре, ведь зазор между поршнем и поверхностью  цилиндра должен обеспечивать эффективную смазку и минимальное трение;

Тепловые нагрузки не должны его деформировать. Его вес должен быть  мал.

Вторая, значительно более многообразная – механическиесвойства поршня:

• давление в камере сгорания может достигать 80 атмосфер, при  таком давлении поршень испытывает нагрузку на днище свыше 4-х тонн.  Соответственно, толщина стенок  и днища поршня должна выдерживать значительные нагрузки. Увеличение массы изделия может привести  к увеличению динамических нагрузок на элементы двигателя, что в свою очередь, ведёт к росту массы двигателя;
• материал для изготовления  и его изготовление должен быть дешёвым и отвечать условиям  массового производства.

Итак, идеальный поршень в таких жестоких условиях должен быть легким и  абсолютно жестким,  никак не менять свою форму при нагреве.  Износ от контакта с сопряженными деталями должен отсутствовать.Раньше ресурс двигателя до проведения капитального ремонта составлялоколо 100000 км пробега, то сегодня он возрос до250000 км. Причем конструкторы двигателейставят перед собой новые  задачи по увеличению ресурса до 300000 км и выше, используя новые материалы для изготовления поршня.

Совершенно понятно, что нет в природе материалов, отвечающих всем этим требованиям.

Поскольку к поршням, как к изделию, предъявляются очень высокие требования, поэтому и

материалы (сплавы) должны:

• иметь малый удельный вес, но при этом быть достаточно прочными;
• иметь низкий коэффициент температурного расширения;
• не изменять своих  механических свойств (прочности) при изменении температур;
• иметь высокую теплопроводность и теплоёмкость;
• иметь низкий коэффициент трения в паре с материалом, из которого изготовлены стенки цилиндров;
• обладать высокой  коррозийной стойкостью;
• иметь высокую сопротивляемость износу;
• не изменять своих физических свойств под воздействие нагрузок;
• быть недорогими, общедоступными и легко поддаваться  всем видам обработки, например, литью в процессе производства.

Проблема   исследования:

Обосновать выбор сплавов, на основе которых изготавливается поршень двигателя внутреннего сгорания.

Актуальность  исследования:в связи свозросшими требованиями  к   техническим характеристикам автомобилей, к  мощности ДВС,  появилась необходимость выбора такого материала,  который должен сочетать в себе  лучшие свойства: лёгкость, прочность,  долговечность для обеспечения надежной работы двигателя.

Объектом исследования: поршень двигателя внутреннего сгорания. 

Предмет исследования: сплавыдля изготовления поршня ДВС, отвечающие современным   технологическим требованиям производства.

Цель работы:исследование  свойствалюминиевыхсплавовв сравнении с алюминиемдля выбора сплавас улучшенными свойствами, используемого в производстве поршняДВС.

Цель достигается решением следующих задач:

•  проведение самостоятельных и коллективных  исследований  сплавов, из которых изготавливаются поршни;
• использование  теоретических знаний, получаемых при изучении учебных дисциплин и междисциплинарных курсов: «Материаловедение», «Химия»,  «Техническое обслуживание и ремонт автомобилей» при практическом исследовании сплавов;
• исследование свойств алюминиевыхсплавов, применяемых   в производстве  поршней  для автомобилей;
• научное обоснование качества  сплавов, применяемых в настоящее время  для производства поршней;
• воспитание требовательности к себе, аккуратности и точности в выполнении задания, научной объективности исследований.

Гипотеза исследования: если учесть требования, предъявляемые  к техническим характеристикам, которым должен соответствовать поршень и правильно выбрать материал для изготовления этой  детали, то возможно  возрастут эксплуатационные свойства ДВС,  которые приведут к  долговечности и надежности двигателя.

Методы решения задач: научно– поисковый  и исследовательский методы, через изучение литературы по данной теме и выполнение экспериментальной части.

2. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

1. Анализ условий работы материала и комплекс технических требований к нему

Без преувеличения, поршень — главная деталь автомобильного двигателя, во многом определяющая его облик. Поршень эволюционировал вместе с развитием двигателей и достиг высокой степени совершенства. Конструктивные особенности поршня должны строго соответствовать характеристикам мотора. Поршень — это элемент, который воспринимает энергию, выделяющуюся при сгорании заряда топливовоздушной смеси, он  должен обладать высокой износостойкостью рабочих поверхностей и низким трением при минимально возможном зазоре в цилиндре.

Требования к конструкции поршня определяются его функциональным назначением, той ролью, которую он играет в слаженно функционирующем техногенном организме, называемом поршневым ДВС.

Механические нагрузки на поршень.

Во время работы двигателя на поршень оказываются значительные механические нагрузки, постоянно меняющиеся как по направлению, так и по величине. Даже во время спокойного, равномерного движения автомобиля по дороге коленчатый вал двигателя вращается со скоростью приблизительно 3000 об/ мин. Двигатели многих спортивных автомобилей имеют максимальную скорость вращения коленчатого вала от  12000 об/мин до 19000 об/мин.

Можно представить, какие большие инерционные нагрузки действуют на поршень. Максимальное давление в камере сгорания высокофорсированного двигателя достигает 80 – 100 атмосфер, давление в камере сгорания обычного автомобиля 55 – 60 атмосфер. И если принять, что диаметр поршня среднего автомобиля равен 92 мм, в момент максимального давления поршень испытывает усилие от 5,3 до 6,6 тонн, то  можно сказать, что поршень автомобиля, как и другие детали кривошипно-шатунного механизма, испытывает огромные механические нагрузки.

Температурные нагрузки на поршень

Откуда появляется тепло, оказывающее воздействие на поршень? Первый, но не основной, источник этот трение. Во время работы двигателя поршень перемещается с большой скоростью, при этом он постоянно трётся о стенки цилиндров.

Но в основном тепло, воздействующее на поршень, появляется при сгорании топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя. Температура сгоревших в цилиндре газов:O2,  галогенов, O3, H2, N2, - может достигать 2000º - 2500ºС. Под воздействием этихгазов и высоких температур разрушаются все конструкционные материалы, из которых изготавливаются детали современных двигателей внутреннего сгорания. Поэтому необходимо отводить тепло от наиболее нагруженных в тепловом режиме деталей двигателя и, разумеется, от поршней.

Самая горячая часть поршня это его днище, поскольку оно непосредственно соприкасается с горячими рабочими газами. Далее тепло распространяется от днища поршня в направлении юбки.

Ясно, что подвести охлаждающую жидкость, циркулирующую в системе охлаждения к поршню невозможно, поскольку поршень во время работы двигателя перемещается с большой скоростью.Поэтому необходимо сконструировать поршень и поршневые кольца так, чтобы он излишнее тепло через поршневые кольца и юбку передавал стенкам цилиндра двигателя. Если этого не сделать, то температура поршня будет высокой, и соответственно начнётся разрушение поршня под действием механических нагрузок и оплавление под действием высокой температуры, т.е. без необходимого отвода тепла, поршень, сделанный из алюминиевого сплава,  расплавится через несколько минут работы двигателя.

Из общего количества тепла, отводимого от поршня, приблизительно 50% - 60% отводится поршневыми кольцами,некоторая часть тепла отводится через поршневой палец  и передаётся на шатун и тоже рассеивается во внутреннем пространстве картера двигателя.Вообще поршень любого двигателя частично охлаждается топливовоздушной смесью. Причем чем богаче смесь, там больше она может забрать энергии от поршня.

Другим способом терморегулирования поршня, является вплавление в алюминиевое тело (поршень) стальных термостабилизирующих пластин. Термостабилизирующие пластины, при полном прогреве поршня, позволяют снизить радиальное расширение поршня приблизительно в два раза по сравнению с поршнем, полностью изготовленным из алюминиевого сплава.

Масса поршня — параметр, который отражает степень совершенства его конструкции. Для среднестатистического двигателя современного легкового автомобиля он составляет 300—350 г. Допустим, что массу поршня пришлось увеличить граммов  на 50,  тем самым увеличится  масса всех деталей ДВС. Увеличение массы поршня однозначно отражается на массе каждой из этих деталей, тем более что они работают в циклическом режиме, провоцирующем усталостные явления,  возникающие тысячекратные перегрузки превращают каждый лишний грамм в несколько килограммов избыточной нагрузки. В результате исходные граммы «на выходе» превращаются  в повышение расхода топлива за счет больших потерь на трение и массы мотора, увеличение вредных выбросов в атмосферу и прочие неучтенные последствия, а это для современных автомобилей  не актуально.Это убедительно доказывает, что поршень — действительно наиболее важная деталь двигателя, он  должен быть  достаточно  лёгким, что во многом определяет его конструкцию, производственные затраты, экономичность и экологичность.

Каков же он должен быть,  материал для поршня? Какой   материал  обладает таким  рядом  ценных  свойств, которые  бы удовлетворяли  требованиям данной детали?

 2. Поиск и обоснованный выбор материала на основе заданных параметров.

        Из анализа условий работы детали и комплекса требований к нему, а также его экономических показателей известно, что для изготовления поршней в настоящее время в основном используют алюминиевые сплавы, реже серый чугун, а также композиционные материалы, и в отдельных случаях стали.

  Рассмотрим в качестве возможного материала:алюминий и сплавы на основе алюминия.

Достоинства алюминиевых поршней велико:

• малая масса (как минимум на 30 % меньше по сравнению с чугунными);

• высокая теплопроводность (в 3-4 раза выше теплопроводности чугуна), обеспечивающаянагрев днища поршня не более 250 °C, что способствует лучшему наполнению цилиндров и позволяет повысить степень сжатия в бензиновых двигателях;

• имеет хорошие антифрикционные свойства.

Алюминиевые сплавы имеют малую плотность, что позволяет снизить массу поршня и, следовательно, уменьшить инерционные  нагрузки на элементы цилиндропоршневой группы и КШМ, что отвечает нашим условиям.  При этом упрощается также проблема уменьшения термического сопротивления элементов поршня, что в сочетании с хорошей теплопроводностью, свойственной данным материалам, позволяет уменьшать теплонапряженность деталей поршневой группы. К положительным качествам алюминиевых сплавов следует отнести малые значения коэффициента трения в паре с чугунными или стальными гильзами.

Однако поршням из алюминиевых сплавов присущ ряд серьезных недостатков, основными из которых являются невысокая усталостная прочность, уменьшающаяся при повышении температуры, высокий коэффициент линейного расширения, меньшая, чем у чугунных поршней,  низкая износостойкость и  сравнительно большая стоимость.

Алюминий(Приложение 1)

Среди металлов алюминий по распространенности в природе занимает первое место, по практическому использованию – второе (после железа).

Алюминий отличается от других металлов малой плотностью, высокими пластическими и коррозионностойкими свойствами за счет тонкого слоя оксидной пленки (t0плавл.= 20000С), высокими тепло- и электропроводимостью, а также отражательной способностью.

Благодаря таким свойствам алюминий находит применение почти во всех отраслях промышленности – авиационной, машиностроительной,  строительной, химической и других.

Основной недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность, и высокая пластичность, поэтому его обычно сплавляют с небольшим количеством меди, магния, кремния, лития, натрия, такие сплавы  называются дурлюминами, магналиями, силуминами.

Алюминиевые сплавы(Приложение 2)

Прочность алюминия  (как было выше сказано) незначительна, пластичность высокая,  поэтому для изготовления любых изделий, предназначенных к восприятию внешних сил, применяют не чистый алюминий, а его сплавы, которых в настоящее время разработано достаточно много марок.

Алюминиевые сплавы обладают малой плотностью (2,5 - 3,0 г/см 3 ) в сравнении с железоуглеродистыми сплавами – чугуном и сталью,  сочетают в себе  достаточно хорошие механические свойства и удовлетворительную устойчивость к окислению. По своим прочностным характеристикам и по износостойкости они уступают сталям, некоторые из них также не обладают хорошей свариваемостью, но многие из них обладают характеристиками, превосходящими чистый алюминий. К ним относятся дуралюмины, силумины и другие сплавы на основе алюминия.

Процесс изготовления поршня (Приложение 3)

 Поршни для автомобилей изготавливаются двумя способами: литьём и ковкой.

Исходя из вышеизложенного, в своих исследованиях   мы  используем   алюминий, дюралюминий, силумини определим,  какой из этих материалов  наиболее соответствуют заданным свойствам для изготовления поршня.

3. Выбор методов и оборудования для определения структуры и свойств материалов

В исследовательской работе мы провели эксперименты по изучению свойств чистого алюминия и сплавов на его основе: дюралюмина и силумина.

В ходе опытов были исследованы такие свойства как твёрдость, прочность, коррозийная стойкость, тепловое расширение данных материалов. С целью определения их структуры мы провели испытания на ударную вязкость (механическое испытание), тепловое расширение и коррозийную стойкость.

Образцы, с которыми проводили исследование (фото на рис. 8,9,10)(Приложение 4)

Вывод: сплав алюминиевый силумин АК4-1 практически не подвергся коррозийным разрушениям в бензине и моторном масле, так как этот сплав, изготовленный с добавлением кремния, обладает хорошей коррозийной стойкостью по отношению к низким агрессивным средам, что отвечает требованиям, предъявляемым к  выбору материала для изготовления поршня.

Таким образом,  выбор материалов для изготовления деталей ДВС, осуществляется только при  их тщательном исследовании, для  достижения заданных эксплуатационных характеристик материалов  при строгом выполнении всех режимов в процессах изготовления и упрочняющей термической обработки изделия. 

4. Оценка показателей выбранного металла:

Окончательный выбор материала для поршня осуществлен с учетом основных требований, предъявляемых к поршню, его технологичности изготовления детали.
Рассмотрев ряд материалов для изготовления поршня, мы видим, что алюминий и  алюминиевый сплав Д1,  следует исключить и списка, так как им  присущ ряд серьезных недостатков, основными из которых являются невысокая усталостная прочность, уменьшающаяся при повышении температуры, высокий коэффициент линейного расширения, незначительная износостойкость, сравнительно большая стоимость. А также работа поршней из алюминия и  алюминиевого сплава Д1,  невозможна,при заданнойтемпературе 6000Сивыше.
Следовательно среди трёх предлагаемых материалов:  технического алюминия,  алюминиевых сплавов Д1 , АК4-1, заданному условию и требованиям  соответствует только  алюминиевый сплав АК4-1.

5. Заключение:

Выбор сплава осуществлялся исходя из условия задания подбора трёх возможных материалов (алюминий, Д1, АК4 -1), подходящим по технологическим, техническим, эксплуатационным и, в особенности, экономическим требованиям. С учетом всех этих требований для поршня двигателя внутреннего сгорания, работающего при температурах до  6000С, из представленных образцов, был выбран алюминиевый сплав АК4 -1.

Список литературы:

1. АрзамасовБ.Н. Материаловедение: учебник для вузов /Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина.-М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана,2005.-648с.
2. КикоинИ.К. Справочник - таблицы физических величин /И.К.Кикоин7а.-М.: Атомиздат, 1976.– С. 1005.
3. КолонаковА.А. Повышение качества современных поршневых сплавов/ А.А.Колонаков,  А. В. Кухаренко, В. Б. Деев, И. Ф. Селянин// ОАО «РУСАЛ Новокузнецк»,Сибирский государственный индустриальный университет,г.Новокузнецк, 2008.-586с.
4. Лахтин Ю.М. Материаловедение: учебник / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.: Машиностроение, 1980. – 494с.
5. Макиенко Н.И.Слесарное дело с основами материаловедения: учебник /Н.И.Макиенко.-М.:Изд-во Высшая школа, 1976.-458с.
6. Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat, 5августа 2009г.//  http://www.dissercat.com/content/nauchno-tekhnologicheskie-osnovy-razrabotki-zaevtekticheskikh-siluminov-s-reguliruemym-tempe#ixzz2K6viQlLK
7. Попова М.В. Научно-технологические основы разработки заэвтектических силуминов с регулируемым температурным коэффициентом линейного расширения / М.В.Попова //Автомир.- 2004г. №1.– С. 15-21.
8. Полосков В.П. Устройство и эксплуатация автомобилей: учебник / В.П. Полосков.-М.: Изд-во ДОСААФ, 1979.-350с.
9. Полухин П.И. Технология металлов и сварка /П.И.Полухин.-М.: Изд-во Высшая школа, 1977.-456с.
10. Смагоринский М.Е. Спеченные материалы из алюминиевых порошков/  М.Е.Смагоринский, А.Д.Беллавин, В.Г.Гопиенко, А.А. Григорьев.-М.: Металлургия, 1993.-320 с.
11. Чумаченко Ю.Т. Автослесарь: учебное пособие/Ю.Т.Чумаченко, А.И.Герасименко,Б.Б.Рассанов.//Ростов-на-Дону, Феникс, 2005.-535с.
12. Хрулёв А. Поршень в общем и в частности. /А.Хрулёв // Автомир. - 2010. №2.– С. 60-68.
13. Чумаченко Ю.Т. Автомобильный практикум: учебное пособие/Ю.Т.Чумаченко, А.И.Герасименко,Б.Б.Рассанов//Ростов-на-Дону, Феникс, 2003. – 505с.