Из поршневых колец наиболее интенсивно изнашивается верхнее компрессионное кольцо. В результате износа колец по радиальной толщине и высоте, а также износа сопряженных с ними поверхностей цилиндра и канавки поршня резко увеличивается прорыв газов, из-за увеличенного угара масла в соединении кольцо — поршень в большом количестве отлагается нагар, нарушается теплообмен, повышается температура, кольца «залегают», теряют свою упругость, ломаются. Своевременная замена колец позволит увеличить межремонтный срок службы. Так, у двигателей ЯМЭ-236 и ЯМЭ-238 износ верхнего компрессионного кольца по радиальной толщине после пробега около 100…130 тыс. км составляет 0,1…0,3 мм. После замены этих колец двигатели продолжали нормально работать и после пробега 25…100 тыс. км еще находились в эксплуатации. При капитальном ремонте двигателей поршневые кольца подлежат стопроцентной замене.

Параметрами поршней, лимитирующими долговечность, являются отверстия в бобышках, канавках под верхнее компрессионное кольцо, диаметр юбки в плоскости, перпендикулярной оси пальца.

Износы поршней старых моделей двигателей при поступлении последних в капитальный ремонт достигали своей предельной величины. Из-за отсутствия приемлемого способа восстановления поршни до самого последнего времени выбраковывали в утиль без дефектации. Исследования долговечности двигателя ЗИЛ-130 показали, что если ввести один ремонтный размер компрессионного кольца и верхней канавки, то около 40% поршней может быть использовано повторно. Поршни являются дорогостоящими деталями.

Причины износа деталей цилиндропоршневой группы. Существует много гипотез о причинах износа соединения цилиндр — поршневое кольцо — поршень. Общепризнанным считается мнение, что изнашивание цилиндров происходит вследствие протекания на поверхностях трения нескольких физико-химических процессов: моле-кулярно-механического изнашивания, ‘возникающего из-за разрушения микрошероховатостей трущихся поверхностей при их зацеплении и металлическом схватывании и усталостного разрушения; коррозионного изнашивания под действием газообразных продуктов сгорания топлива и кислот, образующихся в результате растворения газов в сконденсировавшихся парах воды; абразивного изнашивания из-за проникающей в цилиндр пыли и продуктов износа. Все эти процессы могут протекать одновременно, но один из них может стать основным.

В 40-х годах утвердилось мнение, что преобладающим видом износа для цилиндров двигателей является коррозионное изнашивание. В результате проведенных исследовательских работ и конструкторских разработок двигатели, выпускаемые в настоящее время, имеют достаточную устойчивость против коррозии. Наиболее подходящим материалом для цилиндров оказался высоколегированный чугун, называемый нирезистом и имеющий следующий химический состав: С 2,45…3,0%; Si 2,5…3,0; Мп 0,6.-1,0; S до 0,12; Р 0,4…0,7; Сг 1,8—2,2; Ni 16,0… 17,5, Си 7,0…8,5 %. Твердость сплава составляет 156…197 НВ. Микроструктура сплава — аустенит с мелкими, равномерно распределенными карбидами и мелкопластинчатый графит. Однако нирезист — дорогой и дефицитный материал. Поэтому его стали применять только для оснащения верхней части цилиндров в виде коротких вставок.

Было установлено, что в летний период цилиндры двигателя ЗИЛ-130 изнашивались в 2 раза быстрее, чем зимой. Эти и другие данные испытаний показали, что в общем износе двигателей абразивный износ играет основную роль. Поэтому для повышения долговечности двигателей необходимо применять более эффективные воздушные, масляные и топливные фильтры, улучшить герметизацию двигателя, тщательно производить техническое обслуживание.

Другой резерв повышения долговечности двигателей заключается в применении твердых покрытий и термической обработки.

Повышая абразивную износостойкость, нельзя не учитывать коррозионную стойкость и склонность к схватыванию применяемых материалов. Так закалка серого чугуна снижает кислотостойкость в 2,5…4,5 раза. Хромированные гильзы обладают высокой износостойкостью, однако в паре с алюминиевыми поршнями в период приработки склонны к схватыванию. Сульфидирование, фос-фатирование и сульфоцианирование улучшают приработку и тем самым повышают долговечность двигателей.

Среди факторов, влияющих на износ цилиндров капитально отремонтированных двигателей, значение абразивного износа еще больше, чем для новых. Причины этого явления в следующем: детали капитально отремонтированных двигателей имеют большую загрязненность, чем детали новых двигателей; на ремонтных заводах еще недостаточно внимания уделяется очистке и качеству ремонта воздушных, масляных и топливных фильтров, что приводит к загрязнению двигателя уже в первые часы работы; при ремонте двигателей нередко устанавливаются некачественные прокладки (картонные вместо пробковых), имеет место нестабильность крепления болтовых соединений и неудовлетворительная герметизация, способствующая попаданию пыли в двигатель.

Способы повышения срока службы цилиндропоршневой группы можно разделить на:
1) осуществляемые при изготовлении двигателей;
2) реализуемые при эксплуатации;
3) связанные с капитальным ремонтом.

В последние годы была проведена большая работа по увеличению срока службы современных автомобильных двигателей. Благодаря выявленным резервам срок эксплуатации двигателей до капитального ремонта возрос в 1,5…2 раза и составил 200 тыс. км пробега для карбюраторных и 6000 моточасов работы для дизельных двигателей.

Большое влияние на удлинение срока службы двигателей оказывает техническое обслуживание и грамотная эксплуатация: смена масла в установленные сроки; регулярная очистка масляных, топливных и воздушных фильтров; обеспечение заправки чистым топливом и маслом; контроль и обеспечение герметичности соединений топливной системы и системы смазки, впуска и выпуска газов; поддержание оптимального теплового режима двигателей в зимнее время за счет утепления; организация подогрева двигателей в зимнее время во время стоянки; прогрев двигателей при запуске; борьба с перегревом двигателей, очистка системы охлаждения от засорения и накипи; борьба с перегрузками и др.

Одним из способов повышения долговечности цилиндров двигателей, приемлемых для ремонтного производства, является хромирование зеркала цилиндров.

В. Г. Горбатый разработал процесс проточного хромирования в один прием всех шести цилиндров двигателя ЗИЛ. Он установил, что износостойкость покрытий цилиндров, отхромированных в проточном электролите, в 1,5…2 раза, а скорость осаждения хрома в 6… 10 раз быстрее, чем при обычном хромировании.

Для хромирования в проточном электролите рекомендуется электролит с концентрацией хромового ангидрида Сг03 150…170 г/л и серной кислоты H2S04 1,5… 2 г/л. Режим электролиза: расстояние между анодами и катодами 2…12 мм; скорость протекания электролита 30…80 с, плотность тока 15…16 кА/м2; температура раствора 60±3 °С; скорость осаждения хрома 120… 150 мкм/ч; выход по току 18…20%.

Весьма перспективным способом повышения стойкости к износу соединения цилиндр — поршневое кольцо — поршень является покрытие зеркала цилиндров пятнистым хромом. Эксплуатационные испытания двигателей с цилиндрами, покрытыми пятнистым хромом, показали, что они изнашивались в 4…7 раз медленнее нехромиро-ванных.

Установлена целесообразность хромирования только верхней части цилиндров. Хромирование всей поверхности не только технологически трудноосуществимо и экономически дорого, но и не обязательно. Износ цилиндров по длине происходит неравномерно: максимальный износ-—в верхней части, где наиболее сильно проявляется действие коррозии, наибольшее давление колец на поверхность цилиндров, хуже условия смазки. Более того, хромирование всей поверхности цилиндров нецелесообразно еще и потому, что в период приработки иногда наблюдаются случаи усиленного износа сопряжения из-за склонности алюминиевых поршней к схватыванию с хромированным зеркалом цилиндров.

Предложено вместо хромирования цилиндров запрессовывать в их верхнюю часть короткие хромированные вставки. Стендовые испытания двигателей показали, что износ гильз с хромированными вставками в 3 раза меньше износа серийных гильз, закаленных с нагрева ТВЧ. Износ поршневых колец оказался в 1,5 раза меньше износа хромированных колец, работающих с серийными гильзами.

При эксплуатационных испытаниях установлено, что двигатели, оснащенные хромированными вставками, могут нормально работать в течение 6000 ч при замене поршневых колец через 3000 ч.

Большой практический интерес представляет способ повышения износостойкости блока цилиндров наплавкой тонкого слоя нирезиста, разработанный ВНИИТВЧ им. В. П. Вологдина совместно с Московским автомобильным заводом им. Лихачева.

Внедрение наплавки гильз дает значительный экономический эффект. Испытания показали, что износостойкость гильз с наплавленным пояском в 3 раза выше, чем гильз из серого чугуна. Замена вставок наплавкой позволяет сократить расход дефицитного сплава с 10 до 2,8 кг на каждом двигателе ЗИЛ-130. Кроме того, процесс наплавки позволяет легко автоматизировать производство и с успехом может быть применен при капитальном ремонте машин.

Для повышения износостойкости гильз цилиндров при капитальном ремонте двигателей перспективна ротационная обработка. В настоящее время блоки цилиндров при ремонте подвергаются тонкой расточке с последующим черновым и чистовым хонингованием. На некоторых заводах вместо чистового хонингования для окончательной отделки цилиндров применяют полирование абразивной бумагой. Такая обработка, обеспечивая получение требуемой шероховатости поверхности цилиндров, трудоемка, для нее используется дорогостоящее оборудование.

Хорошие результаты получены при окончательной обработке цилиндров способом пластического деформирования (раскатки): раскатанные цилиндры по износостойкости почти вдвое превосходят хонингованные.

Опробована расточка с одновременным раскатыванием цилиндров двигателя ЗИЛ. Обработку производили на расточном станке модели 278Н за один проход. Длк обработки цилиндров применяли специальную шариковую головку с двумя шариками и сменным резцовым блоком с двумя резцами. Диаметр раскатывающих шариков 11,1 мм, усилие раскатывания создавалось маслом, подаваемым под давлением 6,0 МПа по каналу в шпинделе станка от гидростанции, оборудованной насосом НШ-46Д с электродвигателем А02-42-4 (5,5 кВт, 1500 мин-1).

При раскатывании масло омывало шарики и поверхность цилиндра. Каждый резец также охлаждался струей масла. Скорость резания 1700 м/мин; подача 0,08 мм/об, глубина резания на каждом резце 0,25 мм. Припуск под раскатывание 0,01…0,02 мм.

Обработанные таким образом гильзы цилиндров имели шероховатость поверхности Ra 0,16. Износ цилиндров, обработанных расточкой с одновременным раскатыванием, после приработки двигателя был в 2…3 раза меньше износа цилиндров, обработанных по общепринятой технологии.

Перспективен способ повышения износостойкости цилиндров двигателей электромеханическим упрочнением (ЭМУ). Электромеханическое упрочнение осуществлялось двухроликовой головкой рычажного типа, которая закреплялась в шпинделе расточного станка модели 278. Станок оснащался силовым трансформатором, позволяющим получать рабочий ток до 1500 А. Для получения низкой частоты вращения шпинделя на станок дополнительно устанавливался понижающий редуктор.

Упрочнению подвергали двигатели ГАЗ после растачивания цилиндров до второго ремонтного размера (83,00 мм). В качестве охлаждающей жидкости применялось масло. Электромеханическое упрочнение гильзы цилиндров снизило шероховатость поверхности с Rz 20 до Ra 0,63…0,32 и повысило микротвердость поверхности в 2 раза.

Эксплуатационные испытания двигателя ГАЗ, нечетные цилиндры которого были обработаны хонинговани-ем, а четные после растачивания подвергались электромеханическому упрочнению, показали, что износостойкость гильз цилиндров после ЭМУ увеличилась почти вдвое. Достоинством ЭМУ является то, что оно не вызывает деформации цилиндров и отличается от других способов простой технологией.

Очень эффективным способом повышения долговечности гильз цилиндров является восстановление упругими термически обработанными пластинами. Технологический процесс описан ниже. Здесь следует отметить, что в качестве материала для пластин может применяться холоднокатаная термически обработанная калиброванная лента из сталей У8А, У10А, 70С2ХА, 65Г, 36НХТ10, а также из нержавеющих коррозийно-стойких сталей типа ОХ17Н7ГТ, ОХ17ГТ-ВИ и др.

Предварительно детали травят в 3…5%-ном водном растворе серной кислоты в течение 2…3 мин, промывают холодной водой и погружают в ванну. Время выдержки 50…60 мин при температуре 121… 127 °С. Затем гильзы моют в горячей, а потом в холодной воде и сушат.

Проводимые стендовые и эксплуатационные испытания показали, что сульфохромированные гильзы изнашиваются в 1,4…1,6 раза меньше, чем серийные.

В настоящее время усиленно проводится работа по повышению работоспособности гильз цилиндров на основе использования явления избирательного переноса. Согласно теории износа наибольшую износостойкость обеспечивают режимы трения, при которых покрытие выдерживает многократные деформации, не подвергаясь наклепу. Этим условиям отвечает наличие на поверхности трения тонкой металлической пленки. Большое влияние на работоспособность пар трения оказывает радиус закругления микронеровности.

Исследовались гильзы двигателя СМД-14, обработанные раскатыванием с одновременным нанесением антифрикционного покрытия на основе меди. Время приработки опытных гильз сократилось в 2,5 раза.

В отраслевой лаборатории МИИСП разработана технология восстановления гильз цилиндров одним алмазным хонингованием с использованием новых поликристаллических алмазов марки АСБ, выпуск которых серийно освоен промышленностью. Эта технология включает обдирочную, получистовую и окончательную операции хонингования со съемом припусков более 0,1…0,2 мм. В качестве охлаждающей жидкости применяют дизельное топливо.

Для обдирочного хонингования гильз из серых чугу-нов рекомендуются бруски с алмазами АСБ на связке МК2 с 50%-ной концентрацией: из серых чугунов (НВ 170…241) —зернистостью 400/315…500/400, из закаленных — зернистостью 500/400…500/630. Перед обработкой посадочные пояски гильз подвергаются очистке на пескоструйной машине.

На операции получистового хонингования — бруски АСБ 160/125 МК2 100%, окончательного — АСМ 28/20 МКЗ 100%.

Оптимальный режим резания:
— при обдирочном хонинговании Р= (0,8…1,0) МПа, окружная скорость инструмента К0=40…50 м/мин, скорость возвратно-поступательного движения хонинговаль-ной головки Fn=10…12 м/мин, основное время Г0 = 2,0… 3,0 мин;
— при получистовом Р = 0,8 МПа, У0 = 40…50 м/мин Уп= 10…12 м/мин, Го=0,6…1,0 мин;
— при окончательном Р = 0,4…0,6 МПа, У0 = 30…45 м/мин, У„=8…12 м/мин, Го=0,3…0,4 мин.

На всех этапах хонингования рекомендуются диафрагменные приспособления для крепления гильз и хонинговальной головки (одношарнирная, с шестью удлиненными брусками, разжим брусков двумя конусами) конструкции МИИСП.