В данном случае следует обратить внимание на форму износа рабочей поверхности компрессионных колец и поверхностей верхнего и нижнего торцов. Они отличаются по форме и размерам у различных моделей двигателей, причем эти отличия, в основном зависят от соотношения высоты компрессионных колец, радиальной толщины и величины зазора между верхней полкой поршневой канавки и верхним торцом компрессионного кольца.
Рассматривая проблемы нежелательной диспропорции осевой и радиальной газодинамических сил, действующих на компрессионное кольцо, у которого толщина значительно больше высоты кольца, пришлось привлечь технологическую терминологию для объяснения физической сути повышенного износа гильзы цилиндра в ее верхней части. Понятно, что нельзя было оставить без внимания и главного «виновника» столь неприятного изменения формы и размеров гильзы цилиндра и рабочей поверхности самого компрессионного кольца.
В верхней части на стенке гильзы уже нет того количества и такого же качества смазочного слоя масла, как в нижней части цилиндра. Компрессионное кольцо со своими острыми кромками по форме напоминает режущий инструмент – круглый шабер, прижатый «превосходящей» осевой силой к нижней полке поршневой канавки, по сути получивший жесткое закрепление в поршне, как в технологической оправке.
Тем не менее, при движении поршня в верхнее положение компрессионное кольцо «сжимается – разжимается» на величину разницы диаметров цилиндра нижней, охлаждаемой части и верхней части цилиндра, особенно головки его, находящейся в зоне высоких рабочих температур. Дело в том, что, находясь в нижней мертвой точке на рабочем такте «впуск», компрессионному кольцу представлена единственная возможность «расслабиться», установившись по диаметру нижней части гильзы цилиндра, равномерно занимая пространство между стенкой цилиндра и поршнем, выступая из поршня на величину гарантированного термодинамического зазора.
В начале движения на рабочем такте «сжатие» над поршнем создается избыточное давление, которое прижимает компрессионное кольцо к нижней полке поршневой канавки и фиксирует это положение. Причем такое положение сохраняется на тактах «рабочий ход» и «выпуск», так как известно, что в конце рабочего хода поршня в НМТ, над ним сохраняется избыточное давление (так у двигателя КАМАЗ это около 3 МПа).
Под действием огромных сил работы других поршней и соответствующих сил реакции со стороны гильзы цилиндра происходит процесс износа контактных поверхностей. Изменение диаметра цилиндра по высоте заставляет компрессионное кольцо пришабривать гильзу цилиндра по себе, на что тратится дополнительная работа, снижающая и без того низкий КПД двигателя.
Анализ компрессионных колец, отслуживших свой срок, свидетельствует о том, что, потеряв свои упругие качества, компрессионные кольца уподобляются оригинальному режущему инструменту – круглому шаберу.
В результате «шабрения» стенки цилиндра, выполненного из износостойкого чугуна, «шабер» – компрессионное кольцо, изнашивается, его «режущие» кромки притупляются. Эффект «компрессионного кольца – шабера» теперь может объяснить превращение внешних, острых кромок, бывших у нового компрессионного кольца, в радиусные фаски выработавшего свой ресурс кольца (наиболее наглядно это было отмечено на компрессионных кольцах двигателя КАМАЗ). Причем активность этого процесса в известной мере зависит от величины гарантированного термодинамического зазора между торцами кольца и полками поршневой канавки. Чем больше зазор, тем больше угол наклона кольца, активнее износ гильзы цилиндра и кромок кольца, тем больше радиусы скругления кромок.
Действительно, налицо технологический процесс шабрения гильзы цилиндра круглым шабером. Для осуществления этого процесса имеются все необходимые параметры режима: скорость резания, сила резания и глубина резания, активно влияющие на «снятие стружки» со стенки цилиндра, то есть его износа. Если учесть, что на стенке верхней части цилиндра смазочного «материала», чаще всего недостаточно, то можно считать этот процесс действительно активным.
Понятно, что «производительность» процесса снижается из-за наличия масла на стенке цилиндра. В технологических процессах механической обработки деталей прежде, чем шабрить какую-либо поверхность, ее необходимо обезжирить. Тем не менее, имеющиеся огромные силы и наличие достаточно «хорошего» режущего инструмента – компрессионного кольца, вызывают износ гильзы цилиндра и самого кольца, сопровождающийся огромными механическими потерями на трение и соответственно низким КПД двигателя.
Так как максимальная величина зазора между стенкой цилиндра и поршнем в процессе эксплуатации строго регламентирована (для двигателя КАМАЗ это не более 0,15 мм), то такой износ цилиндра – один из обычных факторов, который чаще всего приводит к преждевременному ремонту цилиндропоршневой группы, т.е. капитальному ремонту двигателя.
В начале движения поршня на такте «сжатие», когда в цилиндре отсутствует давление, компрессионные кольца под действием упругих сил сами устанавливаются по гильзе цилиндра, а появившееся избыточное давление фиксирует это положение. При дальнейшем движении поршня между потерявшим упругость компрессионным кольцом и стенкой цилиндра образуется зазор, который достигает максимальных значений в ВМТ в самый неподходящий момент, когда уплотнение должно быть максимально эффективным. Часть этого зазора, находящегося в зонах, сориентированных в плоскости качания поршня, выбирается выступающей частью компрессионного кольца вследствие качания. В этих местах имеются выраженные износы цилиндра, компрессионных колец и поршня, причем с одной стороны износ больше, чем с другой, т.к. идет обработка гильзы цилиндра острой кромкой компрессионного кольца.
Это дает основание полагать, что покрытия рабочей поверхности компрессионных колец твердыми сплавами (хромом, молибденом, и др.) только усугубляет этот процесс. При изнашивании, например хромированной поверхности, частички хрома попадают в смазочное масло. Получается абразивная суспензия, которая увеличивает износ контактных пар, существенно сокращая ресурс ЦПГ и двигателя в целом.
Кроме того, физические свойства компрессионных колец должны обеспечивать более быструю приработку рабочей поверхности кольца по гильзе цилиндра, тем самым, сокращая время обкатки двигателя и вывод его на полную мощность. Твердые покрытия рабочей части кольца существенно увеличивают сроки приработки кольца по гильзе цилиндра, сохраняя отрицательное влияние погрешности формы кольца при его изготовлении на качество уплотнения в течение длительного срока эксплуатации двигателя. Кроме того, сохраняя «режущие» качества колец, не только увеличивается износ цилиндра двигателя и снижается его ресурс, но и увеличиваются силы «резания», повышая механические потери на трение и уменьшая КПД двигателя.
По определению компрессионное кольцо должно быть «слабым» звеном в цилиндропоршневой группе, так как оно менее дорогостоящее в изготовлении и ремонте, чем цилиндр двигателя, то есть не поршневое кольцо должно прирабатывать гильзу цилиндра по себе, а наоборот, поршневое кольцо должно прирабатываться по гильзе цилиндра. Тем не менее, в последние годы лужение стали заменять другими, естественно более дорогими твердыми покрытиями. Например, ведущее предприятие по производству деталей цилиндропоршневой группы для автомобилей и тракторов в России и СНГ ОАО «Костромской завод МОТОРДЕТАЛЬ» изготавливает комплекты поршневых колец с хромированными рабочими поверхностями. Рекламируя свои изделия, изготовители ссылаются на технологии «ведущих мировых производителей», среди партнеров завода называется международный концерн Federal Mogul.
Хотя ГОСТ 621 – 87 не определяет конкретные материалы покрытий, тем не менее, указывает на их существование, оговаривая, например, шероховатость Rа «…для рабочих поверхностей с твердым износостойким покрытием…».
В дополнение к этому можно привести следующий факт. Партнер ОАО «КАМАЗа» концерн «Federal Mogul», который в своих рекомендациях, с целью повышения маслосъемных свойств 2-го кольца, предлагает отказаться от износостойкого покрытия, изменить форму с односторонней трапеции на прямоугольную, что вполне укладывается в русле настоящих и ранее опубликованных материалов автора.
Поэтому становится очевидным нецелесообразность применения дополнительных и дорогостоящих гальванических операций нанесения твердых покрытий на рабочую поверхность компрессионных колец любых по мощности и назначению ДВС.
Анализ компрессионных колец двигателя ЗМЗ (Заволжский моторный завод), отслуживших свой срок (высотой 2 мм и радиальной толщиной 4 мм), показал, что кроме обычного износа рабочей поверхности этих колец, на который обычно обращают внимание, и который характерен для компрессионных колец двигателя КамАЗ, имеет место более активный износ нижних торцов. Причем величина этого износа достигает недопустимых значений 0,5 мм и более, характерен для «низких» компрессионных колец с большой разницей высоты и радиальной толщины кольца.
