Всё про поршни

  
 
Самыми распространенными, применяемыми на подавляющей части выпускаемых ныне серийно машин, являются литые алюминиевые поршни. Это, как говорится, классика жанра, обеспечивающая некие средние характеристики приемлемые для большинства двигателей параметры. Однако «середняки», как выясняется, устраивают не всех производителей автомобильной техники, так как при всех своих достоинствах, главное из которых невысокая цена (имеется в виду массовое производство), литые алюминиевые поршни имеют ряд недостатков. Каких? Разберемся поэтапно.

Всё про поршни

На юбки поршней наносятся специальные антифрикционные материалы, которые
продляют ресурс поршней, работающих в режиме экстремальных нагрузок.


Если брать самую распространенную технологию изготовления поршней - отливку (гравитационный метод литья) заготовки в специальную металлическую форму (кокиль), то ее основной недостаток заключается в том, что в процессе литья невозможно или, скажем более точно, - крайне сложно минимизировать до требуемого уровня пористость материала. Пористость, точнее параметр пористости, определяется количеством микроскопических пузырьков газа, который не вышел из металла при его застывании. Чем больше пор (выше пористость) материала, тем меньше его прочность, а значит при работе поршня в предельных (по механической и тепловой нагрузке) режимах выше вероятность его разрушения.

Всё про поршни

Днище поршня является частью камеры сгорания, поэтому его форма должна
быть строго рассчитанной и изготовленной согласно расчетам.


Если известна проблема, то значит, были предприняты и попытки ее решения. Чтобы снизить пористость, технологи изобрели так называемый метод литья под давлением. При нем количество пузырьков газа, остающихся в металле после его застывания заметно меньше, чем при традиционном методе литья. Однако кардинально данный метод ситуации не меняет. Как свидетельствуют многочисленные лабораторные испытания, прочность поршней все еще оставляет желать лучшего. Чтобы улучшить качество литья, технологи предложили третий метод изготовления заготовок - «жидкую штамповку». По сути своей данный метод является разновидностью литья под давлением, с той лишь разницей, что воздействие давлением на литиевую заготовку производится в тот момент, когда процесс кристаллизации уже пошел, и часть металла перешла в твердое состояние. Воздействие давления в этот момент, который строго рассчитывается исходя из химического состава сплава и теплового режима выплавки, позволяет не просто уменьшить количество микрополостей (пузырьков газа), но и улучшить структуру самого металла.

Всё про поршни

Если при капитальном ремонте мотора с расточкой цилиндров не соблюдается
перпендикулярность осей коленчатого вала и цилиндра, то ни один даже самый
крепкий поршень не отработает заложенного в него ресурса.


Данные улучшения вкупе позволяют значительно повысить качество изделия и, соответственно, надежность, а также продлить его ресурс. Кроме того, предприятия, на которых внедрен метод «жидкой штамповки», могут производить поршни не только для бензиновых, но и дизельных моторов, которые отличаются более жестким режимом работы. Процесс воспламенения от сжатия нагружает кривошипно-шатунный механизм заметно сильнее, нежели процесс воспламенения от искры. Благодаря особенностям процесса «жидкой штамповки» технологи имеют возможность не просто создавать поршни более прочной конструкции, вводя в них различные стальные элементы, но и усиливать наиболее нагруженные участки конструкции. Так, для усиления места установки верхнего компрессионного кольца часто используют нерезистные вставки. Методы лазерной наплавки/переплавки (легирования) отдельных зон и участков поршня в массовом производстве практически не применяют из-за дороговизны технологии. Поэтому данный метод усиления конструкции поршня мы рассматривать не станем, а оговоримся лишь, что это привилегии моторов спортивных или тюнинговых машин.

Всё про поршни

На ресурс поршней и поршневых колец также влияет и применяемая при ремонте
технология хонингования. Именно поэтому ремонтные мастерские не экономят
на оборудовании и брусках для хонингования.


А есть ли методы изготовления поршней, которые бы с одной стороны обеспечивали высокое качество, прочность, длительный ресурс изделий и при этом бы имели возможность реализации в условиях серийного производства? Да, такие существуют и, ярким тому примером служит технология изотермической штамповки твердой заготовки. Суть ее заключается в том, что заготовку поршня получают не описанным выше методом отливки в специальную форму - кокиль, а формовкой под высоким давлением нагретой до высокой температуры (порядка 490 градусов) заготовки. При нагреве до указанной выше температуры металл становится пластичным и легко поддается обработке давлением. Для справки, если нагреть алюминиевый сплав еще на 100 °С, то он перейдет в жидкое состояние и тогда его обработка давлением будет невозможна. Чтобы правильно «уловить» нужную для обработки заготовки температуру, не допустив ее перегрева, технологи используют точные бесконтактные термометры. Приборы (промышленные их образцы) достаточно дорогие и по карману лишь серьезному производству. Если таковых нет, то обходятся более простыми, известными и применяемыми уже давно термометрами, в основе которых лежит принцип термопары. Контроль температуры в производственном процессе изотермической штамповки вообще играет ключевую роль, так как помимо того, что заготовку штампуют при строго определенной температуре, ее еще и в определенном температурном режиме закаляют, проводят термообработку, именуемую старением.

Всё про поршни

Зазор между поршнем и цилиндром играет огромное значение как с точки зрения
обеспечения ресурса поршня, так и технических характеристик мотора.


Последняя необходима для того, чтобы избавиться от возникших в процессе штамповки металла внутренних напряжений. Для этого сложного процесса используются про-граммируемые печи, в которых поршни выдерживаются при строго определенной температуре, меняющейся в определенные промежутки времени в течение нескольких часов. Как правило, большинство циклов искусственного старения длятся от восьми до десяти часов. Оговоримся сразу, технология изотермической штамповки используется грандами индустрии исключительно для производства мелких, максимум средних партий поршней, предназначенных для автомобилей, комплектуемых высокофорсированными двигателями. Спрос на «заряженные» версии серийных машин довольно устойчив, а значит производители поршней, имеющие на своих предприятиях оборудование для формовки под давлением, имеют возможность загрузить его до уровня рентабельности.

Всё про поршни

Современные технологии изготовления поршней позволяют интегрировать в их
конструкцию детали из разнородных металлов, обеспечивая усиление
тех или иных зон (областей).


Метод производства поршней изотермической штамповкой был также освоен и небольшими производителями альтернативных запасных частей. Для них достаточно гибкая технология позволяет изготавливать малыми партиями запасные части к серийным двигателям. Приобретают детали с большим, чем у оригинала ресурсом и завидными показателями прочности, прежде всего, различные тюнинговые ателье и специ-ализированные мастерские, занимающиеся капитальным ремонтом моторов. Для них возможность предложить клиенту более широкий спектр запасных частей, имеющих разные характеристики, позволяет удовлетворить запрос даже самого взыскательного клиента. Немаловажно и то, что возможность изготавливать поршни небольшими партиями, позволяет изготавливать запасные части и к снятым с производства, но находящимся в большом количестве в эксплуатации машинам. Подчас для их владельцев наличие данных запасных частей является единственной возможностью вернуть машину к жизни. Также производители поршней, работающие на вторичный рынок, предлагают достаточно большую номенклатуру поршней ремонтных размеров. При использовании более прочных поршней капитально отремонтированный мотор может иметь ресурс больший, чем новый, сошедший с заводского конвейера. Разумеется, такое возможно только при строгом соблюдении технологии ремонта и сборки силового агрегата.

Всё про поршни

Поршни с короткими юбками для высокооборотных дизелей изготавливаются из особых сплавов
алюминия, способных выдерживать большие тепловые и механические нагрузки.


Одной из особенностей произ-водства поршней по технологии формовки под высоким давлением является применение заготовок из алюминиевых сплавов с большим содержанием кремния. Причем последний должен быть «растворен» в сплаве равномерно. Если этого условия не обеспечить, то поршень получится как непропеченный пирог. Кстати, для производства поршней дизельных двигателей, а они, как мы уже упоминали, должны выдерживать значительно большие нагрузки, нежели поршни бензиновых моторов, применяются так называемые «гранулированные» сплавы. Выше мы неоднократно упоминали о том, что по технологии формовки под давлением используются специальные заготовки. Они представляют собой болванки строго рассчитанной длины, нарезанные из алюминиевого прутка определенного диаметра. Особенностью его производства является получение «волокнистой» структуры металла, что и определяет его прочностные характеристики.

Всё про поршни

Для облегчения конструкции и снижения сил инерции поршни имеют пустотелую конструкцию.
Их изготовление самое настоящее искусство, требующее применение сложного и дорогого
технологического оборудования.


Большое влияние на ресурс поршней оказывает не только технология, по которой они изготовлены, или особенности их конструкции, но и сплав, из которого они состоят. Любое отклонение в рецептуре с перекосом в содержании того или иного химического элемента негативно отражается на прочности, износостойкости, способности деталей работать в условиях высоких нагрузок и температур, а также сопротивляться износу в условиях недостаточной смазки. Последнее наблюдается как при пуске холодного двигателя, так и мотора, работающего в запре-дельных температурных режимах, вызванных неисправностью системы охлаждения. Кроме того, от химического состава сплава, из которого отливаются детали, будет зависеть и коэффициент термического расширения. Если он будет больше заложенного конструкторами двигателя, то даже при идеальной геометрии (конусность, овальность) поршень, работающий в режимах высоких тепловых нагрузок, может начать интенсивно изнашиваться в цилиндре. Случаи «прихвата» или заклинивания поршня в цилиндре крайне редки и, как правило, вызваны не просто нарушением рецептуры сплава, из которого отливаются, но и сбоем в программе обработки заготовок, приводящем к отклонениям в геометрии поршня. Недаром двигателисты уделяют особое внимание такому параметру, как зазор между цилиндром и поршнем.

Всё про поршни

Практически все крупные производители поршней предлагают на рынке так называемые
поршнекомплекты, включающие в себя собственно поршень, поршневые кольца и
поршневой палец (опционально со стопорными кольцами).


Еще относительно недавно на изготовление практически всех поршней автомобильных двигателей шел исключительно первичный алюминий, который легировался требуемыми химическими элементами и их соединениями. Сегодня в угоду постоянно растущим требованиям по экологии и необходимости переработки вторсырья производители автокомпонентов, и в частности поршней, вынуждены все больше и больше использовать в своем производстве материалы, приходящие с пунктов утилизации техники. Увы, но благое дело на практике часто оборачивается дополнительными производственными затратами, ведь для того чтобы из вторичного алюминия получить сплав требуемого химического состава, его необходимо не просто легировать, а предварительно очистить от уже имеющихся в нем химических соединений, которые ухудшат свойства материала, идущего на производство поршней.

Всё про поршни

Верх совершенства - поршень облегченной конструкции со специальным покрытием. Ресурс такой
детали при соблюдении правил эксплуатации мотора составляет сотни тысяч километров пробега.


К сожалению, из-за дороговизны данного процесса его могут упростить, что приведет к общему ухудшению свойств сплава и, как следствие, рабочих характеристик товарной детали. Именно этим фактором отчасти объясняются такие дефекты поршней, как разрушение канавок поршневых колец или даже прогорание днища поршня. Разумеется, первопричиной описанных выше дефектов является нарушение рабочего процесса работы двигателя, а именно отклонения в скорости горения топлива (топливовоздушной смеси). Смесь может гореть взрывоподобно (детонация) или с плавным нарастанием фронта пламени - управляемое горение, нормальный процесс. Однако справедливости ради отметим, что качественные (!) поршни способны работать в условиях экстремальных нагрузок, так как имеют высокой запас прочности. Само собой разумеется, время работы поршней в экстремальных условиях, за которое детали не получают критических разрушений, невелико.

 

Логин

гость


зарегистрироваться!

Вы забыли пароль?

Топ новостей сайта

Календарь

Добавить сайт в закладки

Счетчик

Облако тегов

Наверх