Все, кто так или иначе имеет дело с двигателями внутреннего сгорания, разумеется, знакомы с подшипниками скольжения и, соответственно, вкладышами коленчатого вала. Вкладыши эти, в свою очередь, бывают коренные и шатунные, что, слава богу, тоже известно более или менее всем, поэтому рассказывать мы здесь будем не о том, что за вкладыши такие и для чего они нужны, а о том из каких материалов они сделаны, почему именно из таких, а не из каких-то других и для каких типов двигателей они предназначены.
Достаточно широко известно, что вкладыши бывают биметаллические и триметаллические. Названия подсказывают, что сделаны они, соответственно, из двух и трех металлов. Так ли это? И из каких именно металлов они сделаны? (см рисунок 1)
Самые простые вкладыши – биметаллические. Биметаллический вкладыш состоит из стальной спинки, антифрикционного слоя из алюминиевого сплава и связующего слоя из чистого алюминия. Таким образом, так называемые «биметаллические» вкладыши состоят, строго говоря, из трех металлов. Стальная спинка вкладыша является основой для антифрикционного слоя. Она обеспечивает плотную посадку вкладыша в нижней головке шатуна или постели коленчатого вала. Плотная посадка не позволяет вкладышу, работающему в тяжелых условиях высоких температур и серьезных механических нагрузок, проворачиваться в посадочном месте. Спинка вкладыша изготавливается из сталей с высоким содержанием углерода и хрома, а иногда также и никеля. Кроме того, в недорогих двигателях, могут применяются углеродистые стали средней прочности.
Антифрикционный слой в случае биметаллического вкладыша изготавливается из алюминиевого сплава, содержащего от 6 до 20% олова. Олово выступает в качестве твердой смазки, которая как раз и обладает антифрикционными свойствами. Другой составляющей сплава является кремний. Его добавляют совсем не много от 2 до 4%. Кремний распределен в сплаве в виде мелких частиц. Наличие этих частиц увеличивает прочность антифрикционного слоя, а также, обладая абразивными свойствами, частицы кремния, в процессе работы двигателя, полируют поверхность соответствующей шейки коленчатого вала. Наличие кремния в сплаве антифрикционного слоя особенно важно для двигателей с чугунными коленчатыми валами. Иногда в сплав дополнительно привносят медь, никель и некоторые другие элементы.
Антифрикционный слой в биметаллических вкладышах имеет относительно большую толщину. Она составляет около 0.3 мм. Такая толщина антифрикционного слоя является важной особенностью биметаллических вкладышей. Она позволяет компенсировать значительные перекосы и другие геометрические неровности. Такой антифрикционный слой также способен включать в себя и «заделывать», как мелкие, так и относительно крупные инородные частицы.
Между двумя основными слоями (спинкой и антифрикционным) находится тонкий соединительный слой из чистого алюминия. Этот слой обладает хорошей адгезией и надежно связывает основные «рабочие» слои.
Необходимо подчеркнуть, что простота конструкции биметаллических вкладышей совсем не означает, что они хуже более сложных и дорогих. Напротив, такие вкладыши имеют целый ряд важных свойств, которыми не обладают вкладыши других конструкций.
· Они очень хорошо сопротивляются усталости благодаря однородной тонкой микроструктуре и упрочняющему эффекту от применения кремния и/или меди.
· Имеют отличные антифрикционные свойства, которые особенно заметно проявляются в сочетании с чугунными коленчатыми валами. Т.к. включения кремния постоянно полируют поверхность шейки, что позволяет ей сохранять надлежащую шероховатость.
· Способность антифрикционного слоя «поглощать» частицы загрязнений, циркулирующие в двигателе вместе с моторным маслом.
· Способность выдерживать значительные перекосы шеек.
· Износостойкость (выше, чем у триметаллических вкладышей).
· Устойчивость к повышенной температуре.
Тут может возникнуть естественный вопрос: Если биметаллические вкладыши такие замечательные и превосходят триметаллические в устойчивости к усталости, износу, перегреву и при этом стоят дешевле, то зачем же нужны триметаллические? Это, что? Развод?!
Конечно нет. Немного терпения и все объясниться! Давайте только сначала закончим рассказ про биметаллические вкладыши.
У самых «мягких» биметаллических вкладышей сплав антифрикционного слоя содержит около 20% олова, 1% меди и совсем не содержит кремния. Такие вкладыши применяются в бензиновых двигателях малой и средней нагрузки для легковых автомобилей.
Для более мощных бензиновых двигателей с чугунными коленчатыми валами материал, которых содержит шаровидный графит, используются биметаллические вкладыши, где антифрикционный более твердый за счет содержания кремния.
Схожие по составу, но с более высоким содержанием кремния вкладыши устанавливают в двигатели средней и высокой производительности с чугунными коленчатыми валами с шаровидным графитом, а также для двигателей ТС и механизмов небольшой грузоподъемности, но с высокой продолжительностью работы.
Ну, а теперь переходим к триметаллическим вкладышам. Дальше мы увидим, что они тоже, на самом деле, скорее, «четыреметаллические». Как и их младшие биметаллические собратья, эти вкладыши имеют стальную спинку. Функционал и материалы спинки те же самые. Нет смысла снова описывать их.
А вот следующего «промежуточного» слоя в биметаллических вкладышах нет. Он имеет толщину 0,25-0,40 мм и состоит из медного сплава, который помимо меди содержит от 20 до 25% свинца и от 2 до 5% олова в качестве добавки, повышающей прочность.
Третий слой - антифрикционный. Он из сплава на основе свинца с добавлением 10% олова, увеличивающего его коррозионную стойкость и нескольких процентов меди для упрочнения. Толщина антифрикционного слоя очень мала и составляет всего 0,01 – 0,02 мм. Столь малая толщина антифрикционного слоя триметаллических вкладышей сильно ограничивает их устойчивость к работе в условиях недостаточного смазывания, перегрева или с шейками неидеальной геометрии/шероховатости. В случае разрушения, даже частичного, антифрикционного слоя работоспособность триметаллических вкладышей резко снижается.
Ну, а почему бы не увеличить толщину антифрикционного слоя? Увы, делать этого нельзя. Сплав слишком мягкий и при увеличении толщины он теряет способность сопротивляться механическим нагрузкам. Чем тоньше антифрикционный слой, тем большие механические нагрузки он способен выдерживать. Таким образом, принятая толщина антифрикционного слоя является компромиссом между необходимой прочностью и антифрикционными свойствами.
Между промежуточным и антифрикционным слоями находится, так называемый «никелевый барьер». Это тонкий слой никеля, который препятствует деффузии олова из антифрикционного слоя в промежуточный. Толщина никелевого слоя всего 0,001-0,002 мм.
Несомненными преимуществами триметаллических вкладышей являются:
· Очень высокая сопротивляемость усталости, которая возникает благодаря свойствам меди в относительно тонком промежуточном слое.
· Способность эффективно работать при небольших перекосах. Таким образом антифрикционный слой триметаллического вкладыша отлично выполняет свои функции на протяжении всего срока службы, однако, может быть легко разрушен при работе в ненадлежащих условиях.
Наиболее мягкие триметаллические подшипники применяются в бензиновых двигателях легковых автомобилей средней нагруженности.
Триметаллические вкладыши с более твердым промежуточным слоем и более тонким антифрикционным подходят для легковых автомобилей с двигателями средней и высокой нагруженности.
Вкладыши для высоконагруженных двигателей создаются с использованием специальных технологий упрочнения поверхности антифрикционного слоя. Подробности производители обычно не раскрывают.
Вот, в общем и целом, все, что можно рассказать о наиболее распространенных конструкциях вкладышей. Это конечно очень поверхностно, но в данном формате вряд ли имеет смысл копать глубже.
Особняком стоят вкладыши для гоночных двигателей. Но история достойная отдельного рассказа. Если тема кого-то заинтересовала и хочется узнать больше, пишите и мы постараемся подготовить более детальный материал, в том числе и про вкладыши для спортивных и гоночных моторов.
