Конструкция вкладышей для форсированных двигателей.
- 29.05.2024
- /
- 0
- /
- Просмотров 95
За последние несколько лет значительно повысилась степень форсировки двигателей и конструкторы неуклонно повышают их мощность. Уже становится привычным, когда с 1,5 л рабочего объема двигателя снимают 140-170 л. с., а двухлитровый мотор может развивать 250-300 л. с.
Конструкция вкладышей для форсированных двигателей.
За последние несколько лет значительно повысилась степень форсировки двигателей и конструкторы неуклонно повышают их мощность. Уже становится привычным, когда с 1,5 л рабочего объема двигателя снимают 140-170 л. с., а двухлитровый мотор может развивать 250-300 л. с.
Совершенствование двигателей идет по следующим направлениям: больше мощность и крутящий момент, рост рабочих оборотов, облегчение деталей, применение масел с низкой вязкостью и уменьшение масляных (монтажных) зазоров между деталями.
Эти улучшения в конструкции ДВС неизбежно привели к изменению условий, в которых работают вкладыши подшипников коленчатого вала. Учитывая условия работы вкладышей, можно сформулировать следующие проблемы характерные для форсированных двигателей:
- Усталость материала вкладышей
- Условия смазки вкладышей
- Посадка вкладышей с нужным натягом
Исследования компании King Engine Bearings были направлены на решение этих проблем. Результатом стали новые конструктивные решения и материалы для вкладышей, которые будут надежно работать в форсированных (повышенной мощности) двигателях.
УСТАЛОСТЬ МАТЕРИАЛА
Нагрузочная способность (усталостная прочность) – это максимальное значение циклического напряжения, которое может выдержать вкладыш без возникновения на его поверхности усталостных трещин, после большого числа циклов нагружения. Нагрузочная способность триметаллического (трехслойного) вкладыша определяется усталостной прочностью как антифрикционного покрытия, так и промежуточного, подстилающего, слоя.
Основная нагрузка сосредоточена в зоне контакта шейки вала и вкладыша и вызывает образование небольших трещин на поверхности вкладыша. Затем эти трещины распространяются по всей его толщине, доходят до поверхности стального основания и продолжают свое развитие по границе стального основания и медной подложки. В результате фрагменты внутреннего слоя отделяются от стального основания. [1].
Таким образом, на работу вкладыша и его долговечность, влияют как прочность самого покрытия, так и прочность промежуточного слоя.
pMax Black™: усиленный материал для триметаллических вкладышей
Для повышения усталостной прочности компания King разработала новую триметаллическую ленту для вкладышей, работающих с повышенной нагрузкой. Её представили под торговой маркой pMax Black™.
Высокая нагрузочная способность бронзового промежуточного слоя pMax Black™ – он выдерживает давление до 1196 ат – достигнута двумя способами: повышением содержания олова в бронзе до 4–5% и холодной прокатке ленты, при нанесении бронзы на стальную основу, с большим усилием. При этом твердость промежуточного слоя pMax Black™ была увеличена до 110–115 HV. А более твердый промежуточный слой повышает надежность работы вкладыша.
Для дальнейшего повышения усталостной прочности были применены три технических решения:
1) Толщина покрытия уменьшена с 17,8 мкм, обычной для вкладышей стандартных двигателей, до 12,7 мкм.
2) Повышена объемная прочность/твердость материала покрытия – антифрикционный материал pMax Black™ (для усиленных вкладышей серии King XP) содержит 5% меди, что обеспечивает более высокую усталостную прочность.
3) Сама поверхность вкладыша тоже упрочнена – ведь чем выше твердость поверхностного слоя, тем большую нагрузку он выдерживает без появления трещин. Для этого был разработан эффективный метод упрочнения, с применением свинца. Такой метод позволяет сформировать сверхтонкий (наноразмерный) упрочненный слой на поверхности вкладыша. Это важный компонент покрытия pMax Black™ (см. рис. 1).
Рис. 1. Поверхность pMax Black™ (черного цвета) на вкладышах серии King XP.
Рис. 2 Результаты испытаний: на левом фото - вкладыши King CR807XP. На правом фото - обычные вкладыши для форсированных двигателей. Суммарная нагрузка - 4,3 млн циклов нагружения, при давлении 8180 ат.
U-Groove™: Доработанная конструкция масляной канавки
Сила инерции, создаваемая вращающейся шейкой коленчатого вала, направлена от центра вращения к центру масс. Поэтому она действует как на верхний, так и на нижний вкладыши подшипника. При этом масляная канавка обычно выполняется в верхней половине, где расположено отверстие для подачи масла. Канавки длиной в половину окружности обычно достаточно для подачи требуемого количества масла в шатунный подшипник, куда оно попадает через сверления внутри коленчатого вала.
На высоких оборотах в форсированных двигателях удельная нагрузка (т. е. - сила, приложенная на единицу площади), прикладываемая к верхнему вкладышу, может превышать удельную нагрузку на нижний вкладыш.
Удельная нагрузка, которую испытывает верхний вкладыш (с масляной канавкой), может быть снижена за счет уменьшения ширины этой канавки – при этом увеличивается рабочая площадь поверхности, благодаря чему снижается удельная нагрузка.
King изменил сечение канавки так, чтобы уменьшить её ширину, но при этом сохранил неизменной площадь ее поперечного сечения. Это позволило повысит несущую способность вкладыша, за счет увеличения поверхности контакта как минимум на 30%, и сохранило неизменным пропускную способность канавки.
Результаты расчетов были проверены ходом испытаний и выполненных замеров. Новая конструкция канавки обеспечивает большую долговечность вкладыша, благодаря более стабильному режиму гидродинамической смазки – меньшему пиковому давлению и большей толщине масляной пленки в подшипнике коленвала.
Рис. 3. Слева - обычная масляная канавка. Справа - канавка U-Groove™, предложенная компанией King.
СМАЗКА
Пара трения "Шейка вала - вкладыши" функционирует как гидродинамический подшипник – вращающаяся шейка вала создает гидродинамическую силу, которая нагнетает масло, в зазор между шейкой и поверхностью вкладыша. [3].
Давление, возникающее в слое масла не позволяет шейке контактировать с поверхностью вкладыша. При этом для нормальной работы гидродинамического подшипника строго необходим сходящийся (клинообразный) зазор между поверхностями вкладыша и шейки.
Bull’s Eye Tolerance™: оптимальный масляный зазор благодаря стабильности толщины стенок
Масляный (иначе - монтажный) зазор является основным геометрическим параметром для определения стабильности режима гидродинамической смазки. При этом данный зазор должен быть в определенных, оптимальных, пределах, обеспечивающих желательное сочетание параметров смазки.
Этот зазор в подшипнике коленчатого вала высчитывается следующим образом:
c = Dh - Dj - 2h
Где:
Dh – внешний диаметр посадочного места под вкладыши в блоке цилиндров или в нижней головке шатуна.
Dj – диаметр шейки коленчатого вала.
h – толщина вкладыша, которую при расчете надо умножить на 2.
Но у нас всегда есть допуск на все размеры, в частности - на толщину вкладыша. Поэтому, некоторый разброс (допуск) в толщине вкладышей не позволяет обеспечить стабильность масляного зазора.
Поэтому для точного "попадания" в величину масляного зазора требуется шлифование шеек коленчатого вала и селективная сборка при установке вкладышей в посадочные места. Поэтому иногда приходится приобретать несколько комплектов вкладышей и подбирать при сборке наиболее подходящие.
King разработал технологию производства Bull's Eye Tolerance™, обеспечивающую наименьший разброс толщины ленты для вкладышей (рис. 4).
Рис. 4. Разница в толщине стенки вкладыша: King добился куда меньшего разброса этого параметра, чем в среднем в отрасли
EccentriX™: Оптимальный эксцентриситет подшипника коленчатого вала.
Максимальное теоретическое значение эксцентриситета подшипника равно разности между радиусом вкладыша и радиусом шейки. Для увеличения эксцентриситета вкладыша без изменения оптимального масляного зазора внутренняя опорная поверхность вкладышей получается не совсем круглой. Она напоминает эллипс и это достигнуто за счет переменной толщины вкладыша, имеющей максимальное значение на вертикальной осевой линии (Т) и постепенно уменьшающейся к линии разъема [2]. Принято измерять минимальное значения толщины вкладыша (Те) на определенной заданной высоте h (рис. 5).
Рис. 5. Эксцентриситет коренных вкладышей.
Оптимальное значение эксцентриситета вкладышей зависит от рабочих оборотов двигателя. Чем выше обороты, тем больше эксцентриситет, что дает наилучшее сочетание гидродинамических параметров (рис. 6). Причем для компенсаций деформации блока цилиндров (т. е. - фактически корпуса подшипников коленчатого вала) вкладыши должны иметь дополнительный эксцентриситет.
EccentriX™ – это оптимизированное значение эксцентриситета, полученное в результате теоретического моделирования и гидродинамического анализа. Величина эксцентриситета для каждого вкладыша рассчитана на соответствие конкретным требованиям в зависимости от характеристик двигателя.
Рис. 6 Влияние величины эксцентриситета на минимальную толщину масляной пленки
МАСЛЯНОЕ ГОЛОДАНИЕ (ElliptiX™ для улучшенной подачи масла)
Масляное голодание подшипника коленчатого вала наступает тогда, когда масла, подаваемого в подшипник, недостаточно для гидродинамической смазки. При работе двигателя масло постоянно вытекает через зазоры и сливается в поддон картера (блока цилиндров). Такой боковой отвод (или утечка) масла необходим, поскольку вместе с маслом из подшипников отводится тепло - т. е. подшипники эффективно охлаждаются.
Однако, если такая утечка становится близка к производительности масляного насоса или, даже, превысит её, то количество масла в подшипнике коленчатого вала становится недостаточным для образования стабильной масляной пленки. Такие условия называют масляным голоданием подшипника.
Для форсированных двигателей характерна работа при значительной нагрузке и на высоких оборотах. Поэтому величина оттока масла из подшипников таких двигателей намного выше, чем обычно. Кроме всего прочего на величину подачи и, соответственно, оттока масла влияют и размеры отверстия в коренных вкладышах. Такое отверстие должно обеспечивать подачу масла, достаточную для компенсации утечки как из коренного вкладыша, так и из соответствующего шатунного.
На рис. 8 показаны обычное отверстие для подачи масла и ElliptiX™ – новое отверстие сложной формы, которое улучшает подачу масла, не уменьшая контактную поверхность вкладыша. Это решение также сохраняет нагрузочную способность вкладыша.
Рис. 7. Повреждения вкладышей из-за масляного голодания
Рис. 8. Слева - обычное отверстие во вкладыше. Справа - отверстие ElliptiX™, для улучшения подачи масла.
ПОСАДКА С НАТЯГОМ (RadiaLock™: Оптимальное выступание края вкладыша на стыке)
Правильно посаженный вкладыш имеет равномерный контакт с поверхностью посадочного места ("постели"), и это важно по нескольким причинам [1]:
- предотвращается фреттинг-коррозия контактирующих поверхностей (и вкладыша, и "постели"), а также - проворачивание вкладыша во время работы.
- обеспечивается максимальная теплопередача через контактирующие поверхности
- повышается жесткость посадочного места ("постели")
Для получения требуемого натяга наружный диаметр вкладыша всегда должен быть больше диаметра его посадочного места. Параметр, характеризующий надежность посадки, называется высотой выступания стыка (рис. 9):
Рис. 9. Приспособления для замера натяга. Прилагаемое усилие F зависит от параметров вкладыша и его посадочного места
Универсальной величины натяга, подходящего для всех видов вкладышей и посадочных мест, не существует. Это обусловлено тем, что требуемое минимальное контактное давление зависит от материала посадочного места, жесткости корпуса (его размеров и формы), толщины вкладыша и температуры.
Вкладыши, работающие при больших нагрузках, высоких оборотах и повышенных температурах, должны иметь и больший натяг - для обеспечения лучшей теплопередачи и предотвращения смещения вкладыша при высоких нагрузках.
Исполнение RadiaLock ™, предложенное компанией King, обеспечивает оптимальные значения натяга и идеальное радиальное давление.
Это особенно важно в форсированных двигателях, где надлежащая величина выступания стыка и, соответственно, натяга, критически важна. Даже небольшие отклонения в сторону увеличения или уменьшения натяга могут вызвать катастрофические последствия.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Компания King Engine Bearings разработала несколько конструктивных и технологических решений для вкладышей, предназначенных для форсированных современных двигателей.
- pMax Black™ – новый триметаллический вкладыш для применения в особенно мощных двигателях
- U-Groove™ – новая конструкция масляной канавки для высоконагруженных вкладышей
- Bull's Eye Tolerance™ – технология, минимизирующая разброс толщины вкладышей
- EccentriX™ – теоретический гидродинамический анализ для оптимального эксцентриситета
- ElliptiX™ – отверстие для подачи масла увеличенного поперечного сечения без уменьшения площади контакта вкладыша
- RadiaLock™ – конструкция вкладыша, обеспечивающая оптимальное сочетание значений контактного давления и натяга вкладышей в своем посадочном месте.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Kopeliovich, Dmitri. “The Proper Selection of Engine Bearing Materials.”
Engine Professional April-June 2011: 48-62.
[2] Kopeliovich, Dmitri. “Geometry and Dimensional Tolerances of Engine Bearings.”
Engine Professional October-December 2011: 70-76.
[3] Kopeliovich, Dmitri. “Hydrodynamic Journal Bearing.” SubsTech (Substances & Technologies).
Retrieved from https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=%20hydrodynamic_journal_bearing
Доктор Дмитрий Копелиович
Дмитрий Копелиович считается одним из ведущих авторитетов в области исследований и разработок вкладышей. Он получил степень доктора в области материаловедения и работает менеджером по исследованиям и разработкам в King Engine Bearings. Доктор Копелиович известен как «Доктор вкладышей» за его обширные исследования причин преждевременных отказов вкладышей и их предотвращения. Чтобы задать вопрос доктору Копелиовичу, посетите сайт www.kingbearings.com и нажмите на «Ask Dr. Dmitri».