Diseño de una maqueta tipo camisa flotante (Floating Liner) para la medida de la fricción en el conjunto pistón-camisa

Abstract

Con el objetivo de estudiar y comprender en profundidad el comportamiento de la fricción generada en el par tribológico pistón-camisa, se planteó el desarrollo de una instalación de laboratorio que permitiera medir la fuerza de fricción de forma directa y evaluar factores determinantes de la fricción. Debido a la cinemática que rige el movimiento alternativo del pistón, el fenómeno de fricción que ocurre entre éste, sus componentes y la camisa requiere de un estudio complejo que comprende varios regímenes de lubricación como consecuencia de los valores variables de velocidad y carga que se dan durante la operación normal del motor. Son muchos los factores adicionales que determinan la fricción en este par tribológico: la geometría del conjunto, diseños, acabados superficiales, entre otros, que en combinación con las propiedades de los lubricantes son posibles áreas de mejora para la reducción de las pérdidas mecánicas por fricción. De esta forma, durante el periodo de realización del master se inició el proceso de diseño y montaje de un maqueta tipo Floating Liner cuyo principio de medida consiste en suspender la camisa del cilindro de manera que al presentarse el movimiento alternativo del pistón, las fuerzas aplicadas sobre la camisa hagan que ésta se desplace de forma vertical, restringida por la solución mecánica mediante la cual se haya dejado en suspensión la camisa. Las fuerzas de fricción se miden con sensores de fuerza piezoeléctricos, asumiendo que la inercia del pistón es puramente axial en la dirección del movimiento alternativo, se puede encontrar el valor de la fricción de forma directa. La maqueta Floating Liner está adaptada a partir de un MCIA monocilíndrico al cual se le han realizado modificaciones para acoplar la estructura diseñada para mantener la camisa flotante . Al ser una maqueta sin combustión se ha planteado un sistema de transmisión a partir de un motor eléctrico, un sistema de lubricación y control de temperatura del aceite y un sistema de aire comprimido que permita alcanzar una presión de compresión similar a la encontrada durante la fase de combustión.

With the aim to study and understand in depth the friction force behavior generated in the piston assembly, it was proposed the development of a laboratory test rig capable to measure the friction force directly and to evaluate those factors that determine the friction in this tribological pair. Due to the kinematics that governs the reciprocating movement of the piston, the friction force between the piston, its components and the cylinder liner, requires a complex study that comprises several lubrication regimes, as a consequence of the speed and pressure variation during normal engine operation. There are additional factors that determine the friction force in this tribological pair: the geometry and design of the components, surface finishing, among others, that in combination with the lubricant oil properties are possible alternatives to reduce the mechanical friction losses. In this way, during the completion period of the Master, it began the design and experimental setup of the Floating Liner test rig. The measurement principle of this test rig consist in suspending the cylinder liner in such a way that the force applied to the liner, due to the reciprocating motion of the piston, makes it to move axially, restricted only by the mechanical solution used to suspend the liner. The friction force is measured by means of piezoelectric force sensors, assuming that the piston inertia exist only in the vertical axis in the direction of the piston reciprocating motion, the friction force can be directly measured. The Floating Liner test rig is adapted from a single cylinder internal combustion engine, some modifications have been developed in order to attach the structure designed to keep the liner floating . Being this a test rig without combustion, it has been proposed a transmission system with an electric motor, a lubrication and oil temperature control system and a compressed air system that allows to reach a compression pressure similar to that found during combustion.