Są jednak pewne punkty odniesienia. I nie byle jakie, ale bardzo konkretne. Są trwałe, ale nie wieczne, a gdy zawiodą, nie można się obejść bez zrozumienia istoty sprawy. Cóż, dla profesjonalnych fachowców jest to po prostu zwykła sprawa.
Jak działa łożysko?
W nowoczesnych silnikach samochodowych wały korbowe i wałki rozrządu podparte są niemal wyłącznie łożyskami ślizgowymi. Łożyska toczne (piłka, wałek, igła) stosuje się je w tym celu wyłącznie w małych silnikach motocyklowych.
Wymaganą wydajność łożysk ślizgowych uzyskuje się dzięki wykorzystaniu tzw. efektu klina olejowego. Gdy gładki wał się obraca, olej jest dostarczany do szczeliny między wałem a otworem. Ponieważ obciążenie działające na wał powoduje jego mimośrodowe przesunięcie, olej jest wciągany do zwężającej się części szczeliny i tworzy klin olejowy, który zapobiega kontaktowi wału ze ściankami otworu. Im większe ciśnienie i lepkość oleju w szczelinie, tym większe obciążenie (zanim powierzchnie się zetkną) wytrzymuje łożyska ślizgowe.
Rzeczywiste ciśnienie oleju w strefie klina osiąga 50-80 MPa (500-800 kg/cm²), a w niektórych projektach nawet więcej. Jest to wartość setki razy wyższa niż w systemie paszowym. Nie należy jednak sądzić, że ciśnienie zasilania ma niewielki wpływ na pracę łożyska. Im jest on większy, tym intensywniej olej jest pompowany przez łożysko i tym lepsze jest jego chłodzenie.
W pewnych warunkach tryb pracy o niskim tarciu (nazywa się to również cieczą) mogą zostać naruszone. Dzieje się tak, gdy lepkość oleju spada (na przykład z powodu przegrzania spowodowanego niewystarczającym zasilaniem) i spadek prędkości obrotowej w miarę wzrostu obciążenia.
Często, zwłaszcza po remoncie silnika, rolę odgrywa także nieoptymalna geometria jednostki. Przy niewielkim odchyleniu kształtu powierzchni od walcowego, przy przekrzywieniu osi i innych wadach części możliwe jest lokalne zwiększenie obciążenia właściwego (czyli obciążenie odniesione do powierzchni) powyżej dopuszczalnego limitu. Wówczas w tych miejscach warstwa oleju staje się cienka, a powierzchnie wału i łożyska zaczynają się stykać wzdłuż mikronierówności. Powstaje półpłynny reżim smarowania, charakteryzujący się wzrostem tarcia i stopniowym nagrzewaniem się łożyska. Co więcej, może to doprowadzić do tzw. tarcia granicznego przy pełnym kontakcie powierzchni, czego konsekwencją będzie przegrzanie, zatarcie (zatarcie), zakleszczenie, stopienie i zniszczenie łożyska.
Oczywiste jest, że tryb tarcia granicznego jest niedopuszczalny w działaniu. Występuje jednak wtedy, gdy dochodzi do zakłócenia dopływu oleju, a najczęściej dochodzi do tego z powodu jego braku w skrzyni korbowej, czyli albo z powodu niedopatrzenia kierowcy, albo gdy miska olejowa ulegnie uszkodzeniu w wyniku uderzenia w przeszkodę.
Tryb smarowania półpłynnego jest dopuszczalny wyłącznie przez krótki czas, gdy nie ma czasu wpłynąć na zużycie łożyska. Przykład: uruchomienie zimnego silnika. Istnieje jednak jeszcze jedno niebezpieczeństwo: w bardzo niskich temperaturach olej może być zbyt lepki i przywrócenie jego prawidłowego poziomu może zająć dużo czasu (20-30 sekund lub więcej). Już półpłynny środek smarny może w tym przypadku znacząco wpłynąć na zużycie części.
Udoskonalenie silników samochodowych wiąże się ze stałym wzrostem prędkości obrotowej i mocy. Jednocześnie obserwuje się wzrost zwartości konstrukcji, w tym zmniejszenie szerokości i średnicy łożysk. Oznacza to, że naprężenia właściwe w węźle rosną. A ponieważ obciążenie łożyska podczas pracy silnika zmienia się cyklicznie co do wielkości i kierunku, tak zwane zużycie zmęczeniowe części staje się rzeczywistością. Aby zagwarantować prawidłową pracę łożysk w takich warunkach, konieczne jest zastosowanie specjalnych konstrukcji, materiałów i technologii.
Jak to działa
Zazwyczaj łożyska wału korbowego w nowoczesnych silnikach mają postać cienkościennych tulei lub tulei o grubości 1,0-2,5 mm (rzadko więcej). Panewki głównych łożysk wału korbowego są grubsze ze względu na konieczność wykonania okrągłego rowka, służącego do dostarczania oleju do łożysk korbowodu. Ogólną tendencją jest zmniejszanie się grubości panewek łożysk, która obecnie wynosi średnio 1,8–2,0 mm w przypadku łożysk głównych i 1,4–1,5 mm w przypadku łożysk korbowodu. Im cieńsze są tuleje, tym lepiej przylegają do powierzchni obudowy (łożyska), tym lepsze jest odprowadzanie ciepła z łożyska, tym dokładniejsza jest geometria, tym mniejszy jest dopuszczalny odstęp i hałas podczas pracy, tym dłuższa jest żywotność urządzenia.
Aby wkładka przyjęła dokładny kształt po zamontowaniu w łożu, należy ją naprężyć zgodnie ze średnicą łoża w stanie swobodnym (tzw. prostowanie)i niecylindryczny kształt o zmiennym promieniu. Ponadto, aby zapewnić dobrą przyczepność do podłoża i zapobiec obracaniu się, wymagane jest również naprężenie wzdłuż całej długości wkładki - zjawisko to nazywa się wysunięciem. Wszystkie te parametry zależą od grubości, szerokości i średnicy tulei, przy czym prostowanie wynosi średnio 0,5-1,0 mm, a występ 0,04-0,08 mm. Jednak to wciąż za mało, aby łożysko działało niezawodnie. W pobliżu złącza grubość wkładek zmniejszono o 0,010–0,015 mm, aby zapobiec powstawaniu zarysowań w tych miejscach. Mogą one powstać na skutek odkształcenia otworu w obudowie pod wpływem obciążenia roboczego, gdy luz roboczy w łożysku jest niewielki.
Materiały, z których wykonane są wkładki, mogą być różne. Ich wybór jest uzależniony od materiału wału korbowego i jego obróbki cieplnej, stopnia doładowania silnika i zakładanego okresu eksploatacji. W pewnym stopniu swoją rolę odgrywają tu również tradycje koncernu samochodowego.
Wkładki są zawsze wykonane wielowarstwowo. Podstawą wkładki jest pasek stalowy, który zapewnia wytrzymałość i niezawodność dopasowania do obudowy. Na podstawę nakłada się warstwę (lub warstwy) specjalnego materiału przeciwciernego o grubości 0,3-0,5 mm różnymi metodami. Główne wymagania dla materiału przeciwciernego to niskie tarcie na wale, wysoka wytrzymałość i przewodność cieplna (czyli zdolność do dobrego przewodzenia ciepła z powierzchni do obudowy łożyska). Pierwszy wymóg najlepiej spełniają metale miękkie, takie jak stopy o wysokiej zawartości cyny i ołowiu (w szczególności powszechnie znane babbitty).
W przeszłości babbity były powszechnie stosowane w silnikach o małej mocy i niskiej prędkości obrotowej. W miarę wzrostu obciążeń wytrzymałość takich wkładek z grubą warstwą babbitu okazywała się niewystarczająca. Problem rozwiązano poprzez zastąpienie całej tej warstwy rodzajem kanapki – brązu ołowiowo-cynowego pokrytego cienką warstwą (0,03-0,05 mm) warstwa tego samego babbittu. Wkładka stała się wielowarstwowa. W nowoczesnych silnikach tuleje ze stali, brązu i babbitu są zazwyczaj wykonane z 4 warstw (pod babbitem jest jeszcze bardzo cienka warstwa niklu) i nawet 5-warstwowe, gdy na powierzchnię roboczą nakładana jest cienka warstwa cyny w celu polepszenia docierania. Tak właśnie wyglądają łożyska w wielu zagranicznych silnikach.
Wraz z tym powszechnie stosowane stały się także tuleje stalowo-aluminiowe. Materiałem przeciwciernym jest tutaj stop aluminium z cyną, ołowiem, krzemem, cynkiem lub kadmem, zarówno z powłokami, jak i bez. Na świecie najczęściej stosowanym stopem jest aluminium z dodatkiem 20% cyny, bez powłoki. Wytrzymuje duże obciążenia i prędkości obrotowe nowoczesnych silników, w tym silników Diesla, a jednocześnie ma zadowalającą "miękkość". Jednak tuleje stalowo-aluminiowe są twardsze od babbittowych (lub z powłoką babbitt), dlatego są bardziej podatne na zadrapania w warunkach niewystarczającego smarowania.
Wałki pomocnicze i wałki rozrządu silników obracają się z reguły z mniejszą częstotliwością niż wały korbowe i podlegają znacznie mniejszym obciążeniom, dlatego ich warunki pracy są łatwiejsze. Panewki i tuleje tych wałów są zazwyczaj wykonane z materiałów podobnych do opisanych powyżej. Ponadto czasami stosuje się tutaj babbit lub brąz niepowlekany. Często łożyska te w ogóle nie posiadają tulei ani tulei i powstają bezpośrednio przez wywiercenie otworów w głowicy cylindra. W tego typu konstrukcjach głowica wykonana jest ze stopu aluminium i krzemu, który charakteryzuje się dobrymi właściwościami przeciwciernymi.
Wspólną cechą nowoczesnych łożysk silnikowych, zwłaszcza łożysk wału korbowego, jest to, że materiał i konstrukcja łożysk są dopasowane do materiału i warunków pracy wału (prędkość obrotowa, obciążenia, warunki smarowania, itp.). W związku z tym nie można zalecać samowolnej wymiany części, gdy np. podczas naprawy montuje się tuleje z innego silnika. W przeciwnym wypadku żywotność naprawionego urządzenia może być bardzo krótka. Aby podjąć decyzję o takim kroku, trzeba dysponować odpowiednimi informacjami.
Wkładki są bardzo precyzyjne (precyzja) szczegóły. Aby zapewnić małe (ale dość konkretne - średnio 0,03-0,06 mm) luzy robocze w łożyskach, podczas produkcji grubość tulei jest utrzymywana z dokładnością około 5-8 mikronów, a długość - 10-20 mikronów. Naruszenie tych wymagań może prowadzić do zmiany luzu roboczego w łożysku lub gęstości osadzenia tulei w obudowie, co jest niedopuszczalne ze względu na spadek niezawodności i żywotności całego silnika jako całości.
Kto je produkuje?
Złożoność całej gamy problemów towarzyszących powstawaniu wysokiej jakości łożysk ślizgowych samochodowych spowodowała, że ich produkcja była stopniowo przenoszona do wyspecjalizowanych firm. Za granicą wiele z tych przedsiębiorstw równocześnie produkuje inne elementy silników, a dostawy trafiają zarówno do taśm produkcyjnych w fabrykach samochodów, jak i jako części zamienne. Niektóre firmy tego typu są częścią znanych międzynarodowych korporacji produkcyjno-handlowo-przemysłowych. Spośród światowych producentów łożysk do silników należy wymienić przede wszystkim firmy: Kolbenschmidt (KS), Glyco, TRW, Sealed Power, Glacier, Clevite, Bimet. W ostatnich latach produkcję łożysk rozpoczęli również tacy "luminarze", jak Mahle i Goetze. Spośród "młodych" warto wymienić specjalistyczną firmę King (Izrael), która rozpoczęła produkcję łożysk na początku lat 80.
Większość wymienionych producentów wytwarza szeroką gamę łożysk i dostarcza swoje produkty jako części zamienne wszędzie, w tym na nasz rynek (za pośrednictwem dealerów lub hurtowych firm handlowych). Generalnie rzecz biorąc są to łożyska do silników zagranicznych - europejskich, japońskich i amerykańskich.
W sprzedaży można znaleźć zarówno standardowe rozmiary wkładek, jak i różne rozmiary naprawcze (z reguły nie więcej niż 0,75 mm) do najpopularniejszych modeli Audi-Volkswagen, BMW, Mercedes, Ford, Opel, Fiat, Toyota, Nissan, Mitsubishi, Mazda itp. W przypadku modeli mniej popularnych, a także w przypadku konieczności zakupu tulei o większym rozmiarze naprawy, zazwyczaj należy złożyć zamówienie i odczekać średnio 5-10 dni (warunki te różnią się w zależności od spółki handlowej).
Jakość takich produktów zazwyczaj nie budzi żadnych wątpliwości, ani pod względem geometrycznym, ani materiałowym. Jeśli jednak masz wybór i wątpliwości, którego producenta wybrać, powinieneś wziąć pod uwagę następujące kwestie. Do głównych dostawców produkcji masowej zaliczają się firmy takie jak Kolbenschmidt, Glyco i Glacier. Kupując ich produkty, możesz nawet dostać te same tuleje, które były w silniku "od urodzenia". Jedyną różnicą będzie brak emblematu producenta samochodu na nowych częściach. Przy okazji poszukaj "krewnych" (lub tak zwane oryginały) stosowanie wkładek o rozmiarze naprawczym może być problematyczne. Nie wszystkie firmy motoryzacyjne dołączają do części zamiennych wkładki naprawcze, a cena wkładek w "oryginalnym" opakowaniu jest z reguły znacznie wyższa niż cena wkładek bezpośrednio od producenta.
Wkładki pochodzące od innych, mniej renomowanych firm są zazwyczaj tańsze, chociaż różnice w jakości są w nich trudne do wychwycenia. Ponadto, jeśli istnieje możliwość wyboru, to tutaj można spróbować uwzględnić warunki eksploatacji samochodu. Dlatego stosunkowo tanie wkładki, co może wydawać się dziwne, są nieco bardziej odporne na niskiej jakości oleje i filtry oleju, które "kręcą się" po naszych sklepach i marketach, niż droższe wkładki ze stali, brązu i babbittu. Dowodem na to jest chociażby praktyka stosowania w naprawach tulei stalowo-aluminiowych firmy King zamiast standardowych tulei brązowo-babbitowych - taka wymiana nie wpływa negatywnie na niezawodność silników, a pozwala na znaczne oszczędności.
Niektóre z wymienionych firm zajmują się również produkcją tulei do naszych maszyn. Na naszym rynku można już znaleźć te produkty do silników VAZ produkowanych przez Clevite, Bimet i Glacier. Oczywiście są one zauważalnie droższe od krajowych. Jednak przy naprawie krajowych silników nie warto oszczędzać na tulejach. Produkty krajowe zazwyczaj nie wytrzymują porównania z importowanymi. Odchylenia grubości niektórych naszych artykułów handlowych sięgają 25-30 mikronów zamiast 8 mikronów określonych w tolerancji. W rezultacie, po zaciśnięciu przez pokrywę, wewnętrzna powierzchnia łożyska przybiera nieregularny kształt, przez co np. szczelina o wielkości 0,07-0,09 mm w jednej części łożyska może nawet przekształcić się w naprężenie w innej.