Для чего необходимы и как устроены вкладыши шатунного и коренного подшипников

Вкладыши шатунные – что это

При работе двигателя шатун вращает коленчатый вал, который, в свою очередь, вращает маховик. Для обеспечения минимального трения и минимального износа в узле используется вкладыш шатунный. Это подшипник скольжения.

Назначение

Вкладыши коленчатого вала применяются, чтобы обеспечить возможность вращения коленвала. Процесс вращения происходит в результате сгорания в цилиндрах ДВС топливно-воздушной смеси. Трение, которое вызывается усиленными нагрузками, высокими скоростями, может стать причиной выхода двигателя из строя. Чтобы предотвратить эту ситуацию и снизить трение, составные элементы покрываются тончайшей пленкой смазочного материала. Слоем масла покрыт и вкладыш шатунный вместе с шейкой вала. Так подшипник позволяет снизить трение.

Устройство

В отличие от коренных подшипников, вкладыши шатуна работают в более нагруженных условиях. Деталь состоит из двух половин — металлических полуколец. Верхняя половина подвержена непродолжительным, однако очень значительным нагрузкам. Нижняя половина детали воспринимает на себе более длительные нагрузки от силы инерции поступательного движения и вращающихся масс.

Вкладыш шатунный — это тонкостенные металлические полукольца из стальной полосы со специальным антифрикционным покрытием. Вкладыш устанавливается в головку шатуна с определенным натягом. Он создается за счет того, что дуга элемента удлиняется на расстояние сжатия по периметру постели.

Материалы

Вкладыш представляет собой стальную полосу с нанесенным на нее антифрикционным покрытием. В качестве этого покрытия применяются различные сплавы, в основе которых лежит медь, алюминий, свинец. Сплавы на основе алюминия и меди равноценные по несущим характеристикам, но сплавы алюминия и олова быстрее приработаются к шейке вала, меньше подвержены износу, меньше изнашивают шейку, имеют меньшую чувствительность к качеству масла.

В дизельных моторах применяют вкладыши на основе стали и алюминия. В качестве антифрикционного материала чаще выступают такие сплавы, как А020, А06. В карбюраторных бензиновых силовых агрегатах применяют сплавы АМО1-20 с промежуточным слоем из чистого алюминия. В большегрузных КамАЗах используются вкладыши шатунные из стали и бронзы. В качестве антифрикционного слоя примется сплав БрС30.

Детали, изготавливаемые из прочных материалов, дополнительно имеют очень тонкий слой свинца и олова. Слой, несмотря на толщину всего 0,02 миллиметра, позволяет значительно улучшить приспосабливаемость вкладыша к дефектам и деформациям шейки вала и лучше поглощать абразивные частицы. Повышается усталостная прочность базового антифрикционного покрытия.

Особенности маркировки

Если детали подшипника изношены или повреждены, когда не получается получить правильный зазор коленвала, ситуацию можно улучшить путем подбора новых вкладышей. Если шатуны растачивались, то они должны быть укомплектованы деталями соответствующих ремонтных размеров шатунных вкладышей. Обычно подбор доверяют специалистам.

При выборе новых шатунных подшипников ориентируются на маркировку по цветам — нужно смотреть на те детали, которые сняты с автомобиля. Если на элементах старых подшипников не сохранилось цветовой маркировки, то ищут ее на нижних головках. Там нужно увидеть метку в виде цифры — это класс подшипника. Также проверяют буквенные метки на коленчатом валу — они определяют размеры шатунных шеек.

Чтобы ориентироваться в карте выбора подшипников, используют маркировку на блоке цилиндров. Например, С3 говорит о том, что нужно устанавливать желтый и зеленый вкладыш. При этом любой из них может быть установлен в крышку или в постель. При выборе новых подшипников пользуются идентификационной цветовой картой маркировки шатунных вкладышей. Так, если найти букву на шейке шатуна и цифру на шатуне (например, D4), то по этой карте нужен подшипник синего цвета. Естественно, нужно помнить, что для разных двигателей цвета могут быть другими.

Особенности замены, момент затяжки

Вначале проверяют зазор между коленчатым валом и вкладышем. Проверить его можно калибровочной проволокой. Далее монтируют крышку шатуна с вкладышем. Крышка должна устанавливаться строго на тот шатун, с которого она снималась в процессе разборки и дефектовки двигателя. Далее нужно затянуть крышки.

Момент затяжки шатунных вкладышей меньше, чем для коренных. На примере двигателя ВАЗ-2108: крышку затягивают с усилием от 43 до 53 Нм. На «Приоре» шатунные подшипники затягивают с усилием в 43,3-53,5 Нм.

Вывод

Вот что такое вкладыши шатунов. Это достаточно важные детали, без которых двигатель работать не сможет. Если их износ предельный, вкладыши может провернуть внутри мотора и шейка шатуна будет интенсивно изнашиваться. Двигатель может и вовсе заклинить — нужно лить в мотор только качественное масло и регулярно его менять (иногда даже раньше, чем указано в регламенте).

Источник

Провернуло вкладыши шатунные

Иногда водители ощущают характерное стучание во время работы двигателя. Двигатель по-прежнему работает, но с стуком. Причиной этого может являться проворачивание шатунных вкладышей.

Что значит провернуло вкладыши

В конструкции двигателя есть такие сопряженные детали, как вкладыши и шейки коленчатого вала. Для шатунных шеек предназначены шатунные вкладыши, для коренных — коренные. Коленвал — это деталь, которая берет на себя большие нагрузки и которая сажается на подшипники, только это не подшипники качения, а скольжения. Эти подшипники скольжения называются вкладышами. Хотя вкладыши — это наиважнейшая деталь в сопряженных парах деталей, но конструкция их довольна проста.

На фото показаны изношенные вкладыши шатуна

Материалы для изготовления вкладышей используют следующие:

Рабочая поверхность вкладышей наносят специальное антифрикционное покрытие.

На простом языке неполадки связанные с коренными и шатунными вкладышами называют проворачивнием, «провернуло вкладыши» или «что-то стучит внизу двигателя».

Если провернуло шатунные вкладыши, то в этом случае ремонт сделать легче, чем, если бы провернуло коренные вкладыши. Такие неполадки и поломки считаются серьезными. В основном, это происходит по причине использование некачественно моторного масла. Подробный расклад по расшифровке маркировки моторных масел должен знать каждый водитель, поскольку там есть очень много нюансов, которые вы раньше не знали.

Отличие коренных вкладышей от шатунных

Шатунные вкладыши устанавливаются в постели между шатуном и шатунной шейкой коленчатого вала. Коренные вкладыши устанавливаются на коренные шейки коленвала ДВС.

Коренные от шатунных отличаются диаметрами и толщинами пластин. Коренные толще и в них есть масляные каналы через которые масло от коренного вала подается к шатунным подшипникам.

Почему проворачивает шатунный вкладыш

Вкладыши шатунов и коленвала ДВС — это подшипники скольжения, которые должны обильно смазываться, чтобы выполнять свои функции. Шейки коленвала и оверстия шатуна сидят плотно без люфта и зазоров, но благодаря смазке сила трения сопряженных пар минимальна.

Проворот вкладышей шатуна и коленчатого вала требует немедленного ремонта. Нельзя эксплуатировать автомобиль с такими поломками в двигателе, потому как может произойти дальнейшее разрушение деталей или узлов ДВС. Эту поломку определяют на слух, слышен стук коленвала и шатуна.

Вкладыши, они же подшипники скольжения сажают в места, которые называют постелями вкладышей. Вкладыши должны быть зафиксированы. Если на вкладышах есть отверстия, они должны быть совмещены с отверстиями сопряженной детали.

А известно ли вам, что за проходимость и управляемость автомобилем отвечает вид блокировки и перенатяг дифференциала.

Основные причины проворота вкладышей:

Коленчатый вал вращается относительно вкладышей, поверхность которых защищена антифрикционным (противотрущимся) материалом. Чтобы вкладыши не смещались и не проворачивались вместе с коленвалом ДВС, они удерживаются специальными усиками. Также они устанавливаются в натяжку, которые рассчитали заводы-изготовители.

Чем больше нагрузка на коленвал, тем меньше создается масляная пленка (прослойка, подушка). А если еще присутствует превышенная вибрация, то происходит разрушение масляного защитного слоя и резко повышается сила трения, из-за чего вкладышу все труднее и труднее удержаться в постели, усик предназначенный для защиты от проворота не может удерживать вкладыш.

Как правило, причиной проворачивания вкладышей является отсутствие смазки. Для смазки на коренных вкладышах предусмотрены отверстия, на шатунных — пазы. Если эти каналы для подачи масла закупорены, отверстия и каналы полностью или частично забиты, сила трения трущихся деталей повышается, появляется эффект масляного голодания. Из-за отсутствия смазки сильно нагреваются пара вкладыш-коленвал. Во время нагрева трущиеся детали прилипают друг к другу. После такой сварки начинают проворачиваться вкладыши.

Что делать, если провернуло шатунный вкладыш

При обнаружении симптомов проворота вкладышей следует доехать до автосервиса или до своего гаража, если собираетесь заменить их своими руками, а лучше заглушить двигатель и транспортировать на буксире или эвакуатором, если есть возможность.

Проворот вкладышей шатунных менее затратный и трудоемкий, если прекратить эксплуатацию при обнаружении стуков, чем проворот вкладышей коренных. Если не обращали внимание на посторонние стуки в двигателе и продолжали ездить в таком состоянии, то, возможно, провернутые шатунные вкладыши приведут к дорогостоящему капитальному ремонту двигателя.

В основном, если провернуло один шатунный вкладыш, то его меняют на новый и, на этом ремонт закончен. В таком случае, так как сам шатун не менялся, ресурс отремонтированной пары шейка коленвала-шатун будет меньше положенного.

Желательной работой по замене шатунного вкладыша является и замена соответствующего шатуна. Часто бывает, что, если провернуло шатунный вкладыш, то ломается замок шатуна.

Оптимально-эффективным ремонтом с проблемами вкладышей считается расточка коленчатого вала и замена вкладышей с шатунами. Шейка коленвала на котором сидел провернутый вкладыш имеет задиры, царапины. Поэтому надо проводить шлифовку коленвала. Все шатунные вкладыши имеют одинаковые размеры и полностью взаимозаменяемы между собой.

Порядок замены шатунных вкладышей в гаражных условиях:

Замена вкладышей без разборки, если нет износа коленвала

Посмотрев, это 8-ми минутное видео по замене шатунных вкладышей, даже новичок может разобраться с таким ремонтом. Поэтому, рекомендую, не поленитесь и посмотрите это видео.

Из этого видео, вы узнаете, что для снятия коренных вкладышей не обязательно снимать коленвал. При помощи нехитрых манипуляций легко можно проверить состояние коренных подшипников и, если они изношены, заменить их не разбирая полностью двигатель.

Как менять шатунные и коренные вкладыши показаны на примере автомобиля Хонда Аккорд.

Источник

Oil-club.ru

Полезные статьи:

Последнее с форума

Поиск

Ссылки

Коренные и шатунные вкладыши

Из опыта пробега подшипников скольжения ДВС на расстояние в миллион миль и более

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:

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:

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:

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.

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»

Источник