EN
Основні механічні властивості, що визначають стійкість розподільного валу
Твердість та цілісність поверхні під високим контактним навантаженням
Тривалість роботи розподільного валу дійсно залежить від твердості матеріалу, оскільки він повинен витримувати надзвичайно високі тиски контакту, які можуть перевищувати 1500 МПа. Також важливо правильно обробити поверхню. Коли виробники приділяють достатньо часу шліфуванню та поліруванню, вони запобігають утворенню мікротріщин, що інакше прискорювали б процес зношування. Більшість інженерів погоджується, що оптимальним є підтримання твердості в межах приблизно 55–65 HRC, оскільки це забезпечує ефективний захист від зношування й одночасно достатню в’язкість, щоб запобігти раптовому руйнуванню. Ковані деталі з легованої сталі, як правило, виявляють виняткову стійкість у таких умовах і залишаються стабільними навіть після сотень мільйонів підйомів клапанів. Деякі спеціалізовані майстерні повідомляють про досягнення понад 500 мільйонів циклів до заміни, хоча реальні результати можуть варіюватися залежно від умов експлуатації.
Стійкість до втоми для тривалої роботи на високих обертах
Коли двигуни працюють протягом тисяч циклів навантаження при обертах понад 6 000 об/хв, вони дійсно потребують матеріалів, які здатні тривало чинити опір втомі. Компоненти мають витримувати всі згинні навантаження, що виникають від потужних клапанних пружин, без утворення будь-яких тріщин. Також дуже важливо забезпечити однорідну мікроструктуру по всьому об’єму матеріалу, особливо при роботі зі сталями, отриманими методом вакуумного плавлення. Такі сталі, як правило, містять менше прихованих дефектів усередині, які могли б стати проблемними зонами під тиском. Аналіз ключових показників допомагає зрозуміти ситуацію: межа втоми має становити щонайменше приблизно 800 МПа, а в’язкість руйнування — перевищувати 90 МПа·√м. За наявності цих властивостей деталі здатні надійно функціонувати протягом понад 250 тис. миль пробігу.
Найкращі матеріали для розподільних валів та їх практичні компроміси щодо експлуатаційних характеристик
Ковкий чавун порівняно з легованими сталями: баланс зносостійкості, міцності та вартості
Вибір правильного матеріалу для розподільних валів передбачає знаходження оптимального балансу між стійкістю до зношування, міцністю конструкції та економічною доцільністю. Ковкий чавун, також відомий як чавун з шаруватим графітом (SG-чавун), виділяється завдяки своїй здатності добре гасити вібрації та краще витримувати втомне навантаження порівняно з багатьма іншими матеріалами, тому його широко застосовують у двигунах масового виробництва. Унікальна сферична структура графіту в цьому матеріалі сприяє поглинанню напружень у конкретних точках, що призводить до меншого зношування кулаків у умовах мастила на основі олії. Для тих, хто потребує ще вищих експлуатаційних характеристик, леговані сталі, наприклад сталь 4140, забезпечують значно вищу межу міцності на розтяг і твердість поверхні. Це дозволяє конструкторам двигунів сильніше навантажувати клапанні пружини й досягати більш високих швидкостей підйому клапанів під час роботи. Проте такі сталеві варіанти мають свої недоліки: вони вимагають складніших процесів механічної обробки та тривалих термічних обробок, що, як правило, збільшує витрати на виробництво на 30–50 % порівняно з литтям.
Ковкий чавун чудово працює до приблизно 7000 об/хв, після чого починає проявляти ознаки напруження через інтенсивне обертальне навантаження. Сплавні сталі краще підходять для легких компонентів, що обертаються з дуже високою швидкістю, але існує важлива умова: їх обов’язково потрібно піддавати ретельній термічній обробці під час виробництва, інакше вони можуть несподівано потріснутися під навантаженням. Коли в комерційних автотранспортних операціях ключовим фактором є вартість, сфероїдальний графітовий (СГ) чавун залишається найвигіднішим варіантом з урахуванням тривалості його служби порівняно з початковою вартістю. Саме тому гоночні автомобілі та двигуни з системами примусового нагнітання, як правило, вибирають більш дорогі сталеві рішення, незважаючи на додаткові витрати: вони здатні витримувати на 15–20 % більше навантаження до руйнування порівняно з іншими матеріалами, доступними на ринку сьогодні.
Стратегії термічної обробки для оптимізації мікроструктури та терміну служби розподільного валу
Індукційне загартування та аустемперування: підвищення твердості поверхні при збереженні ударної в’язкості серцевини
Правильна термічна обробка має вирішальне значення для досягнення оптимального балансу між твердістю поверхні та пластичністю серцевини. За допомогою індукційного загартування ми можемо точно цілити саме в поверхні кулачків, нагріваючи їх до температури близько 900 °C за допомогою електромагнітних полів. Це формує надзвичайно стійкий мартенситний шар з твердістю понад 50 за шкалою Роквелла, а також спричиняє значно меншу деформацію порівняно з традиційними методами обробки в печах. Іншим етапом є аустемперування, яке поєднується з цим процесом. Під час ізотермічного перетворення серцевина відпускається при температурах у діапазоні приблизно від 250 до 400 °C, у результаті чого у всьому матеріалі утворюються міцні бейнітні структури замість крихких мартенситних.
Ця стратегія з використанням двох взаємопов’язаних процесів забезпечує два взаємозалежні переваги:
- Загартована поверхня стійка до прямих контактних напружень від штовхачів і коромисел
- Пластична бейнітна серцевина поглинає циклічні згинні та крутильні навантаження під час роботи на високих обертах
Отримані стискальні залишкові напруження зменшують поширення втомних тріщин на 30 %, згідно з металургійними рекомендаціями ASM International за 2023 рік. Контрольовані швидкості загартування також запобігають виникненню мікроструктурних аномалій — таких як нетермічний мартенсит, — що погіршують стабільність у межах діапазонів робочих температур.