|
Сайт о последнем легендарном автомобиле |
|
|
Автор: Евсеев П.П. к.т.н., доцент каф. "АТ, АС и ФО ", КГТУ Документ размещён на www.krasvolga.narod.ru: 21.10.2005. Почему плачет
"Волга"? Нам
часто доводится читать о том, что какой-либо
автомобилестроительный гигант на Западе
отзывает свои автомобили из эксплуатации. Причем
делает это подчас по смехотворной (по нашим
меркам) причине. Ну, скажем, в машине коврики
издавали запах лука – в качестве сырья
использовалась тара из-под лука. Про
эксплуатационные свойства машин и говорить не
приходится. Смогли журналисты выявить
недостаточную устойчивость Мерседеса класса А,
– пришлось производителям отзывать автомобили и
дорабатывать конструкцию. В нашей стране с
правами потребителя ситуация несколько иная.
Рассмотрим для примера «врожденные» дефекты
двигателя автомобиля "Волга" ГАЗ-24, 31029, 3110. Обладатели автомобилей этих марок давно заметили, что при запуске двигателя на морозе, из стыков двигателя начинает подтекать охлаждающая жидкость «Тосол». Водители «Волг» регулярно доливают тосол в расширительный бачок и недоумевают, куда он девается? Куда уходит жидкость, понять удается не сразу. Сначала приходят на ум строки, похожие на песню Людмилы Зыкиной: «Издалека-долго, течет рекой «Волга», течет рекой «Волга», - течет уж тридцать лет». И думается, ну надо же, как в песне всё точно подмечено, все правда: - и что этот автомобиль выпускается на протяжении более тридцати лет с минимальными косметическими переделками. И то, что двигатель ГАЗ-24 (он же ЗМЗ-402.10) страдает недержанием тосола. И то, что этот неустранимый дефект запрограммирован уже в момент изготовления двигателя. Охлаждающая жидкость действительно течет в стыке между головкой блока цилиндров и блоком цилиндров. И редко кому удается лицезреть тот момент, когда это явление происходит. А происходит это тогда, когда вы заводите двигатель на морозе и начинаете его прогревать. В этот момент на стыке двух самых важных корпусных деталей мотора появляются первые капли тосола. Вы добавляете обороты двигателю, и капли начинают следовать все чаще. После прогрева двигателя до 50 градусов весенняя капель прекращается. Окончательно прогретый двигатель - сухой и чистый. И любопытному взору водителя уже ничего заметного не предстанет. Мне повезло этот момент застать потому, что однажды пришлось помочь стартеру пусковой рукояткой. Капот был открыт, и я увидел всю картину подтекания тосола через уплотнение двигателя. Тут-то и заработало лихорадочно мое воображение, как исправить этот дефект. Поначалу я наивно подумал, что проблема в моих слесарных навыках, плохих шпильках, плохой прокладке. Общение с коллегами и анализ конструкции двигателя обнажили всю глубину проблемы. Исправить ситуацию оказывается почти невозможно. Не помогает ни протяжка шпилек головки блока цилиндров двигателя, ни применение герметиков, ни шлифовка головки блока. Дефект этот заложен на стадии проектирования. И его предотвращение могло бы послужить хорошей темой для докторской диссертации. Впрочем, давайте рассмотрим все по порядку. Исторически сложилось так, что блок цилиндров двигателя делали из чугуна. По крайней мере, довоенный период советского автомобилестроения алюминиевых блоков цилиндров почти не знал. Алюминий был "крылатым" металлом и не всегда был разрешен к применению на наземной технике. После Великой Отечественной войны прошло всего десять лет, прежде чем народное хозяйство было быстро восстановлено и оказалось возможным применять цветные металлы и на автомобилях. В двигателестроении СССР наступила эпоха алюминия. Западные страны пришли к этому периоду чуть раньше. Первым из машин обладателем алюминиевого блока цилиндров двигателя стал автомобиль ГАЗ-21. Только сейчас становится понятно, что этот автомобиль – результат хорошей работы наших разведчиков. Поскольку времени на кардинальную переработку вполне отработанной за рубежом конструкции времени не было, а автомобиль быстро пошел в серию - дефекта не случилось.
Так в чем же заключается основной просчет проектировщиков двигателя ГАЗ-24Д и его модификаций? Мотивация разработчиков лично мне понятна – создать конструкцию двигателя с наилучшим охлаждением всех деталей форсированного по тем временам двигателя. Ведь от температурного режима сильно зависит ресурс любого мотора. Не секрет, что поэтому столь недолговечны моторы с воздушным охлаждением. Поэтому идея применить "мокрые" гильзы была как нельзя кстати. Гильза цилиндра изнутри встречала напор горящей топливной смеси температурой до 2500?С, а снаружи омывалась охлаждающей жидкостью. Все детали двигателя получали хорошее охлаждение. Но при проектировании двигателя ГАЗ-24Д конструкторы забыли про размерные цепи. Простому автолюбителю этот термин ничего не говорит. Ну, разве придет на ум цитата Ленина "пролетариату нечего терять кроме своих цепей". Но это совсем не то. Размерные цепи – это набор правил, по которым определяют возможность сборки работоспособного агрегата. Представьте процесс сборки матрешек – малая матрешка ставится вовнутрь большей, да так, чтобы оставался зазор между ними. Иначе нельзя. Это правило справедливо и для машин. Когда деталей в агрегате много, и они соседствуют друг с другом, то сумма длин деталей не должна превосходить длину корпуса агрегата. Более того, в расчеты закладывают определенной величины зазор для масляной пленки. Расчет размерных цепей усложняется тем, что размеры деталей в заводской партии не одинаков, а они имеют определенные отклонения размеров от номинала – допуск на размер. Агрегат должен хорошо собираться комплектом произвольно выбранных из партии деталей. И зазор - размер замыкающего звена должен быть в норме. В случае с двигателем внутреннего сгорания, зазора между блоком цилиндров и головкой (см. рисунки 1 и 2) не должно быть вовсе. Должен быть натяг, то есть прокладка головки должна быть сплющена.
В двигателе ГАЗ-24Д (а также и ЗМЗ-4025.10, 4026.10) чугунная гильза вставляется в алюминиевый блок цилиндров, сверху накладывается прокладка, а затем головка блока цилиндров прижимается при затяжке шпилек крепления. Гильза упирается в блок цилиндров нижним концом (см. рис.1), а в головку – верхним. Этакое инородное тело высотой 118 мм в алюминиевой корпусной детали. Никаких компенсаторов температурного расширения не предусмотрено. То ли дело старый мотор ГАЗ-21! Там гильза упирается в блок только верхним буртиком (см. рис.2) Нижний конец гильзы может при температурной деформации свободно перемещаться вверх-вниз, слегка деформируя резиновое уплотнительное кольцо. Старый двигатель, оказывается, был спроектирован кем-то пограмотнее. Конструкторы более поздних лет видимо об этих тонкостях не подумали. Итак, представьте себя на месте конструктора. Вы произвели расчет размерных цепей, но учли ли вы то, что в процессе нагрева и охлаждения деталей двигателя их размеры меняются? Причем скорость расширения чугунной гильзы и алюминиевого блока цилиндров отличается в несколько раз! То, что двигатель работает прекрасно при 90?С – мы знаем. А какова картина при минус 20?С? Это вполне можно подсчитать. Из курса физики для средней школы известно, что все металлы расширяются в различной степени при нагреве. Степень расширения металлов учитывается коэффициентом термического расширения - a. Коэффициент показывает, насколько миллионных долей длины детали расширяется материал при нагреве на один градус Цельсия. Для чугуна этот коэффициент a= 13,08?10-6 (мм/мм °С) [1]. Для алюминиевого сплава АЛ-10 этот коэффициент a=23,8?10-6 (мм/мм °С) [2]. Изменение длины - DL (мм) можно подсчитать по формуле: DL = DT? a? L, где L – длина нагретого участка металла DT – разность температур при нагреве – охлаждении. Итак, при минус 20°С высота гильзы уменьшится, нежели чем при 90°С на величину: DL = 110?13,08?10-6?118 = 0,1697784
мм Также, при минус 20°С высота блока цилиндров уменьшится, нежели чем при 90°С на величину: DL = 110?23,8?10-6?118 = 0,308924
мм Разница в размерах составит 0,1391456 мм. Если результат округлить, то станет ясно, что прокладка в месте стыка головки блока и блока цилиндров получила зазор в одну седьмую часть милиметра. Это уже достаточно для незначительного подтекания Тосола. Теперь представьте, что вы завели двигатель на этом морозе и начали его прогревать. В этот момент чугунная гильза уже начала нагреваться и еще приподнимать головку блока вверх, попутно ещё вытягивая шпильки крепления. А блок цилиндров пока еще холодный. Зазор увеличится еще в большей степени и достигнет почти половины милиметра. Помпа создает давление охлаждающей жидкости, а термостат закрыт. Куда деваться Тосолу? Тосол в этот момент обильно окропляет снег под автомобилем. И только когда блок цилиндров также нагреется до 42°, зазор исчезнет (все расчеты не приводятся, чтобы не утомлять читателя). Все эти расчеты не идеально точны, поскольку невозможно точно определить перепад температур у деталей внутри реально работающего двигателя. Хотя совершенно ясно, что температура гильзы прогретого мотора явно выше ста градусов. И морозы возможны более сильные. Поэтому раскрытие стыка деталей имеет на практике гораздо большие величины. Видите, как просто объясняются многие дефекты двигателя ГАЗ-24? Понятно, почему деформируется головка, "вылезают с мясом" шпильки крепления, течет Тосол, гильза очень быстро приобретает форму бочки, прогорает прокладка и т.д. Налицо явные просчеты конструкторов. Но бьют они по вашему карману. Ситуация сильно напоминает здание городской библиотеки в жару. Колонны у крыльца здания нагреваются солнцем и чуть-чуть приподнимают перекрытие здания. В мороз картина противоположна. Кстати, владельцы кооперативных гаражей на 300 машин тоже никак не могут понять, почему у них кровля постоянно трескается, и протекает. Вам-то это уже понятно. Виноваты размерные цепи. Можно подытожить: на морозе блок цилиндров сокращается в размерах настолько, что появляется зазор между прокладкой блока, головкой и блоком цилиндров. Обнаружили это не сразу. Редакция журнала «За рулем» этого до сих пор понять не может… В 1968 году, когда ГАЗ-24 пошла в производство, тосола не было и в помине, в радиатор заливали воду, а на подтекание воды никто внимания и не обращал. Да и вода не такая вездесущая, как тосол. Подкапотное пространство было и так забрызгано водой, а вода заливалась горячей. Дефект не проявлялся. Когда стали доступными низкотемпературные охлаждающие жидкости "Тосол", "Лена", то их стали заливать в систему охлаждения в том числе и "Волги". И тут конструктивный дефект проявился наиболее ярко. Пока эксплуатационники разбирались в причинах подтекания тосола, настало время делать ГАЗ-3102 (1981 г). Ошибку проектировщиков решили исправить. Стальные гильзы в форкамерной модификации двигателя стали фиксировать в блоке цилиндров по верхнему буртику. Как в ГАЗ-21. Гильза могла свободно расширяться, не выдавливая головку блока наверх. Тосол перестал подтекать. Да и гильза, избавленная от сжимающих усилий, стала долговечнее. А двигатель ГАЗ-24Д обычных "Волг" продолжал выпускаться в огромных количествах и перенастраивать производство никто не собирался. Более того, когда в 1985 году начала производится модернизированная "Волга" ГАЗ-2410 с двигателем ЗМЗ-402.10, то и конструкция двигателя в части базирования гильз в блоке осталась неизменной и поныне... Проектировщики УАЗа решили сохранить компоновку двигателя Г-21. Причины мне неизвестны, но я не исключаю, что сомнительность применения мокрых гильз была многим ясна и тогда. А может, просто не было финансирования на переоснастку моторного цеха. Но факт непреложный – двигатели автомобиля УАЗ этого дефекта не имеют. Зато имеют связанный с этой конструктивной особенностью другой дефект. Поскольку верхняя часть гильзы УАЗа "запрятана" в алюминиевый блок и не омывается водой, как у ГАЗ-24, камера сгорания УАЗа постоянно находится в перегретом состоянии. После выключения зажигания УАЗовский мотор может самопроизвольно работать достаточно долго. Да и выхлопные газы содержат больше углеводородных радикалов, чем у "Волги". УАЗовские моторостроители раньше начали модернизацию архаичных моторов. Они обеспечили выпуск нового двигателя УМЗ-4218 с "сухими" гильзами, резиновым (фторкаучуковым) сальником коленвала и рабочим объёмом 2,9 л. Крутящий момент – как у ГАЗ-51! Этот двигатель стал настолько популярен, что его охотно ставят на вечнокипящие "Газели". А что же можно сделать с двигателем ГАЗ-24 и его модификациями? Ведь таких двигателей в эксплуатации находится очень много. И нескоро они уйдут в прошлое. Я бы предложил сделать по наружному периметру блока цилиндров неглубокую канавку и в нее укладывать резиновый шнур. Резиновый шнур имел бы протяженность чуть больше метра, но он бы выполнял роль компенсатора температурной деформации гильзы и блока. Таким же образом герметизируется военные электронные блоки. А вообще-то про "Волгу" можно рассказать очень много интересного… Ну а теперь поговорим о тенденциях в моторостроении. В отечественном моторостроении снова в чести у конструкторов чугун. Двигатель обновленной "Волги" ЗМЗ-4062.10 с его модификациями имеет чугунный блок цилиндров. Теперь в деталях цилиндро-поршневой группы нет дополнительных нагрузок, связанных с разнородностью материалов. Как следствие – повысился ресурс двигателя до 300000 км пробега (цифра ранее небывалая). Могу сказать из личного опыта – двигатель получился очень удачным. А по массе он тяжелее старого алюминиевого всего на один килограмм! Непонятно, ну чего раньше радовались, рапортуя съезду об увеличении количества алюминия на автомобилях? Но и алюминий можно применять для изготовления блоков цилиндров. Опыт зарубежных моторостроителей это подтверждает. Методом спекания получают корпусные детали из силуминов, содержащих до 30% кремния. Литьем такие сплавы алюминия нельзя формовать. При этом блок цилиндров не имеет гильзы вообще. Электрохимическим травлением растворяется алюминий, на поверхности трения в цилиндре образуется слой износостойкого кремния. При нагреве такого агрегата никаких перекосов не возникает. Да и теплопроводность алюминиевого сплава великолепная. Ресурс такого двигателя при правильной эксплуатации достигает миллиона километров пробега [3]. Подобные технические решения применяются, к примеру, на BMW-750. Многие фирмы-производители переходят на эту технологию. При этом подход к ремонту этих моторов становится качественно иным. Но это уже совсем другая история. Не для нас. Итог: Автомобилю
"Волга" уготовлена странная судьба, - ему
хронически не везет на стадии проектирования,
изготовления и продаж, но почти всегда
попадаются хорошие хозяева. Рукастые русские
мужики способны залатать любую дыру, любой огрех
конструкторов. Владельца "Волги" даже не
испугать нешуточной угрозой каждодневного
шприцевания передней подвески автомобиля. Ну а
течь тосола – пустяк. Ну купит автомобилист на
зиму лишнюю канистру тосола - не беда. А может
просто еще не родился на свет тот юрист, который
заставит производителей «Волг» отозвать назад
машины с врожденным дефектом? Литература
|
