BR102012027071A2

BR102012027071A2 - Pistão, bem como sistema tribológico de um pistão e face de deslocamento de um pistão de um alojamento de eixo-manivela para cilindro, para um motor de combustão

Info

Publication number: BR102012027071A2
Application number: BR102012027071-4A
Authority: BR
Inventors: Stephan Koerner; Wolfgang Schlenther; Cedric Dobua
Original assignee: Mahle Int Gmbh
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2013-11-26
Also published as: DE102011084990A1

Abstract

PISTÃO, BEM COMO SISTEMA TRIBOLÓGICO DE UM PISTÃO E FACE DE DESLOCAMENTO DE UM PISTÃO DE UM ALOJAMENTO DE EIXO-MANIVELA PARA CILINDRO, PARA UM MOTOR DE COMBUSTÃO. A presente invenção refere-se a um pistão (11) para um motor de combustão com um cabeçote de pistão (12) e uma haste de pistão (16), sendo que a haste de pistão (16) possui cubos de pistão (17), providos de perfurações de cubos (18), sendo que os cubos de pistão (17) estão interligados através de faces de deslocamento (19), caracterizado pelo fato de que as faces de deslocamento (19) estão ao menos parcialmente providas de um revestimento (30), borrifado no processo de gás frio, e o material do revestimento (30) é escolhido do grupo abrangendo níquel, ferro, cobre, ligas baseadas em níquel, ligas baseadas em ferro, ligas baseadas no sistema conre-níquel-estanho, e ligas baseadas no sistema cobre-estanho-prata. Além disso, a presente invenção abrange um sistema tribológico (10) com um pistão (11) desta espécie.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PISTÃO, BEM COMO SISTEMA TRIBOLÓGICO DE UM PISTÃO E FACE DE DES- LOCAMENTO DE UM PISTÃO DE UM ALOJAMENTO DE EIXO- MANIVELA PARA CILINDRO, PARA UM MOTOR DE COMBUSTÃO".

A presente invenção refere-se a um pistão para motor de com- bustão com um cabeçote de pistão e uma haste de pistão, sendo que a has- te de pistão apresenta cubos de pistão providos de perfurações de cubos que através de conexões de cubos estão dispostos no lado inferior do cabe- çote do pistão, sendo que os cubos do pistão estão interligados através de faces de deslocamento. Além disso, a invenção se refere a um sistema tribo- lógico constituído de um pistão desta espécie, e de uma face de desloca- mento de cilindro para o motor de combustão.

Nos motores de combustão modernos, o pistão está sujeito, de uma maneira intensa, de modo térmico e mecânico. Isto se aplica também para a haste do pistão e para as suas faces de deslocamento, especialmen- te na ação conjugada tribológica da face de deslocamento do pistão e da face de deslocamento do cilindro. Isto resulta em uma fadiga rápida das fa- ces de deslocamento. Para reagir a este comportamento de fadiga, é conhe- cido prover as faces de deslocamento com um revestimento que resiste às solicitações mecânicas e térmicas e que deve aprimorar o comportamento de fricção do pistão, relativamente à face de deslocamento do cilindro.

O objetivo da presente invenção reside em desenvolver de tal maneira um pistão desta espécie, bem como um sistema tribológico correla- to, que seja lograda uma redução da fadiga do revestimento, baseado na sua solicitação térmica e mecânica, bem como sendo reduzida a ação da

fricção no sistema tribológico.

Uma primeira solução reside em que as faces de deslocamento,

ao menos parcialmente, possuem um revestimento borrifado no processo de gás frio e o material do revestimento é selecionado do grupo que abrange níquel, ferro, cobre, ligas baseadas em níquel, ligas baseadas em ferro, ligas baseadas no sistema de cobre-níquel-estanho, e ligas baseadas no sistema de cobre-estanho-prata. Outra solução reside em que no sistema tribológico de pistão e de face de deslocamento de cilindro, a face de deslocamento de

cilindro seja produzida de uma liga de alumínio.

A idéia de acordo com a invenção reside em prever um revesti- mento borrifado, segundo o processo de gás frio. Baseado na intensa ener- gia cinética das partículas que incidem nas faces de deslocamento a serem revestidas, estas partículas serão por assim dizer "grampeadas" com o seu substrato, de maneira que o revestimento adere com extrema intensidade na face de deslocamento. O revestimento é isento de óxido e é muito compacto. Durante o revestimento, o pistão não é aquecido e, portanto, também não se expande. Tudo isto atua de uma forma positiva sobre a estabilidade térmica e mecânica do pistão, de acordo com a invenção. Além disso, os materiais do revestimento podem influenciar de forma bastante positiva à estabilidade térmica e mecânica. Especialmente o cobre e a prata possuem uma conduti- bilidade térmica elevada e agem de modo especialmente positivo sobre a

estabilidade térmica do pistão, de acordo com a invenção.

Além disso, serão otimizadas as propriedades tribológicas do sistema tribológico composto do pistão e da face de deslocamento de cilin- dro. É aperfeiçoado o comportamento de desgaste e a solicitação de fricção é reduzida. O revestimento borrifado no processo de gás frio pode ser cons- tituído de forma variável, por exemplo, como um revestimento de liga, reves- timento em forma de sanduíche ou revestimento de gradiente. A composição do revestimento pode ser variada sem problemas. As propriedades tribológi- cas do revestimento podem, portanto, ser adequadas de uma forma ótima aos requisitos de cada caso individual. Especialmente o nível e o ferro apri- moram a resistência ao desgaste, enquanto que molibdênio reduz o desgas- te aderente. A prata e o estanho exercem ação positiva sobre as proprieda- des deslizantes do pistão, de acordo com a invenção. O cobre e o níquel aperfeiçoam, além disso, a ductilidade do revestimento do pistão, de acordo

com a invenção.

Em caso de necessidade, podem ser produzidos revestimentos com grande espessura de camada. A experiência do revestimento poderá ser individualmente regulada e, portanto, também poderá ser ajustado de uma maneira ótima ao sistema tribológico de acordo com a invenção.

O pistão de acordo com a invenção, ou seja, o sistema tribológi- co de acordo com a invenção pode ser produzido de forma simples e a custo vantajoso em um passo processual, não sendo forçosamente necessária

uma limpeza prévia da face de deslocamento a ser revestida.

Outro aspecto da presente invenção reside em que o pistão de acordo com a invenção, com uma face de deslocamento de cilindro constitu- ída de uma liga de alumínio, resulta em um sistema tribológico otimizado com excepcionais propriedades deslizantes, desgaste acentuadamente re-

duzido e formação de fricção, acentuadamente reduzida.

Ampliações vantajosas resultam das reivindicações dependen-

tes.

Revestimento baseados no sistema níquel-ferro ou no sistema níquel-ferro-molibdênio, ou no sistema ferro-níquel-molibdênio, ou no siste- ma ferro-níquel-cobre apresentam uma estabilidade especialmente boa e

excepcionais propriedades tribológicas.

A aspereza Ra do revestimento poderá ser variada especialmen- te em uma faixa de 0,5 pm até 4,0 pm, enquanto que a espessura da cama- da pode ser variada, especialmente em uma faixa de 100 pm até 300 pm. Quando o revestimento de um pó borrifado no processo de gás

frio for produzido com tamanhos de grãos de 15 pm até 25 pm, é obtido um revestimento especialmente compacto, adensado e homogêneo.

O revestimento pode conter ao menos um lubrificante sólido, a fim de otimizar as propriedades deslizantes e reduzindo adicionalmente a ação da fricção. Lubrificantes sólidos adequados são, por exemplo, poli- tetrafluoretileno, cloreto de polivinila, sulfetos de metal, especialmente MoS2

e WS2, grafite, bem como nitreto de boro hexagonal.

A seguir, serão explicados mais detalhadamente exemplos de

execução, baseado nos desenhos anexos. As figuras mostram em uma a-

presentação esquemática e não em escala real:

figura 1 exemplo de execução de um sistema tribológico de a-

cordo com a invenção, com um pistão de acordo com a invenção, figura 2 apresentação esquemática do processo de borrifação a

gás frio.

A figura 1 apresenta um exemplo de execução e um sistema tri- bológico 10 de acordo com a invenção, com um pistão 11 de acordo com a invenção. O pistão 11 pode ser um pistão inteiriço ou de várias seções. O pistão 11 pode ser produzido de um material de aço e/ou de material de me- tal leve. O pistão 11 apresenta um cabeçote de pistão 12 com um fundo de pistão 13. O pistão 11 possui um cabeçote de pistão 12, um fundo de pistão 13, um ressalto de pistão 14 circundante e uma seção anelar 15 para a inte- gração de anéis de pistão (não mostrados). Além disso, o pistão apresenta uma haste de pistão 16 termicamente desacoplado no centro de execução, possuindo cubos de pistão 17 e perfurações de cubos 18 para o encaixe de um pino de pistão (não mostrado). Os cubos do pistão 17 estão interligados através de faces de deslocamento 19. As faces de deslocamento 19 possu-

em um revestimento 30 de acordo com a invenção.

O pistão 11 de acordo com a invenção, com a face de desloca- mento 19, forma com uma face de deslocamento 32 de uma perfuração ci- líndrica, ou de uma bucha de deslocamento cilíndrico 31 e um deslocamento de eixo-manivela de cilindro (não mostrado), constituem o sistema tribológico

10 de acordo com a invenção.

A face de deslocamento 32, a qual pode estar montada no pró- prio cilindro ou em uma bucha de deslocamento de cilindro 31, consiste de uma liga de alumínio, por exemplo, de AISi (LO KA-SiL), AL- Si17Cu4Mg(ALUISIL) ou de uma bucha GJL (ferros fundidos cinzento com

ferro-gusa laminar).

O revestimento 30 para uma face de deslocamento 19 apresenta

no exemplo de execução as composições indicadas na tabela 1: Ill CD

O co C

CO O Q ™ Z O Ln 3

O

cd O

d) <

cd C

CO O

LO

oi O

cd CQ^ ll lo

OO

σ> φ

lo

-2 ο

C ICD

α> ο- ~ ω ο

w

ω >

ω 0£

O ο '5 S_ Γ) fc O φ C CO Τ3 (I) CO O CD O -M O ι(0 O φ > OT σ iz O td Ι- Ο CO CO < O Χ! ι ι γ ε CD φ" O >C0 CO

ό ι ri OT CO Ζ3 O (Ü m -ι—» > ο !_ CD X XJ ο U m -ι—· KD O Φ —* C ο ε 2 ο O m OT O !8 Xl > O OT O -CO

C «

to LU

O CO <C0 O C φ O O O ι- m Ο. > CO CO O ο XJ ι_ ι— O O O -J —' Ξ !_ CO

ω- ο

q-

CO Φ Τ3

(Ο O "Ό

O ^ «

ω

Í5

CO 03 > Τ3

■ς? ω

Τ3 ϊ>._

CO ω ω 1 ο 2

ο

=3 CD

Τ3 O

CD ^

Ξ °

C CD

+j

OT

LU

° - OT

•to O m

O-CD-S «

o (ο ό

CD -c; ο s

ο — ^ ω

"Τ CD Ql ω

ο ·

CO

ω c - CD Ο. N O = CO

CD 03

ql

rt= r- W 3 O °

^ 8 Ό

3 Τ3 c O O

CD O XJ

O

'5

ε

tõ -C O

•ρ ω E -σ

-ω ο

■—· ICD φ O

-α 3

to ir

Τ3 2

ω

~α = <

ο ο

ICD '3 O Τ3

c °

Il

-si- - « çt S to

CL ο OT

O O

O CD O

ω.2 «g -ο E ε t

o = (d

0 -ο -ο φ —-

-α "σ .5

CO χι ο

1 ω φ

Χ! C ο

CD CD Ο

O 2 φ

E £

3 3

g J5

_ω

O _ ~ φ 3 Q. O 3 λ λ

φ ό

O >C0 O CD N

áÉ E

CD >

OT O

L- 5_

O O

+J

C CD

O >CD O φ

-4—»

0

1_

Q_

CD O Xi

φ

■4-»

CO CO Ο) CO φ td o CD

O

C <φ

ί—'

CO

"(Ο φ

CO

ο

XJ O

5

JO φ S

φ c ^

-Π

Ei__U

φ O

ω "S ο

(Ο JO -

ω ο ε

"Ο > _ =

to CO CO

φ 2 C Χ! Q- CO

2 φ q-"κ

co CO CD Ο) CO

O ω Ό

XJ φ CD

ο E

.-t; CO CO

=3 O

E

co

3 O Ό

O ξ

C <φ

td XJ

'υ

E

Sv O O I 'ο O -4—' Γ" O O CD ε φ O O O CO «C0 O Φ O ε φ OT CO OT Φ -t—' C O O v CO CL O φ O O M- _ 0) L- CD > χ: C -CO OT CJ CO Q- OT — O ο O O CO φ φ ο t O O ο CD x CJ £_ U α> '—^ <Φ __ (Tl O > XJ <0 CO O CL CO 0 1_ Õ ε

ο :

3 .: "Ο

φ

O φ -o

e ο ο

co c

'eo

=3

σ φ

td co Τ3

O ■— υ — '•^ζ cd Ci-Q cd c

O 8

«CO u o co φ o -S Xi

to cd O ο

ο <c0 ti O 3 φ

ε ε

= k O

1

ÍS φ-

o td φ cd

ε s

Ζ) -43

co O Τ3 O ^D

~5>

to >

ε φ

Ο)

CO φ

"σ ο

co cd

"ο

c <φ

(Ο

"(Ο φ

co O xj

O =3

3 "Ο O

-Γ O

co φ .si cd

tr π) O » ~

g Φ c Q. Τ3 ω

co to φ to O 73 -H

s «ο jo -σ °

^ α > «

2 <2 I

E B

TO tO ^ O

Oi

e φ"

cd

E .α

φ co

1 8

cd Τ3 co

ε

cd O

co N φ

O td

CO φ ■σ

co

φ ω ε= φ ο. > ο φ

ο 2 B

yWc

CT3 φ φ co c

Eoe

co >

-4—·

CO O Q-

xj _3

φ td CO cd

O

'■c

q a 9.8

ω ο (Ο

O O

N

CO co td cd td cz

O CO CO O

— χ; co

CD C CO O —' td N CD £= <0 "Κ (Ο

to φ ! 8

C φ CO

CO φ -φ

> φ

CO CO

O to

cl td CO

σ>

φ

φ CO

φ

Τ3 O

α."

C CO φ

~ CD

(- co Ο)

ο <ο ο

td O

CD

φ l·

φ OT

> φ

ω >

co £

2 c

> ο ®

Φ Χ! σ)

^ zs ο

co — ε

φ ο

CO -C

- E CÇ

φ ^

Τ3

η w "

S ο ε

φ

Q O

ω" <

CO

ο ~t—> c ω

E

φ >

φ

CO O C

co φ

Ί—'

C CD O

Xi

CO CO

CO C O CJJ OJ

X φ

O _Ω

φ td O

α>

3 O O ^

-SZ to to C

Q- =

"> t" < ^ > sz co D. Q- ^

D_ τ— csi co ^r tri A face de deslocamento do cilindro 32 pode ser combinada com qualquer revestimento individual 30 (A,B,C,D), ou seja, com o pistão 11 com revestimento aleatório 30 (A, B1C1D). Na combinação de bucha de ferro fun- dido cinzento com os respectivos revestimentos 30 (A,B,C,D), o efeito da otimização da ação de fricção será ainda mais aprimorada, porque o ferro cinzento laminar possui já um efeito lubrificante inerente.

O revestimento B (Ni18.5Fe79Mo2.5) proporciona no caso as melhores propriedades, relativamente ao desgaste e coeficiente de fricção. Com relação a uma haste de pistão 16 não revestida, o desgaste pode ser reduzido em 50% e o coeficiente de fricção, em 60%.

A figura 2 mostra esquematicamente o processo para produzir o

pistão, de acordo com a invenção.

Para produzir o revestimento 30, foi empregado o processo de borrifação de gás frio. O revestimento 30 pode ser aplicado tanto em um pis- tão 11 usinado em caráter final ou em caráter prévio. Não é forçosamente necessária uma limpeza do pistão 11 antes da aplicação do revestimento 30. O pistão 11 pode até mesmo apresentar óleo ou lubrificantes de pistão.

No exemplo de execução, o pistão 11 a ser trabalhado consiste de AISi12Cu3Ni2Mg ou AISi12Cu4Ni2Mg. Como é conhecido, um dispositivo para borrifação de gás frio abrange um recipiente de reserva 21 para um gás, ou seja, nitrogênio que serve tanto de gás de processo como também como gás veículo para o material pulvéreo. Os materiais empregados no exemplo de execução constam na tabela 1. O material será guardado como reserva em um transportador de pó 22. A partir deste recipiente de reserva 21, estende-se uma tubulação 23 até o transportador do pó. O gás transpor- tado sobre esta tubulação 23, no transportador de pó 22, serve de gás veícu- lo para o material pulvéreo. Outra tubulação 24 se estende do recipiente de reserva 21 até um aquecedor a gás 25. O gás transportado no aquecedor de gás 25 serve como gás de processo, o qual, em caso de necessidade, pode ser aquecido até uma temperatura, por exemplo, de 200-600°C. Tanto o gás veículo com o material pulvéreo como também o gás de processo serão transportados através de tubulações 26, 27 para um bocal supersônico ou um bocal lavai 28. Ali, a mistura de pó-gás será acelerada de acordo com a seta B1 ou seja, na direção da superfície a ser revestida, isto é, no exemplo de execução, a face de deslocamento 19 do pistão 11, sendo esta acelera- ção até uma velocidade superior a 500m/s, em picos até 1500m/s. O jato 29 resultante incide com distâncias de trabalho típicas de 5-50 mm sobre a face de deslocamento 19 a ser revestida, quando forma o revestimento 30 em uma espessura definida, por exemplo, de IOOMm até 300pm e com uma altu- ra axial H, precisamente controlável pela largura do jato 29. No caso, o pis- tão 11 gira ao redor do seu eixo central A, na direção da seta P. Em caso de necessidade, poderá ser colocada uma máscara sobre a face de desloca- mento 19 do pistão 11, caso for desejado apenas um revestimento parcial da face de deslocamento 19.

Claims

1. Pistão (11) para motor de combustão com um cabeçote de pistão (12) e uma haste de pistão (16), sendo que a haste de pistão (16) possui cubos de pistão (17), contendo perfurações de cubos (18), sendo que os cubos de pistão (17) estão interligados através de faces de deslocamento (19), caracterizado pelo fato de que ao menos parcialmente as faces de des- locamento (19) possuem um revestimento (30), borrifado no processo de gás frio e o material do revestimento (30) é selecionado do grupo que abrange níquel, ferro, cobre, ligas baseadas em níquel, ligas baseadas em ferro, ligas baseadas no sistema de cobre-níquel-estanho e ligas baseadas no sistema de cobre-estanho-prata.

2. Pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fa- to de que o revestimento (30) é formado de uma liga baseada no sistema de níquel-ferro ou no sistema níquel-ferro-molibdênio, ou no sistema ferro- níquel-molibdênio ou no sistema ferro-níquel-cobre.

3. Pistão de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o revestimento (30) apresenta uma aspereza Ra de 0,5μηι até 4,0μιτι.

4. Pistão de acordo com uma das reivindicações de 1 até 3, ca- racterizado pelo fato de que - o revestimento (30) apresenta uma espessura de camada de 100pm até 300μιτι e/ou - o revestimento (30) é formado de um pó borrifado no processo de gás frio com tamanhos de grãos de 15μηι até 25pm.

5. Pistão de acordo com uma das reivindicações de 1 até 4, ca- racterizado pelo fato de que o revestimento (30) apresenta a seguinte com- posição: Ni51Fe49, Ni18,5Fe79Mg2.5, CuSn6Ag0,06 ou Cu50Ni20Sn30.

6. Pistão de acordo com uma das reivindicações de 1 até 5, ca- racterizado pelo fato de que o revestimento (30) contém ao menos um Iubri- ficante sólido.

7. Pistão de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fa- to de que ao menos um lubrificante sólido é selecionado do grupo que a- brange poli-tetrafluoretileno, cloreto de polivinila, sulfeto de metal, especial- mente MoS2 e WS2, grafite, nitreto de boro hexagonal.

8. Sistema tribológico (10) constituído de um pistão (11) e de uma face de deslocamento de cilindro (32) de um alojamento de eixo- manivela de cilindro para o motor de combustão, sendo que o pistão possui um cabeçote de pistão (12) e uma haste de pistão (16) que apresenta cubos de pistão (17), providos de perfurações de cubos (18), sendo que os cubos de pistão (17) estão interligados através de faces de deslocamento (19), ca- racterizado pelo fato de que as faces de deslocamento (19), ao menos par- cialmente, possuem um revestimento (30), borrifado no processo de gás frio, sendo que o material do revestimento (30) é escolhido do grupo que abrange níquel, ferro, cobre, uma liga baseada em níquel, uma liga baseada em ferro, uma liga baseada no sistema de cobre-níquel-estanho e uma liga baseada no sistema de cobre-estanho-prata, sendo a superfície de deslocamento de cilindo (32) produzida de uma liga de alumínio.

9. Sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o revestimento (30) da face de deslocamento (19) do pistão (11) é produzido de uma liga baseada no sistema níquel-ferro ou no sistema ní- quel-ferro-molibdênio, ou no sistema ferro-níquel-molibdênio, ou no sistema ferro-níquel-cobre.

10. Sistema de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que a face de deslocamento de cilindro (32) está conformada no alojamento de eixo-manivela de cilindro ou em uma bucha de deslocamento de cilindro (31), integrada no alojamento do eixo-manivela de cilindro.

11. Sistema de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a face de deslocamento de cilindro (32) ou a bucha de desloca- mento de cilindro (31) é conformada de uma liga especialmente de Al- Si17Cu4Mg(ALULSIKL), ou como uma bucha de ferro fundido cinzento, ou como uma bucha -AISI (LOKASIL).

12. Sistema de acordo com uma das reivindicações de 8 até 11, caracterizado pelo fato de que o revestimento (30) é produzido de um pó borrifado no processo de gás frio com tamanhos de grãos de 15pm até .25μηη.

13. Sistema de acordo com uma das reivindicações de 8 até 12, caracterizado pelo fato de que o revestimento (30) contém ao menos um lubrificante sólido.

14. Sistema de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pe- lo fato de que ao menos um lubrificante sólido é selecionado do grupo que abrange poli-tetrafluoretileno, cloreto de polivinila, sulfetos de metal, especi- almente MoS2 e WS2, grafite, nitreto de boro hexagonal.