ћосква +7 495 545 6936
E-mail: написать
YouTube Instagram
Ќаш опыт в двигател€х Ч с 1990 года!
—ѕ≈÷»јЋ»«»–ќ¬јЌЌџ… ћќ“ќ–Ќџ… ÷≈Ќ“–
јЅ-»нжиниринг
√Ћј¬Ќјя
”сталость бывает разна€Е или о допустимых оборотах и их превышении

јЋ≈ —јЌƒ– ’–”Ћ≈¬, кандидат технических наук, директор моторного центра ЂјЅ-»нжинирингї

"Еѕричиной разрушени€ поршн€, а затем соударени€ фрагментов поршн€ второго цилиндра с клапанами послужило превышение двигателем максимально допустимых оборотов.   такому заключению эксперт пришел, исследовав все возможные причины разрушени€ поршн€ второго цилиндра..."

ѕрочитав этот абзац в заключении одной экспертизы, посв€щенной исследованию причин поломки двигател€ автомобил€ MAZDA 6, мы крепко призадумались. » было от чего - все наши попытки вспомнить хот€ бы одно разрушение поршн€ от превышени€ допустимых оборотов из тыс€ч виденных случаев поломок, включа€ самые-самые форсированные гоночные моторы, как-то ни к чему не привели. Ќу, не удалось ничего подобного увидеть за 20 лет - что ж, бывает. ћы даже проверили специальные мануалы по дефектам поршней от мировых поршневых корифеев - фирм Mahle и Kolbenschmidt. Ќо и там таких случаев не нашлось. ѕочему-тоЕ

Ћадно, не исключаем, что всем нам, включа€ немецких товарищей, которые конструируют и производ€т поршни уже добрых лет 80, просто не повезло, а кому-то, наоборот, посчастливилось. ¬от и описал коллега-счастливчик такой диковинный процесс - что тут такого?

Ќо за долгое врем€ работы с моторами выработалась привычка - любые факты не брать на веру, пока они как следует не проверены. ќсобенно, из заключений экспертов. “ак и здесь. „то-то подсказывало, что превышение допустимых оборотов - не такой простой "зверь", которого эдакий "везунчик" с такой легкостью может схватить "за хвост". » мы решили этого звер€ проверить - как говоритс€, "на вшивость".

»так, поршень современного двигател€. „тобы пон€ть, как он может разрушитьс€, необходимо рассмотреть, как и чем он нагружен.  ак известно, поршень соединен с шатуном с помощью поршневого пальца, сверху на него периодически действует давление или разрежение в цилиндре - силы давлени€ (разрежени€) от поршн€ передаютс€ на шатун и вращают (тормоз€т) коленчатый вал.  роме того, в определенные моменты шатун сам т€нет или толкает поршень за палец - в зависимости от положени€ коленчатого вала на поршень действуют силы инерции. ¬ результате действи€ сил давлени€ и инерции при качании шатуна возникает сила давлени€ юбки на стенку цилиндра, причем то с одной, то с другой стороны поршн€.

Ћегко догадатьс€, что все нагрузки на поршень €вл€ютс€ периодическими, а многие - вообще знакопеременными. “о есть, действуют то в одну, то в другую сторону - к примеру, то сжимают металл, то его раст€гивают. ј это уже существенно. ѕотому что в отличие от посто€нной силы переменные нагрузки вызывают такое непри€тное €вление, которое называетс€ усталостью металла.

"“айна века" или о чем эксперты предпочитают не вспоминать

¬первые с загадочным €влением, получившим название "усталостное разрушение", вплотную столкнулись конструкторы авиационной техники, когда в 1-й половине прошлого века жизнь заставила создавать чрезвычайно легкие и прочные конструкции. ќказалось, что многие узлы самолетов, выполненные из высокопрочных материалов, легко выдерживали посто€нные нагрузки, в разы превосходившие эксплуатационные. Ќо затем, через многие часы полетов, происходило внезапное разрушение, причем максимальна€ нагрузка на детали была во много раз меньше допустимой и проверенной при испытани€х. ј чем заканчиваетс€ така€ поломка крыла, оперени€ или фюзел€жа самолета, комментариев уже не требуетЕ

ƒальнейшие исследовани€ показали, что в металле в местах резкого изменени€ сечени€ (углы, переходы и т.д., получившие название "концентраторов напр€жений") происходит зарождение трещин. ƒанный процесс, обусловленный накоплением дефектов в структуре материала под действием возникающих локальных напр€жений (интенсивность сил, действующих в данной точке сечени€), зависит как от геометрии и шероховатости поверхности, так и от свойств самого материала.

ѕо€вивша€с€ трещина начинает развиватьс€, причем весьма медленно, в течение многих тыс€ч и даже миллионов циклов приложени€ периодической нагрузки. ѕри этом развитие трещины тоже не идет плавно - пройд€ небольшое рассто€ние, трещина останавливаетс€ ("отдыхает"), поскольку ее движение вызывает кратковременное уменьшение напр€жений в материале. ќднако затем процесс повтор€етс€, трещина движетс€ дальше, а сечение детали постепенно уменьшаетс€.

’арактерно, что усталостна€ трещина распростран€етс€ поперек зерен металла, что обуславливает характерный сравнительно гладкий вид сечени€ излома детали, на котором нередко видны концентрические линии - так называемые "линии отдыха", по которым происходит кратковременное замедление скорости распространени€ трещины. Ѕолее того, под действием переменной нагрузки трещина смыкаетс€, что вызывает соударение материала и характерную полировку поверхности около места образовани€ трещины. ќднако, поскольку оставшеес€ сечение детали еще достаточно велико, действующие нагрузки пока не могут ее сломать - они только "двигают" трещину дальше.

“рещина растет до тех пор, пока оставшеес€ сечение детали оказываетс€ слишком маленьким и уже неспособным удержать действующие нагрузки - происходит поломка в результате превышени€ предела прочности самого материала в оставшемс€ сечении детали. Ёто так называема€ "зона долома" - в отличие от зоны распространени€ трещины здесь поломка происходит мгновенно и по границам зерен металла, что обуславливает характерную шероховатость и серый матовый цвет этой зоны.

ѕосмотрим на излом детали, разрушенной усталостью - зона долома занимает иной раз дес€тую часть сечени€. Ёто значит, что деталь, возможно, была сломана в результате действи€ весьма небольшой нагрузки, котора€ в те же дес€ть раз меньше, чем могла бы выдержать цела€ деталь. Ќо выдержать кратковременно. ј вот длительное действие малой, но переменной по величине и направлению нагрузки привело к разрушению. ’от€ и не мгновенному, а через многие часы работы. » часто по большему сечению детали, где на первый взгл€д деталь вообще не могла сломатьс€.

ѕроведенные в те далекие годы исследовани€ показали, что дл€ создани€ надежных конструкций мало знать предел прочности материала при посто€нной нагрузке - так называемый предел кратковременной прочности. ѕосто€нные нагрузки в реальных услови€х встречаютс€ намного реже, чем переменные. ј дл€ переменных нагрузок надо знать еще одну характеристику материала - предел усталости, равный по величине такой переменной нагрузке, котора€ приведет к поломке через заданное число циклов ее действи€.

 огда все материалы начали исследовать на усталость, оказалось, что предел усталости любого материала значительно ниже предела кратковременной прочности - к примеру, дл€ многих металлов приблизительно вдвое. ƒа и то - в идеальных услови€х, когда нет концентраторов напр€жений, о которых мы упоминали выше. ѕоэтому еще в те далекие времена - лет 65 назад, во все методики расчета прочности деталей самолетов ввели проверку на усталость. ¬ результате многие загадочные случаи поломок авиационной техники постепенно ушли в прошлое. » не только авиационной - в автомобиле тоже немало узлов, которые работают на усталость.

„то дл€ эксперта хорошо, дл€ немца - смертьЕ

Ќо вернемс€ к нашим "баранам", то есть к поршн€м. –аз на поршень действует знакопеременна€ нагрузка, то он тоже может быть подвержен усталости.   примеру, от детонации ломаютс€ перемычки между канавками колец и даже по€вл€ютс€ трещины на юбке поршней - типичный случай усталостного разрушени€ под действием нерасчетных переменных нагрузок. Ќо и расчетна€ нагрузка тоже не посто€нна€. «начит, при разработке двигател€ конструкторы вынуждены учесть это и проектировать поршень так, чтобы напр€жени€ в материале не превышали предела усталости. ѕо меньшей мере, при нормальной работе. Ќа практике же приходитс€ обеспечивать еще меньший уровень напр€жений - на величину так называемого запаса прочности, равного отношению предела усталости к максимальному напр€жению (запас прочности задают равным как минимум 1,2-1,3). Ёто несложно - достаточно сечение с высокими напр€жени€ми сделать немного толще. »ли сгладить острые углы и переходыЕ

ѕосмотрим теперь, как чувствует себ€ поршень на режиме максимальных оборотов и при полностью открытой дроссельной заслонке. ќчевидно, этот режим соответствует максимально допустимым нагрузкам на поршень. ƒл€ такого режима напр€жени€ в материале поршн€, хоть и максимальны, но должны быть ниже предела усталости с учетом запаса прочности. “огда максимальное напр€жение в любом сечении поршн€ на этом режиме будет меньше предела кратковременной прочности алюминиевого сплава, из которого сделан поршень, эдак раза в два с половиной, если не в три.

“еперь вспомним, что с ростом оборотов нагрузки на детали растут пропорционально квадрату оборотов. –ассчитаем, насколько надо увеличить обороты, чтобы нагрузки на поршень выросли в 2,5 раза - именно в этом случае поршень сможет мгновенно разрушитьс€. »спользу€ простой калькул€тор, получим, что дл€ такого разрушени€ поршн€ обороты должны вырасти не менее чем в 1,6 раза. ≈сли учесть, что современные бензиновые двигатели имеют максимально допустимые обороты в среднем 6500 об/мин, сломать поршень "одномоментно" удастс€ только в случае, если превысить ни много ни малоЕ 10200 об/мин!

ќднако что будет при этом с клапанами? ћы полагаем, что приблизительно в районе 7000-7500 об/мин клапаны уже перестанут полностью отслеживать профиль кулачков распределительного вала, а при 8000-8500 об/мин выпускные клапаны уже не успеют воврем€ закрытьс€, и поршни с визгом врежутс€ в их тарелки. –езультат предсказуем - скорее всего, тарелки, отломившись от стержней, просто вылет€т в выхлопную трубу. »ли упадут в поддон картера. ’от€, веро€тно, вместе с обломками поршней.

¬от така€ получилась печальна€ картина - "разрушени€ поршн€ от превышени€ двигателем максимально допустимых оборотов". ѕечальна€ - нет, не дл€ двигател€, в котором "самопроизвольного" и "одномоментного" разрушени€ поршней не получаетс€, а скорее, дл€ горе-эксперта, выдержку из заключени€ которого мы привели в начале статьи. Ќесмотр€ на красивые картинки в его заключении, выдернутые из всевозможных учебников описани€ гипотетических процессов, химического анализа материала поршн€ и топлива, и даже цитирование им упом€нутых выше немецких источников.

ѕоследнее особенно важно - немецкие специалисты привели результаты исследований поломок поршней, описав массу всевозможных причин. »з которых нет ни одной, св€занной с превышением допустимых оборотов. ѕочему - пон€тно. «ато некий эксперт, посмотрев эти книги (и не только эти), но увидев в них "фиги", блеснул эрудицией и открыл новые "закономерности".  оторые с успехом и использовал...

ћы, конечно, понимаем, что в двигателе вс€кое может случитьс€. Ќо из вс€кого именно разрушение поршн€ от "превышени€" - самое маловеро€тное. ≈сли не сказать большего. ѕоэтому доказательство такой причины требует особой тщательности и учета всех сопутствующих факторов. ѕри этом собственное мнение эксперта здесь будет второстепенным, поскольку доказательство весьма сомнительной гипотезы всегда должно подкрепл€тьс€ самыми "железобетонными" фактами. ѕрактика, тем не менее, показывает обратноеЕ

 ак еще эксперты умеют "превышать"

ќ том, как иные эксперты хорошо научились выдавать "желаемое за действительное", мы уже писали не раз. » даже вы€вили некоторые закономерности подобной "экспертной" работы, когда почти любую поломку двигател€ можно свести к гидроудару в цилиндре или некачественному топливу. Ёто чтобы владелец автомобил€ всегда знал, что он заведомо неправ, поскольку сам ездил по лужам и сам наливал бензин. "“ы виноват уж тем, что хочетс€ мне кушать" - помните?

ќднако автомобильна€ жизнь периодически вносит коррективы, поскольку "почти" не значит "совсем". Ќапример, в моторе гидроудар как-то не очень прогл€дываетс€, да и топливо оказалось "правильным" и √ќ—“у соответствующим. Ќо надо же все равно поломку на водител€ "повесить" - иначе клиент-автоцентр может обидетьс€ и в следующий раз на экспертизу не пригласить.

ћы полагаем, что именно по этой причине сравнительно недавно в экспертных заключени€х по€вилась уже упом€нута€ нова€ "фишка" - превышение допустимых оборотов. ќна полностью замыкает круг - теперь ловкачи от экспертизы, жонглиру€ попеременно гидроударом, "плохим" топливом и превышением оборотов, легко объ€сн€т вам любую поломку. Ќезависимо от реальной причины дефекта двигател€. ¬ыше мы привели один из таких примеров. ≈ще один аналогичный - ниже, дл€ полноты картины.

ƒвигатель автомобил€ FORD Mondeo разрушилс€ почти так же, как и в предыдущем примере - обломки поршн€ были найдены в поддоне, а шатун пробил блок цилиндров. “арелки выпускных клапанов этого цилиндра оказались там же - в поддоне, а остальные выпускные клапаны - гнутыми. „то дало основание экспертам, приглашенным автоцентром, сходу подготовить заключение, где было написано почти слово в слово: "Епричиной разрушени€ деталей двигател€ автомобил€ ‘ќ–ƒ, с технической точки зрени€, €вилась нештатна€ (аварийна€) работа двигател€ - мгновенное повышение оборотов вращени€ коленчатого вала до величины большей критической". » это несмотр€ на целый р€д признаков, указывающих на полное несоответствие такого вывода действительной причине поломки, о чем эксперты предпочли промолчать. ќднако владелец автомобил€, заранее предвид€ предвз€тый результат, не поленилс€ и пригласил на экспертизу действительно, а не мнимо независимых экспертов. » обнаружилась удивительна€ картинаЕ

ѕервое, что показал осмотр - огромные выемки (цековки) на поршн€х от контакта с тарелками выпускных клапанов. »х размер (15 мм длина и почти 2 мм глубина) был таков, что вначале даже показалось, что это заводские цековки. ќднако сравнение поршней с аналогичными от такого же двигател€ вы€вило, что эти выемки были просто "проедены" тарелками клапанов - на кра€х цековок даже образовались характерные следы пластической деформации металла.

— другой стороны, стержень клапана двигател€ имеет весьма малый диаметр - всего 5,5 мм, и простой расчет показывает, что сила удара такого клапана в поршень не превысит и 100 к√. ѕри таком однократном ударе клапан сразу согнетс€ и сделает на днище поршн€ только небольшую царапину, приблизительно в 50 раз меньшую по размерам, чем те выемки, что имеютс€ на самом деле.

ƒалее, важно, что в двигателе данного типа звездочки на валах не имеют шпонок и удерживаютс€ от проворачивани€ только силой трени€ на торцах от зат€жки болтов. ¬от с торцами и вы€снилась главна€ проблема - все детали были "срублены из-под топора", то есть резца, в то врем€ как они должны быть шлифованы (иначе невозможно обеспечить их плотный контакт). ј на поверхност€х еще и мелка€ стружка обнаружилась, от взаимного проворачивани€ деталей.

Ќе вдава€сь во все подробности данного случа€, укажем только, что звездочка коленвала однажды слегка провернулась в момент включени€ стартера при холодном запуске, когда нагрузка на нее максимальна. ѕри следующем запуске - еще. ¬ какой-то момент мотор потер€л мощность, затем тарелки выпускных клапанов слегка уперлись в поршни, и по€вилс€ стук. ќднако клапаны, испытыва€ дополнительные и нерасчетные нагрузки при контакте с поршн€ми, при изгибе не имели остаточной деформации, поэтому двигатель продолжал работать. ƒефект постепенно прогрессировал, цековки на поршн€х росли под действием ударной эрозии, пока через 1000 км один из клапанов не разрушилс€ от все той же усталости - на изломе стержн€ клапана картина развити€ трещины имеет классический вид усталостного разрушени€. Ќу, а далее, попав между поршнем и соседним клапаном, тарелка заклинила распределительный механизм, что привело к сильному проворачиванию звездочки на коленвалу и деформации остальных выпускных клапанов на следующем обороте.

ќчевидно, истинна€ причина поломки могла быть только в заводском дефекте двигател€ и не имела никакой св€зи с пресловутым "превышением оборотов до величины больше критической". “ем более что превышение оборотов не дает ни дополнительных сил, стрем€щихс€ провернуть звездочки на валах, ни глубоких цековок на поршн€х. Ќи с технической, ни с какой либо еще точки зрени€ - хот€ мы уже видим, что с "политической" точки зрени€ в двигателе можно придумать все, что угодно. ¬от ловкачи-эксперты и сует€тс€Е

 ак говоритс€, все это не было смешно, если бы не было так грустно. ѕоражает, как некоторые эксперты научились выдергивать из разных умных книг различные "теории", которые не просто далеки от практики, а пр€мо ей противоречат. Ќе утружда€ себ€ ни проверкой своих фантастических гипотез, ни реальными исследовани€ми. ѕричинно-следственна€ св€зь, говорите? »нтересно - кого и с кем? ћожем, правда, предположить, что у иного эксперта в работе одновременно слишком много дел, вот и не хватает времени посидеть и подумать - проще открыть свои старые заключени€ и по-быстрому скомпилировать из них что-нибудь эдакое, наукообразное. “ем более, ответственности за подобную халтуру у эксперта ровным счетом никакой.

∆изнь нынче трудна€, мы понимаем. —меем даже предположить, что реб€та просто устали.  ак металл - видите, даже он иногда устает. Ќо никакие трудности не могут быть оправданием непрофессионализму, ангажированности или откровенной халтуре. ѕоэтому мы намерены и далее информировать наших читателей о наиболее показательных случа€х и тенденци€х в моторной экспертизе.



ƒругие наши статьи...


ѕревышение допустимых оборотов?

ѕоршень разрушилс€ он совсем не от превышени€ допустимых оборотов, а в результате отсутстви€ стопорного кольца поршневого пальца
1. ¬се, что осталось от поршн€. Ќо разрушилс€ он совсем не от превышени€ допустимых оборотов, а в результате отсутстви€ стопорного кольца поршневого пальца.

ѕоршень тоже разрушилс€, но по причине поломки шатуна в результате масл€ного голодани€
2. ј этот поршень тоже разрушилс€, но по причине поломки шатуна в результате масл€ного голодани€.

3.	»злом детали, разрушенной под действием знакопеременной нагрузки
3. »злом детали, разрушенной под действием знакопеременной нагрузки:
1) область зарождени€ усталостной трещины, 2) линии отдыха, показывающие развитие усталостной трещины, 3) зона долома от превышени€ предела кратковременной прочности материала в оставшемс€ сечении детали.

 рива€ усталости конструкционного материала
4.  рива€ усталости конструкционного материала - зависимость величины знакопеременной разрушающей нагрузки от количества циклов до разрушени€ - одна из основных характеристик дл€ расчета усталостной прочности деталей.

”сталостное разрушение крыла привело к катастрофе
5. ”сталость металла - штука более чем серьезна€. «наменита€ советска€ "летающа€ крепость" - стратегический бомбардировщик ѕе-8, строилс€ с 1939 года, но, как оказалось, имел недостаточную усталостную прочность лонжерона крыла. Ётот дефект впервые про€вилс€ только в 1944 году, когда усталость металла еще не была изучена. ¬ 1945 году усталостное разрушение крыла привело к катастрофе, котора€ поставила крест на дальнейшей судьбе этого самолета.

>
“ипична€ картина обломков поршн€ в поддоне вследствие обрыва клапана
6. “ипична€ картина обломков поршн€ в поддоне вследствие обрыва клапана.

 лапаны действительно оборвались, но не от превышени€ оборотов
7.  лапаны действительно оборвались, но не от превышени€ оборотов,Е

...а в результате сотен тыс€ч или миллионов точечных контактов с поршнем, отполировавших край тарелки
8. Еа в результате сотен тыс€ч или миллионов точечных контактов с поршнем, отполировавших край тарелки.

”сталостный характер разрушени€ клапана
9. ”сталостный характер разрушени€ клапана хорошо виден на изломе стержн€.

”дарна€ эрози€ вызвала образование огромных цековок на поршн€х
10. ”дарна€ эрози€ вызвала образование огромных цековок на поршн€х, которые в 50 раз больше, чем способен сделать однократный удар тарелки клапана.

¬иновник поломки мотора FORD - производственный дефект
11. ¬иновник поломки мотора FORD - производственный дефект (низкое качество изготовлени€ звездочки), а не владелец автомобил€, злонамеренно превысивший некие "допустимые обороты".





—ћ÷ "јЅ-»нжиниринг"© 2001. ¬се права защищены