В механизмах современных автомобилей и двигателей имеется много
трущихся деталей. В двигателях, например, поршни с кольцами трутся о
стенки цилиндров, шейки коленчатого вала - о поверхности вкладышей и т.
д.
Напомним, в чем состоит сущность явления трения. Известно, что трение
бывает двух родов - скольжения и качения (фиг. 51). Разберем вначале
сущность трения скольжения. Если мы перемещаем один предмет по другому,
т. е. трем один предмет о другой, то для преодоления трения мы
принуждены приложить определенную силу. Трутся ли один о другой
металлические или деревянные предметы, все равно приложение силы и
затрата механической работы необходимы. Вспомним опыт из физики, при
котором определялся коэффициент трения. При этом опыте по столу
перемещался груз 1 (фиг. 51) под действием веса гири 2. Гирю 2 обычно
подбирают с таким расчетом, чтобы ее вес был достаточен для равномерного
движения груза 1 по столу. В этом случае вес гири как раз равен величине
силы трения, сопротивляющейся передвижению груза 1 по столу. Если,
например, груз весит 25 кг, а вес подобранной гири 5 кг, то легко
определить коэффициент трения. Для этого надо величину силы трения (вес
гири 5 кг) разделить па величину веса перемещаемого груза (в нашем
примере 25 кг). Полученная в результате деления величина 0,20 и есть
коэффициент трения для данных трущихся поверхностей (груза и стола).
При опытах можно убедиться, что величина этого коэффициента различна для
разных материалов и существенно зависит от качества трущихся
поверхностей: для грубых (необработанных) поверхностей он имеет большую
величину, для гладких (обработанных, особенно шлифованных) - меньшую
величину. Чем больше коэффициент трения, тем больше и сила трения, т. е.
сила, препятствующая относительному движению одного предмета по другому.
Рассмотрим еще несколько примеров. Для перемещения тяжелого ящика с
товарами по полу необходимо прикладывать большое усилие (фиг. 52, а),
так как поверхность ящик и поверхность пола не обработанные, коэффициент
трения между ними велик - велика и сила трения. Но если установить этот
же ящик на лист железа, имеющий сравнительно гладкую поверхность, то для
перемещения ящика на листе железа потребуется меньшая сила (фиг. 52, б).
Меньшая сила понадобится для перемещения ящика, если под железный лист
налить машинное масло и лить это масло по всему пути передвижения ящика
(фиг. 52, в). В этом случае сухое трение между листом железа и полом
заменяется жидкостным трением внутри слоев масла, и сила трения резко
уменьшается.
Почему же для преодоления трения между различными поверхностями
требуется прикладывать различную силу?
Механизмы двигателя имеют детали, трущиеся поверхности которых гладкие -
шлифованные и полированные. Однако если эти поверхности рассматривать
под большим увеличением (фиг. 53), то поверхность состоит из различных
выступов, бугорков и других неровностей. Оказывается, что детали даже
при условии самой совершенной механической обработки имеют на
поверхности неровности высотой примерно 0,0001 мм, различаемые только
через микроскоп.
Фиг. 51. Трение скольжения и трение качения.
Фиг. 52. Различные виды трения скольжения.
При движении одной такой детали по другой неровности их
соприкасающихся поверхностей зацепляются одна за другую и обламываются,
на что затрачивается некоторая работа. Мельчайшие частицы металла,
срезаемые с трущихся поверхностей, вызывают образование дополнительных
неровностей, уменьшают размеры детали и изменяют ее форму, т. е. деталь
изнашивается. Чем грубее обработка поверхностей деталей, тем больше
бугорков срывается с них при трении, тем интенсивнее износ трущихся
поверхностей и тем большую работу надо затратить на преодоление трения.
Следует отметить еще одно явление, возникающее при трении деталей, -
нагревание трущихся поверхностей. При трении детали нагреваются. Б этом
легко убедиться, если, например, быстро потереть какую-либо твердую
поверхность рукой.
Нагревание деталей двигателя вследствие трения при работе может повлечь
за собой их повреждения: например выплавление баббита подшипника,
заедание поршня в цилиндре, задирание его стенок и т. п.
Фиг. 53. Шероховатость шлифованной поверхности
детали.
Следовательно, трение между деталями, на предельных скоростях
вызывает износ двигателя и которое вызывает износ и нагрев деталей, надо
считать вредным явлением. Необходимо насколько возможно уменьшить трение
между поверхностями деталей и этим уменьшить их износ и нагревание.
Ранее уже указывалось, что если сухое трение между поверхностями
(непосредственно одной детали о другую) заменить жидкостным, то сила
трения уменьшится, а следовательно, уменьшатся и все вредные явления,
сопровождающие его. В двигателях между поверхностями трущихся деталей
вводят минеральное масло, уменьшающее потери работы на преодоление
трения и износ деталей. Уменьшение трения в этом случае объясняется
следующим.
Если между трущимися поверхностями ввести слой масла, то бугорки,
выступы и другие неровности трущихся поверхностей уже не будут задевать
один за другой, уменьшится износ поверхностей и потеря полезной работы
на преодоление трения. Непосредственное трение поверхностей деталей
заменяется в этом случае трением между слоями масла.
Установлено, что масло образует на поверхности смазываемой детали
масляную пленку. Масляная пленка при перемещении детали движется вместе,
с ней (фиг. 54, б). Слой смазки между трущимися поверхностями можно
представить себе в виде нескольких отдельных слоев, причем крайние слои
прочно связаны с трущимися поверхностями (образуют пленку). Таким
образом, крайний верхний слой 1 масла связан и движется с поверхностью
А, а крайний нижний слой 2 связан и движется с поверхностью Б, средние
же слои масла незначительно смещаются один относительно другого.
Следовательно, при наличии слоя смазки поверхности деталей не
соприкасаются и не трутся одна о другую, трение происходит только между
слоями масла. Внутреннее трение между слоями жидкости значительно меньше
сухого трения между любыми твердыми телами. Весьма наглядным примером,
иллюстрирующим сказанное, может служить перетаскивание лодки. При
подтягивании лодки по воде к берегу нужно прикладывать очень небольшую
силу, а как только лодка коснется берега, для дальнейшего ее
перетаскивания по земле потребуется значительно большая сила (фиг. 54,
а). В первом случае происходит жидкостное трение, во втором - сухое.
Аналогичные явления наблюдаются при трении деталей двигателя, например,
шеек коленчатого вала в подшипниках. При сухом трении, т. е. при
отсутствии масла, для вращения вала необходимо приложить усилие во много
раз большее, чем при жидкостном трении, т. е. при наличии в подшипниках
слоя масла.
Чтобы масло могло проникнуть в подшипник или к другим деталям, между
трущимися поверхностями предусматривают необходимые зазоры. Например,
диаметр шейки вала делают меньше диаметра подшипника (фиг. 54, в).
Кольцевой зазор между шейкой вала и подшипником при работе двигатели,
вал как бы <плавает> в нем (в масле), не касаясь непосредственно опорной
поверхности подшипника. Таким образом, сухое трение в подшипнике
заменяется жидкостным трением.
Фиг. 54. Различные виды трения.
Жидкостное трение характерно и для других трущихся деталей
двигателя - не только вращающихся, но и совершающих
возвратно-поступательное движение, например поршня в цилиндре, клапанов
и толкателей в направляющих и т. п.
Необходимо отметить, что сохранение между трущимися поверхностями
деталей масляного слоя, обеспечивающего жидкостное ) трение, возможно не
при всех условиях работы двигателя. Напри- 1 мер, сразу после пуска,
когда масло еще холодное и густое, оно не подается в зазоры между
трущимися поверхностями деталей в достаточном количестве. В то же время
масло в зазорах между деталями после остановки двигателя не сохраняется.
В таких условиях детали работают некоторое время с так называемым
полусухим трением, т. е. их трущиеся поверхности частично соприкасаются.
Естественно, что работа с полусухим трением сопровождается затратой
большей энергии на движение деталей и определенным их износом.
Полусухое трение деталей может наблюдаться также при кратковременных
перегрузках двигателя, когда вследствие значительного давления между
трущимися поверхностями масло выжимается из зазоров. Наконец,
непосредственное соприкосновение трущихся поверхностей деталей возможно
при применении жидкого масла или при уменьшении вязкости масла в
результате перегрева двигателя. В этих случаях масло легко выдавливается
из зазоров между трущимися поверхностями деталей. Таким образом, в
условиях обычной эксплуатации двигателя неизбежен износ его трущихся
деталей, хотя этот износ во много раз меньше, чем в случае полного
отсутствия смазки.
При работе двигателя масло подается к трущимся поверхностям непрерывным
потоком и при движении деталей поступает в зазор между их трущимися
поверхностями. При этом ранее поступившее в зазор масло вытесняется
свежим и одновременно удаляются мельчайшие частицы металла, оторвавшиеся
от поверхности при трении. При постоянном протекании между трущимися
поверхностями масло охлаждает трущиеся детали, отводя тепло,
выделяющееся при трении. При этом масло нагревается, его необходимо
охлаждать.
Таким образом, систёма смазки двигателя и любых других механизмов
автомобиля обеспечивает: 1) уменьшение трения и, следовательно,
уменьшение потерь полезной работы; 2) уменьшение износа деталей и
удаление продуктов износа с поверхностей трения, 3) охлаждение деталей,
что предохраняет детали от повреждений и поломок. 1
Смазывать необходимо все трущиеся детали двигателя, но особенно
интенсивно нужно смазывать подшипники коленчатого вала, цилиндры и
поршни с поршневыми кольцами. В наиболее тяжелых в отношении нагрузки
условиях работают подшипники коленчатого вала.
Коренные и шатунные подшипники коленчатого вала являются подшипниками
скольжения; при этом баббит, как уже говорилось, в одних случаях
заливают специальные канавки, а в других - по рабочей поверхности
специальных сменных вкладышей. Иногда на рабочих поверхностях
подшипников скольжения делают канавки для улучшения распределения масла
в зазорах между трущимися поверхностями. К подшипнику масло подводится
по каналу или по трубке через отверстие во вкладыше.
Фиг. 55. Комбинированная система смазки
двигателя.
Кроме коренных и шатунных подшипников коленчатого вала в двигателе
смазываются цилиндры, поршни, поршневые кольца, поршневой палец,
направляющие клапанов и толкателей, подшипники и кулачки
распределительного вала и другие трущиеся детали.
В современных автомобильных двигателях преимущественное распространение
получила так называемая комбинированная система смазки (фиг. 55). При
такой системе смазки к основным вращающимся деталям масло поступает под
давлением от специального насоса, а прочие трущиеся детали смазываются
разбрызгиванием. Разбрызгивание масла осуществляется всеми движущимися
деталями двигателя. Вытекающее из шатунных и коренных подшипников масло
разбрызгивается внутри картера кривошипами вращающегося коленчатого
вала, шатунами и другими движущимися деталями во всех направлениях. При
этом масло дробится на мельчайшие капельки, образуя в картере масляный
туман. Такое промышленное масло легко проникает в зазоры между трущимися
поверхностями остальных деталей кривошипно-шатунного механизма и всех
деталей газораспределительного механизма.
В системе смазки применяются устройства для тщательной очистки и
охлаждения масла, что существенно повышает срок службы двигателя до
ремонта.
Это оказалось возможным вследствие подачи масла насосом под высоким
давлением, достаточным для преодоления сопротивлений фильтров и
масляного радиатора. Для контроля за работой системы смазки имеются
соответствующие приборы и приспособления. Давление масла контролируют по
манометру, а уровень масла в картере - маслоизмерительным стержнем.
Применяемое для смазки двигателя масло должно быть высококачественным и
удовлетворять специальным требованиям, определяемым условиями работы.
Прежде всего масло должно образовывать прочную масляную пленку на
трущихся поверхностях деталей. Масло не должно полностью выдавливаться
из зазоров между трущимися поверхностями, т. е. толщина слоя масла в
зазоре между деталями должна быть достаточной, чтобы исключить появление
сухого трения.
Масло должно хорошо противостоять высокой температуре, т. е. не
разжижаться при высокой температуре, не выгорать с образованием большого
количества нагара. Масло должно легко проникать даже в самые малые
зазоры между трущимися поверхностями деталей, т. е. не должно быть
слишком густым. Наконец, масло не должно содержать химических примесей,
вызывающих коррозию металла деталей.
Для смазки автомобильных двигателей применяют различные масла. В табл. 3
приведены сорта масел, предназначенные для смазки двигателей легковых
автомобилей.
