Многие технологии переносят в автомобильную промышленность из автоспорта. Применяемые там решения и детали рассматриваются как образцы надежности и производительности, например, кованые поршни. Автотехнология, основанная на применении данных деталей, относится к образцам использования спортивных решений на гражданских автомобилях.
Определение
Поршни представлены втулками овальной формы, двигающимися в вертикальной плоскости внутри цилиндров и сжимающими топливо-воздушную смесь. По технологии производства данные детали подразделяют на литые и кованые. Рассмотрим их подробнее.
Особенности эксплуатации
Поршни первого типа устанавливают на большинство автомобилей, так как они хорошо проявляют себя в повседневной эксплуатации и достаточны для потребностей большинства пользователей. Кованые поршни рассчитаны на работу при повышенных нагрузках, поэтому их используют на спортивных и гоночных автомобилях. То есть конструкцию и особенности данной детали определяют на основе условий ее функционирования.
Наиболее интенсивно воздействующим на поршни фактором при работе двигателя является температура. Она приводит к расширению металла, причем неравномерному: оно больше проявляется параллельно оси поршневого пальца и меньше в плоскости качания шатуна. В результате происходит неравномерное соприкосновение поршня с цилиндром, вследствие чего ускоряется износ. В критических случаях появляются задиры и названные детали прихватываются, в результате чего двигатель заклинивает.
Помимо этого, на поршни воздействуют сила инерции и давление, создаваемое газами внутри цилиндра.
Технология производства
В соответствии с названием, для изготовления литых поршней применяют технологию литья металла. В качестве исходного материала используют кремниево-алюминиевый сплав. Его помещают в матрицу, придавая овальную форму. Затем деталь подгоняют под цилиндр. Юбку делают оптимальной бочкообразной формы. Для обеспечения устойчивости к воздействию высоких температур поршень заполняют изнутри термокомпенсирующими вставками из стали
В отличие от литых, кованые поршни производят по технологии штамповки. Применяют изотермический или жидкий методы.
В первом случае матрицу заполняют расплавленным металлом и деформируют его с определенной скоростью с применением пуансона. Таким образом получают высококачественную заготовку. Ее окончательную обработку осуществляют механическим способом.
Для технологии изотермической штамповки используют предварительно подготовленные детали. Их получают из прута, состоящего из высококремнистого алюминия, обжатого через фильеру, что позволяет улучшить структуру металла, удалив поры. Далее нагретую в матрице до 450 °С заготовку штампуют с применением гидравлического пресса скоростным методом. Данная технология состоит в приложении к матрице усилия в 250 т, при поддержании ее температуры на постоянном уровне. В результате получаются точные высококачественные детали.
Основные параметры
Для грамотного выбора рассматриваемых деталей на автомобиль их параметры соотносят с особенностями двигателя. Далее приведены основные характеристики кованых поршней:
- Модель двигателя. Проще всего подобрать детали на основе марки мотора, так как производители обычно создают такие изделия под определенные модели двигателей. Однако нужно учитывать, что в таком случае они рассчитаны на стоковые моторы. То есть, если изменены какие-либо параметры двигателя, например расточены цилиндры, рассчитанные на него поршни не подойдут. Тогда их выбирают по прочим параметрам (в данном случае, прежде всего, по размеру).
- Размер. При подборе деталей нужно соотнести их диаметр с диаметром цилиндра с учетом температурного расширения.
- Степень сжатия. В технических параметрах поршней указано определенное значение данного показателя, на которое они рассчитаны. Если двигатель не стоковый, это также нужно учитывать.
- Масса. О значении данного параметра поршней сказано далее. В общем, чем меньше их вес, тем лучше.
- Мощность. В технических параметрах поршней указано максимальное значение мощности, на которое достаточно запаса их прочности. Не следует устанавливать детали на двигатель с большими характеристиками, так как превышение нагрузок может повлечь их ускоренный износ и разрушение.
Отличия от литых поршней
Стандартным аналогом рассматриваемых деталей являются литые поршни. Они исправно работают на стандартных двигателях, но по многим причинам не подходят для силовых агрегатов повышенной мощности. Во-первых, они характеризуются высокой массой. Во-вторых, литые поршни обладают неоптимальной формой. В-третьих, данные детали с завода имеют дефекты, представленные кавернами, инородными вкраплениями, пузырьками, которые невидимы и не проявляются при обычной эксплуатации в стандартных силовых агрегатах.
Однако повышение мощности ведет к возрастанию нагрузок (температуры и давления) на многие элементы автомобиля, прежде всего, двигателя. В таких условиях названные дефекты могут привести к растрескиванию или прогоранию поршня. Это может произойти, например, после установки коленвала с нестандартным радиусом кривошипа.
Преимущества
Положительное влияние кованых поршней на параметры двигателя обусловлено, прежде всего, их небольшой массой. Вес такой детали в среднем на 50 г меньше литого аналога. Например, кованые поршни ВАЗ обеспечивают в комплекте экономию массы в 400-600 г. Это позволяет снизить инерционные силы внутри цилиндра. В результате этого возрастают обороты, снижаются механические потери, увеличивается мощность. К тому же сокращаются инерционные нагрузки на прочие элементы кривошипного механизма, такие как коленвал, шатуны и вкладыши. То есть увеличивается его общий ресурс.
Также кованые поршни отличаются от литых большей твердостью. Данный показатель составляет 120-130 ед., тогда как для гражданских аналогов он равен 80-90 ед.
К тому же данные детали характеризуются повышенной прочностью и устойчивостью к температурному воздействию. Так, по термоциклической устойчивости они превосходят литые аналоги в 5-6 раз. Благодаря этому кованые поршни выдерживают 2500 циклов нагрева-охлаждения, в то время как гражданские модели лишь 400.
Пониженный коэффициент температурного расширения позволил уменьшить тепловой зазор между цилиндром и поршнем до 0,05-0,06 мм.
Форма
Для уменьшения массы кованые поршни обладают особой формой. При этом применение Т-образного профиля не сказывается на расходе масла.
К тому же на основе неравномерного температурного расширения (в большей степени параллельно оси поршневого пальца) некоторые производители выпускают модели овальной формы, перпендикулярно оси поршневого пальца. Таким образом, при нагреве деталь приобретает круглую форму, в соответствии с формой цилиндра. Это обеспечивает плотное прилегание их друг к другу, равномерно распределяя нагрузку по поверхностям и ограничивая попадание газов в картер из камеры сгорания.
Недостатки
Основным недостатком кованых поршней, в сравнении с литыми, считают высокую стоимость, причем как самих деталей, так и установки. Дороговизна поршней обусловлена сложностью производства. К тому же придется серьезно потратиться на их установку. Это объясняется тем, что такие сложные работы следует доверять лишь профессиональным мастерам, а в данном случае потребуется не только устанавливать, но и подгонять детали.
Кроме того, считается, что кованые поршни делают автомобиль более шумным в сравнении с исходными литыми деталями. Однако это справедливо лишь для непрогретого автомобиля. Данная особенность объясняется различиями в коэффициентах расширения. На основе этого для кованых поршней немного увеличивают зазор со стенкой цилиндра. Поэтому непрогретый двигатель с такими деталями работает громче. Однако после разогрева, когда поршни расширяются, и, следовательно, температурный зазор уменьшается, шум стихает.
Применение
Как понятно из сказанного, кованые поршни используют для форсированных двигателей. Данные детали влияют на многие характеристики силовых агрегатов. Они повышают как производительность, так и надежность.
Актуальность
Целесообразность использования кованых поршней вместо литых определяется, прежде всего, особенностями использования автомобиля. Для условий повседневной эксплуатации вполне достаточно литых деталей. Кованые аналоги обычно устанавливают при тюнинге двигателя. Причем даже в этом случае их использование не всегда целесообразно.
Такие детали чаще всего применяют при форсировании маломощных двигателей. Стандартные детали некоторых спортивных моторов имеют достаточный ресурс для неэкстремального повышения мощности. Поэтому наиболее распространены такие детали для двигателей ВАЗ (например, кованые поршни на "Ниву" и кованые поршни на "Приору").
Данные детали используют не только для автомобилей. Можно установить кованые поршни на мотоцикл. Тюнинг спортивных моделей также весьма распространен. Иногда модифицируют и простые мотоциклы. Например, некоторые устанавливают кованые поршни на "Урал".
Принципы применения и стоимость
Нередко рассматриваемые детали применяют при установке турбонаддува. Более того, во многих случаях их использование является необходимым условием сохранения ресурса двигателя, так как при этом возрастает температура и нагрузки на детали, что нередко приводит к прогоранию поршней. Кованые поршни турбо-двигателя обычно используют в комплекте с другим коленвалом и Н-образными шатунами.
В любом случае при установке необходимо обеспечить охлаждение юбки и днища описываемой детали. Для этого устанавливают маслоразбрызгивающие форсунки.
Цена на кованые поршни "Нива" (комплект), например, начинается от 4 500 рублей. Для отечественных же мотоциклов они обойдутся дешевле.
