Гильзы цилиндров
Создание максимально легкого и мощного двигателя — первоочередная задача для инженеров всех автомобильных компаний, которую они с тем или иным успехом пытаются решить уже более ста лет. Настоящей революцией стало появление двигателей, полностью сделанных из алюминия. Однако применение этого материала поставило перед разработчиками новую задачу — как создать в алюминиевом блоке прочные цилиндры? Самым удачным решением стало применение гильз, активно применявшихся при создании двигателей для мотоциклов, у которых нет общего блока цилиндров.
Виды гильз и требования, которые к ним предъявляются
Гильза должна быть очень прочной и тугоплавкой, ведь в случае с алюминиевым блоком он играет лишь роль корпуса, в котором она держится. Противостоять теплу, давлению и износу ей приходится самостоятельно. Поэтому гильзы должны обладать высокой износостойкостью, высокой антикоррозийной устойчивостью, жаростойкостью и прочностью. В зависимости от конструкции двигателя гильзы делятся на «мокрые» и «сухие». суть этого термина напрямую связана с особенностями системы водяного охлаждения двигателя.
«Мокрые» гильзы получили наибольшее распространение, так как отлично решают задачу отвода тепла
«Мокрые» гильзы
«Мокрыми» называются гильзы, наружная поверхность которых омывается охлаждающей жидкостью, циркулирующей в системе каналов, пронизывающих толщу блока цилиндров. Эта система называемой «водяной рубашкой» и служит для равномерного отвода тепла от блока цилиндров. В районе установки гильз охлаждающая жидкость «выходит на поверхность», чтобы напрямую омывать стенки гильзы. Поэтому такой тип гильз и называется мокрым. Блок цилиндров с «мокрыми» гильзами обеспечивает лучший отвод тепла, поэтому «мокрые» гильзы получили очень широкое распространение. Они применяются на легковых автомобилях Volvo, Renault, ГАЗ-24, Москвич и других.
Уплотнение между гильзой и блоком достигается путем установки медной прокладки между отлитым буртом гильзы и плоскостью блока
Ремонт двигателей, оснащенных «мокрыми» гильзами, крайне прост — в блок устанавливается новые пары гильза-поршень, не требующие доработки. Для капремонта даже нет необходимости снимать двигатель, и он может быть выполнен даже в полевых условиях.
«Сухие» гильзы
«Сухие» гильзы запрессованы в тело цилиндра и не имеют прямого контакта с охлаждающей жидкостью. Некоторые производители предпочитают делать алюминиевые блоки с не сменными гильзами методом литья. В этом случае гильзы укрепляются в форме для отливки, которая позже заполняется расплавленным алюминием. Созданные таким образом блоки цилиндров по жесткости от обычных чугунных не отличаются. При необходимости ремонта гильзы растачиваются и хонингуются, как обычные цилиндры. Такую технологию используют для производства двигателей Volkswagen, Land Rover, Honda, Audi, Volvo и ряда других.
«Сухие» гильзы хуже отводят тепло, но их применение позволяет придать блоку цилиндров монолитную жесткость
Применение гильз снимает ограничение с количества капремонтов, которые способен выдержать блок. Теоретически этом можно делать неограниченное количество раз, хотя на деле это никому не нужно, так как кузов автомобиля, к сожалению, не вечен. Так, для обычного блока без гильз допустимо не более 3-4 предусмотренных изготовителем калибров ремонтных поршней. Это ограничивает количество возможных ремонтов. Когда же выполнен последний ремонт и цилиндр больше не подлежит расточке, то «выручают» гильзы, запрессовка которых вновь поднимает ресурс блока на несколько ремонтов.
Установка гильзы в цилиндр
Внутренняя поверхность цилиндра растачивается и тщательно шлифуется перед запрессовкой, такой же обработке подвергают и наружную поверхность гильзы для плотности посадки в цилиндр. Затем гильзы, имеющие, как правило, упорную кромку в верхней части, запрессовываются в расточенный цилиндр с натягом 0.03-0.04 мм.
«Мокрые» гильзы полностью «готовы к употреблению». После запрессовки в блок цилиндров внутреннюю поверхность обрабатывать не нужно, на ней уже есть хон. Сухие гильзы, как правило, нужно растачивать после установки.
Гильзы растачивают и хонингуют строго под определенную группу поршней. Каждый поршень замеряется, и по его замерам идет расточка гильзы. После такой подгонки поршень маркируется по цилиндру и не подлежит установке в другие цилиндры. Кстати, при капремонте гильзованного двигателя рекомендуется покупать так называемые «ПОНы», подобранные в заводских условиях комплекты из гильз, цилиндров и пальцев.
Как исключение можно упомянуть японскую компанию Isuzu, выпускающую двигатели, где в блоке установлены стальные тонкостенные гильзы с покрытием из пористого хрома, не требующие механической обработки.
В двигателях Isuzu гильзы устанавливаются в блок без натяга и удерживаются в теле за счет прижима притянутой болтами установленной поверх головки блока цилиндров.
Гильзы в двигателях с воздушным охлаждением
Для двигателей воздушного охлаждения гильзы цилиндров выполнены по образу мотоциклетных, с ребрами охлаждения. Так как цилиндры должны охлаждаться потоком воздуха, из них нельзя сформировать блок и они устанавливаются на двигатель в виде отдельных деталей.
Гильзы крепятся к картеру (через медные прокладки) посредством невысоких шпилек через специальный опорный фланец или же посредством анкерных шпилек, проходящих сквозь всю головку цилиндров. Головка устанавливается на эти шпильки и затягивается в обычном порядке, прижимая тем самым цилиндры к картеру и обеспечивая герметизацию.
Мотоциклетные двигатели с воздушным охлаждением и стали «донором», давшим миру автомобильные гильзованные двигатели
Для двигателей с воздушным охлаждением гильзы цилиндров изготавливаются либо из одного вида металла (монометаллические), либо из двух металлов (биметаллические).
Монометаллические цилиндры воздушного охлаждения выполняют в основном из чугуна, иногда из стали или из легких сплавов.
Биметаллические цилиндры также выполнены из чугуна или стали, а поверх корпуса отлиты алюминиевые ребра.
Недостатки блоков с гильзами воздушного охлаждения
Двигатели с гильзами воздушного охлаждения очень восприимчивы к температурному режиму и при перегреве «страдают» отпусканием резьбы шпилек крепления цилиндров в алюминиевом блоке. Это ведет к вытягиванию шпильки и разрушению резьбы, что ослабляет затяжку гильзы и вызывает разгерметизацию и потерю компрессии. Попытка подтяжки соединения заканчивается полным выходом посадочной резьбы шпильки из тела картера и последующим ремонтом. Иными словами, допускать перегрева алюминиевого двигателя не стоит ни при каких обстоятельствах.
Запчасти
Полиуретановая вставка амортизатора
Изготовление гильз из металла: стали, алюминия
Слово гильза ассоциируется всегда с оружием. Кроме оружейных гильз имеются гильзы цилиндров, применяемые в машиностроении, входящие в состав двигателей для машин и сельскохозяйственной техники. К этим деталям выставляются особые требования. Стенки цилиндра образуют пространство, где идет движение всех деталей двигателя. Создаются особые условия (трение, повышение температуры).
Двигатель внутри создает трение. Все детали должны иметь высокое качество обработки. Во внутрь конструкции попадает газ, повышается температура, усиливается трение. Стенки конструкции быстро изнашиваются. К гильзе предъявляются особые претензии для безопасной работы двигателя:
- обладать высокой прочностью;
- иметь хорошую жесткость;
- обладать износостойкими качествами;
- при трении уменьшать потери;
- поверхность гильзы должна иметь антикоррозийные свойства
- на стыках обеспечивать уплотнение.
Разновидности гильз
Гильзы, по своему назначению, делятся на группы. Применяться как самостоятельные механизмы, использоваться для ремонтных работ. Относятся к таким группам:
- Гильзы цилиндров (мокрые).
- Гильзы (сухие).
- С воздушным охлаждением.
В конструкции с водяным охлаждением ставят (мокрые гильзы). В них находится жидкость для охлаждения, которая отводит излишнее тепло, охлаждая двигатель во время работы. Недостатком является то, что имеет небольшую жесткость. Применяется в грузовых автомобилях и тракторах.
«Сухие» гильзы обладают высокой прочностью. Во время работы внутри двигателя нет охлаждающей жидкости. Производство гильз проводится на станкахпо чертежам с высокой точностью. От этого зависит работа двигателя. Особо сложные детали изготавливаются на заказ. Сухие гильзыхорошо поддаются ремонтным работам. Металлообработка, фрезерование ЧПУ позволяет заменять гильзы без удаления цилиндра.
Для этого существуют такие технологии замены гильзы как расточка, полировка, установка при помощи запрессовки с натягом в блок цилиндра. Материалы для разных видов легковых автомобилей отличаются. Мягкие металлы медь и бронза не применяются. Сталь тоже не всегда используется. В японских машинах гильзы изготавливают из высокопрочной хромированной стали.
Воздушное охлаждение гильзы цилиндров для двигателя. В этих случаях цилиндры выпускают из чугуна. Гильза изготавливается из стали или нескольких сплавов. Такие двигатели получили применение у производителей немецких марок машин. Стоимость их достаточно велика.
Особенности производства
Для изготовления гильз для цилиндров применяется метод центробежного литья. Это позволяет обеспечить высокое качество материала, при этом удаляются различные примеси. Металл проходит термическую обработку, так как в процессе работы подвергается большим температурам. Для повышения стойкости проходит процедуру обработки фосфором.
Все работы, по изготовлению деталей из металла, можно заказать на сайте [email protected].
Стоимость
Для предварительно оценки стоимости изготовление деталей, вы можете посчитать их на калькуляторе
Изготовление гильз цилиндров
Гильзы цилиндров (втулки) двигателей внутреннего сгорания в процессе работы испытывают значительные нагрузки от давления газов, термические напряжения от нагрева продуктами сгорания, подвергаются воздействию горячих газов и истиранию.
В соответствии с государственными стандартами гильзы цилиндров изготовляют из серого модифицированного или легированного чугуна с механическими свойствами не ниже, чем у чугуна СЧ 21-40, с твёрдостью НВ не ниже 170-190. Гильзы быстроходных двигателей термически обрабатывают до твёрдости HRC рабочей поверхности не ниже 40. При закалке гильз т.в.ч. глубина закалённого слоя должна быть не менее 1,5 мм.
В форсированных быстроходных двигателях применяются также гильзы, изготовленные из стали с азотированной, цементованной или покрытой пористым хромом поверхностью.
Заготовки чугунных гильз больших размеров отливают в сухие земляные формы. Отливку производят в вертикальном положении буртиком вниз; на верхней части отливки делают прибыль.
Заготовки гильз малых размеров отливают в земляные формы или центробежным способом. В качестве заготовок для стальных гильз применяют катаные трубы.
Последовательность технологического процесса обработки гильзы цилиндра двухтактного двигателя: 1) проверка отливки и разметка; 2) черновая обработка буртика наружной поверхности и пояска, отрезание прибыли; 3) черновое растачивание отверстия и подрезание нижнего торца гильзы; 4) термическая обработка (снятие напряжений или закалка, отпуск и снятие напряжений); 5) чистовое растачивание отверстия; 6) чистовая обработка наружных поверхностей, протачивание уплотнительных канавок, подрезание торцов; 7) завальцовка колец из красной меди; 8) гидравлические испытания; 9) разметка выпускных и продувочных окон; 10) сверление отверстий в углах окон и отверстий для ввода фрезы; 11) фрезерование выпускных и продувочных окон; 12) хонингование зеркала цилиндра; 13) окончательная обработка центрирующих поясков, уплотнительных колец и буртиков.
Литую заготовку после проверки и разметки устанавливают на токарном станке. Прибыльную часть закрепляют в кулачках патрона, с другой стороны в отверстие отливки устанавливают регулируемую вставку, в которую упирается центр задней бабки. На токарном станке производится обдирка верхнего буртика, направляющих поясков и стенок между ними, нижней части гильзы и отрезка прибыли.
Затем гильзу устанавливают направляющими поясками в приспособление, закреплённое на столе расточного станка, и резцовой головкой, закреплённой в борштанге, растачивают отверстия. Чистовое растачивание производят в таком же приспособлении после термической обработки, которая заключается в снятии напряжений или в закалке и отпуске, обеспечивающих повышение твёрдости детали. Фрезерование выпускных и продувочных окон является трудоёмкой операцией, которая выполняется на горизонтально-расточных или вертикально-фрезерных станках, и при значительном выпуске деталей — на специальных станках с несколькими поворотными фрезерными головками.
Окончательно отверстия обрабатывают на хонинговальных станках хоном с раздвижными абразивными брусками.
Целесообразно для упрощения обработки и сокращения трудоёмкости растачивания оставлять на хонингование большой припуск (до 0,5 мм на диаметр), а хонингование производить последовательно тремя наборами брусков: крупнозернистыми (зернистость 40-50), средними (зернистость 12-10) и тонкими (зернистость 4-3).
При хонинговании втулку необходимо закреплять за буртик, чтобы избежать деформации детали и получения овального отверстия.
Чугунные гильзы больших размеров в массовых количествах изготовляются для двигателей широкого назначения. Принятая для обработки гильз технология позволяет выпускать их с небольшой трудоёмкостью.
Последовательность технологического процесса обработки гильз в массовом производстве: 1) растачивание отверстия (черновое); 2) подрезание торцов; 3) протачивание буртика, поясков и наружной поверхности (черновое); 4) закалка зеркала цилиндра т.в.ч.; 5) протачивание и подрезание буртиков, поясков наружной поверхности и прорезание канавок; 6) шлифование поясков; 7) растачивание отверстия; 8) чистовое протачивание буртика, поясков и канавок; 9) развёртывание отверстия; 10) черновое хонингование отверстия; 11) шлифование торца буртика и поясков; 12) чистовое хонингование отверстия; 13) отделочное хонингование отверстия; 14) промывка; 15) контроль.
Отверстие растачивают на многошпиндельном расточном станке наборными зенкерами; оно служит базой для дальнейшей обработки.
Внешние поверхности обрабатывают в несколько приёмов на токарных многорезцовых станках. Гильзу закрепляют на роликовых или разжимных оправках с пневматическим приводом.
После обдирки внутреннюю поверхность гильзы подвергают закалке т.в.ч.
Закалённую поверхность гильзы предварительно растачивают зенкерами или расточными головками, оснащёнными пластинками твёрдого сплава, и затем развёртывают или шлифуют на внутришлифовальных станках.
Окончательная обработка буртика и посадочных поясков должна обеспечить их концентричность и перпендикулярность к оси отверстия. Эти операции производят на токарных или круглошлифовальных станках, в оправках (цанговых или с гидропластом).
Технологический процесс изготовления стальных гильз отличается от технологического процесса обработки чугунных гильз тем, что в данном случае в качестве заготовки детали применяют катаные трубы из стали 35ХМЮА или 38ХМЮА (при азотировании зеркала цилиндра) и из стали 45 или 45Х (при хромировании). Трубы разрезают на заготовки дисковой пилой или на труборезном станке. Длина заготовок равна длине детали с припуском на торцах. Заготовки подвергают нормализации.
Предварительное растачивание и обработку наружных поверхностей гильз производят так же, как гильз из чугуна. Затем деталь подвергают закалке и получистовой обработке. Зеркало гильзы перед азотированием или хромированием шлифуют. Поверхности, которые необходимо обрабатывать после азотирования, покрывают тонким слоем олова. Азотирование производят при температуре 500-560 °С в среде аммиака. После азотирования оставляют припуск (0,15-0,2 мм) на обработку зеркала цилиндра для снятия хрупкого слоя, в котором могут образоваться трещины. После азотирования или хромирования производят чистовую обработку наружных поверхностей, шлифование и хонингование отверстия.
Стальные гильзы обычно имеют тонкие стенки. Во избежание деформации детали её при обработке отверстия зажимают в осевом направлении (за буртик или по торцам), а обработку наружной поверхности производят в точных цанговых оправках или вставных пробках, плотно входящих в отверстие.
Точность отверстия контролируют индикаторными нутромерами, настраиваемыми по эталонным кольцам. Проверку биения наружных поясков и торцов буртиков производят в оправках или контрольных приспособлениях, в которых гильза базируется по отверстию [51].
06 Гильзы цилиндров
«Мокрые» гильзы. Конструкцией двигателя с водяным охлаждением предусмотрена полость в картере двигателя, так называемая «рубашка охлаждения». Гильза, соприкасающаяся свой поверхностью с охлаждающей жидкостью находящейся в «рубашке охлаждения» называется «Мокрой». «Мокрые» гильзы цилиндров обеспечивают лучший отвод тепла, но картер двигателя с такими гильзами обладает меньшей жесткостью. Большое распространение эти гильзы получили на грузовых и тракторных двигателях в силу своей высокой ремонтопригодности. Как правило, выпускаемые производителями «мокрые» гильзы не требуют перед установкой, какой либо доработки. Изношенные «мокрые» гильзы в большинстве случаев не ремонтируют, а заменяют новыми без снятия двигателя с шасси. Для предотвращения прорыва газов в охлаждающую жидкость и просачивания этой жидкости в цилиндр и картер двигателя «мокрые» гильзы комплектуются уплотнительными прокладками. Внутренняя поверхность гильз тщательно обрабатывается (хонингуется)для того что бы обеспечить наличие требуемой масляной пленки для смазки поршневых колец. Двигатели с «мокрыми» гильзами устанавливаются почти на все современные коммерческие автомобили.
«Сухие» гильзы. Гильзы, не имеющие соприкосновения с охлаждающей жидкостью, называются «сухими» гильзами. Конструкцией некоторых двигателей предусмотрена заливка при изготовлении в блок картер гильз изготовленных из износостойкого материала, создавая тем самым оптимальные условия для работы цилиндропоршневой группы. Например, некоторые модели двигателей HONDA, Land Rover, Volkswagen, AUDI, VOLVO и многих других производителей имеют алюминиевый блок цилиндров (для уменьшения веса силового агрегата) и залитые в него «сухие» гильзы (для увеличения ресурса и повышения ремонтопригодности). Но самое широкое распространение «сухие» гильзы получили в сфере капитального ремонта двигателя. Не «загильзованный» блок цилиндров современного двигателя имеет несколько, предусмотренных технологией, расточек с последующей установкой в него ремонтных поршней. Установка «сухих» гильз позволяет не менять блок двигателя даже после износа цилиндра расточенного в последний ремонтный размер. Производители гильз выпускают так называемые, заготовки гильз, то есть гильзы имеющие запас по длине и внешнему диаметру, которые после токарной обработки запрессовываются с натягом в блок цилиндров. Такие гильзы как правило не имеют обработки внутренней поверхности. Они растачиваются и хонингуются только после установки гильзы в блок цилиндров. Поверхность блока цилиндров под установку тоже повергается тщательной обработке: расточке и в некоторых случаях хонингованию. Гильза с упором устанавливается в блок под давлением, с натягом (в среднем 0,03-0,04 мм), для гильз, не имеющих упора натяг больше. Наружная поверхность «сухих» ремонтных гильз, как правило, подвергается шлифовке, для увеличения плотности прилегания к блоку цилиндров. Гильзы могут фиксироваться при установке верхним буртом, нижним буртом или вообще могут устанавливаться без упора. Некоторые японские производители, например ISUZU, изготавливают двигатели с тонкостенными стальными гильзами, имеющими покрытие из пористого хрома железом. Такие гильзы не подвергаются механической обработке и устанавливаются в блок цилиндров без натяга, с небольшим усилием и удерживаются в блоке за счет прижатия широкого бурта гильзы головкой блока. Блок картер с сухими гильзами имеет повышенную жесткость по сравнению с блоком, с установленными «мокрыми» гильзами.
Гильзы цилиндров для двигателей с воздушным охлаждением. В двигателях воздушного охлаждения конструкция оребрения и необходимость создания охлаждающих воздушных потоков не позволяют применять блок-картерный тип отливки. В этих двигателях применяют отдельно отлитые цилиндры с воздушными ребрами, расположенными чаще всего перпендикулярно оси цилиндра. Эти гильзы цилиндра крепятся к верхней части картера короткими шпильками через опорный фланец (несущие цилиндры) или при помощи анкерных (несущих) шпилек. Гильзы цилиндров двигателей воздушного охлаждения изготавливают как из одного (монометаллические), так и из двух (биметаллические) металлов. Монометаллические цилиндры делают из чугуна, реже из стали или легких сплавов. Из биметаллических цилиндров получили распространение чугунные или стальные цилиндры с залитыми (или навитыми) алюминиевыми ребрами. Широкое распространение двигатели с воздушным охлаждением получили среди производителей тяжелой строительной техники. Ярким примером является всемирно известный производитель индустриальных двигателей немецкая фирма DEUTZ.