Полимер вместо баббита
Federal-Mogul Powertrain год назад представила материал IROX 2 для подшипников двигателей легких транспортных средств. Теперь преимущества IROX 2 стали доступны создателям дизелей большого литража.
IROX 2, по сравнению с современными баббитами, обеспечивает улучшенные противозадирные свойства и характеристики усталости, особенно при работе в паре трения со стальными коленчатыми валами. Инновационный антифрикционный материал является частью семейства новых технологий компании, которые направлены на уменьшение трения, повышение эффективности и износостойкости, а также использование моторного масла с низкой вязкостью. IROX 2 получил признание производителей автомобилей и уже нашел применение для вкладышей серийно выпускаемых легких двигателей.
«IROX 2 расширяет рабочий диапазон по уровню стойкости к усталостному разрушению до области нагрузки 100 МПа, что традиционно требовало применения дорогостоящих подшипников с PVD-покрытием, — объясняет Джан Мария Оливетти (Gian Maria Olivetti), главный технический директор Federal-Mogul Powertrain. — Снижая трение, инновационные покрытия IROX также помогают нашим клиентам снизить расход топлива и выбросы CO2. Оценка с использованием специально разработанных испытательных установок показала, что снижение трения при использовании подшипников с покрытием IROX больше, чем при замене масла 5W30 на 0W20».
В то время как IROX был разработан для коленчатых валов со стандартной обработкой поверхности шеек, IROX 2 предназначен для коленчатых валов с экстра-чистой обработкой, работающей с менее вязкими маслами. Благодаря своей высокой прирабатываемости, полимерный материал подшипника обеспечивает превосходные характеристики работы двигателя. По сравнению с антифрикционными материалами на основе алюминия, которые также начинают применять в секторе тяжелых двигателей, оба полимерных покрытия обеспечивают снижение трения и большую износостойкость. По сравнению с IROX, материал IROX 2 обладает еще более лучшими характеристиками по износостойкости и усталостному разрушению.
«Оба покрытия IROX и IROX 2 доступны для алюминиевых и бронзовых подшипников, легких и тяжелых двигателей, — сказал Стефан Риттманн (Stefan Rittmann), директор по технологиям подшипников Federal-Mogul Powertrain. — Полимерные покрытия особенно эффективны в гибридных автомобилях и с функцией start/stop, которые предъявляют дополнительные требования к подшипникам вследствие частых повторных пусков. Верхний слой покрытия представляет собой связующий полимер PAI (полиамид-имид), содержащий ряд добавок, диспергированных по всей матрице. Разработка IROX 2 включала модификацию связующей системы на молекулярном уровне в сочетании с незначительными изменениями в составе. Например, по сравнению с IROX, IROX 2 не содержит частиц карбида кремния и имеет более высокое содержание синергетической смеси твердых смазочных материалов».
Источник
Техника прошлого: Баббит и вкладыши
Общий принцип действия подшипников скольжения, в которых вращается коленчатый вал практически любого автомобильного двигателя, не меняется уже несколько столетий — чуть ли не со времён первых паровых машин. Однако, с начала XX века сменилось несколько их технологических поколений, достаточно радикально отличающихся друг от друга по конструктивному оформлению.
До вкладышей
Первые двигатели внутреннего сгорания напрямую унаследовали конструкцию своих подшипников коленчатого вала — коренных и шатунных — от паровых машин. В этих подшипниках не было вкладышей, вместо чего их постели на месте заливались специальным антифрикционным сплавом на основе олова или свинца с добавкой меди и сурьмы, называемым «баббитом» (в честь изобретателя, Исаака Бэббита):
Затем поверхность баббита вручную (шабрением, притиркой) или на станке (расточкой) подгонялась к шейке вала.
Почему именно баббит ? Этот сплав обладает уникальными антифрикционными (снижающими трение) свойствами. Причём придают их ему не олово или свинец, которые являются лишь связующим, придающим поверхности подшипника форму, а как раз примеси меди, сурьмы, кальция и других более твёрдых металлов (баббит это гетерогенный сплав, то есть, примеси в нём содержатся в виде отдельных вкраплений):
Процесс заливки был не из простых: постель подшипника необходимо было обезжирить щёлочью, протравить кислотой для улучшения сцепления со сплавом за счёт образования микрорельефа, тщательно облудить. И только затем можно было плавить баббит и заливать им подшипник с установленной в него оправкой, при этом точно выдержав нужную температуру сплава и постели, в которую он заливается. В общем — весьма капризное дело; во всех подробностях с ним можно ознакомиться по ссылке . А потом всё это нужно было ещё и обработать с достаточно высокой точностью, чтобы обеспечить требуемый равномерный зазор с шейкой вала, выполнить на лицевой поверхности вкладыша канавки для удержания масла (из-за его невысоких качеств в те годы), и так далее.
Основной недостаток данной конструкции очевиден уже из приведённого краткого описания: качество изготовления подшипника — а следовательно и срок его службы — всецело зависели от того, насколько тщательно были произведены подготовка к заливке баббита, сама заливка и последующая обработка. То есть, в конечном итоге — от степени пряморукости (или наоборот, криворукости) исполнителя сего процесса. Пока речь шла о паровых машинах, стоявших обычно на промышленных предприятиях или на кораблях, где их окружали команды квалифицированных механиков, особых проблем не возникало. В промышленном оборудовании (турбины, насосы и т.п.) такие подшипники, заливаемые баббитом, не являются редкостью и сейчас. Другое дело — автомобиль, где и обороты намного выше, чем в паровой машине — а значит, выше и требования к точности изготовления подшипника, и на обслуживании владелец всегда старался сэкономить. В общем — для автомобильного двигателя требовалось иное решение.
Правда, есть один нюанс. Заливаемые баббитом подшипники оказались в каком-то смысле очень удобны в условиях нехватки запчастей и в целом слабо развитого сервиса — именно тем, что при наличии умения их можно было залить в любой мастерской с самым примитивным оборудованием. Поэтому практически все выпускавшиеся у нас до войны двигатели имели заливаемые баббитом подшипники коленвала.
Например, на двигателе ГАЗ М-1 / ГАЗ-ММ коленчатый вал работал в трёх коренных подшипниках, залитых баббитом. Каждый подшипник состоял из двух половин — верхняя была образована выемкой в чугунном картере, а вторая — чугунной же крышкой подшипника, крепящейся на болтах. Передний и средний имели толщину слоя баббита 0,8 мм, а задний — 1,6 мм.
При сборке между половинками каждого подшипника устанавливалось по пять пар тонких (0,05. 0,14 мм) металлических прокладок. Точно так же заливались баббитом и собирались на прокладки и нижние головки шатунов. Если из-за износа и уплотнения баббита утечка масла через подшипники становилась слишком большой и его давление в системе смазки начинало падать, а при работе двигателя появлялся характерный стук — одну пару прокладок убирали, «подтягивая» подшипник. Первый раз подтягивать подшипники полагалось уже на пробеге в 10. 15 тыс. км, а общий срок службы подшипников составлял обычно не более 30. 40 тыс. км. Дело было в том, что толстый слой баббита склонен к усталостному разрушению — его поверхность под действием знакопеременных нагрузок покрывалась трещинами и выкрашивалась:
И ещё одна оговорка. За границей на некоторых дорогих машинах залитые баббитом подшипники коленвала могли применяться вплоть до Второй мировой войны или даже первых послевоенных лет — в этом случае, напротив, считалось, что тщательно изготовленные вручную подшипники, индивидуально подогнанные по зазору к каждой шейке вала, будут работать лучше, чем конвейерная продукция. Впрочем, на практике такой подход едва ли себя оправдывал.
Видимо, одно из последних исключений на массовых моторах — шатунные подшипники двигателя Chevrolet Stovebolt рабочим объёмом 216 куб. дюймов выпуска до 1952 года. У этого мотора шатуны заменялись только в сборе и поставлялись в запчасти уже залитыми баббитом и подогнанными под размер шейки. Распространения эта идея не получила, потому что к тому времени уже имелись другие, более удобные и совершенные решения той же проблемы. Кстати, у этого мотора присутствовал и другой анахронизм — «черпачки» на шатунах для смазки шатунных шеек маслом, которое зачёрпывалось непосредственно из поддона.
Толстостенные баббитовые вкладыши
Между тем, за рубежом в тридцатые годы получили распространение подшипники коленчатого вала следующего поколения — с быстросменными вкладышами. Каждый вкладыш представлял собой стальное или латунное основание, залитое баббитом на заводе — при той же толщине его слоя, что и в прежних заливаемых на месте подшипниках. Такие же вкладыши выпускались в те годы и в качестве «тюнинга» для многих старых моделей автомобилей, у которых подшипники коленвала изначально заливались баббитом, вроде Ford Model T:
Это значительно упростило обслуживание автомобиля — теперь при переборке мотора было достаточно поменять вкладыши на новые запчастные. Правда, в некоторых случаях их было необходимо подгонять по месту — например, в том же моторе Chevrolet Stovebolt выпуска с 1935 по 1947 год в коренных подшипниках коленвала использовались толстостенные залитые баббитом вкладыши, которые требовалось после установки пройти ручной развёрткой, отцентрированной по отверстию в колоколе сцепления. В других случаях толстостенные вкладыши уже с завода имели достаточно высокую точность изготовления и не требовали «доработки напильником».
И да, выше я не оговорился — именно поменять вкладыши без расточки коленвала в ремонтный размер: срок службы толстостенных баббитовых вкладышей был столь мал, что между капитальными ремонтами мотора их приходилось сменить несколько комплектов. Ведь проблема большой толщины баббита и его склонности к выкрашиванию никуда не делась. Поэтому при той же толщине заливки, что и в старых подшипниках без вкладышей, общий срок службы быстросменного толстостенного вкладыша зачастую не превосходил всё те же 30. 40 тыс. км, с промежуточной подтяжкой за счёт убирания прокладок (использовались, к примеру, в коренных подшипниках того же Stovebolt) или, при их отсутствии — периодическим пришабриванием изношенной поверхности подшипника. Правда, этот ресурс уже был достаточно стабилен и не так сильно зависел от мастерства того, кто осуществлял ремонт двигателя.
В те же годы появляются новые антифрикционные материалы для подшипников коленвала: сплавы серебра с кадмием и свинцовистые бронзы. Они имели более высокую стойкость к износу и выкрашиванию (для бронзы — примерно вдвое. втрое), но в основном использовались в дизельных моторах, как на более нагруженных, так как требовали специального дизельного масла с антикоррозионной присадкой, а с обычным быстро выходили из строя.
Между тем, к тому времени исследованиями было установлено, что стойкость слоя баббита к выкрашиванию очень сильно зависит от его толщины: она резко возрастала, если толщина слоя баббита составляла полмиллиметра и менее. Так, при уменьшении толщины слоя баббита с 0,5 мм до 0,1 мм его усталостная прочность повышалась в почти в полтора раза. Такой тонкий слой практически не подвержен и уплотнению под нагрузкой, так что полностью отпадала необходимость в периодической подтяжке подшипника и, соответственно, в прокладках.
Тонкостенные сталебаббитовые вкладыши
Переход на тонкий слой баббита потребовал полного изменения технологии изготовления вкладышей. Вкладыши нового типа делались на станке-автомате из стальной ленты с баббитовым покрытием, с очень высокой точностью, полностью исключающей необходимость каких-либо подгонок. Так как общая толщина вкладыша составляла всего порядка 1,5. 2,5 мм, он не имел большой собственной жёсткости и при установке деформировался в определённых пределах, повторяя форму шейки вала — это также значительно повысило равномерность зазора между шейкой вала и поверхностью вкладыша.
К примеру, в моторах ГАЗ-11, ГАЗ-51, М-20, ГАЗ-69 и подобных использовались тонкостенные сталебаббитовые вкладыши общей толщиной 1,75 мм (шатунные) или 2,25 мм (коренные), при слое баббита соответственно 0,28. 0,4 и 0,33. 0,47 мм.
Сколько «ходили» такие вкладыши ? Вопрос сложный, потому что ответ на него будет неоднозначен в зависимости от того, как осуществлялась фильтрация масла в двигателе. Дело в том, что, как мы уже выяснили в предыдущей статье данного цикла , на моторах 1940-х и многих 1950-х годов фильтрация масла была либо неполнопоточной, либо с полнопоточной ступенью, дающей очень грубую очистку масла, и неполнопоточным фильтром тонкой очистки. Это означало, что в масле постоянно накапливались загрязнения — подключенный параллельно масляной магистрали байпасный фильтр не предотвращал этот процесс, а лишь замедлял, отфильтровывая не более 5. 20% проходящего через магистраль масла.
Металлические частицы и твёрдый нагар (сажа) маслом разносились по всему мотору, попадая в том числе и внутрь подшипников коленвала. Там твёрдые частицы внедрялись в поверхность подшипников, делая её как бы абразивом, значительно увеличивающим износ шейки вала. На разобранном моторе это выглядит как «надранная» шейка с чёткими неравномерыми поперечными полосами на её рабочей поверхности. И почти все двигатели «Побед», ГАЗ-21 и других старых автомобилей с неполнопоточной очисткой масла при разборке имеют именно такие дефекты шеек коленвала — что является, по сути, следствием того, что владельцы вовремя не заменили вкладыши. Такой вал при капремонте двигателя приходится отправлять в шлифовку в ремонтный размер, даже если в целом он и не имеет заметного износа. А это в те годы часто было проблемой — с ремонтной базой было не особо хорошо. Поэтому, хотя тонкостенные сталебаббитовые вкладыши изнашивались довольно медленно и не были склонны к выкрашиванию, на моторах с неполнопоточной фильтрацией масла их приходилось менять довольно часто, обычно один-два раза между капитальными ремонтами двигателя.
Книга «В помощь шофёру-стотысячнику» 1950 года рекомендовала при эксплуатации «Победы» на пробеге не менее 30. 35, но не более 40. 45 тыс. км профилактически вскрывать как минимум шатунные подшипники для осмотра вкладышей и, по необходимости, их замены на новые той же размерной группы. В ней же было указано, что замена вкладышей на пробеге в 60. 70 тыс. км редкостью не была. Как правило одновременно с шатунными вкладышами меняли и поршневые кольца, которые также изнашивались довольно быстро из-за длинноходной геометрии цилиндропоршневой группы мотора и той же неполнопоточной фильтрации масла. Точно так же «в принудительном порядке с целью сохранения шеек коленчатого вала» заменять шатунные вкладыши на пробеге не более 40. 50 тыс. км из-за накопления абразивных частиц на их поверхности предписывало и руководство по ремонту автомобиля «Москвич-402».
Для увеличения срока службы шеек вала и вкладышей с 1953 года в шатунных шейках вала двигателя «Победы» стали делать грязеуловительные полости, в которые при вращении вала под действием центробежной силы попадали и там задерживались содержащиеся в масле твердые частицы — получилось нечто вроде масляного фильтра с центрифугой:
Это заметно увеличило срок службы шатунных вкладышей, но до капитального ремонта они всё равно часто не дотягивали. Коренные вкладыши, в которые масло подавалось в первую очередь, были более долговечны, и как правило необходимости снимать коленвал не возникало до самого капремонта двигателя — необходимость в котором при своевременной замене шатунных вкладышей (что в те годы считалось тривиальной процедурой по техническому обслуживанию двигателя, доступной любому автомобилисту) наступала обычно примерно после 100 тыс. км пробега и даже позже.
С современными маслами и современной полнопоточной системой фильтрации сталебаббитовые тонкостенные вкладыши «ходят» сотни тысяч километров. Однако, у них всё же есть свои специфические недостатки, обусловившие постепенный отказ от них.
Триметаллические вкладыши
Одним из главных направлений развития двигателестроения в пятидесятые и шестидесятые годы были постоянное повышение рабочих оборотов двигателей и общей напряжённости их рабочего процесса. Из-за этого стали резко возрастать нагрузки на кривошипно-шатунный механизм двигателя, в том числе — и на подшипники его коленвала. Между тем, сталебаббитовые подшипники имели сравнительно низкую несущую способность — то есть, для того, чтобы обеспечить их работу под высокой нагрузкой без выхода из строя, приходилось увеличивать их площадь. А это, в свою очередь, повышало потери мощности на трение. Кроме того, значительно возросли и требования к долговечности мотора, не только до капитального, но и до промежуточного ремонта (замены вкладышей).
Поначалу попробовали применить в бензиновых моторах те же вкладыши с рабочей поверхностью из свинцовистой бронзы, что и в дизелях. Однако это потребовало применения дизельного масла, которое содержало много присадок и из-за повышенной зольности давало сильный нагар в камерах сгорания. Пришлось искать иные решения.
Для советского автомобилестроения первым «звоночком» стал неприятный инцидент, случившийся с экспортированными в Западную Европу автомобилями модели «Москвич-407», который обычно излагается таким образом. Двигатель этой машины был создан на основе старого нижневального и после повышения рабочего объёма и мощности работал почти на пределе несущей способности подшипников коленвала. Изначально экспорт советских автомобилей происходил в основном в страны Скандинавии, где условия эксплуатации были близки к советским. Но как только «Москвичи» поступили на рынок Бельгии и других стран с высокими скоростями на загородных трассах, начались жалобы на появление задиров на коренных шейках коленвала и даже разрушение их подшипников. Поэтому на модернизированном двигателе модели 407Д конструкторы просто увеличили диаметр коренных шеек коленчатого вала с 51 до 57 мм, что временно решило проблему за счёт снижения удельных нагрузок в узле.
На следующей же модели, «Москвич-408», вместо сталебаббитовых (биметаллических) вкладышей были применены вкладыши три металлические. У них толщина рабочего слоя баббита составляла уже не десятые, а сотые доли миллиметра, и наносился он не непосредственно на стальное основание, а поверх нанесённых методами порошковой металлургии медной подложки и никелевого подслоя. По сути, баббит в триметаллических подшипниках работает в основном не в виде самостоятельного слоя, а как пропитка для пористого медно-никелевого подслоя. Несущая способность таких подшипников выше, чем у сталебаббитовых, как минимум на 20%, значительно лучше и стойкость к выкрашиванию. Такие же вкладыши были применены на моторах «Чайки» ГАЗ-13 и грузовика ЗИЛ-130 (до октября 1969 года).
В отношении последнего из упомянутых моторов руководство по ремонту рекомендовало заменять шатунные и коренные вкладыши после пробега в 100 тыс. км и более. Такое увеличение их ресурса было достигнуто, помимо самого использования триметаллических вкладышей, также за счёт наличия в коленвалу грязеуловителей, использования обладавшего более высокими характеристиками моторного масла и его более совершенной очистки полнопоточным фильтром-центрифугой, эффективно отделявшим загрязнения.
Сталеалюминиевые вкладыши
Триметаллические подшипники применяются на некоторых моторах (как правило, высокофорсированных) вплоть до настоящего времени, а также предлагаются для тюнинга. Но их сложность в изготовлении и высокая стоимость заставили искать альтернативные решения для «гражданских» двигателей. Наиболее популярным из них стало использование в качестве фрикционного слоя сплава алюминия с 10. 20% олова и небольшим количеством меди. Такой материал имел примерно вдвое большую усталостную прочность по сравнению с баббитом и не менее технологичен в производстве.
Сталеалюминиевые вкладыши использовались в двигателях автомобилей ГАЗ-24, «Москвич-412», ВАЗ и многих, многих других — вплоть до настоящего времени. Их применение позволило значительно сократить площадь подшипников коленвала по сравнению со старыми сталебаббитовыми, тем самым снизив потери мощности. Так, у мотора ГАЗ-21 ширина сталебаббитовых коренных вкладышей составляла 30,5 мм, а на последней шейке — 39,5 мм. Переход на сталеалюминиевые вкладыши на двигателе ГАЗ-24 позволил уменьшить ширину вкладышей до 25,5 мм на всех шейках. Эти же вкладыши могут быть установлены и в двигатель ГАЗ-21 при капремонте, но см. замечание в конце данной статьи.
При использовании полнопоточной фильтрации и современного масла их срок службы как правило совпадает с общим ресурсом двигателя до капитального ремонта и составляет сотни тысяч километров, причём они менее чувствительны к задирам, чем триметаллические с их очень тонким рабочим слоем (хотя при этом и менее выносливы в отношении нагрузок).
На этом эволюция вкладышей коленчатого вала по сути подошла к концу. С тех пор совершенствовалась в основном технология их производства, которая становилась всё более производительной и при этом обеспечивающей всё более высокую точность. Попытки что-то улучшить предпринимаются, но не выходят за пределы автоспорта и связанного с ним мощностного тюнинга двигателей (например, дополнительные полимерные покрытия для поверхности вкладыша на основе тефлона и молибдена).
Износ шеек коленчатого вала
Между тем, у баббита как у антифрикционного материала всё же есть и преимущества. Дело в том, что с ним износ шеек коленчатого вала (при отсутствии абразивных вкраплений в слое баббита) примерно вдвое ниже, чем со сталеалюминиевыми вкладышами:
Это означает, что противозадирные свойства алюминиевого сплава значительно ниже, чем у баббита. Компенсировать это в значительной степени может высокий уровень качеств моторного масла и его хорошая очистка.
Кроме того, за счёт своих высоких антифрикционных и противозадирных свойств баббитовые вкладыши более живучи — продолжают работать даже при таких неблагоприятных условиях (низкое качество масла, его загрязнённость, высокие нагрузки), при которых сталеалюминиевые вкладыши выходят из строя. Поэтому переход на сталеалюминиевые вкладыши потребовал повышением требований к точности изготовления деталей, уровню свойств масла и качества его фильтрации. В частности — при переводе двигателя ГАЗ-21 на сталеалюминиевые вкладыши вместо родных сталебаббитовых настоятельно рекомендуется также и заменить штатную систему фильтрации масла на современный полнопоточный фильтр.
А если без вкладышей .
Можно и без вкладышей ! Были моторы, у которых на коленчатом валу использовались подшипники качения, а не скольжения. Например, на двигателе «Майбах» для танка Pz. Kpfw. VI Tiger он вращался в семи роликовых подшипниках.
Более близкий нам пример — двухтактные моторы западногерманских автомобилей DKW и восточногерманских Wartburg, который вращался в четырёх шариковых подшипниках (а шатунные подшипники были роликовыми):
Однако, основная проблема такой конструкции — то, что для замены подшипников вал приходится делать разборным: иначе не получиться надеть цельный круглый подшипник на его коренные шейки. А это значительно снижает жёсткость всей конструкции. Кроме того, возникают определённые проблемы со смазкой. У «Вартбурга» ещё ничего — у него всё равно смазка всего мотора осуществлялась добавлением в бензин масла, а вот у четырёхтактных моторов было затруднительно организовать подачу масла под давлением без его значительной потери через шариковый или роликовый подшипник. Потому никто особо и не торопился следовать примеру немцев.
И ещё один момент, связанный со вкладышами коленчатого вала конкретно на моторах ЗМЗ.
У двигателей ГАЗ-21, 24, 52, 53 (и в целом многих старых моторов) все коренные вкладыши — и верхние, устанавливаемые в постель подшипника в блоке, и нижние, стоящие в крышке подшипника — имели продольную канавку для подачи масла. Дело в том, что у коленчатого вала этого мотора отверстие для забора масла в коренных шейках сделано только с одной стороны — соответственно, если поставить в крышки вкладыши без проточки, как на современных двигателях — половину оборота вала, когда это отверстие проходит вкладыш без проточки, масло к шатунной шейке почти не будет подаваться.
Однако, со временем в запчасти стали поставляться вкладыши нового типа — верхние с проточкой и нижние без проточки, как в современных моторах, имеющих сквозное сверление коренных шеек, обеспечивающее постоянную подачу масла к шатунным шейкам даже при наличии канавки только в одном из вкладышей. Логика в таком решении есть: нижний вкладыш (установленный в крышке подшипника) воспринимает силы, возникающие при рабочем ходе поршня, и большая площадь поверхности ему не помешает. Однако, некоторое смущение такое решение завода всё же вызвало, и многие при переборке двигателя покупают два комплекта коренных вкладышей и ставят все вкладыши с проточкой, в соответствии с конструкторской документацией на мотор.
На практике, «ходят» вкладыши и так, и так — видимо, высокие свойства современных моторных масел позволяют обойтись без сплошной проточки на поверхности вкладыша, компенсируя несколько меньшее количество подаваемого к шатунным шейкам масла.
Источник