Artykuł po raz pierwszy ukazał się na stronie autoEXPERT.pl w 2017 r. Aktualizujemy jego treść, uzwględniając najnowsze dane z zakresu techniki motoryzacyjnej. 

• Dążenie do minimalizacji tarcia w układzie przeniesienia napędu. 
• Praca tribologów a straty w mocy tarcia. 
• Wymagania stawiane konstruktorom łożysk, nowe koncepcje konstrukcyjne. 

Gdy celem jest ograniczenie zużycia paliwa, inżynierowie przemysłu motoryzacyjnego chętnie sięgają po drogie rozwiązania. Przykładami są zmniejszane silniki z turbosprężarkami i bezpośrednim wtryskiem lub napędy hybrydowe. Jednak można też łatwiej: już samo zminimalizowanie tarcia w układzie przeniesienia napędu pozwala zaoszczędzić do 15% paliwa.

Minimalizacja tarcia jest popularna, a w niektórych zastosowaniach korzysta z technik, które w zasadzie już odrzucono – np. łożyska toczne. W budowie silników już przed wieloma laty przyjęły się łożyska ślizgowe, ponieważ posiadają wiele zalet:

• mają wysoką obciążalność udarową,
• wysoki stopień tłumienia,
• potrzebują niewiele miejsca,
• można je łatwo podzielić w celu montażu,
• są tanie.

Jednak pod naciskiem przyszłych wartości granicznych emisji CO₂ zalety te nie są już tak przekonujące. Producenci łożysk tocznych tacy jak Schaeffler, SKF lub NTN-SNR wietrzą okazję i opracowują swoje produkty pod kątem wykorzystania w silnikach. Pod wieloma względami już teraz udało im się uzyskać przełomowe wyniki.

Łożyska toczne zmniejszają turbodziurę

Przykładem jest turbosprężarka. Jeżeli bieżnia spoczywa na kulkach, a nie na warstwie oleju, tarcie zmniejsza się w temperaturze roboczej silnika o 50%, a w niższych temperaturach jeszcze bardziej, jak twierdzi Schaeffler. Co prawda, efekt ten nie wpływa bezpośrednio na sprawność silnika, ponieważ turbosprężarka nie jest mechanicznie połączona z wałem korbowym, ale zmniejszone tarcie sprawia, że turbina, a z nią koło sprężarki, szybciej przyśpiesza.

Jest to szczególnie odczuwalne na niskich obrotach silnika i przy dużych obciążeniach: opóźnienie reakcji, czyli dobrze znana turbodziura, jest o wiele mniejsze. Duże są natomiast wymagania wobec konstruktorów łożysk: łożyska toczne źle znoszą przede wszystkim wysokie obroty sięgające 200 000 min^-1 i wysokie temperatury.

Poza tym ciepło nie jest odprowadzane przez przepływ oleju, jak ma to miejsce w łożyskach ślizgowych. Jednak problemy te zostały rozwiązane i do tej pory firma Schaeffler wyprodukowała już ponad milion łożysk tocznych do turbosprężarek. Także firma SKF wprowadziła tę technikę na rynek. Ma ona zmniejszać emisję CO₂ nawet o 3%.

W samym silniku można osiągnąć jeszcze więcej. Tutaj projektanci biorą pod uwagę wszystkie źródła strat:

• mechanizm korbowy,
• mechanizm rozrządu,
• wałki wyrównoważające,
• napęd rozrządu i agregaty dodatkowe,
• pompę chłodziwa i pompę oleju.

W sumie w komponentach tych występuje 50% tarcia obecnego w silniku spalinowym. Szczególnie duży udział – przede wszystkim na niskich obrotach – ma mechanizm rozrządu. Tutaj sytuacja wygląda trochę lepiej, szczególnie na połączeniach krzywki – element przenoszący – trzonek zaworu. Jednak dalszy rozwój obejmuje w coraz większym stopniu łożyskowanie wałków rozrządu, które – w przypadku wystarczającej przestrzeni konstrukcyjnej – również są wyposażone w łożyska toczne.

W przypadku wałków rozrządu zbudowanych z pojedynczych części montaż niepodzielonych na części łożysk nie stanowi problemu. Drugim obszarem zastosowania są wałki wyrównoważające, stosowane coraz częściej w silnikach 3- i 4-cylindrowych.

Przede wszystkim w silnikach 4-cylindrowach, w których wałek wyrównoważający ze względów konstrukcyjnych pracuje na dwukrotnie wyższych obrotach niż wał korbowy, zmniejszenie tarcia jest ważne. Schaeffler opracował uproszczony wałek wyrównoważający na łożyskach tocznych, który o połowę zmniejsza tarcie w całym zakresie obrotów. Razem ze zmniejszoną o kilogram masą, powinno to zredukować emisję CO₂ o 2%.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Oleje i smary

Profesjonalne przepłukiwanie może zastąpić naprawę

Liczba samochodów wyposażonych w automatyczne skrzynie biegów nieustannie rośnie. Olej przekładniowy starzeje się w nich tak samo, jak olej silnikowy i powinien być regularnie wymieniany. 

Nie ma kręcenia bez tarcia

Praca tribologów nie kończy się oczywiście na końcu wału korbowego. Wszędzie tam, gdzie coś się kręci, występują straty spowodowane tarciem, w tym także w skrzyni biegów i napędach osi. Przykładem jest zamiana łożysk ślizgowych na toczne w kołach obiegowych. W ten sposób, w przypadku zastosowania takiego rozwiązania moc tarcia zmniejsza się z 470 do 50 W – czyli o 90%.

Jednak łożyska toczne nie są sobie równe: nawet wybór lepszej koncepcji ułożyskowania może przynieść spory postęp. Przykładem jest ułożyskowanie wałów głównych w skrzyni biegów – tutaj coraz częściej stosuje się łożyska osadzone nieruchomo i przesuwnie, jako alternatywę dla klasycznych łożysk wałeczkowo-stożkowych. Już sama ta zmiana może ograniczyć zużycie paliwa o 3,8%.

SKF przeprowadziła odpowiednie obliczenia: zastosowanie następujących środków może ograniczyć emisję CO₂ typowego samochodu osobowego z sześciostopniową skrzynią biegów o 8,5 g/km:

• minimalizujące tarcie pierścienie uszczelniające labiryntowe – o 0,25 g/km,
• łożyska wałeczkowo-stożkowe/łożyska kulkowe skośne w skrzyni biegów – o 0,5–1,2 g/km,
• łożysko zębnika w skrzyni rozdzielczej – o 2–3 g/km,
• hybrydowe łożysko zębnika w przekładni osi tylnej – o 3–4 g/km.

Wniosek: aby ograniczyć emisję CO₂ przemysł motoryzacyjny stosuje wszelkie chwyty. Nowe koncepcje łożysk pozwalają znacznie zmniejszyć moc tarcia wszystkich elementów układu przeniesienia napędu. Ich połączenie może prowadzić do znacznych oszczędności oraz kosztów mniejszych niż w przypadku napędów hybrydowych.

Źródło: Materiały redakcyjne