24.10.2013. Технология GLYCO -199: подшипники GLYCO Sputter Bearings ®

В последние годы технологии позволили значительно повысить рабочие характеристики двигателей, что очевидно на примере развития дизельных двигателей для легковых и грузовых автомобилей, чей КПД на литр рабочего объема повысился за последние десять лет с 34 кВт/л до 63 кВт/л, увеличив тем самым нагрузки на подшипники двигателя. Одним из основных требований, предъявляемых к подшипникам скольжения двигателя, является достаточная допустимая нагрузка, которая рассчитывается на основе среднего давления при сгорании, площади поперечного сечения поршня и площади поперечного сечения вкладыша подшипника. С 1965 по 2000 год удельные нагрузки на коренные и шатунные подшипники двигателей легковых и грузовых автомобилей повысились. В некоторых случаях за этот период удельная допустимая нагрузка более чем удвоилась. Только подшипники Glyco Sputter Bearings® Glyco-199 способны обеспечить соответствие самым жестким требованиям, предъявляемым к двигателям, с точки зрения способности выдерживать нагрузки  и срока эксплуатации. Загрязнение и геометрические погрешности коленчатого вала создают граничное трение, которое в свою очередь приводит к локальному нагреву и повреждению подшипника. Таким образом, с повышением скорости скольжения (т.е. с увеличением оборотов двигателя) удельная допустимая нагрузка подшипника понижается. И наоборот, с понижением скорости скольжения толщина масляной пленки (вместе с ней и допустимая нагрузка подшипника) уменьшается. Если толщина масляной пленки примерно равна максимальной высоте неровностей, то это вызывает смешанное трение, создающее теплоту трения, которая также снижает допустимую нагрузку подшипника и сокращает срок его эксплуатации.

Процесс
В ответ на все возрастающие требования к технологиям, применяемым в подшипниках двигателя, заводы Glyco приступили к новым разработкам еще в 1970 году. Годы исследовательской работы оформились в новый производственный процесс, который позволил соединить алюминиево-оловянный слой скольжения, обладающий высокой износостойкостью, со слоем литого подшипникового материала из меди и свинца, характеризующимся высокой допустимой нагрузкой. Glyco создала самый прочный из известных на сегодняшний день материал для подшипников двигателя! Измененный процесс катодного распыления, примененный для нанесения покрытия осаждением из паров (PVD), обеспечил технологию, которая требовалась для производства необходимых соединений слоев (Рисунок 1).

[Рис. 1] Физический принцип процесса распыления Glyco-199

При распылении диспенсерный катод из сплава алюминия с оловом бомбардируют плазмой аргона, что приводит к отложению атомов алюминия и олова как накладки на специально подготовленные подшипники двигателя. Процесс нанесения покрытия осаждением из паров (PVD) создает исключительно ровную легированную матрицу, обладающую великолепной износостойкостью и устойчивостью к очень высоким нагрузкам. Структура подшипников Glyco Sputter Bearings® объясняет, почему они обладают такими высокими рабочими характеристиками. Связь между литым под давлением слоем подшипникового металла из свинцовистой бронзы и поверхностью скольжения укрепляется за счет промежуточного слоя из чистого никеля, толщина которого составляет примерно 2 микрона (Рисунок 2).

[Рис. 2]
Никель предотвращает диффузию атомов между свинцовистой бронзой и напылением

Срок эксплуатации двигателей грузовых автомобилей, снабженных подшипниками Glyco Sputter Bearings® , достигает одного миллиона километров, и в настоящее время производители двигателей работают над тем, чтобы увеличить его до 1,6 миллиона километров. Компьютеризированный процесс, обеспечивающий высочайшую степень высоты и соблюдение эталонов точности, делает возможным поддержание однородного высокого качества в массовом производстве. При критических нагрузках даже минимальные расхождения могут пагубно сказаться на надежности работы подшипника, поэтому очень важно обеспечить совершенно бездефектное производство.

Советы по ремонту и приработке подшипников GLYCO Sputter Bearings ®
Прочность напыленного слоя придает подшипнику высочайшие износостойкость и усталостную прочность. Напыленный слой AISn20 чувствителен к частицам загрязнения, воде или щелочи, содержащимся в смазочном масле. Последние могут попасть в моторное масло из охлаждающей жидкости.

Для правильного ремонта двигателя необходимо учитывать характеристики подшипников Glyco Sputter Bearings®. При высоких нагрузках толщина масляной пленки уменьшается настолько, что даже мельчайшие частицы загрязнения могут нарушить ее. С другой стороны, высокая износостойкость твердого напыленного слоя означает, что к неровностям поверхности коленчатого вала он прирабатывается медленнее.

Поэтому шатунные шейки и посадочные гнезда должны быть в оптимальном состоянии с точки зрения геометрии и шероховатости поверхности. Во время приработки нагрузки могут вызвать деформацию посадочного гнезда. Оригинальный подшипник может приработаться к такой деформации во время обкатки, но при установке новых подшипников уменьшенный люфт в зонах деформации способен вызвать разрушения масляной пленки. По этим причинам также необходимо тщательно обработать посадочные гнезда.

В сравнении с обычными поверхностями слои с поверхностью повышенной прочности подшипников Glyco Sputter Bearings® снижают способность приработки к частицам загрязнения. По этой причине подшипники Glyco Sputter Bearings®, как правило, состоят из вкладыша с напыленным слоем и вкладыша с более мягкой поверхностью качения.

Вкладыш с напылением устанавливают в зонах, подверженных высоким нагрузкам, в то время как более мягкий вкладыш применяют рядом с тем подшипником двигателя, на который действуют меньшие нагрузки. Более мягкий полувкладыш обладает большей способностью поглощать содержащиеся в масле частицы загрязнения, чем напыленный слой.

Такое технологическое решение доказало свое превосходство на практике. Тем не менее, тщательная очистка всех частей двигателя и системы смазки, а также полная чистота при ремонте и сборке двигателя — важнейшие обязательные условия успешного проведения технического обслуживания. Перед первым запуском необходимо удалить все оставшееся загрязнение, промыв неработающий двигатель.started for the first time.

Если максимальные допустимые обороты двигателя составляют nмакс., необходимо следовать следующей процедуре приработки:

Во время обкатки нагрузка на двигатель не должна превышать 15-20% от максимальной.

Бессвинцовые втулки и подшипники

Новые законодательные требования
Каждый год в Европейском союзе создается от 8 до 9 миллионов тонн отходов в связи с окончанием срока эксплуатации автомобилей. В 1997 году Европейская комиссия приняла предложение по Директиве, задача которой заключается в повышении экологической чистоты процесса демонтажа и переработки автомобилей, постановке четких, поддающихся количественному определению целей в отношении повторного использования, переработки и восстановления автомобилей и их компонентов, стимулировании производителей к выпуску новых автомобилей с учетом требований их пригодности к переработке для вторичного использования.

Законодательный акт, регулирующий использование свинца, был официально принят в сентябре 2000 года и оказал влияние на тысячи занятых в автомобильной промышленности предприятий, начиная от производителей автомобилей и заканчивая компаниям, специализирующимися на проведении капитальных ремонтов двигателей, т.к. Директива 2000/53/EC «По транспортным средствам с выработанным ресурсом» Европейского союза запретила использование свинца. Данный законодательный акт, вступивший в силу 1 июля 2003 года, первоначально предоставлял исключение для всех подшипников, использующихся в системах двигателей, коробок передач и трансмиссий. Но позднее это исключение было добавлено и теперь должно прекратить свое действие в 2011 году.

Приверженность Federal-Mogul защите окружающей среды
Благодаря специализированным разработкам своих научноисследовательских подразделений корпорация Federal-Mogul уже в 2008 году стала лидером в области бессвинцового производства и в настоящее время готова поставлять надежные бессвинцовые материалы, обладающие великолепными характеристиками, способные обеспечить соответствие требованиям Директивы ЕС и те характеристики двигателей, которые необходимы для современной автомобильной промышленности. Это явным образом свидетельствует о нашей приверженности инновациям и защите окружающей среды, а также еще раз подтвердило лидирующие позиции Federal-Mogul в данных областях, которая продолжает оставаться компанией №1 на рынке, предлагающей лучшие из существующих подшипниковых материалов. И хотя поставку подшипников, в которых свинец заменен другими материалами, для старых автомобилей (но не новых) можно начать осуществлять только после второго законодательно установленного предельного срока, корпорация Federal-Mogul самостоятельно взяла на себя обязательства по экологически чистому производству. Где это только технически возможно, мы идем дальше требований законодательства, ставя перед собой цель отказаться от использования свинца в производстве подшипников и втулок.

Бессвинцовые материалы
Благодаря своему опыту мирового класса в областях технологических разработок, металлургии и производства корпорация Federal-Mogul совместно с производителями комплектного оборудования разрабатывает материалы, соответствующие новым законодательным требованиям, обеспечивая при этом максимальные рабочие характеристики двигателей, снижение загрязнения окружающей среды и применяя менее опасные материалы.

Научно-исследовательский отдел корпорации Federal-Mogul уже создал втулки и подшипники, не содержащие свинца. Рядом новых запатентованных технологий уже пользуются многие производители комплектного оборудования, и такие технологии станут той основой, которая позволит обеспечить соответствие новым директивам ЕС и достичь необходимой эффективной мощности как тех двигателей, которые выпускаются сегодня, так и тех, что будут выпускаться в будущем. Примеры некоторых из новых запатентованных технологий приведены ниже:

• материалы для бронзовых втулок L • F-4, LF-5, LF-8 и RC-9;
• бессвинцовые наружные слои G-444 и G-488 (уникальная технология обработки в ванне MSA корпорации Federal-Mogul);
• новые G-499 Sputter и RVD G-469 (быстрое вакуумное напыление);
• инновационные технологии по использованию алюминия в производстве подшипников: подшипниковые материалы

A-273, A-370®, A-480 и A-590;
• передовые концепции производства;
• новая технология сверления;
• лазерная сварка.

Более 100 лет компания Glyco являлась ведущим поставщиком подшипников для двигателей. Благодаря передовым разработкам в области материалов и совершенству производственного процесса мы продолжаем занимать лидирующие позиции и в этой новой «бессвинцовой эре». Glyco выработала новые стандарты и стала эталоном в области новых подшипниковых материалов. Именно поэтому она является предпочтительным поставщиком для многих производителей комплектного оборудования.

Бессвинцовая технология GLYCO : A-370® и CS-4
Новый запатентованный материал Glyco A-370®, не содержащий свинца, позволил корпорации Federal-Mogul занять лидирующие позиции, т.к. этот материал обеспечивает высочайшие эксплуатационные качества при высокой усталостной прочности и хорошей адаптивности. Кроме того, нами был разработан бессвинцовый бронзовый сплав CS-4, не содержащий никаких примесей. CS-4 применяется в качестве подложки для производства новых наружных слоев G-444 и G-488 с использованием новой уникальной технологии обработки в ванне корпорации Federal-Mogul. CS-4 также применяется в производстве подшипников Glyco Sputter Bearings® самого последнего поколения, выпускаемых теперь без свинца с использованием инновационных наружных слоев G-469 и G-499.

Обычно медные сплавы содержат свинец. Во время исследований и разработки решений по организации бессвинцового производства корпорация Federal-Mogul упорно трудилась над созданием бронзовых сплавов, не содержащих свинца. И было это сделано по той причине, что без свинца медные сплавы имеют тенденцию к затвердеванию. При добавлении таких примесей, как металлическая пудра, подшипники, изготовленные из такого сплава, не изменяют свою форму, а посторонние вещества могут попасть в подшипник. За счет усовершенствования материалов и способов производства прочность бронзового сплава CS-4 удалось повысить практически до прочности свинцово-медного сплава.

[Рис. 3]
Поперечный разрез вкладыша подшипника из A370®.
Промежуточный слой из чистого алюминия связывает слой из олова и алюминия со стальной посадочной поверхностью.

Технология GLYCO -188

Принцип и преимущества
За последние годы требования, предъявляемые к материалам подшипников двигателя, повышаются в двух направлениях. Во-первых, требование отказаться от применения свинца (в добавление к другим белым сплавам) все больше и больше приобретает законодательный характер. Во-вторых, эксплуатационные нормативы современных легковых автомобилей продолжают повышаться.

Развитие двигателей с первоначальным сгоранием топлива в предкамере привело к повышению рабочих характеристик. В то же время габариты и вес частей двигателя и его частей уменьшились. Уменьшение габаритов подшипников скольжения двигателя вызвало повышения нагрузки на них. Результатом уменьшения веса частей двигателя явилось увеличение деформации шатунов и блока двигателя, что, в свою очередь, вызвало еще большее повышение нагрузки на подшипники. Следствием этого стало то, что очень часто развитие производства подшипников из сплава олова с алюминием и свинцовистой бронзы прекращалось.

Разработанные корпорацией Federal-Mogul подшипники Glyco Sputter Bearings® приобрели широкую известность. Эти подшипники способны выдерживать даже более высокие нагрузки, но их недостаток заключается в высоких издержках производства с использованием существующей технологии. Срок эксплуатации подшипников Glyco Sputter Bearings® (технический термин — Glyco-199) в два раза превышает срок эксплуатации обычных подшипников. Центр разработок корпорации Federal-Mogul, расположенный в г. Висбаден, постоянно работал над решением этой проблемы, и результатом этой работы стал новый подшипниковый материал Glyco-188.

Структура слоев этого материала (Рисунок 5): слои из бронзы и из сплава олова с никелем наносят на стальную основу. Промежуточный слой из никеля, расположенный между двумя другими слоями, предотвращает диффузию атомов олова в слой из бронзы.

[Рис. 5] Процесс изменений Glyco-188

В результате внедрения новых способов производства теперь можно отказаться от добавления дополнительного слоя в материал, состоящий из олова и меди. Если бы не медь, то относительно мягкая матрица из олова затвердела бы.

На этапе первоначальной обкатки двигателя слой из сплава олова с медью остается относительно мягким и хорошо прирабатывается к структуре поверхности коленчатого вала. Процесс диффузии усиливается под воздействием температур, создающихся при работе двигателя. Со временем диффузия атомов никеля из промежуточного слоя и атомов олова из слоя из сплава олова с медью приводит к увеличению слоя из сплава олова с никелем (Рисунок 6). В результате отложения меди из слоя из сплава олова с медью, который становится тоньше, этот слой становится прочным и устойчивым к усталости.

[Рис. 6] Изменение слоев Glyco-188: диффузия атомов увеличивает толщину слоя из сплава олова с алюминием.

Заключение

Подшипники двигателя работают в очень жесткой среде. Учитывая широкий диапазон рабочих оборотов двигателя, температуры и другие параметры, эти столь важные компоненты призваны обеспечить защиту коленчатого вала и блока двигателя от преждевременного износа и разрушения.

Собственно, износ — это ожидаемое от подшипников явление, но происходить он должен постепенно, за миллионы и миллионы оборотов двигателя и тысячи километров пробега. Однако защита самих подшипников от ускоренного износа — это задача, которую должны решать компании по проведению капитальных ремонтов двигателей за счет обеспечения полного отсутствия загрязнений в двигателе, а также поддержания надлежащих внутренних допусков.

Грязь — наиболее распространенный «враг» подшипников. На самом деле, преждевременный износ подшипников можно проследить по наличию частиц загрязнения в смазочном масле. Именно поэтому очень важно полностью очистить двигатель от загрязнения во время ремонта.

Для качественной переборки двигателя также необходимо уделять пристальное внимание внутренним рабочим допускам. Расхождения в размерах и форме шеек коленчатого вала, соприкасающихся поверхностей и посадочных гнезд могут привести к немедленному и серьезному повреждению отремонтированного двигателя.

Чтобы обеспечить качество любого капитального ремонта, технический персонал также должен подробно документировать в письменной форме каждый этап проводимого ремонта. Если в последующем возникнут вопросы или проблемы в отношении надежности, то такие записи можно использовать как весьма ценное руководство по поиску и устранению неисправностей.

По материалам компании Federal-Mogul