Są jednak pewne punkty odniesienia. I nie byle jakie, ale bardzo konkretne. Są trwałe, ale nie wieczne, a gdy zawiodą, nie można się obejść bez zrozumienia istoty sprawy. Cóż, dla profesjonalnych fachowców jest to najczęstsza sprawa.
Jak działa łożysko?
W nowoczesnych silnikach samochodowych łożyska ślizgowe służą w większości przypadków jako podpory wału korbowego i wałków rozrządu. Łożyska toczne (piłka, wałek, igła) stosuje się je w tym celu wyłącznie w małych silnikach motocyklowych.
Wymaganą wydajność łożysk ślizgowych uzyskuje się dzięki wykorzystaniu tzw. efektu klina olejowego. Podczas obrotu gładkiego wału olej jest dostarczany do szczeliny między wałem a otworem. Ponieważ obciążenie działające na wał powoduje jego mimośrodowe przesunięcie, olej jest wciągany do zwężającej się części szczeliny i tworzy klin olejowy, zapobiegający kontaktowi wału ze ściankami otworu. Im większe ciśnienie i lepkość oleju w szczelinie, tym większe obciążenie (zanim powierzchnie się zetkną) wytrzymuje łożyska ślizgowe.
Uwaga! Rzeczywiste ciśnienie oleju w strefie klina sięga 50–80 MPa (500–800 kg/cm²), a w niektórych konstrukcjach nawet więcej. Jest to wartość setki razy wyższa niż w systemie zaopatrzenia (układ smarowania silnika). Nie należy jednak sądzić, że ciśnienie zasilania ma niewielki wpływ na pracę łożyska. Im jest on wyższy, tym intensywniej olej jest pompowany przez łożysko i tym lepiej jest on chłodzony.
W pewnych warunkach praca przy niskim tarciu (nazywa się to również cieczą) mogą zostać naruszone. Dzieje się tak, gdy lepkość oleju spada, np. na skutek jego przegrzania spowodowanego niedostatecznym dostarczeniem, a prędkość obrotowa wału korbowego maleje przy wzroście obciążenia.
Często, zwłaszcza po remoncie silnika, rolę odgrywa także nieoptymalna geometria jednostki. Przy nieznacznym odchyleniu kształtu powierzchni od walcowego, przy niewspółosiowości osi i innych wadach części możliwe jest lokalne zwiększenie obciążenia właściwego (tj. obciążenie odniesione do powierzchni) powyżej dopuszczalnego limitu. Wówczas w tych miejscach warstwa oleju staje się cienka, a powierzchnie wału i łożyska zaczynają się stykać wzdłuż mikronierówności. Powstaje półpłynny reżim smarowania, charakteryzujący się wzrostem tarcia i stopniowym nagrzewaniem się łożyska. Może to dodatkowo prowadzić do tzw. tarcia granicznego, z pełnym kontaktem między trącymi powierzchniami, co może prowadzić do przegrzania, zatarcia (zatarcia), przywierania, stopienia i awarii łożyska.
Oczywiste jest, że w praktyce reżim tarcia granicznego jest nie do przyjęcia. Zdarza się jednak, że dopływ oleju zostaje zakłócony, a najczęściej dzieje się tak z powodu braku oleju w skrzyni korbowej: albo z powodu niedopatrzenia kierowcy, albo uszkodzenia miski olejowej na skutek uderzenia w przeszkodę.
Tryb smarowania półpłynnego jest dopuszczalny wyłącznie przez krótki okres czasu, gdy nie zdąży wpłynąć na zużycie łożyska. Przykład: uruchomienie zimnego silnika. Istnieje jednak inne zagrożenie: w bardzo niskich temperaturach olej może stać się zbyt lepki, a przywrócenie prawidłowego przepływu zajmuje zbyt dużo czasu (20–30 sekund lub więcej). W takim przypadku nawet półpłynny środek smarny może znacząco wpłynąć na zużycie podzespołów.
Udoskonalenia w konstrukcji silników samochodowych wiążą się ze stałym wzrostem prędkości wału korbowego i wzrostem mocy silnika. Jednocześnie obserwuje się tendencję do zwiększania zwartości konstrukcji, w tym zmniejszania szerokości i średnicy łożysk. Oznacza to, że wzrastają naprężenia właściwe w jednostce tarcia. A ponieważ obciążenie łożyska podczas pracy silnika zmienia się cyklicznie co do wielkości i kierunku, wzrasta prawdopodobieństwo tzw. zmęczeniowego uszkodzenia części. Aby zagwarantować prawidłowe działanie łożysk w takich warunkach, konieczne jest zastosowanie specjalnych konstrukcji, materiałów i technologii.
Jak działa łożysko ślizgowe
Zazwyczaj łożyska wału korbowego w nowoczesnych silnikach mają postać cienkościennych tulei lub tulei o grubości od 1,0 do 2,5 mm (rzadko więcej). Panewki głównych łożysk wału korbowego są grubsze ze względu na konieczność wykonania w nich rowka kołowego, który służy do dostarczania oleju do łożysk korbowodu. Ogólną tendencją jest zmniejszenie grubości panewek łożysk, która obecnie wynosi średnio 1,8–2,0 mm w przypadku łożysk głównych i 1,4–1,5 mm w przypadku łożysk korbowodowych. Im cieńsze są tuleje, tym lepiej dopasowują się do powierzchni obudowy łożyska (łoża), tym lepiej odprowadzane jest ciepło z łożyska, tym dokładniejsza jest geometria, tym mniejszy jest dopuszczalny luz i hałas podczas pracy, a tym samym dłuższa jest żywotność urządzenia.
Aby mieć pewność, że wkładka po zamontowaniu przyjmie dokładny kształt łóżka, należy ją naciągnąć zgodnie ze średnicą łóżka, gdy jest w stanie swobodnym (tzw. prostowanie) i niecylindrycznym kształtem o zmiennym promieniu. Ponadto, aby zapewnić dobre dopasowanie do podłoża i zapobiec obracaniu się, wymagane jest również naprężenie wzdłuż długości wkładki – zjawisko to nazywa się wystającym elementem. Wszystkie te parametry zależą od grubości, szerokości i średnicy panewek łożysk. Prostowanie wynosi średnio 0,5–1,0 mm, a wystawanie 0,04–0,08 mm. Nie jest to jednak wystarczające dla niezawodnej pracy łożyska. W pobliżu linii podziału grubość wkładek zmniejsza się o 0,010–0,015 mm, aby uniknąć zarysowań w tych obszarach. Zarysowania mogą powstać wskutek odkształcenia otworu obudowy łożyska w bloku cylindra pod obciążeniem roboczym, gdy luz roboczy w łożysku jest niewielki.
Materiały, z których wykonane są wkładki mogą się różnić. Ich wybór zależy od wyboru materiału wału korbowego i jego obróbki cieplnej, stopnia doładowania silnika i deklarowanej żywotności. W pewnym stopniu swoją rolę odgrywają tu również tradycje koncernu samochodowego.
Wkładki są zawsze wykonane wielowarstwowo. Rdzeniem panewki łożyska jest pasek stalowy, który zapewnia mocne i bezpieczne dopasowanie do obudowy łożyska. Warstwę nakłada się na podłoże różnymi metodami (lub kilku warstw) specjalny materiał przeciwcierny o grubości 0,3–0,5 mm. Główne wymagania dla materiału przeciwciernego to niskie tarcie na wale, wysoka wytrzymałość i przewodność cieplna (tj. zdolność do efektywnego odprowadzania ciepła z powierzchni wału do obudowy łożyska). Pierwszy wymóg najlepiej spełniają metale miękkie, takie jak stopy o wysokiej zawartości cyny i ołowiu (w szczególności powszechnie znane babbitty).
W przeszłości babbity były powszechnie stosowane w silnikach o małej mocy i niskiej prędkości obrotowej. Wraz ze wzrostem obciążeń wytrzymałość takich wkładek z grubą warstwą babbitu okazała się niewystarczająca. Problem rozwiązano poprzez zastąpienie całej tej warstwy rodzajem "kanapeczki" – brązu ołowiowo-cynowego pokrytego cienką (0,03–0,05 mm) warstwą tego samego babbitu. Wkładka stała się wielowarstwowa.
W nowoczesnych silnikach tuleje ze stali, brązu i babbitu są zwykle wykonane z czterech warstw (pod babbitem znajduje się również bardzo cienka warstwa niklu) lub nawet pięciowarstwowe, gdy w celu polepszenia połysku, na wierzchnią powierzchnię roboczą nakładana jest bardzo cienka warstwa cyny. Tak właśnie wyglądają łożyska w wielu zagranicznych silnikach.
Wraz z tym upowszechniły się także tuleje stalowo-aluminiowe. Materiałem przeciwciernym jest tutaj stop aluminium z cyną, ołowiem, krzemem, cynkiem lub kadmem, zarówno z powłokami, jak i bez. Na świecie najczęściej stosowanym stopem jest aluminium z 20% dodatkiem cyny, bez powłoki. Dobrze znosi wysokie obciążenia i prędkości obrotowe nowoczesnych silników, w tym
silników Diesla, a jednocześnie charakteryzuje się zadowalającą "miękkością". Jednak łożyska stalowo-aluminiowe są sztywniejsze od babbitowych (lub z powłoką babbitową), dlatego są bardziej podatne na zadrapania w warunkach niedostatecznego smarowania.
Silniki pomocnicze i silniki z wałkiem rozrządu obracają się zazwyczaj z niższą prędkością niż silniki z wałem korbowym i są poddawane znacznie mniejszym obciążeniom, więc ich warunki pracy są łatwiejsze. Panewki i tuleje tych wałów są zwykle wykonane z materiałów podobnych do opisanych. Czasami stosuje się tutaj również babbit lub brąz niepowlekany. Często łożyska te w ogóle nie posiadają tulei ani tulei i powstają bezpośrednio poprzez wywiercenie otworów w głowicy cylindra. W tego typu konstrukcjach głowica wykonana jest ze stopu aluminium i krzemu, który charakteryzuje się dobrymi właściwościami przeciwciernymi.
Wspólną cechą łożysk w nowoczesnych silnikach, zwłaszcza jeśli chodzi o łożyska wału korbowego, jest to, że materiał i konstrukcja łożysk muszą być dopasowane do materiału i warunków pracy wału (prędkość obrotowa, obciążenia, warunki smarowania itp.). W związku z tym nie można zalecać samowolnej wymiany części, np. gdy podczas naprawy zakładane są tuleje z innego silnika. W przeciwnym wypadku trwałość naprawionego urządzenia może być bardzo krótka. aby podjąć decyzję o takim kroku, trzeba mieć stosowne informacje.
Panewki łożysk ślizgowych są bardzo precyzyjne (precyzja) aby zapewnić niewielkie, ale precyzyjnie określone (średnio 0,03–0,06 mm) luzy robocze łożysk, grubość panewki łożyska jest utrzymywana podczas produkcji z dokładnością około 5–8 µm, a długość panewki z dokładnością 10–20 µm. Nieprzestrzeganie tych wymagań może skutkować zmianami luzu roboczego łożyska lub szczelnością osadzenia panewki w obudowie, co jest niedopuszczalne, ponieważ może obniżyć niezawodność i żywotność całego silnika.
Kto produkuje łożyska ślizgowe?
Złożoność całej gamy problemów towarzyszących powstawaniu wysokiej jakości łożysk ślizgowych samochodowych sprawiła, że ich produkcja została stopniowo przeniesiona do wyspecjalizowanych firm. Za granicą wiele z tych przedsiębiorstw równocześnie produkuje inne części silników, dostarczając je zarówno na linie montażowe fabryk samochodów, jak i na sprzedaż w formie części zamiennych. Niektóre firmy tego typu są częścią znanych międzynarodowych korporacji produkcyjno-handlowo-przemysłowych. Wśród wiodących światowych producentów łożysk ślizgowych do silników, najbardziej znane są Kolbenschmidt (KS), Glyco, TRW, Sealed Power, Glacier, Clevite i Bimet. W ostatnich latach produkcję łożysk rozpoczęły również uznane firmy, takie jak Mahle i Goetze. Wśród nowszych firm warto wymienić specjalistyczną firmę King (Izrael), która rozpoczęła produkcję łożysk na początku lat 80. XX wieku. Większość wymienionych producentów wytwarza szeroką gamę łożysk i dostarcza swoje produkty jako części zamienne na rynki zagraniczne, w tym również na nasz rynek (za pośrednictwem dealerów lub hurtowników). Generalnie rzecz biorąc są to łożyska do silników samochodów zagranicznych – europejskich, japońskich i amerykańskich.
W sprzedaży znajdziesz zarówno standardowe rozmiary wkładek, jak i różne rozmiary naprawcze (różniące się od standardowych z reguły nie więcej niż o 0,75 mm) dla najpopularniejszych modeli. W przypadku mniej popularnych modeli, a także wtedy, gdy zachodzi konieczność zakupu wkładów o większym rozmiarze naprawczym, zazwyczaj należy złożyć zamówienie i oczekiwać średnio 5-10 dni (warunki te różnią się w zależności od spółki handlowej).
Jakość tego typu produktów zazwyczaj nie budzi żadnych wątpliwości, ani pod względem geometrycznym, ani pod względem materiałów. Jeśli jednak masz wybór i wątpliwości, którego producenta wybrać, powinieneś wziąć pod uwagę następujące kwestie. Do głównych dostawców na potrzeby produkcji masowej należą firmy takie jak Kolbenschmidt, Glyco i Glacier. Kupując ich produkty, można nawet otrzymać te same łożyska, które montuje się w silnikach "od razu po narodzinach". Jedyną różnicą jest brak logo producenta pojazdu na nowych częściach. A tak przy okazji, szukam "krewnych" (lub tak zwanego oryginału) rozmiary wkładek naprawczych mogą okazać się problematyczne. Nie wszystkie firmy motoryzacyjne dostarczają łożyska zamienne, a cena łożysk w "oryginalnym" opakowaniu jest z reguły znacznie wyższa od ceny łożysk bezpośrednio od producenta.
Wkładki pochodzące od innych, mniej renomowanych firm są zazwyczaj tańsze, chociaż trudno będzie dostrzec różnice w jakości wykonania. Co więcej, jeśli istnieje możliwość wyboru, to tutaj można spróbować uwzględnić warunki eksploatacji samochodu. Tak więc stosunkowo tanie tuleje, co może wydawać się dziwne, są nieco bardziej odporne na niskiej jakości oleje i filtry oleju dostępne w naszych sklepach i na rynkach niż droższe tuleje ze stali, brązu i babbitu. Dowodem tego jest w szczególności zastosowanie w naprawach łożysk stalowo-aluminiowych firmy King zamiast standardowych łożysk brązowo-babbitowych: taka wymiana nie wpływa na niezawodność silników, a pozwala na uzyskanie znacznych oszczędności.