Поверните экран

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.