Двигатель «Мондео» погубил производственный дефект

Двигатель «Мондео» погубил производственный дефект

Пример производственного дефекта двигателя весьма популярного автомобиля, доказанный на 100%, в чем можно легко убедиться, прочитав внимательно заключение. Однако суд не принял наши доводы, посчитав более достоверным бред одного бойкого "эксперта" из весьма известного экспертного учреждения, утверждавшего, что двигатель вышел из строя по вине водителя вследствие "перекрута" по оборотам (точно также он мог бы "доказать", что это был гидроудар или плохое топливо). Тем не менее, проводя данное исследование, мы получили хороший опыт, которым с удовольствием поделимся с профессионалами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПЕЦИАЛИСТА № 42/01 от 31.01.2010 г.

27 ноября 2009 г. в соответствии с договором № 30/11 от 25.11.2009г., заключенным между ООО "СМЦ "АБ-Инжиниринг" (Бюро моторной экспертизы) и П-ным Дмитрием Михайловичем, был проведен осмотр двигателя ADBA 8Y6490, рабочий объем 2,0 л, автомобиля Форд Мондео, VIN: WF0DXXGBBD8Y6YYY, гос. № х7YYно190, год выпуска 2008, пробег на момент исследования 21000 км, и его частичная разборка с целью оценки действительного состояния деталей, определения причины дефекта и подготовки заключения о возможных причинах выхода из строя двигателя.

Исследование возможных причин выхода из строя двигателя ADBA 8Y6490, рабочий объем 2,0 л, автомобиля Форд Мондео, VIN: WF0DXXGBBD8Y6YYY, гос. № х7YYно190, год выпуска 2008, и составление настоящего заключения проводил:

Хрулев Александр Эдуардович - специалист, начальник Бюро моторной экспертизы СМЦ "АБ-Инжиниринг", эксперт-автотехник 1-й категории, имеющий право на проведение автотехнических экспертных исследований (сертификат эксперта-автотехника № 001.00064.К1 от 04.07.2006 г.), образование высшее, кандидат технических наук. Автор книги «Ремонт двигателей зарубежных автомобилей» и более 150 статей в журналах по тематике эксплуатации и ремонта двигателей. Генеральный директор ООО "СМЦ "АБ-Инжиниринг", стаж работы по специальности (ремонт, конструкция и эксплуатация двигателей внутреннего сгорания) - 27 лет, из них экспертом-автотехником - 6 лет.

Место осмотра

Москва, автосервис Тех Центр 55.

Объект исследования

Бензиновый рядный 4-цилиндровый двигатель рабочим объемом 2,0 л ADBA 8Y6490, автомобиля Форд Мондео, VIN: WF0DXXGBBD8Y6YYY, гос. № х7YYно190, год выпуска 2008.

Владелец автомобиля и заказчик исследования - П-н Дмитрий Михайлович, Москва 1-я Парковая, д. 12 кв. 16.

Вопросы, поставленные перед специалистом:

  1. Имеются ли в ДВС ADBA 8Y6490 автомобиля Форд Мондео, VIN: WF0DXXGBBD8Y6YYY, гос. № х7YYно190 какие-либо неисправности?
  2. Если неисправности имеются, то какие конкретно?
  3. Если неисправности имеются, каковы действительные причины их возникновения?
  4. Являются ли эти неисправности следствием производственного дефекта двигателя, ошибок при выполнении обслуживания автомобиля, либо они возникли вследствие нарушения правил эксплуатации автомобиля?
  5. Могло ли быть причиной неисправности двигателя превышение в эксплуатации допустимых оборотов?

Задачи, поставленные перед специалистом:

Провести необходимые исследования и ответить на поставленные вопросы.

Исходная информация

Эксперту для изучения предоставлен автомобиль с частично разобранным двигателем (снята головка блока цилиндров и поддон картера).

По информации, полученной от заказчика, ранее, при пробеге около 20000 км после очередного запуска двигатель потерял мощность, и появился металлический стук. Заказчик обратился в автосервис Тех Центр 55, где был заменен датчик детонации. Поскольку работа двигателя при этом не улучшилась, заказчику было предложено вскрыть двигатель. Однако в связи с тем, что автосервисом было поставлено условие оплаты этой работы, если будет установлена вина заказчика в возникновении дефекта, заказчик отказался от ее выполнения на данном автосервисе. Далее, при пробеге около 21000 км и движении со скоростью свыше 100 км/час произошел самопроизвольный останов двигателя, сопровождаемый сильным ударом и разрушением ряда деталей.

Использованная литература

  1. Хрулев А.Э. Ремонт двигателей зарубежных автомобилей. Изд-во "За Рулем", М.: 1998, -480с.
  2. FORD Mondeo с 2007г. выпуска. - Устройство. Обслуживание. Ремонт. - Изд-во Аринас (Арус), 2008,- 408с.
  3. ELCATS. Электронный каталог запасных частей. Каталог автозапчастей FORD
  4. Mondeo 2008 (СА2).- www.elcats.ru.
  5. Справочник металлиста. Под ред. С.А.Чернавского, В.Ф.Рещикова., т.2. - М.: Машиностроение, 1976. - 720с.
  6. Повреждения поршней - как выявить и устранить их. MSI Motor Service
  7. International GmbH, Neckarsulm, Германия, 2004. - 103c.
  8. Хрулев А.Э. «Если двигатель стучит», ч. 1 - "Автомобиль и сервис", №08/2000.
  9. Piston Damage - Causes and Remedies. - MAHLE GmbH, Stuttgart, 1999. - 66c.
  10. Хрулев А.Э. «Когда неисправен клапан» - "Автомобиль и сервис", №8/1999.
  11. Хрулев А.Э. «Почему прогорел поршень?» - "Автомобиль и сервис", №10/2000.

Условные обозначения

ДВС - двигатель внутреннего сгорания.

ЦПГ - цилиндропоршневая группа, состоящая из поршня, поршневых колец и цилиндра.

ШПГ - шатунно-поршневая группа, состоящая из шатуна, поршня и поршневого пальца.

КШМ - кривошипно-шатунный механизм, состоящий из коленчатого вала и шатунов.

ГРМ - газораспределительный механизм, включает распределительный вал, клапаны, толкатели, пружины и др.

НГШ - нижняя головка шатуна.

ВГШ - верхняя головка шатуна.

ВМТ - верхняя мертвая точка, самое верхнее положение поршня в цилиндре, нмт - нижняя мертвая точка, самое нижнее положение поршня в цилиндре.

При осмотре и анализе двигателя и его деталей установлено:

Автомобиль установлен на подъемнике (рис.1), сняты головка блока цилиндров и поддон картера (рис.2). В присутствии эксперта демонтированы поршни с шатунами (рис.З), передняя крышка блока и натяжитель цепи.

Рис.2. Моторный отсек.
Рис.2. Моторный отсек.
Рис.3. Поршни и шатуны 1, 2 и 4 цилиндров, демонтированные из блока цилиндров.
Рис.3. Поршни и шатуны 1, 2 и 4 цилиндров, демонтированные из блока цилиндров.

В блоке цилиндров поврежден 3-й цилиндр - на поверхности видны многочисленные следы ударов и забоины (рис.4). Сломаны стенки постели блока (рис.5), пробоины в стенке блока рядом с 3-м цилиндром (рис.6).

Рис.4. Поврежденный 3-й цилиндр.
Рис.4. Поврежденный 3-й цилиндр.
Рис.5. Поломка постели блока цилиндров.
Рис.5. Поломка постели блока цилиндров.
Рис.6. Пробоина в блоке цилиндров.
Рис.6. Пробоина в блоке цилиндров.

Поршень 3-го цилиндра полностью разрушен, обломки находятся в поддоне картера (рис.7). Шатун 3-го цилиндра поврежден и имеет следы ударов, деформирован, но не разрушен (рис. 8), вкладыши шатуна в нормальном состоянии.

Рис.7. Обломки поршня 3-го цилиндра в поддоне картера.
Рис.7. Обломки поршня 3-го цилиндра в поддоне картера.
Рис.8. Деформированный шатун 3-го цилиндра.
Рис.8. Деформированный шатун 3-го цилиндра.

Коленчатый вал имеет чистые шейки, вкладыши всех шатунных подшипников без явных повреждений.

Натяжитель цепи (рис.9), башмак натяжителя , направляющая (успокоитель), цепь привода газораспределительного механизма без повреждений. Шкив (рис. 10) и звездочка (рис. 11) коленвала без явно видимых механических повреждений.

Рис.9. Гидронатяжитель цепи – в нормальном состоянии.
Рис.9. Гидронатяжитель цепи – в нормальном состоянии.
Рис.10. Шкив коленвала – без явных видимых повреждений.
Рис.10. Шкив коленвала – без явных видимых повреждений.
Рис.11. Ведущая звездочка коленвала – без явных видимых повреждений.
Рис.11. Ведущая звездочка коленвала – без явных видимых повреждений.

В головке блока цилиндров (рис. 12) сильные повреждения камеры сгорания 3-го цилиндра - следы многочисленных ударов (рис. 13). На стенках других камер - следы ударов мелких частиц. Тарелки 2-х выпускных клапанов в головке отсутствуют (найдены в поддоне со следами многочисленных ударов и деформацией - рис. 14), оба впускных клапана - гнутые.

Рис.12. Головка блока цилиндров с повреждениями камер сгорания.
Рис.12. Головка блока цилиндров с повреждениями камер сгорания.
Рис.13. Сильные повреждения камеры сгорания и клапанов 3-го цилиндра.
Рис.13. Сильные повреждения камеры сгорания и клапанов 3-го цилиндра.
Рис.14. Тарелки выпускных клапанов 3-го цилиндра найдены в поддоне картера.
Рис.14. Тарелки выпускных клапанов 3-го цилиндра найдены в поддоне картера.

В 1, 2, и 4 цилиндрах все выпускные клапаны сильно деформированы (рис. 15), впускные клапаны без видимых повреждений (рис. 16). Распределительные валы, постели распредвалов в головке (рис. 17), звездочки и болты (рис. 18) без повреждений.

Рис.15. Сильная деформация всех выпускных клапанов.
Рис.15. Сильная деформация всех выпускных клапанов.
Рис.16. Впускные клапаны, пружины и толкатели 1, 2 и 4-го цилиндров – в норме.
Рис.16. Впускные клапаны, пружины и толкатели 1, 2 и 4-го цилиндров – в норме.
Рис.17. Распредвалы и крышки их постелей – в нормальном состоянии.
Рис.17. Распредвалы и крышки их постелей – в нормальном состоянии.
Рис.18. Звездочки и их болты – без повреждений.
Рис.18. Звездочки и их болты – без повреждений.

Толкатели (стаканы) и пружины клапанов (рис. 16) без повреждений.

Поршни 1,2 и 4-го цилиндров в целом в нормальном состоянии (рис. 19) - юбки чистые, но на днище поршней следы от ударов мелких частиц (рис.20).

Рис.19. Юбки поршней 1, 2 и 3-го цилиндров – в нормальном состоянии.
Рис.19. Юбки поршней 1, 2 и 3-го цилиндров – в нормальном состоянии.
Рис.20. Следы ударов частиц и выемки под клапаны на поршнях 1, 2 и 4-го цилиндров.
Рис.20. Следы ударов частиц и выемки под клапаны на поршнях 1, 2 и 4-го цилиндров.

Все поршни имеют глубокие полукруглые выемки - следы ударов выпускных клапанов (рис.20). Длина выемок - 14-15,5 мм, ширина - 2-2,8 мм, глубина - 0,5-0,8 мм (рис.21), края выемок с характерными следами сильной пластической деформации (рис.22 и 23). Форма выемок полностью совпадает с тарелкой выпускных клапанов - выемки и тарелки клапанов имеют одинаковый радиус закругления.

Рис.21. Выемки на поршне.
Рис.21. Выемки на поршне.
Рис.22. Выемка на поршне – увеличено.
Рис.22. Выемка на поршне – увеличено.
Рис.23. То же – с другой стороны днища.
Рис.23. То же – с другой стороны днища.

Воздушный фильтр (рис.24), воздуховоды (рис.25), дроссельный узел (рис.26) - без явных следов масла и нагара, в целом чистые.

Рис.24. Патрубок корпуса воздушного фильтра – чистый.
Рис.24. Патрубок корпуса воздушного фильтра – чистый.
Рис.25. Воздуховод – чистый, следов масла нет.
Рис.25. Воздуховод – чистый, следов масла нет.
Рис.26. Дроссельный узел чистый, следов масла нет.
Рис.26. Дроссельный узел чистый, следов масла нет.

Таким образом, ответы на 1-й и 2-й вопросы экспертизы:

  1. Имеются ли в ДВС ADBA 8Y6490, рабочий объем 2,0 л, автомобиля Форд Моидео, VIN: WF0DXXGBBD8Y6YYY, гос. № х708но!90 какие-либо неисправности?
  2. Если неисправности имеются, то какие конкретно?
следующие:

Двигатель ADBA 8Y6490, автомобиля Форд Мондео, VIN: WF0DXXGBBD8Y6YYY, гос. № х7YYно190 имеет серьезные неисправности и поломки.

В блоке цилиндров поврежден 3-й цилиндр - на поверхности видны многочисленные следы ударов и забоины. Сломаны стенки постели блока, пробоины в стенке блока рядом с 3-м цилиндром. Поршень 3-го цилиндра полностью разрушен, обломки находятся в поддоне картера. Шатун 3-го цилиндра поврежден и имеет следы ударов, деформирован, но не разрушен. В головке блока цилиндров сильные повреждения камеры сгорания 3-го цилиндра - следы многочисленных ударов. Тарелки 2-х выпускных клапанов отсутствуют в камере сгорания (найдены в поддоне со следами многочисленных ударов и деформацией), оба впускных клапана - гнутые. В 1, 2, и 4 цилиндрах все выпускные клапаны сильно деформированы. Все поршни имеют глубокие полукруглые выемки - следы ударов выпускных клапанов, длина выемок - 14-15,5 мм, ширина - 2-2,8 мм, глубина - 0,5-0,8 мм, края выемок с характерными следами сильной пластической деформации.

Исследовательская часть

Для ответа на 3 и 4-й вопросы экспертизы:

  1. Если неисправности имеются, каковы действительные причины их возникновения?
  2. Являются ли эти неисправности следствием производственного дефекта двигателя, ошибок при выполнении обслуживания автомобиля, либо они возникли вследствие нарушения правил эксплуатации автомобиля?
необходимо подробно рассмотреть особенности работы двигателя и условия, при которых возможно возникновение описанных выше неисправностей.

Предварительная причина поломки деталей двигателя

Согласно многолетнему опыту эксплуатации и ремонта большого числа двигателей [1, 5-7], при поломке (обрыве) клапана, сопровождаемой разрушением поршня при отсутствии поломки шатуна, главной и единственной причиной неисправности двигателя является собственно поломка клапана. Все прочие дефекты и поломки, в том числе, разрушение поршня, деформация шатуна и клапанов, пробоины в стенках блока, являются вторичными и произошли как последствия первичного разрушения клапана. При этом полное разрушение поршня при обрыве клапана особенно характерно для работы двигателя на больших оборотах [1,5-7].

Другие предположения, к примеру, возможное первичное разрушение поршня, не дают наблюдаемой на двигателе картины разрушений, поскольку в подобных случаях происходит только деформация, а не разрушение клапанов. Тот факт, что причиной поломки двигателя явился именно обрыв клапана, и этот обрыв произошел на высоких оборотах, подтверждается видом тарелок оборвавшихся клапанов, которые испытывали множественные удары и сильно деформированы (рис. 14). Эти удары возникли вследствие попадания тарелки в надпоршневую полость цилиндра, когда поршень подходит к верхней мертвой точке, и расстояние между днищем поршня и стенками камеры сгорания становится сравнительно небольшим. Поскольку размеры тарелки больше этого расстояния, при вращении коленчатого вала происходят многочисленные сильные удары поршня по тарелке, упирающейся в стенку камеры сгорания и поршень (следы таких ударов хорошо видны на рис. 13). Такие удары, происходящие на высоких оборотах, обычно разрушают поршень за несколько десятков оборотов - с повреждением стенки камеры сгорания и деформацией других клапанов.

Напротив, обрыв клапана при малых оборотах обычно сопровождается тем или иным повреждением деталей, но усилия для разрушения поршня силами инерции коленчатого вала обычно недостаточно, что приводит к останову и/или даже заклиниванию двигателя.

После разрушения поршня шатун с пальцем остаются в цилиндре в свободном состоянии, что приводит к сильному повреждению цилиндра пальцем и верхней головкой шатуна. Обломки деталей, падающие в картер, при этом попадают между вращающимися элементами двигателя и стенками блока цилиндров, что неизбежно приводит к повреждению блока в виде пробоин.

Именно такая картина разрушения полностью соответствует исследуемому двигателю.

Таким образом, совершенно очевидно, что поломка двигателя произошла на высоких оборотах, и причиной поломки явился обрыв выпускных клапанов 3-го цилиндра.

Однако остаются неясными причина обрыва клапанов, а также тот факт, что оборваны не 1, а сразу 2 выпускных клапана. Для того, чтобы найти причину обрыва клапанов, необходимо подробно проанализировать характер повреждения деталей и рассмотреть особенности их работы.

Исследование ударного взаимодействия поршня с клапаном

Наибольший интерес для определения истинной причины неисправности

двигателя являются выемки, которые образовались на всех поршнях от ударов выпускных клапанов. Как это следует из имеющейся литературы по двигателю [2, 3], на поршнях данной модели двигателя никаких выемок для клапанов быть не должно, и поршни должны иметь совершенно гладкое и плоское днище. Это означает, что выемки на поршнях появились в результате ударов поршней по тарелкам выпускных клапанов.

Увеличенное изображение выемок (рис.22 и 23) позволяет сделать вывод о том, что металл поршня испытывал в местах ударов значительные пластические деформации - хорошо видно, что металл сильно потянут на краях выемок, где образовались характерные заусенцы. Также необходимо обратить внимание на то, что выемки имеют чрезвычайно большие размеры: длина выемок - 14-15,5 мм, ширина - 2-2,8 мм, глубина - 0,5-0.8 мм.

Эти параметры не соответствуют размерам дефектов на поршнях, которые обычно возникают в результате ударов поршней по клапанам - при обычном ударе на днище поршня наблюдаются только незначительные отметки от клапанов, во много раз меньшие наблюдаемым у исследуемого двигателя.

Для получения более точных данных о причинах образования чрезмерно больших по размерам выемок на поршнях необходимо исследовать, с какой силой может ударить клапан по поршню, и какие размеры при этом будет иметь место соударения.

Выпускные клапаны двигателя имеют диаметр тарелки 30 мм при диаметре стержня 5,5 мм. Расстояние от седла клапана до края направляющей втулки составляет около 35 мм. Этих данных вполне достаточно, чтобы рассчитать усилие, необходимое для деформации клапана.

Для оценки напряжений, возникающих в материале клапана, необходимо отметить, что в момент удара клапан касается днища поршня только краем тарелки (поскольку в исследуемом двигателе выпускные клапаны расположены под углом к оси цилиндра). Поскольку этот угол небольшой (около 15-20°), в 1-м приближении пренебрежем этой величиной (рис.27). Тогда сила, действующая на тарелку клапана в момент удара, будет действовать на край тарелки параллельно оси клапана. Это приблизительно соответствует тому, что в середине тарелки приложен изгибающий момент, равный [4]:

Рис.27. Расчетная схема удара поршня по клапану.
Рис.27. Расчетная схема удара поршня по клапану.

М= RD/2, (1)

где R- сила, действующая на клапан [Н], D- диаметр тарелки клапана.

Согласно [4] напряжения о в материале клапана пропорциональны поперечной силе и/или моменту М, изгибающему стержень клапана:

σ = M/W , (2)

где W = 0,1 . d 3 – осевой момент сопротивления, d – диаметр стержня клапана (5,5 мм для исследуемого двигателя).

Поскольку на тарелку действует динамическая (ударная) нагрузка, напряжение от действия ударной силы (момента) будет меньше на величину динамического коэффициента К, равного приблизительно 0,4 [4]:

σ = К . M/W , (3)

Подставляя формулу 1 в формулу 3 и преобразуя полученное выражение

относительно силы удара R, получим:

R = 0,2 . d 3. σ/(D . K) , (4)

В этой формуле нам неизвестно напряжение σ. Однако, как это следует из известных источников [1, 5], тарелки выпускных клапанов и часть стержня изготавливаются из жаростойкой стали или никелевого сплава. Температура тарелки выпускного клапана в эксплуатации достаточно высока и достигает 600-700°С. Для такого уровня температур предел прочности стали (сплава) не превышает 500 Н/мм2[4]. Тогда предел упругости, при котором в материале после кратковременного приложения нагрузки практически не будет остаточных деформаций, составит около 80% от предела прочности [4]. Подставляем эти значения в формулу 4 и получаем ориентировочное максимальное значение силы, при превышении которой начинается пластическая деформация клапана:

R = 0,2 . 5,5 3. 500/(30 . 0,4) = 1040 Н/мм 2 = 104 кГ

Теперь необходимо найти, какое углубление (выемку) оставит клапан в поршне, если он ударит с такой силой. Для оценки размеров углубления будем использовать формулу для расчета твердости алюминиевого сплава, выражаемой числом Бринелля ΗΒ [4]:

ΗΒ = 2 . R/(π . D . (D - (D 2 - d 2 ) 1/2 ) , (5)

где D – диаметр сферической детали, вдавливаемой в поверхность, d – диаметр лунки (выемки, углубления), образующейся на поверхности, π = 3,14159.

Преобразуя формулу 5, найдем выражение для расчета диаметра выемки:

d = (D 2 - (D – (2 . R/(ΗΒ . π . D)) 2 ) 1/2 , (6)

Как это следует из [4], число твердости по Бринеллю алюминиевых сплавов, применяемых для поршней ДВС и содержащих порядка 10% кремния, составляет около 70. Край тарелки клапана по форме отличается от сферы, однако для оценки размера углубления приближенно примем, что в днище поршня ударяется сфера диаметром 10 мм (уменьшенный диаметр позволяет учесть отличие формы кромки клапана от сферы). Подставляя эти значения в формулу 6, получаем приближенный размер углубления, которое образуется при единичном ударе поршня по клапану:

d 0 = (10 2 - (10 – (2 . 1040/(70 . 3,14159 . 10)) 2 ) 1/2 = 1,3 мм

Поскольку ударное воздействие клапана на поршень имеет чрезвычайно кратковременный характер (десятитысячные доли секунды), действительный размер углубления меньше на величину соответствующего динамического коэффициента К=0,5 [4], и будет равен ориентировочно:

d 0 = К . 1,3 = 0,65 мм

Сравнение полученной величины с длиной (в среднем 14,5 мм) и шириной (в среднем 2,5 мм) выемок на поршнях, а также сравнение площадей расчетной и действительной выемок показывает, что при упругом однократном ударе клапана в поршень образующаяся на поршне выемка (углубление) по площади будет как минимум в 100 раз меньше, чем выемки, которые в действительности имеются на поршнях исследуемого двигателя. При этом каждый последующий удар будет вызывать все меньшее и меньшее увеличение размера выемки, поскольку площадь соприкосновения клапана с поршнем будет все время увеличиваться. Этот вывод, очевидно, свидетельствует о том, что выемки на поршнях исследуемого двигателя с размерами 14,5x2,5 мм не могли образоваться за 1 или несколько ударов, а возникли в результате даже не сотен, а многих десятков и сотен тысяч ударов.

Если допустить, что удар поршня по клапану был сильнее и привел к деформации или даже поломке клапана, то усилие удара будет только на 25% выше - согласно разнице между пределом упругости и пределом прочности материала клапана [4]. Большего усилия удара получить в принципе невозможно, поскольку при превышении этого усилия клапан просто сломается. В этом случае размер выемки, определяемый формулой 6, увеличится всего только на 0,1 мм, то есть до:

d 0 = 0,5 . (10 2 - (10 – (2 . 1,25 . 1040/(70 . 3,14159 . 10)) 2 ) 1/2 = 0,75 мм

или на 15%, что вызовет увеличение площади контакта деталей только на 33%. Фактически этот результат никак не изменит картину - разница между площадью выемок, которые имеют поршни исследуемого двигателя, и выемкой при максимально возможном однократном ударе останется очень большой - не менее чем в 70-80 раз.

Таким образом, выполненные расчеты позволяют сделать однозначный вывод о том, что однократный удар поршней по клапанам (или несколько таких ударов) не является причиной образования выемок на поршнях исследуемого двигателя. В случае простой деформации клапана ударные нагрузки могли быть только кратковременными (далее клапан гнется или ломается и не может достать до поршня), в то время как выемки в поршнях в десятки раз больше, чем это могло быть при кратковременном процессе. Это однозначно свидетельствует о том, что удары поршней по клапанам были многократными, их число составляло тысячи, причем остаточной деформации клапанов после этих ударов не наблюдалось, поскольку любой последующий удар приходился в то же самое место на поршне .

Действительный характер разрушения клапанов

Для того, чтобы понять характер деформации и разрушения выпускных клапанов 3- го цилиндра, необходимо провести анализ данных, полученных при осмотре деталей двигателя.

Так, стержень одного из выпускных клапанов остался цел и не был поврежден в результате обрыва тарелок (рис.28), как это случилось со стержнем соседнего клапана (рис.29). Это позволяет исследовать сечение излома стержня.

Рис.28. Излом стержня выпускного клапана 3-го цилиндра.
Рис.28. Излом стержня выпускного клапана 3-го цилиндра.
Рис.29. Стержень соседнего выпускного клапана сильно поврежден.
Рис.29. Стержень соседнего выпускного клапана сильно поврежден.

Увеличенное изображение сечения излома стержня клапана представлено на рис.30 и 31. Характер излома имеет вид, типичный для усталостного разрушения клапана [1, 4].

Первое, что необходимо отметить - это так называемые линии отдыха в средней части излома (они расположены на рис.30 примерно горизонтально). Это линии, которые показывают развитие трещины, причем трещина развивается перпендикулярно этим линиям. Как известно, в процессе усталостного разрушения трещина распространяется через зерна металла, что делает поверхность излома сравнительно гладкой, при этом напряжения в металле стремятся трещину раскрыть. Как только трещина раскрывается на некоторую величину, напряжения падают, и дальше некоторое время трещина не растет. Затем процесс повторяется, и на поверхности постепенно образуются линии, в точности соответствующие показанным на рис.28 и 29.

Место, откуда трещина начала раскрываться, хорошо видно на переднем плане рис.. В этом месте трещина раскрывалась под действием рабочих нагрузок (посадка клапана в седло), а также при ударе тарелки по поршню. Поскольку при работе двигателя выхлопные газы могут содержать частицы нагара, этот нагар попадал в трещину, поэтому область раскрытия трещины заметно потемнела. Эта зона имеет наиболее гладкий вид - под циклической нагрузкой деталь "дышит", и обе части трещины периодически соприкасаются друг с другом, что вызывает их взаимное истирание и полировку.

На заднем плане рис. расположена так называемая зона долома. Когда сечение стало совсем небольшим, клапан разломился на 2 части, причем долом происходит по границам зерен металла, поэтому зона имеет характерный «рваный» вид.

Таким образом, вид излома стержня не соответствует простому разрушению клапана от превышения предела прочности материала и показывает, что клапан был разрушен постепенно в результате развития усталостной трещины.

Одной из основных характеристик усталостного разрушения является число циклов нагрузки до разрушения. Поскольку нагрузка - это удар поршня по клапану, цикл составляет время между ударами, которые, кстати, не приводят к поломке или деформации, потому что нагрузка эта заведомо меньше предела текучести материала клапана.

Число циклов нагружения до поломки при усталостном разрушении обычно лежит в пределах 105-106 [1, 4]. Для числа циклов 106 получаем 2 000 000 оборотов (для 4-тактного ДВС клапан открывается 1 раз за 2 оборота), что при смешанной эксплуатации (город и трасса) на режимах 2000 об/мин соответствует времени работы 1000 мин или 16,7 часа. При средней скорости по городу и трассе 40 км/час получаем средний пробег автомобиля до поломки - 670 км.

Эта величина по своему порядку близка к реальному пробегу автомобиля с момента возникновения дефекта (стук клапанов по поршням) до момента поломки. Несколько больший реальный пробег до поломки в данном случае связан с влиянием режима работы двигателя на силу удара, включая зависимость положения поршня в ВМТ от оборотов, нагрузки двигателя, температуры и других факторов, которые приводят к так называемой перекладке поршня в ВМТ и некоторому изменению углового положения поршня в цилиндре при изменении режима работы.

Еще один важный факт - поломка клапана произошла в точности в месте перехода стержня одного диаметра в другой. Это место называется (и является) так называемым концентратором напряжений [1, 4] - именно там клапан всегда ломается в случае превышения циклическом нагрузкой предела усталости материала, поскольку напряжения в материале там максимальны.

Так как все выпускные клапаны испытывали приблизительно одинаковое ударное циклическое нагружение (выемки на поршнях приблизительно одинаковые), то у других клапанов возможно аналогичное появление усталостных трещин в том же сечении. Если сечение будет ослаблено усталостной трещиной, при обрыве одной из тарелок и ее чрезвычайно сильного удара по соседней тарелке при подходе поршня к ВМТ неизбежно произойдет поломка соседнего клапана. О чрезвычайно высоком уровне таких ударных нагрузок от посторонних предметов, попавших в камеру сгорания, свидетельствует деформация впускных клапанов в этом цилиндре. Кроме того, выпускные клапаны выполнены из низкопластичного жаростойкого сплава или стали, и нередко ломаются при значительных деформациях.

Рис.30. Типичный усталостный характер излома стержня выпускного клапана (увеличено).
Рис.30. Типичный усталостный характер излома стержня выпускного клапана (увеличено).
Рис.31. То же, в другом ракурсе.
Рис.31. То же, в другом ракурсе.

Еще одна важная особенность выпускных клапанов исследуемого двигателя - чрезвычайно чистая кромка тарелки (рис.32 и 33). Такой чистый вид кромки не соответствует обычному состоянию этой поверхности - при нормальной работе двигателя на кромке должен лежать такой же нагар, как и на тарелке клапана, причем такого же цвета и такой же толщины. Однако у исследуемого двигателя кромки тарелок всех клапанов очищены практически до основного металла по всей окружности тарелки. Поскольку клапан на высоких оборотах всегда проворачивается вокруг оси [1], чистая кромка тарелки по всей окружности дополнительно подтверждает факт многократного взаимного касания поршня и выпускных клапанов.

Рис.32. Кромка тарелки выпускного клапана – без нагара по всей окружности.
Рис.32. Кромка тарелки выпускного клапана – без нагара по всей окружности.
Рис.33. То же, увеличено.
Рис.33. То же, увеличено.

Таким образом, поломка выпускного клапана носит типичный усталостный характер, и произошла после длительного, в течение многих сотен километров пробега автомобиля, циклического ударного воздействия поршня на тарелку клапана. Данный вывод подтверждается характером излома стержня клапана, очищенной от нагара кромкой тарелок выпускных клапанов, а также тем, что обрыв клапана произошел в сечении перехода от одного диаметра стержня к другому, то есть там, где имеется концентрация напряжений. Обрыв соседнего клапана в этом цилиндре произошел вследствие ослабления его стержня усталостной трещиной и/или чрезвычайно высокими ударными нагрузками на его тарелку при разрушении клапана, оборвавшегося первым.

Однако полученные результаты не дают ответа на вопрос, почему оказалось возможным ударное взаимодействие клапанов и поршней, вызвавшее указанное усталостное разрушение. Поэтому для более подробной оценки полученного результата необходимо проанализировать работу двигателя в случае деформации клапанов, а также определить, при каких условиях возможна работа двигателя с многократными ударами поршней по клапанам.

Особенности работы двигателя при ударном взаимодействии поршней и клапанов

Как это следует из информации, полученной от заказчика, при появлении стука двигатель одновременно потерял мощность - заметно ухудшилась динамика разгона, снизилась максимальная скорость. С другой стороны, согласно проведенным выше исследованиям, происходил многократный контакт выпускных клапанов с поршнями, что привело к образованию больших выемок на днище поршней в местах контакта.

Эти факты однозначно свидетельствуют о том, что двигатель перед поломкой работал со сдвигом распределительных валов от своего нормального положения, причем сдвиг этот был в позднюю сторону, что вызывало запаздывание действия клапанов по отношению к положению коленчатого вала (двигатель имел так называемые «поздние фазы»).

Тот факт, что двигатель именно работал, и работал сравнительно долго - около 1000 км пробега, однозначно доказывает, что клапаны при этом не были деформированы, либо их деформация была чрезвычайно мала. Известно, что даже незначительная деформация клапанов по любой причине сразу же приводит к выключению цилиндра и даже невозможности запуска двигателя, если цилиндров с деформированными клапанами несколько [1]. Напротив, исследуемый двигатель перед поломкой запускался и даже позволял автомобилю развивать достаточно высокую скорость - свыше 100 км/час.

При сдвиге фаз газораспределения в позднюю сторону относительно их нормального положения происходит запаздывание закрытия выпускных клапанов при подходе поршня к ВМТ на такте выпуска. Практика показывает, что если ошибка в установке фаз близка по величине к 1,5-2 зубьям шестерни распределительного вала, произойдет контакт выпускных клапанов и поршней [1]. При этом, за счет более позднего выпуска и впуска произойдет потеря мощности двигателя, однако двигатель не потеряет работоспособности - способности запускаться и работать.

Поскольку в течение длительного времени с момента приобретения автомобиля двигатель работал нормально, а далее возник стук и потеря мощности, то сдвиг фаз, вполне возможно, имел самопроизвольный характер.

Именно такой дефект и возник в исследуемом двигателе - при пробеге автомобиля около 20000 км произошел сдвиг фаз газораспределения в позднюю сторону приблизительно на 1,5-2 зуба по шестерням привода распределительных валов.

Взаимное касание тарелок выпускных клапанов и поршней неизбежно вызывает характерный стук при работе двигателя. Ударные нагрузки на клапаны вызывали только упругую их деформацию в момент удара, при этом никакой остаточной деформации у выпускных клапанов не возникало. Как показывает практика, при наличии подобного дефекта пробег автомобиля до поломки одного из клапанов обычно измеряется несколькими сотнями километров. В данном случае поломка произошла приблизительно при 1000 км пробега, что в целом соответствует практическим данным.

Таким образом, двигатель в течение около 1000 км пробега перед поломкой работал со сдвигом распределительных валов от своего нормального положения в позднюю сторону приблизительно на 1,5-2 зуба, что вызвало потерю мощности двигателя. При этом происходило взаимное касание тарелок выпускных клапанов и поршней, сопровождавшееся характерным стуком.

Тем не менее, хотя факт сдвига фаз на исследуемом двигателе следует считать полностью установленным, для определения причины этого сдвига необходимо дальнейшее исследование.

Причины, вызвавшие сдвиг фаз и ударное взаимодействие поршней и клапанов

Согласно опыту эксплуатации и ремонта большого числа двигателей [1], причина, вызывающая описанный выше сдвиг фаз газораспределения в эксплуатации, может быть только одной из 3-х нижеперечисленных:

  1. Износ, поломка или неисправность натяжителя, успокоителя цепи, звездочек (шестерен), растяжение и/или ослабление цепи, что может привести к самопроизвольному перескоку цепи - обычно на звездочке (шестерне) коленчатого вала, поскольку она имеет наименьшее количество зубьев.
  2. Неправильная установка фаз газораспределения при ремонте или обслуживании двигателя - сдвиг фаз в результате ошибки при выполнении работ.
  3. Дефекты шестерен и/или валов, а также ослабление их болтов, вызывающие самопроизвольное проворачивание шестерен на валах.
Согласно [2, 3] привод ГРМ у исследуемого двигателя имеет сравнительно простую конструкцию (рис.34). Так, коленчатый вал, на котором установлена ведущая звездочка, приводит с помощью цепи 2 звездочки распредвалов (впускного и выпускного), при этом цепь имеет 1 гидронатяжитель с башмаком и 1 успокоитель. Согласно результатам проведенного осмотра, все основные детали привода ГРМ находятся в целом в хорошем состоянии, никаких явных дефектов не выявлено.

Отсутствие поломок башмака натяжителя и успокоителя цепи, а также исправность и подвижность плунжера гидронатяжителя цепи позволяют утверждать, что самопроизвольного сдвига фаз в эксплуатации вследствие перескока цепи не было.

Рис.34. Привод ГРМ исследуемого двигателя.
Рис.34. Привод ГРМ исследуемого двигателя.

Как известно, пробег автомобиля на момент проявления дефекта составил около 20000 км. При таких пробегах износы деталей ГРМ, в том числе, цепи и башмаков, незначительны, поскольку эти детали рассчитаны на весь срок службы двигателя. Кроме того, указанные детали не требуют никакого обслуживания в эксплуатации. Поэтому очевидно, что обслуживание автомобиля, которое проводилось ранее, не могло быть связано с какими либо работами по обслуживанию и/или ремонту привода ГРМ и уж тем более - с какими-либо ошибками при выполнении таких работ. Следовательно, поломка двигателя не имеет причинно-следственной связи с проведенным ранее очередным техническим обслуживанием двигателя.

Поскольку никаких других, кроме перечисленных выше, возможных причин неисправностей, приводящих к самопроизвольному сдвигу фаз газораспределения в эксплуатации, не существует, необходимо провести детальное исследование элементов привода ГРМ на предмет возможного дефекта, вызывающего угловое смещение (проворачивание) звездочек на валах.

Действительная причина неисправности двигателя

При работе двигателя ведущая шестерня (звездочка), расположенная на хвостовике, приводит во вращение при помощи цепи и 2-х ведомых звездочек 2 распределительных вала двигателя - впускной и выпускной, управляющие открытием соответственно впускных и выпускных клапанов (рис.34). Поскольку кулачки распределительных валов набегают на толкатели и сжимают пружины клапанов, для вращения распредвалов требуется значительный крутящий момент. Этот момент стремится свернуть ведущую и ведомые звездочки в позднюю сторону, то есть любой самопроизвольный сдвиг ведущей звездочки приведет к запаздыванию фаз обоих распредвалов, а сдвиг ведомой звездочки - к запаздыванию фаз того распредвала, который приводится этой звездочкой. В таком случае сдвиг на коленчатом валу ведущей звездочки и/или сдвиг на выпускном распределительном валу соответствующей ведомой звездочки, произошедший по любой причине под действием рабочего крутящего момента, возникающего в приводе, однозначно приведут к смещению фаз выпуска в позднюю сторону, к ударам поршней по тарелкам выпускных клапанов, то есть к тому дефекту, который соответствует исследуемому двигателю.

Как это следует из описания и руководств по ремонту двигателя данного типа [2, 3], посадка звездочек на валах у данного двигателя имеет некоторые особенности (рис.34 и 35). Так, на переднем хвостовике (носке) коленчатого вала последовательно устанавливается «пакет» деталей, в том числе:

Рис.35. Шкив приводного ремня исследуемого двигателя.
Рис.35. Шкив приводного ремня исследуемого двигателя.

  1. Шайба №1 - до упора в торец коленчатого вала,
  2. двойная шестерня (звездочка) привода распределительных валов и масляного насоса,
  3. шайба №2,
  4. шкив приводного ремня.
Детали устанавливаются пакетом на цилиндрическом хвостовике по посадке скольжения (свободно) и стягиваются болтом коленвала соответствующим моментом затяжки, однако важной особенностью конструкции является отсутствие установочных шпонок, фиксирующих детали от проворачивания на хвостовике (рис.36).

Согласно опыту эксплуатации и ремонта большого числа двигателей [1], при такой конструкции детали удерживаются от проворачивания только силами трения, возникающими на торцевых поверхностях деталей в результате сжатия их при затяжке болта.

Рис.36. В отверстии звездочки нет шпоночного паза.
Рис.36. В отверстии звездочки нет шпоночного паза.

С другой стороны, для создания большой силы трения на поверхности качество обработки ее и ответной детали должно быть высоким, а именно, Форма торцевых поверхностей деталей пакета и их шероховатость должны обеспечивать плотный контакт поверхностей по возможно большей площади. Малая площадь контакта, как и чрезмерно грубая поверхность, не позволят создать значительные силы трения, удерживающие детали от проворачивания на валу.

Для сравнения - если контакт идет по точке или очень тонкой линии, свернуть шкив или звездочку достаточно легко. Но если поверхность шлифована, силы трения будут значительны, и детали не удастся свернуть вообще вплоть до приложения разрушающего их крутящего момента. Таким образом, плотность контакта торцевых поверхностей деталей характеризуется предельным крутящим моментом, при котором происходит проворачивание деталей - чем больше плотность контакта, тем больше предельный момент на проворачивание.

Предельный момент зависит не только от качества торцевых поверхностей, но и от усилия сжатия деталей - усилия затяжки болта. Чем больше усилие затяжки, тем выше сила трения между деталями. Однако в случае нарушения качества обработки одной из поверхностей - в любом месте пакета, ослабляется посадка всех деталей сразу, даже при значительной затяжке болта. В этом случае поверхности с плохим контактом имеют пониженную силу трения, что вызывает падение предельного момента у этих деталей. Поскольку с этими деталями контактируют другие детали пакета, у них также происходит падение предельного момента на проворачивание.

Помимо указанных особенностей, следует отметить также тот факт, что наиболее нагруженным узлом в механизме привода ГРМ является именно пакет деталей, расположенный на коленчатом валу. Это связано не только со значительно большим крутящим моментом на ведущей звездочке (вообще он в 4 раза больше, чем момент на любой из ведомых звездочек - за счет меньшего в 2 раза числа зубьев ведущей звездочки и привода ею сразу 2-х распредвалов), но и большим количеством деталей в пакете. Напротив, звездочки распредвалов имеют минимальное количество деталей, что при существенно меньшем вращающем моменте делает их проворачивание на валах маловероятным.

Действительно, анализ болтов, звездочек и посадочных поверхностей на распределительных валах не выявил никаких дефектов деталей, а также возможных следов их проворачивания. На торцах ведомых звездочек (рис.37) и торцах распредвалов имеются следы взаимного контакта деталей, но их характерный матовый вид показывает, что никакого взаимного перемещения при работе двигателя не происходило.

Рис.37. Следы прижатия болта на торце ведомой звездочки распредвала.
Рис.37. Следы прижатия болта на торце ведомой звездочки распредвала.

В соответствии с этим узел крепления звездочки на коленчатом валу был подвергнут экспертом самому тщательному анализу. Так, проверка торцевой поверхности самой ведущей звездочки со стороны шкива (рис.38) не выявила явных следов неприлегания, хотя эксперт считает, что качество обработки торцевых поверхностей ведущей звездочки коленвала является недопустимо грубой для данной конструкции (рис.39). Однако на поверхности, обращенной к коленвалу (рис.40), выявлены блестящие кольцевые полосы (рис.41-43), указывающие на взаимное перемещение звездочки и ответной детали - шайбы.

Рис.38. Грубая поверхность торца ведущей звездочки коленвала.
Рис.38. Грубая поверхность торца ведущей звездочки коленвала.
Рис.39. То же, увеличено.
Рис.39. То же, увеличено.
Рис.40. Противоположный торец ведущей звездочки.
Рис.40. Противоположный торец ведущей звездочки.
Рис.41. То же, увеличено – видны кольцевые полосы на торце.
Рис.41. То же, увеличено – видны кольцевые полосы на торце.
Рис.42. Блестящие кольцевые полосы на торце звездочки.
Рис.42. Блестящие кольцевые полосы на торце звездочки.
Рис.43. То же, другой ракурс.
Рис.43. То же, другой ракурс.

Также на одной из шайб (рис.44), расположенной между ведущей звездочкой и шкивом, были обнаружены еще более четкие характерные блестящие кольцевые полосы, однозначно свидетельствующие о взаимном сдвиге деталей (рис.45). Ответные блестящие кольцевые полосы были найдены и на торце шкива коленвала (рис.46 и 47а,б).

Внимательное рассмотрение торца шкива выявило чрезмерно грубую поверхность, полученную торцевым точением этой поверхности при изготовлении шкива с очень большой поперечной подачей резца станка. В результате на поверхности образовались грубые спиральные выступы и впадины, и, судя по рис.47, опорная поверхность контакта шкива с шайбой была уменьшена как минимум в 2,5-3 раза по сравнению со всей поверхностью торца шкива. Вблизи поверхности была также обнаружена стружка (рис.47) - один из главных признаков взаимного смещения грубо обработанных деталей.

Рис.44. Шайба, устанавливаемая между ведущей звездочкой и шкивом коленвала.
Рис.44. Шайба, устанавливаемая между ведущей звездочкой и шкивом коленвала.
Рис.45. Блестящие кольцевые следы проворачивания на шайбе.
Рис.45. Блестящие кольцевые следы проворачивания на шайбе.
Рис.46. Торец шкива коленвала – видны кольцевые полосы проворачивания и стружка.
Рис.46. Торец шкива коленвала – видны кольцевые полосы проворачивания и стружка.
Рис.47. То же, увеличено – видны кольцевые блестящие следы и стружка в результате
проворачивания деталей.
Рис.47. То же, увеличено – видны кольцевые блестящие следы и стружка в результате проворачивания деталей.

Тот факт, что на деталях появились блестящие кольцевые следы и стружка, доказывает их относительный сдвиг при работе двигателя. Если бы сдвига не было, то блестящие полосы и стружка не могли бы появиться, поскольку при затяжке болта на заводе-изготовителе нет необходимости взаимно вращать сжатые болтом детали.

Указанный характер прилегания деталей, расположенных на хвостовике коленвала, в том числе блестящие кольцевые следы и стружка на их торцевых поверхностях однозначно свидетельствует об их угловом сдвиге (проворачивании) друг относительно друга при наличии затяжки болта. Это доказывает, что фазы газораспределения двигателя были сдвинуты в процессе эксплуатации.

Судя по найденным следам, угловой сдвиг (проворачивание) ведущей звездочки происходил совместно с шайбой, расположенной между звездочкой и шкивом (рис.48). При этом шкив коленвала, затянутый болтом, оставался на месте, также как и шайба со стороны коленчатого вала.

Аналогичная картина неисправности будет наблюдаться и при слабой затяжке болта шкива коленчатого вала, однако у эксперта нет данных для подтверждения этого предположения, поскольку при снятии шкива не проводилось измерения момента его затяжки.

Таким образом, причиной сдвига фаз в процессе эксплуатации двигателя в позднюю сторону явилось некачественное изготовление деталей, в 1-ю очередь, чрезмерно грубая обработка торцевой поверхности шкива коленчатого вала. Именно указанный дефект шкива является главной причиной углового сдвига (проворачивания) ведущей звездочки и взаимного касания тарелок выпускных

клапанов и поршней с последующим разрушением выпускных клапанов и поршня 3-го цилиндра.

В этой связи представляет интерес сравнение конструкций крепления ведущей звездочки с использованием установочной шпонки и без нее. Конструкции с установочной шпонкой являются традиционной и широко применяемой на многих двигателях в течение многих лет, а потому достаточно хорошо изученной. Так, в случае ослабления посадки (затяжки) деталей в этой конструкции происходит деформация шпонки и шпоночного паза. Шпонка здесь предназначена в основном только для определения положения деталей на валу. Но пока шпонка сидит на своем месте - в пазу, и не срезана, при ослаблении затяжки болта звездочка может создавать повышенный шум (грохот) при работе двигателя, но проворачивания ее не будет.

Напротив, исследуемая неисправность - типичный случай именно для скользящих посадок звездочки и шкива без шпонки, поскольку вследствие некачественного изготовления возможно проворачивание стянутых болтом деталей при недостаточно плотном прилегании их торцевых поверхностей друг к другу.

Действительная картина поломки двигателя

Учитывая найденную причину неисправности двигателя, можно дать последовательное развитие событий, которое привело к поломке.

В эксплуатации ведущая звездочка коленчатого вала испытывает большие нагрузки, связанные не только с большим крутящим моментом для привода распределительных валов, но и динамическими нагрузками при быстром разгоне и торможении двигателя. Поскольку качество изготовления шкива и звездочки было низким, в эксплуатации под действием больших нагрузок происходило постепенное ослабление посадки деталей, связанное с постепенной деформацией микровыступов на торцевых поверхностях деталей. При неблагоприятном сочетании нагрузок началось проворачивание деталей, закрепленных на хвостовике коленчатого вала, сопровождаемое сдвигом фаз газораспределения в позднюю сторону под действием рабочего крутящего момента.

Особенно неблагоприятен с точки зрения возможного проворачивания деталей момент запуска холодного двигателя. При этом густое масло оказывает большое сопротивление вращению распредвалов, а зазоры в подшипниках распредвалов минимальны (нет температурного расширения отверстий подшипников в алюминиевой головке блока). Кроме того, в момент запуска происходит резкое страгивание коленчатого вала стартером, по характеру близкое к ударной нагрузке. Именно такое сочетание факторов и привело к первоначальному сдвигу ведущей звездочки, когда наличие дефекта было впервые замечено заказчиком - после очередного запуска холодного двигателя.

Поскольку детали были стянуты болтом, проворачивание носило ограниченный характер и привело к такой величине сдвига фаз, при которой поршни при подходе к ВМТ начали доставать до тарелок выпускных клапанов. При этом ослабленная в результате начального проворачивания звездочка заняла положение, строго соответствующее началу касания клапанов и поршней.

Для объяснения этого факта необходимо рассмотреть особенности вращения механизма привода ГРМ с ослабленной посадкой ведущей звездочки в момент страгивания коленчатого вала стартером. Так, очевидно, при плотной посадке и нормальной затяжке болта в момент рывка будет вначале резко натянута правая ветвь цепи, после чего распределительные валы будут вовлечены во вращение цепью.

С другой стороны, при полном ослаблении посадки звездочки цепь в 1-й момент будет натянута, но распределительные валы останутся на месте, поскольку произойдет проворачивание коленчатого вала в неподвижной звездочке. Далее один из поршней упрется в один из открытых клапанов, что вызовет остановку (заклинивание) двигателя.

Однако при частично ослабленной звездочке получается совершенно другая картина. При рывке коленчатого вала стартером распределительные валы, испытывающие повышенное сопротивление вращению (холодное густое масло, малые зазоры в подшипниках) начинают вращение, но значительный крутящий момент приводит к сдвигу ведущей звездочки на коленчатом валу. Сдвиг частично ослабленной звездочки произойдет в начальный момент, когда цепь полностью натянется, и крутящий момент на ведущей звездочке резко возрастет до максимума. Далее, после некоторого сдвига звездочки крутящий момент уменьшится, поскольку момент сопротивления во вращающемся подшипниках распредвалов будет меньше, чем ударный момент страгивания с места. Это приведет к тому, что сдвиг звездочки будет медленным и сравнительно небольшим.

Поскольку сдвиг звездочки на коленвалу приводит к запаздыванию фаз газораспределения, при котором выпускные клапаны не успевают закрыться при подходе поршней к ВМТ, на выпускные клапаны и толкатели будет действовать сила со стороны поршня. Толкатель клапана в таком положении контактирует с нисходящей поверхностью профиля кулачка (рис.49), следовательно, эта сила будет создавать дополнительный толкающий момент по направлению вращения распределительного вала, тем самым помогая вращению и уменьшая крутящий момент на ведущей звездочке, причем этот момент будет носить ударный характер в виде резкого падения момента сопротивления вращению распредвала.

Так как ведущая звездочка стянута болтом, резкого падения крутящего момента при медленном сдвиге звездочки на валу будет достаточно, чтобы дальнейшего сдвига (проворачивания) звездочки на валу не произошло. Фактически выпускные клапаны, создавая в результате их подталкивания поршнями дополнительный толкающий крутящий момент на распредвале, будут «помогать» вращению коленвала и препятствовать дальнейшему проворачиванию звездочки на нем.

Описанный характер дефекта объясняет, почему сдвиг фаз происходил строго таким образом, что поршни касались тарелок выпускных клапанов, но не деформировали и не ломали клапаны. При этом положение звездочки будет определяться так, что при формировании краем тарелок клапанов выемок на поршне будет происходить соответствующая «коррекция» положения фаз газораспределения в позднюю сторону, как только глубина выемок станет достаточной для уменьшения силы, действующей на клапаны со стороны поршней. Такая «коррекция» могла происходить практически при каждом запуске холодного двигателя.

Это означает, что на поршнях двигателя созданы идеальные условия для формирования углублений (выемок) под тарелки выпускных клапанов путем ударной эрозии - планомерного расширения и углубления места контакта деталей в результате их многократного ударного взаимодействия в процессе длительной работы. Именно этим и объясняется тот факт, что углубления точно соответствуют по форме тарелке выпускного клапана и имеют размеры, в десятки раз больше того, что было бы в случае однократного удара поршня по клапану.

Дальнейшее развитие событий подробно описано выше - это образование и рост усталостной трещины в одном из клапанов, что привело к его обрыву и поломке двигателя. Однако осталось неясным, почему оказались деформированными все остальные выпускные клапаны.

На самом деле деформация выпускных клапанов была следствием проворачивания ведущей звездочки на коленвалу, но произошел обратный процесс - вместо падения вращающего момента на ведущей звездочке путем своеобразного «подталкивания» выпускного распределительного вала клапанами произошло резкое возрастание момента сопротивления вращению ведущей звездочки за счет сильного торможения впускного распредвала.

При попадании оборванной тарелки выпускного клапана между поршнем и впускными клапанами возникло сильное дополнительное сопротивление вращению впускного распредвала в момент открытия впускных клапанов в 3-м цилиндре (рис.50). А поскольку ведущая звездочка уже имела ослабленную посадку, то она резко провернулась дальше, в течение времени, пока поршень не отошел от ВМТ, и сопротивление вращению впускного распредвала не исчезло. В этом случае проворачивание звездочки на коленвалу также имеет строгую величину, определенную действием на открывающиеся впускные клапана дополнительной силы от тарелки и поршня. По предварительной оценке, поршень мог оказывать давление через оборванную тарелку на впускной клапан не более 20-30° поворота коленчатого вала, в это время ведущая звездочка проворачивалась, поскольку не могла преодолеть сильное сопротивление, возникшее на впускном распредвалу. Следовательно, именно в этот момент произошло проворачивание звездочки на такой угол, который и привел к загибанию всех остальных выпускных клапанов на следующем обороте коленвала.

Следует отметить, что сам факт деформации всех выпускных клапанов в двигателе дополнительно подтверждает, что ведущая звездочка действительно проворачивалась на коленвалу. При нормальной затяжке и качественных деталях звездочка в подобных случаях провернуться не сможет.

Таким образом, дефект в виде проворачивания ведущей звездочки на коленчатом валу в результате ослабления посадки некачественно изготовленных деталей возник при холодном запуске двигателя, когда в момент включения стартера сопротивление вращению звездочки было максимальным.

Сдвиг фаз газораспределения происходил строго таким образом, что поршни касались тарелок выпускных клапанов, но не деформировали и не ломали клапаны, поскольку на выпускных клапанах возникала сила, которая создавала дополнительный крутящий момент по направлению вращения распределительного вала, тем самым помогая вращению, уменьшая крутящий момент на ведущей звездочке и препятствуя ее дальнейшему проворачиванию.

Формирование углублений (выемок) под тарелки выпускных клапанов происходило путем ударной эрозии - планомерного расширения и углубления места контакта поршней и тарелок выпускных клапанов в результате их многократного ударного взаимодействия в процессе длительной работы.

Деформация всех выпускных клапанов произошла непосредственно при поломке двигателя и явилась следствием проворачивания ведущей звездочки на коленвалу при попадании оборванной тарелки выпускного клапана между поршнем и впускными клапанами в результате сильного дополнительного сопротивления вращению впускного распредвала в момент открытия впускных клапанов в 3-м цилиндре.

Поскольку водитель никакими своими действиями не мог повлиять на возникновение дефекта, режимы эксплуатации автомобиля не имеют причинно- следственной связи с возникновением дефекта двигателя.

Для ответа на 5-й вопрос:

Могло ли быть причиной неисправности двигателя превышение в эксплуатации допустимых оборотов?

необходимо отметить следующее.

Действительно, превышение допустимых оборотов коленчатого вала возможно и обычно происходит при движении на высокой скорости в момент включения пониженной передачи. Резкое возрастание оборотов выше допустимых приводит к инерционному запаздыванию закрытия выпускных клапанов при подходе поршней в ВМТ, что вызывает удары поршней по незакрывшимся клапанам, сопровождаемые деформацией и поломкой клапанов. Поскольку обороты двигателя в момент поломки клапана велики, оборвавшаяся тарелка клапана, попадая между поршнем и стенкой камеры сгорания, приводит к разрушению поршня, повреждению головки и блока цилиндров - в точности так, как это имеет место в исследуемом двигателе.

При поверхностном рассмотрении причины поломки исследуемого двигателя многие признаки соответствуют именно превышению допустимых оборотов. Однако целый ряд фактов свидетельствует, что никакого превышения оборотов на самом деле не было, и причина поломки совершенно в другом.

Для доказательства того, что имеющиеся признаки не соответствуют поломке от превышения допустимых оборотов, необходимо провести сравнение действительной картины поломки с той, которая была бы при простом обрыве клапана на чрезмерно высоких оборотах.

Согласно имеющемуся опыту эксплуатации и ремонта большого числа различных двигателей [1], основные признаки поломки двигателя в результате превышения допустимых оборотов следующие:

  1. Обрыв тарелки клапана, разрушение поршня, повреждение цилиндра, головки блока.
  2. Поломка клапана не имеет усталостного характера, клапан ломается вследствие превышения допустимой нагрузки.
  3. Деформация всех выпускных клапанов.
  4. Незначительные размеры углублений, образовавшихся в местах контакта клапанов и поршней.
  5. Нагар, сбитый с кромок тарелок клапанов непосредственно в месте удара поршня.
  6. Нормальная работа двигателя перед поломкой, отсутствие стука и падения мощности.
Как следует из рассмотрения этих признаков, исследуемому двигателю соответствуют только пункты 1 и 2. Прочие признаки прямо противоречат характеру повреждения деталей исследуемого двигателя, что делает предположение о превышении допустимых оборотов недостоверным.

Так, основным противоречием предположения о превышении оборотов характеру разрушений в двигателе является тот факт, что размеры углублений в местах удара поршней по клапанам (рис.23 и 23) в десятки раз больше, чем это могло быть в случае превышения оборотов. Это означает, что причинно-следственная связь между превышением оборотов и чрезмерно большими углублениями в местах соударения клапанов и поршней отсутствует. В то же время, объяснение причины того, что могло привести к образованию на поршнях чрезмерно больших выемок, является ключевым для установления истинной причины дефекта. Объяснить одним или несколькими ударами поршней по клапанам такие огромные выемки невозможно.

Поскольку при ударе поршня по клапанам происходит скалывание нагара в местах соударения, превышение оборотов всегда дает скол нагара только в одном месте кромки тарелки (рис.51) - после этого двигатель останавливается вследствие падения компрессии до 0 и/или разрушения деталей. Напротив, исследуемый двигатель имеет очищенные от нагара кромки тарелок клапанов по всей окружности (рис.32 и 33), что может быть объяснено только многократным (тысячекратным) соударением деталей в течение длительного времени. Такой характер соударения поршней и клапанов при превышении допустимых оборотов невозможен.

Перед поломкой, вызванной превышением допустимых оборотов, в двигателе в общем случае нет никаких признаков, указывающих на будущую неисправность, то есть такая поломка происходит обычно с нормально работающим двигателем. В то же время у исследуемого двигателя в течение длительного времени перед поломкой наблюдался стук и падение мощности, которые никак не могут быть связаны с простым обрывом клапана вследствие превышения допустимых оборотов. Кроме того, выпускной клапан исследуемого двигателя был разрушен вследствие усталости материала (рис.30 и 31), в то время как превышение оборотов дает поломку клапана в результате сильных ударных нагрузок и превышения прочности материала клапана. Также при простом обрыве клапана, как правило, не происходит никакого проворачивания шкивов, шестерен и звездочек на валах.

Не соответствует характеру повреждений деталей двигателя и предположение о превышении допустимых оборотов в эксплуатации, предшествующей поломке. Если при этом произошло бы ударное взаимодействие поршней и клапанов, то клапаны оказались бы деформированными. Как это следует из [1], даже незначительная остаточная деформация клапанов приводит к падению компрессии в цилиндрах практически до нуля и невозможности запуска двигателя и дальнейшей эксплуатации автомобиля.

Рис.48. Схема крепления и проворачивания деталей на коленчатом валу (красным цветом
показаны детали, подверженные угловому сдвигу):
1- болт, 2- шкив, 3- шайба, 4- звездочка, 5-коленвал.
Рис.48. Схема крепления и проворачивания деталей на коленчатом валу (красным цветом показаны детали, подверженные угловому сдвигу): 1- болт, 2- шкив, 3- шайба, 4- звездочка, 5-коленвал.
Рис.49. Схема работы выпускного распредвала при смещении фаз газораспределения в
позднюю сторону – при толкании клапана поршнем появляется толкающий вращающий
момент на валу, помогающий вращению вала.
Рис.49. Схема работы выпускного распредвала при смещении фаз газораспределения в позднюю сторону – при толкании клапана поршнем появляется толкающий вращающий момент на валу, помогающий вращению вала.

На высоких оборотах, когда клапаны не успевают закрываться и испытывают ударные нагрузки со стороны поршней, никаких дополнительных моментов сопротивления вращению коленчатого вала не возникает. Поэтому превышение допустимых оборотов также не может быть причиной проворачивания ведущей звездочки на коленчатом валу.

Таким образом, образование на поршнях чрезмерно больших выемок от соударения клапанов и поршней является ключевым фактором для установления истинной причины неисправности двигателя. Объяснить одним или несколькими ударами поршней по клапанам в момент превышения допустимых оборотов такие огромные выемки невозможно. Также невозможно объяснить превышением допустимых оборотов стук и потерю мощности двигателя в эксплуатации перед поломкой, полностью очищенные от нагара кромки тарелок выпускных клапанов, а также усталостный характер поломки клапана. Это означает, что причинно- следственная связь между превышением допустимых оборотов, с одной стороны, и чрезмерно большими углублениями в местах соударения клапанов и поршней, стуком, потерей мощности двигателя перед поломкой, очищенными от нагара кромками тарелок и усталостным разрушением клапана, с другой стороны, отсутствует. Поэтому предположение о поломке двигателя в результате превышения допустимых оборотов недостоверно и не соответствует рассматриваемому случаю.

Рис.51. Типичная картина удара поршня по выпускным клапанам вследствие превышения
допустимых оборотов – нагар с клапанов сбит в одном месте, а не по всей окружности,
как в исследуемом двигателе.
Рис.51. Типичная картина удара поршня по выпускным клапанам вследствие превышения допустимых оборотов – нагар с клапанов сбит в одном месте, а не по всей окружности, как в исследуемом двигателе.

Выводы

  1. Двигатель ADBA 8Y6490, автомобиля Форд Мондео, VIN: WF0DXXGBBD8Y6YYY, гос. № х7YYно190 имеет серьезные неисправности и поломки.
  2. В блоке цилиндров поврежден 3-й цилиндр - на поверхности видны многочисленные следы ударов и забоины. Сломаны стенки постели блока, пробоины в стенке блока рядом с 3-м цилиндром. Поршень 3-го цилиндра полностью разрушен, обломки находятся в поддоне картера. Шатун 3-го цилиндра поврежден и имеет следы ударов, деформирован, но не разрушен. В головке блока цилиндров сильные повреждения камеры сгорания 3-го цилиндра - следы многочисленных ударов. Тарелки 2-х выпускных клапанов отсутствуют (найдены в поддоне со следами многочисленных ударов и деформацией), оба впускных клапана - гнутые. В 1, 2, и 4 цилиндрах все выпускные клапаны сильно деформированы. Все поршни имеют глубокие полукруглые выемки - следы ударов выпускных клапанов, длина выемок - 14-15,5 мм, ширина - 2-2,8 мм, глубина - 0,5-0,8 мм, края выемок с характерными следами сильной пластической деформации.
  3. Чрезвычайно большие размеры выемок на поршнях не соответствуют размерам дефектов, которые обычно возникают в результате ударов поршней по клапанам - при обычном ударе клапана на днище поршня наблюдаются только незначительные отметки от клапанов, во много раз меньшие наблюдаемым у исследуемого двигателя. В то же время на поршнях данной модели двигателя никаких выемок для клапанов быть не должно, и поршни должны иметь совершенно гладкое и плоское днище.
  4. Выполненные расчеты позволяют сделать однозначный вывод о том, что однократный удар поршней по клапанам (или несколько таких ударов) не является причиной образования выемок на поршнях исследуемого двигателя. В случае обычного удара клапана ударные нагрузки могут быть только кратковременными (далее клапан гнется или ломается и не может достать до поршня), в то время как выемки в поршнях по глубине в десятки раз больше, чем это могло быть при кратковременном процессе. Это однозначно свидетельствует о том, что удары поршней по клапанам были многократными, их число составляло тысячи, причем остаточной деформации клапанов после этих ударов не наблюдалось, поскольку любой последующий удар приходился в то же самое место на поршне.
  5. Поломка выпускного клапана носит типичный усталостный характер, и произошла после длительного, в течение многих сотен километров пробега автомобиля и циклического ударного воздействия поршня на тарелку клапана. Данный вывод подтверждается характером излома стержня клапана, очищенной от нагара кромкой тарелок выпускных клапанов, а также тем, что обрыв произошел в сечении перехода от одного диаметра стержня к другому, то есть там, где имеется концентрация напряжений. Обрыв соседнего клапана в этом цилиндре произошел вследствие ослабления его стержня усталостной трещиной и/или чрезвычайно высокими ударными нагрузками на его тарелку при разрушении клапана, оборвавшегося первым. Деформация всех остальных выпускных клапанов произошла непосредственно при поломке двигателя и явилась следствием углового сдвига (проворачивания) ведущей звездочки на коленвалу при попадании оборванной тарелки выпускного клапана между поршнем и впускными клапанами в результате сильного дополнительного сопротивления вращению впускного распредвала в момент открытия впускных клапанов в 3-м цилиндре.
  6. Причиной поломки двигателя является длительная, в течение около 1000 км пробега, работа со сдвигом распределительных валов от своего нормального положения в позднюю сторону приблизительно на 1,5-2 зуба, что вызвало потерю мощности двигателя. При этом происходило взаимное касание тарелок выпускных клапанов и поршней, сопровождавшееся характерным стуком и формирование углублений (выемок) в днище поршней путем ударной эрозии - планомерного расширения и углубления места контакта поршней и тарелок выпускных клапанов в результате их многократного ударного взаимодействия в процессе длительной работы.
  7. Причиной сдвига фаз в процессе эксплуатации двигателя в позднюю сторону и последующей поломки двигателя явилось некачественное изготовление деталей, в 1-ю очередь, чрезмерно грубая обработка торцевой поверхности шкива коленчатого вала. Указанный дефект шкива вызвал угловой сдвиг (проворачивание) ведущей звездочки коленвала и взаимное касание тарелок выпускных клапанов и поршней с последующим разрушением выпускных клапанов и поршня 3-го цилиндра. Данный дефект возник при холодном запуске двигателя, когда в момент включения стартера сопротивление вращению звездочки было максимальным.
  8. Поскольку водитель никакими своими действиями не мог повлиять на возникновение дефекта, режимы эксплуатации автомобиля не имеют причинно-следственной связи с возникновением дефекта двигателя.
  9. Обслуживание автомобиля, которое проводилось ранее, не могло быть связано с какими либо работами по обслуживанию и/или ремонту привода ГРМ, поэтому сдвиг фаз газораспределения и поломка двигателя не имеют причинно-следственной связи с проведенным ранее очередным техническим обслуживанием двигателя.
  10. Причинно-следственная связь между превышением допустимых оборотов, с одной стороны, и чрезмерно большими углублениями в местах соударения клапанов и поршней, стуком, потерей мощности двигателя в эксплуатации перед поломкой, усталостным разрушением выпускного клапана и очищенными от нагара кромками тарелок выпускных клапанов, с другой стороны, отсутствует, поэтому предположение о поломке двигателя в результате превышения допустимых оборотов недостоверно и не соответствует рассматриваемому случаю.

Эксперт-автотехник 1-й категории, кандидат технических наук, А.Э.Хрулев

Александр Хрулев, канд. техн. наук, директор фирмы «АБ-Инжиниринг»