Почему шатуны так сильно изнашиваются?

краткое содержание: Перетяжка двигателя менее вредна для шатунов, чем для других частей двигателя.

Детали двигателя имеют разную прочность. Некоторые детали прочнее других. У каждой детали своя функция и свой срок службы. Когда вы переносите двигатель, вы преждевременно изнашиваете все его детали, но износ происходит неравномерно.

При перетаскивании двигателя больше всего страдает вращающийся узел двигателя. Сильнее всего страдают мягкие детали двигателя, в первую очередь подшипники и кольца.

• Больше всего могут пострадать подшипники. При движении с прицепом двигатель работает на более низких оборотах, что означает меньший расход масла. Из-за меньшего расхода масла шатунные шейки коленчатого вала могут выдавливать всё доступное масло и фактически соприкасаться с поверхностью подшипника. Каждый такой случай приводит к большему износу. Если движение с прицепом происходит в течение длительного времени, ситуация усугубляется. Когда происходит такой неестественный износ, подшипник слегка деформируется, что приводит к утечке большего количества масла, что, в свою очередь, усугубляет проблему, что... надеюсь, вы поняли суть.


• Поршневые кольца страдают в первую очередь, потому что они уплотняют поршень в цилиндре. Кольца — хрупкие детали. При чрезмерных нагрузках они могут сломаться. Обычно это происходит с верхними компрессионными кольцами, но при сильном износе это может произойти и со вторыми компрессионными кольцами. Когда кольцо ломается, в этом цилиндре снижается компрессия, что ухудшает производительность. Если это происходит только в одном цилиндре, возникает дисбаланс мощности в двигателе, что приводит к другим проблемам.

Следующей деталью вращающегося узла, которая подвергается нагрузкам, являются поршни. Поршни прочные, но не вечные. В большинстве новых двигателей используется технология гиперэвтектических поршней. По сути, поршень изготавливается из алюминиевого сплава, как это делалось на протяжении многих лет. Кованые алюминиевые поршни были основой гоночной техники в основном из-за их прочности по сравнению с литыми алюминиевыми поршнями. Их главным недостатком было то, что они сильнее расширялись при нагревании, чем литые поршни. Чтобы запустить кованый поршень, нужно было оставить больше пространства между поршнем и стенками цилиндра. Это позволяло поршню сильнее ударяться о стенки, пока он не расширялся до рабочего размера и всё не успокаивалось. Это было плохо для легковых автомобилей, так как владельцы не могли смириться с шумом (и, как следствие, расходы были выше).

В какой-то момент эти гении инженерной мысли поняли, что, используя гиперитектический алюминиевый сплав, в котором содержание кремния в алюминии выше, чем может усвоить алюминий, можно создать гораздо более прочный сплав. Гиперитектические поршни используются потому, что они более стабильны по размерам, чем кованые поршни, и намного прочнее эвтектических или гипоэвтектических поршней. Недостатком более прочного сплава является то, что он более подвержен разрушению при высоких ударных нагрузках. Это становится очевидным при использовании закиси азота (NO₂) в гоночных целях. Поэтому не рекомендуется использовать этот тип поршня при использовании NO₂. Что касается перегрузок двигателя, то они создают на поршне такую же нагрузку, как и NO₂. Поршень подвергается сильному ударному воздействию, что может привести к его поломке. В книге Кэрролла Смита «Инженер для победы» он пишет (стр. 101):

Проще говоря, при повторном (циклическом, в отличие от непрерывного) нагружении способность металла выдерживать нагрузку постепенно снижается и в большинстве случаев не восстанавливается. Металлы, подвергающиеся переменным нагрузкам, могут разрушаться и действительно разрушаются после определённого количества циклов нагрузки (или, точнее, циклов напряжения), при которых прилагаемые нагрузки и возникающие в результате напряжения всегда ниже предела прочности металла. Такой тип разрушения называется усталостным разрушением.

(ПРИМЕЧАНИЕ: подробнее об этом я рассказываю в ответе о факторах, вызывающих стресс)

Далее в книге Кэрролл Смит описывает, что детали, рассчитанные на то, чтобы выдерживать нагрузку, могут делать это практически бесконечно, если нагрузка на них не превышает расчётный порог. Если нагрузка превышает расчётный порог, деталь обычно не выходит из строя сразу, но со временем нагрузка накапливается. По мере увеличения нагрузки сверх расчётных значений накопление нагрузки происходит быстрее, пока деталь не выйдет из строя. (Например, деталь может выдержать 10 000 циклов нагрузки при заданной нагрузке, но если удвоить эту нагрузку, то она сможет выдержать только 10 циклов нагрузки.) Кроме того, помните, что это накопительный эффект: деталь, подвергающаяся чрезмерной нагрузке, не восстановится сама по себе.

Вот шкала, которая описывает то, о чём говорит Кэрролл Смит (скопировано из книги, стр. 109, рис. 93):

(ПРИМЕЧАНИЕ: приведённый выше график используется для конкретных сплавов чёрных металлов, но общие принципы, отражённые на графике, можно использовать для описания поведения любого металла под нагрузкой.)

Как это влияет на поршень? Ну, это влияет на все детали двигателя при буксировке, но в большей степени на поршень больше, потому что он не рассчитан на нагрузки, возникающие при буксировке. Он не выйдет из строя сразу, но учтите, что каждый раз, когда вы буксируете двигатель, вы ускоряете его износ. Основная часть поршня, которая может выйти из строя, — это посадочные места для колец. Это часть поршня, на которой держатся кольца. Следующей деталью, подвергающейся таким нагрузкам, является буртик пальца, к которому шатун крепится к поршню. Эта область вызывает меньше опасений, главным образом потому, что она рассчитана на большие нагрузки. Посадочные места для колец гораздо более уязвимы, главным образом потому, что они не такие толстые.

Следующими двумя проблемными участками являются шатуны (или, для краткости, шатуны) и коленчатый вал. Проблема заключается в том, что они являются частью вращающегося узла. Они находятся в конце списка проблемных участков, потому что эти детали рассчитаны на то, чтобы выдерживать эти нагрузки лучше, чем описанные выше детали. Шатуны и коленчатый вал, несмотря на свою прочность, также рассчитаны на изгиб. Этот изгиб (называемый упругой деформацией) позволяет им слегка деформироваться и возвращаться к своей нормальной форме. Это помогает им выдерживать нагрузки, которым они подвергаются снова и снова, без пластической деформации. Пластическая деформация шатуна обычно происходит из-за того, что нагрузка на него превышает допустимый предел. Шатуны выходят из строя в основном по двум причинам:

• Их шатунные болты выходят из строя на высоких оборотах


• Недостаток смазки в подшипнике приводит к трению штока, в результате чего на него воздействуют скручивающие силы, вызывающие пластическую деформацию

Конечно, если нагрузка будет слишком высокой, это приведёт к негативным последствиям. Проблема в том, что другие детали выйдут из строя раньше, чем шток. Поломка других деталей (обычно подшипников) может привести к поломке штока, но это побочный эффект поломки исходной детали, а не результат чрезмерной нагрузки.

Коленчатый вал, как и шатуны, подвергается большим нагрузкам, но обычно выдерживает их благодаря своей конструкции. Он рассчитан на упругую деформацию и возврат к первоначальной форме. В противном случае он бы быстро вышел из строя из-за повышенных нагрузок.

Другие детали двигателя, которые изнашиваются из-за недостаточной мощности:

• Стенки цилиндра — во время буксировки на поршень действует дополнительная боковая нагрузка, которая вдавливает его в стенки цилиндра. Это приводит к повышенному износу и образованию задиров, из-за чего цилиндры могут стать овальными (а также задиры могут появиться на юбке поршня).


• Ремень/цепь ГРМ — провисание создаёт дополнительную нагрузку на ремень/цепь, что в целом негативно сказывается на этих деталях.