При работающем двигателе между подшипниками и шатунными шейками образуется и сохраняется масляная пленка.

Масляная пленка выполняет две функции.
Основное предназначение масляной пленки - отделить подшипник от шатунной шейки, что снижает трение и предотвращает износ дорогостоящих частей. Толщина смазочной пленки определяется четырьмя факторами: нагрузкой на подшипник, скоростью скольжения, вязкостью смазочного масла и люфтом подшипника.

Вторая функция масляной пленки — охлаждение подшипника и шатунных шеек. По той причине, что молекулы масла перетекают по узкому смазочному зазору, они «трутся» друг о друга, а такое трение вызывает нагрев масла, подшипников и шатунных шеек. Большая часть генерируемой теплоты должна отводиться за счет самой масляной пленки. Оставшаяся часть теплоты передается через коленчатый вал и вкладыш подшипника на картер двигателя или шатун. Затем генерируемую теплоту необходимо отвести опять же за счет самой масляной пленки. В современных двигателях основная часть потока масла используется для охлаждения подшипников, а его совсем незначительная часть необходима собственно для самой смазки.

Смазывание подшипников двигателя
Для того чтобы обеспечить подачу масла к различным подшипникам, двигатель снабжен широкоразветвленной системой маслопроводов. Сначала масло всасывается из поддона картера и насосом подается через масляный фильтр. Затем оно проходит через отверстия в блоке двигателя, отверстия и пазы верхнего вкладыша коренного подшипника на шейку коренного подшипника коленчатого вала.

Давление масла в коренном подшипнике обеспечивает обильную подачу масла через отверстия в коленчатом вале далее на шатунный подшипник (Рисунок 1). В двигателях, работающих при больших нагрузках, давление масла в шатунном подшипнике «перекачивает» часть масла через отверстие в шатуне на малую головку шатуна (Рисунок 2), которая также может смазываться каплями масла, стекающего с поршней. В этом случае масло проходит через отверстие в верхней части головки шатуна на втулку малой головки шатуна/подшипник поршневого пальца.

[Рис. 1]
Шейки коленчатого вала с маслопроводами, показанными прерывистыми линиями. Давление масла в коренных подшипниках «перекачивает» масло по этим маслопроводам к шатунным подшипникам.

Кроме смазочных отверстий вкладыши подшипников и втулки часто имеют и смазочные канавки, предназначенные для равномерного распределения масла по подшипнику. Смазочные канавки также помогают передавать масло через отверстия в шейке коленчатого вала далее к точкам смазки.

Втулки малой головки шатуна и поршневые пальцы совершают маятниковое движение относительно друг друга, а такое движение не обеспечивает столь же хорошее распределение масла, как вращательное движение коренного и шатунного подшипников. Поэтому, для улучшения распределения смазочного масла, втулки малой головки шатуна могут быть снабжены широкими смазочными канавками.

[Рис. 2]
На рисунке маслопровод шатуна показан прерывистой линией. Давление масла в шатунных подшипниках «перекачивает» масло поэтому маслопроводу к втулке поршневого пальца в малой головке шатуна.

Физические свойства смазки
Одной из функций масляной пленки является отделение подшипников от шатунных шеек. Говоря о смазке, мы выделили два физических явления: гидродинамическую смазку, вызываемую вращением, и гидростатическое смачивание, амортизирующее ударные нагрузки. В двигателях внутреннего сгорания эти два явления накладываются друг на друга.

Гидродинамическая смазка
Принцип гидродинамической смазки разъяснен на Рисунке 3. Вал, на который воздействует сила, вращается в своем подшипнике. Масло подается на подшипник сверху через смазочные отверстия. Благодаря трению вал забирает масло через смазочный зазор и создает масляную пленку, которая равномерно распределяет давление, что ведет к отделению вала от подшипника. Однако масло не только втягивается через смазочный зазор, но и поперечно вытекает из подшипника.

[Рис. 3] Гидродинамическая смазка
Принцип гидродинамической смазки: шейка коленчатого вала показана синим цветом, подшипник — красным, а зазор подшипника — желтым цветом. Предположим, что на шейку коленчатого вала действует постоянная сила f. Между поверхностью и маслом, а также внутри самого масла существует трение, из-за которого проворачивающийся коленчатый вал разрывает масло между поверхностями подшипника и коленчатого вала.
Благодаря такому воздействию создается масляная пленка, разделяющая поверхности подшипника и шейки коленчатого вала. Масляная пленка становится толще, если: а) коленчатый вал вращается быстрей; б) зазор уменьшается; в) используется масло большей вязкости; и г) нагрузка на подшипник уменьшается.

Гидростатическое смачивание
Принцип гидростатического смачивания проиллюстрирован на Рисунке 4. В приведенном примере вал и шейки отделены друг от друга масляной пленкой. Периодически возникающая нагрузка внезапно подается сверху, например при воспламенении топливовоздушной смеси в камере сгорания. Такая периодически возникающая сила вытесняет масло, подавая его во всех направлениях из смазочного зазора между валом и подшипником. Чем больше вязкость масла, тем больше сопротивление такому вытеснению, и такое сопротивление значительно возрастает по мере уменьшения толщины масляной пленки. Таким образом, сопротивление масла вытеснению предотвращает соприкосновение вала с подшипником во время воздействия кратковременной периодической нагрузки.

[Рис. 4] Гидростатическое смачивание
Принцип гидростатического смачивания: предположим, что коленчатый вал неподвижен, а между шейкой коленчатого вала и подшипником есть масляная пленка. Кроме того, шейка коленчатого вала кратковременно нагружается силой f, которая перемещает шейку коленчатого вала к подшипнику. Вязкость масла создает сопротивление такому перемещению. Масло между шейкой и подшипником вытесняется. Сопротивление возрастает, когда масляная пленка становится тоньше. Например, при уменьшении первоначально толщины

пленки вдвое, сопротивление возрастает в 8 раз, т.е. даже очень тонкая масляная пленка создает сопротивление, достаточное для противодействия ударным нагрузкам. Такие ударные нагрузки возникают при воспламенении топлива в камере сгорания.

На вал воздействуют как силы сгорания, так и инерционные силы, создающие сложную траекторию перемещения шатунных шеек внутри подшипника (Рисунок 5). Минимальная толщина масляной пленки, т.е. самый маленький зазор между шатунными шейками и подшипниками, создается во время процесса сгорания. Как показали расчеты, этот зазор может составлять менее одного микрометра.

[Рис. 5]
Горение и инерционные силы перемещают шейку коленчатого вала внутри подшипника. На рисунке приведена типичная траектория перемещения шейки коленчатого вала в шатунном подшипнике (вид со стороны подшипника). Расстояние между поверхностями подшипника и шейки коленчатого вала указаны как Σ при Σ = 0, шейка коленчатого вала располагается посередине подшипника при Σ = 1, шейка коленчатого вала и подшипник соприкасаются. Как видно из рисунка, наименьшее расстояние возникает в верхнем вкладыше подшипника при относительно длинной траектории перемещения шейки, что объясняет причину большего износа верхнего вкладыша шатунного подшипника по сравнению с нижним вкладышем.

Проблемы загрязнения
Частицы загрязнения с диаметром больше 25 микрон с большой вероятностью отфильтровываются из масла за один проход через фильтр. Однако, чем меньше размер частиц загрязнения, тем меньше вероятность того, что они будут уловлены масляным фильтром. В нашем примере частицы с диаметром 5 микрон будут уловлены в относительно небольшом количестве всех случаев.

Следовательно, мельчайшие частицы загрязнения не будут задержаны масляным фильтром. Тем не менее, даже такие частицы способны повредить подшипники и шатунные шейки. Данное соображение явным образом свидетельствует о важности поддержания абсолютной чистоты при капитальном ремонте двигателя.

[Рис. 6]
Эффективность стандартного бумажного масляного фильтра зависит от размера частиц загрязнения, содержащихся в масле, при однократном прохождении масла через фильтр.

По материалам компании Federal-Mogul