Что такое кованые поршни?
Кованые поршни. Для ценителей тюнинга эти слова звучат как магическое заклинание, да и простым автомобилистам наверняка доводилось слышать восторженные отзывы о подобных изделиях. Чем же кованые поршни лучше широко распространенных литых? В каких случаях их стоит применять?
Начнем с того, что обычные литые поршни прекрасно подходят для серийных моторов, а технология их изготовления – для массового производства. Если автомобиль для вас лишь средство доставки из пункта А в пункт Б, не стоит тратиться на замену штатных поршней коваными. Сказанное справедливо и в отношении капитального ремонта движка.
Другое дело – моторы форсированные, спортивные или тюнинговые. Они-то предъявляют повышенные требования к качеству комплектующих, в том числе поршней. Служившие верой и правдой стандартные поршни для этих двигателей тяжеловаты, а их форма неоптимальна. Кроме того, литье порой имеет невидимые глазу дефекты: каверны, пузырьки, вкрапления инородных тел, которые не выловить даже при тщательном контроле. При обычной эксплуатации они могут и не навредить. Но если, основательно доработав силовой агрегат, увеличить его мощность (и тем самым нагрузки), брак постарается заявить о себе: поршень внезапно прогорит, даст трещину и т. д. Владельцы «заряженных» отечественных машин подтвердят, что подобные казусы особенно часты при увеличении рабочего объема цилиндров путем установки коленвала с измененным радиусом кривошипа. В этом случае штатные поршни надо дорабатывать (торцевать), что явно не способствует увеличению их ресурса, привнося дополнительную слабину. Даже если деталь изготовлена идеально, отливка все-таки менее прочна, чем поковка, – сказывается разница в структуре.
На форсированных моторах детали испытывают большие механические и температурные нагрузки (температура на днище поршня, например, достигает 300. 350 гр.С ). Поэтому, для производства кованных поршней с повышенными механическими характеристиками применяют высококремнистые (содержание Si > 12%) сплавы алюминия, обладающие более высокой жаропрочностью, меньшим коэффициент расширения, лучшими прочностными характеристиками по сравнению с обычными (Si меньше 12%) сплавами, применяемыми для отливок заготовок в кокиль. Качественные заготовки поршней из высококремнистых сплавов получить традиционным методом ( литье в кокиль) получить не удается из-за разных скоростей кристаллизации кремния в объеме отливки (появляются поры). Поэтому заготовки из этих сплавов получают по более сложным технологиям: жидкой штамповки и изотермической штамповки. В первом случае матрица заполняется расплавом металла и пуасон с заданной скоростью его деформирует. Во втором варианте штамповка производится из мерных заготовок, полученных из прутка, предварительно «обжатого» через фильеру. Мерная заготовка, пуансон и матрица разогреваются до температуры 400. 450 гр.С и начинается процесс штамповки с заданной скоростью. Структура металла заготовок поршней, полученных штамповкой, отличается от литых тем, что она мелкодисперсная и не имеет таких грубых включений кристаллов кремния. В следствии этого материал штампованных поршней обладает повышенными механическими характеристиками не только при нормальной температуре, но и при рабочих температурах в 300. 350 гр.С. Более лучшие прочностные характеристики позволяют сделать штампованный поршень более «ажурным», т.е. легче чем литой. К недостаткам штампованных поршней стоит отнести высокую стоимость и необходимость соблюдения при их установке более точных параметров, что требует высокой квалификации моториста.
Итак, в форсированных моторах применение кованых поршней (самыми популярными среди автолюбителей стали кованные поршни МАМИ) если уж не обязательно, то во всяком случае желательно. Но прежде чем говорить об их преимуществах, внесем ясность в терминологию. Точное название процесса не ковка, а изотермическая штамповка, поскольку заготовку поршня получают из прутка выдавливанием без плавления – единственным ходом пресса при постоянной температуре 495±5°С.
По сравнению с литыми штампованные поршни легче и одновременно прочнее, их форма оптимальна для форсированных двигателей, склонность к прогоранию меньше. В подтверждение обратимся к цифрам. Твердость кованых поршней 120–130 ед. по Бриннелю против 80–90 ед. у обычных. Термоциклическая стойкость выше в 5–6 раз. Если литые до появления первых трещин выдерживают в среднем 400 испытательных циклов «нагрев–охлаждение», то штампованные – 2500. Кроме того, стандартный «жигулевский» поршень диаметром 79 мм весит 376– 380 г, а кованый – на 40 г легче.
Что даст установка кованых поршней в двигатель
Ряд технологических особенностей автопрома заимствован из автомобильного спорта. Используемые в нем решения и элементы представляют собой надежные и весьма производительные образцы, одним из которых считаются кованые поршни. Они представляют собой овальные втулки, которые двигаются вертикально в цилиндрах, сжимая смесь топлива и воздуха.
Что лучше – кованый поршень или литой?
Такие поршни являются более подходящими для мощных транспортных средств. Следует заметить, что стоимость их гораздо выше, чем литых аналогов. И если вы приняли решение выполнить тюнинг мотора, установив дорогую деталь, рекомендуется разобраться в необходимости существенного повышения существующей мощности автомобиля.
Считается, что поршни всегда находятся под большой нагрузкой. От их качественного состояния будет полностью зависеть результативность мотора. Да и лишний вес, с которым так сражаются изготовители, играет немаловажное значение.
Особенности поршней
Кованый поршень предназначен для работы под высокими нагрузками, по этой причине его применяют на спортивных и гоночных транспортных средствах. Проще говоря, конструктивные и иные особенности этой детали определяются особенностями ее функционирования. Самым интенсивно воздействующим на поршни фактором во время работы мотора считается температурный режим. От ее воздействия металл расширяется неравномерно.
Такое явление больше проявляется по пальцевой оси поршня и в меньшей степени – по плоскости, в которой качается шатун. От этого поршень с цилиндром соприкасаются неравномерно, что значительно ускоряет изнашивание. В ситуациях, близких к критическим, образуются задиры, указанные детали прихватываются, что вызывает заклинивание ДВС. Кроме температуры, на поршни влияют инерционна сила и давление, которое создается в цилиндре газами.
Особенности изготовления
Кованые поршни могут называться штампованными, потому что изготавливаются именно по такой технологии. В производстве заготовка создается из особых сплавов методами изотермического или жидкого штампования. В них имеются различия, но положительные результаты гарантируются в любом случае.
При изготовлении жидкой штамповки матрица наполняется металлом, применяется пуансон, помогающий деформировать сплав в строгом соответствии с необходимой скоростью. Такая штамповка одноразового типа дает возможность создать полуфабрикат высокого качественного уровня, который в последующем доводят до необходимых параметров, применяя механический способ обработки.
Во втором случае необходима заранее подготовленная заготовка. Ее получают обжатием через фильеру особых прутьев, изготовленных из алюминия, содержащего в себе много кремния. Данная методика позволяет избавиться от пор внутри металла, сделать его структуру лучше.
Далее матрица вместе с заготовкой подвергается нагреву, после чего деталь можно штамповать на гидравлическом прессе. Большие усилия необыкновенно преобразуют деталь. Одновременно с этим постоянный температурный режим помогает равномерно заполнить форму, от чего зависит качество детали.
Кованый поршень не только не имеет раковин и трещинок, но и является более твердым. Весит он на 50 грамм меньше своего аналога, отлитого в заводских условиях. Целый комплект уменьшает вес двигателя внутреннего сгорания на пятьсот грамм.
Такая разработка считается настоящим прорывом в выпуске машин для спортивных гонок, так как в полной мере отвечает существенным нагрузкам в момент состязаний. Эти же кованые поршни используют в форсированных моторах. Они реже прогорают, так как отличаются значительной термоциклической устойчивостью.
Параметры кованых поршней
Чтобы правильно подобрать данную деталь для машины, следует соотнести ее параметры с характеристиками мотора:
Основные отличия от литых аналогов
Такие поршни хорошо работают на обычных моторах, но по определенным причинам для двигателей повышенной мощности считаются непригодными. Масса их несколько выше кованых деталей, да и форма не оптимальна. Литые поршни, изготовленные в заводских условиях, имеют скрытые дефекты, которые во время стандартных условий эксплуатации проявиться не могут.
Но увеличение мощности влечет за собой повышение нагрузочных усилий, которые в первую очередь воздействуют на сам мотор. В этих условиях дефекты приводят к тому, что поршень может прогореть или треснуть.
Отрицательные моменты кованых поршней
Основным недостатком кованого элемента считается его стоимость. Она довольно существенная, зависит от сложности производственного процесса. Еще один недостаток – расходы, связанные с услугами профессионального специалиста по установке поршней.
Многие считают, что кованые поршни придают машине шумность. Но это утверждение относится к машине, которая еще не прогрета. Такая особенность объясняется просто – различиями в коэффициентах на расширение. Из-за этого для кованого поршня следует увеличить зазор между стенками цилиндра. При увеличении температуры поршень расширится, зазор уменьшится, убрав неприятный шум.
Применение
Зачастую данные детали используют при монтаже турбонаддува. Кроме того, в некоторых случаях их применение считается единственным условием, чтобы сохранить ресурс мотора, ведь температура увеличивается, да и нагрузочные усилия на детали растут, что часто считается причиной прогорания поршня. Кованый поршень, как правило, применяется в комплекте с другим коленчатым валом и шатунами, имеющими форму «Н».
Необходимо помнить, что использование кованого поршня определяется в первую очередь особенностями эксплуатации транспортного средства. Для повседневных поездок вполне можно обходиться литыми деталями.
Видео
C чем «едят» кованые поршни?
Конечно же, вам не раз приходилось встречать на дороге рычащие автомобили, которые лихо перестраиваются из ряда в ряд, а как только появляется свободное пространство, они, что называется, уходят в точку. Причём их вид никоим образом не намекает на спортивность. Они попросту доработаны, или, как уже стало у нас модным, тюнингованы. Так вот, кованые поршни относятся именно к тюнингу, точнее, к доработке двигателя.
Чем отличаются кованые поршни от обычных?
Для чего нужны кованые поршни?
Основная область применения кованых поршней — автоспорт и тюнинг. После форсирования двигателя поршневая группа начинает испытывать повышенные нагрузки. И стандартная поршневая просто не выдерживает их, происходит разрушение кривошипа. Поэтому после увеличения мощности двигателя надо ставить кованые поршни.
Что будет, если кованые поршни поставить на атмосферный двигатель?
Разницы нет. Наличие или отсутствие турбонаддува практически не влияет на принятие решения об установке тех или иных поршней. Другое дело, что нельзя устанавливать поршни от атмосферного двигателя на турбированный.
Нужна ли расточка двигателя?
При установке новых поршней в двигатель решение о необходимости расточки зависит от состояния цилиндра, его износа, диаметра, а также от размера поршня. Если поршень помещается в цилиндре с допустимым зазором, то ничего растачивать не надо. Если поршень заметно меньше цилиндра, то его надо менять. Если поршень больше цилиндра, цилиндр надо расточить. Стоит отметить, что невозможности установки термокомпенсирующих вставок нередко кованые поршни имеют высокий коэффициент расширения. Поэтому кованые поршни ставятся в цилиндр с большим зазором, чем обычные. Это позволяет поршням длительное время работать при очень высоких нагрузках. Но в обычных режимах поршни, которые слабо сидят в цилиндрах, когда двигатель холодный, влияют на топливную эффективность и увеличивают расход масла, токсичность выхлопных газов и т. д. Установочный тепловой зазор «соток» и громкий стук при прогреве — норма для мотора с коваными поршнями.
Резюме
Если вы используете автомобиль как транспортное средство для перемещения из точки А в точку Б, то не стоит тратиться на замену штатных поршней коваными. Тем более что заметного увеличения ресурса двигателя вы не получите. Но в случае, когда вашей целью стало увеличение мощности мотора, лучше поставить кованые. Главное при этом не нарваться на кустарную продукцию.
К достоинствам кованых поршней можно отнести их термическую стойкость, износостойкость от воздействия тепловых и ударных нагрузок, меньший вес.
Недостатками являются их высокая цена, более высокий коэффициент теплового расширения, чего поршень вставляется в цилиндр с большим зазором, что приводит к увеличению расхода масла, стуку двигателя при прогреве
. История в лицах, или как мы проектировали и изготавливали «кованные» поршни..
геннадий_омск
Активный участник
Gennadigh
Ветеран
Re: ковыряем железо рысь
Ветеран
Re: ковыряем железо рысь
Gennadigh
Ветеран
Re: ковыряем железо рысь
геннадий_омск
Активный участник
Re: ковыряем железо рысь
Алексей здравствуй.
Твое предложение на мой взгляд,одно из самых ДЕЛОВЫХ 
Может быть возьмешься за его реализацию,- у тебя есть опыт сбора предложений (заявок),есть счет.
Ясно, что это потребует затрат времени, дополнительных расходов,ну и конечно,любая работа должна быть расценена.
При положительном решении вопроса,тему «Поршня» можно будет «прикрыть».
А «МАМИ» имеет действительно «заработанную»репутацию:
Неудивительно, что такая задача оказалась по плечу специалистам Московского автомеханического института (Государственный технический университет МАМИ). Здесь под руководством профессора ИЛ, Федоренко были разработаны технологии и оборудование для производства разнообразных типов поршней. Такие детали, полученные методом изотермической штамповки, применяют многие профессионалы и тюнинг-ателье, занимающиеся форсировкой и доводкой двигателей, спортивными автомобилями и мотоциклами.
«В основу получения заготовки поршня заложена технология изотермической штамповки методом пластической деформации (кованый поршень) с использованием высококремнистых алюминиевых сплавов типа АК-12Д, АК-18Д, 1379П.
Алексей, подумай, знаю, что и на Буран они готовы тоже производить.
Кованые поршни для чего
Да и обычным владельцам скутеров и мотоциклов приходилось слышать превосходные отзывы о данных изделиях. В каких же случаях кованые поршни рекомендуется использовать, и чем они лучше более распространенных литых поршней?
Кованые поршни – что это такое?
Что дает установка кованых поршней в двигатель?
Насколько кованые поршни лучше литых?
Литые поршни по технологии своего изготовления, идеально подходят для массового производства и предназначаются в основном для серийных моторов. В том случае, если для вас скутер/мотоцикл лишь способ перемещения из одной точки в другу, то менять обычные поршни на кованые не стоит. То же самое справедливо и в плане капитального ремонта двигателя.
Совсем иное дело – двигатели тюнингованные, спортивные. Именно они предъявляют высокие требования в плане качества поршней и других комплектующих. Стандартные поршни для подобных двигателей имеют не совсем оптимальную форму и несколько тяжеловаты. Кроме всего прочего, литье имеет некоторые дефекты, которые не видно невооруженным глазом: вкрапления мельчайших инородных элементов, каверны, пузырьки. Их практически невозможно заметить даже при весьма тщательном контроле. В обычной ситуации навредить они смогут врядли, а в случае с силовым агрегатом повышенной мощности (и как следствие высокой нагрузки), последствия такого брака могут быть для мотора весьма плачевными. Поршень может дать трещину, прогореть и т.п. Владельцы мото-техники китайского производства могут подтвердить, что такие казусы бывают. Особенно часто подобное происходит при попытке увеличить объем цилиндра, прибегая к установке коленвала с увеличенным ходом. В данной ситуации стандартные поршни необходимо торцевать, что делает их более слабыми и совершенно не способствует увеличение их срока службы. Ввиду существенной разницы в структуре, отливка всегда менее прочна, чем кованая деталь, даже если эта деталь изготовлена идеально.
Детали на двигателях с тюнингом ЦПГ подвергаются существенным температурным и механическим нагрузкам. Поэтому для изготовления кованых поршней используют алюминиевые сплавы с повышенным содержанием кремния (10-18%), которые обладают меньшим коэффициентом расширения, повышенной жаропрочностью и лучшими показателями прочности, по сравнению со сплавами, применяемыми для отлива заготовок в кокиль (чугунная или стальная форма для литья). Этот сплав подвергнутый предварительной деформации, в виде прутка, прошедшего многократную протяжку через фильеры (волочильная плита с коническими отверстиями). В процессе такой протяжки сечение прутка уменьшается вчетверо, при этом ликвидируются поры в металле будущего поршня и изменяется его структура. Пруток режется, и болванками закладывается в гидравлический пресс.
Высококачественные поршневые заготовки из высококремнистого сплава изготовить стандартным способом (литье в кокиль) не получится ввиду различной скорости кристаллизации кремния (образуются поры). По этой самой причине заготовки производятся при помощи применения более сложных методов: изотермической и жидкой штамповки. В первом варианте штамповку делают из мерных заготовок, изготовленных из предварительно «обжатого» через фильеру прутка. Во втором случае специальная матрица заливается металлическим расплавом, а пуансон ее деформирует с заранее заданной скоростью. Процесс штамповки с заранее установленной скоростью, начинается после того, когда пуансон, мерная заготовка и матрица будут разогреты до температуры в 400-450 C. В результате структура металла, из которого изготовляются кованые поршни, отличается от литых своей мелкодисперсностью. В нее отсутствуют грубые частицы кремниевых кристаллов. В результате этого материал, из которого производятся штампованные поршни, имеет высокие механические характеристики, как при нормальных, так и при рабочих температурах (300-350 C). Штампованный поршень благодаря своим улучшенным характеристикам становится «ажурнее» и легче в отличие от литого.
На основании вышеизложенных фактов можно сделать вывод, что использование кованых поршней в двигателях с тюнингом ЦПГ в сторону увеличения объема если уж и не строго обязательное, то по крайней мере, очень желательное.
Штампованные поршни по сравнению с литыми, намного легче и одновременно существенно прочнее, их форма для форсированных моторов наиболее оптимальна, а вероятность их прогорания значительно меньше. Кроме того их твердость по шкале Бринелля составляет 120-130 единиц, твердость обычных по той же шкале – максимум 90. Термоциклическая стойкость кованых поршней почти в 6 раз выше, и если литые поршни до появления трещин способны выдержать не более четырехсот циклов «нагрев-охлаждение», то поршень штампованный выдерживает около 2 500.
Поршни двигателя – одна из самых сложных и нагруженных деталей. Современная тенденция в спортивном тюнинге – рост максимальных оборотов двигателя. Следовательно, приходиться бороться за массу поршня, ведь чем легче поршень, тем меньше он под действием боковых составляющих сил инерции прижимается к поверхности цилиндра. А значит, меньше будут механические потери, выше мощность, как правило, больше ресурс и выше максимально допустимые обороты двигателя.
В борьбе за снижение массы поршень приобрел оригинальную форму, но напрочь утратил простоту. Во-первых, как известно, металл при нагреве расширяется, причем поршень расширяется неравномерно, больше в направлении, параллельном оси поршневого пальца, и меньше – в плоскости качания шатуна.
Происходит это из-за того, что металла в области бобышек-приливов под поршневой палец больше, и поэтому если, предположим, поршень был бы цилиндрическим в холодном состоянии, то при нагреве до рабочей температуры он станет овальным. Во-вторых, юбка поршня при работе двигателя тоже нагревается неравномерно, и тоже превратиться в изогнутую, как говорят специалисты, «корсетную». Точно также ведет себя и конусная юбка поршня двигателя.
Все это приводит к сокращению пятна контакта поршня с поверхностью цилиндра, повышенному износу, а в худшем случае – задиру, прихватыванию поршней и заклиниванию двигателя. А ведь помимо нагрева, поршень подвергается и давлению газов, и воздействиям сил инерции, и под их влиянием тоже деформируется. Понятно, что поршень должен быть как можно легче, прочнее и как можно меньше изменять свою форму при нагреве и других воздействиях.
Как альтернатива заводским, литым поршням появились кованые поршни. В принципе их правильнее называть штампованными, т.к. поршни получают не многократной обработкой давлением, а однократной. Заготовка поршня помещается в матрицу, прижимается пуансоном и полуфабрикат поршня готов. Естественно, окончательную форму поршня он приобретет только после механической обработки. Штамповка поршня под давлением позволяет упрочнить металл и одновременно сделать поршень гораздо более легким, прочным, надежным и долговечным. При этом возникает проблема большей сложности запрессовки в поршень термокомпенсирующих вставок и вследствие этого необходимость в более тщательном подборе профиля поршня.
Усилие в 250 тонн и температура 500 градусов, поддерживаемая системой индукционного нагрева, делает чудеса: металл будущего поршня, словно пластилин, за несколько секунд растекается между матрицей и пуансоном, принимая форму заготовки поршня. Поскольку процесс изготовления поршня протекает при неизменной температуре, называется он изотермической штамповкой. Постоянный нагрев играет здесь большую роль, ведь если температура в зоне матрицы упадет, то возможна недоштамповка поршня, то есть неравномерное распределение металла. Если температура повысится, то алюминий будущего поршня попросту начнет плавиться. В результате изотермической штамповки из предварительно деформированного металла и последующего цикла закалки и обязательного старения, получается заготовка под будущий кованый поршень с высокими механическими характеристиками – твердость 130 единиц и отсутствие технологического брака типа каверн, раковин и трещин.
