В ответе за герметичность.

Юрий Буцкий

Надо ли напоминать, что разгерметизация двигателя недопустима? И самым важным является соединение «блок-головка». Оно уплотняется деталью, официально именуемой «прокладка под головку блока цилиндров».

В обиходе ее называют короче — прокладка ГБЦ. Специалисты говорят про нее: это не деталь, а целая система.

Экстремалка

Обладай прокладка ГБЦ даром речи, она постоянно жаловалась бы на жизнь. Действительно, условия, в которых ей приходится работать, иначе, как экстремальными, не назовешь. К тому же эти условия неодинаковы для различных участков сопрягаемых поверхностей. Не утомляя читателей цифрами, обрисуем лишь качественную картину.

По периметру цилиндра на прокладку действуют газы в довольно широком диапазоне давлений и температур — от морозного воздуха на зимней стоянке до агрессивного фронта пламени при сгорании топливно-воздушной смеси. Кроме того, прокладка контактирует с маслом, охлаждающей жидкостью, топливом и продуктами сгорания рабочей смеси — и все это в условиях высоких температур и давлений.

А теперь о механике.

Представьте: при рабочем ходе поршня головка блока стремится прогнуться и переместиться вверх, вытягивая шпильки или болты. Естественно, процесс этот циклический. Поэтому прокладка подвергается пульсирующему сжатию, а шпильки — пульсирующему растяжению.

Но и это еще не все.

В стыке ГБЦ при работе двигателя возникают локальные тепловые нагрузки. Поэтому монтажные усилия должны обеспечивать в прокладке такие напряжения сжатия, которые компенсируют и давление газов, и температурные напряжения. Эти требования обусловливают величину момента затяжки шпилек или болтов, прописанного в инструкции по эксплуатации автомобиля.

Ты нам должна...

Из условий работы прокладки вытекают и требования к материалу для ее изготовления.

Прокладочный материал обязан:

хорошо заполнять микро- и макронеровности стыкуемых поверхностей;

сохранять упругость за счет низкой динамической усадки в условиях циклических нагрузок;

не релаксировать, длительно сохраняя приложенное контактное давление;

быть достаточно теплопроводным;

противостоять вымыванию из собственного «тела» каких-либо наполнителей и ингредиентов;

не набухать и не разрушаться при контактах с охлаждающей жидкостью, маслом и различными видами топлива, а также с отработавшими газами.

Если вы дочитали этот «молот ведьм» до конца, значит, у вас крепкие нервы. А если подойти формально?

Формальные требования выставляет заказчик — моторный завод. Сочиняя их, он испишет целую «простыню». Перечислит необходимые физико-механические свойства прокладки в процентах: сжимаемость, восстанавливаемость и усадку материала при заданных давлениях и температурах. Потребует строго определенного увеличения толщины и массы прокладочного материала в масле, антифризе и топливе.

А конечный потребитель — водитель или моторист выразит свои чаяния короче: прокладка должна надежно герметизировать стык, не «пробиваться» в процессе эксплуатации и не требовать частой подтяжки, а в идеале вообще обходиться без нее. Он, потребитель, желает просто-напросто затянуть головку требуемым моментом, и вперед.

Кроме того, мастера нередко сталкиваются с прилипанием прокладки к привалочным поверхностям. Это влечет за собой трудоемкое соскабливание «останков» прокладки при ее замене, сопровождаемое характерными комментариями, которые автор статьи решил здесь не приводить.

Шутки в сторону

Однако, если вдуматься, и заказчик, и конечный потребитель скажут об одном и том же.

Возьмем, например, сжимаемость прокладки. Чем она ниже, тем строже будут требования к качеству уплотняемых поверхностей. И наоборот — высокая сжимаемость «простит» некоторые огрехи этих поверхностей. Иными словами, сжимаемость определяет ту самую герметичность стыка, без которой уплотнение — не уплотнение, и ремонт — не ремонт. А оптимальное сочетание сжимаемости и восстанавливаемости позволит обойтись без дополнительных подтяжек головки блока и регулировок зазоров клапанов.

Давайте ознакомимся с основными тенденциями двигателестроения в части, касающейся производства прокладочных материалов.

По мнению ряда зарубежных производителей уплотнений, тенденции таковы:

компактный дизайн двигателя, малая площадь уплотняемой поверхности, «мягкие» отливки блока и его головки;

рост числа малогабаритных дизелей для легковых автомобилей;

увеличение рабочих температур и пиков давления при сгорании смеси;

полный отказ от дополнительных «подтяжек» прокладки;

международная унификация технологий, появление единых стандартов для автомобильных прокладок и других запчастей;

популярность «философии отсутствия утечек», и, как следствие — предполагаемое увеличение срока гарантии на герметичность любого соединения.

Таким образом, моторостроение не стоит на месте, конструкторы двигателей непрерывно совершенствуют свои детища. В их арсенале — применение турбонаддува, повышение частоты вращения коленчатого вала и степени сжатия, а также применение новейших конструкционных материалов.

Значит, производители прокладок должны не отставать от моторостроителей? А вот и не угадали, — они должны идти впереди. Иными словами, им нужно быть постоянно готовыми к заказу на «прокладку завтрашнего дня».

Виды уплотнений ГБЦ

Говоря о герметизации соединений «блок- головка», не будем рассматривать двигатели с бесподкладочными стыками, — это тема отдельного разговора. В остальных случаях специалисты разделяют уплотнения на три группы:

мягкие прокладки ГБЦ;

металлические прокладки ГБЦ;

комбинированные уплотнения.

Правда, в отношении металлических и мягких прокладок необходима оговорка. И те, и другие делаются из нескольких материалов, — например, мягкие прокладки содержат перфорированную жесть. Но один из материалов (металл или полимерная композиция) является преобладающим — он-то и определяет принадлежность прокладки к той или иной группе.

Например, на дизелях челябинского тракторного завода для военных гусеничных машин и танков применялась прокладка, состоящая из двух медных листов. Между ними закладывался лист из асбестовой бумаги толщиной 1 мм. Нижний металлический лист имел отбортовку не только на отверстия камер сгорания, но и на масляные каналы.

Существуют графитовые прокладки, выполненные из графитных листов (не путать с графитовым покрытием асбестовых прокладок и графитным наполнителем безасбестовых материалов). Однако ведущие зарубежные производители признают их малоперспективными.

К металлическим и комбинированным уплотнениям мы еще вернемся, а сейчас поговорим о мягких прокладках ГБЦ. Их преимущества определяются простотой: благодаря своей «мягкости» они компенсируют неровности и деформацию сопрягаемых поверхностей, обеспечивая тем самым герметизацию стыка. Отсюда и относительная дешевизна этих изделий.

А к недостаткам относится меньшая, в сравнении с металлическими «сестричками», надежность уплотнения (особенно при высоких давлениях), необходимость дополнительной подтяжки в процессе эксплуатации и, как правило, одноразовое использование.

Сделай ее!

Прокладки ГБЦ вырубают из многослойного полотна. В его основе — каркас из перфорированной жести, покрытый с обеих сторон полимерной композицией. Иными словами, современная мягкая прокладка ГБЦ являет собой многослойную конструкцию, этакий «сэндвич», в котором каждый слой решает строго опреде-ленную задачу.

Чтобы в дальнейшем свободно оперировать терминами, давайте в общих чертах вспомним технологию изготовления прокладок ГБЦ.

Ее основные этапы таковы:

изготовление специальной бумаги на полимерной основе;

перфорация жести;

сборка прокладочного полотна (жесть обкладывается бумагой и пропускается через обжимные валки каландра);

обмазка, пропитка и вулканизация полученного материала;

вырубка прокладок в специальных штампах; 

окантовка отверстий камер сгорания и жидкостных каналов прокладки и калибровка.

Справедливости ради отметим, что применение полимерной бумаги — не единственный способ получения полотна. В свое время фирма Elring предложила такую технологию: жесть обкладывается специально приготовленной массой и потом пропускается через каландр. А вот, например, фирма Frenzelit покрывает жесть бумагой — правда, для этого необходима специальная бумагоделательная машина. Зато этот способ обеспечивает более равномерную плотность полотна. 

Автоматическая линия каландрирования

Это — жесть!

А теперь несколько интересных подробностей.

Поверхность жести после перфорации более всего напоминает, пожалуй, двустороннюю терку. Зубчики с обеих сторон стальной ленты готовы к контакту с полимерным покрытием — но все ли производители делают их правильно? Нет, конечно.

В настоящее время известны два типа перфорации, применяемой в производстве прокладок ГБЦ: круглая и прямоугольная. «Продвинутые» заводы применяют круглую, и вот почему.

Во-первых, при круглой перфорации прочность жести в продольном и поперечном направлениях практически одинакова. В то время как прямоугольная перфорация делает прокладку анизотропной. Кроме того, «прямоугольная» технология не обеспечивает воспроизводимости свойств изделия: две одинаковые прокладки могут существенно отличаться по прочности на разрыв.

Во-вторых, круглая перфорация позволяет получить плоскую поверхность между выступами (зубчиками).

И наконец, в-третьих, она дает возможность оптимизировать распределение зубчиков по площади изделия, обеспечивая надежное сцепление жести с полимерным «покрывалом».

И в результате...

Итак, прокладочное полотно собирают, пропуская перфорированную жесть и бумагу через валки каландра. Рациональная перфорация жестяной основы и фирменные «ноу-хау» для полимерных композитов позволяют прокладке адаптироваться к вертикальной нагрузке — причем к любой, даже очень большой. Опасные пики при этом «расползаются» без нарушения уплотнения — разработчики называют этот процесс «горизонтальным выравниванием». И еще: при использовании новых прокладок усилия распределяются по краям гильз равномерно, уберегая цилиндры от деформации и, следовательно, от повышенного расхода масла, ускоренного износа и прорыва газов в картер.

А если в цифрах: какие механические и температурные нагрузки выдерживают эти изделия?

Пожалуйста: по данным производителей, прокладки для бензиновых двигателей сохраняют работоспособность до 35 МПа (350 бар) и 350° С, а для дизельных — до 100 МПа (1000 бар) и 400° С. То есть «запас прочности» изделия получается изрядный... Оптимально подобранные показатели восстанавливаемости и сжимаемости допускают длительную эксплуатацию прокладки без дополнительной регулировки клапанного механизма — словом, все для потребителя! А специальное антипригарное покрытие позволяет легко, а главное, безболезненно для двигателя демонтировать прокладку при ремонте.

А теперь несколько слов об окантовке газовых отверстий.

Этот элемент выполняет несколько функций:

во-первых, упрочняет и защищает кромки отверстий;

во-вторых, увеличивает изгибную прочность прокладки, что важно при ее транспортировке и монтаже;

в-третьих, выполняет роль теплового моста между массами блока и головки.

При покупке прокладки ГБЦ на окантовку надо обращать особое внимание. Не допускаются «гармошки» металла, а также чрезмерно большие выступы над плоскостью прокладки — иначе при затяжке головки может возникнуть упомянутая выше деформация гильз. Суммарная (на обе стороны) высота буртиков окантовки не должна превышать 0,3 мм, и опытные мастера «ловят» ее, проводя по детали ногтем. Впрочем, для современных прокладок эти навыки не понадобятся: высота означенных буртиков у современных прокладок исчисляется не десятыми, а сотыми долями миллиметра.

Немного о «металле»

Как уже говорилось, металлические прокладки изготавливаются из нескольких слоев стальных, медных или латунных листов либо их комбинаций. Хрестоматийный (и уже отошедший в историю) пример таких уплотнений — прокладки ГБЦ двигателя ЯАЗ-206 для первого поколения тяжелых грузовиков КрАЗ.

Кстати, прототипами этих 6-цилиндровых двухтактных дизелей были американские моторы GMC — следовательно, и способ их уплотнений прибыл к нам из-за океана. Впрочем, американцы могут не надувать щеки, ибо родина металлических прокладок — Япония.

Но вернемся к ЯАЗ-206. Эти двухтактные дизели имели степень сжатия 17 и момент затяжки шпилек 24 кгм (~240 нм). Прокладки для них собирались из шести стальных листов 08КП толщиной 0,26 и 0,4 мм. Один лист имел специальную отбортовку в отверстиях под камеры сгорания. Шпильки располагались равномерно вокруг цилиндра, что давало надежное уплотнение.

Из современных автомобильных двигателей со стальной прокладкой можно назвать японские четырехтактные дизели «Комацу», легковые дизели «Даймлер» и ряд других именитых моторов.

К преимуществам металлических прокладок относят высочайшую надежность в работе и возможность многократного использования. К недостаткам — значительные усилия затяжки шпилек, требующих высокой жесткости блока, немалый собственный вес прокладки и изрядную стоимость. Кроме того, металлические прокладки требуют особой точности и чистоты изготовления сопрягаемых деталей. Впрочем, для того же «Даймлера» это является повседневной нормой, а за качество не грех и заплатить.

Великие комбинаторы

В комбинированных соединениях камера сгорания уплотняется металлическим кольцом, а жидкостные каналы — мягкими прокладками. Чем хороши такие конструкции?

А вот чем: они позволяют создать высокие контактные давления на небольших участках — буртиках гильз. Тем самым обеспечивается надежная герметизация при небольших, в сравнении с описанными выше металлическими прокладками, монтажных усилиях.

Каждый цилиндр закрывается отдельной алюминиевой головкой. Камера сгорания уплотняется стальным кольцом, контактирующим с «коллегой», запрессованным в головку. А герметизация жидкостных каналов осуществляется фторкаучуковой прокладкой. Подобные решения применяются на дизелях «Камминс», которые, кстати, встречаются и на камских грузовиках.

Безусловное преимущество описанных комбинированных уплотнений — это возможность вскрытия одного цилиндра без нарушения герметизации остальных. В целом же применение отдельных головок на каждый цилиндр и раздельных элементов уплотнений камер сгорания и каналов рабочих жидкостей применяется в дизелестроении очень широко. Но это «отдельная песня». Ибо, как говорил Козьма Прутков, «нельзя объять необъятное». Подразумевая — в одной журнальной статье.

Слово эксперту

Сергей Афинеевский, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник ФГУП «НАМИ»

Об испытаниях прокладок

В основе испытаний прокладок ГБЦ лежит ГОСТ 12856-96 «Листы асбостальные и прокладки из них». В настоящее время этот документ входит в состав Технического регламента «О безопасности колесных транспортных средств», утвержденного постановлением Правительства РФ № 720 от 10 сентября 2009 года.

Испытания прокладки начинаются с визуальной проверки: нет ли разрывов, трещин, складок, раковин и оголений каркаса, соответствуют ли контуры изделия и его геометрия чертежу, каково состояние окантовок цилиндров, правильно ли нанесен трафарет на прокладки из уплотняющего герметика и т.д. Если все хорошо, проводятся лабораторные тесты на сжимаемость и восстанавливаемость прокладки соответственно при определенной нагрузке и после ее снятия.

Затем из прокладки вырезают прямоугольные образцы и смотрят, насколько они увеличивают толщину и массу прокладки под воздействием различных жидкостей: охлаждающей — ТОСОЛ А 50% и вода 50%; топливной смеси — 70% изооктана и 30% толуола; моторного масла; дистиллированной воды; бензина; дизельного топлива. Увеличение толщины и массы образцов оцениваются в процентах. Таким образом, становится известна реакция конструкции прокладки на эксплуатационные среды, с которыми она встретится в реальном двигателе.

Если все в порядке — милости просим на моторный стенд. Здесь проверяются: отсутствие подтеканий антифриза и моторного масла, а также мощностные, экологические, экономические характеристики и другие показатели.

Важнейшим является испытание на безотказность. Прокладка должна наработать по ГОСТ 14846-81 (входит в состав Технического регламента) определенное число часов в зависимости от литража и типа двигателя. Приведу пример: для бензинового мотора рабочим объемом от 1 до 2,5 л это 300 часов. В процессе тестирования проверяется пропуск газов, расход масла на угар и т.д. Если все «экзамены» сданы успешно, прокладка рекомендуется к серийному производству (в некоторых случаях возможны и эксплуатационные испытания с опытной прокладкой двигателя на автомобиле).

Несколько слов о наборных металлических прокладках.

Испытывают их в основном на геометрические параметры в соответствии с требованиями чертежей и далее проводят моторные испытания. Подчеркну, что качество уплотнения здесь во многом зависит от точности обработки привалочных поверхностей блока и головки, а также от качества стального листа, из которого изготавливается прокладка. Допуск на его толщину не более 10 мкм. Нарушили допуск — оставьте мечты о надежном уплотнении.

Наборные металлические прокладки изготавливаются из стали типа 05КП или 12Х18Н9Т.

Слово производителю
Тимур Имнаишвили,
директор Federal Mogul по маркетингу в России, Украине, СНГ

Эффективность под давлением

В 2009 году компания Federal-Mogul разделила многочисленные линейки продукции для двигателей на четыре «экспертных бренда» — АЕ® для верхних узлов двигателя (клапаны, ремни, распределительные валы), Glyco® для подшипников, Goetze® для поршневых колец и гильз и Nural® для поршней и поршень-комплектов — каждый из них ведет родословную от производства оригинального оборудования и имет широкий ассортимент технологий мирового класса.

В 2010 году марка Рауеn стала пятым «экспертным брендом» компании Federal Mogul, обеспечивая всю категорию уплотнений и практически все области применения в регионе Европы, Ближнего Востока и Африки.

Для двигателя требуются самые разные уплотнители. Чтобы обеспечить долговечность и эффективность уплотнения, для каждого из них нужны собственная технология, дизайн и материал.

 Правильная прокладка Рауеn гарантирует точную посадку в любое время. А точная посадка означает целостность уплотнителя, продление срока службы двигателя и удовлетворение клиентов.

Payen предлагает один из самых широких ассортиментов технологий уплотнения, имеющихся сегодня на рынке — как для устаревших двигателей, так и для новейших легковых автомобилей и тяжелых грузовиков. Наша продукция соответствует требованиям специалистов к уплотнителям по всему миру, и даже превосходит их. Это означает, что детали отлично работают в самых разных диапазонах температур и давлений, а также соответствуют любым требованиям к поверхности.

Прокладки ГБЦ из стального эластомера (S/E)

В некоторых прокладках, особенно предназначенных для мощных дизельных двигателей, используются эластомерные материалы, отлитые на стальном держателе. Преимуществом системы такого типа является то, что эластомеру для создания уплотнения требуется небольшая нагрузка, а твердый стальной держатель выступает в качестве ограничителя давления, обеспечивая устойчивое соединение.

В более сложных прокладках используются разнообразные эластомеры, чтобы обеспечить наиболее подходящий материал для конкретной области уплотнения. Это означает минимальную деформацию конструкции и превосходную устойчивость к релаксации напряжений.

Прокладки ГБЦ из многослойной стали (MLS)

Компания Federal Mogul является неоспоримым лидером в сфере технологий изготовления прокладок ГБЦ из многослойной стали (MLS) уже почти 20 лет. Компания выпустила на предприятии в Хердорфе более 43 млн прокладок MLS для головок блоков цилиндров, при этом завод является также ведущим поставщиком для рынка запасных частей.

Среди прокладок ГБЦ, произведенных в Хердорфе, имеется деталь Рауеn с каталожным номером АС5300 для двигателя М47 — прокладка точно такой конструкции поставляется производителям оригинального оборудования.

Технология MLS жизненно необходима для эффективной работы современных мощных, высокотемпературных двигате¬лей. По мере уменьшения веса и прижимной силы литых деталей двигателя прокладки MLS становятся важнейшим элементом для обеспечения прочного, надежного уплотнения с учетом подвижности головки и блока цилиндров относительно друг друга.

К другим преимуществам относятся уменьшение деформации отверстия и ползучести, более эффективное распределение прижимного усилия и более точный контроль толщины в сжатом состоянии. Кроме того, технология MLS позволяет уменьшить мертвое воздушное пространство между головкой и блоком цилиндров в камере сгорания, помогает снизить выбросы вредных веществ.