Спросите любого моториста, что обеспечивает герметичность головки блока цилиндров под давлением наддува, и он укажет прежде всего на болты головки. Не на прокладку, не на качество обработки поверхности, а именно на болты. Именно они удерживают все детали вместе под давлением, и если они неисправны, ничто другое в системе не сможет это компенсировать.
Болты головки цилиндра Недостаточно просто зажать головку блока цилиндров. Необходимо поддерживать определенное, откалиброванное усилие на прокладке на протяжении тысяч циклов нагрева, при давлении сгорания, которое может превышать 200 бар в турбированных дизельных двигателях, и на протяжении всего срока службы двигателя. Если это усилие неправильное — слишком низкое, слишком высокое или неравномерное — у прокладки не останется ни единого шанса.
Роль болтов головки цилиндров в конструкции двигателя.
Головка блока цилиндров расположена в верхней части камеры сгорания. Она принимает на себя давление сгорания изнутри, одновременно справляясь с резкими температурными перепадами между горячей поверхностью камеры сгорания и более холодными внешними поверхностями. Под ней блок цилиндров образует вторую половину этой границы. Прокладка головки блока цилиндров заполняет зазор между ними, одновременно герметизируя каналы сгорания, охлаждающей жидкости и масляные каналы.
Именно болты обеспечивают герметичность. Прокладка герметизирует только при достаточном, равномерном сжимающем напряжении. Всё это напряжение возникает из-за предварительной затяжки болтов. Поддержание этого напряжения на протяжении всего срока службы двигателя — вот основная задача системы крепления головки блока цилиндров.
Предварительная нагрузка, крутящий момент и их взаимосвязь
Предварительная нагрузка — это сила натяжения, возникающая в болте при затягивании. Крутящий момент определяет, как она достигается. Эти два параметра связаны довольно простой зависимостью:
T = K × F × d
Где T — приложенный крутящий момент (Н·м), K — коэффициент крутящего момента, F — целевое предварительное натяжение (Н), а d — номинальный диаметр болта (м).
Коэффициент крутящего момента K — это то, что имеет практическое значение. Он меняется в зависимости от смазки резьбы, покрытия поверхности и состояния. Несмазанный болт может иметь коэффициент K 0,20 или выше. У правильно смазанного болта он падает до 0,13–0,17. Эта разница приводит к разнице в фактическом предварительном натяжении в 20–30% при том же моменте затяжки ключа. Именно поэтому в инструкциях по установке указывается тип смазки. Замена масла на другое или полный отказ от смазки не просто отклоняется от процедуры. Это меняет то, что болт фактически делает внутри соединения.
Технические характеристики крутящего момента для различных двигателей
Значения крутящего момента не могут быть перенесены с одного двигателя на другой. Каждая спецификация рассчитывается с учетом диаметра болтов, класса крепежа, схемы расположения болтов, жесткости прокладки и целевого давления сгорания для конкретного двигателя. Использование неправильного значения, даже для механически схожего двигателя, — это риск, на который не стоит идти.
Чтобы дать практическое представление о рассматриваемых диапазонах:
- В бензиновых двигателях легковых автомобилей обычно используется болт с моментом затяжки 60–110 Н·м (M10–M12, класс прочности 10.9 или TTY).
- В легковых автомобилях с турбонаддувом крутящий момент составляет 80–150 Н·м (M11–M14, высокопрочный TTY).
- Для мощных дизельных двигателей грузовых автомобилей может потребоваться усилие 200–400 Н·м на болт (M16–M22, многоразового использования, класс прочности 10.9 или 12.9).
Болты TTY добавляют еще один уровень сложности. Обычно их затягивают поэтапно — сначала базовое значение, а затем угловые приращения, например, 45° + 45°. Угловой метод менее чувствителен к колебаниям трения, поэтому он обеспечивает более стабильную предварительную нагрузку, чем прямое регулирование момента затяжки.
Последовательность затяжки и герметичность.
Последовательность затяжки имеет такое же значение, как и величина крутящего момента. Большинство производителей указывают спиральный или перекрестный рисунок затяжки, начиная от центра головки блока цилиндров и двигаясь наружу. Такой подход обеспечивает постепенную и равномерную нагрузку на прокладку, не концентрируя сжатие в одной области до того, как будут задействованы соседние зоны.
Если затягивать болты от одного конца до другого по прямой линии, создаётся волна сжатия, которая приподнимает и смещает прокладку по мере затяжки. К моменту затяжки последнего болта прокладка может уже оказаться неровной. Никакая правильная затяжка в конце не исправит этого. В результате возникают градиенты напряжений по всей поверхности прокладки, которые в конечном итоге проявляются в виде протечек или преждевременного разрушения под воздействием тепла.
Соблюдение последовательности действий, указанной производителем, включая все промежуточные этапы затяжки, не является необязательным. Это единственный способ убедиться в правильной установке прокладки.
Распространенные проблемы, возникающие из-за неправильного момента затяжки или установки.
Недостаточно затянутые болты приводят к недостаточному сжатию прокладки. Охлаждающая жидкость попадает в камеру сгорания, происходит утечка компрессии между цилиндрами, и прокладка начинает разрушаться под давлением, которому она не была должным образом защищена. В худших случаях продукты сгорания попадают в систему охлаждения, температура повышается, и происходит полноценный перегрев.
Перетянутые болты выходят за пределы расчетного диапазона. Болты TTY могут сужаться в стержне, теряя поперечное сечение и прочность на растяжение. Обычные болты могут сорвать резьбу в блоке или полностью сломаться во время эксплуатации. В любом случае, усилие зажима в этой зоне исчезает.
Болты с перекосом резьбы — более сложная проблема. Трение в резьбе приводит к тому, что показания крутящего момента кажутся правильными до того, как болт будет затянут до нужного значения. Болт показывает затяжку, но не зажимается должным образом. Перед повторной сборкой необходимо прочистить резьбу или выполнить ремонт резьбового соединения. Обойти это никак не получится.
Болты с регулируемым моментом затяжки против обычных болтов
Болты TTY намеренно растягиваются в зону пластической деформации. Это контролируемое удлинение обеспечивает постоянство предварительного натяжения и позволяет болту слегка адаптироваться к неровностям поверхности в месте соединения. Предел текучести болта действует как естественный потолок. Для крупносерийного производства OEM-продукции такая стабильность имеет большое значение.
Обычные болты класса 10.9 или 12.9 остаются в упругом диапазоне при правильной затяжке. Их можно использовать повторно, если они прошли проверку — отсутствие видимых деформаций, хорошее состояние резьбы и соответствие момента затяжки спецификациям. Болты TTY заменяются каждый раз при снятии головки, независимо от их внешнего вида.
Для производителей двигателей, часто выполняющих разборку, многоразовые высокопрочные болты позволяют снизить затраты на обслуживание без ущерба для соединения. Однако это работает только в том случае, если конструкция двигателя это позволяет, а марка болта и геометрия зажима проверены на соответствие спецификации производителя по подъему головки блока цилиндров.
Прочность материала и термообработка при обеспечении надежности болтов головки блока цилиндров
Болты головки блока цилиндров обычно изготавливаются из среднеуглеродистой легированной стали. Это такие марки, как 35CrMo или 42CrMo, и они подвергаются термообработке для достижения требуемых показателей прочности. Для стали марки 12.9 минимальный предел прочности на растяжение составляет 1220 МПа, а минимальный предел текучести — 1100 МПа.
Термообработка должна быть выполнена с высокой точностью. Недостаточно закаленные болты теряют предварительное натяжение в результате термических циклов. Они ослабевают, когда этого не должно происходить. Перезакаленные болты становятся хрупкими и подверженными водородному растрескиванию под напряжением — типу разрушения, который не предупреждает о своем наступлении и особенно опасен в условиях высоких нагрузок.
CNXD имеет 30-летний опыт работы в этой области. производство автомобильных крепежных изделий. Термообработка контролируется в процессе производства с проверкой твердости, и каждая партия проходит испытания на растяжение и проверку размеров перед отгрузкой. Для OEM-производителей и поставщиков первого уровня документация PPAP и полная отслеживаемость партии являются стандартными, а не дополнительными опциями. Если вы поставляете болты головки блока цилиндров для двигателей или трансмиссий, именно эта отслеживаемость защитит вас в случае необходимости отслеживания происхождения товара.
