SIMULASI KEKUATAN KERUGIAN GESEK PADA BEARING JURNAL OTOMOTIF
H. Allmaiera, D.E. Sandera, F.M. Reich,a,
Abstrak
Bantalan jurnal digunakan dalam sejumlah besar posisi
penting dalam mesin pembakaran internal otomotif (ICE) dan memberikan
kontribusi besar terhadap total kerugian daya gesekan di mesin ini. Karena
upaya di seluruh dunia untuk mengurangi emisi CO2, produsen otomotif
menyelidiki potensi pengurangan gesekan yang tersisa juga di bantalan jurnal,
yang mengarah ke kondisi operasi yang parah karena pelumas viskositas yang
lebih rendah. Pada saat yang sama ICEs modern memanfaatkan tekanan pembakaran
yang lebih tinggi untuk meningkatkan efisiensi termodinamik, yang memberikan
tekanan lebih lanjut pada bantalan jurnal. Alasan ini memotivasi selain
simulasi yang akurat dan dapat diandalkan dari kondisi operasi dan kerugian
daya gesekan dalam bantalan jurnal. Dalam pekerjaan ini, pelumasan bantalan
jurnal diselidiki secara rinci mulai dari simulasi thermo-elastohydrodynamic
(TEHD) ekstensif, yang menghasilkan penting wawasan ke dalam perilaku
termodinamika bantalan jurnal. Dari hasil ini model simulasi isotermal
elastohydrodynamic (EHD) yang kuat menggunakan pendekatan sederhana untuk
menghitung suhu setara yang diturunkan. Kemampuan metode simulasi yang
disajikan dibandingkan dengan pengukuran eksperimental ekstensif yang dilakukan
pada rig uji bantalan jurnal, yang menunjukkan kesepakatan yang sangat baik.
1. Sumber gesekan di mesin otomotif
Sebelum langkah-langkah yang efisien untuk mengurangi gesekan dalam mesin dapat terjadi, sumber gesekan utama perlu diketahui. Di Pusat Kompetensi Kendaraan Virtual, kami menggunakan alat uji gesekan kami seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1 (a) untuk menyelidiki sumber-sumber gesekan untuk mesin bensin empat silinder yang khas; hasil teladan untuk mesin ini ditunjukkan pada Gambar. 1 (b). Grafik ini menegaskan sumber utama gesekan yang umum dianggap: kontak piston-liner adalah penyebab sekitar 60% dari total kerugian mekanik, sedangkan bantalan jurnal di kereta engkol (bantalan utama dan besar) berkontribusi bersama sekitar 25%. Akhirnya, kereta katup merupakan sumber utama ketiga gesekan dan biasanya menyebabkan kerugian yang kira-kira sama dengan sekitar separuh kerugian daya dalam bantalan jurnal, atau, lebih tepatnya, 15% dari total kerugian daya ditunjukkan pada Gambar. 1 (b) ). Hasil ini berbeda secara signifikan dari hasil untuk mesin penelitian silinder tunggal khusus [6], yang menunjukkan pentingnya mengukur mesin yang sebenarnya untuk diselidiki.
2. Kondisi operasi tribological dalam bantalan jurnal
2.1. Pelumasnya
Pelumas modern seperti yang digunakan dalam ICE menunjukkan perilaku reologi yang kompleks, di mana viskositas dinamis pelumas sangat bergantung pada suhu, tekanan, dan laju geser pada kontak [7]. Untuk dapat mensimulasikan secara akurat kondisi kerja tribological dalam bantalan jurnal, properti pelumas ini perlu diperhitungkan [4-5]. Data pelumas yang digunakan untuk mendapatkan hasil yang disajikan di sini diterbitkan dalam [2-3]. Dalam pekerjaan ini kami fokus pada pelumas monograde yang sekarang menunjukkan ketergantungan laju geser yang kuat dari pelumas multi grade. Oleh karena itu, hanya ketergantungan suhu dan tekanan pelumas yang perlu diperhitungkan [2-3].
2.2. Campuran pelumasan
Untuk dapat menggambarkan pelumasan campuran, model kontak diperlukan yang menggambarkan kontak logam logam yang terjadi. Dalam hal berikut, pendekatan Greenwood dan Tripp digunakan bersama dengan data kekasaran yang diperoleh dari pengukuran kekasaran profilometer bantalan jurnal yang diuji (lihat [3] untuk pembahasan terperinci).
Oli mesin modern termasuk aditif modifikasi gesekan seperti zinc dialkyl dithiophosphate (ZDTP) atau senyawa berbasis Molybdenum untuk menurunkan gesekan dan keausan jika terjadi kontak logam-logam [8]. Untuk model kontak Greenwood dan Tripp [9] kami bekerja, oleh karena itu, dalam berikut koefisien gesekan batas ȝBound = 0,02.
2.3. Simulasi film-minyak dan validasi eksperimental
Persamaan Reynolds adalah persamaan diferensial pusat untuk menggambarkan pelumas dan menghitung properti film pelumas yang memisahkan badan elastis. Dalam bentuk dasarnya, persamaan Reynolds memperlakukan film pelumas sebagai isotermal dan tidak memperhitungkan suhu yang berbeda secara lokal (elastohydrodynamic simulation, EHD). Menggabungkan persamaan Reynolds dengan persamaan energi bersama dengan kondisi batas termal yang sesuai menghasilkan pendekatan thermoelastohydrodynamic (TEHD), yang jauh lebih kompleks karena kondisi batas termal yang terlibat dan, oleh karena itu, juga jauh lebih banyak menuntut. Tentu saja sejumlah besar karya sebelumnya ada dalam literatur untuk metode-metode ini dan pada bantalan-bantalan jurnal pada umumnya. Untuk tetap berada dalam batas halaman, daftar ekstensif tidak direproduksi di sini, tetapi penulis ingin mengarahkan pembaca untuk referensi ini ke karya asli [1-4].
Berikut ini, hanya hasil yang dibahas sebagai metode yang disebutkan bersama dengan data pelumas, kondisi batas termal, parameter model kontak dan kontur permukaan yang dipublikasikan secara rinci dalam [1-4].
Ini adalah tujuan dari pekerjaan ini untuk membandingkan hasil dari simulasi untuk pengukuran eksperimental dari jurnal bantalan uji-rig LP06 (lihat Gambar. 2. (b)), akibatnya, bantalan jurnal dengan diameter 76 mm dan lebar 34 mm adalah dipertimbangkan. Beban dinamis (sinusoidal) dengan beban puncak 180kN diterapkan pada bantalan uji dengan frekuensi tetap 100Hz.
2.4. Wawasan dari TEHD
Dengan kondisi batas panas yang dipilih secara hati-hati atas dasar argumen fisik ([2] dan referensi di dalamnya, khususnya [10]), memang mungkin untuk secara akurat mensimulasikan suhu lokal yang berbeda dalam bantalan jurnal. Gambar 3 menunjukkan hasil teladan dari simulasi dalam perbandingan langsung dengan suhu yang diukur pada jurnal bantalan uji-rig LP06. Perlu dicatat bahwa tidak hanya suhu puncak di daerah beban tinggi bantalan jurnal, tetapi juga suhu pengaliran minyak (yang secara langsung berkaitan dengan kerugian daya gesekan dalam bantalan) dihitung secara akurat. Seperti yang dapat kita lihat dari Gambar 3, gradien suhu yang signifikan hadir mulai dari 82°C dari pelumas yang masuk ke 108°C film minyak di zona beban tinggi. Namun, penting untuk menyebutkan bahwa suhu lokal hanya berubah sangat lambat, yang memungkinkan untuk memperlakukannya sebagai konstan pada seluruh siklus beban. Perilaku termal ini dapat dilihat pada Gambar. 6, di mana suhu puncak dalam bantalan jurnal ditunjukkan selama seluruh siklus beban (seperti ditunjukkan pada Gambar. 3) untuk kondisi operasi yang berbeda. Suhu puncak di area beban tinggi bantalan hanya mengubah beberapa derajat Celcius selama siklus beban. Perilaku termal stabil ini dapat digunakan sebagai berikut untuk mendapatkan model simulasi EHD isotermik yang jauh lebih sederhana yang sangat kuat dan menggambarkan secara akurat kerugian daya gesekan termasuk kontak logam logam untuk berbagai macam kondisi operasi dari pelumasan film penuh hingga campuran lubrikasi lemah.
Dari hasil
TEHD berikut hubungan sederhana untuk suhu yang setara dapat diturunkan [2] untuk memperhitungkan dalam simulasi
EHD gradien suhu dalam bantalan jurnal
Dimana TExp menandakan temperatur cangkang bantalan yang diukur pada area beban tinggi dari bantalan jurnal dan pasokan Toil adalah temperatur dari oli yang dingin. Rumus sederhana ini menghasilkan suhu setara yang digunakan dalam simulasi EHD dari bantalan jurnal yang mudah dihitung dari dua suhu yang diukur dari testrig tersebut. Seperti dapat dilihat dari persamaan, temperatur yang mendominasi adalah suhu di area beban tinggi bantalan jurnal yang dikoreksi untuk mempertimbangkan pelumas dingin dalam alur pasokan minyak dengan viskositasnya yang jauh lebih besar. Penting untuk dicatat bahwa hubungan di atas berlaku untuk bantalan jurnal dengan alur pasokan oli 180 ° saja; ini biasanya digunakan sebagai mis. bantalan utama di ICEs untuk membawa poros engkol.
2.5. EHD-simulasi bantalan jurnal yang setara
Pada langkah berikutnya, film oli disimulasikan menggunakan bentuk isotermal persamaan Reynolds [2] menggunakan model kontak yang sama dan menggunakan Persamaan. (1) untuk menurunkan suhu pelumas yang setara. Dari Gambar. 3. (a) suhu yang diperlukan dapat diperoleh, khususnya TExp of Eq. (1) sesuai dengan 108 ° C dan pasokan Toil ke 83,2 ° C dalam kasus ini, yang menghasilkan TEHD suhu setara 101,8 ° C yang digunakan dalam simulasi-EHD. Berikut ini torsi rata-rata yang diperlukan untuk motor tiga bantalan jurnal (bantalan uji dan dua bantalan pendukung) pada kecepatan jurnal yang diberikan digunakan untuk membandingkan hasil dari simulasi ke data terukur; momen gesekan ini disebut rata-rata atas seluruh siklus beban (seperti ditunjukkan pada Gambar. 3. (a)) karena keterbatasan eksperimental. Gambar 4. (a) dan Gbr.4. (B) menunjukkan perbandingan momen friksi yang dihitung dengan momen gesekan yang diukur pada jurnal bantalan uji-rig LP06 untuk dua kecepatan jurnal yang berbeda dan dua pelumas yang berbeda. Hasilnya menunjukkan dengan jelas bahwa simulasi tidak hanya mampu menghitung kerugian daya gesekan secara akurat dalam bantalan jurnal, tetapi juga bahwa simulasi EHD dengan suhu ekuivalen yang didiskusikan adalah pendekatan yang valid dan sangat akurat untuk simulasi TEHD lengkap setidaknya untuk film penuh dan pelumasan campuran lemah.
Karena SAE 20 memiliki sekitar setengah viskositas SAE40 (lihat [2]), kondisi operasi dalam bantalan jurnal jelas berbeda. Perbedaan viskositas mempengaruhi kapasitas pembawa beban dari bantalan jurnal yang akibatnya dikurangi untuk pelumasan dengan SAE20 dan pelumasan campuran lemah terjadi. Hal ini dapat dilihat pada Gambar. 9 di mana kerugian daya gesekan akibat pelumasan hidrodinamik dan karena kontak logam-logam ditunjukkan secara terpisah untuk bantalan uji. Karena hanya dalam waktu singkat dari siklus beban kontak logam-logam terjadi, siklus beban rata-rata kontribusi kontak logam-logam dengan total kerugian daya gesekan tampak agak rendah dengan 5W meskipun terjadi kontak logam-logam dalam jumlah yang signifikan.
2.6. Kesimpulan
Dengan bantuan data eksperimen, ditunjukkan bahwa model simulasi TEHD dengan kondisi batas termal yang sesuai mampu memprediksi secara akurat suhu lokal dan kerugian daya gesekan rata-rata dalam film minyak dan di bantalan jurnal. Dari hasil itu ditemukan bahwa perilaku termal film minyak sangat stabil dan bahkan suhu puncak dalam bantalan jurnal hanya berubah dengan sangat sedikit derajat Celcius selama siklus beban meskipun beban sangat tinggi dan dinamis. Dari pandangan ini, suatu relasi untuk temperatur ekuivalen yang akan digunakan untuk simulasi EHD bantalan-jejak jurnal isotermal dengan alur pasokan oli 180 ° diperoleh. Dibandingkan dengan data eksperimen, pendekatan ini menunjukkan kesepakatan yang sangat baik dan validitas pendekatan untuk pelumasan film penuh dan untuk pelumasan campuran yang lemah dikonfirmasikan. Untuk kondisi operasi dengan jumlah pelumasan campuran yang meningkat lebih lanjut, namun, diharapkan bahwa pemanasan lokal karena kontak logam-logam akan menjadi signifikan dan dapat membuat simulasi TEHD penuh yang diperlukan. Untuk kondisi operasi yang diteliti dengan hanya sedikit pelumasan campuran, pendekatan EHD yang disajikan dengan suhu yang setara akurat dan memungkinkan untuk mempelajari kondisi tribological dalam bantalan jurnal.
