Что значит кованые поршни
Что такое кованые поршни
Кованые поршни. Для ценителей тюнинга эти слова звучат как магическое заклинание, да и простым автомобилистам наверняка доводилось слышать восторженные отзывы о подобных изделиях. Чем же кованые поршни лучше широко распространенных литых? В каких случаях их стоит применять?
Начнем с того, что обычные литые поршни прекрасно подходят для серийных моторов, а технология их изготовления – для массового производства. Если автомобиль для вас лишь средство доставки из пункта А в пункт Б, не стоит тратиться на замену штатных поршней коваными. Сказанное справедливо и в отношении капитального ремонта движка.
Другое дело – моторы форсированные, спортивные или тюнинговые. Они-то предъявляют повышенные требования к качеству комплектующих, в том числе поршней. Служившие верой и правдой стандартные поршни для этих двигателей тяжеловаты, а их форма неоптимальна. Кроме того, литье порой имеет невидимые глазу дефекты: каверны, пузырьки, вкрапления инородных тел, которые не выловить даже при тщательном контроле. При обычной эксплуатации они могут и не навредить. Но если, основательно доработав силовой агрегат, увеличить его мощность (и тем самым нагрузки), брак постарается заявить о себе: поршень внезапно прогорит, даст трещину и т. д. Владельцы «заряженных» отечественных машин подтвердят, что подобные казусы особенно часты при увеличении рабочего объема цилиндров путем установки коленвала с измененным радиусом кривошипа. В этом случае штатные поршни надо дорабатывать (торцевать), что явно не способствует увеличению их ресурса, привнося дополнительную слабину. Даже если деталь изготовлена идеально, отливка все-таки менее прочна, чем поковка, – сказывается разница в структуре.
На форсированных моторах детали испытывают большие механические и температурные нагрузки (температура на днище поршня, например, достигает 300…350 гр.С ). Поэтому, для производства кованных поршней с повышенными механическими характеристиками применяют высококремнистые (содержание Si > 12%) сплавы алюминия, обладающие более высокой жаропрочностью, меньшим коэффициент расширения, лучшими прочностными характеристиками по сравнению с обычными (Si 
Кованые поршни и их преимущества.
«В форсированном двигателе применены кованые поршни…». Знатокам тюнинга эта фраза знакома, упоминание о кованных поршнях часто встречается в описании конструкций спортивных двигателей.
Поршни двигателя – одна из самых сложных и нагруженных деталей. Современная тенденция в спортивном тюнинге – рост максимальных оборотов двигателя. Следовательно приходиться бороться за массу поршня, ведь чем легче поршень, тем меньше он под действием боковых составляющих сил инерции прижимается к поверхности цилиндра. А значит, меньше будут механические потери, выше мощность, как правило, больше ресурс и выше максимально допустимые обороты двигателя.
В борьбе за снижение массы поршень приобрел оригинальную форму, но напрочь утратил простоту. Во-первых, как известно, металл при нагреве расширяется, причем поршень расширяется неравномерно, больше в направлении, параллельном оси поршневого пальца, и меньше – в плоскости качания шатуна.
Происходит это из-за того, что металла в области бобышек-приливов под поршневой палец больше, и поэтому если, предположим, поршень был бы цилиндрическим в холодном состоянии, то при нагреве до рабочей температуры он станет овальным. Во-вторых, юбка поршня при работе двигателя тоже нагревается неравномерно, и тоже превратиться в изогнутую, как говорят специалисты, «корсетную». Точно также ведет себя и конусная юбка поршня двигателя.
Все это приводит к сокращению пятна контакта поршня с поверхностью цилиндра, повышенному износу, а в худшем случае – задиру, прихватыванию поршней и заклиниванию двигателя. А ведь помимо нагрева, поршень подвергается и давлению газов, и воздействиям сил инерции, и под их влиянием тоже деформируется.
Понятно, что поршень должен быть как можно легче, прочнее и как можно меньше изменять свою форму при нагреве и других воздействиях.
Вот типичный портрет современного поршня для двигателя автомобиля или мотоцикла. Он (поршень) отливается из аллюминиевого сплава с добавлением кремния и в холодном состоянии имеет овальную форму, чтобы при нагреве поршня, в силу упомянутых выше причин, приблизиться к цилиндрической. А для того, чтобы оптимизировать по форме пятно контакта юбки поршня с цилиндром, профиль юбки поршня делают бочкоообразным, причем с запасом, чтобы поршень сохранил форму бочонка и в горячем состоянии.
Кроме того, с целью свести к минимуму температурную деформацию поршня, в тело поршня заливают стальные, термокомпенсирующие вставки, которые призваны удерживать область бобышек от чрезмерного расширения. Главный недостаток литых поршней – процесс литья не свободен от большого процента технологического брака, внутри металла будущего поршня остаются пустоты, возникают трещины. Да и твердость сплава после литья и закалки относительно не высока: 80 единиц по шкале Бринеля.
Поэтому, чтобы соблюсти необходимую прочность литого поршня, его массу приходится увеличивать. К примеру обычный заводской поршень для 16V двигателя ВАЗ, получаемый литьем в кокиль, весит 370 грамм. Как альтернатива заводским, литым поршням появились кованые поршни. В принципе их правильнее называть штампованными, т.к. поршни получают не многократной обработкой давлением, а однократной. Заготовка поршня помещается в матрицу, прижимается пуансоном и полуфабрикат поршня готов. Естественно, окончательную форму поршня он приобретет только после механической обработки.
Штамповка поршня под давлением позволяет упрочнить металл и одновременно сделать поршень гораздо более легким, прочным, надежным и долговечным.
При этом возникает проблема невозможности (вернее большой сложности) запрессовки в поршень термокомпенсирующих вставок и вследствии этого необходимость в более тщательном подборе профиля поршня.
В качестве сырья для изготовления кованных поршней используют высококремнистый алюминий (содержание кремния 10-18%), подвергнутый предварительной деформации, в виде прутка, прошедшего многократную протяжку через фильеры. В процессе такой протяжки сечение прутка уменьшается вчетверо и при этом ликвидируются поры в металле будущего поршня и изменяется его структура. Пруток режется, и болванками закладывается в гидравлический пресс.
Усилие в 250 тонн и температура 500 градусов, поддерживаемая системой индукционного нагрева, делает чудеса: металл будущего поршня, словно пластилин, за несколько секунд растекается между матрицей и пуансоном, принимая форму заготовки поршня. Поскольку процесс изготовления поршня протекает при неизменной температуре, называется он изотермической штамповкой. Постоянный нагрев играет здесь большую роль, ведь если температура в зоне матрицы упадет, то возможна недоштамповка поршня, те неравномерное распределение металла.
Если температура повысится, то алюминий будущего поршня попросту начнет плавиться. В результате изотермической штамповки из предварительно деформированного металла и последующего цикла закалки и обязательного старения, получается заготовка под будущий кованый поршень с высокими механическими характеристиками – твердость 130 единиц и отсутствие технологического брака типа каверн, раковин и трещин. Комплект облеченных поршней версии «Тюнинг» весит на 50 грамм легче, по сравнению со стандартными, заводскими ВАЗовскими поршнями.
для сравнения – стандартный, литой поршень ВАЗ от 16V двигателя ( справа ) и спортивный, Т-образный, кованый поршень производства СТИ. Комплект таких поршней весит на 550 грамм легче, чем комплект стандартных, литых поршней ВАЗ.
комплект кованых поршней версии «Тюнинг» для 8V двигателя ВАЗ, кольца поршня 1,5/2,0/3,947мм, поршневой палец 22мм.
Что даст установка кованых поршней в двигатель
Ряд технологических особенностей автопрома заимствован из автомобильного спорта. Используемые в нем решения и элементы представляют собой надежные и весьма производительные образцы, одним из которых считаются кованые поршни. Они представляют собой овальные втулки, которые двигаются вертикально в цилиндрах, сжимая смесь топлива и воздуха.
Что лучше – кованый поршень или литой?
Такие поршни являются более подходящими для мощных транспортных средств. Следует заметить, что стоимость их гораздо выше, чем литых аналогов. И если вы приняли решение выполнить тюнинг мотора, установив дорогую деталь, рекомендуется разобраться в необходимости существенного повышения существующей мощности автомобиля.
Считается, что поршни всегда находятся под большой нагрузкой. От их качественного состояния будет полностью зависеть результативность мотора. Да и лишний вес, с которым так сражаются изготовители, играет немаловажное значение.
Особенности поршней
Кованый поршень предназначен для работы под высокими нагрузками, по этой причине его применяют на спортивных и гоночных транспортных средствах. Проще говоря, конструктивные и иные особенности этой детали определяются особенностями ее функционирования. Самым интенсивно воздействующим на поршни фактором во время работы мотора считается температурный режим. От ее воздействия металл расширяется неравномерно.
Такое явление больше проявляется по пальцевой оси поршня и в меньшей степени – по плоскости, в которой качается шатун. От этого поршень с цилиндром соприкасаются неравномерно, что значительно ускоряет изнашивание. В ситуациях, близких к критическим, образуются задиры, указанные детали прихватываются, что вызывает заклинивание ДВС. Кроме температуры, на поршни влияют инерционна сила и давление, которое создается в цилиндре газами.
Особенности изготовления
Кованые поршни могут называться штампованными, потому что изготавливаются именно по такой технологии. В производстве заготовка создается из особых сплавов методами изотермического или жидкого штампования. В них имеются различия, но положительные результаты гарантируются в любом случае.
При изготовлении жидкой штамповки матрица наполняется металлом, применяется пуансон, помогающий деформировать сплав в строгом соответствии с необходимой скоростью. Такая штамповка одноразового типа дает возможность создать полуфабрикат высокого качественного уровня, который в последующем доводят до необходимых параметров, применяя механический способ обработки.
Во втором случае необходима заранее подготовленная заготовка. Ее получают обжатием через фильеру особых прутьев, изготовленных из алюминия, содержащего в себе много кремния. Данная методика позволяет избавиться от пор внутри металла, сделать его структуру лучше.
Далее матрица вместе с заготовкой подвергается нагреву, после чего деталь можно штамповать на гидравлическом прессе. Большие усилия необыкновенно преобразуют деталь. Одновременно с этим постоянный температурный режим помогает равномерно заполнить форму, от чего зависит качество детали.
Кованый поршень не только не имеет раковин и трещинок, но и является более твердым. Весит он на 50 грамм меньше своего аналога, отлитого в заводских условиях. Целый комплект уменьшает вес двигателя внутреннего сгорания на пятьсот грамм.
Такая разработка считается настоящим прорывом в выпуске машин для спортивных гонок, так как в полной мере отвечает существенным нагрузкам в момент состязаний. Эти же кованые поршни используют в форсированных моторах. Они реже прогорают, так как отличаются значительной термоциклической устойчивостью.
Параметры кованых поршней
Чтобы правильно подобрать данную деталь для машины, следует соотнести ее параметры с характеристиками мотора:
Основные отличия от литых аналогов
Такие поршни хорошо работают на обычных моторах, но по определенным причинам для двигателей повышенной мощности считаются непригодными. Масса их несколько выше кованых деталей, да и форма не оптимальна. Литые поршни, изготовленные в заводских условиях, имеют скрытые дефекты, которые во время стандартных условий эксплуатации проявиться не могут.
Но увеличение мощности влечет за собой повышение нагрузочных усилий, которые в первую очередь воздействуют на сам мотор. В этих условиях дефекты приводят к тому, что поршень может прогореть или треснуть.
Отрицательные моменты кованых поршней
Основным недостатком кованого элемента считается его стоимость. Она довольно существенная, зависит от сложности производственного процесса. Еще один недостаток – расходы, связанные с услугами профессионального специалиста по установке поршней.
Многие считают, что кованые поршни придают машине шумность. Но это утверждение относится к машине, которая еще не прогрета. Такая особенность объясняется просто – различиями в коэффициентах на расширение. Из-за этого для кованого поршня следует увеличить зазор между стенками цилиндра. При увеличении температуры поршень расширится, зазор уменьшится, убрав неприятный шум.
Применение
Зачастую данные детали используют при монтаже турбонаддува. Кроме того, в некоторых случаях их применение считается единственным условием, чтобы сохранить ресурс мотора, ведь температура увеличивается, да и нагрузочные усилия на детали растут, что часто считается причиной прогорания поршня. Кованый поршень, как правило, применяется в комплекте с другим коленчатым валом и шатунами, имеющими форму «Н».
Необходимо помнить, что использование кованого поршня определяется в первую очередь особенностями эксплуатации транспортного средства. Для повседневных поездок вполне можно обходиться литыми деталями.
Видео
Кованые поршни. Что это такое?
кованые поршняКованые поршни. Для ценителей тюнинга эти слова звучат как магическое заклинание, да и простым автомобилистам наверняка доводилось слышать восторженные отзывы о подобных изделиях. Чем же кованые поршни лучше широко распространенных литых? В каких случаях их стоит применять?
Для кого нужны кованые поршни?
Начнем с того, что обычные литые поршни прекрасно подходят для серийных моторов, а технология их изготовления – для массового производства. Если автомобиль для вас лишь средство доставки из пункта А в пункт Б, не стоит тратиться на замену штатных поршней коваными. Сказанное справедливо и в отношении капитального ремонта движка.
Другое дело – моторы форсированные, спортивные или тюнинговые. Они-то предъявляют повышенные требования к качеству комплектующих, в том числе поршней. Служившие верой и правдой стандартные поршни для спортивных двигателей тяжеловаты, а их форма неоптимальна. Кроме того, литье порой имеет невидимые глазу дефекты: каверны, пузырьки, вкрапления инородных тел, которые не выловить даже при тщательном контроле. При обычной эксплуатации они могут и не навредить. Но если, основательно доработав силовой агрегат, увеличить его мощность (и тем самым нагрузки), брак постарается заявить о себе: поршень внезапно прогорит, даст трещину и т. д.
Владельцы «заряженных» отечественных машин подтвердят, что подобные казусы особенно часты при увеличении рабочего объема цилиндров путем установки коленвала с измененным радиусом кривошипа. В этом случае штатные поршни надо дорабатывать (торцевать), что явно не способствует увеличению их ресурса, привнося дополнительную слабину. Даже если деталь изготовлена идеально, отливка все-таки менее прочна, чем поковка, – сказывается разница в структуре.
Поршни кованые МАМИ для ВАЗНа форсированных моторах детали испытывают большие механические и температурные нагрузки. Поэтому, для производства кованных поршней с повышенными механическими характеристиками применяют высококремнистые (содержание Si > 12%) сплавы алюминия, обладающие более высокой жаропрочностью, меньшим коэффициент расширения, лучшими прочностными характеристиками по сравнению с обычными (Si меньше 12%) сплавами, применяемыми для отливок заготовок в кокиль.
Материал для штампованных поршней обладает повышенными механическими характеристиками не только при нормальной температуре, но и при рабочих температурах в 300…3500 C. Более лучшие прочностные характеристики позволяют сделать штампованный поршень более «ажурным», т.е. легче чем литой. К недостаткам штампованных поршней стоит отнести высокую стоимость и необходимость соблюдения при их установке более точных параметров, что требует высокой квалификации моториста.
В форсированных моторах применение кованых поршней если уж не обязательно, то во всяком случае желательно.
По сравнению с литыми штампованные поршни легче и одновременно прочнее, их форма оптимальна для форсированных двигателей, склонность к прогоранию меньше. В подтверждение обратимся к цифрам. Твердость кованых поршней 120–130 ед. по Бриннелю против 80–90 ед. у обычных. Термоциклическая стойкость выше в 5–6 раз. Если литые до появления первых трещин выдерживают в среднем 400 испытательных циклов «нагрев–охлаждение», то штампованные – 2500.
Кроме того, стандартный «жигулевский» поршень диаметром 79 мм весит 376 – 380 г, а кованый – на 40 г легче. Это означает, что главное преимущество кованых поршней — это меньший вес. А значит двигатель будет легче расскручиваться.
ПРО КОВАННЫЕ ПОРШНИ (теория)
Для людей, интересующихся тюнингом, слова кованые поршни, звучат как магические определения. И даже простой автолюбитель наслышан, что кованные поршни чем-то отличаются от обычных, литых. И все таки у многих остается вопрос чем кованые поршни лучше?
Первым делом стоить отметить, что привычные нам, литые поршни, на много дешевле кованых, и потому в основном используются во всех обычных моторах. Потому если машиной пользоваться для поездок на работу и на дачу, без никаких больших нагрузок на двигатель, не гонять с друзьями кто первый проедет квартал, то не стоит и задумываться о кованых поршнях, при ремонте двигателя.
Совсем другое дело, если автомобиль предназначен для вас не только для семейных поездок, но и для резких стартов на светофорах и соревнованиях кто первый, то в таком случае можно подумать и о кованых поршнях.
При тяжелых режимах двигателя, все комплектующие испытывают очень большую нагрузку, особенно поршни. При высоких нагрузках, поршни, которые двигаются с очень большой скоростью испытывают большие нагрузки, причем чем больший вес поршня тем нагрузки больше. Кованые в свою очередь, легче чем литые, потому нагрузки на них меньшие.
Так же при изготовлении литых поршней, очень часто бывают маленькие дефекты, которые на глаз определить нельзя, и при обычных настройках двигателя, с такими дефектами ездить можно, последствий может и не быть никаких. Но при увеличении мощности двигателя, нагрузка на поршень существенно увеличивается. В таком случае мелкие дефекты сразу дадут о себе знать. Но если даже поршень и без дефектов, он очень быстро придет в негодность, потому что он не рассчитан на повышенные нагрузки.
На спортивных моторах, или на форсированных, большинство параметров очень отличаются от обычных двигателей. Например температура на днище поршня часто достигает 350 градусов. Для обычного поршня это большая температура, он может деформироваться. При такой температуре, поршень очень расширяется, что негативно влияет эксплуатацию двигателя. Кованные поршни изготавливают из других материалов, чем литые. При изготовлении кованых поршней, использывают высоко кремниевые сплавы, которые дают хорошую температуростойкость, маленькое тепловое расширение. Сразу возникает вопрос, почему нельзя сделать литые поршни с такого же материала? Ответ, очень прост: при использовании высоко кремниевого состава, при литье возникают процессы, при которых в поршне возникают разные пустоты, и неравномерное соотношение материалов сплаве. Это все происходит из-за разных скоростей кристаллизации компонентов высоко кремниевого сплава.
Так, кованные поршни стали очень популярными, у людей, которые хотят выжать с двигателя максимум. Кованые поршни, популярных фирм, изготавливают методом «изотермической штамповки». Эти технологии позволяют при высоких температурах (но ниже плавления метала) вы прессовать поршень с очень высоким качеством и хорошими характеристиками.
Некоторые характеристики поршней, кованых и литых:
Твердость поршней в единицах по Бриннелю:
-кованые 130 ед
-литые 80-90 ед
Термоциклическая стойкость у кованых поршней превышает в 6 раз, по сравнению с обычными. При тесте на «нагрев-охлаждение», литые сдаются уже на цифре 400 раз, у них начинают появляться сколы и трещины. Когда у кованых эта цифра может превышать 2500. Если судить по весу, то кованый поршень диаметром 79мм на 40 г легче от литьевого.
Молибденовое покрытие, предохраняет поршень от температурного перегрева, уменьшает механические потери (улучшает скольжение) и появление царапин на стенке поршня.
Современная технология может также обеспечить защиту деталей двигателя, подверженных термическим нагрузкам, особенно поршней, путем использования структурного покрытия или специальных изолирующих материалов. Эти материалы могут быть нанесены на поверхности деталей, что добавляет материалам желаемые характеристики, которыми они изначально не обладают. Эти покрытия можно разделить на два основных класса: молекулярные твердые покрытия и керамика.
Твердое покрытие используется или связывается на молекулярном уровне с помощью процесса, подобного металлизации. Очевидным фактом является то, что эти покрытия создают очень жесткую поверхность, которая возможно отражает тепло «механически», т.е. молекулы высокой энергии, налетающие на поверхность, отскакивают от нее, не отдавая большую часть энергии, как это было бы в случае поглощения молекул.
Керамика хорошо известна благодаря своим изолирующим свойствам. Она поглощает тепло, но только в слоях, близких к поверхности. Эти «субслои» материала действуют как очень эффективные изоляторы, «удерживая» тепло от проникновения в материал. Нанесение керамического состава на верхнюю часть поршня предотвращает поглощение тепла головкой поршня. Тепло, которое не поглощается, удерживается в камере сгорания и при этом увеличивается давление газов в камере сгорания. Это дает дополнительное усилие на поршень, направляя его вниз, что в свою очередь, обеспечивает большую отдачу мощности. Численные динамометрические испытания на многих гоночных двигателях, оснащенных поршнями с покрытием, показали, что возможно увеличение мощности на 4 — 8 %.
Другим преимуществом поршней с высокотемпературным покрытием является то, что у них увеличена надежность материала. Головка поршня с покрытием гораздо менее чувствительна к высокому тепловыделению, связанному с детонацией. При детонации часть пока не воспламененной сжатой рабочей смеси поджигается из-за слишком высоких давлений или температур перед тем, как образуется нормальный фронт пламени от смеси. При этом образуются области с высокой температурой в объеме камеры сгорания. Так как жесткость алюминия быстро уменьшается при возрастании температуры, особенно выше 120° С, верхняя плоскость поршня может разрушиться за несколько секунд, если дать детонации продолжаться. Однако, изолирующее покрытие на головке поршня в некоторых условиях предотвращает повреждения при воздействии детонации в течение 20 — 30 мин!
Жесткость поршня с покрытием постоянно увеличивается благодаря пониженной рабочей температуре. Это вместе с тем фактом, что верхнее компрессионное кольцо может располагаться ближе к вершине поршня, обеспечивает лучшее уплотнение в цилиндре и преимущества поршней с покрытием становятся более явственными.
Термостойкие покрытия могут быть успешно использованы на любом типе двигателей: обычном форсированном или гоночном. Однако, вы должны решить, будет ли использование покрытий экономически выгодно в вашем конкретном случае. Для мощных гоночных двигателей практически все, что обещает прирост мощности, обычно считается «выгодным», но для двигателей, используемых для повседневного пользования, экономия средств играет немаловажную роль. Опыт подсказывает, что использование термостойких покрытий на форсированных двигателях оправдано на агрегатах высокой стоимости, тогда как конструктор часто руководствуется финансовыми соображениями, чем небольшим увеличением характеристик двигателя.