> Капитальный ремонт двигателя, ремонт дизелей, дизельных двигателей, ремонт головок блока цилиндров, расточка-ремонт постелей валов, шлифовка коленвалов, шлифовка и ремонт ГБЦ, ремонт шатунов, оборудование SERDI, AMC-SCHOU для СТО по ремонту механики двигателя

(публикуется в сокращении)

АЛЕКСАНДР ХРУЛЕВ, кандидат технических наук

«Упустил масло» - так описал свой случай один из водителей. Упустил - значит, не проверил вовремя. И мотор остался без масла. Последствия понятны: «застучал» шатунный вкладыш. Кончилось тем, что шатун оборвался и, попав между коленвалом и стенкой блока, пробил в блоке цилиндров хорошую дыру.

Такой блок, конечно, надо менять. Но он стоит денег, и немалых. Так что варианты хоть и есть, но реальный выход из положения они обеспечивают далеко не всегда.

А если все-таки блок не менять? Попробовать его отремонтировать? Что ж, дело хорошее, только непростое, требующее знаний и некоторого опыта.

Варить или не варить?

Принципиально можно отремонтировать блок цилиндров с любыми повреждениями. Весь вопрос в том, насколько это экономически оправданно.

Конечно же, прежде чем начинать исправление таких сложных повреждений, как пробоины, необходимо наметить технологию ремонта. Самый важный вопрос - каким способом заделывать пробоину. От этого зависит и трудоемкость работы, и потребность в специальном оборудовании и инструменте, и в конечном счете - надежность двигателя после ремонта.

Традиционным способом ремонта пробоин в блоке цилиндров считается сварка. Однако просто взять и заварить пробоину трудно. Локальный нагрев в зоне сварочного шва всегда приводит к возникновению больших напряжений при остывании блока. А это опасно - могут образоваться трещины. Но даже если обойдется без трещин, сильный нагрев все равно даром не пройдет, и после остывания блок может оказаться деформированным.

Конечно, результат сильно зависит от квалификации сварщика и используемого оборудования. Например, если перед сваркой блок подогреть, а после - медленно охладить, то напряжения будут заметно снижены. Значит, и деформации уменьшатся, и трещины, скорее всего, не появятся. Правда, такой процесс требует специальной печи, а это уже не так дешево. Кстати, хорошее сварочное оборудование тоже не отличается дешевизной. У сварки есть и другие недостатки, связанные с материалами, из которых изготавливаются блоки цилиндров. Так, легирующие элементы, присутствующие в металле, нередко мешают получению качественного сварного шва.

Когда пробоина заварена, прочность и жесткость блока, нарушенные в результате поломки, будут восстановлены. Но это вовсе не значит, что отремонтированный блок обретет былую герметичность. Ее обязательно нужно проверять - и при необходимости дополнительно герметизировать шов, например, с помощью различных клеевых композиций.

Вот и получается, что во многих случаях сварка - довольно сложный и не самый удачный способ ремонта. А какой лучше? Однозначно не ответить, но альтернатива сварке все же есть.

Как заклеить пробоину

Итак, применяемая технология должна быть доступной и недорогой, то есть не требовать дорогостоящего оборудования, инструмента и материалов; она должна выполняться персоналом средней квалификации и обеспечивать высокую надежность двигателя после ремонта. Всем перечисленным требованиям вполне удовлетворяет способ ремонта с помощью клеевых композиций.

Вы удивлены? Напрасно. Технология клейки блоков давно проверена и успешно применяется рядом специализированных мастерских.

Любую клеевую композицию, как и сварку, нельзя применять просто так, что называется, в лоб. Надо обязательно соблюдать требования, которые уже достаточно хорошо отработаны. Коротко сформулируем задачу: надо заделать пробоину в блоке, обеспечив высокую прочность и герметичность стенки после ремонта. Решение ее доступно любой мастерской или СТО.

Начинать, как и всегда, надо с подготовки. Необходимо тщательно зачистить поверхность вокруг пробоины (и внутри, и снаружи блока) на ширину 25 мм. Далее следует вырезать и подогнать накладки из листовой стали толщиной 0,0,8 мм. Для того, чтобы с нахлестом 20 мм закрыть пробоину с двух сторон - изнутри и снаружи. Поскольку форма накладок, скорее всего, получится сложной, повторяющей «рельеф» поверхности блока, вначале лучше сделать картонные шаблоны, а уже затем по ним вырезать накладки.

Накладки подгоняют по месту, обстукивая молотком так, чтобы обеспечить их точное прилегание к блоку. Там, где есть полное прилегание, размечаются и сверлятся отверстия. Для этого накладка прижимается к блоку, и сверлом 5,5,2 мм делаются сквозные сверления через накладку в стенке блока. Отверстия должны располагаться равномерно по контуру пробоины с шагом 50 мм. Отверстия в накладках рассверливаются до 6,5 мм, а в отверстиях блока нарезается резьба М6. Там, где стенки блока достаточно тонкие (менее 10 мм), можно рассверлить отверстия в блоке до 6,5 мм, чтобы затем одним болтом притянуть обе накладки - и снаружи, и изнутри.

Нелишним будет предварительно собрать конструкцию - поставить и затянуть все болты, чтобы проконтролировать, как встают накладки на блок и заворачиваются болты. Осталось тщательно зачистить поверхности накладок, все обезжирить ацетоном и приступить к финальной стадии ремонта - нанесению клеевой композиции. А что наносить?

Действительно, широко распространенная в прошлом эпоксидная смола сегодня не годится. Например, без наполнителя она вытечет из зазоров между накладками и блоком. Без пластификатора тоже ничего не получится - затвердевшая смола треснет, поскольку блок цилиндров постоянно испытывает циклы нагрева-охлаждения, приводящие к опасным для смолы напряжениям.

Более удачны композиции типа «холодной сварки». Основа у них, как правило, та же, эпоксидная, но свойства за счет добавок лучше - и прочность, и пластичность, и адгезия. Некоторые из этих материалов выдерживают высокие температуры - до 3000С, что для двигателя не будет лишним.

Но мы из имеющихся вариантов выбрали композицию американской фирмы Belzona.

Для ремонта чугунных деталей в программе фирмы имеются композиции с мелкой чугунной крошкой, идеально подходящие для блоков цилиндров. Ну и, конечно, многолетний опыт использования этих композиций для ремонта блоков - он тоже немалого стоит. Единственный, по нашему мнению, недостаток материалов Belzona - сравнительно высокая цена (более 100 долл. США за килограмм).

Смешав компоненты в необходимой пропорции (1:3 по объему), наносим их на стенку блока по контуру пробоины и прижимаем одну из накладок. После этого пробоина заполняется композицией и устанавливается вторая накладка. Между накладками должно оказаться столько композиции, чтобы при затягивании болтов часть ее выдавилась по всему контуру накладок.

Когда композиция отвердеет, останется только срезать выступающую часть болтов (из эстетических соображений или если они чему-нибудь мешают) и покрасить блок.

АЛЕКСАНДР ХРУЛЕВ, кандидат технических наук

Ремонт двигателей без проверки герметичности каналов охлаждения и смазки головки блока цилиндров, да и самого блока, - рискованное дело, грозящее неприятными последствиями. Между тем, существует надежный способ гарантированно их избежать.

Важный этап восстановительного ремонта - разборка и обследование с целью определения технического состояния узлов и деталей. При осмотре головки блока цилиндров обычно первоочередное внимание обращают на степень износа деталей газораспределительного механизма. Чаще этим и ограничиваются, забывая о том, что при эксплуатации возможны повреждения корпуса головки. Его участки, непосредственно образующие камеры сгорания двигателя, испытывают высокие нагрузки, механические и тепловые. Одним из последствий их совместного воздействия является то, что с течением времени в теле головки могут образовываться трещины.

Бомба замедленного действия.

Образование трещин в ГБЦ - явление не экзотическое, а, напротив, довольно распространенное. Наиболее подвержены ему головки дизельных двигателей, поскольку они работают в условиях наибольших нагрузок.

В первую очередь, это головки, изготовленные из чугуна, уступающего алюминиевым литьевым сплавам в пластичности. Но и в алюминиевых ГБЦ трещины не редкость. Поэтому некоторые автопроизводители (например ,VW) даже допускают наличие трещин на корпусе головок при условии, что они не сквозные и их размеры не превышают установленных пределов.

Обычно трещины появляются в местах, которые характеризуются наибольшими градиентами температур: в районе форкамеры, между седлами впускных и выпускных клапанов и так далее. ГБЦ бензиновых двигателей, алюминиевые и чугунные, повреждаются реже, и в основном по причине нарушения теплового режима двигателя, перегрева или наличия внутренних дефектов литья в виде раковин или скрытой пористости.

Любая трещина в теле головки, даже небольшая, представляет собой потенциальную опасность. Являясь концентратором напряжений, она с течением времени развивается. Увеличиваясь в размерах, трещина опасна не только уменьшением механической прочности головки. В зависимости от характера и места положения она может привести к ослаблению посадки запрессованных в головку деталей: клапанных седел, форкамер, направляющих втулок клапанов. Но наиболее угрожающие последствия для работоспособности двигателя возможны в тех случаях, когда развитие трещины приводит к нарушению герметичности проходящих внутри головки каналов систем смазки и охлаждения.

Недаром в «правильных» руководствах по эксплуатации автомобилей приводится разумный совет: почаще обращать внимание на состояние охлаждающей жидкости в расширительном бачке системы охлаждения. Присутствие в ней следов моторного масла или запаха отработавших газов - верные приметы, указывающие автовладельцу на грядущие проблемы и неминуемую потерю денег. Если причина не в поврежденной прокладке головки блока, то, скорее всего, - в скрытой в головке трещине. Причем первая «примета» - следствие того, что трещина соединяет каналы смазки и охлаждения друг с другом. Поскольку давление в системе смазки выше, происходит просачивание масла в охлаждающую жидкость. Последствия - скрытые, неконтролируемые утечки моторного масла и снижение эффективности охлаждения двигателя вследствие образования эмульсионной смеси антифриза и масла.

Вторая, более распространенная «примета» говорит о проникновении в систему охлаждения отработавших газов и пророчит более серьезные последствия. В этом случае трещина соединяет рубашку охлаждения с камерой сгорания двигателя, и процесс развивается в двух направлениях. Под действием высокого давления, создающегося в камере сгорания при воспламенении смеси, система охлаждения через трещину надувается горячими выхлопными газами. После остановки двигателя, когда давление в цилиндре становится меньше чем в системе охлаждения, в него тем же путем просачивается охлаждающая жидкость. Обладающая неплохими моющими свойствами, она вычищает внутренности камеры сгорания, заодно смывая со стенок цилиндра смазку. Часть охлаждающей жидкости на неработающем двигателе поступает в картер и смешивается с моторным маслом, ухудшая его смазывающие свойства. Помимо этого наличие трещины приводит к падению компрессии, снижая способность топливной смеси к воспламенению. В результате в двигателе наблюдаются пропуски воспламенения, он быстро перегревается и работает буквально «на износ».

Упомянутые явные симптомы разгерметизации каналов смазки и охлаждения, становятся заметными, когда трещина достигает внушительной величины. В то же время она начинает свою жизнь с микроскопических размеров и до поры никак себя не проявляет. Это означает, что отсутствие на момент внешних проявлений, говорящих о наличии трещин во внутренних полостях головки, не может служить гарантией того, что механизм «бомбы замедленного действия» уже не запущен.

Стоит отметить, что не всегда в разгерметизации рубашки охлаждения головки виноваты высокие нагрузки и температуры. Довольно часто ее причиной является коррозия. Она повреждает посадочные поверхности технологических отверстий системы охлаждения, в которые запрессовываются заглушки. Со временем коррозия приводит к образованию сквозных отверстий по периметру заглушек и утечкам теплоносителя. Неисправность очень коварна, так как обнаружить причину потери охлаждающей жидкости непросто.

Визуальное обследование головки не всегда позволяет обнаружить трещины в ее корпусе. Во первых, они хорошо замаскированы слоем нагара и могут иметь незначительные размеры. Во вторых, часто трещины открываются не на внешнюю поверхность головки, а в ее внутренние полости (каналы системы смазки и охлаждения) или же могут скрываться под седлами клапанов, форкамерами, направляющими втулками. В таких случаях не поможет и применяющийся иногда метод «проявления» трещин пескоструйной обработкой поверхности головки.

Как быть в таком случае? Ограничиться внешним осмотром и далее положиться на удачу? Это очень рискованный путь. Известно немало случаев из практики, когда только что восстановленный двигатель, ремонт которого стоил клиенту многих десятков тысяч рублей, оказывался неработоспособным. Авторемонтные предприятия, которые не радует перспектива за свой счет переделывать дорогостоящую работу и терять авторитет в глазах своих клиентов, давно включили в перечень обязательных работ, выполняющихся при восстановлении двигателя или ГБЦ, операцию проверки скрытых полостей на герметичность. При наличии специализированного оборудования она выполняется быстро и стоит клиенту не очень дорого.

Разминирование.

Прежде чем рассказывать о технологии проверки герметичности внутренних полостей ГБЦ, еще раз напомним, в каких случаях ее следует выполнять. В идеале - во всех без исключения, когда выполняется ремонт двигателя или головки. Особенно в следующих:

- если при эксплуатации двигателя отмечались симптомы, указывающие на нарушение целостности внутренних каналов ГБЦ;

- если поводом для ремонта послужил перегрев двигателя, как правило, чреватый образованием трещин;

- когда ремонтируется дизельный двигатель, особенно с ГБЦ, изготовленной из чугуна;

- после заварки трещин в легкосплавнной головке для проверки качества выполненных сварочных работ.

- при приобретении бывшей в употреблении головки взамен вышедщей из строя.

О последнем случае следует сказать особо. Стоимость новой головки блока для подержанного импортного автомобиля, даже без газораспределительного механизма, может повышать уровень 1000 EUR. Ее приобретение нередко оказывается экономически нецелесообразным, так как цена ГБЦ может быть сравнимой с остаточной стоимостью автомобиля. Одно из возможных решений - покупка «бэушной» головки.

Идя таким путем, нужно помнить, что качество головок для автомобилей производства конца х-начала х годов, предлагаемых на разборках, очень низкое. Даже если внешний вид головки не вызывает подозрений, устанавливать ее на двигатель без проверки герметичности - опасное занятие. Еще свеж в памяти пример, когда клиент, искавший ГБЦ для «опелевского» дизеля, намаялся вдоволь: ему пришлось привезти в моторный центр ни много ни мало пять головок! В четырех из них были обнаружены скрытые трещины. Потеря клиентом времени на их поиски - ничто в сравнении с экономией денег, которые ему пришлось бы заплатить за то, чтобы демонтировать головку, собрать и трегулировать следующую, а затем установить ее на место. И так пять раз! Согласитесь, убедительный пример важности контроля герметичности ГБЦ.

Наиболее удобно и быстро его можно осуществить, используя специально предназначенные для этого установки. Они разрабатываются и изготавливаются рядом зарубежных фирм. Принцип действия установок основан на опрессовке внутренних полостей головки с помощью сжатого воздуха. Предварительно исследуемая полость, например, рубашка охлаждения, заглушивается. С этой целью привалочная плоскость головки герметизируется с помощью резиновых прокладок и плиты, выполненной из оргстекла большой толщины. На отверстия охлаждающего контура, выходящие на боковые поверхности головки, также ставят заглушки. Через одну из них, снабженную штуцером, внутрь испытуемой полости подается сжатый воздух при давлении 6 бар.

Головка погружается в воду, которой наполнена термоизолированная ванна. В воде, температура которой поддерживается около 70°С, головка нагревается до ее рабочей температуры. Благодаря тепловому расширению металла, вскрываются все трещины, даже те, что были закрыты при комнатной температуре. Местоположение трещин определяется визуально, по истечению сжатого воздуха из полости головки, сопровождающемуся образованием «волшебных пузырьков». Для удобства поиска мест утечки установка позволяет вращать головку вокруг оси на 360°С.

Габаритные размеры ванны некоторых моделей установок, позволяют проводить опрессовку не только головок, но и блоков, включая и V- образные. Появление сквозных трещин в блоках - явление более редкое, но и не менее опасное для работоспособности двигателя. Не составит труда определить место течи в радиаторе. Опрессовкой можно не только проверить герметичность контура охлаждения или смазки, но и установить характер видимых трещин, сквозные они или нет. С помощью установки можно проконтролировать герметичность посадочных поверхностей направляющих втулок клапанов. Случается, что масло попадает в камеру сгорания именно этим путём, а не по стержню клапанов, через изношенные маслосъёмные колпачки и отверстия втулок. Во всех случаях «волшебные пузырьки» гарантированно покажут наличие и место неисправности.

Подробно особенности процесса опрессовки показаны на иллюстрациях. Испытаниям подвергались головки цилиндрового бензинового мотора Mitsubishi и цилиндрового дизеля Mercedes-Benz. Работа выполнялась на специализированной установке, которая обладает характеристиками, делающими ее эксплуатацию экономичной, а работу - удобной. Термоизолированная ванна имеет большие размеры; предусмотрено искусственное освещение рабочей зоны, погружение испытуемого агрегата и его вращение автоматизированы. Установка комплектуется набором приспособлений для подготовки объекта исследования к опрессовке. Все вопросы практической работы продуманы настолько, что проверка герметичности внутренних полостей ГБЦ занимает буквально несколько минут.

Нельзя не упомянуть о другом аспекте применения установки, экономическом. Установка для опрессовки относится к категории технологического оборудования, которое характеризуется минимальным сроком окупаемости. Действительно, стоимость оборудования - доступная эксплуатационные затраты - минимальные, производительность - очень высокая. К этому можно прибавить существующий дефицит подобных услуг на рынке авторемонта. Все факторы говорят за то, что с помощью установки можно не только эффективно решать проблемы ремонта, но и зарабатывать деньги, предоставляя услуги по опрессовке автомобильных агрегатов. Опять же, благодаря «волшебным пузырькам».

SERDI

Проверка начинается с установки ГБЦ на подвижную монтажную раму. Предварительно на отверстия рубашки охлаждения в боковой поверхности головки установлены заглушки, одна из них - со штуцером для подвода воздуха.

SERDI

Каналы системы охлаждения, открывающиеся в привалочную плоскость головки, закрываются уплотняющими прокладками.

SERDI

На прокладки устанавливается прозрачная плита, изготовленная из оргстекла. Она позволит осматривать поверхность головки блока при опрессовке

SERDI

Плита надежно прижимается мощными струбцинами.

SERDI

Сжатый воздух подается в полость головки блока через шланг с быстросъемным разъемом.

SERDI

Дана команда «на погружение».

SERDI

Установка  для опрессовки снабжена вентилем и манометром для регулировки и контроля давления.

SERDI

Исследуемый агрегат (в данном случае головку блока) можно автоматически вращать на360°С.

SERDI

Пузырьки воздуха наглядно показывают местоположение трещины. В данном случае она находится вблизи одной из опор распределительного вала.

SERDI

Не прошло и десяти минут, как к обследованию готов очередной объект-ГБЦ двигателя МВ.

SERDI

У этого агрегата обнаружено две «болевых точки». Одна из них - трещина под седлом выпускного клапана.

SERDI

Вторая - негерметичность корпуса вблизи одного из выпускных каналов.

Как избавиться от притирки?

притирка клапанов

Подробнее

АЛЕКСАНДР ХРУЛЕВ, кандидат технических наук

Головка блока современного верхнеклапанного двигателя - это сложный комплекс, состоящий из целого ряда узлов и механизмов. И когда речь идет о капитальном ремонте мотора, то полноценное восстановление этих механизмов порой едва ли не сложнее суммы традиционных операций - расточки цилиндров и шлифовки коленчатого вала. Оборудование требуется специализированное, трудоемкость и  точность исполнения   очень высоки. Между тем приведение в порядок головки блока у наших ремонтников как-то не принято считать первостепенным делом. Блок и коленчатый вал - да, это обязательно, а головка - как получится. В итоге двигатель возвращается в строй ущербным, «недолеченным», отсюда и общее недоверие к таким агрегатам. Именно поэтому запланированный цикл бесед о капремонте двигателя мы решили начать нешаблонно - с головки блока цилиндров.

Дефекты и их обнаружение

Общеизвестная специфика ремонта головки блока состоит в том, что возможных дефектов здесь много и они разнообразны по характеру.

После больших пробегов обычно оказываются изношенными седла и уплотнительные фаски клапанов, направляющие втулки и клапанные стержни, кулачки распределительного вала и толкатели (рычаги, коромысла), торцы стержней клапанов, опорные шейки и подшипники распределительного вала. Неизбежны также износ и старение маслосъемных колпачков. Все это вместе сопровождается большим расходом масла и шумной работой двигателя.

Целый ряд проблем в голов-ке блока возникает вследствие перегревов двигателя, вызываемых негерметичностью системы охлаждения, отказом вентилятора или термостата. Это приводит к деформации привалочной плоскости, в худшем случае - к трещинам и прогарам в стенках камер сгорания с одновременным повреждением поршней. Если деформации велики, становится вероятной несоосность подшипников распределительного вала и тогда без серьезных станочных работ не обойтись. Кстати, естественная температурная деформация головки всегда вызывает несоосность седел и направляющих втулок клапанов, поэтому соответствующий ремонт седел - это обычная операция.

Есть и особая группа неисправностей, вызванных дефектами и поломками в приводе распределительного вала. Известно, что на многих двигателях обрыв или срезание зубьев ремня вызывает удары поршней в клапаны. При этом не исключена их поломка, а тарелки клапанов, попав между поршнем и головкой, способны наделать много бед: повредить седла, поршни, стенки камеры сгорания. После таких катаклизмов возможно появление трещин в головке блока, поломка направляющих втулок клапанов, а деформации шатунов почти гарантированы.

Не следует думать, что все упомянутые явления характерны только для старых моторов. Многое возникает из-за несвоевременного или неграмотного обслуживания автомобиля. Известно, например, что ремень газораспределения надо периодически менять - обычно через 60 тыс. км, а в условиях большой запыленности гораздо раньше. Халатность в этом простом деле ведет к разрушению ремня с уже известными катастрофическими последствиями.

И еще. Неправильная регулировка зазоров в клапанном приводе может вызвать перегрев и прогар клапанов (малые зазоры) или большие износы кулачков, толкателей, направляющих втулок, стержней и торцев клапанов (большие зазоры). Не так уж редки случаи повреждения резьбы в отверстии при заворачивании свечи с перекосом. Серьезнейшие последствия связаны с недостаточной подачей масла в головку, когда уровень масла в картере слишком мал из-за несвоевременной доливки. То же происходит при запуске на морозе, если в двигателе залито слишком густое (летнее) масло. Ремонт головок после такого масляного голодания затруднен, а иногда и просто невозможен.

Демонтаж и разборка

Если установлено, что головка блока нуждается в ремонте, ее в подавляющем большинстве случаев приходится снимать с двигателя. Исключение составляют только работы по замене некоторых уплотнений, например, маслосъемных колпачков, да и то не у всех моделей (у двигателей БМВ прошлых лет подобная работа тоже требует демонтажа головки). А раз так, то перед началом работы стоит обзавестись запчастями, без которых потом все равно не обойтись. В профессиональном ремонте для этого используют так называемые верхние наборы (Head Set), включающие прокладку головки и все прокладки и сальники, расположенные выше нее. У дизелей в такой набор прокладка головки обычно не входит, ее приходится приобретать отдельно.

Перед демонтажом желательно проверить взаимное положение коленчатого и распределительного валов, совместив соответствующие метки. Для отечественных двигателей такая операция не обязательна, но у некоторых иностранных моторов с достаточно сложной установкой фаз газораспределения иногда полезно даже нанести дополнительные метки.

Обычно технология демонтажа головки достаточно подробно излагается в соответствующих руководствах по ремонту конкретных моделей автомобилей. Но есть и некоторые общие принципы, среди которых стоит отметить следующие. При отворачивании болтов крепления головки сначала поочередно ослабляют их на 0,1 оборота, начиная со средних, и только затем вывертывают полностью. Это исключает коробление головки от неравномерных усилий, когда один из соседних болтов полностью затянут, а другой совсем отпущен. Если болты имеют внутренние шлицы, то сначала надо очистить их от нагара, иначе ключ не войдет в болт до конца, а срыв чреват большими хлопотами.

У большинства иностранных машин к головке блока подходит множество вакуумных трубок. Если нет схемы вакуумных соединений для данной модели, то все разъединяемые магистрали надо пометить или зарисовать. Не стоит полагаться на память, даже если трубок мало: ошибка при сборке может привести к большой потере времени.

После снятия головку необходимо полностью разобрать и вынуть клапаны. Если впускной и выпускной коллекторы не помешают ремонту, их можно оставить на головке, но при этом надо иметь в виду, что прокладки коллекторов от времени могли потерять герметичность. Для разборки пружин клапанов используют приспособления рычажного типа. Для работы на снятой головке удобнее те из них, которые одновременно с нажатием на тарелку и пружины толкают клапан в противоположную сторону. При их отсутствии можно пользоваться традиционными съемниками для автомобилей ВАЗ: они, как правило, вполне применимы и для многих иностранных двигателей. Некоторые зарубежные фирмы выпускают автоматизированные стенды для разборки головок, но их цена довольно высока.

Некоторые «умельцы» разбирают головку сильным ударом молотка по тарелке пружины через стальную трубу. Этого делать нельзя, особенно если предполагается использовать старые клапаны. После «ударной» разборки на стержне клапана всегда остаются забоины от тарелки пружины, и как раз в том месте, где ходит маслосъемный колпачок. Легко также погнуть клапан, особенно если он с тонким стержнем. Да и сухари при такой разборке имеют свойство улетать в неизвестном направлении.

Разобранную головку следует полностью очистить от следов старых прокладок и вымыть. Далее приступают к измерениям и проверкам, позволяющим определить объем необходимых работ.

Проверка и дефектовка

Для проверки состояния головки нужен определенный набор измерительных инструментов, без них в данном случае не обойтись. Контролируют следующие размеры и параметры.

1. Нижняя плоскость головки. Тут понадобится специальная лекальная линейка длиной от 350 мм, а также набор щупов. Линейку поочередно кладут на плоскость по диагоналям головки и подбирают щуп, свободно проходящий в зазор между линейкой и плоскостью в средней зоне. Максимально допустимая толщина этого щупа составляет 0,0,06 мм, в противном случае плоскость придется обрабатывать (в профессиональном ремонте ее обрабатывают всегда, даже если деформация невелика).

2. Износ опорных шеек кулачкового вала и его подшипников (если, конечно, вал расположен в головке). Диаметры шеек измеряют микрометром, а отверстий подшипников - нутромером с точностью 0,01 мм. Разность полученных размеров дает зазор в подшипнике, который не должен превышать 0,10 мм. При этом контролируемые поверхности не должны иметь явно выраженных следов износа - круговых канавок, выступов, задиров и т.д. В противном случае распределительный вал заменяют, а головку ремонтируют.

3. Износ стержней клапанов и направляющих втулок. Микрометром измеряют диаметр стержня в верхней части, непосредственно под канавкой для сухарей, а затем в нижней части рабочей поверхности. Поскольку изношенный стержень может быть овальным, замеры надо делать в нескольких точках по окружности. Износ, то есть разница диаметров в верхней и нижней части стержня, не должен превышать 0,0,03 мм, иначе клапан подлежит замене.

Изношенность направляющих втулок определяют специальным нутромером, но допустима и косвенная оценка по люфту нового клапана во втулке, для чего понадобится стойка с индикатором часового типа. Поскольку максимальный износ наблюдается в нижней части втулки, то, измерив боковой люфт тарелки клапана, установленного во втулку, нетрудно пересчитать результат на зазор именно в этом месте. Существуют специальные приборы, основанные на данном способе измерения.

Если зазор превышает 0,0,08 мм, втулку необходимо заменить (в крайнем случае - отремонтировать).

4. Износ седел, толкателей, рычагов, коромысел, кулачков определяется в основном визуально. Износ фасок клапанов можно оценить, приложив к фаске линейку и посмотрев на яркий свет. Если середина фаски «провалена», а стержень неизношен, то можно обработать фаску и использовать такой клапан вновь. У коромысел, помимо состояния поверхностей, контактирующих с клапаном и кулачком, необходимо проверить зазор с осью - он не должен превышать 0,0,07 мм. В противном случае двигатель после ремонта головки останется таким же шумным, как был до него.

5. Различные дефекты местного характера также определяются визуально. Здесь необходимо уделить внимание состоянию поверхности голов-ки, соприкасающейся с окантовкой прокладки: забоины, заусенцы и прочие дефекты обычно приводят к негерметичности соединения головки с блоком цилиндров. Иногда также удается разглядеть трещины в стенках камеры сгорания. Если трещина сквозная (в рубашку охлаждения), то нагара на стенках не будет либо около трещины, либо по всей камере.

Когда есть подозрение на трещину в камере сгорания, либо ее стенки повреждены обломками деталей (клапанов, седел и т.д.), то перед началом ремонта головку надо обязательно проверить на герметичность, иначе весь ремонт может быть выполнен впустую. Организовать такую проверку в условиях мастерской непросто, поскольку требуется специальное оборудование. Ряд иностранных фирм выпускает установки для проверки герметичности (опрессовки) головок и блоков, но у нас они пока не распространены.

Чтобы опрессовать головку блока, надо герметично заглушить все окна рубашки охлаждения, выходящие на нижнюю плоскость, а также все фланцы и патрубки на боковых поверхностях, кроме одного, через который будет поступать жидкость. Опрессовывают головку водой, подаваемой от специального ручного плунжерного насоса под давлением 0,0,8 МПа. Трещины выявляются по падению давления в течение контрольного времени (от четверти часа до двух часов) и появлению капель воды или течи.

Более проста проверка керосином, хотя она требует изготовления герметичных заглушек на седла клапанов. Головку переворачивают камерами сгорания вверх, завертывают в нее свечи, после чего в подозрительную камеру наливают керосин. Имея очень высокую текучесть, керосин способен проникать в очень малые трещины. При этом его уровень в камере сгорания уменьшается (контрольное время обычно составляет 3 часа).

Если трещина обнаружена, головку блока лучше заменить. В принципе существуют способы ремонта трещин (это тема отдельного разговора), но обеспечить высокую надежность отремонтированной головки пока не удается из-за несовершенства ремонтных технологий.

На этом первый этап работ с головкой блока можно считать законченным. Практические задачи выяснены, можно приступать непосредственно к ремонтным операциям. Но об этом в следующем номере журнала.

ремонт головки блока

Лекальная линейка и щуп - самый простой способ проверки деформации плоскости головки блока

ремонт головки блока

ремонт головки блока

Зазоры и износы в подшипниках распредвала измеряются микрометром (а) и нутромером (б)

ремонт головки блока

Для определения износа стержня клапана удобно пользоваться микрометром

АЛЕКСАНДР ХРУЛЕВ, кандидат технических наук

В предыдущем номере нашего журнала (АБС № 4) был рассмотрен подготовительный этап нашей задачи. В результате головка блока снята с двигателя и разобрана, а все ее детали, входящие в газораспределительный механизм, проконтролированы. Теперь можно перейти непосредственно к восстановительным операциям.

Исходим из того, что трещин в теле головки нет (при нормальной эксплуатации это большая редкость, соответственно и разговор о них будет позже). А вот клапанные седла почти всегда имеют износы, да еще с подгоранием. Тем не менее начинать с них нельзя. Технологической базой для обработки седел служат направляющие втулки клапанов, поэтому их восстанавливают первыми. Концентричность седел и втулок может быть обеспечена лишь при том условии, что геометрия направляющих отверстий в полном порядке.

Бывает, правда, что и после долгой работы эти отверстия остаются почти неизношенными, но такое встречается редко, в основном в тех случаях, когда втулки сделаны из твердых материалов (специальная сталь, отбеленный чугун, металлокерамика). Обычный чугун и бронза изнашиваются достаточно интенсивно.

Втулки из сравнительно мягких материалов можно ремонтировать, для этого существует специальный инструмент. Он выпускается фирмами Sunnen и Neway и уже продается в России. Принцип действия такого инструмента заключается в прокатывании роликом рабочей поверхности отверстия. В результате там образуется спиральная канавка, у краев которой пластичный металл поднимается вверх. После калибровки отверстия разверткой нужного диаметра удается восстановить номинальный зазор между стержнем клапана и втулкой.

Очевидные достоинства способа - доступность и невысокая цена инструмента (190 долл.). Но недостатков больше. Удается отремонтировать только втулки с относительно небольшим износом (не более 0,1 мм). Спиральная канавка несколько улучшает смазку стержня клапана, но одновременно уменьшает рабочую поверхность втулки. Это значит, что давление стержня на единицу опорной площади возрастает и отремонтированная втулка изнашивается примерно в два раза быстрее по сравнению с новой. Таким образом, основным способом ремонта узла все-таки остается замена втулок.

Технология выпрессовки старых втулок может быть разной, но чаще всего применяют ударный способ. Со стороны седла на втулку устанавливают латунную или бронзовую оправку, по которой наносят удары молотком. Чтобы не повредить посадочное гнездо в головке, оправка должна быть ступенчатой: по меньшему диаметру она с небольшим зазором заходит во втулку на глубину 40 мм, а больший диаметр должен свободно проходить через гнездо. Для этой работы удобен пневмомолоток, поскольку он обеспечивает дозированную силу ударов.

Втулки из бронзы не создают больших проблем при выпрессовке, обычно они устанавливаются в головку с небольшим натягом.

При выпрессовке «твердых» втулок головку желательно подогреть до 1500, чтобы несколько уменьшить натяг (у материала втулки коэффициент линейного расширения меньше, чем у алюминиевого сплава головки блока). Нагревать головку лучше в электропечи, но в условиях малой мастерской подойдет и бытовая электроплитка.

Иногда для выпрессовки втулок применяют винтовые приспособления. Они не получили широкого распространения из-за ограниченного усилия, хотя шансов повредить гнездо здесь меньше.

Если ни один из способов не позволяет выпрессовать втулку из-за слишком большого натяга в гнезде (такое случается), ее приходится высверливать. Эту работу следует выполнять на станке, обеспечивающем соосность сверла и отверстия втулки. Обычный сверлильный станок тут вполне подойдет, а вот при пользовании ручной электродрелью неизбежны перекосы и повреждение посадочного гнезда. Кстати, деталь лучше высверливать не полностью. Когда втулка становится тоньше, натяг в ее посадке уменьшается. При толщине стенки около 1 мм оставшуюся часть обычно удается выбить без особого труда.

Общее правило замены втулок на любых двигателях гласит: ни в коем случае нельзя запрессовывать новые детали без измерений фактического натяга. Особенно это касается отечественных двигателей, запчасти для которых нередко бывают просто бракованными. Но даже те, что успешно прошли технический контроль, тоже не отличаются стабильностью размеров. А еще случается приобрести втулки ремонтного размера под видом стандартных. Что произойдет, если пытаться их поставить, догадаться нетрудно. Поэтому надо точно измерить диаметры гнезда и новой втулки, чтобы определить натяг. Он должен быть в пределах 0,0,05 мм.

Если натяг недостаточен из-за того, что прослаблено гнездо, придется увеличивать его диаметр, чтобы установить втулку ремонтного размера. Эту работу также следует выполнять только на станке во избежание перекоса (увода) отверстия. Натяг для ремонтной втулки желательно иметь несколько больше, поскольку в старом гнезде материал на поверхности уже деформирован (нагартован), а в новом - нет, да и шероховатость поверхности здесь больше.

Перед запрессовкой надо обеспечить разность температур деталей: головку нагреть до 1500 С, а втулки охладить (например, в морозильной камере или с использованием сухого льда). Запрессовку выполняют быстро - пневмомолотком или двумя-тремя ударами обычного молотка по оправке. Если втулка имеет тонкий поясок для посадки маслосъемного колпачка (как у двигателей ВАЗ), то оправка не должна опираться на этот поясок ни с какой стороны, иначе втулка сломается.

Некоторые мотористы запрессовывают втулки «вхолодную», без нагрева и охлаждения деталей. Это плохо. Алюминиевый сплав при большом натяге деформируется и реальный натяг уменьшается, причем он мало зависит от исходных размерностей. Когда при работе двигателя посадка естественным образом ослабляется (не следует забывать, что алюминиевая головка при нагревании расширяется больше, чем чугунная втулка), клапан в такой втулке начинает перегреваться. Это связано с нарушением отвода тепла от стержня клапана в головку. В дальнейшем втулка начнет «ездить» в гнезде, появится стук, увеличится расход масла. Иными словами - потребуется повторный ремонт, причем сложнее предыдущего.

После запрессовки втулок и остывания головки их отверстия калибруют развертками. Здесь тоже есть свои хитрости. Желательно применять специальные алмазные развертки - они дают стабильный размер отверстия при довольно долгой работе. Простые ручные развертки из инструментальной стали быстро изнашиваются, обычно их хватает на одну-две головки. К сожалению, алмазные развертки - это дорогое удовольствие.

Обработав отверстия, надо обязательно проверить зазоры клапанов во втулках. Для впускных клапанов он должен быть в пределах 0,0,04 мм, для выпускных - 0,0,04 мм. Стремиться к минимальным зазорам не следует, особенно у выпускных клапанов, поскольку это чревато их заклиниванием при работе. После этой проверки можно приступать к седлам.

Основные задачи, решаемые при ремонте седел - обеспечение соосности рабочей фаски отверстию втулки и создание определенного профиля седла, рекомендуемого заводом-изготовителем для данной модели двигателя.

Для обработки седел применяют разный инструмент, приспособления и станки. В небольших мастерских чаще всего используют ручные угловые фрезы с жестким креплением на направляющем стержне (пилоте). Фрезы обычно имеют углы при вершине 300, 450 и 600, хотя встречаются и другие (например, 150 и 750). Такие фрезы могут быть изготовлены из инструментальной стали или с твердосплавными пластинами.

Основной недостаток данного инструмента - люфт пилота в направляющей втулке, особенно когда у нее есть какой-то износ. Из-за люфта очень трудно обеспечить соосность седла со втулкой.

Несколько лучше качество обработки у инструмента с неподвижным закреплением пилота во втулке и свободной посадкой фрезы на пилоте. Таковы изделия некоторых американских фирм, включая фирму Neway, продукция которой есть на нашем рынке. Ее характерная особенность - твердосплавные пластины, закрепляемые на резцовой головке, и очень малый зазор (несколько микромет-ров) в соединении резцовой головки с пилотом. Интересна и особая конструкция пилота, позволяющая зафиксировать его без перекосов даже в тех случаях, когда втулка имеет явный износ. Комплект доступен по цене, хотя и заметно дороже отечественных угловых фрез.

Общим недостатком всех инструментов данного типа является большая сложность обеспечения соосности седла со втулкой, если изначально этой соосности не было. Это как раз и случается после замены втулки. Вся загвоздка в деформации пилота: чем сильнее прижимаешь инструмент к седлу, тем больше изгибается пилот, и тем хуже будет результат. Приемлемое качество способен обеспечить только специалист высокой квалификации, иначе можно так перекосить седла, что встанет вопрос о замене головки. Кстати, некоторые иностранные фирмы, например Sunnen, делают специальные измерительные приборы для контроля соосности седла и втулки.

Недостатки простых инструментов делают применение более дорогих приспособлений вполне оправданным. Среди них подешевле портативные приспособления фирм Sunnen и MIRA, проверенные практикой. При профессиональном ремонте используют шлифовальные приспособления различных типов, а также расточные станки для комплексного ремонта головок блоков. Достоинства такого оборудования очевидны, но цена высока, поэтому у нас оно пока не получило широкого распространения.

При обработке формируют определенный профиль седла: уплотнительную фаску и две фаски, примыкающие к ней. Здесь надо руководствоваться данными производителя автомобиля, но есть и некоторые общие рекомендации. У подавляющего большинства моторов уплотнительная фаска имеет угол 450 и ширину примерно 1,5 мм. Примыкающие фаски чаще сделаны под углами 300 и 600, хотя изредка встречаются седла с более сложным профилем.

Если для ремонта используют ручные фрезы и резцовые головки, то предварительную обработку уплотнительной фаски ведут до тех пор, пока не получится ровная поверхность без каких-либо дефектов. А перед окончательной обработкой необходимо подумать о клапанах, которые будут использованы при сборке.

С новыми клапанами, как правило, проблем нет. Проблемы появляются, если в дело пойдут уже работавшие клапаны (такая ситуация характерна для иномарок). У старых клапанов фаски обычно в той или иной степени изношены, без их дополнительной обработки хорошего уплотнения тарелки с седлом не получить.

Ремонт клапана - дело не очень простое и тоже требует соответствующего оборудования. Начинать надо с проверки деформации стержня, для чего существуют различные способы. Наиболее просто (но не слишком точно) проверить клапан, положив его на призмы и измерив индикатором биение тарелки. Гораздо лучше воспользоваться специальным измерительным приспособлением. Подобные приборы зарубежного производства можно найти и у нас, причем по вполне доступной цене.

У хорошего клапана биение рабочей фаски относительно стержня не превышает половину рабочего зазора стержня в направляющей втулке, то есть не более 0,02 мм. Если же оно более 0,05 мм, деформированный клапан лучше заменить. Кстати, у новых отечественных клапанов биение фаски зачастую не укладывается в допустимые пределы, поэтому использовать эти детали без проверки не рекомендуется.

Обрабатывать фаску желательно на хорошем оборудовании, иначе трудно обеспечить точность обработки. Для этого вполне подходят универсальные круглошлифовальные станки, которые есть на многих промышленных предприятиях. За рубежом выпускают портативные станки для ремонта клапанов (на них также шлифуют изношенные торцы), но для большинства мастерских они не очень доступны из-за высокой цены. Существуют простые приспособления для ручной обработки фаски клапана. Такое приспособление с твердосплавными резцами выпускает уже упомянутая выше фирма Neway, стоит оно относительно недорого. Но, к сожалению, не вполне заменяет хороший станок: результат далеко не всегда получается в пределах допустимого.

Окончательная обработка седла - это известная многим притирка клапанов. Сегодня на Западе при профессиональном ремонте такая операция уже практически не применяется. Если седло и фаска клапана обработаны точно (а это обеспечивается только специализированными станками или приспособлениями), то притирка не только не нужна, но скорее вредна. Другое дело при ручной обработке деталей фрезами и резцовыми головками. Поверхности после ремонта здесь могут иметь далеко не идеальную форму и шероховатость. В таких случаях притирка клапанов - единственный способ добиться хорошего сопряжения деталей.

Притирать клапаны лучше всего корундовой абразивной пастой или порошком, смешанным с маслом, зернистостью 50 мкм. Использовать алмазные пасты не стоит, поскольку алмаз имеет свойство внедряться в материал притираемых деталей (в частности, в седло). В дальнейшем это может значительно ускорить износ деталей.

Пасту наносят на фаску, клапан вручную притирают круговыми движениями в обе стороны с периодическим отрывом от седла. Для привода клапана удобно использовать специальную рукоятку с цанговым зажимом. В некоторых мастерских применяют электропривод, но от него лучше отказаться - можно повредить притираемые детали или получить неоптимальные фаски из-за больших и плохо контролируемых усилий и скоростей обработки.

Притирка не должна быть долгой, на каждый клапан обычно хватает 2 минут. Притертые поверхности приобретают серый матовый оттенок, по которому легко определить качество работы. Если обнаружено значительное неприлегание, то притирать клапан дальше не следует, лучше повторить обработку седла или клапана описанными выше методами. Иначе после «глубокой» притирки фаски на деталях приобретут закругленную форму, как после длительной работы в двигателе.

Относительно притирки надо иметь в виду, что эта операция нужна не столько для обработки, сколько для контроля качества сопряжения. Если притертые поверхности вытереть насухо и несколько раз провернуть клапан в обе стороны, прижимая его к седлу, то на фасках деталей появится блестящая линия. Получится она замкнутой, проходящей по всей окружности, - значит, все сделано правильно, и прилегание деталей хорошее.

Кстати, для контроля герметичности клапанов ряд фирм выпускает специальные вакуумные установки. Некоторые механики контролируют герметичность клапанов заливкой керосина. Все это хорошо, но надо помнить, что результаты таких проверок не всегда очевидны и однозначны, а иногда и просто противоречивы. Известны случаи, когда вакуумная установка давала положительный результат, а проверка на керосин - отрицательный. Не стоит также забывать, что в процессе работы происходит взаимная приработка деталей и герметичность сопряжения клапана с седлом возрастает. Поэтому лучшей гарантией будет все-таки тщательность и аккуратность работы на всех ее этапах. Если ремонт седла и клапана выполнен правильно и каждая операция проконтролирована соответствующими измерениями, то контроль герметичности вовсе не обязателен.

В ремонтной практике часто приходится бороться и с другими дефектами, многие из которых требуют знаний и навыков, а нередко и соответствующего станочного оборудования. Так, в условиях малой мастерской довольно сложно устранить деформацию привалочной плоскости головки. Если эта деформация невелика (примерно 0,0,07 мм), то плоскость восстанавливают на притирочной плите с абразивной пастой. Однако тут есть опасность не улучшить, а ухудшить дело. Так, если плита имеет недостаточную длину или изношенную поверхность, то легко завалить края плоскости головки или, наоборот, провалить ее среднюю часть. Поэтому лучше все-таки вести обработку на станке: и точнее, и возможности шире. Для головок бензиновых двигателей подойдет вертикально-фрезерный станок, а для алюминиевых головок дизелей со стальными крышками форкамер - плоскошлифовальный. Такое оборудование есть на многих промышленных предприятиях. Иностранные фирмы выпускают и специализированные станки. Среди них стоит отметить те, у которых плоскость обрабатывается бегущей абразивной лентой: при сравнительно невысокой цене такие станки дают приемлемое качество отремонтированной поверхности.

Повреждения резьбового отверстия свечи зажигания вполне можно отнести к нередким дефектам. Устранить их иногда можно и без снятия головки, но при этом есть опасность попадания стружки в цилиндр и повреждения деталей двигателя.

При поломке свечи ее резьбовая часть остается в отверстии. В таких случаях ее удается извлечь высверливанием. Начинать следует со сверла малого диаметра (7 мм), постепенно доходя до 12 мм. После этого оставшуюся часть свечи можно удалить. Калибровать резьбу метчиком М14 х 1,25 надо с той стороны, где резьба не повреждена, иначе метчик не попадет в резьбу и она будет окончательно испорчена.

Когда подход к резьбовому отверстию есть только снаружи (например, при ремонте без снятия головки или из-за особенностей ее конструкции), а заходная часть резьбы сильно повреждена, можно попробовать следующий способ. Из старой свечи с хорошей резьбой выбивают изолятор с центральным электродом, а резьбовую часть свечи распиливают вдоль крест-накрест. Затем подбирают стержень под внутреннее отверстие в свече так, чтобы он слегка разжимал ее резьбовую часть. Такой "инструмент" легко заворачивается в головку, а при выворачивании после забивания стержня поправляет поврежденную резьбу. Подобным способом иногда удается избежать снятия головки и спасти резьбу в почти безнадежных ситуациях.

Но иногда резьба оказывается поврежденной настолько, что ее восстановить никак нельзя. Тогда основным способом ремонта является установка специальной втулки - футорки. Для этого в резьбовое отверстие сначала заворачивают метчик М16х1,5, а затем - М18х1,5. Предварительного рассверливания здесь не требуется, так как алюминиевый сплав очень пластичен. Футорку изготавливают из латуни или бронзы, причем наружную резьбу М18х1,5 желательно сделать тугой, обеспечивающей хороший теплоотвод от свечи. Футорку наворачивают на свечу, после чего свечу завертывают в головку вместе с футоркой.

После ремонта надо очень тщательно вымыть головку. Стружка и абразив могут попасть между втулкой и клапаном, а также во впускные каналы и полости системы охлаждения. Это вызовет износ и повреждение многих деталей двигателя. Промывка бензином, практикуемая во многих мастерских, здесь малоэффективна, так как бензин полностью не смывает с деталей мелкие частицы. Гораздо лучшие результаты дает промывка содовым раствором с последующей продувкой сжатым воздухом.

Перед сборкой клапанов с пружинами на втулки следует установить новые маслосъемные колпачки. Замена обязательна, даже если втулки не менялись, а колпачки выглядят как новые. Они могли повредиться при снятии клапанов острыми краями канавок на их стержнях.

Колпачки довольно легко снимаются приспособлением с цанговым зажимом, а устанавливаются при помощи оправки, опирающейся на наружный край колпачка. Чтобы не повредить колпачок, его смазывают маслом (а также и клапан), вставляют клапан во втулку и только затем приступают к установке. Очень желательно надеть на клапан специальный пластиковый наконечник (иногда он входит в комплект колпачков), чтобы без повреждений провести рабочую кромку колпачка через канавки на стержне клапана. При посадке колпачка на втулку следует избегать больших усилий и не запрессовывать колпачок слишком глубоко. На некоторых двигателях это может привести к отжиманию краем втулки рабочей кромки колпачка от стержня клапана, из-за чего уплотнение нарушится. Если все сделано правильно, то колпачок силой трения обычно удерживает клапан от выпадения из втулки.

Как видим, даже рядовой ремонт головки содержит немало тонкостей, которые никак не обойти и без которых не добиться надежности и долговечности отремонтированного двигателя. Однако реставрационные проблемы многолики, среди них есть и сравнительно редкие, но порой очень неприятные. Наиболее сложны и специфичны повреждения подшипников распределительного вала, седел клапанов и гнезд цилиндрических толкателей. Разговор об этом - в нашем следующем материале. Подробнее о ремонте

ремонт головки блока

ремонт головки блока

Перед установкой новых втулок надо обязательно измерить их диаметр (а) и отверстия гнезд (б), чтобы определить натяг

ремонт головки блока

Снять маслосъемные колпачки удобно приспособлением с цанговым зажимом

ремонт головки блока

При выпрессовке втулки ударным способом надо соблюдать осторожность, чтобы не повредить гнездо в головке блока

АЛЕКСАНДР ХРУЛЕВ, кандидат технических наук

В предыдущих материалах (см. «АБС» за апрель и май 1998 г.) речь шла о ремонте головок блока, который под силу обычным мастерским и просто автовладельцам, имеющим необходимый инструмент и навыки. Однако, возможные неисправности не исчерпываются теми, что были рассмотрены. В эксплуатации встречаются и более сложные дефекты, для устранения которых требуется специализированное станочное оборудование.

Сразу оговоримся: далеко не все сложные дефекты и поломки стоит устранять, зачастую легче и дешевле просто заменить головку. Такое положение типично для отечественных моторов, запчасти которых доступны и относительно недороги. Другое дело иномарки, где иной раз ремонт - вообще единственный выход, особенно для старых моделей. Но важно добиваться, чтобы в результате ремонта не снизилась надежность двигателя, в противном случае восстановление не оправдает возлагавшиеся на него надежды.

Из более частых сложных дефектов следует отметить повреждения седел клапанов, которые уже нельзя исправить простой обработкой фасок. Например, если седло треснуло или даже выкрошилось по частям после поломки клапана и разрушения поршня. Примерно к тем же последствиям приводит ослабление посадки седла из-за сильного перегрева двигателя. Во всех подобных случаях не обойтись без станочной расточки гнезда под посадку нового седла. 

Такую работу выполняют на координатно-расточном станке. Одно из основных требований при этом - обеспечение соосности растачиваемой цилиндрической поверхности и отверстия в направляющей втулке с предельным отклонением 0,05 мм. Этого можно добиться при помощи рычажного индикатора, закрепляемого на резцедержателе шпинделя станка, и направляющего стержня-пилота, устанавливаемого во втулку с малым (примерно 0,01 мм) зазором. После выверки следует расточка «как чисто» и по диаметру, и по торцу гнезда.

Фирмы, специализирующиеся на производстве оборудования для ремонта двигателей (Sunnen, Mira, Kwik-Way, Serdi и др.), выпускают станки для комплексного ремонта головки блока. Такие станки нередко имеют автоматическую или полуавтоматическую настройку - взаимную выверку положения головки и режущего инструмента, а также оснастку для многих других работ с головкой (включая замену втулок). К сожалению, из-за высокой стоимости это оборудование у нас пока не распространено.

Существуют и относительно недорогие ручные приспособления для расточки гнезд под седла. В небольших мастерских они подчас могут заменить расточной станок, хоть и уступают ему в точности. Но для ответственных работ нужна станочная обработка, поскольку она надежнее.

После растачивания гнезда под седло точно измеряют его диаметр нутромером, а также определяют глубину гнезда, чтобы изготовить новое седло. Заготовкой может послужить старый распределительный и даже коленчатый вал, но для некоторых двигателей в запасные части поставляются седла уже увеличенного наружного диаметра. Тогда, растачивая гнездо, надо точно выдержать необходимый диаметр. Иногда удается найти заготовку для седел из чугунной трубы нужного диаметра, но здесь важно не ошибиться в материале. Некоторые фирмы, выпускающие станочное оборудование, делают такие заготовки в товар.

Изготовить новое седло можно без больших трудностей на универсальном токарном станке. Диаметр седла выдерживают таким, чтобы натяг в гнезде получился 0,0,10 мм для алюминиевых головок и 0,0,08 мм для чугунных. По высоте седло должно получиться заподлицо с поверхностью камеры сгорания. На детали делают небольшую заходную фаску под углом 10°, а с противоположной стороны - под 45° для зачеканивания седла после установки. Если ее готовят для алюминиевой головки, то посередине стоит сделать небольшую канавку - она будет препятствовать выпадению седла из-за выдавливания в нее мягкого материала гнезда. В седле для чугунной головки такая канавка не нужна.

Чтобы установить седло, делают оправку для его центрирования с направляющей втулкой. Это исключает перекосы при запрессовке. Непосредственно перед установкой надо создать максимальную разность температур соединяемых деталей, чтобы уменьшить или вовсе исключить натяг. «В холодную» забивать седло нельзя, от запланирован- ного натяга вряд ли останется больше 0,03 мм. Головку нагревают до 150°С аналогично тому, как это делалось при установке направляющих втулок (см. «АБС» за май 1998 г.). А вот седло надо охладить в жидком азоте до температуры -140°С. В крайнем случае для охлаждения можно воспользоваться твердой («сухой лед») углекислотой. Охлаждают седло вместе с оправкой, иначе оно быстро нагреется еще до запрессовки, или того хуже - покроется льдом и инеем.

При запрессовке быстро переносят седло от охладителя к головке и ударяют молотком по оправке. Если натяг и режимы нагрева-охлаждения выбраны правильно, то достаточно одного резкого удара. Для надежной посадки в алюминиевой головке седло еще и зачеканивают по кругу при помощи небольшого зубила. В чугунной головке сделать это тоже полезно, но необязательно, поскольку коэффициенты расширения сопрягаемых металлов практически одинаковы. Завершают ремонт формированием нужного профиля седла и, если это необходимо, притиркой клапана.  В головках блока с цилиндрическими толкателями («стаканами») встречается износ гнезд толкателей, а иногда (например, при обрыве ремня и деформации клапанов) и повреждение их. Такие дефекты устраняют, устанавливая в гнезда ремонтные втулки, которые делают из бронзы или силумина (сплава алюминия с кремнием).

При растачивании поврежденного гнезда обеспечивают его соосность с направляющей втулкой, как и при замене седла. Перекос осей толкателя и клапана из-за некачественного ремонта приведет к быстрому износу деталей. Диаметр посадочного гнезда под втулку должен быть таким, чтобы стенки втулки имели толщину примерно 1,5 мм, а натяг в гнезде - около 0,03 мм.

Способ установки втулки зависит от ее материала. Бронзовую втулку запрессовывают ударом через оправку, предварительно нагрев головку до 150°С. Для алюминиевой втулки это не годится: если натяг в процессе запрессовки уменьшится до нуля, втулку может «прихватить», после чего ее придется растачивать и начинать все заново. Поэтому алюминиевую втулку перед запрессовкой надо обязательно охладить вместе с оправкой. Отверстие в запрессованной втулке окончательно растачивают под размер толкателя с зазором в соединении 0,0,05 мм.

Аналогично ремонтируют поврежденные гнезда крышек форкамер в головках дизельных двигателей, с той лишь разницей, что на последней операции дают натяг 0,0,05 мм по большему диаметру крышки и зазор до 0,02 мм по меньшему.

Еще одна достаточно типичная неприятность связана с подшипниками распределительного вала. Большой износ или задиры в отверстиях подшипников (постелях) вынуждают их ремонтировать, в противном случае головка подлежит замене.

Технология ремонта головки блока зависит от конструкции головки и степени повреждений. Встречаются несколько основных типов подшипников:

- неразъемные в виде втулок, запрессованных в отверстия головки;

- образованные растачиванием отверстий в отъемном корпусе;

- разъемные с крышками, плоскость разъема которых совпадает с осью вращения;

- неразъемные, образованные растачиванием отверстий непосредственно в головке блока.

Первый тип (втулки) применяется в чугунных головках двигателей прошлых лет выпуска (Ford, Opel и др.). Ремонт несложен - достаточно заменить (перепрессовать) втулки, используя соответствующие оправки. Хуже, если какая-то втулка провернулась в отверстии и оно изношено. В этом случае надо расточить поврежденное отверстие строго соосно остальным, увеличив его диаметр на 2,3 мм. Далее следует выточить стальную ремонтную втулку и запрессовать ее с натягом 0,0,05 мм (внутренний диаметр втулки перед запрессовкой должен быть на 0,0,02 мм больше остальных отверстий постелей). Альтернативный способ - установка новой рабочей втулки на клею типа «холодной сварки» - возможен только при незначительном износе постели (не более 0,0,03 мм).

При отъемном корпусе (например, на «классических» двигателях ВАЗ и некоторых иномарках) лучше не заниматься постановкой ремонтных втулок, а просто заменить корпус. Это всегда дешевле, чем ремонт.

Сложнее обстоит дело с двумя другими типами подшипников. Прежде всего рассмотрим, какое оборудование для этого надо иметь. Для расточки постелей используют как специализированные, так и универсальные расточные станки. Специализированные у нас большая редкость, а вот универсальные есть на многих про- мышленных предприятиях.

Речь в первую очередь идет о горизонтально-расточных станках с большим ходом резца, позволяющим обработать отверстия во всех подшипниках «за один установ». Но это не единственное требование. При растачивании без дополнительной опоры резца возможны его вибрации и ухудшение качества поверхности подшипников, особенно удаленных от шпинделя станка. Поэтому наилучшие результаты дает расточка с подвижным центром или люнетом.

Другое решение - специальная борштанга с числом резцов, равным числу подшипников, при этом каждый резец настраивают на нужный размер отверстия. Борштанга имеет две опоры (по обоим торцам головки). Последний вариант особенно хорош при различном диаметре подшипников.

Можно использовать и координатно-расточные станки, однако здесь есть определенная проблема. Ход резца на этих станках относительно небольшой и расточить все отверстия «за один установ» нельзя. Приходится разворачивать головку после обработки половины отверстий, а затем растачивать остальные. Такая технология требует дополнительного времени на тщательную выверку положения головки после ее поворота.

Растачивание следует выполнять с наименьшим съемом металла (припуском) и минимальной продольной подачей резца, иначе поверхность подшипников окажется грубой и, возможно, с отклонениями от цилиндричности. А если в мягкую поверхность подшипников внедрены твердые частицы (продукты износа и расплавления опорных шеек распределительного вала), то необходимо использовать алмазные или эльборовые резцы.

После растачивания рабочие поверхности подшипников могут иметь сравнительно большую шероховатость, поэтому желательно загладить их хонингованием. Применение хонинговальных головок с жесткой подачей абразивных брусков позволяет добиться очень высокой чистоты и точности обработки. К сожалению, такое оборудование широко используют при ремонте подшипников только за рубежом. У нас этих станков пока нет, хотя не исключено, что они появятся в ближайшем будущем. В некоторых ремонтных мастерских уже можно встретить инструмент для хонингования постелей с ручным приводом.

Но какое бы оборудование ни применялось, ремонт головки начинают с подготовительных операций. У подшипников с отъемными крышками прежде всего определяют износ отверстий, измерив их нутромером. Затем обрабатывают плоскости разъема подшипников. При небольшом износе можно ограничиться крышками, сняв с их плоскости разъема слой металла чуть больше величины износа. При серьезном износе снимают металл и на самой головке. Эти операции обычно выполняют на вертикально-фрезерном станке, обеспечивая параллельность исходной и обработанной поверхностей, а также одинаковый съем металла во всех местах.

После затягивания болтов крышек отверстия подшипников приобретают эллипсную форму с припуском на обработку, что позволяет растачивать или хонинговать их в номинальный размер. Следует иметь в виду, что после такого ремонта ось распределительного вала уходит вниз примерно на половину величины припуска. Иногда это бывает критичным: например, у двигателя с гидротолкателями может не хватить хода плунжеров, в приводе коромыслами клапаны могут зависнуть в открытом положении, а с цилиндрическими толкателями - наоборот, толкатели не выберут зазоры. Поэтому перед сборкой надо проверить весь механизм, смонтировав его предварительно: не исключено, что потребуется слегка укоротить клапаны, подрезав их торцы, или заглубить их, обработав седла.

В некоторых случаях износ отверстий оказывается настолько велик, что восстановить их номинальные размеры уже нельзя. Обычно такой износ возникает на одной, реже на двух постелях вследствие масляного голодания. Существует несколько способов борьбы с такими дефектами.

Первый - это установка специальных вкладышей. Пострадавший подшипник растачивают соосно остальным в размер, превышающий номинальный примерно на 3 мм. Далее из силумина вытачивают тонкостенную втулку, наружный диаметр которой на 0,0,5 мм больше расточенной постели, а внутренний - на 0,0,5 мм меньше ее номинального диаметра. Втулку аккуратно разрезают так, чтобы из одной ее половин получился вкладыш. Его вручную обрабатывают по месту, добиваясь, чтобы выступание за край разъема постели в головке составило 0,0.03 мм. Затем подыскивают другую крышку подшипника (к примеру, от какой-то некондиционной головки) и подрезают ее плоскость разъема. В крайнем случае придется изготавливать новую крышку из силумина. Перед расточкой на постель наносят клей типа «холодной сварки», предварительно обезжирив поверхности постели и вкладыша, а затем притягивают крышку болтами. После полимеризации клея расточку выполняют так, как описано выше.

Бывают случаи, когда все постели сохранили номинальный размер и лишь одна из них сильно повреждена. Тут можно обойтись и без специального станочного оборудования для расточки или хонингования, правда, с некоторым ухудшением качества обработки. Придется сделать стальную борштангу с шлифованной наружной поверхностью, диаметр которой меньше номинального диаметра отверстий приблизительно на 0,01 мм. Длина борштанги должна быть такой, чтобы обеспечить ее опору одновременно на три неповрежденных подшипника. Там, где находится ремонтируемая постель, борштангу делают тоньше и выполняют в ней поперечные сверления с резьбой для крепления и регулировки эльборового резца. На торце борштанги нужно иметь шлицы для ее вращения.

Технология работы нехитрая. Опорные подшипники смазывают маслом, затягивают их крышки и вращают борштангу вручную с одновременной продольной подачей. После каждого прохода следует проверять полученный размер и регулировать положение резца на увеличение диаметра до выхода на номинальный размер.

Описанные способы ремонта постелей хорошо зарекомендовали себя на практике. Даже при расточке вруч-ную борштангой не наблю- дается сколько-нибудь заметного снижения надежности двигателя, если все сделано правильно и аккуратно.

сложный ремонт головки блока

Растачивание гнезда под новое седло - операция несложная,

но ответственная

сложный ремонт головки блока сложный ремонт головки блока

Специализированные станки для ремонта подшипников: расточной (слева) и хонинговальный

сложный ремонт головки блока

Борштанга для одновременной обработки всех подшипников

ДМИТРИЙ ДАНЬШОВ

Тема ремонта головки блока цилиндров уже стала традиционной для нашего журнала (см. «АБС-авто», 1998, №№ 4,5,7). И это не случайно. Практика, к сожалению, показывает, что многие механики, выполняя ремонт двигателей, «забывают» про головку блока. Результат сказывается незамедлительно - мощность, расходы топлива и масла, состав выхлопных газов не восстанавливаются до исходных. Так стоит ли затевать ремонт, тратить деньги?

В самом деле, никого не надо убеждать в том, что высокая мощность, экономичность и экологические показатели любого двигателя во многом определяются конструкцией и состоянием газораспределительного механизма. И не удивительно, что основные изменения в новых, более мощных, модификациях моторов касаются именно головки блока. Тем не менее комплексный и качественный ремонт головки блока у нас пока еще продолжает оставаться редкостью. Это тем более странно, что по сегодняшней жизни цена новой головки блока на летнюю иномарку вполне сравнима с ценой всего автомобиля.

«За бугром» наблюдаешь совсем иную картину. Например, на финском ремонтном предприятии Tammer Diesel OY участок ремонта головок - один из самых загруженных. В Венгрии на фирме Szakal-met-al также всерьез восстанавливают головки блока. Даже поддерживают приличный обменный фонд. И занимаются они ремонтом головок, уж поверьте, не от бедности. Просто в Европе требования к качеству отремонтированных моторов выше, чем у нас «в среднем по стране», и экологические нормы там на порядок строже.

Учитывая отечественную специфику, можно отметить, что комплексное восстановление головок блока - дело для нас очень перспективное. Поэтому хотелось бы выделить и подробно рассмотреть операции, наиболее часто применяемые в комплексном ремонте головок.

Деформация головки блока чаще всего наступает из-за местного или общего перегрева. Но в результате накопленных механических и термических напряжений может деформироваться и нормально работавшая головка. Поэтому при каждом снятии с мотора головку блока следует обязательно проверять на плоскостность. Сильную деформацию позволяет выявить проверка лекальной линейкой. Более точные результаты обеспечивают притирочная плита или обкатка индикатором.

Восстановление плоскости алюминиевых или чугунных головок выполняется на фрезерном станке инструментом с одним резцом на высоких оборотах. Определенную сложность представляет обработка головок предкамерных дизелей. Предкамеры выполнены из жаропрочной стали, имеют высокую твердость и трудно обрабатываются. В таких случаях обычно используют специализированный станок. Обработка на нем ведется не резцом, а абразивными секторами с охлаждающей жидкостью, что дает хорошие результаты. Очень важно наличие поворотного стола. Это удобно при восстановлении сложных головок и при обработке привалочной плоскости коллекторов.

Восстановление изношенных направляющих втулок накаткой - известный метод, и о нем писали достаточно много. Например, инструментом Neway или Sunnen можно накатать внутри направляющей втулки клапана спиральную канавку, «уменьшив» тем самым диаметр, а затем развернуть в номинальный размер и фактически «обновить» направляющую втулку без ее замены. Но такая технология малоэффективна при больших износах или когда направляющие выполнены из твердых материалов.

Замена втулок - это более радикальная мера. Но перепрессовывать их нужно крайне аккуратно. Перед запрессовкой необходимо убедиться, что посадочные отверстия обеспечивают необходимый натяг и не имеют задиров и повреждений. Втулки запрессовывают «на горячую», предварительно подогрев головку до температуры около 200°С. Облегчает работу охлаждение втулок сухим льдом или охлаждающим спреем Freze 75. После запрессовки отверстия втулок обрабатывают разверткой, чтобы обеспечить требуемый зазор со стержнем клапана.

Обработка седла клапана - один из наиболее важных этапов ремонта. Правильная геометрия седла, как известно, обеспечивает надежное уплотнение камеры сгорания, хороший отвод тепла от тарелки клапана, что исключает перегрев клапана и увеличивает срок службы маслосъемных колпачков. Точная обработка рабочей фаски седла и ограничивающих фасок обеспечивает максимальный ресурс сопряжения «седло-клапан». Обеспечить эти требования традиционной притиркой невозможно.

В условиях небольших мастерских седла обычно правят ручным инструментом, например, твердосплавными зенкерами отечественного производства или американскими фрезами Neway.

Отечественные зенкеры просты и недороги, их при необходимости можно многократно затачивать, но они не дают достаточной точности и чистоты, и потому не позволяют исключить притирку. Кроме того, зенкеры не регулируются по диаметру, а существующие «жигулевские» и «волговские» готовые ремонтные комплекты не всегда устраивают.

Инструмент Neway более универсален и при соответствующем навыке дает неплохую точность. Резцы Neway имеют несколько режущих кромок и могут регулироваться по диаметру седла. Правда, такой инструмент значительно дороже, стоимость одной фрезы в среднем 100 долларов.

И все же наилучшую концентричность фасок и максимальную точность обеспечивает специализированное оборудование. Например, уже имеющийся на ряде ремонтных предприятий американский станок для обработки головок VGS20 фирмы Sunnen.

Обработка седла на таком специализированном станке ведется фасонным твердосплавным резцом. Это обеспечивает высокую производительность и позволяет создавать точный, а не упрощенный, как в случае работы ручным инструментом, профиль седла. Так, на многих современных моторах применяются радиусные ограничивающие фаски, а в моторах спортивного назначения часто применяют полностью радиусное седло. Станок же позволяет обеспечить любой сложный профиль с высокой точностью.

Еще одна важная особенность спецстанков - это возможность обрабатывать все седла на одинаковую глубину. Можно также проконтролировать, а при необходимости - исправить взаимное расположение осей направляющих втулок клапанов. Вручную это сделать невозможно.

Обработка седла на станке обеспечивает высокую чистоту и позволяет обойтись без притирки. Значит, избавляет от лишней операции и исключает «втирание» абразивных зерен в материал седла и тарелки клапана, значительно снижающее ресурс деталей.

Замена седла - одна из главных изюминок серьезного ремонта головок. Эта операция позволяет вернуть к жизни, казалось бы, безнадежно загубленные головки. Согласитесь, приятно предложить клиенту выбор: заплатить от 600 долларов за новую головку или за 500 руб. просто поменять седло на старой.

Аналогичную операцию приходится выполнять и при форсировании двигателей, например, для спортивных соревнований. В этом случае требуется увеличить диаметры каналов в головке блока, а затем установить новые седла большего диаметра.

Старое седло удаляется специальной резцовой головкой, которая легко выставляется на размер с помощью простого приспособления. Вся операция по удалению седла занимает 7 минут. Новые седла поставляются в запчасти готовыми или в виде заготовок. Например, импортные заготовки обходятся в 6 долларов. Вытачивая седла самостоятельно, мы получаем возможность заменять седла даже в случае повреждения посадочного места. Для алюминиевых головок блока при замене седла обеспечивается натяг 0,0,12 мм. Новое седло запрессовывается «на горячую» и затем профильным резцом обрабатываются фаски седла.

К сожалению, отечественная промышленность не выпускает специальных «головочных» станков. Из импортных, кроме Sunnen, наиболее известны станки Serdi, AMC, Berco. И если научиться (а это не так трудно, как кажется) значительную часть оснастки к подобному станку делать самостоятельно, то есть надежда, что в будущем удастся освоить выпуск упрощенного варианта «головочного» станка, к примеру, на базе обычного координатно-расточного.

Ремонт постелей распределительного вала в головке блока - тоже очень важная операция при ремонте двигателя. Подшипники распредвала у изрядно походивших моторов оказываются изношены и нередко имеют задиры - ведь масло до распредвала, расположенного в верхней части двигателя, доходит, как известно, в последнюю очередь. Проблему можно решить с помощью специализированного горизонтально-хонинговального станка, если «занизить» крышки подшипников на 0,0,3 мм по плоскости разъема, после чего обработать постели хонингованием в номинальный размер.

Заварка трещин остается отдельной и весьма «деликатной» областью ремонта головок блока. Высокие термические деформации, наличие легирующих элементов и вспенивание металла сварного шва могут привести к образованию скрытых дефектов. Поэтому после сварки головка блока обязательно должна быть испытана на герметичность под давлением.

Таковы вкратце основные операции при ремонте головки блока. Это тот необходимый минимум, который должно обеспечивать ремонтное предприятие, выполняющее так называемый «серийный» ремонт. Но и индивидуальный мастер или владелец автомобиля, решивший отремонтировать двигатель самостоятельно, должны уделить головке блока самое серьезное внимание. И времени это отнимет массу, и сил уйдет немало. Но головка блока - она всему голова, не так ли?

Станок VGS20 уже получил распространение на отечественных ремонтных предприятиях

Станок VGS20 уже получил распространение на отечественных ремонтных предприятиях.

Подробнее о современных машинах

Обработка плоскости — традиционная операция при ремонте головок

Обработка плоскости — традиционная операция при ремонте головок.

Обработка седел клапанов на специализированном станке дает наивысшую точность и чистоту поверхности. Притирка после этого не требуется

Обработка седел клапанов на специализированном станке дает наивысшую точность и чистоту поверхности.

Растачивание гнезд под седла — на специализированном станке выполнить эту операцию не составит большого труда

Растачивание гнезд под седла — на специализированном станке. Передовые технологии обработки сёдел клапанов.

 

АЛЕКСАНДР ХРУЛЕВ, кандидат технических наук

Не будет преувеличением сказать, что поршень - наиболее ответственная и специфичная деталь в современном двигателе. Он должен быть легким и прочным, способным выдерживать значительные механические нагрузки и тепловые удары, а кроме того, обладать высокой износостойкостью рабочих поверхностей, низким трением при минимально возможном зазоре в цилиндре. Последнее требование особенно важно для хорошей герметичности, возможности избежать прорыва газов из камеры сгорания в картер и поступления масла в обратном направлении. Иными словами - для минимального расхода масла с одновременным отсутствием шума (стука) поршня о стенки.

И это только часть проблем, которые приходится решать при конструировании и производстве поршней для конкретных двигателей. В целом получается, что поршень как бы концентрирует технические новшества, заложенные в конструкцию мотора. Тут можно перефразировать известное выражение древних: «Покажи мне только поршень, и я скажу, что это за двигатель».

Словом, разработка и изготовление современных поршней - задача особая. На Западе их производством давно занимаются не изготовители автомобилей, а специализированные фирмы. У них накоплен необходимый опыт и создана соответствующая техническая база, без чего невозможно получить надежный результат. В мире существует несколько фирм такого рода, но наибольшую известность по праву получила немецкая марка «Мале» (Mahle).

Фирма Mahle существует с 1920 года. Название она получила по фамилии своих основателей - братьев Мале. Затем последовали десятилетия непрерывного совершенствования, развития и роста. Сегодня это целая группа специализированных компаний, которая так и именуется - Mahle Group. Так, производством поршней, цилиндров и блоков цилиндров занимается концерн Mahle GmbH, привлекший дочерние и долевые фирмы США, Мексики, Бразилии, Испании, Франции и Южной Кореи. Туда же входят известные фирмы Mondial Piston (Испания) и Konig KG GmbH (Австрия). Помимо этого, в группу входят компании, производящие детали двигателей, включая поршневые пальцы, клапаны и др., а также фильтры (в том числе известная фирма Knecht).

Фирма приобрела свою мировую известность в основном успехами в разработке и производстве поршней для двигателей всех типов - от маленьких мотоциклетных до мощных, в десятки тысяч киловатт, судовых дизелей. Особенности конструкции и технологии изготовления поршней, выпускавшихся фирмой Mahle, - это этапы развития не только самой фирмы, но и всего мирового моторостроения. Они интересны для всех любителей техники, но особенно для тех, кто так или иначе связан с ремонтом автомобильных двигателей.

Известно, что поршни автомобильных двигателей изготавливаются из легких алюминиевых сплавов. Однако не все знают, что именно Mahle первой в Европе освоила серийное производство поршней из сплава алюминия с кремнием (1926 г.). При этом специальные поршневые сплавы «Mahle 124» с 11 - 13% кремния (1933 г.) и «Mahle 138» с 17 - 19% кремния (1937 г.) стали классическими для производителей поршней и сегодня применяются не менее широко.

В 1935 году Mahle впервые начала выпуск поршней со специальным профилем наружной поверхности: вместо цилиндрической формы поршень приобрел овальную и бочкообразную. Такая конфигурация оптимальна, поскольку в реальных условиях овальный и бочкообразный поршень, нагреваясь неравномерно (температура днища, омываемого горячими газами, существенно больше температуры юбки, охлаждаемой при контакте со стенками цилиндра), принимает форму, близкую к цилиндрической. В то же время небольшое заужение нижней части юбки создает гидродинамический эффект (своего рода подъемную силу) при движении поршня вниз - он как бы всплывает на масляной пленке. Найденные формы позволили уменьшить зазор в цилиндре без опасности заклинивания, снизить шум двигателя и повысить долговечность цилиндропоршневой группы. Они сохранились и у поршней самых современных двигателей. Правда, у них вдобавок появился еще и микрорельеф (микроканавки на наружной поверхности глубиной порядка 5 мкм), создающий дополнительную подъемную силу при движении в цилиндре.

С 1926 года для компенсации теплового расширения поршней использует биметаллический эффект: стальные терморегулирующие вставки внутри поршня при нагревании препятствуют температурному расширению, позволяя держать малый зазор между поршнем и цилиндром. Эту же задачу решают и пазы в верхней части юбки поршня (в канавке маслосъемного кольца или под ней), которые препятствуют распространению тепла от верхней части поршня, нагретой горячими газами, в юбку. Из-за этого температура стенок юбки уменьшается, что также препятствует тепловому расширению поршня. Описанная комбинированная конструкция - со вставками и пазами - получила название Autothermik и успешно применялась фирмой Mahle с 1930 года для поршней многих автомобильных двигателей.

Схема только с пазами (без стальных вставок) хотя и позволяет несколько уменьшить массу поршня, но заметно уступает схеме Autothermik по тепловому расширению. В настоящее время она применяется редко, в основном на двигателях малого рабочего объема.

С ростом мощности и соответственно нагрузок на поршень от пазов на юбке вообще пришлось отказаться, поскольку они ощутимо ослабляют деталь. Поэтому с 1955 года как на бензиновых, так и на дизельных двигателях широко используется конструкция со стальными вставками без пазов, получившая название Autothermatik. Кстати, поршни такого типа имеют все вазовские двигатели.

Дальнейшее развитие поршней - конструкция Duotherm, применяемая в основном на бензиновых двигателях с 1970 года. Здесь «управление» тепловым расширением юбки осуществляется как с помощью биметаллического эффекта, так и расширением верхней части поршня. Вследствие этого схема Duotherm по тепловому расширению лучше предыдущих схем, но несколько уступает по прочности схеме Autothermatik.

В последние годы поршни без стальных вставок и пазов (с «жесткой» юбкой) снова оказались в центре внимания. Автомобильные двигатели последнего поколения, многие из которых имеют алюминиевый блок цилиндров, потребовали облегчения поршней без ухудшения их тепловых, прочностных и других эксплуатационных характеристик. Это оказалось возможным, если перейти на материалы с повышенным содержанием кремния (включая сплав «Mahle 244» с 23 - 26% кремния). Одновременно были разработаны более эффективные методы получения заготовок поршней, в частности вместо литья под давлением - штамповкой (ковкой) и «жидкой» штамповкой. В результате поршни двигателей последних моделей имеют достаточно простую форму, низкую массу, высокую прочность и износостойкость, обеспечивая при этом минимальный шум двигателя.

Особо следует остановиться на конструкции поршней для дизельных двигателей. Как известно, дизель характеризуется очень высокой степенью сжатия (до 22 - 24 против 9 - 10 у бензинового двигателя) и соответственно большими силовыми и тепловыми нагрузками на детали, включая поршень. Его совершенствование опять-таки хорошо иллюстрируется цепочкой разработок фирмы Mahle.

Еще в 1931 году впервые применила чугунную вставку канавки для верхнего кольца, что позволило заметно увеличить ресурс дизельного двигателя. Эта конструкция с успехом применяется и по сей день, хотя с 1974 года (а особенно в последнее время) для упрочнения верхней канавки все чаще применяют износостойкие покрытия.

Обычно такое покрытие имеет толщину 40 - 120 мкм и делается по всему днищу поршня с «заходом» в канавку верхнего кольца, одновременно защищая края днища поршня от перегрева. Покрытие представляет собой так называемое твердое анодирование, то есть термохимическое преобразование верхнего слоя алюминиевого сплава в твердую керамику (окись алюминия Al2O3). Кстати, подобное покрытие, но меньшей толщины (обычно 10 - 15 мкм), используют и на поршнях высокофорсированных бензиновых двигателей с наддувом. Здесь помимо уменьшения износа верхней канавки ставится цель защиты днища поршня от разрушения детонацией.

В поршнях современных дизелей с наддувом нередко применяют так называемое внутреннее охлаждение, которое уменьшает температуру днища на 30 - 80°С. Оно состоит в подаче масла из системы смазки через форсунку во внутреннюю кольцевую полость поршня, расположенную около пояса поршневых колец. Очевидно, что изготовление поршня с подобным кольцевым отверстием требует специальной технологии.

Кроме этих особенностей, в последних конструкциях автомобильных дизелей с непосредственным впрыском топлива в цилиндр, отличающихся очень высокой нагрузкой на поршень, появилась и другая особенность. В бобышках поршня здесь устанавливают бронзовые втулки в отверстия для поршневого пальца, а сам палец делают волнистым с плавным уменьшением диаметра на 10 - 40 мкм вблизи краев отверстий поршня и шатуна. Такие решения обеспечивают долговечность соединения поршня с пальцем там, где традиционные конструкции и материалы уже не работают.

Среди достижений фирмы, касающихся дизелей, нельзя не отметить поршни с армированием керамическими волокнами типа Liquostatik, а также поршни типа Ferrotherm, состоящие из двух частей - уплотняющей и направляющей. На подходе и другие новинки.

Большинство поршней традиционно покрывается тонким (порядка 5 мкм) слоем свинца, олова или цинка. Покрытие препятствует задиру юбки на нерасчетных режимах, например при запуске и прогреве, когда условия смазки ухудшены. В последние годы на юбку поршней стали наносить покрытие типа Grafal, которое представляет собой графит со специальным наполнителем, обеспечивающим прочное сцепление со стенкой юбки. Покрытие имеет толщину 15 - 30 мкм и существенно влияет на износостойкость поршня.

Для V-образных двигателей с алюминиевыми блоками цилиндров и их поршней фирма разработала специальные технологии и материалы. Так, поршни имеют покрытие типа Ferrostan (1975 г.), представляющее собой слой железа толщиной 12 - 20 мкм, покрытый сверху тонким (1 - 2 мкм) слоем олова. Блок цилиндров отливают по специальной технологии Silumal из алюминиевого сплава «Mahle 147» (17% кремния, 4% меди) с осаждением повышенного количества кремния вблизи цилиндров. После обработки поверхность цилиндров травят соляной кислотой, при этом алюминий «уходит» с поверхности и там остается чистый кремний. Таким образом, пара материалов в двигателях с такими блоками цилиндров как бы обратна привычной: «железный» поршень работает в «алюминиевом» цилиндре. Этим достигается исключительная износостойкость пары (в комплекте с хромированными поршневыми кольцами), а также низкий уровень шума из-за очень малого зазора в цилиндре (порядка 0,01 мм). Такие блоки теперь применяют самые именитые фирмы (V8 - «Мерседес», «Ауди», «Порше»; V12 - «Мерседес» и БМВ).

Следует упомянуть также успехи в создании специальных износостойких покрытий цилиндров, в частности Chromal (1951) и Nikasil (1967). Chromal - это хромовое покрытие толщиной 0,06 - 0,08 мм, осаждаемое электрохимическим способом на алюминиевый цилиндр. Nikasil состоит из никеля с включением мелких (размером около 3 мкм) частиц карбида кремния; такое покрытие имеет наивысшую износостойкость. Это определило использование алюминиевых гильз цилиндров с покрытием Nikasil для двигателей гоночных автомобилей.

Здесь уместно заметить, что Mahle - основной производитель поршней и гильз цилиндров для автомобилей «Формулы 1» (F1). Подавляющее большинство команд, включая Феррари, Вильямс - Рено, Бенеттон-Рено, МакЛарен - Мерседес и другие, использует именно эти комплектующие. Поршень двигателя F1 должен оставаться работоспособным при частоте вращения до 17000 мин-1, поэтому он отличается предельно низкой массой и малой высотой, изготавливается «жидкой» штамповкой и имеет, как правило, внутреннее охлаждение, причем на последних модификациях используют только два поршневых кольца.

Сегодня фирма выпускает поршневые группы (комплекты «поршень - поршневые кольца - поршневой палец») для подавляющего большинства моделей и модификаций автомобилей европейского производства. Перечень марок впечатляет: «Мерседес», БМВ, «Фольксваген», «Ауди», «Опель», «Рено», «Пежо», «Ситроен», «Фиат» и многие другие. Эта продукция Mahle идет как для конвейерной сборки, так и в запасные части. Достаточно велика номенклатура поршней и для двигателей японских машин. Не забыты российские потребители: фирмой освоены и уже продаются на нашем рынке поршневые группы и кольца для двигателей ВАЗ и ГАЗ.

Несмотря на огромную массу выпускаемых деталей (в последние годы к ним прибавились поршневые кольца и подшипники коленчатых валов), фирма выполняет и индивидуальные заказы. Например, здесь могут изготовить поршни для новых двигателей в единичных количествах. Имея серьезную исследовательскую, конструкторскую и производственную базу, Mahle может спроектировать и сделать поршень для любого двигателя, удовлетворяющий всем необходимым требованиям, будь то низкий расход топлива и масла, малый выброс токсичных веществ с выхлопными газами, невысокий шум, максимально возможные мощность и долговечность двигателя. При этом будут выбраны оптимальные сочетания материала, конструкции, геометрии и покрытий поршня, необходимые для выполнения поставленных условий.

Интересно, что у фирмы можно заказать и любые поршни, которые когда-либо изготавливались фирмой Mahle: со времени ее основания сохраняются все формы для отливки.

Поршни - от мопедов до океанских лайнеров

На двух рисунках особенности конструкции поршней для дизельных двигателей: а) кольцевая полость внутреннего охлаждения и вставка канавки верхнего кольца, б) бронзовая втулка в отверстиях для пальца

Поршни двигателей F1 - предельно высокие нагрузки и частоты вращения

АЛЕКСАНДР ХРУЛЕВ, кандидат технических наук

При ремонте двигателей автомобилей различных марок и моделей иногда возникают ситуации, когда нужной детали найти быстро не удается. Как правило, это означает, что нужно делать заказ, - и тогда требуемую деталь можно получить только через 5 - 12 дней из-за границы. В некоторых случаях подобный срок может оказаться нежелательным или даже неприемлемым. А есть ли способ найти альтернативные решения?

Оказывается, да, есть. По некоторым моторным деталям прослеживается явная аналогия их основных размеров у двигателей, выпускаемых или выпускавшихся различными фирмами. Например, поршневые кольца различных моделей двигателей в ряде случаев частично или полностью взаимозаменяемы. А это значит, что круг поисков существенно расширяется и вероятность найти нужные кольца значительно увеличивается. Тем более что номенклатура поршневых колец, выпускаемых различными фирмами, если не безгранична, то, по меньшей мере, огромна.

Конечно, «крутые» профессионалы, «фыркающие» при одном лишь виде детали, не имеющей «фирменной» упаковки компании-изготовителя автомобиля, могут обвинить автора в непрофессионализме и многих других смертных грехах. Так вот, этот материал - не для них. Лучше пусть займутся своим делом - заменой коленчатых валов, шатунов, блоков или головок цилиндров, которые они боятся ремонтировать, даже если те имеют незначительные дефекты. Для остальных же сообщаем некоторые подробности.

Основными размерами, по которым можно подобрать кольца, являются их высота и, конечно, диаметр цилиндра. Если найден вариант, имеющий такие же размеры, то с вероятностью 90 - 95% он подойдет. Но, чтобы быть уверенным на все 100% , нужно еще учесть следующее.

- Радиальная ширина выбранных колец должна соответствовать канавкам поршня, то есть нужно, чтобы глубина канавок не оказалась слишком малой. В подавляющем большинстве случаев компрессионные кольца у различных двигателей имеют очень близкую радиальную ширину и практически всегда подходят, чего нельзя сказать о маслосъемных кольцах. Для последних вряд ли, например, удастся замена штатного наборного кольца с двухфункциональным расширителем на коробчатое (см. «АБС-авто», июль 1998 г.), которое имеет значительно большую ширину. Поэтому помимо размеров при подборе колец необходимо уточнить их конструкцию, а лучше всего - их радиальную ширину по специальным каталогам фирм-производителей колец (Federal Mogul, Goetze, Kolbensсhmidt, Perfect Circle и другие).

- Определенное значение имеют материалы и покрытие колец. Так, желательно, чтобы у найденных колец покрытие соответствовало оригиналу. Нарушение этого правила может привести к снижению их ресурса, а в некоторых случаях (например, при установке нехромированных колец в алюминиевые цилиндры, не имеющие твердого покрытия) - вообще к неработоспособности колец. Эти вопросы также можно уточнить по каталогам.

- Очень трудно подобрать кольца для дизелей. У многих моделей верхние кольца имеют молибденовое покрытие и трапецеидальный профиль, причем нередко с различными углами, а маслосъемные кольца, как правило, коробчатые (наборные ставит, пожалуй, только Ford). Эта информация может быть уточнена в каталогах фирм-производителей колец. Нецелесообразно также устанавливать на дизель кольца от бензиновых моторов, хотя обратная замена допустима.

Во всех случаях очень желательно, чтобы двигатель, кольца от которого использовались, имел примерно те же основные параметры, что и двигатель, на который эти кольца установлены. Речь идет в первую очередь об удельной (так называемой литровой) мощности и максимальной частоте вращения, определяющих степень форсирования двигателя. Очевидно, кольца от «тихоходного» мотора выпуска 30 летней давности вряд ли подойдут к современному многоклапанному двигателю с наддувом - не те окажутся материалы и покрытия, да и требования к геометрии колец могут быть разными. Так что эти факторы следует учитывать при подборе колец, когда нет точных каталожных данных по их материалу и покрытию. Но, в любом случае, кольца от более новых моделей при соответствии размеров подойдут к более старым.

Если найденные кольца удовлетворяют всем перечисленным выше условиям, ходить они будут ничуть не меньше штатных. Здесь приводится таблица с некоторыми вариантами возможной замены колец для различных моделей двигателей европейских, японских и американских автомобилей. Иногда подобные способы замены позволяют не только подобрать «дефицитные» кольца, но и заметно сэкономить, используя более дешевые аналоги (разу- меется, речь не идет о продукции сомнительного происхождения). Отметим также, что количество вариантов может быть существенно (в несколько раз) увеличено, если есть возможность доработки колец шлифованием их торцев. Но это тема отдельного разговора.

АЛЕКСАНДР ХРУЛЕВ, кандидат технических наук
СЕРГЕЙ САМОХИН

Без преувеличения, поршень — главная деталь автомобильного двигателя, во многом определяющая его облик. Поршень эволюционировал вместе с развитием двигателей и достиг высокой степени совершенства. Конструктивные особенности поршня должны строго соответствовать характеристикам мотора. В противном случае возможны неоправданные материальные затраты при производстве и эксплуатации двигателя и даже его преждевременная кончина.

Высказанный тезис о ключевой роли поршня в конструкции автомобильного двигателя может показаться излишне категоричным. Поэтому приведем несколько аргументов в его подтверждение. Требования к конструкции поршня определяются его функциональным назначением, той ролью, которую он играет в слаженно функционирующем техногенном организме, называемом поршневым ДВС. Поршень — это элемент, который воспринимает энергию, выделяющуюся при сгорании заряда топливо-воздушной смеси. Она воздействует на поршень в виде тепла и давления газообразных продуктов. Поэтому первое, что должно отличать поршень — способность продолжительно работать в условиях высоких, циклически меняющихся механических нагрузок и тепловых потоков. Помимо этого поршень должен вносить свой вклад в обеспечение герметичности надпоршневого пространства, препятствуя прорыву газов в картер и встречному поступлению масла из картера в камеру сгорания. Поршень должен обладать высокой износостойкостью рабочих поверхностей и низким трением при минимально возможном зазоре в цилиндре. Поршень должен… должен…должен… Перечень того, что поршень должен, можно продолжить, но и упомянутых требований достаточно, чтобы понять, насколько непросто им удовлетворить. Тем более что при этом нужно сделать главную деталь двигателя еще и максимально легкой. В противном случае… Действительно, представим, что будет в противном случае. Масса поршня — параметр, который опосредованно отражает степень совершенства его конструкции. Для среднестатистического двигателя современного легкового автомобиля он составляет 300—350 г. Допустим, что массу поршня пришлось увеличить граммов эдак на 50. Казалось бы, пустяк. Теперь умножим «привес» на годовую программу производства поршней (обычно это несколько миллионов изделий) и получим несколько «лишних» вагонов стратегического металла. Кстати, металла недешевого. Ведь это только у нас некоторые производители изготавливают поршни из вторсырья. На Западе для этой цели используют только первичные алюминиевые сплавы, иначе невозможно гарантировать качество продукции. К сожалению, это наименьшее из последствий просчетов конструкторов и технологов. Припомним, что поршень совершает колебательные движения в цилиндре с частотой до 100 раз в секунду. При этом максимальная скорость его перемещения на отрезке пути длиной 70—80 мм достигает 25 м/с, а возникающие тысячекратные перегрузки превращают каждый лишний грамм в несколько килограммов избыточной нагрузки. Нагрузка передается на поршневой палец, шатун, коленчатый вал и, наконец, воспринимается блоком двигателя. Увеличение массы поршня однозначно отражается на массе каждой из этих деталей, тем более что они работают в циклическом режиме, провоцирующем усталостные явления. В результате исходные граммы «на выходе» превращаются в десятки килограммов качественного металла. Еще раз множим на объем производства двигателей, приплюсуем сюда повышение расхода топлива за счет больших потерь на трение и массы мотора, увеличение вредных выбросов в атмосферу, прочие неучтенные последствия. Удручающее «итого» убедительно доказывает, что поршень — действительно наиболее важная деталь двигателя, во многом определяющая его конструкцию, производственные затраты, экономичность и экологичность. Каков же он, поршень?

Геометрия искривленного пространства

На первый взгляд поршень имеет правильную геометрическую форму цилиндра. Однако, если «пройтись по нему» с точным измерительным инструментом, окажется, что это вовсе не так. Практически все «формы» поршня — неправильные. Их «неправильность» обусловлена желанием обеспечить равномерный, минимально возможный зазор между стенкой цилиндра и поршнем по всей его высоте. Трудность этой задачи состоит в том, что различные части поршня при работе нагреваются крайне неравномерно, а, значит, неодинаково изменяются в размерах. Ситуация еще более усложняется тем, что поршень имеет неравноже-сткую конструкцию, что также влияет на последствия теплового расширения. Днище поршня — наиболее термически нагруженная его часть. При работе двигателя его температура может достигать 300—350°С. Поэтому диаметр поршня в области огневого пояса уменьшают на 0,4—0,6 мм относительно диаметра цилиндра. Температура поршня в зоне уплотнительного пояса ниже. К тому же тепловые потоки, проходящие через первое и второе компрессионные кольца, отличаются в несколько раз. Как следствие, перемычки между кольцами будут иметь разную температуру. Верхняя — более горячая, нижняя — менее. Чтобы компенсировать их неодинаковое тепловое расширение на работающем моторе, диаметр поршня от днища к юбке постепенно увеличивают. Температура юбки плавно спадает в направлении от ее верхней части (в районе маслосъемного кольца) книзу. Этим обусловливается конический характер ее поверхности. В нижней части юбки обычно устраивают обратный конус. Он позволяет поршню при перекладке в нижней и верхней мертвых точках работать более мягко, без резких ударов. В дополнение к этому при движении поршня вниз обратный конус способствует возникновению гидродинамического эффекта, благодаря которому поршень как бы «всплывает» на масляной пленке. Плавное увеличение диаметра поршня от днища к нижней части юбки, а также наличие на ней обратного конуса придает ему бочкообразную форму в продольном сечении. Не менее важное условие работоспособности поршня — особая форма в поперечном сечении, отличная от формы круга. Необходимость такой меры обусловлена наличием бобышек, усилений в месте соединения поршня с поршневым пальцем. Составляющие единое целое с днищем поршня, массивные бобышки нагреваются в большей степени, чем соединяющие их части юбки. Как следствие — диаметр поршня «растет» преимущественно в направлении, совпадающем с осью поршневого пальца. Чтобы компенсировать этот эффект, поршень в поперечном сечении делают овальным. Меньшая ось овала совпадает с осью пальца, а овальность обычно составляет 0,4—0,5 мм. Величина небольшая, но очень важная. Именно она позволяет поршню работать в цилиндре с минимальными зазорами. Таким образом, форма поршня в холодном состоянии характеризуется бочкообразностью и овальностью. Закономерности «искривленной геометрии» поршней были выявлены достаточно давно. Примерно с х годов их учитывают при конструировании поршней, вначале авиационных, а затем и автомобильных.

«Материальная» часть

Большинство рецептур материалов, применяющихся для изготовления поршней, было разработано еще в х годах. В этом отношении современные поршни недалеко ушли за прошедшие 80 лет. До сих пор они в основным изготавливаются из силумина с процентным содержанием кремния около 12%. Этот сплав был впервые предложен фирмой Mahle, которая внедрила его в массовое производство поршней. В ряде случаев (например, для некоторых дизельных моторов) применяются заэвтектические сплавы алюминия, в которых содержание кремния может достигать 18%. Такие силумины менее пластичны, более капризны в обработке и дороги. В «доалюминиевый» период поршни изготавливались из чугуна. Силумин оказался очень удачным материалом, сочетающим достаточную прочность с легкостью. Подбор концентрации кремния позволил добиться приемлемого коэффициента теплового расширения, существенно меньшего, чем у чистого алюминия. Основной способ получения заготовок поршней (практически 99%) — литье, большей частью кокильное. Эта технология отработана буквально до совершенства. Незначительное количество составляют поршни, заготовки для которых изготавливают методом ковки. Это своего рода эксклюзив, который не применяется на серийных изделиях. Кованые заготовки в силу особой структуры, которую приобретает металл, обладают несколько большей прочностью. Однако это преимущество обычно нивелируется ограничениями по возможной форме заготовки и может быть вовсе сведено к нулю из-за отдельных конструктивных недочетов. Уважающие себя производители наносят на поверхность поршней различные покрытия. Один из распространенных способов — покрытие поршня оловом (лужение). Реже применяется покрытие свинцом. Слой мягкого металла, толщина которого составляет 5—10 мкм, уменьшает трение и вероятность «прихвата» поршня с образованием задиров в период обкатки двигателя. Ту же функцию он выполняет и на приработанном двигателе в момент пуска, сопровождающегося «масляным голоданием», и при пиковых нагрузках. Убедительное доказательство действенности этой меры — сравнение состояния поршней двигателей классических моделей ВАЗ первых поколений и ВАЗ 2108—21083. У последних даже при незначительном пробеге на юбке поршней, не имеющих покрытия, обязательно присутствуют задиры. На луженых поршнях «классики» такого явления, как правило, не наблюдалось. Некоторые производители для уменьшения трения наносят на юбку поршней антифрикционные покрытия, композиции на основе графита, реже — дисульфида молибдена. Толщина слоя покрытия может достигать 15—20 мкм. Обычно поршни с таким покрытием устанавливаются в цилиндр с минимальным зазором. В результате первоначальной приработки покрытие частично стирается и поверхность поршня приобретает форму, максимально соответствующую цилиндру. Поршни с прирабатываемым покрытием применяются, например, на современных двигателях VAG, Mercedes, BMW, Opel и других. Выпуск таких поршней недавно освоен некоторыми российскими предприятиями для моторов отечественного производства.

Короче, еще короче…

В последние 20—30 лет все разработчики двигателей вслед за первопроходцами, японскими конструкторами, двигались примерно в одном направлении и достигли сходных результатов. Поэтому сейчас, взяв в руки поршень, непросто определить, где и для какого мотора он произведен. В то время как десяток-другой лет тому назад отличить, например, японское изделие от американского было проще простого. Отметим некоторые этапы эволюции поршней. Одна из основных геометрических характеристик поршня — компрессионная высота. Она определяется расстоянием от его днища до оси поршневого пальца. С начала х годов наметилась устойчивая тенденция к уменьшению компрессионной высоты поршня. Это позволяет снизить его массу за счет уменьшения размеров бобышек и высоты уплотнительного пояса. Известны примеры, когда компрессионную высоту поршня удавалось уменьшить до 24 мм. И это при наличии трех колец. Для сравнения: данный параметр у ВАЗовских поршней составляет 38 мм, а у поршней автомобилей ГАЗ выпуска прошлых лет — аж 52 мм! Уменьшение компрессионной высоты поршней стало возможным во многом благодаря переходу на более тонкие кольца. Процесс наблюдался повсеместно на протяжении х годов. Если ранее в порядке вещей считался комплект колец размерностью 2—4 мм, то сейчас обычным делом становятся наборы порядка 1,2—1,2 мм. Это результат достижений в области технологии. Тонкие кольца обеспечивают меньшие потери на трение, более податливы, быстрее и точнее прирабатываются, а потому обладают лучшими уплотнительными свойствами и, как ни странно, лучше отводят тепло. Снижение компрессионной высоты повлекло за собой уменьшение размеров юбки поршня. Для центрирования укороченного поршня высокая юбка стала просто излишней. В результате общая высота поршня по отношению к моторам разработки х годов сократилась почти вдвое: с 80—90 мм до 50—55 мм. Уменьшение размеров поршня повлекло снижение его массы, которое составило 30—40%. К каким последствиям это приводит, мы уже упоминали. В частности, это позволило облегчить поршневой палец, уменьшив его диаметр. На современных двигателях применяются пальцы диаметром 17—20 мм, в то время как еще недавно нормой считалось 22—26 мм. Внедрение многоклапанных моторов также наложило свой отпечаток на конструкцию современного поршня. Повышение их литровой мощности и быстроходности привело к росту тепловых и механических нагрузок на поршень. Поскольку давление на поршень в конечном итоге воспринимается юбкой, возникла задача ее упрочнения. Эффективным способом стало устройство вертикальных ребер жесткости, соединяющих юбку с бобышками. Ребра образуются в результате удаления излишка материала снаружи поршня в районе бобышек. Боковые выборки получили несколько странное название «холодильники». У многих поршней современных моторов они очень большие и глубокие. Глубокие холодильники предполагают уменьшение расстояния между бобышками, а значит, применение короткого пальца и легкого шатуна с узкой верхней головкой. Достигнутое этим радикальное повышение жесткости юбки позволило постепенно отказаться от прочих способов, применявшихся ранее для компенсации ее теплового расширения. Из конструкции поршня исчезли термокомпенсирующие пазы и стальные пластины. Последние вставлялись в поршень при отливке и работали совместно с юбкой как биметалл, сдерживая ее расширение при нагреве. Глубокие холодильники и отсутствие термокомпенсации радикально изменили картину теплового расширения поршня. Узкая и более жесткая юбка стала более чувствительной к температурным воздействиям. Для обеспечения работоспособности поршня потребовалось увеличить диаметральные зазоры и ужесточить требования к технологии его производства. Большие зазоры приводят к повышению шумности работы двигателя, что критично для серийного автомобиля. Приходится очень точно подбирать профиль юбки и материал поршня. Добавлением легирующих элементов и подбором технологических режимов литья удается получить материалы с минимальным коэффициентом теплового расширения. Но это тот случай, когда «игра стоит свеч». Благодаря уменьшению размеров и массы поршней удалось значительно снизить механические потери в ЦПГ, которые, как известно, составляют около половины всех потерь в двигателе. Применение легких поршней с короткой и узкой юбкой существенно сокращает потери на трение, значит, способствует повышению мощности при уменьшении расхода топлива и токсичности. Очень важный момент — обеспечение эффективной смазки. Раньше основной задачей считался съем масла маслосъемным кольцом. Для его удаления в канавке маслосъемного кольца устраивались отверстия. На нагруженных моторах возникает обратная задача — обеспечения смазки мест контакта юбки с цилиндром при движении поршня вверх. Если этого не делать, не избежать повышенного трения и задиров на юбке, особенно на ее ненагруженной стороне. Проблема решалась разными способами: устройством отверстий для смазки в зоне маслосъемного кольца, профилированных канавок под маслосъемным кольцом для сохранения в них нужного количества масла. Потребовалось принять дополнительные меры по отводу тепла от поршня. Один из часто применяемых способов — использование форсунок, разбрызгивающих масло на днище поршня. Кстати, такая конструкция применяется в клапанных моторах ВАЗ. На дизельных моторах с наддувом иногда применяют еще более сложные способы борьбы с перегревом поршней. Точно настроенная форсунка подает масло в кольцевую полость, выполненную в теле поршня в районе уплотнительного пояса. Поршни спортивных моторов несут в себе аналогичные черты, но они выражены еще ярче. Ведь большая мощность означает большие тепловые и механические нагрузки. Методы обеспечения работоспособности поршней те же, а потому и конструктив сегодня практически идентичен. Небольшие отличия — одно компрессионное кольцо вместо двух и еще более короткая юбка. Так удается достичь существенного уменьшения потерь на трение, особенно на высоких оборотах. Известны и некоторые серийные моторы с поршнями подобной конструкции. Таким образом, поршень современного автомобильного двигателя — сложное техническое изделие, аккумулирующее в себе большое количество знаний из различных областей науки и техники. Конструкция поршня жестко связана с особенностями двигателя, в котором он работает. Бездумный, необоснованный выбор поршня может оказаться не просто неоправданным, например, с технологической или экономической точек зрения, но и нанести серьезный вред работоспособности мотора. И такие примеры, к сожалению, известны. Вследствие предельно оптимизированной конструкции современные поршни обладают меньшим запасом прочности (во многих смыслах), а потому более требовательны к соблюдению расчетных условий эксплуатации. Повышенные нагрузки, ухудшение условий теплосъема, некачественная смазка могут резко сократить их ресурс.

Взгляд на поршень со стороны (фото16). Опуская подробности внутреннего устройства поршня, взглянем на него снаружи. Верхняя часть поршня, представляющего собой «стакан наоборот», называется днищем. Вместе с прилегающей к нему боковой поверхностью, ограниченной канавкой верхнего компрессионного кольца, оно составляет так называемый огневой пояс. Огневой пояс принимает на себя механическую и тепловую нагрузки, возникающие при сгорании смеси. Область, в которой расположены поршневые кольца, принято называть уплотнительным поясом. Как следует из названия, его задача — уплотнение подвижного места контакта поршня со стенками цилиндра. Уплотнительный пояс должен препятствовать прорыву продуктов сгорания в картер двигателя и попаданию масла в камеру сгорания. Но не только. Не менее важная функция уплотнительного пояса — отвод тепла, проникающего в тело поршня через поверхности огневого пояса. Трудно поверить, но именно через поршневые кольца в стенку цилиндра и далее — в рубашку охлаждения блока сбрасывается более 80% теплового потока. При этом на долю верхнего компрессионного кольца приходится примерно 60%, второе отводит около 20%. Процессы уплотнения и охлаждения тесно взаимосвязаны. Хорошее уплотнение означает эффективный теплоотвод. Напротив, нарушение уплотнения (износ и поломка колец или перемычек между ними) приводит к ухудшению охлаждения поршня и, в конечном счете, к его прогару. Ниже уплотнительного расположен направляющий пояс поршня, образованный, в основном, внешней поверхностью юбки. Он служит для центровки поршня при его перемещении в цилиндре. При нарушении формы или износе уплотнительного пояса центровка нарушается. Если зазоры велики, во время перекладки поршня в мертвых точках его верхняя часть может соударяться со стенкой цилиндра, что сопровождается характерными стуками в двигателе и грозит серьезными последствиями: ускоренным износом стенки цилиндра, нарушением работы колец и поломкой поршня.

2. «Найди десять отличий»: поршень автомобиля «Виллис» производства х годов и современное изделие фирмы GM.

3. «Юбка с разрезом», толстые кольца и огромная компрессионная высота - характерные приметы старых поршней.

Поршень мотора Audi разработки х годов. Термокомпенсирующий паз стал уже и переместился в канавку маслосъемного кольца. В конструкции также используются стальные термокомпенсирующие пластины. Заметна тенденция уменьшения высоты поршня.

6,7. Начало х, поршень двигателя Mercedes. Термокомпенсирующие прорези исчезли, уменьшилось расстояние между бобышками для крепления к шатуну с узкой верхней головкой.

8,9. К концу х в облике поршней становятся заметны «холодильники» (1) и вертикальные ребра (2), придающие юбке поршня жесткость

10,11. Поршень пока еще сравнительно высок и снабжен термокомпенсационными пластинами, но юбку уже подкрепляют ярко выраженные ребра.

12,13. Изделие начала х. Канавки поршневых колец становятся уже, высота поршня уменьшается.

14. В х годах поршни форсированных моторов обрабатывали гальваническим способом. Поверхности огневого пояса этого поршня анодированы.

15. В сравнении с современными зарубежными изделиями поршни го мотора выглядят анахронизмом.

16.

17. Топ-версия современного спортивного поршня. Ярко выраженная Т-образная форма, два поршневых кольца, предельно жесткая юбка с отверстиями для подачи масла.

18,19. Поршень одной из уважаемых зарубежных фирм. Несмотря на антифрикционное покрытие, после 120 000 км пробега произошел сильный износ поверхности юбки на ненагруженной стороне (слева). Причина - отсутствие конструктивных мер для подачи смазки в зону трения при движении поршня вверх. Как говорится, «и на старуху бывает проруха».