Блок цилиндров изготовлен из алюминиевого сплава (6 видео)

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.

Содержание

От чугунного к алюминиевому блоку цилиндров
Требования к алюминиевым блокам цилиндров
Теплопроводность
Прочность при повышенных температурах
Прочность и твердость при комнатной температуре
Усталостная прочность
Выбор алюминиевого литейного сплава
Прочность
Литейные свойства
Химический состав и термическая обработка
Втулки алюминиевых блоков цилиндров
Чугун vs алюминий: какой вариант предпочтительнее для изготовления блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания
🎦 Видео

Видео:Китайский ПЛАСТИЛИН блок двигателя: Чугун или Алюминий. Разбираю как инженерСкачать

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.

Видео:Как делают блок двигателяСкачать

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.

Видео:Блок Двигателя! Чугун или Алюминий! Никасил и АлюсилСкачать

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.

Читайте также: Как снять цилиндр с бензопилы хускварна 142

Прочность

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.

Видео:Как отливают блоки цилиндровСкачать

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.

Читайте также: Определи площадь сечения цилиндра плоскостью параллельной оси цилиндра находящейся

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.

Видео:Почему нежелательно гильзовать чугунный блок? (гильзовка - крайний метод ремонта)Скачать

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

Видео:Про BMW и отличия ЧУГУННОГО блока и АЛЮМИНИЕВОГО блокаСкачать

Чугун vs алюминий: какой вариант предпочтительнее для изготовления блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания

Моторы, блоки цилиндров которых изготавливались из алюминия, появились ещё во второй четверти XX века. Но долгое время лёгкий серебристый металл оставался на вторых ролях. Этому способствовали и специфические характеристики, и относительно высокая стоимость материала, массовое производство которого ещё не было как следует налажено. Но сегодня всё изменилось. Алюминиевые сплавы всё шире используются при производстве ДВС, вытесняя серый ковкий чугун. К добру это или к худу? Попробуем разобраться.

Для автомобильного двигателя, вне зависимости от его конструктивных особенностей, важны следующие параметры:

Механическая прочность, влияющая не только на ресурс, но и на многие технические характеристики.
Масса. Чем меньше вес транспортного средства, тем меньше энергии требуется для приведения его в движение, а значит, меньше расходуется топлива.
Габариты. Мотор небольших размеров занимает мало места и его проще компоновать в мотоотсеке.
Способность к прогреву/охлаждению и поддержанию заданной температуры.
Стоимость. Она напрямую зависит от сложности производства.
Ремонтопригодность.

Вот по этим параметрам мы и будем оценивать блоки цилиндров из алюминия и чугуна.

С механической прочностью всё ясно. Тут чугун существенно превосходит своего конкурента. Он несколько более хрупкий, но его твёрдость составляет не менее 121 HB, в то время как у чистого алюминия всего лишь 20 HB. Как следствие, при производстве блоков цилиндров из алюминиевых сплавов возникает необходимость:

Укреплять стенки цилиндров, устанавливая гильзы из твёрдых металлов или нанося на поверхность покрытия из материалов повышенной прочности, вроде никасила (никелькремниевого сплава).
Увеличивать диаметр резьбовых соединений, дабы заворачиваемые болты и шпильки не срывали резьбу. Как вариант, использовать стальные резьбовые вставки.
Усиливать конструкцию самого блока, наращивая толщину стенок и перегородок, вводя дополнительные рёбра жёсткости.

Всё это становится причиной возникновения проблем, о которых будет сказано ниже.

Удельная масса алюминия почти втрое ниже, чем у чугуна (примерно 2,7 г/куб. см. против 7,3 г/куб. см.). Но рассчитывать на то, что алюминиевый блок цилиндров получится втрое легче чугунного, не стоит. Для достижения необходимой прочности конструкции, как уже было отмечено выше, приходится наращивать, минимум вдвое, толщину стенок и перегородок. Увеличивают массу детали и необходимые рёбра жёсткости. В результате, если получится выгадать пару десятков килограммов, то можно считать, что повезло.

Читайте также: Почему топливо не поступает в цилиндр иж планета 5

При использовании алюминиевых сплавов становятся больше размеры двигателя. Так как показано на рисунке №1, аккуратно и компактно, выглядел изготовленный в середине 30-х годов прошлого века рядный шестицилиндровый мотор с рабочим объёмом 2,5 литра с блоком из серого ковкого чугуна. Мечта механика!

А теперь мысленно представьте, что толщина стенок этого движка увеличилась вдвое и появились дополнительные рёбра жёсткости… Если с фантазией плохо, можете заглянуть под капот какого-нибудь относительно современного автомобиля. Скажем, BMW 5-Series E60 с мотором N52B25. Даже если убрать всё навесное оборудование, преимущество будет не в пользу последнего.

Коэффициент теплопроводности алюминия, измеряемый в ватах на квадратный метр, вчетверо больше, чем у чугуна (200 против 50). И это, безусловно, большой плюс. Если бы не пара «но»:

Двигатели из алюминиевых сплавов слишком быстро отдают тепло, что создаёт проблемы, если автомобиль приходится эксплуатировать при низких температурах. Задача не решается уменьшением проходного сечения каналов системы охлаждения или сокращения площади радиатора. Ведь за зимой приходит лето, а значит и жара.
Быстрый отвод тепла становится причиной резких температурных скачков, вредных для нормальной работы ДВС.

Как следствие, возникает необходимость в установки чувствительных термостатов сложной конструкции и использовании специальных охлаждающих жидкостей.

Ну и, под занавес, то, о чём многие производители и вовсе предпочитают умалчивать. Коэффициент линейного теплового расширения у алюминия в два раза больше, чем у чугуна. Это значит, что при работе мотора детали, изготовленные из алюминиевых сплавов, испытывают колоссальные внутренние напряжения. Такие напряжения нередко становятся причиной деформационных повреждений:

Приобретают бочкообразность или эллипсность цилиндры.
Коробятся привалочные плоскости.
Появляются трещины в рубашке системы охлаждения.
Срываются резьбы под болты и шпильки.

Ремонт таких поломок, если он вообще возможен, вылетает в копеечку. И платит за него не производитель, а потребитель.

Компании, производящие автомобильные ДВС и стремящиеся как можно больше заработать в условиях кризиса перепроизводства, понять не сложно. С появлением новых технологий они получили возможность:

Дёшево производить и быстро обрабатывать алюминиевые сплавы. Если раньше значительный процент блоков из лёгких сплавов уходил в брак, то сегодня всё иначе.
Продавать автомобилистам моторы с малым ресурсом и низкой ремонтопригодностью, всё больше напоминающие одноразовые ручки, которые в случае поломки проще выбросить, чем отремонтировать.

Но какая от этого польза автовладельцам – большой вопрос. Раньше в ситуации, когда из-за развалившихся поршневых колец появились задиры на стенках цилиндров, проблема решалась расточкой блока и переходом на следующий ремонтный размер поршней. Но теперь такой вариант исключён. В случае с алюминиевыми моторами расточка технологически не предусмотрена, а услуги по перепрессовке гильз, как правило, частная инициатива ремонтных мастерских, не гарантирующая результата.

На мой взгляд, было бы правильно оставить автомобилистам возможность выбора. Чтобы в зависимости от предпочтений один имел возможность выбрать мотор с чугунным блоком, а другой – с алюминиевым. Но именно его – выбора – у автолюбителей скоро, судя по всему, и не будет.