«Мягкая сила» гоночных вкладышей

«Мягкая сила» … звучит парадоксально, не правда ли? Обычно мы воспринимаем нечто как сильное и мощное – если оно крепкое и грубое. Почему вкладыши двигателя, особенно высококачественные не могут просто быть сильными?

Разве быть «твердыми» – это недостаточно для их продолжительной и надежной работы в условиях гонок?

Ответ на этот вопрос мог бы быть «да» – но только при одном условии: если они способны работать как идеальная часть подшипника с гидродинамической смазкой.

К сожалению, так не бывает в настоящем мире гоночных двигателей.

«Гидродинамический» вкладыш

Вкладыш шейки коленчатого вала – это важнейший элемент подшипника скольжения, работающего с гидродинамической смазкой. Таким образом, поверхность вкладыша отделена от поверхности шейки масляным «клином».

Вращающаяся шейка вала всегда смещается под нагрузкой, при этом образуется клиновидный зазор между поверхностями вкладыша и шейки, заполненный моторным маслом. Этот масляный «клин» незаменим для нормальной работы гидродинамического подшипника.

Вращение шейки вызывает нагнетание масла, по направлению вращения, при этом в клиновидном зазоре создается избыточное давление. Эта сила, созданная давлением масла, противодействует внешней силе F. Поэтому пленка масла, разделяющая поверхности вкладышей и шейки, остается стабильной, и детали подшипника не контактируют между собой.

Толщина масляной пленки зависит от величины силы F, скорости вращения вала, вязкости масла, величины масляного зазора и геометрических параметров вкладыша (диаметр и длина).

Предполагается, что идеальный гидродинамический подшипник является абсолютно жестким, его ось параллельна оси шейки вала, сама шейка имеет форму идеального цилиндра, поверхности вкладыша и шейки идеально гладкие, масло – чистое и его достаточно для гидродинамической смазки.

Вкладыши из реального мира

К сожалению, вкладыши из реального мира отличаются от идеальных вкладышей. В двигателях внутреннего сгорания нагрузка на вкладыши меняется циклически, из-за переменного давления газов в цилиндрах и инерционных сил, развивающихся за счет ускорения деталей.

Переменные нагрузки на детали могут вызвать поломку вкладыша в результате усталости материала. Пленка масла предотвращает локальную перегрузку, распределяя приложенные силы по относительно большой площади.

Однако, если давление, переданное через масляный клин вкладышу, больше, чем усталостная прочность материала, на поверхности вкладыша образуются и быстро развиваются усталостные трещины.

Еще одна особенность состоит в том, что вкладыши не абсолютно жесткие.

Силы, воздействующие на подшипники скольжения, деформируют их корпуса. Мощные двигатели обычно работают на высоких оборотах, почему значительно растут силы инерции, вызванные ускорением и замедлением деталей двигателя (например – поршня в сборе с шатуном). Инерция «растягивает» (деформирует) шатун и его отверстия по вертикальной оси.

Отверстия в блоке цилиндров также могут изменить свою форму в результате высоких нагрузок на коренные подшипники. При таких условиях масляный «клин» может поменять свою форму со «сходящейся» на «расходящуюся», что ставит под угрозу условия смазки подшипника и может привести к непосредственному контакту поверхностей шейки и вкладышей.

Кроме того, вкладыши не всегда параллельны шейке, а отверстия коренных подшипников в блоке цилиндров могут быть несоосными. Несоосность (отклонение от концентричности) и непараллельность осей также вызывают прямой контакт между вкладышами и шейками.

Действительная форма шейки вала также может отличаться от формы идеального цилиндра.

Если диаметр шейки меняется в осевом направлении, то шейка может быть: конусной, бочкообразной или как «песочные часы» (вогнутой). Вариации диаметра шейки в радиальном направлении приводят к овальности или волнам вдоль окружности шейки (вибрация при шлифовании).

Шейки вала также могут менять свою форму в результате изгиба вала, вызванного перегрузкой двигателя или крутильными колебаниями. Подобные изменения формы шейки также меняет масляный зазор, разрушая масляную пленку, разделяющую поверхности вкладыша и шейки.

Поверхности вкладышей и шейки не являются идеально гладкими. Прямой контакт деталей может быть вызван также шероховатостью поверхности шейки. Качество поверхности шейки особенно важно для гоночных подшипников, которые могут работать с малой толщиной масляной пленки.

Масло, работающее в двигателе, всегда содержит примеси и загрязнения. Твердые частицы, попавшие в масло, могут застрять между трущимися поверхностями, вызывая сухое трение и ускоряя износ материала вкладышей. Масло, вытекая из вкладыша, сливается в поддон, а утечка компенсируется маслом, подаваемым масляным насосом.

Если утечка через зазоры близка к производительности насоса или превышает ее, количество масла становится недостаточным для образования стабильного «масляного клина». В результате смазка подшипника скольжения становится полусухим или сухим, характеризующимся контактом металлов между поверхностями вкладыша и шейки. Подобные условия называются масляным голоданием.

Таким образом, подшипники в реальном двигателе работают в смешанном режиме смазки, характеризующемся периодическим контактом между поверхностями трения.

В отличие от идеального гидродинамического режима, вкладыши, работающие в режиме смешанной смазки, должны иметь определенную комбинацию свойств материала, в том числе связанные с мягкостью.

Свойства материалов вкладышей

В гоночных двигателях вкладыши работают в условиях высоких переменных нагрузок, высоких оборотов, периодического контакта деталей подшипников и при наличии загрязнений, попавших в масло.

Вот основные свойства материалов для вкладышей двигателя:

• Нагрузочная способность (усталостная прочность) – максимальное значение циклических напряжений, которому вкладыш может противостоять, не образуя усталостных трещин после множественного числа циклов нагружения.

• Износостойкость – способность материала вкладыша сохранять форму в условиях смешанной смазки и при наличии посторонних частиц, занесенных маслом.

• Совместимость (устойчивость к заклиниванию) – способность материала вкладыша сопротивляться физическому соединению («свариванию») с шейкой коленвала, когда она контактирует с поверхностью вкладыша.

• Способность к местной деформации – способность материала вкладыша приспосабливаться к несовершенствам геометрии шейки, корпуса или самого же вкладыша.

• Способность к поглощению – свойство материала вкладыша задерживать мелкие посторонние частицы, занесенные с маслом.

• Сопротивление коррозии – способность материала вкладыша противостоять химическому разрушению со стороны масла или веществ, которые могут загрязнить масло.

• Сопротивление кавитации – способность материала вкладыша противостоять ударным напряжениям, вызванным схлопывающимися кавитационными пузырьками, которые образуются в результате резких локальных изменений давления в циркулирующем масле.

Усталостная прочность, износостойкость и сопротивление кавитации характеризуют прочность и твердость материала.

Совместимость (устойчивость к заклиниванию), способность к местной деформации и способность к поглощению связаны с мягкостью материала. Вкладыши двигателя должны сочетать все эти противоречивые требования, в зависимости от условий работы. Это очень сложная задача, так как одни характеристики (прочность и жесткость) плохо сочетается с другими («мягкостью»).

Структуры материалов вкладыша

Нужные качества может быть достигнуты, если материал вкладыша имеет композитную структуру.

Вкладыши для подшипников скольжения двигателя обычно выполняют из стальной ленты, на которую нанесена относительно твердая основа (сплавы на основе меди или алюминия), в сочетании с твердой смазкой: либо тонкий верхний слой, либо мелких антифрикционных частиц, распределенных по всему материалу основы.

Вкладыши с тонким верхним антифрикционным слоем называются триметаллическими, а без верхнего слоя – биметаллическими.

Конструкция типичных триметаллических и биметаллических вкладышей показана на рисунке ниже.

Ниже показана микроструктура типичного триметаллического вкладыша.

Верхний слой дает вкладышу требуемую «мягкость». Мягкие свинцовистые сплавы, обычно используемые как верхний антифрикционный слой в гоночных вкладышах, имеют великолепные совместимость (устойчивость к заклиниванию), способность к местной деформации и способность к поглощению.

Прочность обеспечивается расположенным промежуточным слоем – из освинцованной бронзы. Свинец нужен, чтобы улучшить стойкость к заклиниванию.

Триметаллические вкладыши имеют ограничение по толщине верхнего слоя, которая всегда является результатом компромисса между требуемой нагрузочной способностью и антифрикционными свойствами вкладыша.

Если верхний слой частично стерся, это увеличивает опасность заклинивания между шейкой коленвала и вскрытой бронзой промежуточного слоя.

Биметаллические вкладыши не имеют верхнего слоя; поэтому они более терпимы к величине износа.

Следующий рисунок показывает типичную микроструктуру биметаллического вкладыша.

Слой алюминиевого сплава в биметаллическом вкладыше содержит микрочастицы олова, распределенные по всей алюминиевой матрице. Олово здесь служит твердой смазкой. Сами алюминиевые сплавы обычно мягче, чем бронза в триметаллических вкладышах. Поэтому они обеспечивают хорошее совместимость (устойчивость к заклиниванию), способность к местной деформации и способность к поглощению.

Толщина алюминиевого сплава в биметаллическом вкладыше составляет около 0,30 мм. В результате он может выдержать большую деформацию и несоосность, чем триметаллический гоночный вкладыш, толщина верхнего слоя которого всего лишь 0,013 мм.

pMax Black™: усиленный материал для триметаллического вкладыша

Триметаллические вкладыши с «мягким» свинцовым верхним слоем традиционно популярны в гоночных двигателях. Однако мощность подобных двигателей значительно увеличилась за последние годы. При этом также увеличились нагрузки на вкладыши.

Помимо большей нагрузки, появилась тенденция использовать моторные масла с пониженной вязкостью, чтобы уменьшить потери мощности на трение.

Таким образом, вкладыши в современном гоночном двигателе работают при более высоких нагрузках и уменьшенной минимальной толщине масляной пленки. Нагрузочная способность и износостойкость традиционных триметаллических материалов уже не отвечает современным требованиям.

Инженеры компании King Engine Bearings решили эту проблему с помощью усиленного триметаллического материала под названием pMax Black™.

Он был разработан специально для высокофорсированных гоночных двигателей. Эта технология делает возможным образование сверхтонкой «закаленной» пленки на поверхности верхнего слоя вкладыша.

Подобная пленка значительно сокращает износ верхнего слоя и эффективно препятствует образованию усталостных трещин на поверхности вкладыша.

Стендовые эксперименты показали, что усталостная прочность верхнего слоя pMax Black™ составляет около 700 атм., что на 17 % больше, чем прочность традиционных триметаллических вкладышей (590 атм).

В то же время, сохранены все свойства «мягкого» верхнего слоя: устойчивость к заклиниванию, способности к местной деформации и поглощению. Подобные вкладыши легко узнать по темному цвету рабочей поверхности.

Важно подчеркнуть, что верхний слой pMax Black™, с его упрочненным сверхтонким верхним слоем остается значительно мягче, чем сталь или чугун. Поэтому он не вызывает повреждений поверхности шейки в случае кратковременного контакта «металла-металл».

Биметаллические гоночные вкладыши HP

Большинство алюминиевых сплавов, используемых в биметаллических вкладышах, имеют допустимое давление не более 680 атм. Поэтому их нельзя использовать в двигателях, совмещающих высокую степень форсировки нагрузки и относительно большой ресурс.

Чтобы лучше соответствовать ситуациям, в которых характерные свойства биметаллических вкладышей проявляются оптимальным образом, King Engine Bearings разработал биметаллические гоночные вкладыши серии HP.

Подобные вкладыши HP лучше всего подходят для стритрейсинга, гонок дрегстеров и, даже, для гонок на кольцевых трассах средней протяженности.

Алюминиевый сплав во вкладышах HP обеспечивает сбалансированное сочетание хорошей нагрузочной способности с хорошими способностями к поглощению и к местной деформации, что важно для удержания посторонних частиц и компенсации прогибов коленвала.

Устойчивость сплава к заклиниванию также улучшена добавкой кремния в его состав.