Вкладыши шатунные | Конструкция, материалы изготовления, преимущества, причины неисправности – на промышленном портале Myfta.Ru
Вкладыши шатунные — это невероятно важная деталь автомобиля, без которой его корректная работа не является возможной.
Очень часто в разговорах механиков или бывалых водителей можно услышать фразы типа «Провернуло вкладыш» либо же «Движок застукал», после которых сразу же становится понятно, что имеется в виду авария двигателя внутреннего сгорания, точнее, что вышли из строя подшипники скольжения коленчатого вала, точнее, шатунные и коренные вкладыши.
Пожалуй, такие поломки занимают значительное место в числе всех остальных и считаются очень серьезными. Чаще всего в таких поломках автолюбители находят виновного в лице некачественного масла.
Но профессионалы могут выделить гораздо больше причин выхода из строя этого механизма, большинство из которых абсолютно не связаны с качеством моторного масла.
Очень важно знать, какие же факторы могут стать причиной того, что подшипники выходят из строя, поскольку можно добиться такого результата, чтобы во время эксплуатации авто избежать хотя бы такой проблемы в двигателе.
Чаще всего шатунные вкладыши подшипника изготавливают из олова, меди или свинца, но бывают ситуации, когда материалом для изготовления подшипников становится алюминиевый сплав.
Именно благодаря изготовлению деталей из последнего материала можно добиться некоторых положительных результатов, таких как:- Определенную согласованность покровного слоя. Дело в том, что у этого материала достаточно гладкий и мягкий слой, который постепенно изнашивается для того, чтобы соответствовать размерам вала. Правда, стоит отметить некоторую несогласованность описываемого элемента с осью вращения (большей степенью это заметно при обкатке).
- При установке шатунных вкладышей из алюминиевого склада стоит отметить большую поглотительную емкость их покровного слоя. Мягким материалом указанного покровного слоя могут поглощаться самые мелкие частицы твердых веществ, а после чего они уже покрываются мягкой пленкой, из-за чего предотвращаются не только различные повреждения, но и износ подшипника и шейки вала.
- Подшипники с такими элементами достаточно стойки к заклиниванию. Любые истирания, рифление или задир поверхности можно объяснить трехфазной сваркой, которая была проведена между скользящими поверхностями в случае разрыва масляной пленки между шейкой вала и подшипником.
Свинец, который считается основным компонентом покрытия разных по размеру шатунных вкладышей — это достаточно мягкий металл, который прекрасно работает в условиях достаточно плохой (граничной) смазки во время запуска/остановки двигателя.
Недавно исследователями был подтвержден тот факт, что наименьшее трение обеспечивает та пленка, которая имеет высокое напряжение сдвига и малое напряжение сдвига на металле (то есть, покровный слой). Такой факт подтверждает и опыт эксплуатации автомобилей.
Стоит отметить, что до 1996 года подшипники дизельного двигателя, которые не содержали покровного слоя, при запуске могли часто заклинивать или проворачиваться.
Верхние пазухи шатунных вкладышей и сами подшипники имеют покровный слой, который устойчив к коррозии. Благодаря этому предотвращается разъедание медно-свинцовой детали. Если использовать масло, которое имеет недостаточно высокое общее щелочное число или же окисленное масло, то можно добиться разрушения свинца, из-за чего он в дальнейшем будет не способен бороться с вредными продуктами сгорания топлива, которые, ко всему прочему, являются еще и кислотными.Кроме того, такие детали характеризуются никелевым барьером. Дело в том, что между ними и покровным слоем имеется достаточно тонкий слой никеля, который просто необходим для того, чтобы предотвратить миграцию олова в медно-свинцовый элемент из покровного слоя. Чаще всего это происходит при высоких температурах или же под действием времени.
Производить замену шатунных вкладышей на те, которые не имеют никелевого барьера неразумно, ведь тогда в их материал может проникать из покровного слоя олово, которое в паре с медью может образовывать достаточно нежелательные сплавы. Для того чтобы избежать необходимости обязательного нанесения никелевого слоя, достаточно много изготовителей применяет покровный слой из сплава свинца и индия.
Для того, чтобы избежать стука шатунных вкладышей, нужно использовать только качественные подшипники и обязательно стоит позаботиться о том, чтобы они были правильно установлены. Важно соблюдать интервалы замены масла, которые были рекомендованы производителем. Ни в коем случае в моторное масло не должно попадать топливо или охладитель.
Если вы хотите приобрести шатунные вкладыши, то без труда можете осуществить покупку с помощью нашего сайта, для этого будет достаточно лишь разместить объявление для того, чтобы поставщик сам вас нашел, или же напрямую связаться с поставщиком. На нашем портале вы можете также продать качественную деталь.
Технология изготовления вкладышей
Вкладыш подшипника скольжения является критической деталью двигателя внутреннего сгорания т.е. функционирование двигателя напрямую связано с качеством вкладыша, а отказ в его работе неминуемо приводит к аварийной остановке и дорогостоящему ремонту.
Чаще всего преждевременный выход из строя подшипников скольжения связан с особенностями материалов, из которых он изготовлен. Вкладыши, произведенные разными компаниями-изготовителями, могут внешне выглядеть одинаковыми и иметь размеры, соответствующие чертежу. Однако уровень надежности их работы в двигателе в значительной мере зависит от типа и параметров микроструктуры материалов, из которых они изготовлены.
С середины 70-х годов прошлого века, т.е. в течение почти сорока лет Димитровградский завод производит вкладыши подшипников скольжения для тяжелонагруженных двигателей внутреннего сгорания.
За это время за продукцией завода закрепилась прочная репутация высокого качества и надежности. Такой результат стал возможен только благодаря сочетанию совершенной сиcтемы обеспечения качества с высоким технологическим уровнем производства.
Триметаллические вкладыши ДЗВ производятся по технологии, используемой только ведущими мировыми производителями подшипников скольжения. Ни один другой завод на территории СНГ не обладает подобной технологией.
В чем же преимущество технологии ДЗВ перед другими известными технологиями?
Прежде всего в процессах производства материалов, формирующих триметаллическую структуры вкладыша.
Для того, чтобы разобраться в этих преимуществах, необходимо понять, каковы основные характеристики материала вкладыша, необходимые для его надежной работы.
1.Характеристики материалов подшипников скольжения
Преимущества и недостатки различных подшипниковых материалов проявляются в их влиянии на основные эксплуатационные свойства вкладышей:
- Усталостная прочность — максимальная величина циклической нагрузки, при которой вкладыш может работать неограниченное время без образования трещин усталостного разрушения.
В двигателях внутреннего сгорания энергия горящего топлива превращается в возвратно-поступательное движение поршня, который посредством шатуна вращает коленчатый вал. Работа двигателя происходит циклически: впуск-сжатие-рабочий ход-выпуск. За один цикл (два полных оборота вала ) давление в цилиндре повышается до пикового значения в начальный период рабочего хода и затем падает до уровня, близкого к атмосферному при выпуске.
В соответствии с изменениями давления меняется и нагрузка на подшипники, передаваемая шатуном. Таким образом, материал вкладыша функционирует в условиях циклического (переменного) нагружения.
Известно, что металлы в условиях переменной нагрузки разрушаются при напряжениях, существенно меньших их статического предела прочности. Это явление называется усталостью материала.
Усталостное разрушение рабочего слоя вкладыша – одна из основных причин отказа подшипников. Микроструктура материала, наличие дефектов (пор, микро-трещин) и внутренних напряжения решающим образом влияют на величину его усталостной прочности.
- Износостойкость – способность материала подшипника сопротивляться износу т.е.изменению размеров, формы и массы вследствие трения.
В двигателях внутреннего сгорания подшипники скольжения работают преимущественно в гидродинамическом режиме, при котором поверхности вкладыша и шейки вала разделены масляной пленкой. Масляный слой предотвращает прямой металлический контакт и также способствует более равномерному распределению нагрузки по рабочей поверхность вкладыша.
Однако полностью избежать металлического контакта невозможно. Особенно это касается тяжело нагруженных двигателей, в которых толщина масляной пленки может быть меньше уровня шероховатости трущихся поверхностей. Другой причиной прямого контакта может стать непараллельность поверхностей, вызванная дефектами шлифовки вала или несоосностью.
Износ рабочей поверхности вкладыша может быть также результатом абразивного воздействия чужеродных частиц в масле.
- Анти-фрикционные свойства характеризуют способность материала снижать эффект трения с валом: уменьшать коэффициент трения, сопротивляться схватыванию с материалом вала (задиру), быстро прирабатываться и быть способным поглощать чужеродные включения, находящиеся в масле.
Свинец, будучи очень мягким и пластичным металлом, наилучшим образом сочетает все анти-фрикционные свойства. Именно поэтому анти-фрикционные покрытия три-металлических вкладышей делаются из свинцовистых сплавов.
Итак, материалы вкладыша подшипника скольжения должны обладать высокой усталостной прочностью и износостойкостью. В то же время его поверхность должна быть мягкой для обеспечения необходимого уровня анти-фрикционных свойств.
2.Триметаллический вкладыш
Наилучшим сочетанием всех требуемых характеристик подшипникового материала обладает триметаллический вкладыш на основе свинцовистой бронзы.
Конструкция триметаллического вкладыша представлена на рис.1.
Рис.1 Триметаллический вкладыш
- Стальное основание обеспечивает жесткость, натяг и плотное прилегание вкладыша к поверхности постели, сохраняющиеся при повышенных температурах и под воздействием радиальных и тангенциальных сил.
- Промежуточный слой служит подложкой для анти-фрикционного покрытия. Промежуточный слой, как правило, изготавливается из свинцовистой бронзы и должен обладать анти-фрикционными свойствами, необходимыми для предотвращения задира в местах локального износа анти-фрикционного покрытия. В то же время промежуточный слой должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать циклические нагрузки без риска образования усталостных трещин. Свинец, благодаря своим высоким анти-фрикционным свойствам, является неотъемлемым компонентом бронз, используемых для формирования промежуточного слоя. Содержание свинца в бронзе может доходить до 25%.
- Никелевый подслой толщиной 1-2 микрона наносится на поверхность промежуточного слоя непосредственно перед нанесением анти-фрикционного покрытия. Подслой никеля служит барьером, предотвращающим диффузию олова из материала покрытия в бронзу промежуточного слоя. В отсутствии никелевого диффузионного барьера содержание олова в свинцовистом сплаве покрытия постепенно уменьшится, что может привести к снижению его коррозионной стойкости. Кроме того, никелевый подслой предотвращает образование хрупкого интерметаллического слоя соединения олова и меди на поверхности бронзы.
- Анти-фрикционное покрытие обеспечивает анти-фрикционные свойства: низкий коэффициент трения, задиростойкость, прирабатываемость и способность поглощать твердые включения в масле. Как правило анти-фрикционные покрытия производятся из свинцовистого сплава, легированного оловом и медью. Олово защищает свинцовистый сплав от коррозии в окисленном масле. Медь повышает прочность и износостойкость покрытия.
Только сбалансированность свойств, состава и толщин слоев триметаллического вкладыша гарантирует высокий уровень его эксплуатационных свойств.
- 3.Технология производства литой сталебронзовой ленты на ДЗВ
Характеристики и особенности сталебронзовой ленты в решающей мере определяют прочность и анти-фрикционные свойства вкладышей, из нее изготовленных.
В ДЗВ сталебронзовая лента производится по технологии непрерывного литья, схематично изображенной на рис.2.
Рис.2 Схема процесса производства литой сталебронзовой ленты (ДЗВ)
В этом процессе стальная полоса вначале обезжиривается и зачищается абразивной лентой. После зачистки полоса подогревается в востановительной атмосфере и входит в зону литья, где бронзовый расплав через специальный питатель поступает на зачищенную поверхность стали. В зоне охлаждения тепло расплава отводится вертикально вниз через стальную полосу.
Направление теплоотвода и его интенсивность исключительно важны для формирования требуемой столбчатой структуры бронзы с кристаллитами перпендикулярными поверхности раздела сталь-бронза.
Фотография типичной микроструктуры литой сталебронзовой ленты ДЗВ представлена на рис.3.
Рис.3 Микроструктура литой сталебронзовой ленты
(сканирующий электронный микроскоп)
На фото отчетливо видна вертикальная направленность (столбчатость) структуры бронзы, представляющей собой дендритные кристаллиты, между ветвями которых находятся включения свинца.
Поверхность раздела сталь-бронза не имеет дефектов и не содержит свинцовых включений, что гарантирует прочную адгезию слоев стали и бронзы.
Функциональные характеристики литой структуры:
- Столбчатые кристаллиты меди обеспечивают усталостную прочность — сопротивляемость бронзового слоя циклическим нагрузкам, направленным перпендикулярно поверхности вкладыша.
- Свинец, заполняющий пространство между ветвями дендритов, придает бронзе анти-фрикционные свойства, “смазывая” её поверхность при прямом трении с поверхностью вала.
- Прочная адгезия со сталью, сформировавшаяся при температуре литья (выше 1000 °С) предотвращает отслоение бронзового слоя при высоких нагрузках на вкладыш во время его эксплуатации.
Таким образом, структура сталебронзового материала, произведенного по литейной технологии, гарантирует максимально высокую прочность в сочетании с хорошими антифрикционными свойствами.
Кроме ДЗВ, единственного на территории СНГ, только еще четыре ведущих мировых производителей вкладышей подшипников скольжения обладают подобной
Остальные компании используют для получения сталебронзовой ленты альтернативные методы, прежде всего — порошковую технологию.
- 4.Альтернативные процессы производства сталебронзовой ленты и их недостатки
- Производство сталебронзовой ленты методом спекания
Наиболее распространенной альтернативой литейной технологии является процесс производства сталебронзовой ленты методом порошковой металлургии (спекания).
Этот процесс популярен среди компаний, производящих вкладыши для средненагруженных двигателей.
В процессе производства спеченной бронзы на предварительно обезжиренную и зачищенную поверхность стали насыпается порошок бронзы, после чего лента входит в длинную муфельную печь спекания. В печи создается восстановительная атмосфера, способствующая разложению окисной пленки, покрывающей поверхность частиц порошка.
По выходе из печи лента со спеченной пористой бронзой подвергается компактизации на прокатном стане, после чего процесс спекания и прокатки повторяется.
Как видно на фото (рис.4) микроструктура спеченной бронзы состоит из округлых кристаллитов меди, окруженных свинцом.
Рис.4 Микроструктура спеченной сталебронзовой ленты
(сканирующий электронный микроскоп)
В отличии от литой столбчатой структуры спеченная бронза в меньшей степени способна сопротивляться нагрузкам. Кроме того, спеченная бронза часто содержит незакрытые поры, дополнительно снижающие ее усталостную прочность.
По данным английской фирмы Glacier усталостная прочность спеченной бронзы на 20% ниже, чем у литой. Именно поэтому вкладыши, предназначенные для эксплуатации при экстремально высоких нагрузках (например в дизельных двигателях с непосредственным впрыском топлива), всеми ведущими компаниями в мире изготавливаются только из литой сталебронзовой ленты.
- Производство сталебронзовой ленты методом плакирования
Еще одной альтернативной технологией является процесс получения сталебронзовой ленты методом холодной прокатки (плакирования).
Этот процесс заключается в совместной прокатке двух обезжиренных и зачищенных лент стали и бронзы с обжатием около 60%. Бронзовая лента предварительно плакируется с обеих сторон медной фольгой для обеспечения адгезии со сталью.
После совместной прокатки сталебронзовая лента отжигается в печи в восстановительной атмосфере для снятия внутренних напряжений.
После отжига лента прокатывается на окончательный размер.
На приведенной ниже фотографии представлена микроструктура ленты, полученной методом холодной прокатки.
Рис.5 Микроструктура плакированной сталебронзовой ленты
(сканирующий электронный микроскоп)
Совершенно очевидны два недостатка представленной микроструктуры: дефекты в виде пор в слое медной фольги и очень низкое содержание свинца в бронзе.
Поры несомненно снижают надежность и усталостную прочность вкладышей, изготовленных из такой ленты.
Что касается содержания свинца в бронзе, то оно составляет всего 2.5%, что примерно в 10 раз ниже концентрации, необходимой для надежного функционирования триметаллических вкладышей. Анти-фрикционные свойства такой бронзы очень низки, и при возникновении металлического контакта с материалом вала создаются условия для задира и схватывания.
- 5.Покрытия триметаллического вкладыша ДЗВ
Основная функция покрытия триметаллического вкладыша заключается в обеспечении антифрикционных свойств в условиях прямого металлического контакта с поверхностью вала.
Покрытие играет роль твердой смазки, снижающей коэффициент трения, обеспечивающей прирабатываемость вкладыша, предотвращающей задир и абсорбирующей чужеродные частицы, циркулирующие с маслом. В этом смысле, чем мягче покрытие, тем в лучшей мере оно выполняет эти функции.
- Гальваническое покрытие из свинцовистого сплава
С точки зрения анти-фрикционных свойств из всех металлов свинец как нельзя лучше подходит в качестве материала покрытия. Однако нельзя забывать, что покрытие должно противостоять ударным нагрузкам и износу, т.е. быть достаточно прочным.
Для повышения твердости и усталостной прочности свинец легируется медью в небольших концентрациях. Покрытие вкладышей ДЗВ содержит 2-3% меди. Другая легирующая добавка — олово (8-12%), подавляюшее коррозию свинцовистого сплава в окисленном масле.
Помимо химического состава, очень важным параметром покрытия является его толщина. С одной стороны, толстое покрытие в большей степени обеспечивает анти-фрикционные свойства. Однако повышение толщины покрытия отрицательно сказывается на величине его усталостной прочности. Оптимальное значение толщины зависит от минимально допустимой величины ударной прочности и уровня анти-фрикционных свойств, требуемых для конкретного вкладыша.
На приведенной ниже диаграмме показано, каким образом определяется оптимальная толщина покрытия для вкладышей ДЗВ, предназначенных для эксплуатации в тяжелонагруженных двигателях КАМАЗ.
Рис.6 Оптимизация толщины гальванического покрытия
Как видно из графика, с ростом толщины покрытия его усталостная прочность падает, а анти-фрикционные свойства улучшаются. Наилучшее сочетание эксплуатационных свойств вкладыша для данного типа двигателей достигается при толщине покрытия 22 мкм. Несоответствие толщины покрытия оптимальной величине снижает надежность и долговечность вкладыша и двигателя вцелом. Слишком тонкое покрытие приводит к преждевременному износу и возможному задиру. Покрытия с толщиной, превышающей оптимальное значение, склонно к разрушению в результате усталости.
Как анти-фрикционное покрытие, так и никелевый подслой наносятся на поверхность вкладышей ДЗВ гальваническим методом на высокопроизводительных автоматических линиях электролитических покрытий.
Таким образом, химический состав и толщина гальванического свинцовистого покрытия вкладышей ДЗВ тщательно сбалансированы, что обеспечивает оптимальное сочетание прочности, износостойкости и анти-фрикционных свойств.
- Покрытие ПВД из сплава алюминий-олово
Последние инженерные разработки в области конструирования двигателей внутреннего сгорания выдвигают новые требования к подшипниковым материалам.
В первую очередь это касается повышения уровня необходимой усталостной прочности.
В современных дизельных двигателях с турбонаддувом и системой топливоподачи типа «Common Rail давление в цилиндрах превышает 200 атм. Соответственно велика и нагрузка на вкладыши, как шатунные, так и коренные. Давление на верхние шатунные и иногда на нижние коренные вкладыши в таких двигателях превышает предел усталостной прочности относительно мягкого покрытия из свинцовистого сплава, составляющий около 60 МПа.
Для двигателей такого типа необходимы вкладыши, имеющие значительно более прочное покрытие с пределом усталостной прочности порядка 120 МПа.
Для создания покрытий такого уровня прочности используется метод напыления из газовой фазы (ПВД). Покрытие ПВД (на западе используется термин sputter/спаттер) наносится отдельными атомами или небольшими кластерами атомов, выбиваемыми положительными ионами аргонной плазмы из материала катода (мишени) в пространстве вакуумной камеры.
Вкладыши с покрытием ПВД изготавливаются только из литой сталебронзовой ленты, поскольку только ее структура обеспечивает необходимый уровень усталостной прочности.
Вначале наносится подслой (диффузионный барьер) из сплава никель-хром, после чего наносится само покрытие, представляющее собой сплав алюминий-олово.
Метод нанесения покрытия позволяет сформировать сплав твердостью порядка 100 НV, что почти на порядок выше твердости гальванического свинцовистого покрытия. Покрытие ПВД содержит 20% олова для придания сплаву анти-фрикционных свойств.
Фрагмент микроструктуры три-металлического вкладыша ДЗВ с покрытием ПВД представлен на рис.7.
Рис.7 Покрытие ПВД на вкладыше ДЗВ
(сканирующий электронный микроскоп)
Микроструктуру покрытия отличает мелкодисперсность, химическая однородность, бездефектность и плотное прилегание к поверхности литой бронзы вкладыша ДЗВ.
Вкладыши ДЗВ на основе литой сталебронзовой ленты с особо прочным покрытием ПВД из сплава алюминий-олово имеют уровень усталостной прочности, необходимый для надежной работы в экстремально нагруженных дизельных двигателях с турбонаддувом и системой топливоподачи типа «Common Rail.
- 6.Заключение
- Материалы вкладыша подшипника скольжения должны обладать высокой усталостной прочностью и износостойкостью. В то же время его поверхность должна быть мягкой для обеспечения необходимого уровня анти-фрикционных свойств.
- Структура сталебронзового материала, произведенного по литейной технологии ДЗВ, в отличие от альтернативных технологий (спекания и плакирования), гарантирует максимально высокую прочность в сочетании с хорошими антифрикционными свойствами.
- Химический состав и толщина гальванического свинцовистого покрытия вкладышей ДЗВ тщательно сбалансированы, что обеспечивает оптимальное сочетание прочности, износостойкости и анти-фрикционных свойств.
- Вкладыши ДЗВ с покрытием ПВД имеют уровень усталостной прочности, необходимый для надежной работы в экстремально нагруженных дизельных двигателях с турбонаддувом и непосредственным впрыском топлива.
- Производства триметаллических вкладышей ДЗВ находится на технологическом уровне ведущих мировых производителей подшипников скольжения. Ни один другой завод на территории СНГ не обладает подобной технологией.
Авторская статья ««Мягкая сила» гоночных вкладышей» на сайте инженерной-технологической компании Механика
«Мягкая сила» … звучит парадоксально, не правда ли? Обычно мы воспринимаем нечто как сильное и мощное – если оно крепкое и грубое. Почему вкладыши двигателя, особенно высококачественные не могут просто быть сильными?
Разве быть «твердыми» – это недостаточно для их продолжительной и надежной работы в условиях гонок?
Ответ на этот вопрос мог бы быть «да» – но только при одном условии: если они способны работать как идеальная часть подшипника с гидродинамической смазкой.
К сожалению, так не бывает в настоящем мире гоночных двигателей.
«Гидродинамический» вкладыш
Вкладыш шейки коленчатого вала – это важнейший элемент подшипника скольжения, работающего с гидродинамической смазкой. Таким образом, поверхность вкладыша отделена от поверхности шейки масляным «клином».
Вращающаяся шейка вала всегда смещается под нагрузкой, при этом образуется клиновидный зазор между поверхностями вкладыша и шейки, заполненный моторным маслом. Этот масляный «клин» незаменим для нормальной работы гидродинамического подшипника.
Вращение шейки вызывает нагнетание масла, по направлению вращения, при этом в клиновидном зазоре создается избыточное давление. Эта сила, созданная давлением масла, противодействует внешней силе F. Поэтому пленка масла, разделяющая поверхности вкладышей и шейки, остается стабильной, и детали подшипника не контактируют между собой.
Толщина масляной пленки зависит от величины силы F, скорости вращения вала, вязкости масла, величины масляного зазора и геометрических параметров вкладыша (диаметр и длина).
Предполагается, что идеальный гидродинамический подшипник является абсолютно жестким, его ось параллельна оси шейки вала, сама шейка имеет форму идеального цилиндра, поверхности вкладыша и шейки идеально гладкие, масло – чистое и его достаточно для гидродинамической смазки.
Вкладыши из реального мира
К сожалению, вкладыши из реального мира отличаются от идеальных вкладышей. В двигателях внутреннего сгорания нагрузка на вкладыши меняется циклически, из-за переменного давления газов в цилиндрах и инерционных сил, развивающихся за счет ускорения деталей.
Переменные нагрузки на детали могут вызвать поломку вкладыша в результате усталости материала. Пленка масла предотвращает локальную перегрузку, распределяя приложенные силы по относительно большой площади.
Однако, если давление, переданное через масляный клин вкладышу, больше, чем усталостная прочность материала, на поверхности вкладыша образуются и быстро развиваются усталостные трещины.
Еще одна особенность состоит в том, что вкладыши не абсолютно жесткие.
Силы, воздействующие на подшипники скольжения, деформируют их корпуса. Мощные двигатели обычно работают на высоких оборотах, почему значительно растут силы инерции, вызванные ускорением и замедлением деталей двигателя (например – поршня в сборе с шатуном). Инерция «растягивает» (деформирует) шатун и его отверстия по вертикальной оси.
Отверстия в блоке цилиндров также могут изменить свою форму в результате высоких нагрузок на коренные подшипники. При таких условиях масляный «клин» может поменять свою форму со «сходящейся» на «расходящуюся», что ставит под угрозу условия смазки подшипника и может привести к непосредственному контакту поверхностей шейки и вкладышей.
Кроме того, вкладыши не всегда параллельны шейке, а отверстия коренных подшипников в блоке цилиндров могут быть несоосными. Несоосность (отклонение от концентричности) и непараллельность осей также вызывают прямой контакт между вкладышами и шейками.
Действительная форма шейки вала также может отличаться от формы идеального цилиндра.
Если диаметр шейки меняется в осевом направлении, то шейка может быть: конусной, бочкообразной или как «песочные часы» (вогнутой). Вариации диаметра шейки в радиальном направлении приводят к овальности или волнам вдоль окружности шейки (вибрация при шлифовании).
Шейки вала также могут менять свою форму в результате изгиба вала, вызванного перегрузкой двигателя или крутильными колебаниями. Подобные изменения формы шейки также меняет масляный зазор, разрушая масляную пленку, разделяющую поверхности вкладыша и шейки.
Поверхности вкладышей и шейки не являются идеально гладкими. Прямой контакт деталей может быть вызван также шероховатостью поверхности шейки. Качество поверхности шейки особенно важно для гоночных подшипников, которые могут работать с малой толщиной масляной пленки.
Масло, работающее в двигателе, всегда содержит примеси и загрязнения. Твердые частицы, попавшие в масло, могут застрять между трущимися поверхностями, вызывая сухое трение и ускоряя износ материала вкладышей. Масло, вытекая из вкладыша, сливается в поддон, а утечка компенсируется маслом, подаваемым масляным насосом.
Если утечка через зазоры близка к производительности насоса или превышает ее, количество масла становится недостаточным для образования стабильного «масляного клина». В результате смазка подшипника скольжения становится полусухим или сухим, характеризующимся контактом металлов между поверхностями вкладыша и шейки. Подобные условия называются масляным голоданием.
Таким образом, подшипники в реальном двигателе работают в смешанном режиме смазки, характеризующемся периодическим контактом между поверхностями трения.
В отличие от идеального гидродинамического режима, вкладыши, работающие в режиме смешанной смазки, должны иметь определенную комбинацию свойств материала, в том числе связанные с мягкостью.
Свойства материалов вкладышей
В гоночных двигателях вкладыши работают в условиях высоких переменных нагрузок, высоких оборотов, периодического контакта деталей подшипников и при наличии загрязнений, попавших в масло.
Вот основные свойства материалов для вкладышей двигателя:
-
Нагрузочная способность (усталостная прочность) – максимальное значение циклических напряжений, которому вкладыш может противостоять, не образуя усталостных трещин после множественного числа циклов нагружения.
-
Износостойкость – способность материала вкладыша сохранять форму в условиях смешанной смазки и при наличии посторонних частиц, занесенных маслом.
-
Совместимость (устойчивость к заклиниванию) – способность материала вкладыша сопротивляться физическому соединению («свариванию») с шейкой коленвала, когда она контактирует с поверхностью вкладыша.
-
Способность к местной деформации – способность материала вкладыша приспосабливаться к несовершенствам геометрии шейки, корпуса или самого же вкладыша.
-
Способность к поглощению – свойство материала вкладыша задерживать мелкие посторонние частицы, занесенные с маслом.
-
Сопротивление коррозии – способность материала вкладыша противостоять химическому разрушению со стороны масла или веществ, которые могут загрязнить масло.
-
Сопротивление кавитации – способность материала вкладыша противостоять ударным напряжениям, вызванным схлопывающимися кавитационными пузырьками, которые образуются в результате резких локальных изменений давления в циркулирующем масле.
Усталостная прочность, износостойкость и сопротивление кавитации характеризуют прочность и твердость материала.
Совместимость (устойчивость к заклиниванию), способность к местной деформации и способность к поглощению связаны с мягкостью материала. Вкладыши двигателя должны сочетать все эти противоречивые требования, в зависимости от условий работы. Это очень сложная задача, так как одни характеристики (прочность и жесткость) плохо сочетается с другими («мягкостью»).
Структуры материалов вкладыша
Нужные качества может быть достигнуты, если материал вкладыша имеет композитную структуру.
Вкладыши для подшипников скольжения двигателя обычно выполняют из стальной ленты, на которую нанесена относительно твердая основа (сплавы на основе меди или алюминия), в сочетании с твердой смазкой: либо тонкий верхний слой, либо мелких антифрикционных частиц, распределенных по всему материалу основы.
Вкладыши с тонким верхним антифрикционным слоем называются триметаллическими, а без верхнего слоя – биметаллическими.
Конструкция типичных триметаллических и биметаллических вкладышей показана на рисунке ниже.
Ниже показана микроструктура типичного триметаллического вкладыша.
Верхний слой дает вкладышу требуемую «мягкость». Мягкие свинцовистые сплавы, обычно используемые как верхний антифрикционный слой в гоночных вкладышах, имеют великолепные совместимость (устойчивость к заклиниванию), способность к местной деформации и способность к поглощению.
Прочность обеспечивается расположенным промежуточным слоем – из освинцованной бронзы. Свинец нужен, чтобы улучшить стойкость к заклиниванию.
Триметаллические вкладыши имеют ограничение по толщине верхнего слоя, которая всегда является результатом компромисса между требуемой нагрузочной способностью и антифрикционными свойствами вкладыша.
Если верхний слой частично стерся, это увеличивает опасность заклинивания между шейкой коленвала и вскрытой бронзой промежуточного слоя.
Биметаллические вкладыши не имеют верхнего слоя; поэтому они более терпимы к величине износа.
Следующий рисунок показывает типичную микроструктуру биметаллического вкладыша.
Слой алюминиевого сплава в биметаллическом вкладыше содержит микрочастицы олова, распределенные по всей алюминиевой матрице. Олово здесь служит твердой смазкой. Сами алюминиевые сплавы обычно мягче, чем бронза в триметаллических вкладышах. Поэтому они обеспечивают хорошее совместимость (устойчивость к заклиниванию), способность к местной деформации и способность к поглощению.
Толщина алюминиевого сплава в биметаллическом вкладыше составляет около 0,30 мм. В результате он может выдержать большую деформацию и несоосность, чем триметаллический гоночный вкладыш, толщина верхнего слоя которого всего лишь 0,013 мм.
pMax Black™: усиленный материал для триметаллического вкладыша
Триметаллические вкладыши с «мягким» свинцовым верхним слоем традиционно популярны в гоночных двигателях. Однако мощность подобных двигателей значительно увеличилась за последние годы. При этом также увеличились нагрузки на вкладыши.
Помимо большей нагрузки, появилась тенденция использовать моторные масла с пониженной вязкостью, чтобы уменьшить потери мощности на трение.
Таким образом, вкладыши в современном гоночном двигателе работают при более высоких нагрузках и уменьшенной минимальной толщине масляной пленки. Нагрузочная способность и износостойкость традиционных триметаллических материалов уже не отвечает современным требованиям.
Инженеры компании King Engine Bearings решили эту проблему с помощью усиленного триметаллического материала под названием pMax Black™.
Он был разработан специально для высокофорсированных гоночных двигателей. Эта технология делает возможным образование сверхтонкой «закаленной» пленки на поверхности верхнего слоя вкладыша.
Подобная пленка значительно сокращает износ верхнего слоя и эффективно препятствует образованию усталостных трещин на поверхности вкладыша.
Стендовые эксперименты показали, что усталостная прочность верхнего слоя pMax Black™ составляет около 700 атм., что на 17 % больше, чем прочность традиционных триметаллических вкладышей (590 атм).
В то же время, сохранены все свойства «мягкого» верхнего слоя: устойчивость к заклиниванию, способности к местной деформации и поглощению. Подобные вкладыши легко узнать по темному цвету рабочей поверхности.
Важно подчеркнуть, что верхний слой pMax Black™, с его упрочненным сверхтонким верхним слоем остается значительно мягче, чем сталь или чугун. Поэтому он не вызывает повреждений поверхности шейки в случае кратковременного контакта «металла-металл».
Биметаллические гоночные вкладыши HP
Большинство алюминиевых сплавов, используемых в биметаллических вкладышах, имеют допустимое давление не более 680 атм. Поэтому их нельзя использовать в двигателях, совмещающих высокую степень форсировки нагрузки и относительно большой ресурс.
Чтобы лучше соответствовать ситуациям, в которых характерные свойства биметаллических вкладышей проявляются оптимальным образом, King Engine Bearings разработал биметаллические гоночные вкладыши серии HP.
Подобные вкладыши HP лучше всего подходят для стритрейсинга, гонок дрегстеров и, даже, для гонок на кольцевых трассах средней протяженности.
Алюминиевый сплав во вкладышах HP обеспечивает сбалансированное сочетание хорошей нагрузочной способности с хорошими способностями к поглощению и к местной деформации, что важно для удержания посторонних частиц и компенсации прогибов коленвала.
Устойчивость сплава к заклиниванию также улучшена добавкой кремния в его состав.
ХОТИТЕ СТАТЬ АВТОРОМ?
Пришлите свою статью
Коренные и шатунные вкладыши | Oil-club.ru
Как часто в разговорах и бывалых водителей и механиков, и новичков можно услышать фразу: «Движок стуканул!» или «Провернуло вкладыш». И все, или почти все, понимают, что разговор идет об аварии двигателя внутреннего сгорания, а именно, о выходе из строя подшипников скольжения коленчатого вала, будь то коренных, или шатунных. Эти аварии занимают одно из первых мест по частоте из всех серьезных происшествий с двигателем. Причем, чего греха таить, вину за происшедшее чаще всего возлагают на моторное масло. «Я, мол, залил масло такое-то, вот его качество и виновато!». А между тем, с одной стороны, имеется достаточное количество причин выхода из строя подшипников коленчатого вала, и далеко не все из них напрямую связаны с качеством моторного масла, а с другой стороны, имеется громадный опыт безаварийной эксплуатации таких же подшипников с не укладывающемся в нашем представлении пробегом в один, два и даже более миллионов километров.
Так какие же факторы могут стать причиной выхода подшипников из строя? Как по внешнему виду аварийного подшипника можно выявить эту причину? Как добиться того, чтобы за время эксплуатации автомобиля исключить хотя бы этот тип аварии двигателя? Вот с этими вопросами мы и попытаемся разобраться в этой статье.
Но для начала посмотрим, как устроен обычный подшипник коленчатого вала.
Рис. 1. Типичная конструкция коренного подшипника
На рисунке показан типичный состав слоев (от коленчатого вала по направлению к ложу подшипника) и их толщина:
- Защитный оловянный слой толщиной 1 микрон;
- Покровный слой — сплав медь (3%) – олово (8-12%) — свинец (до 100%), толщина 12-25 микрон;
- Никелевая прокладка (никелевый барьер), толщина 1-2 микрон;
- Вкладыш подшипника — сплав меди (69-75%), свинца (21-25%) и олова (3-4%), общей толщиной 250-400 микрон;
- Стальная основа толщиной 2-4 миллиметра и
- Защитный оловянный слой толщиной 0.5 микрон.
В некоторых случаях вкладыш подшипника изготавливают не из меди, свинца и олова, а из специального алюминиевого сплава.
Такая конструкция подшипника обеспечивает его следующие положительные характеристики:
Согласованность покровного слоя: мягкий гладкий материал этого слоя должен поддаваться (изнашиваться) для соответствия отклонениям размеров вала и незначительной несогласованностью с осью вращения, особенно при обкатке. Материал покровного слоя легко поддается без ущерба шейке вала.
Поглотительная емкость покровного слоя: мельчайшие частицы твердых веществ (грязи, продуктов износа и т.п.) могут поглощаться мягким материалом покровного слоя и покрываться мягкой пленкой, предотвращая вредные задиры, а, следовательно, износ шейки вала и самого подшипника.
Стойкость к заклиниванию: задир, истирание и рифление поверхности может вызываться твердофазной сваркой между скользящими поверхностями в случае, когда масляная пленка между подшипником и шейкой вала тонка или разорвана. Основной компонент покрытия, а именно, свинец является мягким металлом, который может работать в условиях граничной (плохой) смазки при запуске или останове двигателя. Исследователи подтвердили, что пленка с малым напряжением сдвига (т.е. покровный слой) на металле с высоким напряжением сдвига (т.е. на вкладыше) обеспечивает наименьшее трение. Опыт эксплуатации показывает, кроме того, что подшипники дизельных двигателей до 1996 года, не содержащие покровного слоя, часто заклинивали и проворачивались, особенно при запуске.
Коррозионная устойчивость покровного слоя: Она необходима для предотвращения коррозионного разъедания медно-свинцового вкладыша. Свинец легко поддается разрушению окисленным маслом или маслом с недостаточным общим щелочным числом (TBN), и значит, не способен бороться с кислотными продуктами сгорания топлива. Без покровного слоя, свинец вкладыша будет энергично растворяться, вызывая снижение его прочностной структуры. Для снижения разъедания покровного слоя, свинец в нем сплавлен с устойчивым к кислотам оловом, который, кроме того, упрочняет структуру покрытия.
Никелевый барьер: тонкий слой никеля между покровным слоем и вкладышем необходим для предотвращения миграции олова из покровного слоя в медно-свинцовый вкладыш при высоких рабочих температурах, а также со временем. Без никелевого барьера олово из покровного слоя будет проникать в материал вкладыша и образовывать нежелательные хрупкие сплавы с медью. При диффузии олова в медь наблюдаются два вредных эффекта. Уменьшение количества олова в сплаве покровного слоя уменьшение коррозионную устойчивость этого слоя. С другой стороны, хрупкие интерметаллические сплавы олова с медью могут вызывать проворачивание подшипника в случае, если до них достанет шейка вала. Чтобы избежать необходимости нанесения никелевого слоя, некоторые изготовители подшипников применяют свинцово-индиевый покровный слой.
Защитный слой: оловянное покрытие, которое защищает подшипник от атмосферной коррозии (ржавление стальной основы) и позволяет длительное хранение в обычных условиях.
Подшипники с алюминиево-кремниевым сплавом применяются реже медно-свинцовых. Они значительно сильнее подвергаются кавитации в высокоскоростных высоконагруженных двигателях. Технология их изготовления несколько сложнее, так как для того чтобы на алюминиевый сплав вкладыша нанести покровный слой приходится использовать специальную технологию для получения высококачественного сцепления.
Полевые испытания выпускаемых в США дизельных двигателей показали, что подшипники этих двигателей могут работать 1 миллион (1.6 млн. км) и более миль без замены. Но чтобы достигнуть такого срока службы, требуется комбинация нескольких факторов:
- Качественные подшипники, которые правильно установлены.
- Коленчатый вал с правильными контурами шеек с соответствующим качеством обработки поверхности.
- Надлежащая практика технического обслуживания по срокам замены масляного и воздушного фильтров.
- Рекомендованные изготовителем двигателя интервалы замены масла.
- Предотвращение попадания в моторное масло охладителя и топлива.
- Использование масла соответствующих градаций вязкости SAE и стандарта качества API.
- Контроль эксплуатационных условий двигателя для исключения сильной перегрузки, чрезмерных оборотов, перегрева двигателя.
Эксперимент проводился в транспортных парках, имеющих грузовики Cummins, Detroit Diesel, Caterpillar и Mack. В результате этого испытания было упразднено ранее действующее правило «критерия обобщенного износа» в 300 000 миль (483 000 км), т.е. после такого пробега двигатель ставился на капитальный ремонт.
Испытуемые двигатели имели мощность 220-260 кВт (300-365 л.с.) с заменами масла в интервале от 15 000 до 32 000 миль (23 000 – 50 000 км). Однако подшипники одного из новых грузовиков Mack проработали 1 млн. миль при интервалах смены масла в двигателе через 50 000 миль (80 000 км). Более чем десятилетние полевые испытания показали, что при соответствующей эксплуатации наиболее нагруженные подшипники, а именно, шатунные, имеют безаварийный пробег от 1 до 1.5 млн. миль (до 2 400 000 км)!
Такие интервалы безаварийной работы моторных подшипников не в последнюю очередь зависят от улучшения в стандартах качества масел API. Внутри этой системы определены строгие проверочные испытания, в том числе и на коррозию подшипников. Это тесты:
- моторный бензиновый тест L-38 на износ подшипника
- стендовый тест Cummins на коррозию подшипника
- дизельный тест Mack T-9.
Тест L-38
Тест L-38 был разработан для оценки влияния смазочного материала на медно-свинцовый подшипник и стабильность масла к сдвигу. Все моторные масла, имеющие действующие спецификации API (CD, CF-2, CF-4, CG-4, SH, SJ) должны пройти тест L-38 на износ подшипника. Тест использует одноцилиндровый двигатель Labeco, который был разработан в 1950 году и до сих пор работает на этилированном бензине. Для теста используются медно-свинцовые подшипники без покровного слоя.
Цель теста – оценить коррозионную способность окисленного смазочного материала на подшипник. Окисленное масло содержит в своем составе органические кислоты, корродирующие свинец. Для этого температура масла в главной масляной магистрали двигателя L-38 поддерживается при 143°С во время всего 40-часового испытания. Двигатель гоняется при очень маленькой нагрузке при 3150 об/мин. Эти скорости и нагрузки гарантируют постоянный поток масла вдоль поверхностей подшипника. Если масло окисляется, то коррозия верхних и нижних подшипников произойдет однородно поперек вкладышей. Уровень воздействия определяется потерей веса подшипника до и после испытания.
В современных высококачественных маслах (т.е. API CF-4/CG-4/SH/SJ) окисление масла хорошо подавляется ингибиторами окисления, моющими и противозадирными присадками. Однако, в масле могут происходить сложные химические взаимодействия с образованием продуктов, способных корродировать медно-свинцовый сплав, или активная сера из пакета присадок будет разрушать вкладыш подшипника. В этом случае тест L-38 еще до поступления масла в продажу будет гарантировать, что его состав правильно сбалансирован по присадкам.
В 2001 году этот тест должны перевести на неэтилированный бензин для новой бензиновой спецификации API SL.
Стендовое испытание на коррозию Cummins
В 1985 году было установлено коррозионное разрушение бронзового пальца ролика толкателя клапанов. Это разрушение было обусловлено высокими уровнями дитиофосфата молибдена, добавляемого к маслу API CD/SF в качестве присадки для экономии топлива. Масла, использующие эту присадку, проходили тест L-38.
Такой бронзовый палец изготавливается из сплава, содержащего 95% меди и 5% олова и используется во многих дизельных двигателях и по сей день. Однако, дитиофосфат молибдена вызвал серьезный коррозионный износ пальца, образуя легко изнашиваемый сульфид меди.
Такое разрушение можно смоделировать в стендовых испытаниях и этот тест добавился при испытании масел API CG-4/CH-4. В тесте используются четыре металлических пластины из чистых свинца, меди и олова и фосфористой бронзы. Эти пластины погружаются в 100 мл масла, нагретого до 135°С с барботажем воздуха на 168 часов. По окончанию теста масло анализируется на содержание в нем вышеназванных металлов, а пластинка меди – на изменение цвета.
Тест Mack T-9
Хотя тесты L-38 и Cummins успешно применяются для исключения коррозии подшипников, они ничего не могут сказать о продленных интервалах смены масла, в результате которых общее щелочное число (TBN) масла может упасть ниже допустимого уровня и вызвать кислотное разрушение подшипников.
Тест Mack T-9 имеет продолжительность 500 часов. За это время, масла прошедшие тесты L-38 и Cummins, но имеющие недостаточное общее щелочное число вызовут износ колец и гильз и коррозию подшипников. Тест был введен в спецификацию CH-4 и из-за него TBN масел CH-4 возрос до 9-12.5.
Тест Mack T-9 показал, что он является точным инструментом для измерения коррозии медно-свинцовых подшипников с оловянно-свинцовым покрытием. Двигатель Mack 1994 года, рядный, 6-ти цилиндровый, 12-ти литровый развивает мощность 269 кВт (350 л.с.) при 1800 об/мин. Устанавливаются такие моторные условия, что первые 75 часов теста протекают при расчетной нагрузке, а остальные 425 часов при максимальном вращающем моменте (1250 об/мин) с 15% передозировкой топлива, что дает возможность получить 290 кВт мощности (390 л.с.). Максимальное давление сгорания в этих условиях 20.7 МПа. Понятно, что пиковый вращающий момент производит высокий износ колец и гильз, а также высокий износ подшипников. Температура масла в главной масляной магистрали 104°С, содержание серы в топливе 0.05 вес. %.
Высококачественные моторные масла, прошедшие эти тесты, в сочетании с высококачественными подшипниками и соответствующей практикой техобслуживания позволят эксплуатировать двигатели до пробега в 1 млн. миль
Однако за длительный период наблюдений набрались факты выхода моторных подшипников из строя. Далее приводится анализ причин, вызвавших эти аварии.
Утечка охлаждающей жидкости (антифриза)
Коррозия подшипников, обусловленная утечкой охлаждающей жидкости на основе гликолей (антифриз и т.п.) обычно совершенно очевидна. Корродируют все медно-свинцовые подшипники (шатунные, коренные и полуподшипники опоры вала), а также масляный радиатор.
Подшипники имеют яркий медный цвет. Здесь наблюдается полная потеря покровного слоя. На микрофотографиях сканирующей электронной микроскопии можно было увидеть значительную коррозию меди и свинца.
Рис. 2. Электронная микрофотография коррозии шатунного подшипника, вызванная утечкой гликолевой охлаждающей жидкости. Увеличение 150х.
Этиленгликоль, основа охлаждающих жидкостей, при попадании в моторное масло в столь суровых условиях (высокая температура и сильное насыщение воздухом) легко окисляется до щавелевой и муравьиной кислот. Это относительно сильные органические кислоты и легко реагируют с окислами меди и свинца. Химическое коррозионное разрушение органическими кислотами, как полагают, продолжает воздушное окисление меди и свинца. Образовавшиеся соли легко растворяются в потоке масла и уносятся с поверхности подшипника. В результате – яркая свежая поверхность металла, открытая для дальнейшего разъедания.
Миграция олова из покровного слоя
Подшипники были возвращены с полевых испытаний после проворачивания при относительно малом пробеге в 280 000 миль (450 000 км). Исследования показали, что два разных поставщика снабжали данные двигателя подшипниками, и подшипники одного из них выходили из строя чаще и в динамометрических, и в полевых испытаниях. Все они демонстрировали удаление покровного слоя.
Ни один из этих аварийных подшипников не имел никелевой прослойки между покровным слоем и вкладышем. При исследовании новых подшипников было установлено, что при их производстве олово из покровного слоя продиффундировало в сплав вкладыша и прореагировало с медью. Рентгеновский дифракционный анализ показал на границе раздела покровного слоя и вкладыша слой интерметаллического соединения толщиной 2 μm состава εCu3Sn. В этом случае покрытие содержало 7% олова. Другой же подшипник, содержащий в покровном слое 19% олова, образовал слой интерметаллида толщиной 1.2 μm.
Интерметаллическое соединение εCu3Sn является весьма твердым веществом с высокими фрикционными свойствами. И если в результате коррозии подшипник теряет покровный слой, то шейка коленчатого вала, войдя в контакт с твердым интерметаллидом, проворачивает подшипник и приводит к аварии двигателя. Решение проблемы – использование прослойки из никеля толщиной 1-2 микрона между покровным слоем и вкладышем в медно-свинцовых подшипниках. Никелевая прослойка выполняет функцию барьера, не позволяющему олову покровного слоя диффундировать во вкладыш со всеми вытекающими последствиями.
Потеря подшипником покровного слоя из-за незначительных утечек охлаждающей жидкости
Ранее мы рассмотрели коррозию подшипников из-за значительной утечки охлаждающей жидкости. Но оказывается, что и небольшие количества жидкости в моторном масле могут вызвать аварию подшипников.
Аварийные подшипники были лишены покровного слоя с частичным или полным обнажением металла вкладыша красного цвета. Исследование подшипников сканирующей электронной микроскопией показало наличие белых сферических частиц (шариков) со средними размерами от 15 до 40 микрон. Эти шарики не только поглощались покровным слоем, но и как бы пахали его. В результате, покровный слой был удален как бы абразивным износом, хотя и не в классическом смысле режущим действием шлифовальным зерном, но деформацией и вспахиванием мягкого материала такими шариками.
Было ясно, что сферические частицы были тверже покровного слоя, а по своему химическому составу (кальций, фосфор, сера и др.) они образовались из присадок моторного масла. Эти частицы назвали «масляными шариками».
Лабораторные исследования показали, что «масляные шарики» можно получить энергичным перемешиванием 2% гликоля с обычным моторным маслом в лабораторном стакане при 150°С в течение 2 часов.
Рис. 3. Электронная микрофотография «масляных шариков» вмурованных в покровный слой и вспаханный слой. Увеличение 1000х.
Механизм их образования следующий. Моторное масло в работающем двигателе энергично перемешивается вращающимся коленчатым валом и ударами шатунов. При наличии в масле небольшого количества охлаждающей жидкости или воды, они распределены в объеме масла в виде микроскопических капелек. Так как растворимость веществ присадок в воде значительно большая, чем в масле, в этих капельках сосредотачивается большая концентрация химических компонентов. При высокой температуре очень быстро протекают химические реакции между веществами присадок, приводящие, в конечном счете, к образованию весьма твердых по своей природе фосфорным соединениям кальция и цинка. И как только такая капелька «рассола» попадет на поверхность масла или на поверхность горячей детали, вода мгновенно испаряется и остается сферический комочек твердого вещества – «масляный шарик». Ну а дальше все просто. Попадая с потоком масла в зазор между шейкой коленчатого вала и подшипником, эти шарики начинают вести свою разрушительную работу – покровный слой подшипника по мере размеров «шариков» или поглощает их, если они меньше его толщины, или слой вспахивается, если «шарики» более крупные. Вспаханный слой обладает значительно худшей адгезией (прилипанием) к нижележащему вкладышу и начинает энергично смываться. Результат видели многие водители и механики – поверхность подшипника из серебристой становится сплошь красной или пятнистой. А в этом случае и до «стука» недалеко.
Однако, иногда наблюдается потеря покровного слоя на краях шатунных подшипников. Этот феномен не приводит, как правило, к аварии, но вызывает интерес механиков-мотористов. Это явление вызывается постелью шатунного подшипника, не являющейся совершенно ровной и прогибающейся по краям, где она менее жестка. Часто повышенная нагрузка на краю подшипника вызывается вогнутой поверхностью шейки вала, которая объясняется чрезмерной полировкой шейки в середине. Кроме того, масляная пленка на краю подшипника минимальна по толщине и несущей способности из-за срыва подъемной силы масляного клина на открытом участке.
Нарушение сцепления: отделение медно-свинцового сплава вкладыша от стальной основы
Достаточно редко, но наблюдается выход одного подшипника за другим в совершенно нормальных условиях эксплуатации. На таких подшипниках невооруженным глазом видны открытые свищи на поверхности вкладыша и рядом по направлению вращения коленчатого вала вчеканеные в покровный слой выколовшиеся фрагменты вкладыша. Другие же фрагменты, унесенные потоком масла, могут явиться причиной вторичных повреждений. Микроскопические исследования поперечного среза такого свища показывают наличие пустоты. Оплавленный вид стенки раковины (свища) дает основание предположить о производственном дефекте таких подшипников при литье.
Рис. 4. Расслоение. Показана дыра в медно свинцовом сплаве и соответствующий кусок из этой дыры. Увеличение 3х.
Кавитационные повреждения подшипников
Кавитация, или правильнее, кавитационная эрозия, не вызывает аварии подшипника, но результатом ее является пятнистый вид поверхности подшипника. Обломки слоев подшипника, образовавшиеся в результате кавитационной эрозии, попадают между шейкой вала и покровным слоем и впечатываются в него.
Рис. 5. Прогрессирующая кавитационная эрозия алюминиевого шатунного подшипника вблизи поверхности разъема.
Кавитационная эрозия – результат действия микроструй высокого давления, образующихся в момент схлопывания пустот в объеме масла в зоне отрицательного давления. В масле в подшипниках отрицательные давления возникают в двух случаях – при вибрации и наличии быстро разбегающихся трущихся поверхностей, разделенных масляной пленкой. Разрыв непрерывной жидкой фазы в области пониженных давлений порождает образование пустот в виде пузырьков, которые с огромной скоростью схлопываются при попадании в область повышенных давлений. В этот момент образуется реактивная микроструя, несущая огромную (для размеров пузырька) энергию. Ее направление и удар могут быть направлены в любую сторону, но если струя попадает на поверхность мягкого покровного слоя подшипника, она как кумулятивный снаряд, разрывает ее. Микрооспины разрушений постепенно разрастаются, объединяются и вот они уже становятся заметны невооруженным глазом. В микротрещины между поврежденным покровным слоем и вкладышем проникает масло, ослабляя силы сцепления покрытия с вкладышем. Кроме того, тепловые перепады влияют на масло и металл, опять же раскачивая зоны сцепления двух слоев. Через некоторое время крупные куски покровного слоя отваливаются и уносятся потоком масла, вызывая затем вторичные разрушения, или вчеканиваются в еще целую поверхность покрытия, меняя ее прочностные и эксплуатационные характеристики. Подшипники выходят из строя.
По данным исследователей процесса кавитационной эрозии подшипников, она может происходить в результате:
- флуктуации (колебаниям) давлений в потоке масла из-за особенностей поверхности подшипника и шейки вала, таких как канавок и сверлений;
- инерционных эффектов масла внутри сверлений шатуна, используемых для подачи масла к шатунному пальцу и для охлаждения поршня;
- вибрации шейки вала в пределах зазора подшипника.
Зона скопления кавитационных повреждений в основном сосредоточена на верхнем шатунном подшипнике из-за упругой деформации верхнего бугеля при различных тактах двигателя, вызывающей образование пустот и их схлопывание в масляной пленке. Кроме того, не последнее место в образование пустот занимает и сверление шейки вала для подачи масла к подшипнику.
Хотя кавитационная эрозия наблюдалась и на медно-свинцовых подшипниках, более часто она проявляется на алюминиевых подшипниках из-за их более низкой усталостной прочности.
Абразивный износ покровного слоя
Это один из самых распространенных механизмов аварии подшипников. Однако этот тип аварий в настоящее время с успехом устраняется применением превосходных систем фильтрации моторного масла. Современные двигатели работают с 25-40 микронными полнопоточными фильтрами в комбинации с 10-15 микронными байбасными фильтрами. В некоторых случаях 25-40 микронные фильтры объединены с центрифужными фильтрами.
Однако, поломки подшипников, обусловленные грязью, происходят в очень мощных двигателях. С середины 90-х годов мощности транспортных грузовиков и внедорожных транспортных средств значительно возросла. Из-за увеличения нагрузок на подшипники, некоторые производители двигателей склоняются к «напыленным покрытиям» для увеличения их грузоподъемности. Эти гетерогенные алюминиево-оловянные покрытия имеют большую стойкость к износу и усталости, но меньшую поглотительную способность для грязи. Их безаварийная работа еще в большей степени зависит от чистоты двигателя и очистительной системы моторного масла.
Рис. 6. Поверхность шатунного подшипника. Показан абразивный износ вблизи масляного отверстия.
Начиная с 1991 года, растет уровень сажи в моторном масле. Это вызвано ограничениями по выбросам окислов азота в атмосферу с выхлопными газами. Для снижения уровня окислов азота в выхлопных газах необходимо снизить температуру сгорания топлива в цилиндрах дизельных двигателей. Для этого применяют более поздний впрыск топлива. Но в этом случае, вместе со снижением уровня окислов азота, происходит повышенное образование сажи, которая накапливается в моторном масле. Весьма актуальным становится вопрос борьбы с сажевым износом подшипников, и особенно подшипников и деталей кулачкового вала газораспределительного механизма верхнего расположения.
Разрыв масляного потока: авария одиночных подшипников
Во время эксперимента встречались случаи выхода одиночных подшипников из строя без видимых причин. Анализ аварийных подшипников показал наличие контакта «металл-металл» между подшипником и шейкой вала. Вид такого подшипника приведен на рис. 7.
Очевидно, несущая способность масляной пленки в какие то моменты оказывалась недостаточной. Такое может произойти из-за не соответствующей подачи масла, чрезмерной нагрузки, неточного попадания размеров в допуски, перегрев подшипника или какой-нибудь комбинации перечисленных факторов.
На ряде внедорожных транспортных средств, все такие аварии происходили во время резкого снижения нагрузки в процессе работы. Проворачивало только по одному подшипнику, в то время как остальные были в хорошем состоянии. Это значит, что количества масла, поступающего на аварийный подшипник, вдруг стало недостаточно. На минимальную величину масляной пленки могут влиять два основных фактора – вибрация мотора и разбаланс распределения нагрузки. При этом может произойти разрыв масляного потока. У подшипника, к которому на мгновение не поступает масло, резко подскакивает температура. Увеличение температуры производит двойной эффект: понижение вязкости масла и уменьшение зазора между подшипником и валом. С уменьшением вязкости масла происходит изтоньшение масляной пленки, а с уменьшением зазора уменьшается количество поступающего масла. Такой цепной процесс быстро приводит к заклиниванию и проворачиванию подшипника.
Рис. 7. Авария подшипника распределительного вала. Показан размазанный свинец вблизи центра подшипника, расплавленный свинец вокруг масляного отверстия и на краю подшипника.
Исследования показали, что температура подшипника начинает резко возрастать при достижении потока масла некоторого критического значения. Кроме того, температура подшипника была обратно пропорциональна потоку масла, и находится в прямой зависимости от удельной нагрузки и поверхностной скорости.
Как видно, причин выхода из строя подшипников скольжения коленчатого и распределительного валов достаточно много. Но сейчас уже имеется большой опыт работы таких подшипников при пробеге 1 миллион и более миль. Залог такого пробега кроется в качественном изготовлении деталей двигателя и правильной эксплуатации.
М. Н. Чистяков, техн. специалист фирмы «Май Тау»
Источник: J. A. Mc Geehan and P. R. Ryason «Million Mile Bearings: Lessons From Diesel Engine Bearing Failure Analysis»
http://www.autolub.info/
Материалы для коленчатого вала
Для изготовления коленчатых валов применяются стали 45, 45А, 40Х, 20Г2 и 50Г. В дизелях, работающих с давлением наддува рк ^ 0,15 Мн/м2 (1,5 кГ/см2), для коленчатых валов используют высоколегированные стали 18ХНМА, 18ХНВА и 40ХНМА с повышенными пределами текучести и прочности.
Обычно коленчатые валы изготовляют ковкой. В последнее время стали применять литые коленчатые валы из высокопрочного чугуна, модифицированного магнием, перлитного ковкого чугуна, легированного никельмолибдено-вого чугуна.
Наибольшее применение для литых коленчатых валов получил высокопрочный ВЧ 50-1,5 (НВ 187—255) и перлитовый чугун.
Литые коленчатые валы имеют следующие преимущества по сравнению с коваными: меньший расходметалла,сокращениечисла операцийпримеханическойобработке,возможность придания оптимальных форм в отношении распределения металла и повышения усталостной прочности.
Литые коленчатые валы из чугуна обладают лучшей способностью гашения крутильных колебаний.
Литые чугунные валы обладают меньшей прочностью (особенно на изгиб), чем штампованные стальные валы. Поэтому у чугунных валов увеличивают диаметры шатунных и коренных шеек, толщину щек и радиусы галтелей. Чугунные коленчатые валы изготовляют полноопорными. Шейки чугунных валов имеют высокую износостойкость, что позволяет применять подшипники из свинцовистой бронзы.
Масса обработанного литого коленчатого вала на 10—15% меньше массы кованого.
После ковки коленчатые валы отжигают или нормализуют для снятия внутренних напряжений и понижения твердости до НВ 163—269,чтобы облегчитьмеханическую обработку.После механической обработки коленчатые валы перед шлифованием подвергают вторичной термической обработке (закалка и отпуск), что значительно улучшает их механические свойства и повышает поверхностную твердость шеек. Обычно вторичная термическая обработка производится с нагревом т. в. ч. (токами высокой частоты).
Глубина закаленного слоя должна быть не менее 3—4 м.и, чтобы после перешлифования шеек коленчатого вала под ремонтные размеры толщина закаленного слоя была не менее 1 мм. Твердость шеек коленчатого вала из стали 50Г HRC52—62, а из стали 45Г2 — HRC48—50.