Введение в трибологию поршневых двигателей

Введение в трибологию 
поршневых двигателей

Учебник 

C.В. Путинцев

УДК 621.432
ББК 34.413
П90

Издание доступно в электронном виде по адресу 

ebooks.bmstu.press/catalog/198/book1894.html

Факультет «Энергомашиностроение»
Кафедра «Поршневые двигатели»

Рекомендовано Научно-методическим советом 
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебника

Рецензенты:
д-р техн. наук профессор С.Г. Драгомиров;
д-р техн. наук профессор В.М. Фомин

Путинцев, С. В.
П90

УДК 621.432
ББК 34.413

ISBN 978-5-7038-4890-6 

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018 
© Оформление. Издательство 
     МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018

Введение в трибологию поршневых двигателей : учебник / С. В. Путинцев. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. — 18
[1] с.  : ил.
ISBN 978-5-7038-4890-6
Изложены научные представления о трении, смазке и изнашивании твердых 
тел. Рассмотрены современные положения, описывающие физическую сущность 
этих процессов как в деталях машин, так и в основных сопряжениях поршневых 
двигателей — цилиндропоршневой группе и кривошипно-шатунном механизме. 
Описана методология рационального проектирования и выбора материалов ос- 
новных трущихся деталей поршневых двигателей, направленная на минимизацию их трения и износа. Приведен анализ типовых и нестандартных методов трибометрии поршневых двигателей и примеры выполненных ресурсосберегающих 
технических решений. Представлены результаты расчетной и экспериментальной 
проверки эффективности их применения.
Для студентов технических вузов, обучающихся по специальности «Двигатели 
внутреннего сгорания» и изучающих дисциплину «Трибология поршневых двигателей», и аспирантов по направлениям обучения «Тепловые двигатели» и «Трение 
и износ в машинах».

3, 

Предисловие

В учебной литературе по двигателестроению незаслуженно мало внимания уделяется вопросам трения и изнашивания — трибологии. В специальных дисциплинах практически не представлены принципы рационального 
конструирования двигателей и выбора для них материалов, прежде всего минимизации трения и износа, не рассматриваются методы тестирования объектов проектирования по показателям механических потерь и износостойкости.
Учебник посвящен изучению природы трения и изнашивания поршневых 
двигателей и предназначен для приобретения основ систематических знаний 
и их практического применения. Студентам потребуется решить комплекс 
задач, связанных с научными представлениями о протекании процессов трения и изнашивания в подвижных сопряжениях деталей машин, в частности 
поршневых двигателях, изучить подходы к проектированию деталей и выбору 
материалов с пониженным трением и изнашиванием, ознакомиться с мето- 
дами физического моделирования, способами экспериментального измерения показателей поршневых двигателей.
В учебнике изложены: вопросы физической сущности и основных закономерностей трения, изнашивания и смазки машин применительно к техническим системам (гл. 1); особенности основных режимов смазки, трения и 
изнашивания твердых тел (гл. 2); примеры практического использования ресурсосберегающих деталей (гл. 3); информация об антифрикционных и противоизносных материалах (гл. 4) — как конструкционных, так и смазочных; 
подходы к измерению показателей трения и изнашивания на лабораторном, 
макетном и моторном уровнях испытаний объектов (гл. 5).
Рассматриваются проблемы классификации и применения трибологических составов — отдельно производимых присадок, предназначенных для 
введения в готовые товарные формы смазочных материалов в целях улучшения (или восстановления) трибологических свойств последних. Представлены типовые (стандартизированные) и внестандартные методы триботехнического тестирования поршневых двигателей и применяемых в них материалов.
В приложении 1 приведены определения основных терминов, объясняются понятия трибологии и теории поршневых двигателей.
Для лучшего усвоения и закрепления учебного материала в конце каждой 
рубрики помещены задания для самостоятельного выполнения и тестовые задания. Каждое тестовое задание содержит вопрос и пять вариантов ответа на 
него, один из которых правильный. Номера правильных ответов приведены в 
приложении 2.
В результате освоения дисциплины у студентов будут сформированы следующие профессиональные компетенции: 
знание 
•
• исторической эволюции научных представлений о процессах трения и 
изнашивания деталей машин;

Предисловие

•
• современного состояния основных положений трибологии, триботехники и трибометрии применительно к поршневым двигателям;
•
• методов снижения трения и износа, а также экспериментальной оценки 
характеризующих эти процессы показателей;
умение
•
• применять закономерности трения и изнашивания при выборе рациональной конструкции детали, технологии ее изготовления и материала в целях ресурсосбережения в ходе эксплуатации изделия;
•
• объективно оценивать уровень конструкционно-технологического 
совершенства деталей поршневых двигателей, применяемых смазочных и 
конструкционных материалов для выявления резервов ресурсосбережения по 
критериям снижения трения и износа;
навыки
•
• применения общего принципа рационального проектирования ресурсо- 
сберегающих деталей и материалов к конструированию энергоэффективных 
поршневых двигателей;
•
• тестирования антифрикционных и противоизносных материалов и деталей поршневых двигателей — объектов проектирования на лабораторном, 
макетном и моторном уровнях.
Компетенции, полученные студентами в ходе освоения материала учебника, можно применить при выполнении курсовых проектов, а также выпуск- 
ных квалификационных работ. Важно, чтобы при проектировании, изготовлении и эксплуатации поршневых двигателей всегда учитывались и использовались положения трибологии. Только такой подход обеспечит успешное 
решение задач энерго- и ресурсосбережения разрабатываемых конструкций, 
повышения их надежности и срока службы, приобретения конкурентоспособности на внутреннем и международном рынках.
Предлагаемый учебник, скорее всего, не лишен недостатков, неточностей 
и, возможно, ошибок. Автор выражает готовность с благодарностью принять 
и учесть все конструктивные предложения и замечания
(e-mail: putintsev50@yandex.ru). 

Список основных сокращений и обозначений

ВМТ
— верхняя мертвая точка

ВТХ
— вязкостно-температурная характеристика

ГРМ
— газораспределительный механизм

ГНС
— гидродинамическая несущая способность

ДВС
— двигатель внутреннего сгорания

КЛТР — коэффициент линейно-температурного расширения

КПД
— коэффициент полезного действия

КШМ — кривошипно-шатунный механизм

НМТ
— нижняя мертвая точка

ПАВ
— поверхностно-активное вещество

ПВХ
— плосковершинное хонингование

ПГНС — погонная гидродинамическая несущая способность

ПКВ
— поворот коленчатого вала

ППД
— поверхностное пластическое деформирование

РПК
— рабочая поверхность кольца

СОЖ
— смазочно-охлаждающая жидкость

ТС
— трибологический состав

ЦПГ
— цилиндропоршневая группа

ЧШМ — четырехшариковая машина трения

API
— American Petroleum Institute (Американский институт нефти)

HB
— Твердость по Бринелю

PVD
— physical vapour deposition (физическое осаждение паров)

SAE
— Society of Automotive Engineering (общество автомобильных инженеров)
А
— площадь

Ar
— фактическая площадь контакта

С
— коэффициент, определяемый отношением скоростей выделения и 
накопления теплоты 
с
— теплоемкость смазочного материала

сп
— средняя скорость поршня

F
— сила трения

f
— коэффициент трения

Список основных сокращений и обозначений

Gт
— часовой расход топлива

ge
— удельный эффективный расход топлива

H
— высота профиля юбки поршня или поршневого кольца на краях 
профилированного участка
h
— толщина слоя масла в зазоре, радиальный зазор подшипника или 
сопряжения пары трения
hc
— критическое значение толщины слоя масла

hm
— минимальная толщина слоя масла в зазоре смазываемых тел

i
— число цилиндров двигателя

k
— суммарная сила упругости комплекта поршневых колец

L, l
— длина (характерная длина) 

М
— момент (крутящий, трения)

m
— масса тела

N
— нормальная нагрузка на тело и/или боковая сила поршня

n
— частота вращения

Ne
— эффективная мощность

Ni
— индикаторная мощность

Nm
— мощность механических потерь

Р
— гидродинамическая несущая способность и/или составляющая силы трения, не зависящая от нагрузки
р
— давление масла (гидродинамическое, гидростатическое) и/или газа

ре
— среднее эффективное давление

рi
— среднее индикаторное давление

рm
— давление механических потерь

Q
— расход жидкости

q
— давление в области контакта твердых тел

S
— предварительное смещение и/или ход, перемещение тела

t
— время

tм
— температура моторного масла

R, r
— радиус тела 

V
— объем

Vh
— рабочий объем цилиндра

v
— линейная скорость, скорость перемещения тела

Х, х
— координата в направлении касательной к поверхности тела

Y, y
— координата в направлении нормали к поверхности тела

a
— угол поворота коленчатого вала

b
— угол качания шатуна

g
— угол опрокидывания поршня и скручивания поршневого кольца

D,•δ
— зазор

e
— деформация

h
— коэффициент полезного действия

hm
— механический коэффициент полезного действия

Q
— угол в направлении окружности цилиндрического подшипника 
или поршневого кольца
l
— коэффициент трения качения и теплопроводности материала

m
— динамическая вязкость

n
— кинематическая вязкость

n100
— кинематическая вязкость моторного масла при температуре
100 °С
r
— плотность

s
— нормальное напряжение

t
— касательное напряжение

w
— угловая скорость

∇
— оператор Лапласа

 Список основных сокращений и обозначений 

Глава 1

Теоретические основы трибологии

1.1. О науке трибологии. Научные представления  
о трении, изнашивании и смазке

Трибология — наука о трении и сопровождающих его процессах. У этого 
названия греческая этимология, объединяющая два слова: «trιbw» — трение 
и «lоgоs» — наука. Термин трибология впервые был употреблен в докладе 
Комиссии министерства науки и образования Великобритании от 09.03.1966 г., 
известном как «доклад Джоста» (Питер Джост — президент Международного 
совета по трибологии). В нем была убедительно доказана огромная роль учета 
и снижения трения и изнашивания при проектировании, производстве и эксплуатации изделий машиностроения, представлены финансовые выгоды такого подхода, что получило большой резонанс и привело промышленно развитые страны к бурному развитию собственно трибологии и, как следствие, к 
интегрированию ее результатов в технику и технологии.
Преодоление трения в подвижных сопряжениях требует дополнительных 
энергетических затрат, что снижает экономичность работы машин. Износ деталей ухудшает показатели качества изделия, сокращает срок его безотказной 
работы, повышает риск преждевременного, аварийного выхода из строя.
В тепловых машинах, типичным и самым массовым представителем которых являются поршневые двигатели, работа деталей, узлов и механизмов не 
основана на трении и изнашивании. Отсюда со всей очевидностью следует, 
что интенсивность протекания этих процессов в поршневых двигателях должна быть минимизирована.
Поршневые двигатели имеют огромное число подвижных, высоко- 
и сложнонагруженных сопряжений, которые подвергаются как трению, так 
и изнашиванию в процессе работы. Применяемые в этих изделиях конструк- 
ционные и смазочные материалы нуждаются в правильном выборе и согласовании свойств с условиями работы. Обкатка, доводка и испытания пор- 
шневых двигателей также требуют применения знаний законов трения и изнашивания.
Следовательно, проектирование, испытания и эксплуатацию современных поршневых двигателей в настоящее время уже нельзя представить без 
учета и активного применения закономерностей трения и изнашивания, 
системно описываемых трибологией. Трение и износ как неизбежные спут

1.1. О науке трибологии. Научные представления о трении, изнашивании и смазке 

ники процесса движения контактирующих деталей наносят значимый вред 
поршневому двигателю: ухудшают топливную экономичность, повышают 
расход масла на угар, усиливают шум и вибрацию, снижают надежность работы, сокращают продолжительность межремонтного периода эксплуатации, 
увеличивают риск возникновения аварийной ситуации и стоимость ремонтно- 
восстановительных работ.
К сожалению, уровень эффективного применения научных положений 
о трении и износе в изделиях отечественного двигателестроения пока харак- 
теризуется определенным отставанием от передовых аналогов. Сложившаяся 
ситуация в значительной мере обусловлена существовавшей долгие годы 
ошибочной точкой зрения конструкторов и проектировщиков, вследствие 
которой вопросы трения и износа при работе технической системы часто не 
относили к разряду важных, определяющих (например, в условии задач указывалось: «...для упрощения решения трением пренебрегаем»), а также устаревшими традициями, когда требования обеспечения прочности доминировали над требованиями энерго- и материалосбережения.
Косвенно подтверждает недостаточное внимание к решению проблем трения и изнашивания незначительное количество периодических публикаций 
и практическое отсутствие обобщающих работ, посвященных трибологическим аспектам расчета, проектирования и испытаний поршневых двигателей.
История неосознанного применения человеком трения начинается с эпохи палеолита, когда люди научились добывать огонь высеканием искры из 
камня. Впоследствии использовались полозья для перемещения грузов, применялись вода и масло для облегчения скольжения, было изобретено колесо. 
Однако систематизированные научные знания о трении и сопровождающих 
его процессах появились значительно позднее.
По данным ряда исследователей исторической эволюции знаний о трении 
и изнашивании [1–5], первым, кто количественно оценил силу сопротивления при относительном скольжении твердых тел без смазки, был великий 
Леонардо да Винчи. В работе, датированной 1482 г. и названной по месту ее 
обнаружения «Мадридским кодексом», написано, что каждое тело при движении подвергается сопротивлению, равному четверти веса этого тела. Это 
было гениальное указание на существование пропорциональности между силой трения F и нагрузкой N, которое примерно 200 лет спустя было повторно 
сформулировано в работах французского инженера Г. Амонтона (1699):

F = fN,                                                         (1.1)

где f — коэффициент трения.
Знаменитая формула (1.1), несмотря на многочисленные попытки опровергнуть ее, не утратила актуальности до настоящего времени и широко применяется при выполнении инженерных расчетов.
В 1777 г. Французской Королевской академией была учреждена премия 
за решение проблемы, связанной с остановками, опрокидыванием и поломками кораблей при пуске со стапелей на воду. Исследование проблемы начал 

Глава 1. Теоретические основы трибологии
10

молодой военный инженер Ш. Кулон. В ходе тщательно выполненных точнейших измерений, осуществленных на специально созданной установке, которая включала в себя массивный деревянный стол с перемещаемыми по нему с 
помощью грузов на блоке образцами различных материалов как в отсутствии, 
так и при наличии смазки, Кулон выявил существование двух слагаемых силы 
трения. Одно из этих слагаемых зависело от нагрузки, другое — нет. Резуль- 
таты проведенных работ Кулон изложил в исследовании под названием 
«Теория простых машин» (1785), удостоенном премии Французской Королевской академии. Предложенная Кулоном двучленная формула силы трения 
имеет вид
F = fN + Р,                                                       (1.2)

где Р — составляющая силы трения, не зависящая от нагрузки N.
Работа Кулона предоставила инженерам ценный набор значений коэффициентов трения для различных материалов, используемых при спуске судов на 
воду. Дополнительно он оценил значение коэффициента трения материалов 
со смазкой, который оказался примерно одинаковым для всех исследованных 
случаев и равным 0,2. Аналогично своему предшественнику Г. Амонтону причиной трения Кулон считал шероховатость поверхностей.
Исходя из требований практики мореплавания в 1790 г. Кулон исследовал 
трение стрелки компаса относительно острия опоры, а также трение при перекатывании круглых брусьев. В результате обработки и осмысления экспериментальных результатов для расчета силы трения, возникающей при качении 
цилиндрического твердого тела по сухой гладкой поверхности, он предложил 
формулу

F = l N
R ,                                                      (1.3)

где l•— коэффициент трения качения; R — радиус тела качения.
Следующий значительный прогресс в развитии науки о трении пришелся 
на весь XIX в. и был связан с бурным развитием техники: паровых машин, 
речных и морских пароходов, паровозов и железнодорожного транспорта. Использование этих машин вызывало множество проблем, требовавших безотлагательных решений прежде всего по созданию подвижных сопряжений и 
подшипников с низкими потерями на трение, а следовательно, с минимальным нагревом, и обеспечению надежного торможения и максимальной тяги 
паровоза.
Важнейшая веха развития трибологии в XIX в. — это исследования 

Н.П. Петрова (1883) и О. Рейнольдса (1886), приведшие к разработке основ 
гидродинамической теории смазки [6]. Работы российского инженера и выдающегося английского ученого были связаны с решением важных проблем 
развития железнодорожного транспорта, в частности, с обоснованным выбором смазочных материалов для колесных подшипников в условиях резко 
возросших нагрузок на колеса. В то время для смазки подшипников применяли растительные масла, а основным показателем свойств масел считали плотность. Исследования Петрова позволили обосновать переход на минераль