Проте підшипники там є. І не якісь, а цілком певні. Вони довговічні, але не вічні, а коли виходять з ладу, то без розуміння суті не обійтися. Ну а для професіоналів-ремонтників це звичайнісінька матерія.
Як працює підшипник
У сучасних автомобільних двигунах опорами для колінчастих і розподільчих валів практично завжди служать підшипники ковзання. Підшипники кочення (кулькові, роликові, голчасті) застосовують для подібних цілей лише невеликих мотоциклетних моторах.
Необхідна працездатність підшипників ковзання досягається використанням ефекту так званого олійного клина. При обертанні гладкого валу в зазор між валом та отвором подається олія. Оскільки навантаження, що діє на вал, викликає його ексцентричне зміщення, масло як би затягується в частину зазору, що звужується, і утворює масляний клин, що перешкоджає зіткненню валу зі стінками отвору. Чим більший тиск і в'язкість олії в зазорі, тим більше навантаження (до зіткнення поверхонь) витримує підшипник ковзання.
Увага! Фактичний тиск олії в зоні клина досягає 50-80 МПа (500-800 кг/см2, а в деяких конструкціях і більше. Це в сотні разів вище, ніж у системі, що подає (системі мастила двигуна). Однак не слід думати, що тиск подачі мало впливає на роботу підшипника. Чим воно вище, тим інтенсивніше йде прокачування олії через підшипник і краще він охолоджується.
За певних умов режим роботи з мінімальним тертям (його також називають рідинним) може бути порушено. Це трапляється при зниженні в'язкості масла, наприклад через його перегрівання внаслідок недостатньої подачі, і зниження частоти обертання колінчастого валу при зростанні навантаження.
Нерідко, особливо після ремонту двигуна, дається взнаки і неоптимальна геометрія вузла. При незначному відхиленні форми поверхонь від циліндричної, при перекосі осей та інших дефектах деталей можливе місцеве зростання питомого навантаження (тобто навантаження, віднесеного до площі поверхні) вище за допустиму межу. Тоді плівка масла в цих місцях стає тонкою, а поверхні валу та підшипника починають стикатися по мікронерівності. Виникає режим напіврідинного мастила, що характеризується зростанням тертя та поступовим розігрівом підшипника. Далі це може призвести до так званого граничного тертя з повним дотиком тертьових поверхонь, наслідком якого буде перегрів, схоплювання (задири), заїдання, розплавлення та руйнування підшипника.
Зрозуміло, що в експлуатації режим граничного тертя є неприйнятним. Проте він має місце при порушенні подачі масла, а це найчастіше відбувається через його нестачу в картері: або через недогляд водія, або при пошкодженні піддону картера внаслідок наїзду на перешкоду.
Режим напіврідинного мастила допустимо лише на короткий час, коли він не встигає позначитися на зношуванні підшипника. Приклад – запуск холодного двигуна. Правда, тут є інша небезпека: при дуже низькій температурі масло може стати занадто в'язким і нормальна його подача відновлюється занадто довго (20-30 с і більше). У цьому випадку і напіврідинне мастило здатне помітно вплинути на знос деталей.
Удосконалення конструкції автомобільних двигунів пов'язане з постійним підвищенням частоти обертання колінчастого валу та збільшенням потужності двигуна. Одночасно спостерігається тенденція до збільшення компактності конструкцій, зокрема зменшення ширини та діаметра підшипників. Це означає, що питома напруга у вузлі тертя зростає. А оскільки навантаження на підшипник при роботі двигуна циклічно змінюється за величиною та напрямом, то збільшується ймовірність так званого втомного руйнування деталей. Щоб забезпечити працездатність підшипників у таких умовах, потрібні спеціальні конструкції, матеріали та технології.
Як влаштований підшипник ковзання
Зазвичай підшипники колінчастих валів у сучасних двигунах виконуються у вигляді тонкостінних вкладишів або втулок завтовшки від 1,0 до 2,5 мм (рідко більше). Вкладиші корінних підшипників колінчастого валу роблять товстішими через необхідність розмістити в них кругову канавку для подачі олії до шатунних підшипників. Загальна тенденція – зменшення товщини вкладишів, яка зараз становить у середньому 1,8–2,0 мм у корінних та 1,4–1,5 мм у шатунних підшипників. Чим тонші вкладиші, тим краще вони прилягають до поверхні корпусу підшипника (ліжка), тим краще відводиться тепло від підшипника, точніше геометрія, менше допустимий зазор і шум при роботі, більше ресурс вузла.
Щоб при встановленні в ліжко вкладиш точно прийняв її форму, у вільному стані він повинен мати натяг діаметром ліжка (так зване розпрямлення) і нециліндричну форму змінного радіусу. Крім того, для гарного прилягання до поверхні та утримування від провертання необхідний натяг і по довжині вкладиша – його називають виступом. Всі ці параметри залежать від товщини, ширини та діаметра вкладишів, розпрямлення становить у середньому 0,5–1,0 мм, а виступання – 0,04–0,08 мм. Однак для надійної роботи цього підшипника ще недостатньо. Біля лінії роз'єму товщину вкладишів зменшують на 0,010–0,015 мм, щоб уникнути задир у цих місцях. Задираки можуть з'явитися внаслідок деформації отвору в корпусі підшипника в блоці циліндрів під дією робочого навантаження, коли робочий зазор в підшипнику малий.
Матеріали для вкладишів можуть бути різними. Їх вибір залежить від вибору матеріалу колінчастого валу та його термообробки, ступеня форсування двигуна та заданого ресурсу. Певною мірою позначаються тут і традиції автомобільної фірми.
Вкладиші завжди робляться багатошаровими. Основа вкладиша – сталева стрічка, яка забезпечує міцність та надійність посадки у корпусі підшипника. На основу наносять різними способами шар (або кілька шарів) спеціального антифрикційного матеріалу, товщина якого становить 0,3-0,5 мм. Основними вимогами до антифрикційного матеріалу є низьке тертя по валу, висока міцність та теплопровідність (тобто здатність добре відводити тепло від поверхні валу до корпусу підшипника). Першу вимогу найкраще забезпечують м'які метали, наприклад, сплави з великим вмістом олова і свинцю (зокрема, широко відомі бабіти).
У минулому бабіти широко застосовувалися на малофорсованих низькообертових двигунах. Зі зростанням навантажень міцність таких вкладишів із товстим шаром бабіта виявилася недостатньою. Проблема була вирішена заміною всього цього шару на своєрідний бутерброд - свинцево-олов'яну бронзу, вкриту тонким (0,03-0,05 мм) шаром того ж бабіта. Вкладиш став багатошаровим.
У сучасних двигунах сталебронзобаббітові вкладиші зазвичай виконують чотиришаровими (під бабітом знаходиться ще дуже тонкий шар нікелю) або навіть п'ятишаровими, коли для покращення приробітку зверху на робочу поверхню наноситься найтонший шар олова. Саме так виглядають підшипники на багатьох іноземних двигунах.
Поряд з цим широкого поширення набули і сталеалюмінієві вкладиші. Антифрикційним матеріалом тут є сплави алюмінію з оловом, свинцем, кремнієм, цинком або кадмієм як з покриттями, так і без них. Найчастіше у світовій практиці використовується метал алюмінію з 20% олова без покриття. Він добре протистоїть високим навантаженням та швидкостям обертання сучасних двигунів, включаючи
дизелі, і одночасно має задовільну «м'якість». Проте сталеалюмінієві вкладиші жорсткіші, ніж бабітові (або з бабітовим покриттям), тому більш схильні до задирок в умовах недостатнього мастила.
Допоміжні та розподільні вали двигунів обертаються, як правило, з меншою частотою, ніж колінчасті, і зазнають набагато менших навантажень, тому умови їх роботи легші. Вкладиші та втулки цих валів зазвичай роблять із матеріалів, аналогічних описаним. Крім того, тут іноді застосовують бабіт або бронзу без покриття. Найчастіше ці підшипники взагалі мають втулок чи вкладишів і утворюються безпосередньо розточуванням отворів у голівці блоку циліндрів. У таких конструкціях головка виконана зі сплаву алюмінію з кремнієм, який має непогані антифрикційні властивості.
Спільним для підшипників сучасних двигунів, особливо якщо йдеться про опори колінчастих валів, є відповідність матеріалу та конструкції вкладишів матеріалу та умовам роботи валу (частота обертання, навантаження, умови змащення тощо). Тому довільна заміна деталей, коли, наприклад, під час ремонту ставлять вкладиші від іншого двигуна, може бути рекомендована. В іншому випадку довговічність відремонтованого агрегату може виявитися дуже невеликою. щоб вирішуватись на такий крок, потрібно мати відповідну інформацію.
Вкладиші підшипників ковзання є дуже точними (прецизійними) деталями. щоб гарантувати малі, але цілком певні (в середньому 0,03-0,06 мм) робочі зазори в підшипниках, при виготовленні товщину вкладиша витримують з точністю приблизно 5-8 мкм, а довжину - 10-20 мкм. Порушення цих вимог може призвести до зміни робочого зазору в підшипнику або щільності посадки вкладиша в корпусі, що неприпустимо, оскільки може призвести до зниження надійності та ресурсу двигуна в цілому.
Хто виробляє підшипники ковзання
Складність всього кола проблем, пов'язаних із створенням високоякісних автомобільних підшипників ковзання, призвела до того, що їхнє виробництво поступово перейшло до спеціалізованих фірм. За кордоном багато хто з таких фірм одночасно випускає й інші деталі для двигунів, причому постачання йдуть як на конвеєри автомобільних заводів, так і у продаж - у вигляді запасних частин. Деякі фірми такого роду входять до складу відомих транснаціональних виробничих та торгово-промислових корпорацій. Зі світових виробників підшипників ковзання для двигунів слід в першу чергу відзначити фірми Kolbenschmidt (KS), Glyco, TRW, Sealed Power, Glacier, Clevite, Bimet. В останні роки підшипники почали робити і такі фірми «корифеї», як Mahle та Goetze. Серед «молодих» варто згадати спеціалізовану фірму King (Ізраїль), яка розпочала випуск підшипників на початку 80-х років минулого століття. Більшість перелічених виробників випускає величезну номенклатуру підшипників і постачає свою продукцію в запасні частини усюди, в тому числі і на наш ринок (через дилерів чи оптові торгові компанії). В основному, це підшипники для двигунів закордонних автомобілів – європейських, японських та американських.
У продажу можна знайти вкладки як стандартні, так і різних ремонтних розмірів (що відрізняються від стандартних, як правило, не більше ніж на 0,75 мм) для більшості поширених моделей. На менш поширені моделі, а також при необхідності купівлі вкладок більшого ремонтного розміру зазвичай доводиться оформляти замовлення і чекати в середньому 5-10 днів (у різних торгових фірм ці терміни різні).
Якість такої продукції зазвичай не викликає сумнівів ні щодо геометрії, ні щодо матеріалів. Хоча, якщо є вибір і сумніви в тому, якій фірмі-виробнику віддати перевагу, треба мати на увазі таке. Такі компанії, як Kolbenschmidt, Glyco, Glacier – це одні з головних постачальників для масового виробництва. При покупці їх виробів можна навіть отримати ті ж самі вкладиші, що ставлять на двигуни "при народженні". Різниця полягає лише у відсутності нових деталей емблеми фірми – виробника автомобіля. До речі, пошук «рідних» (або так званих оригінальних) вкладок ремонтних розмірів може виявитися проблематичним. Не всі автомобільні фірми постачають ремонтні вкладиші в запчастини, та й ціна вкладишів в «оригінальній» упаковці, як правило, помітно вища, ніж безпосередньо від виробника.
Вкладиші виробництва інших, менш іменитих фірм зазвичай дешевші, хоча виявити відмінності як виготовлення буде важко. Більше того, якщо є вибір, то тут можна спробувати врахувати умови експлуатації автомобіля. Так, порівняно дешеві вкладиші, як не дивно, дещо краще протистоять низькоякісним маслам та маслофільтрам, які «гуляють» по наших магазинах і ринках, ніж дорожчі сталебронзобабітові. Це, зокрема, показала практика використання в ремонті сталеалюмінієвих вкладишів фірми King замість штатних бронзобабітових: така заміна не завдає шкоди надійності двигунів, проте дозволяє помітно заощадити.