Analysis on the mixed friction between the guide made of cast iron and the valve stem made of Ti6Al4V with and without protective layer

Lightweight valves are commonly used in modern combustion engines with cam and camless valve train. They can be made of TiAl alloys and in particular the inlet valves can be made of TJ6AI4V. The stems of such valves can be coated by protective layer obtained by nitridation, chroming or the other one. The stems can mate with guides made of cast iron, of phosphor bronze or berylium bronze. Mating can take place in conditions of mixed friction with different share of lubricated friction. The researches have been provided in the tribotester. The analyzed valve has been driven electromagnetically, for the different valve strokes and frequencies. The mating takes place in the condition of oil absence. The valve has been loaded by additional mass to induce the normal force between valve stem and its guide. It has been measured the acceleration and the displacement of the valve, the impact force of the valve into its seat insert, friction force between valve stem and its guide and the sound level. The aim of the researches is to obtain and compare values and courses of friction coefficient between the guide made of cast iron and valve stem made of Ti6Al4V for certain number of the valve strokes and frequencies. The researched stem could be uncoated or coated by Cr layer or by nitridation. The analytical model has been elaborated to calculate the contact pressure and the friction force between valve stem and its guide for the conditions of mixed friction occurring for the selected engine oil and the valve motion relative to its guide as obtained from the tribotester. The obtained dry friction coefficient values have been used in the model. Results of researches have been presented in the article.

Zawory lekkie są powszechnie stosowane w nowoczesnych silnikach spalinowych z rozrządami krzywkowymi i bezkrzywkowymi. Mogą one być wykonane ze stopów TiAl, a w szczególności zawory dolotowe mogą być wykonane z Ti6AI4V. Trzonki takich zaworów mogą być powlekane warstwą ochronną otrzymaną przez chromowanie, azotowanie lub inną. Trzonki zaworów mogą współpracować z prowadnicami wykonanymi z żeliwa, brązu fosforowego lub berylowego. Współpraca może odbywać się w warunkach tarcia mieszanego ze zmiennym udziałem tarcia płynnego. Badania zostały przeprowadzone na tribotesterze. Analizowany zawór był napędzany elektromagnetycznie, dla różnych skoków i częstotliwości. Współpraca odbywała się w warunkach braku smarowania. Zawór został obciążony przez dodatkową masę do wywołania normalnej siły między trzonkiem zaworu i jego prowadnicą. Mierzono przyspieszenie i przemieszczenie zaworu, siłę uderzenia zaworu o jego gniazdo, siłę tarcia pomiędzy trzonkiem zaworu i jego prowadnicą oraz poziom hałasu. Celem tych badań jest uzyskanie i porównywanie wartości i przebiegów współczynnika tarcia między prowadnicą wykonaną z żeliwa i trzonkiem zaworu z Ti6AI4V dla pewnej liczby skoków zaworu i częstotliwości. Badany trzonek mógł być niepowlekany lub powlekany warstwą chromu bądź azotowany. W celu obliczenia nacisku i siły tarcia pomiędzy trzpieniem zaworu i jego prowadnicą w warunkach tarcia mieszanego występującego dla wybranego oleju silnikowego i takiego ruchu zaworu względem jego prowadnicy, jaki występował w tribotesterze, został opracowany model analityczny. W modelu zostały wykorzystane uzyskane wartości współczynnika tarcia suchego. Wyniki badań zostały przedstawione w artykule.