О качестве поршневых колец

Журнал "За рулем" №6 2000 год

ЧТО НАДЕНУТ НА ПОРШЕНЬ

Технический прогресс затрагивает даже самые мелкие, на первый взгляд, детали автомобиля.

Поршневые кольца в этом не только не отстают от других “железок”, но могут служить примером (см. таблицу).

Начнем плясать от печки, вернее, от поршня. По мере совершенствования двигателей канавка первого поршневого кольца постепенно сдвигалась вверх – ближе к камере сгорания. Это, во-первых, позволяет уменьшить высоту и массу поршня, во-вторых, что сегодня важнее, – снизить токсичность отработавших газов, сократив объем полости между стенкой цилиндра и верхним (жаровым) поясом поршня – попавшие сюда пары топлива практически не сгорают. Очевидно, что приближение кольца к камере сгорания отразилось на его температуре. Чтобы сдержать ее рост, приходится уменьшать зазор между поршнем и стенкой цилиндра, но при этом крайне необходимо очень точно профилировать поршень, иначе не избежать задиров. В холодном состоянии диаметр цилиндра в районе жарового пояса делают переменным по высоте – с небольшой конусностью. И лишь после нагрева поршень становится действительно цилиндрическим.

1. Составное маслосъемное кольцо.	2. Несоставное маслосъемное кольцо.

Еще одна проблема – износ канавок колец. Для борьбы с ним в алюминиевом теле поршня делают твердые вставки под одно или два верхних кольца – на дизелях такая конструкция давно стала нормой. Иногда такое решение подталкивает к изменению термообработки самих колец, но об этом чуть позже.

Один из главных вопросов, который приходится решать сегодня, – выбор материала для колец: чугун или сталь? Хотя, кажется, совсем недавно вопрос так остро не стоял. Традиционный материал колец – высокопрочный чугун с глобулярным графитом (вид микроструктуры чугуна) – всем был хорош, пока высота колец составляла 2,0–2,5 мм. Следуя тенденции к снижению этого размера, сейчас из чугуна делают кольца высотой менее 1,5 мм. Пределом может стать 1,2 мм, а вот дальше – увы… компрессионные кольца высотой 1,2 мм (норма для большинства перспективных двигателей), 1,0 мм и даже 0,8 мм (есть и такие) уже сегодня предпочитают делать из стали. Меньшая высота пояса колец позволяет конструкторам заметно снизить высоту поршня, а значит, уменьшить высоту двигателя, повысить жесткость конструкции, снизить силы инерции и увеличить максимальную частоту вращения. Вот вам и маленькая деталь. Добавим, что стальные кольца почти никогда не ломаются, обладают большей упругостью и прочностью на изгиб, позволяют добиться меньшего износа как самого кольца, так и канавок (читай – увеличить ресурс).

Современное стальное азотированное кольцо с нитридом титана.

Медленно, но верно изменяется и термообработка колец. Сегодня еще считается современным покрытие рабочей поверхности кольца хромом или молибденом. Но вот уже несколько лет серийно изготавливают кольца с хромированием всей поверхности первого кольца. Необходимость этого обусловлена как раз вставками в поршень, которые упоминались выше. Ведь контактирующее со вставкой кольцо быстрее изнашивается по нижней и верхней поверхностям. Следующий этап – азотирование стальных колец по всей поверхности. А дальше? У колец фирмы SM (“Шоттле Моторентайле”, ФРГ) для моторов формулы 1 на рабочую поверхность нанесено титановое покрытие, которое после азотирования превращается в нитрид титана (фото 1). Получаемая твердость почти в два раза выше, чем при хромировании. Такие кольца уже делаются серийно.

Есть новинки и в механической обработке колец. Сегодняшний конек фирмы “Шоттле” – микрохонинговка рабочей поверхности глубиной 0,001 мм: такая поверхность кажется матовой и приобретает привычный блеск только после приработки.

Хороший пример того, как влияют современные технологии на срок службы изделий, – новый “Мерседес-Актрос”: устанавливаемые на нем кольца рассчитаны на 1 млн. км (!).

Второе поршневое кольцо особого внимания конструкторов не заслужило и лишь копирует некоторые технические решения, применяемые при изготовлении “первого номера”. А вот третьему кольцу кое-что перепало. Здесь тоже наблюдается борьба стали и чугуна, но не столь острая. Общие тенденции таковы: на бензиновые двигатели чаще ставят составные маслосъемные кольца (фото 2), на дизели – более привычные с перевернутой П-образной формой сечения (фото 1). Но борьба за уменьшение размеров ведется и здесь.

Японские поршневые кольца (а отделение фирмы SM, специализирующееся на кольцах, принадлежит японской компании NPR) поставляют в Россию вот уже четыре года. Означает ли это, что машины некоторых россиян имеют такие же кольца, как на “шестисотом” “Мерседесе”? В общем, да. Но ресурса, близкого к самому престижному в России автомобилю, им не достичь – слишком много факторов влияет на работу колец. Важнейших – четыре: геометрия цилиндра, качество его хонинговки, качество масла и очистка воздуха. Испытатели ЗР находили задиры в цилиндрах совсем новых отечественных машин. Вот вам и условия работы колец. Даже такая мелочь, как нестандартная прокладка головки блока при стандартных моментах затяжки, может вызвать отклонение в геометрии цилиндров (а несоблюдение самого момента затяжки и подавно). Не менее важно, как поставить кольцо, используя специальные приспособления. Стоит перестараться с разжиманием кольца, и комплект можно выбрасывать. Ведь даже при видимом сохранении формы необходимого распределения давления по окружности цилиндра уже не достичь.

Наша справка
НА ПРЕОДОЛЕНИЕ ТРЕНИЯ поршневых колец приходится от 40 до 60% всех механических потерь в двигателе. В особо тяжелых условиях работает первое кольцо. На него приходится около 60% потерь на трение всех колец, оно сдерживает примерно 50% давления газов в цилиндре, а при отсутствии масляного охлаждения поршня пропускает через себя до 60% тепла, достающегося поршню.

Отметим попутно одно из преимуществ стальных азотированных колец – способность работать по любому материалу цилиндра, будь то чугун, алюминий, сталь, никасиль или хром, чего нельзя сказать о кольцах с покрытием молибдена или хрома.

И наконец о том, почему за рубежом не выпускают колец ремонтных размеров, ведь их индивидуальный подбор кажется просто необходимым. Ответ прост. Установка кольца с номинальным размером в цилиндр с наибольшим ремонтным размером приведет к увеличению зазора в замке кольца с 0,2–0,4 мм до 0,35–0,55 мм. А при всех “номинальных” размерах – уже через 10–20 тыс. км пробега зазор оказывается не меньше. Вот и решили там, что изготовление колец под все ремонтные размеры экономически неоправданно, а хорошая работа колец достигается совсем иначе. Как – мы уже рассказали.

Автор: Александр БУДКИН