Агрегаты, узлы, системы, детали
 Скачать 0.85 Mb.
|
|
42 АБС-АВТО / АВГУСТ 2012 АГРЕГАТЫ, УЗЛЫ, СИСТЕМЫ, ДЕТАЛИ АВТОКОМПОНЕНТЫ И ЗАПЧАСТИ / ДЕТАЛИ ДВИГАТЕЛЯ / ДМИТРИЙ КОПЕЛИОВИЧ, King Engine Bearings Ltd. Функции подшипников Вращающиеся компоненты двигателей внутреннего сгорания оборудо- ваны подшипниками скольжения, которые выполняют разные функции: • коренные вкладыши поддерживают коленчатый вал и обеспечивают его вращение. Устанавливаются в блоке цилиндров. Каждый вкладыш состоит из верхней и нижней половин. На внутренней поверхности верхней половины, как правило, есть канавка для смазки и отверстие для подачи масла. • шатунные вкладыши обеспечивают вращение шейки шатуна, кото- рый, в свою очередь, вращает коленвал. Устанавливаются в нижней головке шатуна. • упорные кольца предотвращают осевое движение вала. Часто упор- ные кольца являются частью одного из коренных вкладышей — такие комбинированные подшипники называются буртовыми или фланцевы- ми вкладышами. • втулки верхней головки шатуна обеспечивают вращение поршнево- го пальца, соединяющего поршень с шатуном. • вкладыши распредвала поддерживают распредвал и обеспечивают его вращение. Устанавливаются в верхней части головки блока цилин- дров (или в блоке цилиндров — у двигателей с нижним расположени- ем распредвала). Подшипники скольжения смазываются моторным маслом, постоянно подающимся к их поверхности и обеспечивающим гидродинамический режим трения. Непосредственный контакт между трущимися в гидродинамическом режиме поверхностями отсутствует — благодаря масляной пленке, кото- рая образуется в сходящемся зазоре (масляном клине) между поверх- ностями подшипника и вала. Условия работы подшипников скольжения Масляная пленка предотвращает локальную концентрацию нагрузки. Однако при определенных условиях гидродинамический режим трения сменяется на смешанный. Это происходит, если имеются: • недостаточный поток масла; • высокие нагрузки; • низкая вязкость масла; • перегрев масла, дополнительно снижающий его вязкость; • высокая шероховатость поверхностей подшипника и вала; • загрязнение масла; • деформация и геометрические дефекты подшипника, его гнезда или вала. В смешанном режиме трения возникает непосредственный физиче- ский контакт поверхностей, чередующийся с гидродинамическим трени- ем. А это может привести к задирам, повышенному износу подшипника и даже к схватыванию с валом. ДВС характеризуются циклическими нагрузками подшипников, об условленными переменным давлением в цилиндрах и инерционными силами, вызванными движущимися частями. И эти циклические нагрузки АВТОКОМПОНЕНТЫ И ЗАПЧАСТИ / ДЕТАЛИ ДВИГАТЕЛЯ / Вкладыши для двигателя – детали критические На первый взгляд вкладыши — это просто штампов- ка. Но впечатление обманчиво: подшипники сколь- жения представляют собой высокотехнологические изделия из сложного композитного материала, име- ющие специфическую геометрию и точные размеры. И, что немаловажно — они являются критическими деталями двигателя, отказ которых ведет к его оста- новке и очень дорогому ремонту. WWW.ABS.MSK.RU 43 АГРЕГАТЫ, УЗЛЫ, СИСТЕМЫ, ДЕТАЛИ АВТОКОМПОНЕНТЫ И ЗАПЧАСТИ / ДЕТАЛИ ДВИГАТЕЛЯ / на подшипник могут привести к его разрушению. Отсюда — высочайшие требования к материалам, из которого он производится. Материалы подшипников скольжения Материалы, из которых делают подшипники, должны обладать многими, иногда противоречивыми, свойствами. • Усталостная прочность (максимальная нагрузка) — максимальная циклическая нагрузка, которую подшипник выдерживает в течение неограниченного числа циклов. Превышение этой нагрузки приводит к образованию усталостных трещин в материале. • Сопротивление схватыванию (совместимость) — способность материала подшипника сопротивляться свариванию с материалом вала во время прямого физического контакта между ними. • Износостойкость — способность материала подшипника сохранять свои размеры несмотря на присутствие абразивных частиц в масле, а также в условиях механического контакта с валом. • Прирабатываемость — способность материала подшипника компен- сировать небольшие геометрические дефекты вала и гнезда за счет незначительного локального износа или пластической деформации. • Абсорбционная способность — способность материала подшипника захватывать мелкие чужеродные частицы, циркулирующие с маслом. • Коррозионная стойкость — способность материала подшипника сопротивляться химическим воздействиям окисленных или загрязнен- ных масел. • Кавитационная стойкость — способность материала подшипника выдерживать ударные нагрузки, производимые схлопывающимися кавитационными пузырьками (пузырьки образуются в результате рез- кого падения давления в текущем масле). Соответственно длительная и надежная работа подшипника сколь- жения достигается соединением высокой прочности (усталостной прочности, износостойкости, кавитационной стойкости) с мягкостью (прирабатываемостью, сопротивлением схватыванию, абсорбционной способностью). То есть материал должен быть одновременно и прочным, и мягким. Это звучит парадоксально, однако существующие подшипниковые мате- риалы соединяют эти противоположные свойства — правда, с опреде- ленным компромиссом. Для достижения этого компромисса используются композитные струк- туры, которые могут быть или слоистыми (мягкое покрытие, нанесенное на прочное основание) или дисперсными (мягкие частички, распределен- ные внутри прочной матрицы). Биметаллические подшипники имеют стальное основание, обеспе- чивающее жесткость и натяг в тяжелых условиях повышенной темпера- туры и циклических нагрузок. Второй слой материала состоит из антифрикционного сплава. Его толщина относительно велика: она составляет около 0,3 мм. Толщина антифрикционного слоя — важная характеристика биметаллических подшипников, способных прирабатываться и приспосабливаться к отно- сительно большим геометрическим дефектам. Биметаллический под- шипник также обладает хорошей абсорбционной способностью, погло- щая как мелкие, так и крупные включения в масле. Обычно рабочий слой делают из алюминия, содержащего 6–20% олова в качестве твердого смазочного материала: именно олово обеспе- чивает антифрикционные свойства. Кроме этого, сплав часто содержит 2–4% кремния в виде мелких включений, распределенных в алюминии. Твердый кремний упрочняет сплав и обладает способностью полиро- вать поверхность вала — поэтому его присутствие особенно важно при работе с валами из ковкого чугуна. Сплав может быть дополнительно упрочнен небольшими добавками меди, никеля, марганца, ванадия и других элементов. Триметаллические подшипники, помимо стального основания, имеют промежуточный слой из медного сплава, содержащего 20–25% свинца в качестве твердой смазки и 2–5% олова для упрочнения меди. Третий слой представляет собой покрытие на основе свинца, кото- рое также содержит около 10% олова, повышающего коррозионную стойкость сплава и несколько процентов меди для упрочнения. Толщина покрытия составляет всего 12–20 мкм. Низкая толщина покрытия повы- шает его усталостную прочность, однако снижает антифрикционные б а Биметаллические (а) и триметаллические подшипники со свинцовистым покрытием (б, в) в 44 АБС-АВТО / АВГУСТ 2012 АГРЕГАТЫ, УЗЛЫ, СИСТЕМЫ, ДЕТАЛИ свойства (прирабатываемость, абсорбционную способность, сопротивление схватыванию), особенно если мягкое покрытие было подверг- нуто износу. Между промежуточным слоем и свинцовистым покрытием наносится очень тонкий (1–2 мкм) слой никеля, служащий барье- ром, предотвращающим диффузию олова из покрытия в промежуточный слой. Инновационные материалы для подшип- ников скольжения постоянно разрабатывают- ся производителями подшипников. Это новые материалы, способные работать в тяжело нагруженных двигателях (дизельные двигате- ли с непосредственным впрыском топлива, дви- гатели с турбонаддувом), а также в гибридных и старт-стоп двигателях, в том числе: • высокопрочные алюминиевые биметалличе- ские материалы; • прочные металлические покрытия для три- металлических подшипников; • полимерные композитные покрытия, содер- жащие частицы твердых смазочных мате- риалов; • бессвинцовые экологически чистые безвред- ные материалы. Свойства подшипниковых материалов Свойства материалов подшипников, характе- ризующие прочность и мягкость, сочетаются в различных пропорциях у разных материалов. Отличные мягкие антифрикционные свойства триметалла ограничены толщиной покрытия (12 мкм). Если геометрический дефект или чуже- родные частицы превышают толщину покрытия, ее антифрикционные свойства резко падают. Мягкие свойства биметалла несколько ниже, чем у триметалла, однако они не ограничены толщиной покрытия, поэтому биметалличе- ские подшипники способны прирабатываться к относительно крупным несоосностям и дру- гим геометрическим дефектам. С другой сто- роны, усталостная прочность (максимальная нагрузка) биметаллических подшипников ниже (40–50 МПа), чем у триметаллических мате- риалов (60–70 МПа). Также биметаллические подшипники без кремния хуже работают с чугунным валом. Геометрические характеристики подшипников скольжения Масляный зазор — это основной геометриче- ский параметр подшипников скольжения. Он равняется разнице между внутренним диа- метром подшипника и диаметром вала (внут- ренний диаметр подшипника измеряется под углом 90° к линии, разделяющей верхний и нижний вкладыши). Величина масляного зазора — очень важный показатель. Большой зазор приводит к увели- чению потока масла, что снижает его нагрев в подшипнике, однако вызывает неоднородное распределение нагрузки (она концентрируется на меньшей площади поверхности и увели- чивает вероятность разрушения вследствие усталости). Также большой зазор производит значительную вибрацию и шум. А слишком маленький зазор вызывает перегрев масла и резкое падение его вязкости. Типичные величины масляного зазора С: для пассажирских автомобилей C мин = 0,0005D, C макс = 0,001D, для гоночных автомобилей C мин = 0,00075D, C макс = 0,0015D (где D — диа- метр вала). Эксцентриситет является мерой, определя- ющей некруглость подшипника. Действительно, внутренняя поверхность подшипника не явля- ется абсолютно круглой. Она имеет форму, напоминающую лежащий на боку лимон. Это достигается за счет переменной толщины стен- ки подшипника, имеющей максимальное зна- чение (Т) в центральной части и постепенно уменьшающейся в направлении стыка. Принято измерять минимальное значение толщины (T e ) на определенной высоте h для того, чтобы исключить зону выборки в области стыка. Разница между максимальным и мини- мальным значениями толщины называется экс- центриситетом: Т – Т е Эксцентриситет, образованный переменной толщиной стенки вкладыша, добавляется к эксцентриситету, вызванному смещением вала относительно центра подшипника. Наличие эксцентриситета позволяет стабилизировать гидродинамический режим смазки за счет соз- дания масляного клина с большим углом схож- дения. Рекомендуемые величины эксцентриси- тета: для пассажирских автомобилей 5–20 мкм, для гоночных автомобилей 15–30 мкм. Посадочный натяг необходим для обеспе- чения надежной посадки подшипника в гнезде. Прочно посаженный подшипник имеет равно- мерный контакт с поверхностью гнезда — это предотвращает смещение подшипника во время работы, обеспечивает максимальный отвод тепла из области трения и увеличивает жесткость гнезда. Поэтому наружный диаметр подшипника и его периметр всегда больше диа- метра гнезда и его периметра. Поскольку прямое измерение наружного пери- метра подшипника — трудная задача, обычно измеряется другой параметр: высота выступа стыка (выступание). Высота выступа стыка равна разнице между наружным периметром половины подшипника и периметром половины гнезда. Проверяемый вкладыш устанавливают в измерительный блок и прижимают с опреде- ленным усилием F, величина которого пропор- циональна площади сечения стенки подшип- ника. Оптимальная величина высоты выступа стыка зависит от диаметра подшипника, жест- кости и теплового расширения гнезда и темпе- ратуры. Типичные значения высоты выступа стыка для подшипников диаметром 40–65 мм: для пассажирских автомобилей 25–50 мкм, для гоночных автомобилей 50–100 мкм. Несмотря на самые совершенные конструк- цию, материалы и технологии, в эксплуатации ДВС встречаются случаи износов и поврежде- ний подшипников. Чтобы найти и устранить их причины, знание конструкции подшипников необходимо, но недостаточно. Об этом — в следующей статье. Получить консультацию по вопросам приобретения и применения подшипников можно в компании King Engine Bearings Ltd. www.king-bearings.com, e-mail: leonidl@king- bearings.com, тел. + 972 523 222 992 АВТОКОМПОНЕНТЫ И ЗАПЧАСТИ / ДЕТАЛИ ДВИГАТЕЛЯ / Структура подшипников скольжения Эксцентриситет подшипника скольжения Измерение высоты выступа стыка подшипника |