Из чего делают вкладыши коленвала: устройство, особенности конструкции и эксплуатации

устройство, особенности конструкции и эксплуатации

Вкладыш подшипника скольжения

26 ноября 2019

Подшипники выступают в качестве опор валов и осей и воспринимают все прикладываемые к ним нагрузки. В зависимости от типа трения выделяют подшипники скольжения и качения. Подшипники скольжения состоят из корпуса, вкладышей и смазывающих устройств. Вкладыш – основной элемент подшипника, его задача – обеспечить наименьшее трение между взаимно перемещающимися в механизме деталями.

К достоинствам подшипников скольжения относятся следующие особенности:

• относительная простота конструкции и низкая стоимость изготовления
• надёжность и большой ресурс работы в высокоскоростных приводах
• высокая демпфирующая способность масляного слоя между вкладышем и валом
• устойчивость к большим динамическим нагрузкам
• практически бесшумная работа во всех диапазонах скорости

Перечисленные плюсы выделяют рассматриваемые изделия от подшипников скольжения, которые менее долговечны, более шумны и могут не справиться с высокими нагрузками.

И если применение таких деталей в машиностроении нецелесообразно или невозможно, то на помощь приходят подшипники скольжения.

Изготовление вкладышей подшипников скольжения

Компания «Компрессорные технологии» изготавливает вкладыши подшипников скольжения на заказ по чертежам или образцам. Такие устройства востребованы в валах машин с высокими вибрационными или ударными нагрузками. Мы предлагаем продукцию, способную оптимальным образом решить вашу задачу при использовании различных машин:

• в валах с большим диаметром или высокой скоростью вращения
• в коленчатых валах с разъёмными подшипниками
• в устройствах, к которым выдвигаются требования высокой точности или равномерности вращения
• при работе в агрессивной среде

Материал вкладышей подшипников скольжения

При изготовлении подшипников скольжения материал вкладыша должен соответствовать следующим требованиям:

1. Высокая износостойкость и ресурс работы.
2. Сопротивляемость заеданию в периоды пуска, разгона и торможения.
3. Низкий коэффициент трения.
4. Высокая теплопроводность и низкий коэффициент теплового расширения.
5. Достаточное сопротивление усталости материала.

В процессе работы изнашиваться должны именно вкладыши подшипника, иначе износу будут подвержены цапфы вала, замена которого несравнимо дороже. Поэтому цапфы валов изготавливаются закалёнными и упрочнёнными. Для их сохранности важно правильно подобрать вкладыш подшипник скольжения.

Существует три основных типа вкладышей подшипников скольжения: металлические, металлокерамические и неметаллические.

Металлические вкладыши изготавливают из бронзы, антифрикционных чугунов, баббитов (сплавов на основе олова или свинца), алюминиевых и цинковых сплавов.

Металлокерамические вкладыши производит посредством прессования и последующего спекания порошков железа или меди с добавлением олова, свинца или графита. Благодаря пористости такие изделия могут долгое время работать без подвода смазки, а также в устройствах, к которым такой подвод затруднителен вследствие конструктивных особенностей.

Неметаллические вкладыши производят из антифрикционных пластмасс, древеснослоистых пластиков или специальной резины. Такие изделия устойчивы к заеданиям, могут смазываться водой и, соответственно, применяются в подшипниках насосов, гребных винтов и т.п.

Обратитесь к специалистам нашей компании, и мы изготовим для вас вкладыши подшипника скольжения с доставкой в любую точку России.

Вкладыши для двигателя – детали критические

На первый взгляд вкладыши – это просто штамповка. Но впечатление обманчиво: подшипники скольжения представляют собой высокотехнологические изделия из сложного композитного материала, имеющие специфическую геометрию и точные размеры. И, что немаловажно – они являются критическими деталями двигателя, отказ которых ведет к его остановке и очень дорогому ремонту. ..

Функции подшипников

Вращающиеся компоненты двигателей внутреннего сгорания оборудованы 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, который, в свою очередь, вращает коленвал. Устанавливаются в нижней головке шатуна.

• упорные кольца предотвращают осевое движение вала. Часто упорные кольца являются частью одного из коренных вкладышей – такие комбинированные подшипники называются буртовыми или фланцевыми вкладышами.

• втулки верхней головки шатуна обеспечивают вращение поршневого пальца, соединяющего поршень с шатуном.

• вкладыши распредвала поддерживают распредвал и обеспечивают его вращение. Устанавливаются в верхней части головки блока цилиндров (или в блоке цилиндров – у двигателей с нижним расположением распредвала).

Биметаллические (а) и триметаллические подшипники со свинцовистым покрытием (б, в)

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, которая образуется в сходящемся зазоре (масляном клине) между поверхностями 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 физический контакт поверхностей, чередующийся с гидродинамическим трением. А это может привести к задирам, повышенному износу подшипника и даже к схватыванию с валом.

ДВС характеризуются циклическими нагрузками подшипников, об­условленными переменным давлением в цилиндрах и инерционными силами, вызванными движущимися частями. И эти циклические нагрузки на подшипник могут привести к его разрушению. Отсюда – высочайшие требования к материалам, из которого он производится.

Структура подшипников скольжения

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 компенсировать 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 загрязненных масел.

• Кавитационная стойкость – способность материала подшипника выдерживать ударные нагрузки, производимые схлопывающимися кавитационными пузырьками (пузырьки образуются в результате резкого падения давления в текущем масле).

Эксцентриситет подшипника скольжения

Соответственно длительная и надежная работа подшипника скольжения 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 материалы соединяют эти противоположные свойства – правда, с определенным компромиссом.

Для достижения этого компромисса используются композитные структуры, которые могут быть или слоистыми (мягкое покрытие, нанесенное на прочное основание) или дисперсными (мягкие частички, распределенные внутри прочной матрицы).

Биметаллические подшипники имеют стальное основание, обеспечивающее жесткость и натяг в тяжелых условиях повышенной температуры 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 относительно большим геометрическим дефектам. Биметаллический подшипник также обладает хорошей абсорбционной способностью, поглощая 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 обеспечивает антифрикционные свойства. Кроме этого, сплав часто содержит 2–4% кремния в виде мелких включений, распределенных в алюминии. Твердый кремний упрочняет сплав и обладает способностью полировать 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, которое 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 повышает его усталостную прочность, однако снижает антифрикционные свойства (прирабатываемость, абсорбционную способность, сопротивление схватыванию), особенно если мягкое покрытие было подверг­нуто износу. Между промежуточным слоем и свинцовистым покрытием наносится очень тонкий (1–2 мкм) слой никеля, служащий барьером, предотвращающим диффузию олова из покрытия в промежуточный слой.

Измерение высоты выступа стыка подшипника

Инновационные материалы для подшипников скольжения постоянно разрабатываются производителями подшипников. Это новые материалы, способные работать в тяжело нагруженных двигателях (дизельные двигатели с непосредственным впрыском топлива, двигатели с турбонаддувом), а также в гибридных и старт-стоп двигателях, в том числе:

• высокопрочные алюминиевые биметаллические материалы;

• прочные металлические покрытия для триметаллических подшипников;

• полимерные композитные покрытия, содержащие частицы твердых смазочных мате­риалов;

• бессвинцовые экологически чистые безвредные материалы.

Свойства подшипниковых материалов

Свойства материалов подшипников, характеризующие прочность и мягкость, сочетаются в различных пропорциях у разных материалов.

Отличные мягкие антифрикционные свойства триметалла ограничены толщиной покрытия (12 мкм). Если геометрический дефект или чужеродные частицы превышают толщину покрытия, ее антифрикционные свойства резко падают.

Мягкие свойства биметалла несколько ниже, чем у триметалла, однако они не ограничены толщиной покрытия, поэтому биметаллические подшипники способны прирабатываться к относительно крупным несоосностям и другим геометрическим дефектам. С другой стороны, усталостная прочность (максимальная нагрузка) биметаллических подшипников ниже (40–50 МПа), чем у триметаллических материалов (60–70 МПа). Также биметаллические подшипники без кремния хуже работают с чугунным валом.

Геометрические характеристики подшипников скольжения

Масляный зазор – это основной геометрический параметр подшипников скольжения. Он равняется разнице между внутренним диаметром подшипника и диаметром вала (внут­ренний диаметр подшипника измеряется под углом 90° к линии, разделяющей верхний и нижний вкладыши).

Величина масляного зазора – очень важный показатель. Большой зазор приводит к увеличению потока масла, что снижает его нагрев в подшипнике, однако вызывает неоднородное распределение нагрузки (она концентрируется на меньшей площади поверхности и увеличивает 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 Cмин = 0,0005D, Cмакс = 0,001D, для гоночных автомобилей Cмин = 0,00075D, Cмакс = 0,0015D (где D – диаметр вала).

Эксцентриситет является мерой, определяющей некруглость подшипника. Действительно, внутренняя поверхность подшипника не является абсолютно круглой. Она имеет форму, напоминающую лежащий на боку лимон. Это достигается за счет переменной толщины стенки подшипника, имеющей максимальное значение (Т) в центральной части и постепенно уменьшающейся в направлении стыка.

Принято измерять минимальное значение толщины (Te) на определенной высоте h для того, чтобы исключить зону выборки в области стыка. Разница между максимальным и минимальным значениями толщины называется эксцентриситетом: Т – Те.

Эксцентриситет, образованный переменной толщиной стенки вкладыша, добавляется к эксцентриситету, вызванному смещением вала относительно центра подшипника. Наличие эксцентриситета позволяет стабилизировать гидродинамический режим смазки за счет создания масляного клина с большим углом схождения. Рекомендуемые величины эксцентриситета: для пассажирских автомобилей 5–20 мкм, для гоночных автомобилей 15–30 мкм.

Посадочный натяг необходим для обеспечения надежной посадки подшипника в гнезде. Прочно посаженный подшипник имеет равномерный 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 диаметра гнезда и его периметра.

Поскольку прямое измерение наружного периметра 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 определенным усилием F, величина которого пропорциональна площади сечения стенки подшипника. Оптимальная величина высоты выступа стыка зависит от диаметра подшипника, жесткости и теплового расширения гнезда и температуры. 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 конструкцию, материалы и технологии, в эксплуатации ДВС встречаются случаи износов и повреждений подшипников. Чтобы найти и устранить их причины, знание конструкции подшипников необходимо, но недостаточно. Об этом – в следующей статье.

Дмитрий Копелиович

детали двигателя

Краткое руководство по подшипникам двигателя

Я собираюсь восстановить свой первый малолитражный Chevy, я просматривал запчасти и цены и кое-что заметил. Компании, производящие подшипники, перечисляют несколько номеров деталей для таких вещей, как коренные подшипники для моего Chevy 350. Цены, кажется, варьируются совсем немного — намного больше, чем я ожидал. Я предполагаю, что более дорогие подшипники лучше, но нужны ли мне более дорогие подшипники?

Дж. М.

Джефф Смит: Я думаю, мы можем помочь разобраться в этом. На заре двигателей внутреннего сгорания подшипники изготавливались из очень мягкого материала, называемого баббитом, который представляет собой очень мягкий сплав свинца, меди и олова. Этот материал поступил от производителя не в виде вкладыша подшипника, а в виде слитка, который затем был расплавлен и залит в шатун, а затем подвергнут механической обработке. Сегодня подшипники превратились в удобные вкладыши, но материал также изменился за последние 20 лет.

Все вкладыши подшипников начинаются с корпуса из стального сплава, поверх которого наклеивается более мягкий материал подшипника. Теперь мы можем разделить подшипники на две основные группы — подшипники из алюминиевого сплава или подшипники из медно-свинцового сплава. Подшипники из алюминиевого сплава — это то, что OE используют для типичного серийного двигателя. Как правило, эти подшипники способны выдерживать мощность до 100 лошадиных сил на литр. В вашем случае с двигателем 5,7 л это будет примерно 570 лошадиных сил. Если бы двигатель должен был работать на более высоких уровнях мощности, вам было бы лучше выбрать подшипники из медно-свинцового сплава.

Для многих энтузиастов это все, что им нужно знать. Но давайте углубимся и выясним, почему это работает именно так. Алюминий (в сплаве с 2-3 процентами кремния) кажется относительно мягким материалом. Однако в мире подшипников алюминиевый сплав считается относительно твердым, что означает, что он обладает отличной несущей способностью и отличными характеристиками износа. Недостатком является то, что алюминий плохо встраивается, а это означает, что он не будет «поглощать» крупный посторонний предмет, такой как кусок песка, как гораздо более мягкий подшипник из медно-свинцового сплава.

Мы поговорили об этом с несколькими производителями подшипников, и реакция была универсальной. При создании двигателя с высокой выходной мощностью лучше использовать более дорогие медно-свинцовые подшипники, так как их более мягкий материал будет лучше приспосабливаться к прогибу коленчатого вала, чем гораздо более твердый алюминиевый сплав. Более мягкие медно-свинцовые подшипники пожертвуют собой (что означает, что они будут изнашиваться быстрее) в этих суровых условиях. Алюминиевые подшипники имеют тенденцию отслаиваться или срезать материал, а не изнашиваться, в результате чего осколки алюминиевых деталей разрывают остальную часть двигателя — это никогда не бывает хорошо.

Независимо от того, какой подшипник вы выберете, всегда старайтесь правильно определить все зазоры подшипников путем измерения наружного диаметра шейки и внутреннего диаметра подшипника в корпусе.

Это больше работы, но это единственный способ убедиться, что зазоры правильные.

Но не позволяйте нам отпугнуть вас от алюминиевых подшипников. Все двигатели поздних моделей изготовлены с подшипниками из алюминиевого сплава, и эти двигатели будут иметь потрясающую мощность с этими стандартными подшипниками. Мы видели, как двигатель LS для железного грузовика развивает мощность 800 лошадиных сил на штатных подшипниках, и после разборки подшипники выглядят почти новыми.

Поскольку вы подумываете о легком малогабаритном уличном двигателе, давайте взглянем на разницу в цене между типами подшипников. Мы выбрали подшипники Speed-Pro для сравнения цен, но разница в цене одинакова у всех производителей подшипников.

Мы нашли набор запасных подшипников из алюминиевого сплава Speed-Pro 4663M для вашего 350 Chevy на Summit Racing. Высокопроизводительная версия того же подшипника Speed-Pro из медно-свинцового сплава — PN 139M и стоят чуть более чем в два раза больше, чем алюминиевые подшипники. Для тех, кому нужно лучшее, Speed-Pro также предлагает версию медно-свинцового подшипника с покрытием (C139M). Поскольку между всеми тремя подшипниками нет заметной разницы в мощности, выбор довольно очевиден. Для мягкого уличного двигателя наименее дорогой подшипник является отличным выбором, но, безусловно, рабочие подшипники из медно-свинцового сплава также будут работать хорошо. Хорошая новость заключается в том, что вы действительно не можете сделать плохой выбор.

Простота и сложность подшипников двигателя. Часть 1

Мы все видели подшипники двигателя и, вероятно, воспринимали их как должное. Эти маленькие полуоболочки, простые куски металла выглядят настолько обычными и недорогими, что они не могут быть такими сложными и важными в работе двигателя. На самом деле внешний вид может быть обманчивым, а простота подшипников двигателя скрывает сложность десятилетий исследований и разработок, вложенных в эти важные компоненты двигателя.

Мы хотели получить представление о технологии, лежащей в основе подшипников двигателя, пообщавшись с ведущими экспертами в этой области. Попутно мы узнали, как выбирать подшипники для различных двигателей, а также соображения по выбору размеров подшипников для различных комбинаций двигателей. Если вы думаете, что знаете все, что нужно знать о подшипниках двигателя, предлагаем вам продолжить чтение. Для компонента, который является недорогим по сравнению с другими компонентами двигателя, инженерная технология изготовления подшипников удивительна.

Наши специалисты

MAHLE Clevite Билл Макнайт и King Engine Bearing Дмитрий Копелиович

Мы слушали два уважаемых авторитета в этой области, д-р Дмитрий Копелиович, менеджер по исследованиям и разработкам King Engine Bearings и Билла Макнайта, руководителя группы обучения MAHLE Clevite, которые обучали нас технологиям подшипников. У Копелиовича и Макнайта более полувека опыта в технологии подшипников двигателей. Излишне говорить, что эти ребята видели все это.

 

Подшипник двигателя поддерживает масляную пленку, поддерживающую вращающийся вал.

Что делает подшипник двигателя?

По мнению наших экспертов, подшипники двигателя не только занимают пространство между корпусом блока цилиндров и вращающимся валом, который он поддерживает. Доктор Копелиович из King Engine Bearing объяснил, что основные функции подшипников включают в себя; «Защита корпуса и вала от повреждений и износа с помощью свойств поверхности, способных выдерживать суровые условия эксплуатации двигателя».

Макнайт добавил: «Конструкция подшипников двигателя допускает образование слоя масла между вращающимся валом и поверхностью подшипника, так что вал на самом деле скользит не по самому подшипнику, а по формированию масляного клина, который поддерживает вращающийся вал при нормальной работе». По словам Макнайта, «ездя по слою масла, а не по самому подшипнику, подшипник помогает рассеивать тепло».

Копелиович далее пояснил, что опорная поверхность спроектирована таким образом, что; «Частицы в масле могут проникать в подшипник, чтобы защитить вращающийся вал от повреждения».

По словам наших экспертов, подшипники двигателя защищают вращающиеся валы, такие как распредвалы и коленчатые валы, поддерживая слой смазки, рассеивая тепло и не давая мелким частицам повредить полированные поверхности шейки вала.

 

Высота опоры подшипника создает радиальное давление на половинки подшипника, так что они плотно вдавливаются в отверстие корпуса.

Как подшипники двигателя выполняют эти задачи?

Простого взгляда на вкладыш подшипника недостаточно, чтобы рассказать всю историю проектирования. Например, Макнайт подробно описал несколько конструктивных особенностей, которые нелегко обнаружить при случайном наблюдении: «Разъемные вкладыши подшипников не являются эксцентричными или имеют одинаковую толщину стенок. Каждая половина разъемного подшипника выполнена так, что она немного больше точной половины. Эти вещи сделаны специально, чтобы помочь в формировании масляного клина и предотвратить вращение подшипника в корпусе».

Макнайт продолжил объяснять, почему половинки разъемных подшипников немного больше, чем точные половинки; «Это расширение называется высотой раздавливания. Когда разъемные подшипники защелкиваются в корпусе, по мере затягивания болтов подшипники сжимаются, как пружины. Возникающая в результате сила удерживает подшипники плотно и предотвращает их вращение в отверстии корпуса».

Пообщавшись с нашими экспертами, мы обнаружили, что высота раздавливания, рассчитанная для каждого применения, имеет решающее значение для основных функций подшипников. Макнайт пояснил, что «высота раздавливания создает радиальное давление на половинки подшипника, так что они плотно прижимаются к отверстию корпуса. Вдавливая подшипник в отверстие корпуса, задняя часть подшипника плотно прилегает к площади поверхности отверстия корпуса, поддерживая подшипники и помогая отводить тепло от подшипника».

Типы подшипников двигателя

Д-р Копелиович описал различные типы подшипников двигателя: «подшипники могут быть монометаллическими или сплошными, биметаллическими, трехметаллическими или многослойными. Большинство подшипников двигателей либо биметаллические, либо триметаллические». Макнайт объяснил, что «большинство наших повседневных подшипников, за исключением материалов поздних моделей, по-прежнему изготавливаются из триметалла со стальной основой, с литым медно-свинцовым промежуточным слоем, а затем с баббитовым покрытием».

Многие подшипники двигателей состоят из двух или более слоев различных материалов.

Тип металла, используемого в конструкции, также играет решающую роль в обеспечении конструктивных особенностей, упомянутых выше, и по-прежнему играет важную роль в других функциях подшипников двигателя. Настоящая задача состоит в том, чтобы создать подшипник, достаточно прочный, чтобы выдержать коленчатый или распределительный вал, вращающийся с тысячами оборотов в минуту, и в то же время достаточно мягкий, чтобы позволить частицам застревать в подшипнике для защиты поверхности шейки вала.

Д-р Копелиович соглашается с тем, что это сложная задача, но с помощью композита материалов можно достичь цели создания подшипника, обладающего свойствами мягкого металла и твердого металла. По словам Копелиовича, существуют разные виды композитного производства. Частичная структура, ламеллярная структура и комбинированная дисперсно-ламеллярная структура.

• Структура частиц состоит из прочной матрицы с мягкими частицами, распределенными по всей поверхности, чтобы обеспечить сочетание прочности и мягкости.
• Ламеллярная структура состоит из слоев различных материалов. В этом случае подшипники двигателя используют стальной задний слой с одним или двумя слоями из более мягкого металла.
• Комбинированная ламеллярно-частичная структура объединяет два метода.

Копелиович объяснил популярную пластинчатую структуру как два различных типа; «Используя стальную заднюю часть, покрытую различными металлами, вы можете одновременно обеспечить мягкость и твердость, и они разбиты на два основных семейства этих типов подшипников: биметаллические, которые имеют один слой поверх стали, и триметаллические, которые имеет два слоя поверх стальной основы».

Подшипники двигателя имеют эксцентричную стенку для большего потока масла, выталкивающего частицы и выделяющего тепло.

Итак, если вы обратили внимание, подшипник двигателя — это гораздо больше, чем мы изначально думали. Подведем итог тому, что мы уже узнали:

• Подшипники двигателя имеют эксцентричную стенку для большего потока масла, вымывающего частицы и отводящего тепло.
• Каждая половина подшипника выполнена больше, чем точная половина, для зоны раздавливания, которая помогает подшипнику плотно прилегать к корпусу.
• Большинство подшипников изготавливаются со слоями, обеспечивающими прочность для поддержки коленчатого вала, шатуна или распределительного вала, но при этом достаточно мягкими, чтобы допускать попадание частиц.
• Большинство подшипников двигателей имеют двух- или трехслойную пластинчатую структуру.

Материалы для любого применения и нормативов

Почти каждый производитель подшипников согласится с тем, что не существует одного двигателя, подходящего для всех типов автомобилей. Помните, что основная функция подшипника двигателя — выдерживать нагрузку вращающегося вала.

Чтобы дать вам представление о широком диапазоне нагрузок, которым могут подвергаться коленчатые валы, Макнайт выразил потенциальную нагрузку давлением в цилиндре; «Обычный легковой автомобиль может иметь давление в цилиндрах около 1200 фунтов на квадратный дюйм. Гоночный двигатель мощностью 800-900 лошадиных сил может иметь давление в цилиндре в диапазоне 2200 фунтов на квадратный дюйм. Гоночный двигатель мощностью 2000-3000 лошадиных сил будет иметь давление в диапазоне 6000 фунтов на квадратный дюйм, а двигатель на верхнем топливе мощностью 7000 лошадиных сил, вероятно, будет в диапазоне 10000 фунтов на квадратный дюйм».

Понятно, что подшипник, который будет работать в стандартном легковом автомобиле, не будет работать в 7000-сильном двигателе. В дополнение к тому, что подшипники способны выдерживать нагрузку, создаваемую работой двигателя, подшипники также должны быть изготовлены с учетом растущих законодательных требований мировых рынков. Европейский союз (ЕС) издал директиву об удалении свинца из подшипников автомобильных двигателей, трансмиссий и компрессоров к июлю 2011 года (за исключением тяжелых условий эксплуатации), и Азия начала двигаться в направлении тенденции использования бессвинцовых компонентов двигателей.

Детали коренного подшипника коленчатого вала.

Со всеми экологическими нормами, которые пересматриваются во всем мире, выбор материалов, наряду с исследованиями и разработками, приобрел более широкую роль в производстве компонентов двигателя. Не то, чтобы что-то из этого было неожиданно новым, и King Engine Bearings, и MAHLE Clevite имеют широкий ассортимент бессвинцовых подшипников для двигателей для различных применений.

«В течение многих лет у нас был полный ассортимент бессвинцовых алюминиевых биметаллических материалов для подшипников, втулок и шайб. У нас также есть биметаллические втулки и шайбы из бессвинцовой бронзы, а также триметаллические подшипники на ранних стадиях развертывания и проверки у OEM-клиентов», — сказал Макнайт.

Текущие материалы

Д-р Копелиович рассказал о некоторых материалах, которые использовались в различных подшипниках двигателей: «Используются сталь, медь, алюминий, кремний, свинец, олово и никель. К ним могут относиться частицы керамики и частицы твердых смазок в композиционных материалах. Наряду с подбором материалов, адгезия между слоями — процесс не простой, но очень важный».

Разделив свойства материала на пять функций, Копелиович объяснил, как выбираются различные материалы в зависимости от области применения:

1. Грузоподъемность: Материал, способный выдерживать неопределенный максимальный цикл нагрузки.
2. Износостойкость: материал, способный сохранять свои размеры. И грузоподъемность, и износостойкость требуют более прочного материала. Чем прочнее материал, тем лучше будет характеристика.
3. Совместимость: Материал должен быть совместим с валом, чтобы предотвратить адгезионный износ или заедание.
4. Впитываемость: материал должен поглощать мелкие частицы. Для этого нужен более мягкий материал.
5. Совместимость: требуется материал, который может компенсировать незначительные смещения и неровности.

Встраиваемость является важной функцией подшипников двигателя. Внедрение частиц в подшипник может предотвратить повреждение вала.

По словам Копелиовича, «в большинстве случаев сталь выбирается в качестве опорного материала для поддержки и прочного контакта с корпусом подшипника. Он покрыт более мягкими материалами, что обеспечивает прочную опору с мягкими характеристиками на верхнем слое».

Макнайт говорит: «Большинство производителей подшипников используют аналогичную марку стали для подкладки трехметаллических подшипников двигателя. Наиболее часто используются SAE 1008 и SAE 1010».

Многолетняя история и аналитические данные ушли на то, чтобы сделать эти материалы отраслевым стандартом. Макнайт подтвердил, что MAHLE Clevite имеет постоянную программу исследований и разработок, в рамках которой постоянно изучаются все современные технологии и материалы в поисках каких-либо преимуществ в производстве подшипников двигателей.

Обычная мудрость

Доктор Копелиович объяснил, что многие современные подшипники для двигателей «изготавливаются методом литья или спекания». В любом случае, говорит Копелиович, «сцепление между слоями очень важно».

По словам Макнайта, метод Clevite для производства подшипников заключается в том, что «промежуточный слой отливается на сталь в полосовом процессе, когда сплав расплавленной меди и свинца выливается на стальную полосу в печи с регулируемой атмосферой. Медь в сплаве проникает в сталь, образуя неразрушимую связь. Когда полоса выходит из печи, она закаливается, и сплав затвердевает».

Несущая конструкция для различных типов подшипников.

King использует производственный процесс, называемый спеканием. Копелиович, автор многочисленных статей о технологии подшипников двигателей, сказал нам: «Правильно спеченный материал не имеет пор и пустот. Он такой же прочный, как правильно отлитый сплав. Кроме того, спеченный материал может быть усилен (при необходимости) путем холодной прокатки и/или изменения его химического состава».

Подшипники двигателя и масло. Как они сосуществуют.

Независимо от того, из какого материала сделан подшипник, срок службы подшипника в уличном или гоночном двигателе будет примерно таким же коротким, как у подёнки без смазки. Процесс уменьшения износа движущихся поверхностей в непосредственной близости, обеспечивающий бесперебойную непрерывную работу, сам по себе является наукой.

Как слой масла образуется при вращении вала.

Смазка является одним из ключевых факторов, влияющих на работу подшипника. Что делает смазку подшипников уникальной, так это то, что движение контактирующих поверхностей и конструкция подшипника перекачивают смазку вокруг подшипника, создавая слой смазочной пленки, который поддерживает вращающийся вал. По словам доктора Копеливоича, «это называется гидродинамической смазкой, и она лучше всего работает для подшипников, когда толщина масляной пленки больше, чем шероховатость поверхности».

Существует несколько факторов, которые могут вызвать изменения в смазке, и гидродинамический режим смазки может превратиться в режим граничной пленочной смазки, когда во время циклической нагрузки может происходить контакт металла с металлом. Макнайт объясняет, что «масляное голодание, высокие нагрузки, низкая скорость вращения, шероховатость поверхности подшипника или вала могут повлиять на смазку подшипника. Поскольку подшипник предназначен для создания масляного клина при вращении вала, когда двигатель не вращается, существенной смазки подшипника не происходит. Во время запуска будет наблюдаться небольшой контакт твердого тела с твердым, пока вокруг подшипника не образуется пленка».

Копелиович говорит: «Постоянная циклическая нагрузка вызывает усталость подшипника, что является основной причиной его выхода из строя. Если бы нагрузка была всегда постоянной, не было бы усталости».

 

Подшипники двигателя могут многое рассказать о работе двигателя.

О чем говорят подшипники

К настоящему моменту мы поняли, что эти расходные материалы для двигателя — это нечто большее. Мы также обнаружили, что производители подшипников двигателей не любят использовать термин «отказ подшипника» в более приемлемой формулировке «повреждение подшипника».