Как работают подшипники скольжения: физика, материалы, технологии

Совсем недавно, 18 декабря 2025 г. в здании Московского политехнического университета (МАМИ) состоялся научно-технический семинар. Его полное название «Надежность и безотказность двигательных систем: от теории к практике». Мероприятие было организовано при содействии компании «Механика».
Докладчик – Дмитрий Копелиович, обладатель степени PhD, вице-президент и директор по исследованиям и разработкам компании King Engine Bearings Ltd. (США). Кроме того, он руководит исследовательской лабораторией TechLab.

Дмитрий Копелиович – один из ведущих мировых экспертов в области в области проектирования, материалов и технологий подшипников скольжения для ДВС и других машин, автор многочисленных научных работ и патентов. Стаж работы в области трибологии и материаловедения более 30 лет.
Анонс мероприятия сулил много интересного – от рассказа о режимах работы деталей и свойствах материалов трибологических пар до анализа механизмов различных повреждений и отказов компонентов. Ну и размышления о перспективах развития подшипников скольжения, разумеется.

Ожидания слушателей полностью оправдались. Докладчик сразу захватил внимание аудитории. Мы не будем подробно пересказывать выступление Дмитрия Копелиовича – все же это ознакомительная статья, а не подробный конспект. Но основные моменты доклада зафиксируем.
Спикер начал с основ гидродинамики. Что такое гидродинамическая сила и как она используется в подшипниках скольжения. Следует образный пример – лыжник-серфингист на воде. Он уравновешивается действующими силами, наглядная аналогия с подшипником скольжения.

Далее докладчик отмечает, что подшипники ДВС работают практически в режиме гидродинамической смазки не касаясь вала. Минимальная толщина масляной пленки может достигать одного микрона – при том, что диаметр человеческого волоса 50 микрон. Здесь важна стабильность пленки, чтобы избежать сухого трения!
Пара «подшипник-вал» не могут быть идеальными, отмечает Дмитрий Копелиович. Вот что подстерегает эту пару в реальной конструкции: шероховатость поверхностей, следы вибрации при шлифовании, нецилиндричность, непараллельность поверхностей пары, изгиб вала, загрязнение масла, усталость материала.
Далее докладчик знакомит аудиторию со структурой вкладышей – биметаллических и триметаллических.

Следует очень интересный пример полимерного покрытия. В нанокомпозитном слое присутствуют молекулы с разными типами химических связей. Они могут перемещаться друг относительно друга и позволяют сохранить целостность покрытия, компенсируя большие нагрузки.

Докладчик рассказывает об усталости материала – этом биче деталей машин. Перечисляет возможные причины усталости вкладыша – неверно выбранный материал, масляное голодание, несоосность, детонация двигателя.
А еще, разумеется, коррозия! Главном образом от воздействия окисленного масла. Кислотность масла повышается в результате разбавления топливом, термического окисления и химической реакции с нагаром. Сочетание высокой нагрузки с разъеданием материала вкладыша кислотным маслом снижает его порог усталости.
Кроме того, усталость возникает из-за плохого прилегания вкладыша к постели (циклические деформации, «хлопание»), чрезмерной высоты выступа стыка (вкладыш изгибается), краевых нагрузок вследствие различных перекосов.
Дмитрий Копелиович демонстрирует слайды усталости различных антифрикционных слоев – отдельно для верхнего и нижнего вкладышей. Развитие дефектов в определенный момент может привести к схватыванию вкладыша и вала.

Весьма опасна кавитационная эрозия вкладышей. При резком падении давления масла в нем образуются кавитационные пузырьки. Когда давление снова повышается, пузырьки схлопываются, генерируя волны высокого давления, способные разрушать материал вкладыша. Кавитационная эрозия характерна для высокоскоростных двигателей, отмечает докладчик.
Особое внимание уделяется проблемам износа подшипников. Различают ускоренный износ, когда подшипник еще не перегрет; сильный износ со следами перегрева и даже подплавления; тяжелый износ с обнажением стального основания. А возможными причинами являются масляное голодание (режим из гидродинамического переходит в смешанный), разрыв масляной пленки в результате усталости, геометрические перекосы и шероховатость поверхности.

Существует опасность проворачивания вкладышей. Оно происходит, когда сила трения с валом превышает силу трения между постелью и стальным основанием. Его внешнее проявление – сильно отполированная задняя поверхность вкладыша, вызванная проворачиванием в корпусе. Возможные причины: недостаточная высота выступа стыка, масляное голодание и схватывание с валом, диаметр корпуса больше максимального допуска.
Неподдельный интерес зала вызывает демонстрация приработанного вкладыша: в этой зоне толщина уменьшилась на столько-то, а в этой – на столько-то. Так подшипник приспосабливается под реальные условия, самостоятельно формируя оптимальную геометрию.

Докладчик знакомит слушателей с примером расчета и оптимизации подшипников для скутера. Исходная масляная пленка имеет толщину 0,2 микрона. Это очень мало. Конструкторы упраздняют одну из канавок и меняют геометрию другой. В сочетании с маслом измененной вязкости получена пленка толщиной 0,7 микрона. Такая вот управляемая система получается.

Далее слушателей знакомят с вызовами, с которыми столкнулись конструкторы двигателей и разработчики подшипников в частности. «Священная корова» здесь – снижение эмиссии отработавших газов. Проблема решается двумя путями: даунсайзинг – раз; внедрение системы «старт-стоп» и гибридного привода – два.
В первом случае мы сталкивается с повышением удельных нагрузок и уменьшением толщины масляной пленки; во втором – с частыми нарушениями гидродинамического режима смазки.

Возникает противоречие: материал подшипника должен быть тверже, чтобы выдерживать возрастание удельной нагрузки. И одновременно он должен быть мягче, чтобы компенсировать нестабильность гидродинамического режима смазки.
Где же выход? А выход в создании усовершенствованных композитных структур, сочетающих прочные материалы с многослойными антифрикционными покрытиями.

На этом мы завершим обзор доклада уважаемого спикера. В заключение отметим, что информационным партнером семинара выступила MIMS Automobility Saint Petersburg – международная выставка запасных частей, автокомпонентов, оборудования и товаров для технического обслуживания автомобиля.

Автор: Буцкий Юрий