Коленчатый вал и шатуны

Коленчатый вал. Как правило, изготовляется ков­кой из углеродистой стали, например, стали 45. Термическая об­работка, например, поверхностная закалка токами высокой час­тоты, производится только для коренных и шатунных шеек вала. Возможно применение для этих же поверхностей химико-терми­ческой обработки (цементация, цианирование). Для изготов­ления валов применяются также легированные стали или кон­струкционные с последующим азотированием. В последнее время все чаще в качестве материала для коленчатых валов употребляется чугун.

Коренные и шатунные шейки коленчатого вала обильно смазываются, что создает благоприятные условия для работы подшипников скольжения. В условиях жидкостного трения коррозионный износ незначителен, тем не менее этот вид тре­ния создает условия, благоприятные для окисления верхнего слоя металла. Износ при этом в результате трения шеек вала о вкладыши происходит более интенсивно.

При окислении верхнего слоя металла вследствие диффузии кислорода обра­зуется тонкая пленка из твердых растворов и оксидов метал­лов. Поверхность после окисления в условиях жидкостного трения более гладкая, чем после притирки. Оксидная пленка тормозит дальнейшее проникновение кислорода в глубь спла­ва. Адгезионная способность оксидной пленки с материалом основания однако довольно слабая.

Интенсивность коррозионного износа коленчатого вала резко возраста­ет при хранении автомобиля длительное время (более 10-12 дней) без противокоррозионной защиты. В этом случае в дви­гателе коррозионные процессы начинают играть доминирующую роль. На шейках коленчатого вала, вначале, образуются отдельные очаги коррозии, которые затем быстро развиваются. Источником образования очагов коррозии является загрязне­ние масла кислыми веществами (продукты распада и сгорания топлива и этиловой жидкости, соединения серы, вода и др.), накапливающихся в результате старения масла. Они образу­ют локальные гальванические элементы, дающие начало элек­трохимической коррозии.

Межкристаллитная коррозия, развивающаяся в глубь ма­териала, образует многочисленные микробороздки, которые яв­ляются началом усталостных трещин. Даже умеренная пере­грузка двигателя может послужить причиной поломки вала при наличии таких трещин на его шейках.

Соблюдение правил обслуживания двигателя является за­логом надежной работы коленчатого вала. Качество масла можно сохранить при условии использования соответствующе­го топлива, предусмотренного изготовителем автомобиля, и соблюдая сроки замены использованного масла. Применяемые сейчас масла содержат противокоррозионные добавки (инги­биторы коррозии) и другие присадки, улучшающие смазоч­ные, вязкостно-температурные, антиокислительные и другие свойства.

Устранение даже самых небольших очагов коррозии во вре­мя ремонта двигателя позволяет продлить срок службы вала и вкладышей. Поэтому непростительной является сборка ко­ленчатых валов с начальными признаками коррозии.

Шатуны. Изготовляются из поковок легированной стали. В верхнюю головку шатуна запрессовывается втулка из оловянно-фосфористой бронзы под поршневой палец. Последний подвержен большим динамическим нагрузкам и изготовляется из качественной углеродистой или легированной стали. Некоторые фирмы для изготовления шатунов применяют алюминиевые или магниевые сплавы. В нижнюю головку шатуна обычно устанавливаются подшипники скольжения, реже - подшипники качения.

Коррозионные факторы на материал стержня шатуна не оказывают существенного влияния. Однако, коррозия нижней головки шатуна в известных условиях может иметь решающее значение. Что касается втулки поршневой головки шатуна, то ее износ происходит в результате ударов поршневого пальца, а также коррозионного действия соединений, находящихся в масле.

Вкладыши шатунных и коренных подшипников

Материалы. В большинстве выпускаемых двигате­лей для коренных и шатунных подшипников применяются разъемные вкладыши, покрытые антифрикционным сплавом.

В зависимости от требуемой твердости вкладыша, удель­ного давления, коррозионной агрессивности среды, требуемой усталостной прочности применяются разные подшипниковые сплавы. Так называемые «белые» сплавы имеют в своем со­ставе олово или свинец в качестве основного элемента. Широ­ко применяются бронзы, находят все большее применение сплавы на основе алюминия.

По конструктивному исполнению вкладыши бывают: тонкостенные - стальное основание вкладыша покрыто слоем 0,1 - 0,3 мм подшипникового сплава. В трехслойных вкладышах между подшипниковым сплавом и стальным основанием находится металлокерамический или медно-никелевый подслой; толстостенные — основание вкладыша залито толстым сло­ем подшипникового сплава, который затем обработан.

Находят применение также вкладыши из свинцовистой бронзы - на дизелях и иногда на карбюраторных двигателях легковых автомобилей.

Причины коррозии. Коренные и шатунные подшипники от­носятся к тем частям двигателя, которые должны работать в условиях жидкостного трения. Хорошие условия смазки являются одновременно причиной коррозионного износа подшип­ников.

При окислении масла возрастает его кислотность и корро­зионная активность. Кроме того, в результате процессов распа­да в масле накапливаются загрязнения, откладывающиеся в виде липких осадком. Кислоты в масле, в том числе серная, образованная взаимодействием оксидов серы с водой, возни­кают вследствие сгорания серосодержащего топлива. Кислоты разрушают подшипниковые сплавы, особенно свинцовис­тые бронзы, растворяя в них некоторые компоненты (сви­нец, кадмий), что ведет к ухудшению структуры сплава. Эта опасность разрушения вкладышей усиливается во много раз в период хранения автомобиля.

Коррозия приводит к об­разованию в верхнем слое микротрещин, которые носят усталостный характер. Затем, начи­нается выпадание частиц подшипникового сплава вкладыша.

Износ вкладышей вызывает увеличение зазоров в подшип­никах, вследствие чего появляются стуки, которые сигнали­зируют о возможности заклинивания коленчатого вала. Кроме того, увеличивается коррозионный износ других деталей дви­гателя вследствие разбрызгивания вращающимся коленчатым валом масла, вытекающего бурно, из увеличенных зазоров в подшипниках и оседающего на поверхности цилиндров. При обильном попадании масла на внутреннюю поверхность цилин­дра маслосъемные кольца не успевают снять избыток масла и оно проникает в цилиндр, где и сгорает, образуя нагар на поршнях и стенках камеры сгорания.

Профилактические меры. Износ и коррозионные разру­шения вкладышей двигателя снижаются при правильном об­служивании и эксплуатации. Особое внимание следует обра­щать на использование соответствующего масла и периодич­ность его замены.

Распределительный вал и пружины клапанов

Распределительный вал. Изготовляется как из уг­леродистых сталей, так и из легированных. Для легированных сталей с содержанием углерода около 0,15% применяется цементация. Распределительным валом из сталей с более высоким содержанием углерода (около 0,45%) для придания поверхностной твердости требуется закалка. Распределитель­ный вал может быть изготовлен также из чугуна.

Втулки подшипников распределительного вала, установ­ленные в блоке (головке) двигателя, изготовляются из оловянно-фосфористой бронзы, либо стали или чугуна, залитых подшипниковым сплавом. Зубчатые колеса привода распреде­лительного вала чаще всего изготовляются из синтетического материала (например, текстолита).

Вследствие хороших условий смазки распределительного вала он имеет незначительный коррозионный износ. Коррозия, в результате окисления и загрязнения масла соединениями серы и воды, имеет доминирующее значение при хранении автомобиля и вызывает образование коррозионных очагов на шейках вала и в бронзовых втулках. Следует отметить, что шейки вала и втулки подшипников тщательно изготовлены из специально подобранных материалов, благодаря чему их коррозионная стойкость настолько велика, что ее хватает до капитального ремонта. Восстановлению при ремонте подвер­гаются кулачки распределительного вала, которые, находясь в более жестких условиях, постепенно теряют вследствие изно­са свой профиль.

Продлить долговечность вала и втулок подшипника, как и других частей двигателя, можно только строгим соблюде­нием инструкции по обслуживанию и применением требуемых сортов масел.

Пружины клапанов. По характеру нагрузки пружины клапанов относятся к деталям, испытывающим циклическую переменную нагрузку. Широкое применение в двигателях внутреннего сгорания получили спиральные клапанные пружи­ны из стальной проволоки, получаемой холодной протяжкой. Пружины изготовляются из низколегированной никелевой пли никелево-ванадиевой стали. Эти стали содержат 0,45 - 0,75% углерода. Отожженную проволоку свивают холодным спосо­бом, а затем готовую пружину подвергают закалке и отпуску. Несмотря на очень жесткие условия работы пружин, за­пас их прочности достаточен для надежной работы в течение межремонтного периода. Встречающиеся поломки пружин, из­менение их высоты являются следствием усталости, наступа­ющей под суммарным действием цикличных переменных нагру­зок коррозионных факторов.

Циклические нагрузки, действующие на пружину, вызыва­ют изменение внутренних напряжений, которые приводят к по­явлению внутри материала капиллярных трещин. Эти единич­ные трещины способствуют локальному росту напряжений, приводящих к углублению трещин, которые с течением вре­мени вызывают поломку пружины.

Коррозионная усталость проявляется также на других де­талях автомобиля, работающих в коррозионной среде и усло­виях, способствующих усталости материала (например, ко­ленчатые валы, шатуны, рессоры).

Причиной поломки клапанных пружин часто является так­же повышенная хрупкость материала вследствие перекаливания пружин. Для предохранения пружин от коррозии на них наносят защитное покрытие, используется в частности лужение, кадмирование. Пружины клапанов могут быть повторно использованы при ремонте двигателя лишь в том случае, если они сохранили соответствующую упругость, длину, не имеют царапин, отсло­ений и коррозионных язв.