Из чего алюминиевый блок мотоцикла

Алюминиевые блоки цилиндров: сплавы

Блок цилиндров – основа двигателя

Блок цилиндров является частью двигателя внутреннего сгорания, которая расположена между головкой цилиндров и картером. Он является опорной конструкцией для всего двигателя. Все части двигателя крепятся на блоке цилиндров или в нем самом, и он обеспечивает их соосность.

Рисунок – Алюминиевый блок цилиндров двигателя

Еще не так давно в двигателях большинства автомобилей, кроме спортивных, применяли монолитные чугунные блоки цилиндров.

От чугунного к алюминиевому блоку цилиндров

Алюминий, как конструкционный материал, конечно, менее прочный, чем чугун. Поэтому долго считалось, что алюминиевый блок цилиндров должен быть намного толще, чем чугунный. Однако оказалось, что хорошо сконструированный алюминиевый блок цилиндров может быть намного легче и почти таким же прочным как чугунный блок. Обычно применение литейных алюминиевых сплавов вместо применяемого ранее серого чугуна дает снижение блока цилиндров на 40-55 %. Несмотря на более высокую стоимость алюминиевых сплавов, по сравнению с серым чугуном, постоянное стремление к снижению потребления топлива приводит к постоянному росту доли алюминиевых блоков цилиндров.

Применение алюминиевых блоков цилиндров началось с бензиновых двигателей в конце 1970-х годов. Замена серого чугуна в дизельных двигателей тормозилась до середины 1990-х годов. К 2005 году доля на рынке алюминиевых блоков цилиндров двигателя достигла 50 %. В настоящее время блоки цилиндров практически всех бензиновых двигателей изготавливают из алюминиевых сплавов. Применение алюминиевых сплавов в дизельных двигателях также неуклонно растет.

Требования к алюминиевым блокам цилиндров

Теплопроводность

Материал современные алюминиевые блоки цилиндров испытывает температуры до 150-200 °C. Высокая теплопроводность литейных алюминиевых сплавов (в три раза больше, чем у серого чугуна) обеспечивает эффективную передачу в систему охлаждения двигателя.

Прочность при повышенных температурах

Требуется сохранение заданной прочности при температурах до 200 °C. Самые большие напряжения возникают в местах болтовых соединений с головкой блока цилиндров. Материал должен выдерживать нагрузки от вращения коленчатого вала и термического расширения блока цилиндров.

Прочность и твердость при комнатной температуре

Материал алюминиевого сплава при комнатной температуре должен обладать достаточной прочностью и твердостью, чтобы обеспечивать ему хорошую обработку резанием и высокое качество сборки.

Усталостная прочность

При работе двигателя блок цилиндров подвергается циклическим растягивающим напряжениям в широком интервале температуры. Этот интервал начинается с отрицательных температур зимой и заканчивается повышенными температурами около 150-200 ºС. Поэтому наиболее важной характеристикой материала блока цилиндров является усталостная прочность.

Известно, что свойства материала любой металлической отливки – и чугунной, и алюминиевой – зависят не только от химического состава материала и его термической обработки, но также от метода разливки, а также от того места отливки, из которого вырезается испытательный образец.

Выбор алюминиевого литейного сплава

Выбор алюминиевого литейного сплава для блока цилиндров требует учета различных факторов. Алюминиевые литейные сплавы, которые применяют в производстве таких сложных литых изделий как блоки цилиндров, должны соответствовать целой комбинации технических требований. Эти требования включают:

  • низкую стоимость;
  • хорошие литейные свойства;
  • хорошую обрабатываемость резанием;
  • достаточно высокая прочность при повышенных температурах.

Уровень прочности сплава определяет, например, минимально допустимую толщину стенки. Поэтому выбор алюминиевого литейного сплава должен производиться уже на первом этапе проектирования блока цилиндров двигателя. Обычно выбор алюминиевого сплава является компромиссом. Высокопрочные литейные сплавы могли бы быть предпочтительным выбором, но часто у них могут быть такие недостатки, как высокая стоимость, низкие литейные свойства и недостаточная прочность при повышенных температурах.

Из соображений цены и по техническим причинам почти все автомобильные алюминиевые блоки цилиндров делают из сплавов, которые основаны на применении вторичного алюминия – алюминиевых сплавов, который получают из алюминиевого лома. Это, например, сплавы EN AC-46200 (AlSi8Cu3) и EN AC-45000 (AlSi6Cu4). При повышенных требованиях к вязкости материала применяют сплавы с более жесткими требованиями по примесям и загрязнениям, которые уже близки к требованиям для сплавов из первичного алюминия.

Литейные свойства

Литейные свойства алюминиевых сплавов обычно повышаются с повышением содержанием в них кремния. С другой стороны, добавки медь, которые нужны для повышения прочности при высокой температуре, оказывают отрицательное влияние на литейные свойства алюминиевых сплавов, в первую очередь, на текучесть сплава при заполнении литейной формы. Кроме того, когда применяется метод литья под высоким давлением, то применяют сплавы с некоторым содержанием железа, а также марганца, чтобы предотвратить налипание жидкого алюминия к стальной литейной форме. Однако повышенное содержание железа снижает прочностные свойства алюминиевой отливки.

Иногда наиболее важными при выборе литейного сплава являются не цена и литейные свойства, а некоторые другие его свойства, например, износостойкость.

Читать еще:  Какой расход топлива у скутера 50 кубов

Химический состав и термическая обработка

Литейные алюминиевые сплавы, которые применяют для изготовления блоков цилиндров автомобилей, обычно включают сплавы 46200 и 45000 по Европейскому стандарту EN 1706 (громоздкая приставка “EN AC-“ опущена). Химические «формулы» этих сплавов имеет соответственно вид AlSi8Cu3 и AlSi6Cu4. Их американскими аналогами – более известными – являются сплавы А380.2 и А319. Эти доэвтектические алюминиево-кремниевые сплавы обычно производят из вторичного алюминия. Из них отливают автомобильные блоки цилиндров различными методами гравитационного литья.

Таблица – Химический состав и состояния
алюминиевых литейных сплавов для блоков цилиндров

Относительно высокое содержание меди позволяет этим сплавам сохранять свою прочность при повышенных температурах и, кроме того, обеспечивает им хорошую обрабатываемость резанием. Обычно для этих сплавов – 46200 и 45000 (А380.2 и А319) – применяют состояния F (литое состояние), Т4 (закалка и естественное старение) и Т5 (неполная закалка и искусственное старение). Для отливок из этих сплавов может также применяться и состояние Т6, но для многих изделий из этих сплавов достаточно стабилизирующего состояния Т5.

Почти все блоки цилиндров, которые отливают методом литья под высоким давлением, изготавливают из сплава 46000 (AlSi9Cu3(Fe)). Обычно этот сплав не требует термической обработки, кроме умеренного отпуска для снижения остаточных напряжений.

Блоки цилиндров из алюминиевых сплавов 42100 (AlSi7Mg0,3) и 42000 (AlSi7Mg) получают высокую прочность и удлинение при комнатной температуре, когда подвергаются термической обработке на состояние Т6. В этом случае необходимо внимательно контролировать остаточные напряжения, которые возникают при закалке отливки для достижения состояния Т6. Более высокое сопротивление растрескиванию этих сплавов дают им возможность противостоять термическим усталостным нагрузкам. Это происходит за счет определенного ухудшения обрабатываемости резанием и повышения стоимости из-за дополнительных расходов на термическую обработку на состояния Т6 или Т7. Выполнение требования по пониженному содержанию примесей, таких как железо, марганец, медь и никель, также требует дополнительных расходов по сравнению со вторичными сплавами, которые упоминались выше.

Блоки цилиндров из заэвтектоидных алюминиево-кремниевых сплавов (AlSi17CuMg) обычно отливают методом литья при низком давлении с последующей термической обработкой на состояние Т6. Этот сплав также более дорогой, чем стандартные литейные сплавы из вторичного алюминия.

Втулки алюминиевых блоков цилиндров

Алюминиевые литейные сплавы, которые обычно применяют для изготовления блоков цилиндров, недостаточно твердые и износостойкие, чтобы непосредственно работала в паре скольжения с поршнями двигателей. Для этой цели подходят только заэвтектоидные алюминиевые сплавы типа AlSi17CuMg.

Поэтому в алюминиевых блоках цилиндров широко применяют чугунные втулки. Наиболее широко применяется метод установки чугунных втулок, при котором их вставляют в литейную форму блока цилиндра перед ее заливкой. Кроме того, чугунные втулки устанавливают также методом горячей запрессовки. Для создания прочной и износостойкой поверхности скольжения блока цилиндров применяют также различные методы напыления – термические, плазменные, электродуговые и другие.

Source: European Aluminium Association, 2011

Чугунный блок или хотя бы гильзы: на каких современных автомобилях они еще есть?

«Недавно узнал, что в Toyota Camry 2017 г.в. устанавливается бензиновый двигатель объемом 2,5 л (код 2AR-FE) с алюминиевым блоком цилиндров и чугунными гильзами. Я думал, что уже практически не выпускаются двигатели с чугунным блоком цилиндров или хотя бы с чугунными гильзами. Хотелось бы узнать, какие еще современные производители автомобилей применяют аналогичные двигатели, на каких моделях они устанавливаются».

Не так давно мы уже отвечали на вопрос о «чугунных» моторах, правда, в сегменте «бюджетников». И тогда упоминали, например, двигатели Renault: 8-клапанный К7М и 16-клапанный К4М объемом 1,6 л имеют чугунный блок. Да, им сто лет в обед, они остались в производстве лишь ради бюджетных моделей (прежде всего «логановского» семейства) только на рынках развивающихся стран. Ведь европейские Dacia Logan & Co уже вовсю оснащаются турбированными движками 0.9T. Да и в нашем регионе 16-клапанник уступает место более современному «ниссановскому» HR16DE с алюминиевым блоком, производство которого налажено в Тольятти. Но 8-клапанный К7М пока в строю. Это же относится и к 2,0-литровому F4R, который устанавливают на Duster и Kaptur.

Чугунный блок имеют и двигатели ВАЗ. И не только выпускаемые уже не первый год 8- и 16-клапанные (ВАЗ-21116 и ВАЗ-21126 соответственно) версии объемом 1,6 л, которыми оснащаются современные модели Lada. На базе последнего мотора построен и новый ВАЗ-21179 объемом 1,8 л и мощностью 122 л.с., который сейчас устанавливается на Vesta и XRay. Двигатель имеет другие поршни, коленвал, усовершенствованную систему охлаждения, а также оснащен системой изменения фаз газораспределения на впуске, но блок по-прежнему чугунный.

Читать еще:  Как настроить карбюратор на мопеде

Положим, ВАЗ занимается дальнейшим развитием старых конструкций, а можно ли увидеть чугун в современных моторах? Да! И пример тому — знаменитый Ford EcoBoost объемом 1,0 л, предназначенный для моделей Fiesta, Focus, B-MAX, C-MAX, Mondeo и т.д. Его трехцилиндровый блок отлит не из алюминия, а из чугуна, что позволило снизить необходимое для прогрева количество энергии на 50% и сократить расход топлива. Это официальная версия, а злые языки утверждают, что сделано это еще и для повышения жесткости блока.

При этом двигатель имеет сложную конструкцию, включающую целый ряд интересных технических решений. Так, для оптимизации температурного режима используется разделенная система охлаждения с двумя термостатами. Выпускной коллектор, интегрированный в головку блока цилиндров, снижает температуру выхлопных газов, оптимизируя работу двигателя в широком диапазоне оборотов. Чтобы снизить вибронагруженность трехцилиндрового мотора, применена новая схема балансировки, а низкофрикционный зубчатый ремень в масляном тумане с динамическим натяжителем призван сделать работу двигателя очень тихой. Для обеспечения «незамедлительной» тяги уже с низких оборотов используются малоинерционная турбина Continental и система независимого изменения фаз впуска и выпуска, также применен непосредственный впрыск топлива. Несмотря на всю «навороченность» и довольно высокую степень форсировки, двигатель оказался достаточно надежным и ресурсным.

Opel также имеет современный двигатель с чугунным блоком цилиндров. Это 1.6 SIDI (A16XHT/A16SHT), увидевший свет в 2013 году. Его можно встретить на моделях Astra и Insignia в версиях мощностью 170 и 200 л.с. Двигатель оснащен турбиной Garrett, непосредственным впрыском топлива, балансирными валами, системой изменения фаз газораспределения и цепным приводом ГРМ. К слову, чугунный блок имеют и более «возрастные» атмосферные моторы 1.6 (Z16XER/A16XER) и 1.8 (Z18XER/A18XER), которые до недавнего времени ставились практически на весь легковой модельный ряд Opel.

Современные двигатели VW, как правило, изготовлены по схеме «алюминиевый блок + чугунные гильзы». Пример — представители семейства ЕА211 (1.0 TSI, 1.2 TSI, 1.4 TSI, 1.6 MPI), знакомые по моделям VW Polo, Golf, Tiguan и Passat, Skoda Rapid, Octavia и т.д. Хотя их предшественники серии ЕА111 имели чугунный блок. А вот двигатели семейства EA888 (1.8 TSI/TFSI и 2.0 TSI/TFSI) его сохранили. Эти моторы можно увидеть под капотом VW Passat, Tiguan, Audi A4, Skoda Octavia, Superb, Kodiaq и т.д.

Относительно современными можно назвать нынешние двигатели Subaru: семейство FB было представлено в 2010 году. С учетом того, что предшествующее семейство EJ продержалось в производстве более 20 лет, можно предположить, что нынешние японские «оппозиты» задержатся в модельном ряду Subaru надолго. Как и у предшественников, блок цилиндров отлит из алюминия, но гильзы чугунные.

Само собой, мы рассказали не обо всех производителях и модификациях двигателей с чугунным блоком или гильзами. Но и приведенные примеры наглядно демонстрируют, что полностью от тяжелого металла инженеры не спешат отказываться даже в случае с очень «продвинутыми» моторами. С точки зрения ресурса самого «железа» это, безусловно, неплохо. Но еще раз пройдитесь по списку указанных моторов: к числу беспроблемных многие из них не относятся, так как серьезных проблем с надежностью достаточно по другим узлам и системам.

Какой надежнее двигатель с алюминиевым блоком или чугунным

Рассмотрим разницу между никасиловым – алюсиловым двигателем и обычным чугунным или как в народе называют алюминиевый блок цилиндров против чугуна.

Рассмотрим основные тезисы.

На сегодняшний день мировые производители двигателей рассказывают нам о том что алюминиевые двигателя с используемой технологией напыления на стенки цилиндров никосила имеют в 2 раза меньше трения чем двигатель чугунный, а следствием этого трения расход бензина и мощности и надежности их больше. Но на практике мы видим все наоборот.
Ресурс двигателей с никосиловым покрытием не больше 150-200 тысяч километром с учетом щадящих нагрузок, у них начинается критический износ.

Когда производитель создает двигатель он его рассчитывает под определенную мощность и при этом учитывает механические потери двигателя за счет трения. Если взять за основу 100 процентов на все виды трения в моторе, то 50 процентов составляют трения поршневой группы. Но на практике все наоборот потому что основной износ стенок цилиндров происходит при холодной заводке и прогрева вашего авто. Чем быстрее происходит прогрев двигатель тем больше сохранится его ресурс.

Теоретически если взят два двигателя с разными блоками цилиндров и поставить их оба на стенд, вы не заметите существенную разницу или потерю мощности, или расхода на обоих агрегатов. Потому что все трущиеся поверхности двигателя находятся в масленой пленке и трутся почти одинаково у обоих тестируемых двигателях.

Читать еще:  Что лучше автомобиль или мотоцикл

Шаг в сторону алюминиевых двигателей это скорее деградация чем эволюция, помимо
этого в алюминиевых двигателях есть очень большой технологический косяк это сам алюминий у которого температура плавления 660 градусов, а у чугуна в несколько раз выше. И этот температурный режим и есть сама проблема этих двигателей. При меньшей температуре алюминий становится как пластилин и получается что никосиловое покрытие как бы вдавливается в него, происходят задиры прилипание поршней к стенкам цилиндров и т.д. все это происходит при максимальных нагрузках при максимальной мощности.

Поэтому применение такой технологии изготовления двигателя из алюминиевых сплавов это скорее шаг назад чем вперед. Правда есть двигателя алюминиевые с чугунными гильзами они имеют больший ресурс чем с никосилом. Если вы собираетесь растачивать такой двс, то это вряд ли получится потому что стенки между цилиндрами очень тонкие и очень термо-нагружены если только гильзовать.

Первый в мире авиационный двигатель с алюминиевыми цилиндрами.

На самом деле статья о мелкозернистом корундовом покрытии, которое применимо в двигателестроении.

Не секрет, что окись алюминия — корунд, один из самых прочных материалов. А сам по себе алюминий гораздо пластичнее. Алюминий чистотой 9,999% можно штамповать чуть ли не при комнатной температуре. При этом с очень низкой твердость. А вот окись алюминия — Корунд (Al2O3) (Рубин и Сапфир его близкие родственники) уже другая история, твердость уже 9 единиц по Шкале Мооса. Что объединяет алюминий и окись алюминия — отличная теплопроводность. Из сапфиров даже делают радиаторы охлаждения.

Соблазн делать алюминиевый блок велик, и обоснован. Алюминиевый блок можно сделать в разы меньше, чем у чугунный, он лучше прогревается, у него меньше напряжения в сопряжении блока и головки цилиндров.
Но есть сложности —
Алюминий мягок, что делать? Вставим чугунную гильзу. Но «мокрая» посадка гильзы не обеспечивает достаточной жесткости, а «сухая» гильза, которую заливают в блок на этапе отливки или штамповки, обходится дорого. И в любом случае чугун ухудшает теплопередачу и тепловой зазор приходится оставлять большим из-за разного коэффициента расширения металлов. Со временем появляются трещины из-за тепловых перепадов. Если на автомобиле это отказ связанный с протечкой блока не приведет к значимому ЧП, то в авиации ответственность выше.

Хорошо, нанесем покрытие.
Покрытие Никасил — никель + карбид кремния (твердость 9,5), разрушается под действуем сернистых соединений.
Покрытие Алюсил — алюминиевокремниевый сплав (твердость кремния 6,5-7), содержащий около 78 % алюминия и 12 % кремния, боится перегревов и не обладает достаточной твердостью.

С корундом довольно давно экспериментируют(примерно с 1980 года по прессе) и делают, например, покрытие поршней. Но такое покрытие наносится плазменным методом. Но почему то не получило широкое распространение. http://strannik-v.ru/topic1230.html

Что же достигли сейчас? Новый метод «Плазменно-электролитическое оксидирование»

Во первых такое покрытие весьма недорого. Во вторых охватывается широкий диапазон износостойкости и твердости, что позволяет разработчикам получать нужные характеристики одним методом на одном оборудовании.

Описание ПЭО для ЛЛ.
Плазменно-электролитическое оксидирование — вид поверхностной обработки, позволяющий получать твёрдые износостойкие покрытия на различных алюминиевых сплавах.

Исторически происходит из традиционного анодирования, при повышении формующего напряжения до появления на обрабатываемой поверхности микроразрядных плазменных пробоев.

Условия, возникающие в окресности микроразряда, спобствуют физико-химическому превращению оксидной плёнки с образованием высокотемпературных фаз. В частности, при определённых условиях на поверхности алюминиевых сплавов образуется композитный слой, обогащённый высокотвёрдым «корундом» (альфа форма оксида алюминия) в составе более мягкой алюмо-силикатной матрицы. Сочетание высокой твёрдости корунда с эластичностью алюмосиликатной матрицы обеспечивает экстремально высокую износостойкость таких покрытий.

Предельные характеристики покрытий:

• толщина износостойких, мкм: 70 — 500 мкм

• толщина адгезионных, мкм: 5 — 50 мкм

• микротвёрдость: до 22 ГПа

• адгезия: до 340 МПа

• Ктрения по стали: 0,02-0,01

(при смазке водой и нагрузке 20 кгс/см2)

• износостойкость против WC-Cu-Ni: 2-2,5 раза

Части велосипедов и мотоциклов. Звёзды, шкивы вариатора скутера, цилиндры, поршни;

Направляющие плоскости, полозья, ролики, шкивы, элементы прядильно-ткацкого оборудования;

Крыльчатки компрессоров и насосов, работающих с абразивными жидкостями (скважинная жидкость, шликер, пульпа и др.);

Прокатные вальцы, фильеры, детали экструзионного оборудования;

Пары трения, штоки, уплотнители;

Натяжители волокон различной природы, проволоки;

Антиэррозионная обработка газоразрядного канала ионных лазеров;

Подслой, обеспечивающий высокую адгезию с клеями, лаками, смолами, эмалями;

Другие области, требующие высокой износоустойчивости при умеренной общей нагрузке (определяется прочностью алюминиевой основы).

Наличие оборудования для нанесения.
Да, уже производится — http://www.mdo-peo.com/

Красная зона это новое покрытие — большой диапазон износостойкости, с твердостью поверхности в широком диапазоне.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector