Проте підшипники там є. І не якісь, а цілком певні. Вони довговічні, але не вічні, а коли виходять з ладу, то без розуміння суті не обійтися. Ну, а для фахівців-ремонтників це просто звичайна матерія.
Як працює підшипник
У сучасних автомобільних двигунах опорами для колінчастих та розподільчих валів майже виключно служать підшипники ковзання. Підшипники кочення (кулькові, роликові, голчасті) застосовують для подібних цілей лише невеликих мотоциклетних моторах.
Необхідна працездатність підшипників ковзання досягається використанням так званого ефекту олійного клина. При обертанні гладкого валу в зазор між валом та отвором подається олія. Оскільки навантаження, що діє на вал, викликає його ексцентричне зміщення, масло як би затягується в частину зазору, що звужується, і утворює масляний клин, що перешкоджає зіткненню валу зі стінками отвору. Чим більший тиск і в'язкість масла в зазорі, тим велике навантаження (до зіткнення поверхонь) витримує підшипник ковзання.
Фактичний тиск олії в зоні клина досягає 50-80 МПа (500-800 кг/см2, а в деяких конструкціях і більше. Це в сотні разів вище, ніж у системі, що подає. Однак не слід думати, що тиск подачі мало впливає на роботу підшипника. Чим воно більше, тим інтенсивніше йде прокачування масла через підшипник і краще його охолодження.
За певних умов режим роботи з мінімальним тертям (його також називають рідинним) може бути порушено. Це трапляється при зниженні в'язкості олії (наприклад, через її перегрівання внаслідок недостатньої подачі) та зниження частоти обертання при зростанні навантаження.
Нерідко, особливо після ремонту двигуна, дається взнаки і неоптимальна геометрія вузла. При незначному відхиленні форми поверхонь від циліндричної, при перекосі осей та інших дефектах деталей можливе місцеве зростання питомого навантаження (тобто навантаження, віднесеного до площі поверхні) вище за допустиму межу. Тоді плівка масла в цих місцях стає тонкою, а поверхні валу та підшипника починають стикатися по мікронерівності. Виникає режим напіврідинного мастила, що характеризується зростанням тертя та поступовим розігрівом підшипника. Далі це може призвести до так званого граничного тертя з повним дотиком поверхонь, наслідком якого буде перегрів, схоплювання (задираки), заїдання, розплавлення та руйнування підшипника.
Зрозуміло, що в експлуатації режим граничного тертя є неприйнятним. Тим не менш він з'являється при порушенні подачі масла, а це найчастіше відбувається через його нестачу в картері, тобто або через недогляд водія, або при пошкодженні піддону картера внаслідок наїзду на перешкоду.
Режим напіврідинного мастила допустимо лише на короткий час, коли він не встигає позначитися на зношуванні підшипника. Приклад – пуск холодного двигуна. Правда, тут є інша небезпека: при дуже низькій температурі олія може бути занадто в'язкою і її нормальна подача відновлюється довго (20-30 секунд і більше). Тут уже напіврідинне мастило здатне помітно вплинути на знос деталей.
Удосконалення автомобільних двигунів пов'язане з постійним зростанням частоти обертання та збільшенням потужності. Одночасно спостерігається підвищення компактності конструкцій, у тому числі зменшення ширини та діаметра підшипників. Це означає, що питома напруга у вузлі зростає. А оскільки навантаження на підшипник при роботі двигуна циклічно змінюється за величиною та напрямом, стає реальним так зване втомне руйнування деталей. Щоб забезпечити працездатність підшипників у таких умовах, потрібні спеціальні конструкції, матеріали та технології.
Як він влаштований
Зазвичай підшипники колінчастих валів у сучасних двигунах виконують у вигляді тонкостінних вкладишів або втулок завтовшки 1,0-2,5 мм (рідко більше). Вкладиші корінних підшипників колінчастого валу роблять товщі через необхідність розмістити кругову канавку для подачі олії до шатунних підшипників. Загальна тенденція - зменшення товщини вкладишів, яка зараз становить у середньому 1,8-2,0 мм у корінних та 1,4-1,5 мм у шатунних підшипників. Чим тонші вкладиші, тим краще вони прилягають до поверхні корпусу (ліжка), тим краще тепловідведення від підшипника, точніше геометрія, менше допустимий зазор і шум при роботі, більше ресурс вузла.
Щоб при встановленні в ліжко вкладиш точно прийняв її форму, у вільному стані він повинен мати натяг діаметром ліжка (так зване розпрямлення) і нециліндричну форму змінного радіусу. Крім того, для гарного прилягання до поверхні та утримання від провертання необхідний натяг і по довжині вкладиша – його називають виступом. Всі ці параметри залежать від товщини, ширини та діаметра вкладишів, при цьому розпрямлення складає в середньому 0,5-1,0 мм, а виступ -0,04-0,08 мм. Однак для надійної роботи підшипника цього ще недостатньо. Біля роз'єму товщину вкладишів зменшують на 0,010-0,015 мм, щоб уникнути задир у цих місцях. Вони можуть з'являтися через деформацію отвору в корпусі під дією робочого навантаження, коли зазор в підшипнику малий.
Матеріали для вкладишів можуть бути різними. Їх вибір ув'язується з матеріалом колінчастого валу та його термообробкою, ступенем форсування двигуна та заданим ресурсом. Певною мірою позначаються тут і традиції автомобільної фірми.
Вкладиші завжди роблять багатошаровими. Основа вкладиша - сталева стрічка, яка забезпечує міцність та надійність посадки в корпусі. На основу у різний спосіб наносять шар (або шари) спеціального антифрикційного матеріалу товщиною 0.3-0.5 мм. Основні вимоги до антифрикційного матеріалу – низьке тертя по валу, висока міцність та теплопровідність (тобто здатність добре проводити тепло від поверхні в корпус підшипника). Першу вимогу найкраще забезпечують м'які метали, наприклад, сплави з великим вмістом олова та свинцю (зокрема широко відомі бабіти).
У минулому бабіти широко застосовувалися на малофорсованих низькообертових двигунах. Зі зростанням навантажень міцність таких вкладишів із товстим шаром бабіта виявилася недостатньою. Проблема була вирішена заміною всього цього шару на своєрідний бутерброд - свинцево-олов'янисту бронзу, вкриту тонким (0,03-0,05 мм) шаром того ж таки баббіта. Вкладиш став багатошаровим. У сучасних двигунах "сталебронзобаббітові" вкладиші зазвичай виконують 4-шаровими (під бабітом ще лежить дуже тонкий підшар нікелю) і навіть 5-шаровими, коли для покращення приробітку зверху на робочу поверхню наноситься найтонший шар олова, саме так виглядають підшипники на багатьох іноземних двигунах.
Поряд з цим широкого поширення набули і сталеалюмінієві вкладиші. Антифрикційним матеріалом тут служать алюмінієві сплави з оловом, свинцем, кремнієм, цинком або кадмієм, як з покриттями, так і без них. Найчастіше у світовій практиці використовується метал алюмінію з 20% олова без покриття. Він добре протистоїть високим навантаженням і швидкостям обертання сучасних двигунів, включаючи дизелі, і одночасно має задовільну "м'якість". Проте сталеалюмінієві вкладиші жорсткіші, ніж бабітові (або з бабітовим покриттям), тому більш схильні до задирок в умовах недостатнього мастила.
Допоміжні та розподільні вали двигунів обертаються, як правило, з меншою частотою, ніж колінчасті та зазнають значно менших навантажень, тому умови їх роботи легші. Вкладиші та втулки цих валів зазвичай роблять із матеріалів, аналогічних вищеописаним. Крім того, тут іноді застосовують бабіт або бронзу без покриття. Найчастіше ці підшипники взагалі мають втулок чи вкладишів і утворюються безпосередньо розточуванням отворів у голівці блоку циліндрів. У таких конструкціях головка виконана зі сплаву алюмінію з кремнієм, який має непогані антифрикційні властивості.
Спільним для підшипників сучасних двигунів, особливо якщо йдеться про опори колінчастих валів, є відповідність матеріалу та конструкції вкладишів матеріалу та умовам роботи валу (частота обертання, навантаження, умови змащення тощо). Тому довільна заміна деталей, коли, наприклад, під час ремонту ставлять вкладиші від іншого двигуна, може бути рекомендована. В іншому випадку довговічність відремонтованого агрегату може виявитися дуже невеликою. Щоб вирішуватись на такий крок, потрібно мати відповідну інформацію.
Вкладиші – це дуже точні (прецезійні) деталі. Щоб гарантувати малі (але цілком конкретні – в середньому 0,03-0,06 мм) робочі зазори в підшипниках, при виготовленні товщину вкладиша витримують з точністю близько 5-8 мкм, а довжину – 10-20 мкм. Порушення цих вимог може призвести до зміни робочого зазору в підшипнику або густини посадки вкладиша в корпусі, що неприпустимо через зниження надійності та ресурсу всього двигуна в цілому.
Хто їх виробляє
Складність всього кола проблем, пов'язаних із створенням високоякісних автомобільних підшипників ковзання, призвела до того, що їхнє виробництво поступово перейшло до спеціалізованих фірм. За кордоном багато таких фірм одночасно випускають й інші деталі двигунів, причому поставки йдуть як на конвеєри автозаводів, так і в запчастини. Деякі фірми такого роду входять до складу відомих транснаціональних виробничих та торгово-промислових корпорацій. Зі світових виробників підшипників для двигунів слід в першу чергу відзначити фірми Kolbenschmidt (KS), Glyco, TRW, Sealed Power, Glacier, Clevite, Bimet. В останні роки підшипники почали робити і такі фірми - "корифеї", як Mahle та Goetze. Серед "молодих" варто згадати спеціалізовану фірму King (Ізраїль), яка розпочала випуск підшипників на початку 80-х років.
Більшість перелічених виробників випускає величезну номенклатуру підшипників і постачає свою продукцію в запчастини скрізь, у тому числі і на наш ринок (через дилерів чи оптові торгові компанії). В основному, звичайно, це підшипники для зарубіжних двигунів -європейських, японських та американських.
У продажу можна знайти вкладки як стандартні, так і різних ремонтних розмірів (як правило, не більше 0,75 мм) на більшість поширених моделей "Ауді-Фольксваген", БМВ, "Мерседес", "Форд", "Опель", "Фіат" "Тойота", "Ніссан", "Міцубісі", "Мазда" і т.д. На менш поширені моделі, а також при необхідності купівлі вкладок більшого ремонтного розміру зазвичай доводиться оформляти замовлення і чекати в середньому 5-10 днів (у різних торгових фірм ці терміни різні).
Якість такої продукції зазвичай не викликає сумнівів ні щодо геометрії, ні щодо матеріалів. Хоча, якщо є вибір і сумніви в тому, якій фірмі-виробнику віддати перевагу, треба мати на увазі таке. Такі фірми, як, наприклад Kolbenschmidt, Glyco, Glacier - це одні з основних постачальників масового виробництва. При купівлі їх виробів можна навіть отримати ті самі вкладки, що стояли на двигуні "з народження". Різниця буде лише у відсутності на нових деталях емблеми фірми-виробника автомобіля. До речі, пошук "рідних" (або так званих оригінальних) вкладок ремонтних розмірів може виявитися проблематичним. Не всі автомобільні фірми постачають ремонтні вкладиші в запчастини, та й ціна вкладишів у "оригінальній" упаковці, як правило, помітно вища, ніж безпосередньо від їхнього виробника.
Вкладиші інших, менш іменитих фірм зазвичай дешевші, хоча за якістю виявити відмінності важко. Більше того, якщо є вибір, то тут можна спробувати врахувати умови експлуатації автомобіля. Так, порівняно дешеві вкладиші, як не дивно, дещо краще протистоять низькоякісним маслам та маслофільтрам, що "гуляють" по наших магазинах і ринках, ніж дорожчі сталебронзобабітові. Це, зокрема, показала практика використання в ремонті сталеалюмінієвих вкладишів фірми "Кінг" замість штатних бронзобабітових – така заміна не завдає шкоди надійності двигунів, зате дозволяє помітно заощадити.
Деякі з перерахованих фірм випускають вкладки і для наших машин. На нашому ринку вже можна знайти ці вироби для двигунів ВАЗ виробництва фірм Clevite, Bimet та Glacier. Безумовно, вони відчутно дорожчі за вітчизняні. Проте заощаджувати на вкладишах під час ремонту вітчизняних моторів не варто. Порівняння з імпортною продукцією вітчизняна зазвичай не витримує. Відхилення за товщиною у деяких наших товарних екземплярів досягають 25-30 мкм замість 8 мкм, регламентованих допуском. В результаті після затискання кришкою внутрішня поверхня підшипника набуває неправильної форми, при якій, наприклад, зазор 0,07-0,09 мм в одному перерізі підшипника може навіть перейти в натяг в іншому.