Обзор способов, при помощи которых на протяжении истории автомобиля пытались предотвратить утечку масла из картера двигателя через отверстия для прохода коленчатого вала - от лабиринтного уплотнения до сальника современного типа.
На сегодняшний день конструкция переднего и заднего сальников коленвала в виде кольца маслобензостойкой резины с внутренней пружинкой стало настолько привычна, что любое альтернативное решение воспринимается в лучшем случае как экзотика, а в худшем - сразу же в штыки (вспомним ту же сальниковую набивку на некоторых моторах ЗМЗ и те лучи ненависти, которые периодически посылают в её адрес, по поводу и без). Между тем, подход к этой проблеме на протяжении истории автомобилестроения менялся очень сильно. Причём речь идёт не только о музейных раритетах, но и о всё ещё актуальных в качестве средства передвижения машинах, выпущенных в 1980-х - 1990-х годах. А уж если погрузиться в пучину прошлого ещё глубже...
До сальников
Самые первые автомобильные двигатели использовали унаследованную от быстроходных паровых машин лубрикаторную систему смазки, в которой масло подавалось к трущимся парам самотёком при помощи специальных дозирующих приборов - лубрикаторов (они же капельные маслёнки), за работой которых следил сам водитель или его механик, а затем... ну, куда-то там девалось. Короче говоря - утечка масла из двигателя была не большей проблемой, чем, скажем, истечение отработавших газов из выхлопной трубы, а его расход воспринимался как неизбежная составная часть работы двигателя. Естественно, никакого специального уплотнения мест, в которых коленчатый вал выходил из катера двигателя, предусмотрено не было. В те годы было хорошо, если у двигателя вообще был закрытый картер (см. картинку выше).
Лабиринт для масла
Между тем, уже в начале XX века стали появляться первые системы смазки с масляным насосом - пока ещё без подачи масла к подшипникам под давлением. В большинстве случаев смазка была комбинированной: некоторые узлы мотора, вроде шестерён привода распредвала, смазывались от насоса, а потом масло стекало в появившийся-таки наконец поддон картера, а оттуда забиралось черпачками на шатунах, из которых частично попадало к подшипникам коленвала, а частично - разбрызгивалось в процессе, покрывая тонким слоем все внутренности мотора и таким образом осуществляя их смазывание. Более-менее герметичный картер принёс и проблемы - масло из него выдавливало давлением, возникающим при перемещении поршней и в результате прорыва через поршневые кольца отработанных газов.
Первым подобием попытки герметизировать места выхода валов из картера стали так называемые лабиринтные уплотнения, которые как правило представляли собой несколько витков пологой винтовой резьбы на части вала, непосредственно проходящей через стенку двигателя. Направление этой маслосгонной резьбы было выбрано таким образом, что она как бы возвращала в картер масло, которое просачивалось из крайних подшипников коленвала. На заднем торце коленчатого вала дополнительно могло также иметься маслоотражательное кольцо (обычно выполненное в виде гребня на самом валу), которое при работе двигателя возвращало масло в картер за счёт центробежной силы (его нередко используют и в паре с современным сальником, для улучшения условий работы последнего).
При работе мотора утечка масла из него более или менее предотвращалась, а на несколько его капель, оставшихся на месте стоянки автомобиля, в те годы смотрели без особой брезгливости. Зато проблемы "потёк сальник" не существовало в принципе )
Сегодня в это довольно сложно поверить, но на некоторых двигателях такие уплотнения использовались вплоть до сороковых, а то и пятидесятых годов. Например, на знаменитом "плоскоголовом" Ford V8 лабиринтное уплотнение задней шейки коленвала использовалось вплоть до 1942 модельного года.
Специально для умников и умниц: официальный аналог нашего термина "нижнеклапанный" в английском языке - Side Valve, то есть "с боковым расположением клапанов", либо L-Head - по перевёрнутой L-образной форме цилиндра с камерой сгорания в разрезе. А эпитет "плоскоголовый", Flathead - во-первых, является сленгом, а во-вторых - описывает совершено другую характеристику мотора, плоскую форму головки блока. Поэтому я не вижу проблемы в том, что мотор может быть одновременно и "нижнеклапанным", и "плоскоголовым" - это не взаимоисключающие его характеристики. И кроме того - судя по всему изначально это было прозвище конкретно фордовского V8, которое уже впоследствии распространилось на другие нижнеклапанные моторы.
Набивка, собственной персоной
Между тем, ещё в конце двадцатых годов появилось намного более совершенное решение уплотнения задней коренной шейки коленчатого вала - сальник набивного типа со жгутовой набивкой. Собственно, сальниковая набивка использовалась ещё задолго до этого (например, в насосах) - тогда её просто додумались использовать для предотвращения утечек масла из двигателя. Видимо, один из первых примеров её применения на массовом моторе - 1929 Plymouth Model U, но это не точно (отследить дела столь давно минувших дней непросто). На наших моторах она появилась, судя по всему, вместе с лицензионной доджевской 218-кубовой рядной "шестёркой", которая в конце тридцатых путём определённых манипуляций стала ГАЗ-11.
Изначально набивка представляла собой плетёный шнурок из хлопчатобумажных нитей, пропитанный воском. Впоследствии этот шнур стали делать из асбестового волокна и пропитывать графитовой смазкой или коллоидным графитом. Сегодня для неё может использоваться синтетическое волокно, а внутри - иметься жёсткий полимерный каркас, задающий сечение и форму набивки. При установке этот "шнурок" нарезается на две "колбаски", которые плотненько набиваются в кольцевую канавку, выполненную в постели заднего коренного подшипника и его крышке, а затем обжимаются по диаметру задней коренной шейки коленвала:
Когда картер двигателя заполняется маслом, набивка впитывает некоторое его количество, от чего слегка разбухает и плотно охватывает шейку коленвала, удерживая масло внутри за счёт большой площади контакта с её поверхностью. Для надёжной работы такого уплотнения на валу в месте её расположения должна иметься лёгкая маслосгонная накатка, отводящая из зоны контакта излишки масла (но накатка именно едва ощутимая пальцем, глубиной в пару десятых миллиметра, а не глубокая - и тем более не полноценная маслосгонная канавка, которая набивку как раз очень быстро прикончит).
Небольшая потеря масла через такое уплотнение заложена в сам его принцип работы, который требует поступления масла в зону контакта набивки с шейкой вала для её смазки. Но эта естественная утечка имеет микроскопические масштабы и практически никак не проявляется ! Если через набивку начинает заметно подкапывать масло, или даже картер двигателя под ней заметно запотевает снаружи - это уже не есть нормально и требует вмешательства. Некоторое затруднение состоит в том, что для замены набивки нужно полностью снимать коленчатый вал двигателя - это, безусловно, неудобно. Кроме того, набивку мало просто установить - её нужно установить именно так, как нужно, что требует определённых знаний и опыта. Ресурс её обычно несколько меньше, чем у сальника современного типа, но в большинстве случаев правильно установленная набивка при соблюдении ряда условий (см. постскриптум) выхаживает до следующего капитального ремонта двигателя, пусть и не без некоторого подтекания масла в конце срока службы.
Кстати говоря, далеко не всегда течь масла в задней части двигателя говорит о выходе из строя набивки: часто масло просто стекает туда откуда-то ещё, поскольку мотор установлен в моторном отсеке заднеприводных автомобилей с наклоном назад.
Такая конструкция на некоторых моторах просуществовала очень долго, причём даже если не брать отечественный автопром. Так, в Америке она использовалась как минимум до восьмидесятых годов практически на всех двигателях Ford Motor Company и Chrysler Corporation, а также таких марок General Motors, как Oldsmobile, Pontiac и Buick. Американцы вспоминают, что набивка на этих моторах либо начинала течь ещё во время обкатки нового автомобиля, либо не начинала - и в последнем случае выхаживала много десятков или даже сотен тысяч миль.
То же самое касается и многих английских производителей - например, Jaguar использовал набивку на моделях XJ и XJ-S до начала девяностых. На моторах Mercedes-Benz набивка встречалась до середины девяностых, а на их клонах, например дизеле Tata 697 NA (лицензионная копия OM 352) - чуть ли не до настоящего времени. И везде она работала, хотя и не без нареканий - в особенности последнее касается старых и в целом изношенных моторов с большим пропуском газов в картер.
Примерно тогда же, когда на задней шейке коленвала начали применять сальниковую набивку, на его переднем конце стали использовать войлочный или пробковый сальник, часто в сочетании с маслоотражательным кольцом. От масла он тоже немного набухал, более или менее обеспечивая герметичность, а также становился очень скользким, за счёт чего пробка служила довольно долго. Для уплотнения задней шейки, к которой из-за наклонного положения двигателя в моторном отсеке попадало намного больше масла, такой вариант подходил хуже и использовался на ней редко (но всё же порой использовался - например, пробковый задний сальник коленвала стоял на сравнительно старых тракторных моторах John Deere).
Неопреновая революция
Тем временем, техника развивалась своим чередом. В середине тридцатых годов на рынке появляется новый материал - маслостойкий синтетический хлорпреновый каучук (неопрен), который позволил произвести настоящую революцию в области сальниковых уплотнений, в том числе и для двигателей. Сделанные из него сальники ("армированные уплотнительные манжеты с пружиной", по ГОСТ) работают по полностью иному принципу по сравнению с набивкой - их рабочей поверхностью является лишь острая кромка, которая пружинкой постоянно слегка прижимается к поверхности вала и при его вращении контактирует с ним только в одной точке:
Благодаря этому сальник оказывает малое сопротивление вращению вала, и при этом хорошо "держит" масло на протяжении сотен тысяч километров пробега. Рабочая кромка является односторонней - в случае сальников коленвала она направлена таким образом, чтобы удерживать масло внутри картера (в других узлах может быть и наоборот, например - в подшипниках ступиц или шарнирах подвески, которым нужно обеспечить защиту от попадания грязи снаружи при свободном выходе лишней смазки). Часто имеется и вторая, наружная кромка (пыльник), работающая уже по системе "всех выпускать - никого не впускать": это призвано дополнительно защитить сальниковый узел от загрязнения и тем самым компенсировать один из недостатков сальника такого типа - его высокую чувствительность к грязи, которая быстро изнашивает нежную рабочую кромку при попадании под неё.
Однако, переходить на новую конструкцию не торопились, потому что это требовало полной переделки задней части блока цилиндров - а значит, имело смысл только при освоении полностью нового семейства моторов или глубокой модернизации существующего. Был, впрочем, найден "половинчатый" вариант модернизации, позволивший использовать сальниковое уплотнение коленвала при сохранении в общих чертах старой конструкции блока.
Если сальник разрезать...
Первые задние сальники коленчатого вала из хлорпренового каучука, судя по всему, появились примерно к концу пятидесятых годов на некоторых из новых моторов General Motors конфигурации V8. Сальники эти были как правило без пружинки и разрезными - то есть, состояли из двух половинок, как и набивка, так что для их установки двигатель было необходимо частично разбирать - хотя резиновый сальник был всё же проще в установке, так как его не требовалось обжимать под диаметр шейки. Существенный минус разрезного сальника - он всё же может немного подтекать по стыку двух половин, и в целом более капризен, чем цельный.
Сделано это было, видимо, экономии ради - такой сальник можно было устанавливать без особых переделок в тот же самый блок, в который ранее устанавливалась набивка. Порой даже один и тот же мотор мог идти как с сальником, так и с набивкой; или же с завода устанавливалась дешёвая набивка, а в ремонтные комплекты клался уже сальник (видимо, чтобы дилер мог поставить его по гарантии в том случае, если набивка таки начинала течь). Такая конструкция сальника дожила как минимум до девяностых годов. Для многих моторов, которые с завода шли с набивкой - например, GM-овских рядных "четвёрок" и "шестёрок" - сегодня выпускаются наборы для перехода на разрезной сальник.
В 1959 году состоящий из двух половинок резиновый сальник заднего коренного подшипника коленвала впервые в СССР появился на моторе "Чайки" ГАЗ-13. Однако что-то с ним явно пошло не так: вероятно, конструкция или технология изготовления сальника оказались неудачны, и он вызывал периодическое подтекание масла. Так что начиная с двигателя №241 он был заменён привычной жгутовой набивкой - видимо, при тогдашнем уровне технологий это оказалось более надёжным решением. В результате у ГАЗа, а по наследству - и у ЗМЗ, куда было перенесено производство моторов, развилась хроническая "сальникобоязнь", так что следующий двигатель с задним сальником коленвала среди их серийной продукции появился только лишь в девяностые годы.
Впрочем, как мы видели, и в Америке далеко не все производители поспешили перейти на новомодные "резинотехнические изделия" в столь ответственном узле мотора. А вот на переднем конце коленчатого вала они нашли применение ещё задолго до этого - причём сразу цельные.
...Но цельный всё-же лучше
Так или иначе - переход на сальники современного типа начался, и шёл он медленно, но верно. Причём большинство фирм не последовало примеру GM, и на своих новых моторах применило не разрезной сальник, а цельный, имеющий вид резинового кольца с пружинкой. Такой сальник надевается на коленчатый вал снаружи, благодаря чему нет необходимости для его замены снимать поддон и вытаскивать "колено" из блока. В СССР первый такой сальник появился в начале шестидесятых в двигателе "Москвича" модели 407Д1 (переходная модель к 408-му мотору).
Сегодня их существует множество видов: имеющие металлическую обойму и обрезиненные, с одинарными или сдвоенными рабочими кромками, с гидродинамической насечкой на рабочей кромке, с заложенной между рабочими кромкой смазкой, и так далее. Так, сальники для чугунных блоков цилиндров как правило имеют металлическую обойму, а для алюминиевых - выполняются в обрезиненном исполнении, чтобы избежать проблем из-за разного коэффициента теплового расширения материала блока и обоймы сальника, а также не допустить повреждения алюминиевой посадочной поверхности. И так далее.
Может сильно отличаться друг от друга и материал различных сальниковых уплотнений - например, сегодня для них активно внедряется фторкаучук (он же Viton, FKM, FPM, ФК), отличающийся полной нечувствительностью к практически любым смазочным маслам, включая большинство синтетических, и очень высокой износостойкостью.
P.S.
А сейчас пойдёт уже не историческая часть, а практическая, касающаяся набивки на моторах ЗМЗ. Из личного опыта могу сказать, что чтобы набивка ходила долго и счастливо, нужно соблюсти следующие условия:
- Коленвал обязательно прокрутить на призмах, индикатором проверяя все шейки на биение, а затем - для перестраховки ещё и микрометром на стойке на овализацию; если задняя шейка овальная или имеет даже небольшое биение - набивка держать не будет (как правило при этом присутствует неравномерный износ маслосгонной накатки на шейке - кстати, за её состоянием тоже нужно проследить и при необходимости обновить);
- Если есть люфт в коренных подшипниках, даже не очень большой - набивка держать не будет, и даже дисбаланс вала тоже играет свою роль;
- Систему вентиляции картера следует поддерживать в полной исправности, на моторах с открытой вентиляцией желательно перейти на принудительную (закрытую); при повышенном давлении картерных газов набивка держать не будет (масло при этом будет выдавливать из картера и другими путями);
- Набивку устанавливать максимально аккуратно, обжимать плотно, но всё же без излишнего усердия (не раздавливая), в идеале - специальной оправкой:
- Края набивки подрезать не заподлицо с поверхностью, а оставляя "хвосты" примерно по 0,5 мм с каждого конца, на обжимку (некоторые оставляют ещё больше);
- Никаких герметиков под набивку (на плоскости держателя - можно); вымачивать набивку в масле также не рекомендуется, но смазать несколькими каплями масла или специальной монтажной пасты для сборки двигателей - всё же можно, и даже нужно;
- Никаких "экспресс-замен" без снятия коленвала - меняется набивка только с частичной разборкой двигателя.
Ранее в этом же цикле статей: