Вежливо и не без выгоды эксплуатируем (bmwservice) wrote,
Вежливо и не без выгоды эксплуатируем
bmwservice

Categories:

Трение ч.2: Алмазный распредвал (v.1.0 от 12 сентября 2020)


Начало было тут.: https://bmwservice.livejournal.com/343703.html

       Странно получается: внезапно оказалось, что двигатель в металлургическом смысле собран довольно рационально: то, что призвано изнашиваться, закалено и упрочнено до совершенно достаточных величин. Трущимся деталям, повторюсь, была придана твердость достаточная, чтобы она вообще перестала интересовать конструктора и нормального человека.

Так, например, твердость, прочность и износостойкость вашего обеденного стола совершенно точно так же достаточны, чтобы он простоял неограниченно долгое время, даже если вы будете забывать накрывать его скатертью. И всего-то не нужно обедать за ним слона - и тогда на авито он будет выставлен как "немного бэу" - довольно быстро благополучно будет продан. С частями двигателя, смею уверить, все примерно аналогично устроено.

Но то ли дело - МП. Для этой категории граждан некоторые технологические нормы и даже достижения рандомно и не менее внезапно недостаточны. Недуракисидят (по их мнению) там весьма избирательно, кроме почему-то самых-самых ответственных должностей. "Просчитали все до чердака"(tm), но сделать нормальные (износостойкие) детали так и не догадались.
Сделать равнотекущие из бутылочек масла - то же самое. Ну и, смею заметить, даже не взрывающие поршни масла они то же только-только вот обещают нам сделать... Так будем же (вечно) улучшать плохо сделанное, ну хотя бы в смысле износа от трения, при помощи самой-самой-самой лучшей смазки с диатил-фенил-фтолиен-алкиен-бутиловым нафталином!

Итак, твердость одной из самых ответственных пар трения в ГРМ, как выяснилось в предудыщей части статьи, очень давно замерла ровно на середине шкалы твердости Роквелла - HRC = 50.

Уверен, что осознав этот простой факт, любой противоизносный профессионал... немедля бросится узнавать, нельзя ли было поставить туда хром-ванадиевый распредвал, с кулачками твердостью 60+?! Но думаете ли вы, что он на этом остановится?!

Уверен, что нет: будет настойчиво просить и даже требовать сначала карбид-вольфрамовый композит, чтобы уж сразу под HRC 80+! А оттуда - рукой подать и до алмазного распредвала. Ну а почему бы и нет?! Ложные манипуляции разума МП все время будут требовать судорожного сокращения его тела в достижении олимпийских рубежей типа "быстрее!, выше!, сильнее!" - жажда получить непременно лучшее у МП буквально неутолима. Никаких сомнений - уже пройденный этап и знакомая история!

Без смеха: ну а чем этот процесс по сути отличается от желания "20 частиц железа на миллион" заменить на "2 частицы на миллион"? Представьте, что раньше (во времена автолов) железо буквально терлось о железо в базовом масле. И что же?!

Блог проверил это около пяти лет назад:



Ок, видим, что лабораторная норма "по железу" (обычно около 100 ppm) тогда была превышена примерно за 5000 км пробега. К слову говоря, это типичный интервал для замены масла того периода. Даже с некоторым превышением. Но не забывайте, что тогда в пробках не стояли и моточасы замены другие были. На самом же деле, полагаю, норма не факт что была бы превышена. Но это сейчас просто напомнил, ничего более - здесь мы говорим о конкретной проверке, а не о проведении корректного эксперимента с реконструкцией тогдашних реалий - железо в моем моторе точно не антикварное была, да и нагрузки другие, да и металл автомобиля тогда вряд ли имел следы от предварительного использования ZDDP.

Итак, да: применение противоизносных присадок типа ZDDP в какой-то момент развития технологий резко снизило объективно наблюдаемый износ. Компьютеризированных лабораторий с ICP во времена автолов точно не было, но, как видим, сама метрологическая идея вполне верна: сразу видно, что в двигателе происходит что-то не то. Очевидна и причина: использовано масло без присадок.

Начнете применять привычные масла "с присадками" - получите что-то около 10 ppm за то же время. Можно считать, кстати, что условно трение (влияние трения на износ) снижено почти в 10 раз в объективно наблюдаемых величинах. Прекрасно! Ну так машины даже тогда ездили свои 200-300 ткм до капремонта на маслах, повторюсь, фактически без присадок. Даже тогда. Вот сейчас бы на такое где посмотреть столь же массово...

И для всех, кроме МП, осознания этого факта было бы (и реально было) вполне достаточно - мотив повсеместного внедрения масел с присадками очевиден даже без такой мудреной системы, как ICP.

В начале 70-х годов (50+ лет назад) уже все ясно было: что - да, пора внедрять, как стандартный продукт. Тогда уж точно нельзя было пойти обычному автомобилисту в лабораторию, аки в магазин, да и в голову бы не пришло таким заниматься никому. Некуда и незачем! Антибиотики в медицину внедрить догадались как-то задолго до появления компьютеризированных МРТ, потому что слишком понятен и очевиден ПРИНЦИП. Не нужно было дожидаться XXI века, чтобы понять, что ПАВ-соединения ZDDP позволяют радикально снизить трение и износ - формально с ними всегда будет лучше, чем БЕЗ них.

Но мы же имеем дело с пытливыми умами, просто они стартовали в своих "исследованиях" отнюдь не с той точки, с которой все началось. Масляная метрология вообще началась, повторюсь, едва ли лет 20 назад. А доступная сегодня беспрецедентная ("исследовательская") точность измерения - да и того меньше. И вот им показывают результаты фактически максимально "допиленных" и многократно проверенных продуктов: до пары десятков ppm в исправном моторе до самого момента замены - величина немногим больше погрешности измерения. А для всех остальных металлов (кроме железа) - сравнимая с погрешностью измерений. А им все мало: они хотят раз за разом убеждаться, что-де нет обмана - необъяснимый приступ недоверия к ZDDP. И так уже продолжается десятилетиями!

По той логике, что развитие, очевидно, это динамический процесс стремления к чему-то. И если ты стартовал с 20 ppm металлической стружки, то неизбежно нужно стремиться к 2... Вот они уже лет 20 и стремятся: ну не виноваты МП, что ICP так поздно в этой теме появилось...

BMW, напомню, в далеком теперь 1990(!) году, сделала всем (атмо-)двигателям - двигатель. Назывался он BMW M50. Параметрически это был просто удачный и своевременный проект, где все сделали правильно (преднамеренно что-то испортить экологических мотивов тогда не было). Удачный и своевременный, прежде всего, в смысле реализации современной к тому моменту технологии.

Ничего экзотического - но все правильно. Нормальный ГРМ, нормальная степень сжатия и так далее - технологический стандарт. На базе этого блока в последствии сделали немало серийных моторов различной степени сложности и форсировки, включая S54B32. Но мы берем в рассмотрение "нормальную" модель - M50B20,  а сравниваем ее с самыми-самыми последними разработками BMW в области атмо-моторов - BMW N46(45) - просуществовавших аж до 2015 года...

Обнаруживаем, что удельная эффективность - "момент/объем" за 25 лет практически никак не изменились. Как любят говорить на форумах - "физику не обманешь". Реально же существующие незначительные преимущества в области экологии и ГРМ, у последнего поколения атмосферных двигателей BMW, полностью скомпенсированы их относительной ненадежностью, в сравнении с BMW M50. Природное Равновесие: по физике они ничем не лучше, а вот современные навороты встанут владельцу несравнимо дороже.

Проверенный и неоспоримый факт: за 25 лет в этой области нет никакого реального прогресса. Не только у BMW - у ЛЮБОГО производителя. И уже не будет. Ограничено "физикой". 1990 год - последний год фактического совершенствования атмосферных моторов. Никаких чудес - просто планово эволюционировали и, если посмотреть трезво, достигли технологически возможного потолка. А с 2010-х планово началась "турбо эра", со своими законами.

То есть, начни мы сравнивать с временной точки 1990 года, так вообще и нет прогресса. Но стоит копнуть глубже, в параметры удельной эффективности двигателей серий M10/M20/M30 - прогресс есть и он неоспорим. Нужно правильно выбирать не только инструментарий (он может быть достаточным и даже лучшим), но и сам принцип сравнения - не только что с чем, но почему и для чего.

И вот в подобную простую мысль МП не могут поверить уже более 20 лет - не могут смириться, что зашли в тему масляной метрологии с опозданием лет так в 30-40... Ну вот попались им отработки масел сплошь уже "с присадками". Даже самое позорные, по их мнению, масла типа ВолгаОйл, или Лукойл, сортов типа "М8В", уже содержат полноценный присадочный пакет и ничем "современным" распрекрасным маслам уступать в износе не будут.

Они как в середине 60-х массово появились (я про практически современные "полусиньки" сейчас), так никуда и не девались. А больше прогресса так и нет, так как в масле ничего кроме ZDDP (1930-е годы внедрения) на фактический износ столь сильно и не влияет - он уже столь мизерен, что в частях на миллион измеряется.

Нет прогресса в технологиях, бесполезно ждать и прогресса в результатах.

Стоило бы им заняться этим в далекие 1970-е, так сразу бы и выяснилось, что ZDDP - работает. На этом бы все и закончилось. Но...

И еще пример, понимаю, что мало:

В 80-х начали постепенно ужесточать нормы токсичности. Углеводороды в выхлопе когда-то были нормированы на уровне пары-тройки тысяч ppm (вспоминаем, как пахнет выхлоп отечественного карбюраторного автомобиля). Примерно тогда же, в обиход стали массово входить и аппараты инструментального контроля - газоанализаторы. Их измерительный предел как раз примерно там и находился  - тысячи ppm.

Применение же катализаторов (и сопутствующее введение норм "евро"), позволило незамедлительно понизить этот предел почти на порядок - до сотен ppm. Нормы типа евро3/евро-4 и выше, когда катализаторы подтянули непосредственно к камере сгорания, позволили снизить эту величину до десятков ppm (на холостом ходу, без предварительного разогрева).

Прогресс в технологии обеспечил прогресс в результате.

Анализатор CH для современного автомобиля, если рассматривать его как средство исследования, практически бесполезная игрушка: реальные возможности нейтрализации компонентов выхлопа балансируют на пределе погрешности его измерения. А если катализатор прогрет, то там вообще будут неизменные "нули". Начиналось-то все с величин в тысячи ppm, а закончилось фактически единицами.

И вот чем именно сейчас бы и занимались газоанализаторные профессионалы, будь такие в природе, так это тем, что перебирали бы все существующие сорта бензина, получая на выходе едва отличимые десятки ppm углеводородов, в надежде когда-либо узреть на экране единицы... То есть: если сегодня 34, 45 и даже 27, то завтра всенепременно будет семь и даже четыре - отличия-то (мнимая динамика) налицо - нужно только не бросать это занятие!

Так, наслушавшись про ужасы Чернобыля, радиометрический профессионал бросится продавать свою квартиру, чтобы переехать в район, где уровень фона на крупицу миллиЗивертов в час меньше:


Типа, аааааааааа, как же так: я получаю на 0,01% гамма-излучения больше, чем люди в Братеево... И так далее!

Странно, но в то же время, все они проходят мимо реальных фактов прогресса, которые существуют в мире реальных масло-двигательных технологий. А всего-то нужно было внимательнее читать и смотреть на картинки. Взять, например, Castrol - давно всем нам показывает преимущества своего масла на фоне "обычного" масла... Преимущество - в износе, но что именно нам при этом сообщают:

"Прежде, чем попасть на полки магазинов, все масла Castrol Magnatec прошли серьезные отраслевые испытания. Эксперимент был проведен на кулачках распределительного вала — деталях, особенно подверженных износу. Поверхности, обработанные маслом Castrol Magnatec, остались в 15 раз более гладкими* по сравнению с необработанными, и в 100 раз более гладкими, чем шелк. Детали без специальной защиты молекулами Magnatec быстро становятся шероховатыми, царапины легко можно почувствовать, проведя по ним пальцем и отчетливо услышать неприятный скрипучий звук." - заявляет производитель.



Призываю вчитаться в смысл, так сказать... оценить главный посыл рекламного посула от этой замечательной компании: они говорят вам не об износе, в смысле буквального спиливания в металлические опилки, они уже давно говорят вам исключительно о шероховатости поверхности - ее качестве.

То есть, буквально вот об этом, что висит в Блоге годами:


Сам производитель масла совершенно корректно выражает мысль: мы имеем дело не с ухудшеним геометрии поверхности, а с ухудшением ее качества. Проблемы "запиливания металла в опилки" существуют только в фантазиях МП. Причем, повторюсь, проблема формально решена уже давно и успешно аж с двух сторон: со сторны масла (ZDDP) и со стороны металла (закаливание).

Но и это еще не все!

До сих пор не могу поверить, что нигде подробно не рассматривался реальный прогресс в ГРМ. У BMW (за другими особо не слежу), например, он случился уже в первом рестайле мотора N52 - это аж около середины 2006 года(!). Почти пятнадцать лет назад!

А именно, вот смотрите-ка:


Это не просто круто, а просто офигеть: как можно был пройти мимо пустотелых валов?!


Lightweight components find their way into the cylinder head as well. Aside from the composite construction of the engine block, the most significant reduction in weight comes from the use of hollow camshafts. Typically camshafts are cast or forged to their rough shape, then machined to their final form. For the N52 engine, BMW takes advantage of hydroforming technology to shave more than a pound out of each camshaft, a 25% reduction. The starting point for these new cams is a steel tube, over which the individual cam lobes are installed. The parts are placed together in a forming die that accurately orients the lobes and the bearing surfaces before the tube is filled with a high-pressure burst of water. At over 58,000 psi, the pressure from the water expands the tube, forcing it together with the lobes to create the complete camshaft.

Общеизвестный факт, что использование полых валов, позволило скинуть примерно четверть массы от каждого. Но как же это связано с трением?!

Прежде, чем мы поговорим об этом, не могу не показать картинку из того же источника - два в одном:


Красотища: откровенно драные шейки и потертые (ну или заматованные, как мы уже знаем) кулачки. У обоих валов. От, что очевидно, разных двигателей. Масло с допусками, да. Ну просто к слову о том, как в рекламе и как - на самом деле. Теперь вы точно знаете - кулачки "50HRC" и шейки - "сырой металл". И вот вам реальный результат эксплуатации.

Ну а теперь очень важная аналогия: именно в ГРМ мы имеем дело с крайне заметной штуковиной: моментом инерции вращающихся деталей. Фактически, современный ГРМ это попытка "дрифтовать" на вот таких вот колесах:


Умозрительно понятно, что для эффективного проскальзывания, нам нужно искать гладкую (считай что скользкую) поверхность. А чтобы ее проще было в проскальзывание сорвать, ее нужно сделать максимально легкой (к чему и стремились в BMW, осваивая крайне нетривиальную технологию пустотелых валов - они буквально выдувают тело вала под воздействием воды с давлением 4000 атм):


Собираем же теперь воедино все реальные достижения "сидящих недураков", которые, как ни странно, прошли совершенно мимо многих читателей форумов:

1.Изобрели и повсеместно внедрили противоизносную присадку для металла - ZDDP:

Изобрели, как вы знаете, и даже начали внедрять почти сто лет назад. Но и дальше не сидели без дела: формализовали и сделали требованием для новых автомобилей уже в начале 1970-х: внедрили мировые стандарты API для моторных масел. А вот в 2000-х уже стали извлекать из этого супермаржинальность всеми возможными способами. Последствия этого в Блоге изрядно описаны. Но вот что странно: именно апологеты "допусков" не могут до сих пор в это поверить и неустанно перепроверяют эффективность присадки ZDDP в лабораториях. Два десятилетия не могут поверить, что она эффективна и металлической пыли там очень мало - до 20 частиц на миллион от ТО до ТО. Такая недоверчивость труднообъяснима, но остается фактом (и еще долго останется, попомните мое слово).

2.Закалили все возможные (необходимые и достаточные) контактные поверхности до разумных величин около 50 единиц по шкале Роквелла:

У меня нет распредвалов начала века чтобы проверить и их, конечно, но общедоступной информации об этом валом и без этого. И там же легко узнать, что этим занимались пристально и целеноправленно: планомерно искали наиболее эффективный способ. Вот пример:

И вот факты:
На автомобилях ВАЗ выпуска до апреля 1982 г. устанавливались распределительные валы с кулачками и опорными шейками, закаленными токами высокой частоты. С апреля 1982 г. устанавливались азотированые распределительные валы. С 1984 г. на валах маркируется год выпуска. С 1985 г. устанавливаются распределительные валы с отбелом кулачков; эти валы имеют отличительный шестигранный поясок между 3-м и 4-м кулачками.



Да, отдельно стоит уточнить, что проблема ресурса ГРМ (в т.ч. и распредвала, разумеется) - комплексная. Повязана на саму конструкцию (например, на рассчет профиля кулачка) и всего, что вокруг находится и тоже влияет, включая и масло (с присадками и без). Подробнее много всего в гугле. На ГРМ с верхним расположением вала массово стали переходить только в 70-х годах. А "допилили" до ума все примерно уже около середины 80-х годов, если брать массовый автопром (см. выше).

Закалка - хорошо, масло "со всеми допусками" тоже может быть хорошо, в интересующем нас смысле износостойкости, но даже если было сделано все, чтобы бороться с последствиями, реальную эффективность и надежность покажет только практика:


Если не учли какую-то единственную, совершенно копеечную мелочь, то получите проблемы со всей конструкцией целиком. И никакие "закалки" ТВЧ и модификаторы трения вас не спасут - одно колечко загубит всю конструкцию целиком, как совершенно исчепывающе показано выше. С последствиями ошибок в конструкции бороться конечно можно, но заметно сложнее, чем устранить сам недостаток.

Примеров тому тьма, включая хрестоматийные:

Впрочем, двигатель 2101 (такой индекс в 1970 году присвоили как силовому агрегату, так и первенцу «ВАЗа» в целом) имел существенные недостатки – к примеру, в ходе эксплуатации выяснилось, что ресурс верхнего распредвала примерно вдвое меньше, чем двигателя, из-за чего эта деталь стала в СССР большим дефицитом. Хотя позже эту проблему решили, начав делать распредвал по иной технологии.

Проблемы такого рода встречаются до сих пор (гуглим "износ распредвалов Honda"):


В любом случае, все подобные ситуации необходимо тщательно исследовать. Но если случаи будут признаны массовыми, то неизменно на первом месте окажется проблема самого конструктива. На втором - технологическая (что-то обработали с нарушением технологии). На третьем - эксплуатационная ("это вы масло не меняли"). В случае же, если ошибок в проектировании не было (а бывает и такое) - проблемы износа ГРМ "истиранием металла" существуют только в воображении МП. Если металл стал буквально стачиваться, то что-то собрано/сделано с нарушением и масло тут никаким боком не спасет.

3.Стремятся предельно снизить инерционность подвижных частей в двигателе:

Вот это самое главное, в контексте нашей статьи. Этого штриха (факта) долго не хватало. Именно эта тенденция в конструктиве ГРМ сравнительно новая (новейшая) - см. выше пример с валами N52. Хотя и ей уже лет пятнадцать-двадцать. Существенный прогресс начался именно с поколения двигателей BMW серии "N". Это новшество позволяет нам уверенно заявить: никто иной, кроме как "недураки сидят", не понимает лучше всю значимость этих мер, в том числе и для наиболее нагруженных трением узлов - узлов ГРМ.

Это ничуть не менее важно, чем снижать массу поршневой. Просто с поршнями это сделать в каком-то смысле проще: просверли дыру поменьше, напихай колец потоньше (последствия прилагаются). А вот тут никаких прямых негативных последствий не просматривается - чистый выигрыш в массе инерции, полученный путем современной технологии. Дальше уже только пластики применять (скоро будут, если успеют внедрить).

А вот пока, как видим, необходимо изрядно повозиться ради полукилограмма разницы: металлы выдувать под космическим давлением в тысячи атмосфер - если задуматься, беспрецедентная технология в рамках традиционных конструктивов двигателей.

От проблем "инерционных масс" перейдем к проблеме трения этих инерционных масс.

Чтобы посмотреть на эту проблему, перестанем для начала нормально смазывать гидрокомпенсатор (далее рассматриваем конструкцию с гидротолкателем), чтобы своими глазами увидеть характер его реального износа. Гуглим (так как такая ситуация - редкость в наше время):



Это абсолютно наглядно иллюстрирует характер нагрузки на толкатель. И неважно даже, кто виноват - конструктивный ли просчет инженеров в области подачи масла в ГБЦ к распредвалу, или же ошибка затаилась в самом профиле кулачка распредвала (аномальной на него нагрузке). Или оба сразу, да еще и дополнительно к этому нарушения в технологии закалки - не важно почему, важен результат - наглядность повреждений от воздействия трения.

Отдельно замечу, что "вычерпывание" металла до такой глубины может продолжаться долго - выкопать такой котлован довольно непросто, даже если пройти закаленный слой металла. ГОДАМИ можно ездить с жутким износом и "стружкой" в масле и заметить это только лишь, когда клапана перестанут нормально закрываться. Иначе будет лишь "немного постукивать". А меж тем, с каждого гидрика таким образом было стесано по парочке см.куб. металла. Даже если ГРМ стандартный, даже SOHC, то это где-нибудь так около 16 г на мотор. Это 16000 ppm за 2-3 года - космический износ! Представляете, если типичный МП купит автомобиль с такой проблемой и начнет на нем "исследовать" масла?!

Кривые ГРМ массово когда-то беспокоили владельцев VW 90-х. Чуть позже, правда, VW уготовил им апгрейд проблем (чтобы не расслаблялись): безумное потребление масла в этом сегменте двигателей. Так что про былые проблемы с ГБЦ все уже благополучно забыли - подумаешь, гидрики поменять, на фоне капиталки за 5-7 лет эксплуатации...

Но это только первая часть проблемы, оказывается, трения на компенсаторе заметно больше, о чем давно известно самым внимательным:


Есть и еще одна точка, довольно важная: сам цилиндр компенсатора, а именно то место, куда упирается шток клапана:


Теперь осталось сделать самое важное уточнение: напомнить, что компенсатор еще и подвижен, будучи установленным в постели:


Еще лучше это можно рассмотреть на довольно поучительном видео:


То есть:


Гидротолкатель трется/перекашивается практически по всем осям и рабочим плоскостям, да еще и доворачивается под действием кулачка (см. видео выше).

Кроме того, он же еще, повторяю, жестко давит на шток клапана самим телом гидроцилиндра. И там тоже происходит трение вращения/скольжения между плоскостью цилиндра и плоскостью штока клапана - взаимная "полировка":


А происходит это под постоянным действием нагрузки (пружины), которая даже в исходном состоянии давит на конструкцию силой в несколько десятков кг, а в пиковой точке - очень быстро увеличивает нагрузку в 3-4 раза и за очень короткое время. И вся эта нагрузка, кстати, единомоментно приложена к 1-2 мм квадратным сверху (кулачок-плоскость толкателя) и, примерно, 1/3 см квадратного снизу - плоскость штока клапана.

И вот представьте: бежите вы ровным пружинистым шагом по равнине. А если точнее - вас еще и ведут на веревке - контролируют постоянную скорость бега. Именно ведут, а не тащат - не помогают- веревка почти не провисает. Если веревка переходит в малейшее натяжение - незамедлительно бьют током за отставание. А теперь внимание: ГОРКА. Под 45 градусов холмик, высотой, скажем, 50 метров:


И одно важное условие: у подножия на вас накидывают рюкзак под 50 кг и успевают шепнуть, что темп бега снижать нельзя. Вот в таких условиях и работает кулачок распредвала. Как ему живется после этого, на маслах "со всеми допусками", узнаем в следующей части публикации, совсем скоро...



<продолжение следует>
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 21 comments