Rotate the screen

Ковані поршні та їх переваги

Ковані поршні та їх переваги

«У форсованому двигуні застосовані ковані поршні …». Знавцям тюнінга ця фраза знайома, згадка про кованих порушених часто зустрічається в описі конструкцій спортивних двигунів.

Поршні двигуна – одна з найскладніших і навантажених деталей. Сучасна тенденція в спортивному тюнінгу – зростання максимальних обертів двигуна. Отже доводитися боротися за масу поршня, адже чим легше поршень, тим менше він під дією бічних складових сил інерції притискається до поверхні циліндра. А значить, менше будуть механічні втрати, вища потужність, як правило, більший ресурс і вищі максимально допустимі обороти двигуна.

У боротьбі за зниження маси поршень придбав оригінальну форму, але геть втратив простоту. По-перше, як відомо, метал при нагріванні розширюється, причому поршень розширюється нерівномірно, більше в напрямку, паралельному осі поршневого пальця, і менше – в площині гойдання шатуна.

Відбувається це через те, що метал в області бобишок-припливів під поршневий палець більше, і тому якщо, припустимо, поршень був би циліндричним в холодному стані, то при нагріванні до робочої температури він стане овальним. Точно так і поводиться конусна спідниця поршня двигуна.

Все це призводить до скорочення плями контакту поршня з поверхнею циліндра, підвищеного зносу, а в гіршому випадку – задир. Прикіпання поршнів і заклинювання двигуна. А адже крім нагріву, поршень піддається і тиску газів, і впливів сил інерції, і під їх впливом теж деформується.

Зрозуміло, що поршень повинен бути якомога легше, міцніше і якомога менше змінювати свою форму при нагріванні та інших впливах.

Ось типовий портрет сучасного поршня для двигуна автомобіля або мотоцикла. Він (поршень) відливається із аллюмінієвої сплаву з додаванням кремнію і в холодному стані має овальну форму, щоб при нагріванні поршня, в силу згаданих вище причин, наблизитися до циліндричної. А для того, щоб оптимізувати за формою пляма контакту спідниці поршня з циліндром, профіль спідниці поршня роблять бочкообразним, причому з запасом, щоб поршень зберіг форму барильця і в гарячому стані.

Крім того, з метою звести до мінімуму температурну деформацію поршня, в тіло поршня заливають сталеві, термокомпенсуючі вставки, які покликані утримувати область бобишок від надмірного розширення. Головний недолік литих поршнів – процес лиття не вільний від великого відсотка технологічного браку, усередині металу майбутнього поршня утворюються порожнечі, виникають тріщини. Та й твердість сплаву після лиття і загартування відносно не висока: 80 одиниць за шкалою Бринеля.

Тому, щоб дотримати необхідну міцність литого поршня, його масу доводиться збільшувати. Приміром звичайний заводський поршень для 16V двигуна ВАЗ, одержуваний литтям у кокіль, важить 370 грам. Як альтернатива заводським, литим поршням з’явилися штамповані поршні. Ці поршні отримують не багаторазову обробку тиском, а одноразового. Заготівля поршня поміщається в матрицю, притискається пуансоном і напівфабрикат поршня готовий. Природно, остаточну форму поршня він придбає тільки після механічної обробки.

Штампування поршня під тиском дозволяє усилити метал і одночасно зробити поршень набагато більш легким, міцним, надійним і довговічним.

При цьому виникає проблема неможливості (вірніше великої складності) запресовування в поршень термокомпенсирующих вставок і внаслідок цього необхідність у більш ретельному підборі профілю поршня.

В якості сировини для виготовлення кованих поршнів використовують висококремнистий алюміній (вміст кремнію 10-18%), підданий попередньої деформації, у вигляді прутка, що пройшов багаторазову протяжку через фільєри. Пруток ріжеться, і болванками закладається в гідравлічний прес.

Зусилля в 250 тонн і температура 500 градусів, підтримувана системою індукційного нагріву, робить дива: метал майбутнього поршня, немов пластилін, за кілька секунд розтікається між матрицею і пуансоном, приймаючи форму заготовки поршня. Оскільки процес виготовлення поршня протікає при незмінній температурі, називається він ізотермічної штампуванням. Постійний нагрів грає тут велику роль, адже якщо температура в зоні матриці впаде, то можлива недоштамповка поршня, ті нерівномірний розподіл металу.

Якщо температура підвищиться, то алюміній майбутнього поршня попросту почне плавитися. У результаті ізотермічного штампування з попередньо деформованого металу і наступного циклу гарту і обов’язкового старіння, виходить заготовку під майбутній кований поршень з високими механічними характеристиками – твердість 130 одиниць і відсутність технологічного браку типу каверн, раковин і тріщин. Комплект наділених поршнів версії «Тюнінг» важить на 50 грам легше, у порівнянні зі стандартними.