Гильзованный блок двигателя: особенности и что надо знать. Блок цилиндров из чего сделан
Блок цилиндров
Блок цилиндров - основная деталь корпуса двигателя внутреннего сгорания. Блок цилиндров служит опорой для подвижных частей кривошипно-шатунного механизма; к нему прикреплены некоторые навесные агрегаты, такие как стартер, генератор и так далее.
Популярный блок цилиндров V6 впервые использовал в своем автомобиле немецкий изобретатель Готлиб Даймлер
Блок цилиндров самая крупная корпусная деталь любого двигателя с двумя и более цилиндрами. Поскольку блок должен быть долговечным и крепким, его отливают из металла целиком. Как правило, при этом используется чугун или алюминий. Цилиндры чугунного блока представляют собой расточенные в толще металла отверстия, а в алюминиевых блоках для укрепления стенок в них вставляют стальные гильзы. В цилиндрах перемещаются поршни, передающие энергию расширяющихся после сгорания топлива газов на коленчатый вал, преобразующий эту энергию во вращательное движение.
История создания блока цилиндров
Появившись в конце девятнадцатого века, блок цилиндров прошел длительную эволюцию, прежде чем остаться в том виде, в котором он применяется в конструкции подавляющего большинства современных моторов.
Для того, чтобы поставить шестицилиндровый двигатель под капот маленького VW Golf, компания Фольксваген вспомнила непопулярную конструкцию блока цилиндров VR6
История появления первого рядного блока цилиндров связана с немецким изобретателем Николаусом Августом Отто, который 1876 году изобрел самый эффективный для своего времени бензиновый двигатель.
Блок в V-образном исполнении изобрел в 1889 Готлиб Даймлер для постройки усовершенствованного четырехтактного двухцилиндрового двигателя.
Конструкция блока цилиндров двигателя
Блоки цилиндров имеют различные конструкции и конфигурацию разной степени сложности. Блок может быть рядным, с последовательным расположением цилиндров , V-образным с разным углом развала цилиндров или даже состоящим из двух V-образных блоков, как например у Bugatti Veyron EB 16.4. Существуют конструкции блоков с углом развала цилиндров в 180 градусов, для так называемых оппозитных двигателей, таких, как у Subaru.
Cуществуют блоки типа «VR». В них цилиндры расположены в шахматном порядке, последовательно, но в то же время с наклоном в одну из двух сторон, как у V-образного мотора. Такой синтез двух разновидностей в одном блоке позволяет улучшить его охлаждение и поднять мощность при небольшом объеме. Такая технология используется в современных двигателях компания Volkswagen. Многие владельцы автомобилей Passat, Corrado, Golf, Vento, Jetta, Sharan даже не догадываются, что у них VR-образный двигатель, так как блок прикрыт общей головкой и скомпонован так, что наклон цилиндров не бросается в глаза.
Чем больше цилиндров в блоке - тем больше вес мотора. Поэтому количество цилиндров двигателя - ограниченная величина
При отливке в блоке цилиндров предусматривают каналы для циркуляции охлаждающей жидкости и подачи масла. Сверху на блок цилиндров крепится головка блока, снизу присоединяется поддон картера. Помимо этого блок цилиндров служит основой для подсоединения КПП и всего навесного оборудования: генератора, стартера, карбюратора, и прочего.
Блок цилиндров, поршень.Описанная конструкция двигателя с отдельными блоком и головкой результат длительной эволюции. Ранее блоку отводилось больше функций и то, что сегодня находится в головке блока, было расположено в нем самом. В относительно недавно выпускавшихся двигателях в блоке располагался распределительный вал, а в более ранних конструкциях там же находился и клапанный механизмам. Головка блока цилиндров в так называемых нижнеклапанных моторах выполняла простую роль крышки с отверстиями для свечей зажигания.
Возможное количество цилиндров в блоке
Количество цилиндров это очень важный показатель двигателя и может варьироваться от 1 до 16. Конструктивно увеличение количества цилиндров обсусловлено желанием инженеров увеличить мощность двигателя.
Если поднимать мощность двигателя, не увеличивая количество цилиндров, то необходимо увеличивать диаметр поршней, и делать более массивным блок цилиндров двигателя, что ведет к увеличению массы автомобиля и росту расхода топлива. Получается, что, увеличивая мощность двигателя, мы получаем проигрыш в массе, а значит, в динамике, и нужно снова увеличивать мощность. Это типичный замкнутый круг.
Картер блока цилиндров "Запорожца" выполнен из дорогостоящего авиационного алюминиевого сплава
Инженеры задачу увеличения мощности решили с помощью увеличения количества цилиндров в блоке двигателя. Поршни при этом уменьшают в диаметре, что снижает потери от трения, а значит, мощность двигателя растет.
Материал для блока цилиндров
На сегодняшний день изготавливают чугунные, алюминиевые и магниевые блоки цилиндров с добавлением различных сплавов.
Выбор материала обусловлен присущими ему свойствами. Например, блок из чугуна самый прочный, более пригоден для форсирования, и менее других чувствителен к перегреву.
Блоки из магниевого сплава сочетают в себе твердость чугуна и легкость алюминия, но так как магний редок и дорог, он применяется в основном для автоспорта. Как ни удивительно, из авиационного магниевого сплава МЛ-5 был выполнен картер мотор «Запорожца», на который ставились чугунные или алюминиевые цилиндры.
Блоки из алюминия отличаются малым весом и хорошей способностью к охлаждению, но требуют усиления стенок цилиндров. Если в алюминиевый цилиндр вставить поршня из стали или чугуна, стенки очень быстро износятся. Применить алюминий для изготовления поршней также нельзя, так как они сразу же прикипят к зеркалу цилиндра, и двигатель заклинит.
Блоки цилиндров некоторых моделей BMW не поддаются капремонту, потому что внутренние стенки цилиндров покрыты невозобновляемым составом - Никасилом
По этим причинам алюминиевые блоки на первом этапе их применения оснащали «мокрыми» гильзами из серого чугуна. Однако слабо закрепленные «мокрые» гильзы из чугуна быстро разбивали алюминиевый блок, поэтому он плохо переносил форсировку и был чувствителен к перегреву.
На смену «мокрым» гильзам пришли тонкостенные «сухие» гильзы. Подобная технология предусматривает запрессовку тонкостенных чугунных или композитных гильз в тело блока, где они сидят «как влитые».
Альтернативные решения
Существует и несколько альтернативных решений упрочнения стенок цилиндров с применением новейших технологий. Это метод нанесения кристаллов кремния на внутреннюю поверхность цилиндра или, к примеру, применение готовых алюминий-кремниевых гильз по технологии Locasil фирмы Kolbenschmidt.
Еще одна технология, названная Nicasil, предусматривает нанесение на алюминиевые стенки цилиндра никелевого покрытия с напылением кристаллов карбида кремния. Технология в основном применялась в двигателях дорогих спортивных автомобилей, в частности, болидов Формулы-1, не подлежащих многоразовому капитальному ремонту.
blamper.ru
Что такое блок цилиндров?
По сути блок цилиндров двигателя - это основной корпус мотора без его внутренностей - головки блока цилиндров, поршней, шатунов, коленчатого вала, маховика и других деталей - просто единый блок цилиндров.
Типичный блок цилиндров 8-цилиндрового двигателяБольшинство блоков двигателей изготовлено частично из алюминия и частично из чугуна, хотя в конце 1990-х годов проводилось много экспериментов, и некоторые блоки моторов тогда пытались сделать даже из пластика. Такие экспериментальные материалы были использованы в прототипах автомобилей в надежде разработки более лёгких и эффективных машин. Дело в том, что чугунный блок цилиндров довольно большой по размерам и составляет значительную часть веса автомобиля. Блок цилиндров обычно требует несколько человек или специальное оборудование, чтобы поднять его.
Как Вы можете увидеть из фото выше, блок цилиндров это не просто прямоугольный корпус - это сплав сложной формы с многочисленным отверстиями (самые крупные из которых - для коленвала и поршней), каналами, углублениями и выступами. Ряд каналов и проходов внутри включают магистраль охлаждения двигателя и предназначен для подачи антифриза из радиатора во все горячие участки двигателя, предотвращая его перегрев. После того как охлаждающая жидкость проциркулирует по всему двигателю, она возвращается в радиатор для охлаждения с помощью вентилятора и вновь отправляется обратно в двигатель.
Ядро блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания - это всегда цилиндры. Количество цилиндров определяет размер и размещение блока, и большинство автомобилей имеют от четырёх до восьми цилиндров. Существует три типа блоков двигателей в зависимости от расположения относительно друг друга цилиндров:
- рядный блок цилиндров;
- V-образный блок цилиндров;
- оппозитный блок цилиндров.
К нижней части блока крепится масляный поддон, который является по своей сути ванной для смазочного масла двигателя. Периодически моторное масло необходимо менять, и масляный поддон в этом случае опустошается от старого масла и наполняется затем новым.
Во время нормальной работы блок цилиндров двигателя становится очень горячим, и водители должны быть осторожны, касаясь его.
Что такое блок цилиндров? Видео
howcarworks.ru
особенности и что надо знать
Содержание
Технология гильзования: что нужно знать- Неремонтопригодный блок цилиндров: что нужно знать
- Недостатки блока цилиндров из алюминия
- Ремонт алюминиевого блока цилиндров
В этой статье мы поговорим о том, что значит гильзованный двигатель, а также как гильзование отражается на ресурсе и надежности мотора.
Технология гильзования: что нужно знать
Гильзованный мотор появился для того, чтобы добиться снижения веса двигателя. Если просто, снизить вес стало возможным благодаря тому, что при изготовлении блока цилиндров начал использоваться алюминий, а не чугун.
Способ ремонта блоков двигателей установкой чугунных гильз хорошо известен и широко используется авторемонтниками с незапамятных времен. Гильзовка двигателя является решением, которое продиктовано необходимостью снизить вес силового агрегата. Еще следует отметить, что данная технология также позволяет добиться общей экономии в рамках производства ДВС.
Применяя технологию гильзования при ремонте зарубежных двигателей, отличающихся большим конструктивным разнообразием, нужно учитывать ряд нюансов. Иначе можно легко нажить себе неприятности.Когда при вскрытии двигателя обнаруживаются критические повреждения стенок цилиндров, часто оказывается, что щадящий способ ремонта, растачивание и хониигование цилиндров под установку поршней ремонтного размера, неприменим.
Действительно, таким образом восстановить блок удается далеко не всегда. Подавляющее большинство чугунных блоков современных двигателей имеет так называемую моноблочную конструкцию.
Дело в том, что чугун даже с учетом его прочности и дешевизны в три раза тяжелее алюминия, также отличается склонностью к образованию коррозии, имеет меньшую теплопроводность. В результате чугунные блоки требуют лучшего охлаждения, в систему необходимо заливать большее количество антифриза и т.д.
Еще алюминий и чугун имеют разный коэффициент температурного расширения, в результате чего возможно появление зазора между блоком и самой гильзой после выхода ДВС на рабочие температуры. Однако плюсом стала жесткость такого цилиндра. При этом показатель жесткости был не лучше, чем у чугуна, зато достигалось существенное снижение веса блока.
Дальнейшее развитие технологий привело к тому, что вместо запрессовки гильз блок цилиндров стал отливаться вокруг них. Визуально чугунная гильза стала напоминать вставку, которая вплавлена в алюминий.
Прочность была повышена, однако такие гильзы нельзя выпрессовать из блока для замены, подбора ремонтного размера и т.д. Другими словами, официально гильзованный по данной технологии блок стал непригодным для ремонта, то есть началась эра одноразовых моторов. Затем многие производители и вовсе отказались от чугунных гильз в алюминиевом блоке цилиндров.
Неремонтопригодный блок цилиндров: что нужно знать
Разобравшись с тем, что значит гильзованный двигатель и зачем нужна установка гильз, давайте рассмотрим дальнейшее развитие технологий производства алюминиевых блоков. Вполне очевидно, что решение отказаться от чугуна и установки гильз позволяет упростить и удешевить процесс, исключить сложную запрессовку гильзы, отливку блока вокруг «стакана» и т.д.
Параллельно цельный блок из алюминия означает, что больше нет необходимости принимать в расчет температурные характеристики двух разных металлов (чугун и алюминий), позволяя добиться лучшего охлаждения цилиндров.
Результатом стала твердая стенка, по которой жесткие поршневые кольца могли свободно работать без риска повреждения зеркала цилиндра (так же, как и в чугунном блоке). Далее этот метод получил развитие. Также появились гильзы из алюминия, которые специально насыщали кремнием.
Технологии упрочнения зеркала цилиндра кремнием в Европе получили название Silumal и Alusil. Изготовление алюминиевых упрочненных гильз называется Locasil. Казалось бы, можно было праздновать победу над чугунном даже с учетом неремонтопригодности таких блоков, однако на практике все оказалось иначе.
Во всех случаях алюминиевые блоки склонны сильно повреждаться от механического воздействия, в результате образуются серьезные задиры. Дело в том, что под прочным кремниевым слоем, который при этом весьма тонкий, все равно остается достаточно мягкий алюминий.
Кстати, еще одним витком эволюции стала технология упрочнения стенок цилиндра путем гальванического нанесения никеля и карбида кремния под названием Nikasil. Владельцы моделей BMW и Audi хорошо знакомы с такими блоками. Компания БМВ затем пошла еще дальше, выпустив двигатель, который имел алюминиевые упрочненные гильзы, а остальные элементы были выполнены из магниевого сплава. Такой сплав позволил сделать двигатель еще более легким.
Сегодня также постоянно ведутся работы над созданием более совершенных технологий по нанесению упрочняющего покрытия. Например, лазерное легирование кремнием, технология плазменного напыления составов с железом, создание на стенках прочного покрытия из титана и т.д.
Недостатки блока цилиндров из алюминия
С учетом того, что современные технологии шагнули далеко вперед, автопризводители немедленно заявили о том, что двигатели стали не только легче, но и получили увеличенный ресурс. Теоретически так и должно было быть, однако на практике все оказалось несколько иначе.
Прежде всего, хотя кремниевое покрытие или никель тверже и прочнее чугуна, такие блоки все равно очень быстро изнашивались. Например, многие хорошо помнят ситуацию с моторами BMW M52 или M60, которые отличались сильным износом даже не к 100 тысячам пробега, а уже к 60-70 тыс.
Исследования определили, что причиной такого износа оказалась сера, которая содержалась в топливе. Если просто, сера фактически разрушала прочное покрытие на стенках цилиндров. Если к этому добавить, что блок изначально неремонтопригодный, проблема оказалась достаточно серьезной. Естественно, в БМВ от использования покрытия Nikasil сразу отказались.
Если же говорить об общем ресурсе моторов с алюминиевыми блоками цилиндров различных производителей, на деле ресурс составляет, в среднем, около 300 тыс. км. При этом на данный показатель не особенно влияет сама технология упрочнения цилиндров, а также объем двигателя, его тип и т.д.
Другими словами, форсированный двигатель V8 на дорогом Porsche выйдет из строя уже к 300 тыс. км, при этом простые чугунные блоки или алюминиевые блоки с гильзой из чугуна на моторах с рабочим объемом 1.6-1.8 литра вполне способны отходить 400-450 тыс. км.
Если же сравнивать легендарные двигатели-миллинонники из 90-х, которые при должном обслуживании и уходе могли пройти по 750-850 тыс. км. без замены поршневых колец, сегодня современные агрегаты (например, двигатель FSI) выходят из строя к 200 тыс. км, а турбированные высокофорсированные версии даже раньше.
При этом рассчитывать даже на такой скромный ресурс можно только с учетом того, что владелец придерживается рекомендованных межсервисных интервалов, использует качественное моторное масло, которое подходит по всем допускам и рекомендациям, заливает хорошее топливо и эксплуатирует двигатель в режимах умеренных нагрузок.
Если говорить о поломках, алюминиевый блок может немедленно выйти из строя без возможности восстановления в случае непредвиденной поломки (например, сломались поршневые кольца и т.д.). При этом замена блока цилиндров обойдется достаточно дорого (в зависимости от марки и модели стоимость замены блока на новую деталь может составлять около 25-30 % от стоимости всего подержанного авто и больше). Вполне очевидно, что небольшой ресурс ЦПГ может обернуться серьезными проблемами для владельца после покупки автомобиля с пробегом на вторичном рынке.
Ремонт алюминиевого блока цилиндров
С учетом перечисленных выше минусов и высокой стоимости замены блока, достаточно актуальным стал вопрос практической возможности ремонта. И снова на помощь автолюбителям пришли уже знакомые гильзы. Не так давно специалисты начали практиковать технологию гильзования блоков из алюминия, которые официально не пригодны для восстановления.
Процедура сложная и не самая дешевая, однако на фоне покупки нового блока или контрактного двигателя затраты все равно меньше. Более того, в ряде случаев грамотно выполненная установка чугунной гильзы в алюминиевый блок позволяет значительно увеличить ресурс мотора после такого ремонта.
В качестве итога отметим, что загильзовать сегодня можно фактически любой двигатель. Главное, чтобы толщина стенок позволяла выполнить данную операцию. Получается, после дефектовки двигателя вполне можно подобрать подходящие гильзы и установить их в блок. Остается напомнить, что также необходимо тщательно подходить к выбору автосервиса, доверяя такую ответственную работу исключительно проверенным высококвалифицированным специалистам.
avtoviraj.ru
Блок цилиндров двигателя
Цилиндр с головкой служит камерой, где осуществляется рабочий процесс двигателя; стенки цилиндра направляют движение поршня.
Блоком цилиндров называется общая отливка корпуса двигателя, в которой располагаются цилиндры. Блок цилиндров изготовляется вместе с картером. Эта отливка, называемая блок-бартером, служит для крепления и сборки всех механизмов и устройств двигателя.
Материалом для отливки блок-картера является чугун или алюминиевый сплав. При изготовлении блока из чугуна цилиндры рядного двигателя обычно отлиты вместе с блоком.
Внутренняя рабочая поверхность цилиндров тщательно обработана и отшлифована и называется зеркалом цилиндра. Между стенками цилиндров и наружными стенками отливки блока имеется полость, которая заполняется водой, охлаждающей двигатель, и называется водяной рубашкой.
В случае отливки блок-картера из алюминиевого сплава цилиндры изготовляются в виде отдельных чугунных гильз, устанавливаемых в отверстия верхней и нижней перегородок блока. В блоке гильза закрепляется верхним буртом, входящим в выточку блока и зажимаемым сверху устанавливаемой на блок головкой на прокладке.
Гильза непосредственно соприкасается с водой, циркулирующей в водяной рубашке, и называется «мокрой». В этом случае гильза надежно уплотняется в нижней перегородке блока с помощью медного или резинового кольца. Такая же конструкция цилиндров применяется у V-образных двигателей.
В верхнюю часть цилиндров блока или гильз, наиболее подвергающихся воздействию высокой температуры и разъедающему действию отработавших газов, обычно запрессовывают короткие гильзы из специального износоустойчивого антикоррозионного чугуна, увеличивающие срок службы цилиндров двигателя.
При нижнем расположении клапанов с одной стороны блока имеются впускные и выпускные каналы и гнезда, в которых устанавливаются клапаны. С этой же стороны блока расположена камера, называемая клапанной коробкой, в которой располагаются детали механизма газораспределения. Клапанная коробка закрывается одной или двумя крышками. К передней части блока цилиндров крепится крышка распределительных шестерен. К задней части блока присоединен картер маховика.
Верхняя плоскость блока цилиндров тщательно обработана, и на нее установлена общая головка, закрывающая цилиндры сверху. В головке над цилиндрами сделаны углубления, образующие камеры сгорания, а также имеется водяная рубашка, сообщающаяся с водяной рубашкой блока. При верхнем расположении клапанов в головке, кроме того, расположены гнезда клапанов и отлиты впускные и выпускные каналы. В головке имеются отверстия для завертывания свечей зажигания. Головка у большинства карбюраторных двигателей отливается из алюминиевого сплава.
Такая головка обладает высокой теплопроводностью, вследствие чего снижается температура рабочей смеси в цилиндрах двигателя в конце тактов сжатия. Поэтому представляется возможным повысить степень сжатия двигателя без появления детонационного сгорания топлива при работе двигателя.
Головка крепится к блоку гайками па шпильках или болтами. Между блоком и головкой установлена уплотняющая прокладка, устраняющая пропуск газов из цилиндров и протекание воды из водяной рубашки в месте стыка головки и блока. Прокладку изготовляют из асбестового картона, облицованного тонкой листовой сталью. Снизу к фланцу картера двигателя крепится стальной штампованный поддон.
При нижнем одностороннем вертикальном расположении клапанов камера сгорания двигателя смещена в сторону расположения клапанов. Такая камера сгорания смещенного типа обеспечивает хорошее завихрение смеси при сжатии ее и наилучшие условия ее сгорания.
Для сокращения длины l камеры сгорания и улучшения условий сгорания рабочей смеси, а также для уменьшения сопротивлений потоку смеса при впуске в цилиндр в двигателях часто применяют наклонное к оси цилиндра расположение нижних клапанов.
При верхнем однорядном расположении клапанов камера сгорания в карбюраторных двигателях имеет обычно полусферическую форму или полуклиновую форму.
При всех формах камер сгорания часть ее поверхности (вытеснитель) близко расположена от днища поршня при верхнем его положении. Такие вытеснители способствуют лучшему распределению объема сжатой рабочей смеси и снижают возможность возникновения детонации при сгорании смеси.
При изготовлении блок-картера, головки и других деталей (крышка распределительных шестерен и др.) из алюминиевых сплавов можно снизить общий вес двигателя. В случае применения в блоке съемных гильз легче изготовлять блок-картеры и удобнее ремонтировать цилиндры при их износе.
В дизелях давление газов при сгорании значительно выше, чем в карбюраторных двигателях, поэтому детали таких двигателей испытывают большие нагрузки и выполнены более прочными и жесткими.
Блок цилиндров изготовляют особенно жестким. Это достигается значительной толщиной стенок цилиндров и картера, наличием внутри картера большего количества ребер и смещением плоскости разъема картера значительно ниже оси коленчатого вала.
Цилиндры двигателя снабжаются сухими (т. е. не соприкасающимися непосредственно с водой) или мокрыми вставными гильзами, которые вставлены в расточенные цилиндры блока.
При большой величине степени сжатия для получения возможно малого объема камеры сгорания в дизелях применяют только верхнее расположение клапанов. В двигателях с непосредственным впрыском топлива головка углублений не имеет, а камера сгорания образуется соответствующим углублением в днище поршня.
aboutavtobus.ru
Литьё блоков цилиндров (как делают блоки цилиндров)
Обзор: литейные формы и соответствующие литейные процессы
Литейные процессы | Песчаные формы | Стальные кокили с песчаными стержнями | Стальные кокили Стальные формы |
Свободная заливка форм | X | X | X |
Литьё под низким давлением | X | X | X |
Литье под давлением | (X) | X | |
Прессование (Squeeze Casting) | X | ||
В таблице помещён небольшой обзор применяемых для алюминиевого литья литейных процессов и соответствующих литейных форм. В нижеследующих подразделах описываются определённые литейные процессы, а также поясняются их преимущества и недостатки.
Литьё в песчаные формы
Литьё в песчаные формы является традиционной технологией литья в формы с разрушаемыми (теряемыми) песчаными формами. Формы, применяемые для одной единственной отливки, изготавливаются, в принципе, из кварцевого песка как основного материала формы с применением связующих средств. Изготовление форм производится копированием моделей из дерева, металла или пластмассы и позволяет получать отливки сложной формы путём разъёма и разделения модели и формы. После застывания отливок песчаные формы разрушаются, а песчаные стержни, служащие для достижения недоступных и необрабатываемых полостей, вытряхиваются или вымываются. Обычно применяемое литьё в песчаные формы играет в серийном производстве второстепенную роль. Главная область применения - изготовление прототипов и малых серий. Экономично литьё в песчаные формы в форме автоматизированного метода стержневого пакета (CPS = core package system). Чистый процесс литья в песчаные формы (форма и стержни изготовлены из песка) производится методом свободной заливки форм или методом литья под низким давлением. На Изображении 1 показано литьё в песчаные формы методом свободной заливки форм.
Изображение 1 |
1. Разливочный ковш
2. Литник
3. Песчаная форма
Литьё в кокиль
При литье в кокиль жидкий алюминий разливается в долговременные металлические формы из чугуна или жароупорных сталей. При данном методе литья конструкция и свобода её конструирования зависят, однако, от того, производится ли отливка методом свободной заливки форм или методом литья под низким давлением. По сравнению с литьём в песчаные формы при литье в кокиль достигается лучшее качество поверхности и большая точность размеров отливок
Свободное литьё в кокиль
При свободном литье в кокиль заполнение формы происходит исключительно под влиянием действующей на металл силы тяжести при атмосферном давлении. Отливка производится вручную или на частично или полностью автоматизированных литейных машинах. При данном методе существует достаточно большая свобода конструирования, поскольку возможно применение песчаных стержней (изобр. 3). Таким образом, реализуемы также разрезы сзади или полости, недостижимые механообработкой. Благодаря быстрому, направленному застыванию расплава при методе свободного литья в кокиль по сравнению с литьём в песчаные формы достигается более тонкая структура, более высокая прочность, а также неограниченные возможности по работе с теплом.
Изображение 2 |
1. Разливочный ковш
2. Литник
3. Гидроцилиндр
4. Кокиль
5. Литниковая система
6. Песчаный стержень
Изображение 3 |
Литьё в кокиль под низким давлением
При литье под низким давлением расплав при относительно низком избыточном давлении (для алюминиевых сплавов - от 0,2 до 0,5 бар) поднимается в кокиль и при этом давлении застывает Речь идёт, - если речь идёт о давлении, - собственно, о давлении заполнения, необходимом для того, чтобы жидкий металл доставить в литейной машине наверх, в форму. Давление заполнения поддерживается до тех пор, пока не произойдёт затвердевание, от самого удалённого места до среза сифонного литника (входное отверстие литейной формы). Тем самым почти идеально происходящее, направленное затвердевание и заполнение формы без турбулентности являются существенным основанием высокой ценности отливок под низким давлением. Как и при свободном литье в кокиль, и при данном методе применимы стержни из песка, дающие в достаточной степени простор для конструирования формы.
1. Гидроцилиндр
2. Стальной кокиль
3. Сифонный литник
4. Литейная печь с расплавом
5. Подъёмный стол
6. Подъёмное приспособление
Изображение 1 |
Литьё под давлением
При литье под давлением расплав под высоким давлением и с большой скоростью впрыскивается в долговременные формы из улучшенной жаропрочной стали. Металл течёт под давлением в полости формы. В конце заполнения формы давление на жидкий металл возрастает до 700 - 1000 бар. Давление поддерживается в процессе затвердевания металла. Это позволяет получить самую точную передачу формы по сравнению с другими методами литья. Тем самым достижимы узкие поля допусков размеров, резкость контуров и качество поверхности с малыми припусками на обработку. Благодаря высокому съёму продукции с квадратного метра площади речь идёт об очень экономичном методе литья. Этот метод имеет, однако, также определённые недостатки. Так, увеличивающая прочность двойная термообработка, в общем, невозможна, поскольку заключённые в материале пузырьки воздуха или газовые поры, образующиеся из-за толчкообразного наполнения формы, при определённых условиях создадут трудности. Также следует назвать ещё имеющуюся в настоящее время ограниченную свободу конструирования, поскольку при литье под давлением не могут быть применены для литейных полостей никакие обычно применяемые песчаные стержни. Обычно применяемые песчаные стержни были бы разрушены высоким давлением литья и сделали бы отливку непригодной. Однако происходит дальнейшее развитие литейной технологии. В настоящее время разрабатываются такие песчаные стержни, которые могут выдерживать высокое давление литья в процессе литья под давлением.
1. Разливочный ковш
2. Отверстие заполнения
3. Поршень прессования
4. Камера прессования
5. Гидроцилиндр
6. Стальная форма
Изображение 2 |
Прессование (Squeeze Casting)
Речь идёт, в принципе, о литье под давлением с несколько иными преимуществами и недостатками. Конструкция литейной машины, однако, отличается. Создание давления при прессовании происходит в конце процесса заполнения формы, который идёт значительно медленнее, чем при литье под давлением. Расплав, в отличие от литья под давлением, выдавливается в форму не в течение нескольких миллисекунд; процесс литья длится значительно дольше, до нескольких секунд. Это особенно важно при заливке чувствительных заливаемых частей, таких, как, напр. Silizium Preforms (LOKASIL метод) или усиления волокном постели под подшипники. Впрыск расплава, как это делается при литье под давлением, повредил или разрушил бы эти чувствительные части, сделав данную отливку негодной. Благодаря отсутствию турбулентности при заполнении формы прессованные части полностью термообрабатываемы для увеличения прочности.
1. Гидроцилиндр
2. Стальная форма
3. Разливочный ковш
4. Камера прессования
5. Поршень прессования
6. Гидроцилиндр
Изображение 3
;
focusello.ru
Алюминиевые сплавы для блоков цилиндров
Блок цилиндров — основа двигателя
Блок цилиндров является частью двигателя внутреннего сгорания, которая расположена между головкой цилиндров и картером. Он является опорной конструкцией для всего двигателя. Все части двигателя крепятся на блоке цилиндров или в нем самом, и он обеспечивает их соосность.
Рисунок – Алюминиевый блок цилиндров двигателя
Еще не так давно в двигателях большинства автомобилей, кроме спортивных, применяли монолитные чугунные блоки цилиндров.
От чугунного к алюминиевому блоку цилиндров
Алюминий, как конструкционный материал, конечно, менее прочный, чем чугун. Поэтому долго считалось, что алюминиевый блок цилиндров должен быть намного толще, чем чугунный. Однако оказалось, что хорошо сконструированный алюминиевый блок цилиндров может быть намного легче и почти таким же прочным как чугунный блок. Обычно применение литейных алюминиевых сплавов вместо применяемого ранее серого чугуна дает снижение блока цилиндров на 40-55 %. Несмотря на более высокую стоимость алюминиевых сплавов, по сравнению с серым чугуном, постоянное стремление к снижению потребления топлива приводит к постоянному росту доли алюминиевых блоков цилиндров.
Применение алюминиевых блоков цилиндров началось с бензиновых двигателей в конце 1970-х годов. Замена серого чугуна в дизельных двигателей тормозилась до середины 1990-х годов. К 2005 году доля на рынке алюминиевых блоков цилиндров двигателя достигла 50 %. В настоящее время блоки цилиндров практически всех бензиновых двигателей изготавливают из алюминиевых сплавов. Применение алюминиевых сплавов в дизельных двигателях также неуклонно растет.
Требования к алюминиевым блокам цилиндров
Теплопроводность
Материал современные алюминиевые блоки цилиндров испытывает температуры до 150-200 °C. Высокая теплопроводность литейных алюминиевых сплавов (в три раза больше, чем у серого чугуна) обеспечивает эффективную передачу в систему охлаждения двигателя.
Прочность при повышенных температурах
Требуется сохранение заданной прочности при температурах до 200 °C. Самые большие напряжения возникают в местах болтовых соединений с головкой блока цилиндров. Материал должен выдерживать нагрузки от вращения коленчатого вала и термического расширения блока цилиндров.
Прочность и твердость при комнатной температуре
Материал алюминиевого сплава при комнатной температуре должен обладать достаточной прочностью и твердостью, чтобы обеспечивать ему хорошую обработку резанием и высокое качество сборки.
Усталостная прочность
При работе двигателя блок цилиндров подвергается циклическим растягивающим напряжениям в широком интервале температуры. Этот интервал начинается с отрицательных температур зимой и заканчивается повышенными температурами около 150-200 ºС. Поэтому наиболее важной характеристикой материала блока цилиндров является усталостная прочность.
Известно, что свойства материала любой металлической отливки – и чугунной, и алюминиевой – зависят не только от химического состава материала и его термической обработки, но также от метода разливки, а также от того места отливки, из которого вырезается испытательный образец.
Выбор алюминиевого литейного сплава
Выбор алюминиевого литейного сплава для блока цилиндров требует учета различных факторов. Алюминиевые литейные сплавы, которые применяют в производстве таких сложных литых изделий как блоки цилиндров, должны соответствовать целой комбинации технических требований. Эти требования включают:
- низкую стоимость;
- хорошие литейные свойства;
- хорошую обрабатываемость резанием;
- достаточно высокая прочность при повышенных температурах.
Прочность
Уровень прочности сплава определяет, например, минимально допустимую толщину стенки. Поэтому выбор алюминиевого литейного сплава должен производиться уже на первом этапе проектирования блока цилиндров двигателя. Обычно выбор алюминиевого сплава является компромиссом. Высокопрочные литейные сплавы могли бы быть предпочтительным выбором, но часто у них могут быть такие недостатки, как высокая стоимость, низкие литейные свойства и недостаточная прочность при повышенных температурах.
Цена
Из соображений цены и по техническим причинам почти все автомобильные алюминиевые блоки цилиндров делают из сплавов, которые основаны на применении вторичного алюминия – алюминиевых сплавов, который получают из алюминиевого лома. Это, например, сплавы EN AC-46200 (AlSi8Cu3) и EN AC-45000 (AlSi6Cu4). При повышенных требованиях к вязкости материала применяют сплавы с более жесткими требованиями по примесям и загрязнениям, которые уже близки к требованиям для сплавов из первичного алюминия.
Литейные свойства
Литейные свойства алюминиевых сплавов обычно повышаются с повышением содержанием в них кремния. С другой стороны, добавки медь, которые нужны для повышения прочности при высокой температуре, оказывают отрицательное влияние на литейные свойства алюминиевых сплавов, в первую очередь, на текучесть сплава при заполнении литейной формы. Кроме того, когда применяется метод литья под высоким давлением, то применяют сплавы с некоторым содержанием железа, а также марганца, чтобы предотвратить налипание жидкого алюминия к стальной литейной форме. Однако повышенное содержание железа снижает прочностные свойства алюминиевой отливки.
Иногда наиболее важными при выборе литейного сплава являются не цена и литейные свойства, а некоторые другие его свойства, например, износостойкость.
Химический состав и термическая обработка
Литейные алюминиевые сплавы, которые применяют для изготовления блоков цилиндров автомобилей, обычно включают сплавы 46200 и 45000 по Европейскому стандарту EN 1706 (громоздкая приставка “EN AC-“ опущена). Химические «формулы» этих сплавов имеет соответственно вид AlSi8Cu3 и AlSi6Cu4. Их американскими аналогами – более известными – являются сплавы А380.2 и А319. Эти доэвтектические алюминиево-кремниевые сплавы обычно производят из вторичного алюминия. Из них отливают автомобильные блоки цилиндров различными методами гравитационного литья.
Таблица — Химический состав и состоянияалюминиевых литейных сплавов для блоков цилиндров
Относительно высокое содержание меди позволяет этим сплавам сохранять свою прочность при повышенных температурах и, кроме того, обеспечивает им хорошую обрабатываемость резанием. Обычно для этих сплавов – 46200 и 45000 (А380.2 и А319) – применяют состояния F (литое состояние), Т4 (закалка и естественное старение) и Т5 (неполная закалка и искусственное старение). Для отливок из этих сплавов может также применяться и состояние Т6, но для многих изделий из этих сплавов достаточно стабилизирующего состояния Т5.
Почти все блоки цилиндров, которые отливают методом литья под высоким давлением, изготавливают из сплава 46000 (AlSi9Cu3(Fe)). Обычно этот сплав не требует термической обработки, кроме умеренного отпуска для снижения остаточных напряжений.
Блоки цилиндров из алюминиевых сплавов 42100 (AlSi7Mg0,3) и 42000 (AlSi7Mg) получают высокую прочность и удлинение при комнатной температуре, когда подвергаются термической обработке на состояние Т6. В этом случае необходимо внимательно контролировать остаточные напряжения, которые возникают при закалке отливки для достижения состояния Т6. Более высокое сопротивление растрескиванию этих сплавов дают им возможность противостоять термическим усталостным нагрузкам. Это происходит за счет определенного ухудшения обрабатываемости резанием и повышения стоимости из-за дополнительных расходов на термическую обработку на состояния Т6 или Т7. Выполнение требования по пониженному содержанию примесей, таких как железо, марганец, медь и никель, также требует дополнительных расходов по сравнению со вторичными сплавами, которые упоминались выше.
Блоки цилиндров из заэвтектоидных алюминиево-кремниевых сплавов (AlSi17CuMg) обычно отливают методом литья при низком давлении с последующей термической обработкой на состояние Т6. Этот сплав также более дорогой, чем стандартные литейные сплавы из вторичного алюминия.
Втулки алюминиевых блоков цилиндров
Алюминиевые литейные сплавы, которые обычно применяют для изготовления блоков цилиндров, недостаточно твердые и износостойкие, чтобы непосредственно работала в паре скольжения с поршнями двигателей. Для этой цели подходят только заэвтектоидные алюминиевые сплавы типа AlSi17CuMg.
Поэтому в алюминиевых блоках цилиндров широко применяют чугунные втулки. Наиболее широко применяется метод установки чугунных втулок, при котором их вставляют в литейную форму блока цилиндра перед ее заливкой. Кроме того, чугунные втулки устанавливают также методом горячей запрессовки. Для создания прочной и износостойкой поверхности скольжения блока цилиндров применяют также различные методы напыления – термические, плазменные, электродуговые и другие.
Source: European Aluminium Association, 2011
aluminium-guide.ru
Алюминиевый блок цилиндров: «Заменить нельзя ремонтировать» (Часть 1)
«Такой блок отремонтировать нельзя! - сказал мастер, указывая на задиры в цилиндрах двигателя MercedesV8. - По крайней мере, в России технологией ремонта алюминиевых блоков не владеют. Специальное покрытие на зеркалах восстановлению не подлежит. Только менять!» - И назвал цену - цифру с некоторым количеством нулей. В долларах, разумеется...
Мы ничего не придумали. Этот разговор действительно произошел не так давно в сервисном центре одного из официальных дилеров знаменитой фирмы. Конечно, установка нового агрегата в сборе взамен вышедшего из строя удобнее и выгоднее для техцентра. Огорчало другое: профессионалы (надеемся, что в дилерских центрах работают только они) не знают (или скрывают это?), что такое - алюминиевый блок цилиндров. В смысле технологии его производства и ремонта. А ведь в России ремонт алюминиевых блоков освоен давно.
Алюминиевый блок в «интерьере»
Прежде чем выстраивать технологические цепочки ремонтных операций, надо, разумеется, знать все особенности ремонтируемой детали.
В том числе технологические «хитрости» ее производства и характер работы. У алюминиевых блоков есть много такого, о чем иные профессионалы, похоже, и не слыхали.
Первый вопрос: зачем блок цилиндров делать алюминиевым, если и чугунные блоки прекрасно работают? Ответ прост: удельная масса алюминия (2850 кг/м3) в 2,7 раза меньше удельной массы чугуна. Соответственно алюминиевый блок получается намного легче чугунного. А это важно, особенно для многоцилиндровых моторов с большим рабочим объемом. Кроме того, теплопроводность алюминия в 4 раза выше, чем чугуна. В результате этого двигатель с алюминиевым блоком быстрее прогревается, а объем системы охлаждения может быть уменьшен благодаря более эффективному охлаждению и быстрому выравниванию температуры стенок блока.
Однако реализовать на практике эти преимущества алюминия не так-то просто. Известно, что по чугунным цилиндрам прекрасно «ходят» поршневые кольца как с твердыми покрытиями, так и без таковых, и сами «мягкие» алюминиевые поршни. С алюминиевыми цилиндрами ситуация другая: сочетание «мягкого» металла поршня с таким же «мягким» материалом цилиндра мгновенно приводит к «схватыванию» металлов и заклиниванию двигателя.
Разумеется, конструкторы двигателей, принимая во внимание эти свойства металлов, разработали несколько способов решения проблемы. Один из них - блоки цилиндров с «мокрыми» гильзами.
Еще в 30-е годы прошлого века получила распространение такая схема: в алюминиевый блок цилиндров устанавливаются «мокрые» чугунные или стальные гильзы. Что называется, и «волки сыты (то есть блоки стали легкими), и овцы целы» - поршни и кольца «ходят» по традиционной твердой поверхности. Такая схема благополучно дожила до наших дней: многие моторы как отечественных, так и иностранных автомобилей имеют подобные блоки цилиндров (вспомним хотя бы наши «волги» и «москвичи»).
Однако простота решения проблемы оказалась весьма обманчивой - схема с «мокрыми» гильзами не лишена недостатков. Жесткость блока, где гильзы «живут» своей жизнью, снижается, что приводит к необходимости увеличивать толщину его стенок, а гильзы при обжатии головки блока деформируются, вызывая повышенный угар масла. Кроме того, такая конструкция оказалась чувствительной к перегреву - прокладка головки блока обычно теряет герметичность даже при не слишком большом и длительном превышении допустимой температуры двигателя.
Эти тонкости можно было не принимать во внимание до тех пор, пока двигатели оставались тихоходными и малонагруженными, а нормы токсичности выхлопа - весьма демократичными. Но к 80-м годам пошлого века ситуация изменилась, и конструкция, прожившая без малого полвека, перестала удовлетворять новым требованиям в полной мере.
Следующим шагом стало появление блоков цилиндров из алюминия с «сухими» чугунными гильзами. Такая схема отрабатывалась многими производителями, но компания Honda первой внедрила в массовое производство конструкцию алюминиевого блока с залитыми тонкими «сухими» чугунными гильзами, и с конца 70-х годов все моторы этой фирмы стали оснащаться такими блоками. Постепенно эта схема завоевала своих сторонников - к 2000-му году такие блоки применяли Renault, Volvo, GM, Suzuki, Subaru, Rover и другие производители.
Нередко вместо чугуна гильзы выполняют из композиционных материалов на чугунной основе. Износостойкость таких гильз значительно выше, чем у цельнолитых чугунных блоков (применение дорогостоящих композиционных материалов при изготовлении последних неоправданно, по экономическим соображениям, из-за их большой массы).
Схема с «сухими» гильзами реализует все преимущества легких алюминиевых блоков, прекрасно сочетая их с технологичностью чугунных, а именно: с возможностью растачивания и хонингования цилиндров в увеличенный (ремонтный) размер поршней. Вместе с тем и эта схема не свободна от недостатков. Чугун, из которого изготовлена гильза, имеет меньшие, нежели алюминий, коэффициенты теплового расширения и теплопроводности. Необходимы специальные меры для исключения «отрыва» гильзы от алюминиевой стенки (с этой целью нередко гильзу снаружи делают ребристой). При этом рабочий зазор поршня в цилиндре, как и в простом чугунном блоке, при нагреве уменьшается, а при охлаждении увеличивается, даже если материалы поршней и блока одинаковые. В результате при больших пробегах возможно появление «холодного» стука поршней и, как следствие, повышенного угара масла.
Цельноалюминиевые блоки цилиндров появились приблизительно в те же годы. Технологию их производства отработала немецкая фирма Mahle. Суть идеи заключается в том, что сохраняется пара «железо-алюминий» для поршня и цилиндра, но при условии, что цилиндр выполнен алюминиевым, в то время как алюминиевый поршень гальванически покрыт тонким (0,02- 0,03мм) слоем железа.
Теперь все встало на свои места: поршень в цилиндре не заклинит, зато тепловое расширение цилиндра и поршня практически одинаково. Тогда рабочий зазор не будет «гулять», и его можно сделать очень малым (0,01-0,02 мм), не боясь возникновения задиров и «прихватов». Значит, ресурс деталей повысится, по крайней мере, в 1,5 раза.
Однако то, что в теории просто, на деле оборачивается новыми проблемами. На практике, когда поршневые кольца работают по алюминию, ресурс поршневой группы оказывается невелик вследствие слишком «мягкой» рабочей поверхности цилиндра.
Проблему решили, применив специальную технологию литья блока из алюминиевого сплава с содержанием кремния более 18%. Быстрое охлаждение участков заготовки блока в зоне цилиндров приводит к направленной кристаллизации кремния y зеркала цилиндров. Далее, после механической обработки поверхность цилиндров дополнительно обрабатывают химическим травлением. В результате этой операции кислота, взаимодействуя преимущественно с алюминием, «вымывает» его слой толщиной несколько микрон, оставляя на поверхности лишь кристаллы кремния.
Теперь и поршень, и поршневые кольца будут «работать» не по алюминию, а по твердому кремнию - износостойкость и долговечность этих пар трения гарантирована, причем она заметно выше, чем у обычных чугунных цилиндров. Правда, при этом поршневые кольца, все без исключения, должны иметь твердое хромовое покрытие, поскольку именно этот металл обеспечивает наивысшую износостойкость в паре с кремнием.
Блоки цилиндров, изготовленные с помощью описанной технологии, получили достаточно широкое распространение у немецких производителей автомобилей: это двигатели Mercedes V8 и V12, Audi V8, Porsche L4 и V8, BMW V8 и V12. Та структура материала, которая получена на поверхности цилиндров этих цельноалюминиевых блоков, по терминологии фирмы Mahle называется Silumal. Поршни для таких блоков имеют особое покрытие Ferrostan (фирма Kolbenschmidt, также использующая эту технологию, дает ей другое название - Alusil).
Описанные цельноалюминиевые блоки прекрасно ремонтируются, их можно растачивать и хонинговать в ремонтный размер без всяких ограничений. Правда, при ремонте необходима специальная операция - финишная доводка поверхности цилиндров.
К сожалению, при всех преимуществах пара «Silumal-Ferrostan» (цилиндр-поршень) все-таки не идеальна. В отличие от традиционных чугунных блоков цельноалюминиевые очень «не любят» перегрева и плохой смазки. В таких нештатных условиях на поверхности цилиндров нередко возникают глубокие задиры, практически выводящие двигатель из строя. Это естественная плата за меньшую прочность и твердость алюминиевого сплава по сравнению с чугуном.
Очевидно, чем больше кремния окажется на поверхности цилиндров в цельноалюминиевом блоке, тем выше будут их износостойкость и долговечность. Однако применять на практике технологию направленной кристаллизации довольно трудно и дорого. Фирма Kolbenschmidt предложила другое решение: на стадии изготовления блока в него устанавливаются уже готовые алюминиевые гильзы (технология Locasil). Это позволяет использовать для блока более дешевый алюминиевый сплав и на поверхности цилиндров получить очень высокую концентрацию кремния - до 27%. Хотя отмеченные недостатки цельноалюминиевых блоков сохраняются и здесь.
Поскольку «мягкая» поверхность цилиндров алюминиевого блока уступает чугуну, то почему бы не сделать ее более твердой? То есть нанести настоящее твердое покрытие? Такие блоки цилиндров с твердым покрытием начали применять уже давно. Это покрытие представляет собой слой никеля толщиной 0,1-0,2 мм со сверхтвердыми частицами карбида кремния SiC размером 3 мкм. Разработчик этой технологии фирма Mahle называет это покрытие Nicasil (фирма Kolbenschmidt использует другое название - Galnical).
Первоначально технология Nicasil применялась в 60-70-х годах для блоков цилиндров дорогих эксклюзивных или спортивных автомобилей. Кстати, моторы автомобилей «Формулы-1» имеют аналогичное покрытие на гильзах цилиндров. Но в массовом производстве эта технология начала применяться лишь в начале 90-х (в качестве примера можно привести двигатели М60 и М52 фирмы BMW).
В отличие от цельноалюминиевых блоков покрытие Nicasil не требует каких-либо изменений материала поршней, т.к. по этому покрытию прекрасно работают и обычные алюминиевые поршни. А вот с поршневыми кольцами для этих блоков ситуация сложнее. Традиционные хромированные кольца не подходят: два сверхтвердых материала (хром и Nicasil) плохо сочетаются друг с другом. Поэтому для цилиндров с твердым покрытием рекомендуются другие кольца - например, чугунные фосфатированные без твердого покрытия.
Мотористы, впервые встретившие алюминиевые блоки цилиндров в своей практике, нередко путают их и не могут точно определить, с каким именно блоком - с покрытием или без него - они имеют дело. На самом деле установить тип блока просто: достаточно «царапнуть» острым металлическим предметом по верхнему краю цилиндра. Цельноалюминиевый блок царапается очень легко, причем царапина получается глубокой, поскольку поверхность цилиндра из мягкого алюминиевого сплава. На чугунном цилиндре царапины будут незначительными. И лишь на покрытии Nicasil не останется никакого следа - настолько высока его твердость.
Несмотря на то, что износостойкость покрытия Nicasil существенно превышает аналогичный показатель обычных чугунных блоков цилиндров, некоторые недостатки этой технологии все же надо отметить. Основа блока - алюминиевый сплав - остается относительно «мягким», поэтому при серьезных поломках (обрыв шатуна, прогар и разрушение поршня) тонкое покрытие легко пробивается и уже не может быть восстановлено. Да и в случае естественного износа ремонт, как правило, не предусматривается, т.к. покрытие имеет малую толщину, из-за чего при обработке цилиндра можно легко обнажить алюминий. По этой причине ремонтных поршней для большинства таких блоков «в природе» не существует (лишь для некоторых моторов выпускаются ремонтные комплекты поршневой группы с увеличенным на 0,08-0,10 мм размером).
Но если фирма-производитель не предусматривает технологии ремонта, это вовсе не значит, что изношенный блок нельзя отремонтировать. Скажем больше - алюминиевый блок цилиндров, изготовленный по любой из описанных выше технологий, как правило, подлежит ремонту не только в случае износа цилиндров, но даже при более серьезных повреждениях. Как это можно сделать, мы расскажем в наших следующих статьях.
www.motornn.ru
