Вкладыши: стандарты качества

Значение вкладышей в работе двигателя переоценить невозможно. Они поддерживают коленчатый и распределительный валы, шатуны. Именно на поверхности вкладышей образуется тонкая масляная пленка, не допускающая непосредственного контакта металла о металл. И это очень непростая задача, учитывая колоссальные нагрузки и температурные условия.

В результате воздействия постоянных нагрузок в металле вкладыша могут образовываться трещины, загрязненное масло приводит к царапанию поверхности вкладыша и его ускоренному износу, а недостаточное давление в масляной системе неминуемо ведет к безвременной его гибели. Сухой вкладыш стирается валом буквально за несколько часов до основания. Кислая среда в картере также губительна для вкладыша.

При износе вкладыша увеличившийся зазор приводит к падению давления масла . Шатунные вкладыши вдобавок к этому начинают издавать повышенный шум. Об этих симптомах необходимо постоянно помнить, чтобы, определив их, заменить вкладыши.

Чем мощнее двигатель, тем большим нагрузкам подвергаются его отдельные компоненты, в том числе и вкладыши. Поэтому вкладыши для спортивных и форсированных двигателей необходимо подбирать особенно тщательно.

Выбор материала
Практически во все современные двигатели американского и азиатского производства устанавливаются алюминиевые вкладыши. Европейские производители часто пользуются медными и свинцовыми сплавами, в первую очередь из-за значительной распространенности дизельных двигателей (такие сплавы лучше выдерживают нагрузки). Стандартный метод производства – литье.

Производители перешли на алюминиевые вкладыши по нескольким причинам. Одна из наиболее важных из них – стремление свести применение свинца в автомобилестроении к минимуму.

В 1994 году был разработан алюминиевый сплав A-500, нашедший впоследствии очень широкое применение. Его состав: 8% олова, 3% кремния, и всего 2% свинца. Следующее поколение – A-590 – не содержит свинца вообще. A-590 значительно более прочный и износостойкий сплав с содержанием около 6% кремния и 4% олова. Он может использоваться как в высокооборотистых бензиновых, так и в работающих с высокими нагрузками дизельных двигателях.

Кроме этого производители предпочитают алюминий из-за его низкой стоимости и достаточно высокой износостойкости. Алюминий не истирается сам и, соответственно, не засоряет продуктами своего разрушения масло.

Существенным недостатком алюминия является его низкая способность лк поглощению твердых частиц. Твердые частицы, заносимые потоком масла, протаскиваются шейкой вала по поверхности вкладыша и оставляют на ней глубокие следы. В случае с медно-свинцовыми вкладышами твердые частицы не процарапывают борозды в поверхности вкладыша, вязнут в ней и не причиняют таких разрушений.

Один из применяемых производителями вкладышей способов повысить способность их к поглощению твердых частиц – не прокатывать внутреннюю поверхность, а высверливать (шлифовать) ее. После этого на поверхности остаются микроскопические канавки, подобные тем. Что остаются на стенках цилиндров после хонингования. Благодаря им масляная пленка прочнее удерживается на поверхности металла, в них же оседают мелкие твердые частицы.

Алюминий имеет более высокую температуру плавления, чем медно-свинцовые сплавы (свыше 630?С). А это – дополнительная защита от локального перегрева, довольно часто случающегося в двигателе в результате детонации, перегрузок и т.д.

Таким образом алюминиевые вкладыши могут быть в принципе установлены в любой двигатель. Обеспечивая долгую и надежную работу двигателя при условии регулярной замены масла. Медно-свинцовые вкладыши гораздо менее требовательны к чистоте масла и небольшим дефектам поверхности шеек вала.

Медно-свинцовый сплав по-прежнему остается фаворитом в автоспорте. Хотя алюминий прочнее, он не настолько хорошо как медно-свинцовые сплавы противостоит уставанию и просто механическим нагрузкам.

Чаще всего медно-свинцовый вкладыш имеет три слоя. Стальная основа покрывается баббитом (толщина – 0,0125-0,015 мм). Часто сверху на этот слой наносится микротонкий слой олова, исключительно в декоративных целях. Трехслойная конструкция обеспечивает сочетание прочности, износостойкости и способности к поглощению твердых частиц. Такой вкладыш выдерживает нагрузку свыше 25 000 кПа на квадратный сантиметр против 13 000 кПа алюминиевого вкладыша.

Алюминий или медно-свинцовый сплав?
Спор о том, какие же вкладыши, алюминиевые или медно-свинцовые, лучше устанавливать, начался весьма давно и в ближайшее время вряд ли закончится. Некоторые производители предлагают альтернативу этим двум вариантам – трехслойный вкладыш на основе чистой меди покрытой сплавом никеля и олова, верхний слой на вкладыше – баббит. Такие вкладыши дороже как алюминиевых, так и медно-свинцовых, прочность их и способность выдерживать нагрузки приближается к аналогичным показателям медно-свинцовых, однако они экологически безвредны. Кроме этого подобные вкладыши отличаются значительной долговечностью и великолепной способностью к поглощению твердых частиц.

Одной из достаточно распространенных причин выхода из строя вкладышей является детонация. Высококачественные вкладыши с повышенным пределом прочности в состоянии выдержать подобные нагрузки, однако достаточно высокая цена ограничивает их повсеместное использование.

Хорошие результаты дает покрытие алюминиевого вкладыша тефлоном. Подобное покрытие обеспечивает дополнительную защиту.

Вкладыши с покрытием
Последняя разработка в данной области – вкладыши со специальным покрытием, лидеры в данной области – Dana/Clevite и Federal Mogul/Speed Pro. Практически все двигатели в автоспорте оснащаются такими вкладышами.

Различные типы покрытий предназначены для снижения трения и повышения термоустойчивости и износостойкости. Однако основное предназначение покрытия – защита двигателя при сухом и холодном старте и при падении давления в масляной системе. Другими словами – это дополнительная защита помимо масла.

Разработка компании Federal Mogul – покрытие "Duroshield", дисульфат молибдена (MoS2) на полимерной основе. Толщина покрытия – не более 0,075 мм, оно прочно соединяется с поверхностью металла, впитывает и надежно удерживает в себе масло. Испытывалось покрытие в поистине нечеловеческих условиях – в двигателе мощностью свыше 3 000 л/с!

Покрытие компании Dana Corporation имеет название "TriArmor" – молибден и графит на основе сложного полимера.

Если бы двигатель работал в идеальных условиях, нужды в каких-либо специальных покрытиях не возникало бы никогда. Однако в реальном мире приходится делать поправку на огромное множество самых разнообразных фактором, в большинстве своем крайне негативно влияющих на двигатель. И именно поэтому дополнительная защита вкладышей не будет лишней.

Грубо говоря, оптимальная толщина масляной пленки на вкладыше – 0,001 мм на каждый см диаметра шейки вала. Плюс поправка 0,0125 мм. Однако при установке вкладышей с покрытием нет необходимости делать эту поправку, т.е. Они обеспечивают более плотное прилегание и четкость работы.

Один из лучших доводов в пользу вкладышей с покрытием приводит один из именитых производителей в США: Swain Coatings. В 1993 году компания выпустила ограниченную серию деталей с покрытием для ряда команд NASCAR. На одной из машин с обработанными таким образом ездил Алан Калвики (Alan Kulwicki). В ходе гонки у него порвался ремень масляного насоса, однако несмотря на это гонщик проехал еще около 5 кругов и только после этого заехал в бокс для замены ремня. В подобных условиях любой другой двигатель просто остановился бы, однако покрытие вкладышей позволило команде достойно завершить гонку.

Разработать и нанести покрытие на вкладыш далеко не так легко как может показаться. Небольшая погрешность в процессе производства и покрытие не выдержит давления и отслоится. Покрытие не просто приклеивается к металлу, оно создает псевдо-металлургическую связь.