Практически во всех существующих автомобилях применяются подшипники скольжения. В зазор между подшипником и шейкой коленчатого вала под давлением подается масло. За счет смещения вала в подшипнике в сторону действия нагрузки создается масляный клин, который не дает валу коснуться поверхности подшипника.
Нагрузка, которую способен выдерживать подшипник зависит от следующих факторов:
- Ширина подшипника (чем шире подшипник, тем больше будет рабочая площадь);
- Давление масла;
- Вязкость масла.
Чем выше эти параметры, тем более высокую нагрузку способен выдержать подшипник.
Чтобы обеспечить высокую работоспособность подшипников скольжения (вкладышей) и продлить их ресурс необходимо выполнение следующего ряда условий:
- Сочетание высокой твердости поверхности коленчатого вала с мягкой поверхностью вкладышей;
- Высокие антифрикционные свойства материала вкладыша;
- Высокая усталостная прочность и коррозийная стойкость поверхности вкладыша;
- Высокое качество поверхности, низкий коэффициент трения и хороший отвод тепла вкладыша;
- Отсутствие перекосов вала и вкладыша;
- Маленький, но стабильный зазор между подшипником и валом;
- Отсутствие биение вала;
- Соответствующая вязкость масла. Достаточный уровень давления масла и высокое качество фильтрации масла, которое обеспечивают современные масляные фильтры.
В отличие от двигателей прошлых лет в современных двигателях легковых автомобилей вкладыши являются тонкостенными, их толщина составляет 1.0-2.5 мм. Коренные вкладыши выполняются с более толстой стенкой, это связано с наличием у них масляной канавки, для подачи масла через коленчатый вал к шатунным подшипникам (масляные каналы коленчатого вала).
Все вкладыши являются многослойными, количество слоев и материалы для них являются в большей мере индивидуальными (у каждой фирмы), но их все объединяет то, что в каждом из них в качестве основы используется стальная лента.
В основу слоев используемых при изготовлении современных вкладышей входят следующие материалы:
- Al Pb5 Si4 Sn1. Алюминиевые сплавы с содержанием свинца, кремния и олова. Сплав, наносится на стальную основу, является мягким и легко прирабатывается.
- Al Sn20 Cu1. Алюминиевый сплав с содержанием 20% олова. Сплав, как и предыдущий, может наноситься без покрытия.
- Al Sn6 Cu1. Сплавы алюминия, в которых содержание олова снижено до 6%. Такие сплавы применяются только с покрытием олова и свинца Pb Sn10 Cu2, так как они сами по себе являются твердыми сплавами и при приработке могут привести к повреждению.
- Al Cd3 Nil Si1. Сплавы алюминия, с кадмием и никелем. Такие сплавы также из-за своей твердости применяются с покрытием олова и свинца Pb Sn10 Cu2.
- Al Zn5 Si2 РЫ Cu1. Сплавы алюминия, содержащие цинк и свинец. Покрытие Pb Sn10 Cu2.
- Си Pb22 Sn1. Бронзовые сплавы, содержащие свинец и олово. Применяются с покрытие Pb Sn10 Cu2.
- Си Pb24 Sn3. Бронзовые сплавы с отличным от предыдущего сплава содержанием свинца и олова. Покрытие также Pb Sn10 Cu2.
- Бронзовые сплавы Си РМ4 Sn3. Покрытие Pb Sn10 Cu2.
Количество слоев вкладыша зависит от материалов, из которых он состоит. Например, первый и второй материалы из предыдущего списка не требуют покрытия. Добавление промежуточных слоев во вкладыше связано с необходимостью нанесения подслоя никеля перед Pb Sn10 Cu2, так же часто встречается, что для лучшей приработки вкладыша, по верх всех слоев наносят тонкий слой олова.
Обычно на практике толщина слоев материалов используемых при изготовлении вкладышей следующая:
- стальная основа — 0,9 мм и более;
- основной слой — 0,25+0,50 мм;
- никелевый подслой — 0,001 мм;
- оловянно-свинцовый сплав — 0,02+0,04 мм;
- олово — 0,003+0,005 мм.
Материалы, входящие в состав вкладышей для каждого двигателя индивидуальны и рассчитываются с учетом твердости материала коленчатого вала. Для увеличения продолжительности ресурса и работоспособности двигателя как нового, так и отремонтированного, вкладыши должны использоваться именно те, которые рекомендует завод изготовитель.
Чем тоньше вкладыш, тем лучше его характеристики (он лучше прилегает к постели, больше теплоотвод, уменьшение допустимого зазора, что ведет к снижению шумности двигателя). Поэтому в современных двигателях идет борьба за снижение толщины вкладышей: коренные 1.8-2.0 и 1.4-1.5 шатунные.
В связи с повышенными нагрузками вкладыши дизельных двигателей в отличие от бензиновых имеют отличительную особенность. При их изготовлении применяют сплавы под номерами 2, 6 и 8, в то время как для вкладышей бензиновых двигателей применяется вся выше перечисленная линейка материалов.
Вкладыш должен быть определенной формы, дело в том, что при установке его в постель необходимо, чтобы он обладал натягом по диаметру постели.
Вкладыш должен иметь натяг не только по диаметру постели, но и по ее длине (этот натяг можно именовать выступанием), таким образом, достигается хороший контакт прилегания между вкладышем и постелью. Выступание для валов диаметром 40 мм выполняют 0.03 – 0.05 мм, для валов 70 мм – 0.06 – 0.08 мм.
Вкладыши изготавливают штамповкой из ленты, именно тогда ему придают определенную форму. Потом обрабатывают торцы и рабочую поверхность вкладыша. Вкладыш является очень точной деталью, его погрешность должна составлять не более 0.01 – 0.02 мм по длине и 0.002 – 0.005 мм по толщине.
Для обеспечения смазкой шатунных подшипников у коренных вкладышей по всей длине выполняется канавка шириной 3.0 – 4.5 мм и глубиной 1.0 – 1.2 мм. На старых двигателях канавка выполнялась на обоих вкладышах (верхнем и нижнем). В современных двигателях, с учетом увеличения возможных нагрузок, нижний вкладыш стали выпускать без проточки. При наличии канавки на нижнем вкладыше максимальная нагрузка существенно снижается, это можно видеть на ниже расположенном рисунке.
К тому же ликвидировав канавку у нижнего вкладыша, нагрузка которую он способен выдерживать, возрастает, что позволяет уменьшить его площадь (ширину вкладыша, а с ней и размеры самого двигателя).
Обычно при штамповке вкладыша, на нем сразу делают замок. Замок представлен в виде усика шириной 2.5 – 4.5 мм, отогнутый на 0.8 – 1.2 мм. На коренных вкладышах замок располагают ближе к середине, а на шатунных к краю. Для придания прочности замку, он всегда выполнен без разрыва.
Можно встретить коренные вкладыши с двумя замками, но такая конструкция ничем не надежнее традиционной.
Традиционно замки располагают в зависимости от направления вращения вала. Шатунные подшипники у большинства двигателей имеют следующее расположение:
— верхний замок по направлению вращения, нижний напротив.
— редко, но можно встретить обратную схему расположения замков, например на V – образных двигателях GM.
— или замки ориентированы в одну сторону (старые двигатели BMW).
Подобная схема расположения замков применяется и на коренных подшипниках.
Замок на вкладыше несет больше центровочный характер при установке его в постель и подстраховку от проворачивания при ослаблении натяга. При масляном голодании, когда идет интенсивный разогрев подшипника от проворачивания вкладыша не спасет даже самый прочный замок.
На некоторых двигателях VOLVO вкладыши выполняются без замков, они удерживаются в постели лишь за счет натяга.
На некоторых оппозитных двигателях выпускаемых фирмой VOLKSWAGEN вкладыши установлены только в середине коленвала, на крайних шейках установлены алюминиевые втулки, покрытые сверху оловянно-свинцовым сплавом. Толщина этих втулок достегает 3 – 5 мм. Фиксация втулок в постели достигается за счет штифтов или замков.
При сборке нового двигателя зазор между подшипником и коленчатым валом составляет 0.03 – 0.08 мм. Чем меньше зазор, тем ниже шумность коленчатого вала при работе двигателя. Зазор 0.03 мм требует большой точности и высокого качества поверхности вкладыша, а зазор в 0.02 мм может оказаться губительным даже при выдерживании самого высокого качества подшипников, так как при столь малом зазоре может произойти местное подплавление и повреждение антифрикционного слоя в процессе приработки подшипника. Предельно допустимым зазором при изготовлении двигателя является 0.08, так как при большем зазоре может наблюдаться повышенная шумность двигателя и снижения показателей давления масла, что может сказаться на его ресурсе.
В следующей статье речь пойдет об упорных подшипниках, которые поддерживают вал в осевом направлении.
