Советы бывалых из журнала "За рулем" 70-90-х годов с чертежами
Здравствуйте, уважаемые подписчики!
Не сломай кольцо!
На первый взгляд, поршни, кольца, цилиндры – детали несложные. Но только на первый взгляд. От них зависят, как известно, мощностные, экономические и экологические показатели двигателя.
Валентин Григорьев
Кстати, если вспомнить, в каких условиях эти детали работают, то судьбе поршня или колец не позавидуешь. Так, температура поршня бензинового двигателя в зоне расположения колец достигает 200–220оС, а это едва ли не предельная температура, при которой моторное масло еще худо-бедно отвечает предъявленным к нему требованиям, смазывая детали и охлаждая их.
При сгорании над поршнем каждого заряда топливно-воздушной смеси давление продуктов сгорания – раскаленных газов – у современных бензиновых двигателей достигает 90 кгс/см2, а у дизелей с наддувом – 120–150 кгс/см2. Умножьте эти величины на площадь днища поршня, например, при диаметре его 82 мм. И окажется, что на поршень действует переменная газовая сила с пиком около 4 750 кгс (для бензинового мотора). Этакий молоток почти в пять тонн.
В то же время поршень, кольца и поршневой палец, движущиеся возвратно-поступательно, – это подобие вибростенда с заранее заданной амплитудой колебаний. Например, при ходе поршня 80 мм и числе оборотов 5 600 в минуту каждая частичка этих деталей при изменении направления движения «к ВМТ» – «от ВМТ» испытывает виброускорение 14 130 м/с2 или, если хотите, работает с перегрузкой около 1 440! Вот вам еще один «молоток» – от инерционных сил. Он слабее «газового»,
но с ним тоже нужно считаться.
Далее, при работе поршень получает немало тепловой энергии – его днище омывают раскаленные газы. А куда это тепло уходит из самого поршня?
Оказывается, большую часть тепла, приобретенного поршнем при рабочем ходе, он отдает кольцам, а через них – стенкам цилиндра… и далее – системе охлаждения. Вот почему так важно обеспечить необходимый контакт поршня с кольцами (не через слой нагара, плохо проводящий тепло, как это бывает в неисправном двигателе!), а также колец с цилиндром. Если двигатель в порядке, то компрессионные кольца прижимаются к стенкам цилиндра не только благодаря упругости, но в еще большей степени в результате
давления газов, «подпирающих» кольцо изнутри наружу. Если кольца «залегли» (то есть пригорели к канавкам), то и теплоотвод от поршня резко ухудшается, и компрессия падает – газы начинают прорываться между кольцами и стенкой цилиндра. Это в общем-то хорошо известно, но здесь мы сочли нужным об этом напомнить. И вот почему.
Подсчитано, что в исправном двигателе значительная часть работы трения (до 50–60 %) приходится именно на поршневые кольца. Можно сказать, что здесь один из важнейших резервов совершенствования двигателя.
Картина взаимодействия кольца с цилиндром во многом зависит от микрогеометрии контактирующих поверхностей. Особенно интересной оказалась «история» так называемого зеркала цилиндра: этот термин давно известен, и до сих пор многие считают, что поверхность цилиндра должна быть как можно более гладкой, зеркальной.
Но с некоторых пор, (особенно на иномарках) мы стали обнаруживать странные, специально нанесенные на «зеркала» риски. Оказалось, что его назначение – удерживать масло на стенках цилиндра. При наличии масла «сетка» сохранялась очень долго, обеспечивая пробег автомобиля, измеряемый сотнями тысяч километров.
А что было с компрессией? Если «зеркало» тщательно полировали, то первоначальная компрессия могла достигать 15 кгс/см2, но после 10 тыс. км пробега вследствие износа «зеркала» и колец она зачастую падала на треть. Когда же цилиндр хонинговали, нанося «сетку», картина резко менялась. Первоначальная компрессия редко превышала 10 кгс/см2, после приработки увеличивалась до 12–13 кгс/см2, а затем очень долго, пока не исчезал рисунок на «зеркале»,
оставалась на высшем уровне.
Разумеется, для правильной работы деталей цилиндро-поршневой группы, помимо «микрогеометрии», важна и обычная геометрия – например (установочная или монтажная) колец на поршнях, колец с поршнями в цилиндрах. Здесь крайне важно обеспечить правильные, рекомендованные заводом зазоры между деталями. При отсутствии достаточных зазоров по высоте между кольцом и канавкой поршня газам трудно создать необходимую «распирающую» кольцо силу – и оно плохо прижимается к цилиндру. (Это происходит
и при «закоксовывании» кольца нагаром.)
Чрезмерный зазор по высоте тоже нехорош, но уже по-своему: в этом случае кольцо, ударяясь о стенки канавки, начинает ускоренно их обминать. В свою очередь, торцы кольца быстрее изнашиваются – и суммарный зазор еще более увеличивается. При такой свободе кольцо получает возможность опасно вибрировать в пределах канавки, изгибаясь с высокой частотой, из-за чего иногда очень быстро ломается. Нередки и разрушения перегородок между кольцами.
Но, как ни тяжело работается кольцу в двигателе, один из самых ответственных моментов в его «карьере» – это установка на поршень. Довольно часто «мастера» ломают кольца как раз при этой операции, порой даже не замечая того – и «собранный» так двигатель потом эксплуатируется.
В чем здесь проблема, если она вообще существует? Ведь вроде бы просто: «аккуратно» развел концы, надел кольцо на поршень, подвел к канавке, отпустил… Но если кольцо и не сломалось, не забудьте, что вот так, разводя его, вы создали в нем огромные напряжения, которых нет при работе! (Отмечались случаи, когда чугунное кольцо ухитрялись деформировать: после такого «монтажа» зазор в стыке существенно увеличивался!)
При работе пальцами схема приложения сил к кольцу такая, как на рис. 1,а. Напряжения в сечении «напротив замка» могут быть в 60 раз выше рабочих.
Схемы сил, действующих на кольцо при его установке на поршень: а – при монтаже пальцами; б – при использовании трех пластинок; в – с применением монтажных клещей.
Известен метод «трех пластинок» (описываемый решительно во всех книгах по ремонту). Он показан на рис. 1,б и, конечно, лучше «ручного». Напряжения в опасном сечении кольца снижаются раза в полтора.
Но наиболее грамотный способ установки кольца на поршень – с использованием специальных клещей (рис. 1,в). Их изобрели очень давно, но широкой массе российских автовладельцев они, к сожалению, не известны. Эти клещи позволяют так развести кольцо, чтобы обеспечить в нем наиболее благоприятное распределение напряжений. В опасном сечении они снижаются вдвое, а то и больше.
Клещи можно купить – стоят они у нас около 30 долларов. Но можно (и довольно безопасно) установить кольца на поршень, если изготовить несложные оправки. Так как при ремонте двигателей цилиндры нередко приходится растачивать до ремонтных размеров, мастер должен иметь несколько разных оправок или воспользоваться регулируемыми.
В наше время различные фирмы поставляют в качестве запчастей уже готовые комплекты поршней с надетыми на них кольцами. При серьезном ремонте двигателя стоит отдать им предпочтение, так как это исключает риск поломки колец в момент их монтажа на поршень.
Другая (и не менее ответственная) задача при ремонте двигателя – это установка поршня с кольцами в цилиндр. В этом случае наиболее уязвимыми оказываются чугунные, крайне хрупкие маслосъемные кольца с их ажурной конструкцией. Так, при проверке двигателей «Жигулей» мы не раз обнаруживали, что сломано или само кольцо, или обломан его нижний выступ («скребок»).
Безопасно установить поршень с кольцами в цилиндр можно разными способами. Например, воспользоваться монтажной втулкой. Или заменить ее одним из эластичных стягивающих устройств. Последнее – фирменное, к тому же еще и универсальное для работы с целым рядом типоразмеров поршней – от 50 до 150 мм. В сущности, это самый настоящий хомут, позволяющий эластично охватить кольца и «утопить» их в канавках поршня, после чего несильными ударами по днищу его вводят в цилиндр. Детали, конечно, не
забывают смазать…
