Нагруженность и износ деталей

Умение специалиста диагностировать неисправность, не производя разборки двигателя, равно как и правильно определять её причину, базируется на всестороннем знании этим специалистом устройства двигателя, действующих на детали двигателя сил и глубокого понимания протекающих в двигателе процессов.
Силы, действующие на детали кривошипно-шатунного механизма и создаваемые ими моменты, вызывают износ деталей, который со временем приводит к нарушениям в работе двигателя, а затем, вследствие разрушения деталей, и к его поломке. От того, каким образом и насколько сильно изношены детали, будет зависеть объём выполняемых ремонтных работ, вид проводимого ремонта (капитальный или частичный), и его стоимость.
На . показаны силы, действующие на детали кривошипно-шатунного механизма при такте рабочего хода. Рассмотрим некоторые из них.
Движение поршня в цилиндре двигателя при рабочем ходе осуществляется под давлением газов, действующих на днище поршня. Результирующая этого давления – сила P, приложена к центру поршневого пальца и направлена по оси цилиндра. Согласно правилу параллелограмма, сила P может быть разложена на силу F, действующую по оси шатуна и силу N, направленную перпендикулярно стенке цилиндра. На плече B сила N создаёт опрокидывающий момент, который стремится «перевернуть» двигатель в сторону, обратную вращению КВ. Опрокидывающий момент гасится опорами двигателя.
Силу F, перенесённую на ось шатунной шейки можно разложить на касательную силу Т, действующую перпендикулярно кривошипу КВ, и радиальную силу R, направленную по оси кривошипа. Произведение силы Т на плечо A, равное радиусу кривошипа, даёт крутящий момент Мк.
Крутящий момент Мк вызывает вращение коленчатого вала. Сила R создаёт давление на коренные подшипники КВ, вызывая их износ. Сила F нагружает шатунную шейку КВ и шатунные подшипники. Сила N, создаёт давление поршня на одну из стенок цилиндров, изнашивая её. После перехода поршнем н.м.т. поршень совершает перекладку на противоположную стенку цилиндра и сила N меняет своё направление.
Помимо сил, возникающих от давления газов, на детали кривошипно-шатунного механизма действуют силы инерции и центробежные силы. Эти силы также вызывают износ деталей, а их неуравновешенность приводит к сотрясению двигателя во время работы. Для уравновешивания сил, действующих в двигателе, применяются специальные конструкционные решения. Например, противовесы коленчатого вала уравновешивают центробежные силы, действующие на кривошипе, балансирные валы уравновешивают силы, поступательно движущихся деталей, а гасители крутильных колебаний предотвращают поломку коленчатого вала от воздействия на него одноимённых сил. Наибольших суммарных значений силы достигают при переходе поршня через мёртвые точки.
Давление газов при такте рабочего хода, так или иначе, действует на все детали кривошипно-шатунного механизма. Кольца (в большей степени верхние компрессионные) давлением газов прижимает к нижним поверхностям канавок поршня. В то же время, за счёт сил трения о стенки цилиндров, кольца стремятся прижаться к верхним поверхностям канавок. В результате сложения разноимённо действующих сил происходит «закручивание» верхнего компрессионного кольца, сопровождаемое его износом и износом поршневой канавки. Второе компрессионное кольцо подвержено закручиванию в меньшей степени. Маслосъёмные кольца прижимаются к верхним поверхностям канавок и при движении поршня вниз работают на съём масла со стенок цилиндров.
Как мы видим, детали работающего двигателя испытывают значительные нагрузки, они подвергаются воздействию высоких температур, давления, химическому воздействию горючей смеси и отработавших газов, содержащих в своём составе водяной пар, агрессивные составляющие кислот и щелочей. В процессе эксплуатации двигателя его детали изнашиваются естественным путём (естественный износ) или получают повреждения. Интенсивность естественного износа мала и предельный износ деталей наступает, как правило, к концу срока эксплуатации двигателя, установленного заводом изготовителем. Повреждение или разрушение деталей происходит из-за воздействия на детали нагрузок, превышающих допустимые пределы. Причиной появления таких нагрузок может быть детонация, калильное зажигание, перегрев или перегрузка двигателя, работа деталей двигателя с недостатком смазки, чрезмерный износ деталей и т.п.
Из-за воздействия на детали разнонаправленных сил детали изнашиваются неравномерно, и геометрические формы изношенных деталей могут существенно отличаться от первоначальных форм.
Цилиндр в плане изнашивается под овал, а по высоте под конус и «бочку» с образованием в верхней части цилиндра износного уступа(рис. 4.5.).
Верхняя часть цилиндра по высоте равная, примерно 5 -10 мм, практически не изнашивается, что и обуславливает образование износного уступа. При ремонте двигателя износный уступ может препятствовать выниманию из цилиндра поршня в сборе с шатуном. В этом случае уступ лучше срезать шабером (специальный слесарный инструмент) или сточить на станке.
На рабочей поверхности изношенного цилиндра могут наблюдаться царапины, глубокие риски и задиры. Зеркало цилиндра из-за абразивного изнашивания становится матовым или, наоборот, приобретает «чрезмерный» глянец.
Поршни деформируются из-за тепловых перегрузок, подвергаются абразивному изнашиванию, высота поршневых канавок увеличивается из-за износа их поверхностей, края канавок «заваливаются» (округляются). На юбке изношенного поршня можно наблюдать царапины, риски и наволакивание металла. Результатом работы двигателя с перегревом, детонацией, калильным зажиганием или с совокупностью этих процессов, нередко является оплавление кромки огневого пояса поршней, прогар поршней, разрушение перемычек, появление трещин и других повреждений.
Опоры коленчатого вала и шатуны относятся к «неизнашиваемым» деталям двигателя, т.к. шейки вала контактируют не с самой опорой, а с поверхностью вкладышей. Повреждения опор возможны лишь в результате их перегрева и/или проворачивания вкладышей коленчатого вала в постелях. И то, и другое случается, в основном, по причине недостатка смазки. Проворачивание вкладышей коленчатого вала в постелях шатунов и, в особенности, в опорах блока цилиндров крайне нежелательное событие, приводящее к серьёзным повреждениям деталей и дорогостоящему ремонту с заменой этих деталей (шатунов или блока цилиндров) или с их восстановлением.
Распределительный вал в значительной степени склонен к абразивному изнашиванию. Кулачки РВ подвержены «огранке», на их поверхности и поверхности опор, а так же поверхности ответных деталей (рычагов, коромысел и др.) могут наблюдаться царапины, риски, борозды и задиры. Причиной появления глубоких задиров может быть работа деталей в условиях масляного голодания. Работа изношенного распределительного вала сопровождается характерным стуком, по тональности схожим со «стуком клапанов», но не устраняющимся после регулировки тепловых зазоров в клапанном механизме.
На износ корпусных деталей существенное влияние оказывают тепловые нагрузки. Из-за цикличного воздействия температуры (разогрев – охлаждение) деформируются привалочные плоскости головки блока цилиндров, появляются трещины между сёдлами клапанов и т.п.
Как уже было сказано выше, изнашивание деталей двигателя приводит к ухудшению его работы, что выражается в снижении мощности и крутящего момента, повышенном расходе горюче-смазочных материалов, затруднённом запуске и т.п. При соблюдении условий эксплуатации, заявляемый заводами изготовителями ресурс до капитального ремонта большинства современных двигателей малого – среднего литража составляет 200 – 300 тысяч километров пробега.
При грамотной эксплуатации этот ресурс может быть увеличен, по меньшей мере, на четверть, а при грубых нарушениях условий эксплуатации - уменьшен на три четверти. Под понятие «грамотной эксплуатации» попадают все мероприятия, в конечном счёте, позволяющие замедлить естественный износ деталей двигателя и исключить их поломку. Это комплекс мер и «затёртых» годами правил, при выполнении которых (только-то и всего) Вы совершаете маленькое чудо, существенно продлевая автомобильную жизнь.
Комплекс мер, предотвращающих преждевременный износ деталей, включает:

Периодическое проведение комплекса диагностических мероприятий с целью выявления возможных неисправностей на ранних стадиях развития и последующего их предотвращения с выполнением необходимых ремонтных работ по замене неисправных деталей, узлов или агрегатов.