«Как устроены и работают сальники» (часть 1)

 «Как устроены и работают сальники»

(часть 1)

    Уплотнить, то есть сделать герметичными – непроницаемыми для масла, охлаждающей жидкости или газа, стыки между деталями в двигателе непростая задача, особенно когда речь идет о так называемых «динамических» уплотнениях – то есть находящихся в местах контакта движущихся деталей, таких как коленвал, распределительный вал или стержни клапанов, что есть весьма непростая задача. Поскольку подобное уплотнение (иначе называемое «сальником») должно удерживать, и направлять в нужную сторону, масло для создания надежной смазывающей пленки, необходимой для защиты самого уплотнения от износа и, при этом, создавать минимальное сопротивление для движущейся уплотняемой детали. В каждом двигателе есть три основных детали, которым очень необходимы динамические уплотнения – это распределительный и коленчатый валы, а также – стержни клапанов. Конструкции этих уплотнений менялись год за годом, чтобы обеспечить наилучший контроль за расходом и распределением масла.

Первая часть нашей статьи посвящена уплотнениям коленчатого и распределительного валов.

 1_15

Рис. 1. «Половинка» сальниковой набивки.

 

Сальниковая набивка

    Раньше, лет семьдесят назад, для уплотнения коленвала широко применяли сальники так называемого набивного типа (рис. 1). Хотя на некоторых моторах сальниковая набивка, из-за своей простоты и сравнительной дешевизны, дожила и до наших дней. Набивка представляла собой жгут или шнур (в основном – из асбестового волокна), который надо было обрезать до длины, соответствующей размерам отверстия в постели вала и в крышке этой постели в блоке цилиндров.

    Куски жгута сначала укладывали в специальные канавки, которые имелись в блоке цилиндров. Уложить жгуты в канавки помогал специальный инструмент (рис. 2), чтобы набивка полностью, и очень плотно, была уложена в канавку, перед тем как срезать ее по линии разъема блока и соответствующей крышки. Подобное уплотнение обеспечивало большую площадь контакта с коленвалом. При этом оно хорошо впитывало масло, которое и смазывало коленвал. Будучи новыми эти уплотнения надежно удерживают масло, но со временем, по мере истирания и износа, начинают протекать. Даже несмотря на то, что сейчас набивку изготавливают из очень прочных, преимущественно синтетических, волокон, которые трудно разрезать даже с помощью нового бритвенного лезвия.

 4_8

Рис. 2. Приспособление для установки набивки

 

Разрезные сальники

    На смену набивке пришли разрезные, из двух частей, сальники, которые работают лучше и помогают держать в чистоте пол в гараже или подъездную дорожку к дому. Эти уплотнения, формованные из резины на металлическом каркасе, имеют узкую уплотнительную кромку, которая собирает масло – для смазки и вала, и самой кромки, для уменьшения износа и отвода тепла. Устанавливать такие сальники намного проще, чем укладывать набивку. Каждая половинка вставляется в канавки и постели в блоке и ответной крышки, располагаясь таким образом, что край каждой половинки выступает за линию разъема (рис. 3 и 4). Поэтому стык двух половин такого сальника не совпадает линией разъема постели и крышки, что уменьшает возможности утечек. При установке всегда надо смазывать кромку уплотнения, чтобы его не повредило при первом запуске двигателя. И еще – обратите внимание, что его кромка должна быть направлена внутрь двигателя.

 2_1_4

Рис. 3. Верхняя часть разрезного сальника, установленная в блок цилиндров.

 

 3_1_4

Рис. 4. Нижняя часть разрезного сальника, установленная в крышку.

 

Цельные сальники

    Во всех современных двигателях используют цельные сальники, которые обычно отформованы из специальной резины, на металлическом каркасе, либо, как в последнее время, из тефлона. (Химическое название этого материала – политетрафторэтилен (ПТФЭ). Раньше в СССР его называли фторопластом, а сейчас он широко известен под торговым названием тефлон.) Формованные резиновые сальники дешевле и более распространены. Они применяются в двигателях уже много десятков лет. Такие сальники имеют различную конструкцию: с металлической или обрезиненной наружной обоймой, с одинарными или двойными рабочими кромками, со спиральными насечками внутри или вовсе без них. Здесь мы рассмотрим некоторые из этих конструкций и их применение.

 

Сальники с металлической или обрезиненной обоймой

    Раньше подобные сальники имели металлическую наружную обойму (рис. 5 и 6) и устанавливались в чугунные блоки с некоторым натягом. Подобная установка давала надежную фиксацию сальника и позволяла менять его без снятия коленвала, как это было раньше. На металлическую обойму обычно наносят покрытие различного цвета (красного, синего или зеленого), которое заполняет микронеровности в посадочном месте, чтобы масло не просачивалось. При установке такого сальника надо соблюдать осторожность, чтобы обеспечить надлежащую соосность сальника и вала. Перекос сальника неизбежно приведет к неравномерному износу уплотнительной кромки, повреждению обоймы, соскакиванию прижимной пружины и, соответственно, к повышению температуры в месте контакта вала и рабочей кромки сальника. Что, в свою очередь, вызовет преждевременную течь масла.

 

    Более современные сальники имеют обрезиненную внешнюю обойму (рис. 7 и 8). Такая особенность конструкции сальника, в основном, связана с широким применением алюминия в нынешних моторах. Переход от чугуна к алюминиевым сплавам не был простым, поскольку коэффициент температурного расширения двух этих металлов существенно различается, и их совместное использование приводило к известным проблемам. Так что обрезиненные обоймы позволяют легко устанавливать сальник в алюминиевый блок цилиндров или в соответствующую крышку, обеспечивают стабильность уплотнения даже когда диаметр отверстия увеличивается из-за расширения при нагреве. Еще одной важной причиной перехода к обрезиненной обойме стала защита посадочного места в блоке цилиндров от повреждений, которые может нанести более твердая, чем алюминиевый сплав, стальная обойма.

 

Конструкция кромки, обоймы и спирали

    Независимо от того, является ли сальник разъемным или цельным, главный уплотнительный элемент в нем – рабочая кромка. Ранние сальники имели единственную кромку (рис. 5 и 7), которая работала неплохо, но такая конструкция, при попадании на наружную поверхность рабочей кромки сальника пыли и грязи, приводил к ее преждевременному износу и разрушению (рис. 9). Эта проблема была решена путем добавления второй, пылезащитной, кромки (рис. 6 и 8). Эта дополнительная кромка не прижимается плотно к валу, как основная, а скользит по его поверхности, не позволяя пыли и грязи проникать к основной – рабочей кромке (рис. 10). Сама основная кромка обычно имеет прижимную кольцевую пружину – для плотного контакта с валом.

    На наружной стороне рабочих кромок многих сальников можно видеть характерные спиральные насечки. Это очень важная конструктивная особенность современного сальника. Такие насечки собирают масло, просочившееся через под рабочей кромкой, и направляют его обратно к месту контакта, то есть «возвращают» масло в двигатель. Важно правильно выбрать направление этих насечек – в соответствии с направлением вращения коленвала (рис. 11 и 12). Если ошибиться, то спиральная насечка будет выбрасывать масло наружу. Для судовых двигателей, где есть режим реверса и коленвал может вращаться в обе стороны, существуют сальники с волнообразным, перекрещивающимися и треугольным расположением насечек. Подобные «универсальные» сальники можно использовать как в обычных двигателях, так и в реверсивных (рис. 13).

Здесь показаны типичные поперечные сечения сальников различной конструкции.

5_7

 

Рис. 5. Сальник с металлической обоймой и одной рабочей кромкой.

 

 6_5

Рис. 6. Сальник с металлической обоймой и двойной рабочей кромкой.

 

7_4 

Рис. 7. Сальник с обрезиненной обоймой и одной рабочей кромкой.

 

8_3

Рис. 8. Сальник с обрезиненной обоймой и двойной рабочей кромкой.

 

12_1_1

Рис. 9. Однокромочный сальник.

 Грязь собирается на рабочей кромке уплотнения и постепенно разрушает ее.

 

13_1_2

Рис. 10. Сальник с двойной кромкой.

Наружная вторая кромка защищает рабочую, удерживая грязь.

 

9_3 

Рис. 11. Спиральные насечки для вращения против часовой стрелки.

 

10_3 

Рис. 12. Спиральные насечки для вращения по часовой стрелке.

 

11_3 

Рис. 13. Насечки для вращения в обоих направлениях.

 

Тефлоновые (ПТФЭ) сальники

    В самых современных сальниках используют тефлон. Его наносят на тонкие кольца, сделанные из синтетических волокон, закрепленные тем или иным образом в металлической обойме, как и в случаях с формованными сальниками (рис. 14). Рабочая кромка таких сальников также имеет спиральные канавки, подобно более ранним конструкциям. Преимущество тефлоновых сальников – большая площадь контакта, что обеспечивает надежное уплотнение и смазку даже при дефектах поверхности. Кроме того, увеличение площади контакта обеспечивает большее «откачивающее» действие спиральных канавок – для удержания масла в двигателе. Подобные сальники также допускают некоторое смещение вала относительно центра отверстия и имеют более широкий диапазон рабочих температур: от - 80 до +260° C. Многие сальники из ПТФЭ также имеют вторую кромку, для защиты основной, рабочей, кромки от пыли и грязи.

    Такие сальники обычно поставляются со специальным приспособлением для монтажа. Это направляющая втулка (обычно пластиковая), которая вставлена в отверстие сальника. Она «надевается» на коленчатый вал, а затем сальник надвигается со втулки на вал, вставая на свое место в правильном положении. Это нужно для того, чтобы избежать повреждения рабочей кромки. Неправильная установка подобного сальника может привести к дефекту уплотняющей кромки и последующим утечкам. Кроме того, такие сальники следует устанавливать «на сухую», без предварительной смазки рабочей кромки сальника и вала, так как использование любой смазки ведет к быстрому отказу уплотнения. Дело в том, что тефлон с рабочей кромки сальника при первом контакте с валом, сразу после запуска двигателя, частично «намазывается» на вал, в виде тонкой пленки, обеспечивая лучшее скольжение. А нанесение любой смазки такому переносу помешает.

14_1_1

Рис. 14. Поперечное сечение тефлонового (ПТФЭ) сальника/

 

Ремонтная втулка

    Со временем на поверхности коленвала, в месте контакта с рабочей кромкой сальника, образуется характерная канавка. Также могут проявиться и другие виды износа – типа питтинга или коррозии на внешнем конце вала, находящемся за пределами картера. Все они могут вызвать преждевременный износу нового сальника. При установке нового сальника, другого производителя, рабочая кромка может сместиться «внутрь» или «наружу» относительно прежнего положения. Если кромка нового сальника окажется «снаружи», то может попасть на участок вала, который до этого был поврежден, из-за пыли или ржавчины. А подобные дефекты поверхности вала способствуют быстрому появлению утечек. Если же новая кромка окажется точно на месте прежней, то попадет в канавку на валу, возникшую из-за выработки и в этом случае уплотнение тоже будет плохим.

    Одним из способов восстановления работоспособности уплотнения является установка на вал ремонтной втулки. Подобные втулки, изготовленные из нержавеющей стали, «надеваются» на вал и создают новую гладкую поверхность для работы сальника (рис. 15 и 16). Но очень важно правильно, без перекоса, установить втулку. Некоторые производители подобных втулок также продают и приспособления для их установки, чтобы ось втулки точно совпала с осями вала и сальника. Малейшее несоответствие – и поверхность втулки будет деформирована, так что её установка потеряет смысл.

15_1_3

Рис. 15. Ремонтная втулка создает новую, неизношенную, поверхность для контакта с кромкой сальника.

 

16_2 

Рис. 16. Внешний вид типичной ремонтной втулки

 

    Есть и другие решения, которые позволяют решить проблему износа поверхности под сальник без установки ремонтной втулки. Например, для некоторых V-образных восьмицилиндровых двигателей Chevrolet предусмотрен ремонтный сальник, рабочая кромка которого смещена внутрь относительно оригинального (рис. 17). Таким образом кромка нового сальника будет работать на неизношенном участке вала.

17_1_1

Рис. 17. Сравнение двух сальников: стандартного (слева) и ремонтного, со смещенной кромкой (справа).

 

 

 file_17

Брайан Робертс

Технический специалист AERA Брайан Робертс имеет более чем 20-летний опыт работы на рынке запчастей для обслуживания и ремонта, работал в Federal-Mogul (Fel-Pro), Modern Silicone Technologies и Dana Corporation в качестве инженера и менеджера по продуктам. Обладает обширными знаниями в области разработки, производства и продажи прокладок; в частности, герметизации двигателя и решение проблем в этой области.

Дата:
16.12.2022
Автор: Брайан Робертс
Источник: AERA
Комментарии
Здесь еще никто не оставлял комментариев. Вы можете быть первым