Bilim.techО проекте

Подшипник скольжения и масляный клин

Как коленчатый вал держится на пленке масла тоньше волоса? Нагружай шейку, меняй обороты, температуру масла и зазор и смотри, как вал опускается к вкладышу и где в клине рождается давление.

01 Что это такое

Подшипник скольжения держит вал на тонкой пленке масла. Вал сам затягивает масло в сужающийся зазор, и там рождается давление, которое его поднимает.

Вал всегда немного тоньше вкладыша, между ними зазор в сотые доли миллиметра. Под нагрузкой вал смещается вбок и вниз, и зазор становится похож на клин: широкий с одной стороны, узкий с другой. Вращаясь, вал тащит масло в узкую часть, как водные лыжи загоняют воду под себя. Масло не успевает убежать, его давление растет в сотни раз выше, чем в масляной магистрали, и вал всплывает. Чем быстрее вал и гуще масло, тем выше он всплывает. Чем больше нагрузка, тем ближе он к вкладышу. Так работают вкладыши коленвала, шатунов и турбокомпрессора.

Вал стоитмасло выдавлено, металл на металлеВал крутитсяклин затянул масло и поднял валWдавлениев клинеhmin
Зазор нарисован в десятки раз больше настоящего. Вал крутится против часовой стрелки и смещается не прямо вниз, а вбок: самое узкое место за точкой нагрузки по ходу вращения.
c
Радиальный зазор. Разница радиусов вкладыша и шейки. У коренных вкладышей большого дизеля 0,05–0,08 мм, предельный при износе примерно вдвое больше.
ε
Относительный эксцентриситет. На какую долю зазора сместился центр вала. 0: вал в центре, 1: вал лежит на вкладыше.
S
Число Зоммерфельда. Собирает вязкость, обороты, давление и зазор в одно число. По нему находят ε и толщину пленки.
02 Опыт
Нагружай шейку. Меняй обороты. Изнашивай вкладыш. КОРЕННОЙ ВКЛАДЫШ
ТРИБОЛОГИЯ

Насколько вал всплывает на масле?

Рис. 9.3
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ
Эксцентриситет ε
Минимальная пленка
Пик давления в клине
03 Формулы по буквам

Число Зоммерфельда, толщина пленки и давление в магистрали

Конструктор считает S, по графику находит ε и проверяет, что пленка толще неровностей и частиц в масле. Числа берутся из опыта.

Как высоко всплывет вал?

S = (η · n / p) · (r / c)²

Это число Герси из кривой Штрибека, умноженное на квадрат отношения радиуса к зазору. Большое S: вал почти в центре. Малое S: вал прижат к вкладышу.

η
динамическая вязкость масла при рабочей температуре, Па·с
n
частота вращения, об/с
p
среднее давление на вкладыш W / (L · D), Па
r / c
радиус шейки, деленный на радиальный зазор, около 1000

Какой толщины пленка в самом узком месте?

hmin = c · (1 − ε)

Вал сместился на долю ε зазора, значит, с узкой стороны осталось c · (1 − ε). Ее сравнивают с неровностями и с частицами в масле: если частица крупнее пленки, она режет вкладыш.

hmin
минимальная толщина пленки, мкм
c
радиальный зазор, мкм
ε
относительный эксцентриситет, от 0 до 1, без единиц

Почему изношенный вкладыш роняет давление?

Qутечки ∼ c³

Масло вытекает через торцы вкладышей, и расход через щель растет как куб ее высоты. Насос подает столько же, а дыр стало больше: давление в магистрали падает. В опыте это упрощенное правило с живыми числами.

Q
расход масла через торцы вкладыша, л/мин
pм
давление в масляной магистрали, бар
c / c0
во сколько раз зазор больше номинального 60 мкм

Откуда в клине давление

Слой масла, прилипший к валу, едет вместе с ним, а слой у вкладыша стоит. Через каждое сечение зазора вал протаскивает примерно половину своей скорости, умноженную на толщину зазора. Но зазор сужается: в узкое место столько масла не пролезет. Лишнему маслу некуда деться, и его давление растет, пока оно не начнет выдавливаться назад и в стороны. Это уравнение Рейнольдса.

Давление поднимается в сужающейся части и падает перед самым узким местом. В расширяющейся части масло не выдерживает разрежения, и давление там почти ноль. Равнодействующая всего давления и держит нагрузку W. Если нагрузка растет, клин должен стать круче: вал опускается, ε растет, hmin тает.

Как это зависит от выбора масла и его старения, показано в химии: «Смазочные материалы: вязкость и присадки». Как масло доходит до вкладышей, смотри в теме «Охлаждение и смазка».

вал едет, тянет маслодавление в клинешироко → узко
Профиль скорости в каждом сечении треугольный. В узком месте он не пропустит все масло, поэтому давление поднимается.
04 Где и зачем это применяют

Вкладыши живут, пока есть давление масла

Допущения модели+

Эксцентриситет и давление посчитаны по теории короткого подшипника (Окверк) для L/D = 0,4 с граничным условием Гюмбеля: давление в расширяющейся части принято нулевым. Нагрузка постоянная, хотя в настоящем двигателе она меняется за каждый оборот, а вал описывает сложную орбиту. Вязкость 15W-40 пересчитана по Вальтеру и одинакова во всем зазоре, нагрев масла в клине не учтен. Влияние давления в магистрали задано простым правилом: клин наполняется на долю (1 − exp(−pм / 1 бар))², а падение давления с ростом зазора как pм = pн / (1 + ((c/c0)³ − 1) · 0,5). Граница 2 мкм для минимальной пленки условная. Зазор на рисунке увеличен в десятки раз.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →