Кованые поршни и их преимущества.
«В форсированном двигателе применены кованые поршни…». Знатокам тюнинга эта фраза знакома, упоминание о кованных поршнях часто встречается в описании конструкций спортивных двигателей.
Поршни двигателя – одна из самых сложных и нагруженных деталей. Современная тенденция в спортивном тюнинге – рост максимальных оборотов двигателя. Следовательно приходиться бороться за массу поршня, ведь чем легче поршень, тем меньше он под действием боковых составляющих сил инерции прижимается к поверхности цилиндра. А значит, меньше будут механические потери, выше мощность, как правило, больше ресурс и выше максимально допустимые обороты двигателя.
В борьбе за снижение массы поршень приобрел оригинальную форму, но напрочь утратил простоту. Во-первых, как известно, металл при нагреве расширяется, причем поршень расширяется неравномерно, больше в направлении, параллельном оси поршневого пальца, и меньше – в плоскости качания шатуна.
Происходит это из-за того, что металла в области бобышек-приливов под поршневой палец больше, и поэтому если, предположим, поршень был бы цилиндрическим в холодном состоянии, то при нагреве до рабочей температуры он станет овальным. Во-вторых, юбка поршня при работе двигателя тоже нагревается неравномерно, и тоже превратиться в изогнутую, как говорят специалисты, «корсетную». Точно также ведет себя и конусная юбка поршня двигателя.
Все это приводит к сокращению пятна контакта поршня с поверхностью цилиндра, повышенному износу, а в худшем случае – задиру, прихватыванию поршней и заклиниванию двигателя. А ведь помимо нагрева, поршень подвергается и давлению газов, и воздействиям сил инерции, и под их влиянием тоже деформируется.
Понятно, что поршень должен быть как можно легче, прочнее и как можно меньше изменять свою форму при нагреве и других воздействиях.
Вот типичный портрет современного поршня для двигателя автомобиля или мотоцикла. Он (поршень) отливается из аллюминиевого сплава с добавлением кремния и в холодном состоянии имеет овальную форму, чтобы при нагреве поршня, в силу упомянутых выше причин, приблизиться к цилиндрической. А для того, чтобы оптимизировать по форме пятно контакта юбки поршня с цилиндром, профиль юбки поршня делают бочкоообразным, причем с запасом, чтобы поршень сохранил форму бочонка и в горячем состоянии.
Кроме того, с целью свести к минимуму температурную деформацию поршня, в тело поршня заливают стальные, термокомпенсирующие вставки, которые призваны удерживать область бобышек от чрезмерного расширения. Главный недостаток литых поршней – процесс литья не свободен от большого процента технологического брака, внутри металла будущего поршня остаются пустоты, возникают трещины. Да и твердость сплава после литья и закалки относительно не высока: 80 единиц по шкале Бринеля.
Поэтому, чтобы соблюсти необходимую прочность литого поршня, его массу приходится увеличивать. К примеру обычный заводской поршень для 16V двигателя ВАЗ, получаемый литьем в кокиль, весит 370 грамм. Как альтернатива заводским, литым поршням появились кованые поршни. В принципе их правильнее называть штампованными, т.к. поршни получают не многократной обработкой давлением, а однократной. Заготовка поршня помещается в матрицу, прижимается пуансоном и полуфабрикат поршня готов. Естественно, окончательную форму поршня он приобретет только после механической обработки.
Штамповка поршня под давлением позволяет упрочнить металл и одновременно сделать поршень гораздо более легким, прочным, надежным и долговечным.
При этом возникает проблема невозможности (вернее большой сложности) запрессовки в поршень термокомпенсирующих вставок и вследствии этого необходимость в более тщательном подборе профиля поршня.
В качестве сырья для изготовления кованных поршней используют высококремнистый алюминий (содержание кремния 10-18%), подвергнутый предварительной деформации, в виде прутка, прошедшего многократную протяжку через фильеры. В процессе такой протяжки сечение прутка уменьшается вчетверо и при этом ликвидируются поры в металле будущего поршня и изменяется его структура. Пруток режется, и болванками закладывается в гидравлический пресс.
Усилие в 250 тонн и температура 500 градусов, поддерживаемая системой индукционного нагрева, делает чудеса: металл будущего поршня, словно пластилин, за несколько секунд растекается между матрицей и пуансоном, принимая форму заготовки поршня. Поскольку процесс изготовления поршня протекает при неизменной температуре, называется он изотермической штамповкой. Постоянный нагрев играет здесь большую роль, ведь если температура в зоне матрицы упадет, то возможна недоштамповка поршня, те неравномерное распределение металла.
Если температура повысится, то алюминий будущего поршня попросту начнет плавиться. В результате изотермической штамповки из предварительно деформированного металла и последующего цикла закалки и обязательного старения, получается заготовка под будущий кованый поршень с высокими механическими характеристиками – твердость 130 единиц и отсутствие технологического брака типа каверн, раковин и трещин. Комплект облеченных поршней версии «Тюнинг» весит на 50 грамм легче, по сравнению со стандартными, заводскими ВАЗовскими поршнями.
для сравнения – стандартный, литой поршень ВАЗ от 16V двигателя ( справа ) и спортивный, Т-образный, кованый поршень производства СТИ. Комплект таких поршней весит на 550 грамм легче, чем комплект стандартных, литых поршней ВАЗ
комплект кованых поршней версии «Тюнинг» для 8V двигателя ВАЗ, кольца поршня 1,5/2,0/3,947мм, поршневой палец 22мм
комплект кованых поршней версии «Тюнинг» для 16V двигателя ВАЗ, кольца поршня 1,5/2,0/3,947мм, поршневой палец 22мм
Т-образный кованый поршень 16клапанного двигателя ВАЗ с вытеснителем (для увеличения степени сжатия) под кольца 1,2/1,5/2,0мм, палец диаметром 19мм. Длина пальца 50,2мм. Компрессионная высота поршня 24,3мм. Подобные кованые поршни применяются в «КарТюнинг» при строительстве спортивных двигателей
ВАЗ-овские поршневые кольца с высотой 1,5/2,0/3,947мм для стандартных поршней уступили место более узким фирменным изделиям «Коlbenschmidt», «Маhle» (Германия). Так при диаметре поршня 82,0мм, 82,4мм, 82,5мм, 83,0мм сейчас чаще всего применяют кольца 1,2/1,5/2,0мм. А при диаметре поршня 84мм: 1,2/1,5/2,0мм или 1,5/1,5/2,0мм
Узкие кольца поршня обеспечивают снижение трения, особенно при высоких частотах вращения. Для спортивных моторов национальных гоночных классов, производятся Т-образные поршни под 2а кольца, палец 18мм и высотой 40мм, что с точки зрения снижения массы поршня очень неплохо. Из тех же соображений отверстие в пальце поршня делается не цилиндрическим, а коническим, расширяющимся к его торцам.
«Революционным» в национальных гоночных классах стал переход на кованые поршни с 2мя кольцами, без среднего кольца. При этом за счет одновременного изменения профиля поршня заметного возрастания расхода масла не произошло.
кованые поршни «Спорт» под два кольца
Новые материалы, использумые при производстве кованого поршня (заэвтектические сплавы с содержанием кремния более 14%), и современные технологии позволили уменьшить тепловой зазор между поршнем и блоком цилиндров. Если в прошлом этот зазор доходил до 0,15мм, то сейчас он снижен до 0,05. 0,06мм без опасности заклинивания поршня в блоке цилиндров.
Источники: http://www.kartuning.ru/engine-cylinder-block/forged-pistons
Многие технологии переносят в автомобильную промышленность из автоспорта. Применяемые там решения и детали рассматриваются как образцы надежности и производительности, например, кованые поршни. Автотехнология, основанная на применении данных деталей, относится к образцам использования спортивных решений на гражданских автомобилях.
Поршни представлены втулками овальной формы, двигающимися в вертикальной плоскости внутри цилиндров и сжимающими топливо-воздушную смесь. По технологии производства данные детали подразделяют на литые и кованые. Рассмотрим их подробнее. 
Поршни первого типа устанавливают на большинство автомобилей, так как они хорошо проявляют себя в повседневной эксплуатации и достаточны для потребностей большинства пользователей. Кованые поршни рассчитаны на работу при повышенных нагрузках, поэтому их используют на спортивных и гоночных автомобилях. То есть конструкцию и особенности данной детали определяют на основе условий ее функционирования.
Наиболее интенсивно воздействующим на поршни фактором при работе двигателя является температура. Она приводит к расширению металла, причем неравномерному: оно больше проявляется параллельно оси поршневого пальца и меньше в плоскости качания шатуна. В результате происходит неравномерное соприкосновение поршня с цилиндром, вследствие чего ускоряется износ. В критических случаях появляются задиры и названные детали прихватываются, в результате чего двигатель заклинивает.
Помимо этого, на поршни воздействуют сила инерции и давление, создаваемое газами внутри цилиндра.
В соответствии с названием, для изготовления литых поршней применяют технологию литья металла. В качестве исходного материала используют кремниево-алюминиевый сплав. Его помещают в матрицу, придавая овальную форму. Затем деталь подгоняют под цилиндр. Юбку делают оптимальной бочкообразной формы. Для обеспечения устойчивости к воздействию высоких температур поршень заполняют изнутри термокомпенсирующими вставками из стали
В отличие от литых, кованые поршни производят по технологии штамповки. Применяют изотермический или жидкий методы.
В первом случае матрицу заполняют расплавленным металлом и деформируют его с определенной скоростью с применением пуансона. Таким образом получают высококачественную заготовку. Ее окончательную обработку осуществляют механическим способом.
Для технологии изотермической штамповки используют предварительно подготовленные детали. Их получают из прута, состоящего из высококремнистого алюминия, обжатого через фильеру, что позволяет улучшить структуру металла, удалив поры. Далее нагретую в матрице до 450 °С заготовку штампуют с применением гидравлического пресса скоростным методом. Данная технология состоит в приложении к матрице усилия в 250 т, при поддержании ее температуры на постоянном уровне. В результате получаются точные высококачественные детали.
Для грамотного выбора рассматриваемых деталей на автомобиль их параметры соотносят с особенностями двигателя. Далее приведены основные характеристики кованых поршней:
- Модель двигателя. Проще всего подобрать детали на основе марки мотора, так как производители обычно создают такие изделия под определенные модели двигателей. Однако нужно учитывать, что в таком случае они рассчитаны на стоковые моторы. То есть, если изменены какие-либо параметры двигателя, например расточены цилиндры, рассчитанные на него поршни не подойдут. Тогда их выбирают по прочим параметрам (в данном случае, прежде всего, по размеру).
- Размер. При подборе деталей нужно соотнести их диаметр с диаметром цилиндра с учетом температурного расширения.
- Степень сжатия. В технических параметрах поршней указано определенное значение данного показателя, на которое они рассчитаны. Если двигатель не стоковый, это также нужно учитывать.
- Масса. О значении данного параметра поршней сказано далее. В общем, чем меньше их вес, тем лучше.
- Мощность. В технических параметрах поршней указано максимальное значение мощности, на которое достаточно запаса их прочности. Не следует устанавливать детали на двигатель с большими характеристиками, так как превышение нагрузок может повлечь их ускоренный износ и разрушение.
Стандартным аналогом рассматриваемых деталей являются литые поршни. Они исправно работают на стандартных двигателях, но по многим причинам не подходят для силовых агрегатов повышенной мощности. Во-первых, они характеризуются высокой массой. Во-вторых, литые поршни обладают неоптимальной формой. В-третьих, данные детали с завода имеют дефекты, представленные кавернами, инородными вкраплениями, пузырьками, которые невидимы и не проявляются при обычной эксплуатации в стандартных силовых агрегатах.
Однако повышение мощности ведет к возрастанию нагрузок (температуры и давления) на многие элементы автомобиля, прежде всего, двигателя. В таких условиях названные дефекты могут привести к растрескиванию или прогоранию поршня. Это может произойти, например, после установки коленвала с нестандартным радиусом кривошипа.
Положительное влияние кованых поршней на параметры двигателя обусловлено, прежде всего, их небольшой массой. Вес такой детали в среднем на 50 г меньше литого аналога. Например, кованые поршни ВАЗ обеспечивают в комплекте экономию массы в 400-600 г. Это позволяет снизить инерционные силы внутри цилиндра. В результате этого возрастают обороты, снижаются механические потери, увеличивается мощность. К тому же сокращаются инерционные нагрузки на прочие элементы кривошипного механизма, такие как коленвал, шатуны и вкладыши. То есть увеличивается его общий ресурс.
Также кованые поршни отличаются от литых большей твердостью. Данный показатель составляет 120-130 ед., тогда как для гражданских аналогов он равен 80-90 ед.
К тому же данные детали характеризуются повышенной прочностью и устойчивостью к температурному воздействию. Так, по термоциклической устойчивости они превосходят литые аналоги в 5-6 раз. Благодаря этому кованые поршни выдерживают 2500 циклов нагрева-охлаждения, в то время как гражданские модели лишь 400.
Пониженный коэффициент температурного расширения позволил уменьшить тепловой зазор между цилиндром и поршнем до 0,05-0,06 мм.
Для уменьшения массы кованые поршни обладают особой формой. При этом применение Т-образного профиля не сказывается на расходе масла.
К тому же на основе неравномерного температурного расширения (в большей степени параллельно оси поршневого пальца) некоторые производители выпускают модели овальной формы, перпендикулярно оси поршневого пальца. Таким образом, при нагреве деталь приобретает круглую форму, в соответствии с формой цилиндра. Это обеспечивает плотное прилегание их друг к другу, равномерно распределяя нагрузку по поверхностям и ограничивая попадание газов в картер из камеры сгорания.
Основным недостатком кованых поршней, в сравнении с литыми, считают высокую стоимость, причем как самих деталей, так и установки. Дороговизна поршней обусловлена сложностью производства. К тому же придется серьезно потратиться на их установку. Это объясняется тем, что такие сложные работы следует доверять лишь профессиональным мастерам, а в данном случае потребуется не только устанавливать, но и подгонять детали.
Кроме того, считается, что кованые поршни делают автомобиль более шумным в сравнении с исходными литыми деталями. Однако это справедливо лишь для непрогретого автомобиля. Данная особенность объясняется различиями в коэффициентах расширения. На основе этого для кованых поршней немного увеличивают зазор со стенкой цилиндра. Поэтому непрогретый двигатель с такими деталями работает громче. Однако после разогрева, когда поршни расширяются, и, следовательно, температурный зазор уменьшается, шум стихает.
Как понятно из сказанного, кованые поршни используют для форсированных двигателей. Данные детали влияют на многие характеристики силовых агрегатов. Они повышают как производительность, так и надежность.
Целесообразность использования кованых поршней вместо литых определяется, прежде всего, особенностями использования автомобиля. Для условий повседневной эксплуатации вполне достаточно литых деталей. Кованые аналоги обычно устанавливают при тюнинге двигателя. Причем даже в этом случае их использование не всегда целесообразно.
Такие детали чаще всего применяют при форсировании маломощных двигателей. Стандартные детали некоторых спортивных моторов имеют достаточный ресурс для неэкстремального повышения мощности. Поэтому наиболее распространены такие детали для двигателей ВАЗ (например, кованые поршни на "Ниву" и кованые поршни на "Приору"). 
Данные детали используют не только для автомобилей. Можно установить кованые поршни на мотоцикл. Тюнинг спортивных моделей также весьма распространен. Иногда модифицируют и простые мотоциклы. Например, некоторые устанавливают кованые поршни на "Урал".
Нередко рассматриваемые детали применяют при установке турбонаддува. Более того, во многих случаях их использование является необходимым условием сохранения ресурса двигателя, так как при этом возрастает температура и нагрузки на детали, что нередко приводит к прогоранию поршней. Кованые поршни турбо-двигателя обычно используют в комплекте с другим коленвалом и Н-образными шатунами.
В любом случае при установке необходимо обеспечить охлаждение юбки и днища описываемой детали. Для этого устанавливают маслоразбрызгивающие форсунки.
Цена на кованые поршни "Нива" (комплект), например, начинается от 4 500 рублей. Для отечественных же мотоциклов они обойдутся дешевле.
Источники: http://fb.ru/article/268136/kovanyie-porshni-dlya-raznyih-marok-avtomobiley
Спортивные автомобили нередко являются эталоном надежности, быстроты и мощи. Инженеры постоянно модернизируют двигатели болидов. Применяют новые материалы, современные технологии для улучшения технических характеристик двигателя. И со временем эти новшества используют для других автомобилей. Вот и рассмотрим, что дают кованые поршни, почему они являются более приемлемыми для мощных и скоростных машин и чем отличны от литых.
Кованые поршни больше подходят для мощных авто
Необходимо отметить, что кованые варианты значительно дороже широко распространенных литых. Поэтому прежде чем вы решите сделать тюнинг двигателя и установить дорогостоящую деталь, необходимо разобраться необходимо ли вам значительное увеличение стандартной мощности машины.
Необходимо признать, что поршни постоянно подвергаются высокой нагрузке. И от их качества напрямую зависит продуктивность двигателя. Еще немаловажным моментом является масса. Разработчики «бьются» не только за каждый сэкономленный килограмм, но и за каждый грамм общего веса автомобиля.
Экономия веса касается и детали, которую мы обсуждаем. Чем легче поршень, тем меньше инерционные силы, действующие внутри цилиндра. Как результат, ниже механические потери, повышается мощность и в итоге растут в значительной степени обороты двигателя.
Для уменьшения веса разработчики «подарили» детали интересную форму, которая лишена простоты. Это обусловлено самым важным фактором: температурой, способствующей расширению металла. При этом следует учесть, что деталь расширяется не совсем равномерно. Параллельно оси поршневого пальца в большей степени, чем в плоскости качания шатуна.
Кованые поршни имеют специальную форму для уменьшения веса
В результате повышенных нагрузок происходит неровный разогрев и деформация. Чем это чревато? Поршень неравномерно двигается в цилиндре. Более быстро изнашивается деталь, это в лучшем случае, но бывают и критические варианты: возникают задиры, поршни прихватываются, и результат может быть плачевным − заклинивает двигатель.
Второй немаловажный раздражающий фактор: давление газов внутри цилиндра. Третий: сила инерции. Они также создают дополнительное негативное воздействие на поршни. Мы рассмотрели эти моменты для того, чтобы понять, что от веса и материала этой детали зависит надежность и продуктивность работы всего мотора.
Для любителей высоких скоростей выражение «кованые поршни» не является загадочным словосочетанием. Скорее наоборот, произнеся эту фразу, можно услышать целую лекцию с перечнем положительных качеств этой детали. Без нее не обходятся автомобили со специфическими моторами:
Эти силовые агрегаты требуют особого качества и надежности комплектующих деталей, не исключением является поршневая группа. Базовые заводские детали не только тяжеловаты, но и не обладают оптимальной формой для достижения поставленных целей. Мы разберем подробнее технологию производства, а затем узнаем, чем лучше кованые поршни и стоит ли на них менять стандартные.
Литые, к сожалению, иногда имеют незаметные дефекты, которые никак не отражаются на работе двигателя в обычном режиме. Но увеличение мощности мотора влечет за собой и повышение нагрузок. В результате эти невидимые для обычного глаза инородные вкрапления, каверны или пузырьки могут спровоцировать трещину либо поршень попросту прогорит. Такая проблема возникает при установке коленвала с модернизированным радиусом кривошипа.
Дополнительный отрицательный момент, влияющий на детали − повышенная, в сравнении с техническими параметрами, температура (она может подниматься до 300 и даже 350 °C). Чтобы с поршнем ничего не произошло, для кованых вариантов используют высококремнистый сплав алюминия. Он имеет прекрасные качества:
- Намного выше жаропрочность.
- Коэффициент расширения значительно ниже.
- Более высокая прочность.
Более узкие кольца значительно снижают трение. В то же время изменение профиля поршня никак не повлияло на повышение расхода масла. Современные материалы и передовая технология поспособствовали значительному снижению теплового зазора блока цилиндров и кованого поршня. Он составляет всего от 0,06 до 0,05 миллиметров. Но что более важно, вы будете избавлены от опасности «поймать клин» двигателя.
Кованые поршни придется заказать отдельно, по умолчанию почти все авто оснащаются литыми
Небольшое, но важное уточнение. В автомобилях серийного производства установлены литые поршни. Поскольку они изготавливаются массовым порядком, цена вполне приемлема. Но это не единственное достоинство. Эти детали вполне соответствуют своему назначению и могут замечательно выполнять свои функции. Поэтому если вы пользуетесь автомобилем исключительно для поездок, а не скоростных гонок, не стоит делать значительные вложения в модернизацию двигателя. Это касается и капитального ремонта мотора.
Название «литые» говорит само за себя, они производятся методом литья металла в специальную матрицу. Для этого берется сплав алюминия с добавлением в определенных пропорциях кремния. Деталь изначально имеет овальную форму. Но под воздействием высокой температуры производится вышеописанная процедура, и поршень приобретает практически идеальную форму цилиндра. Кроме того, юбку поршня делают бочкообразной формы, которая является самой оптимальной для хорошего выполнения своих функций.
Для предотвращения деформаций под воздействием температуры внутрь поршня заливают термокомпенсирующие вставки из стали. Это позволяет предотвратить сильное расширение в области бобышек.
В отличие от этого метода кованые детали по большому счету должны называться штампованными, поскольку именно эта технология применяется для их изготовления.
Для производства надежных поршней заготовка из специальных сплавов получается методом изотермической или жидкой штамповки. Они отличаются одна от другой, но гарантируют прекрасный результат.
Жидкая штамповка. В матрицу заливают расплавленный металл и применяют пуансон, который деформирует сплав строго в соответствии с заданной скоростью. Эта одноразовая штамповка позволяет получить высококачественный полуфабрикат, который в дальнейшем доводится до нужных параметров механической обработкой.
Изотермическая штамповка. Для этого метода берут предварительно подготовленные заготовки. Они получаются из обжатого через фильеру специального прута из высококремнистого алюминия. Такой метод позволяет убрать все поры в металле и изменить в лучшую сторону его структуру. Затем матрицу вместе с мерной заготовкой нагревают до температуры 450 °C и только после этого деталь штампуется скоростным методом с помощью гидравлического пресса. Усилие в 250 т делает фантастические преобразования. При этом постоянная температура матрицы способствует равномерной заполняемости формы, благодаря этому детали получаются не только точными, но и надежного качества.
Чем лучше кованые поршни еще? Поговорим отдельно о твердости: она составляет 130 ед. При этом запчасти гарантированно избавлены от раковин, каверн, а также трещин. Дополнительным положительным моментом является снижение веса, он на 50 грамм ниже обычных заводских вариантов. А весь комплект поможет снизить массу двигателя примерно на 0,5 кг.
Эта разработка сделала огромный прорыв в производстве гоночных автомобилей, поскольку полностью соответствует высоким нагрузкам во время соревнования. Детали также применяются в форсированных движках. Они меньше прогорают, поскольку имеют высокую термоцикличную стойкость.
Мы рассмотрели прекрасные характеристики запчастей, изготовленных методом штамповки. Но на вопрос какие устанавливать поршни кованые или литые, ответить сможете только вы сами. Все зависит от режима эксплуатации автомобиля и ваших предпочтений. Чтобы вам было проще определиться с выбором, мы расскажем, какие есть отрицательные стороны кованых деталей.
Главный недостаток кованых поршней — это цена
Первая: цена. Она довольно высока и зависит от сложного метода производства поршней. Вторым отрицательным моментом можно считать финансовые средства, которые придется заплатить квалифицированному мотористу. Только классный спец сможет сделать правильную модернизацию вашего двигателя. А такая работа не может быть дешевой. В этом случае производится не только установка, но и подгонка детали.
Теперь поговорим о литых вариантах. К сожалению, этот метод не гарантирует отсутствие технологического брака. Как мы писали выше, могут присутствовать пустоты, которые в дальнейшем приводят к трещинам. Кроме того, сплав не особо твердый, даже закалка обеспечивает по шкале Бринеля всего лишь 80 ед. Именно поэтому для надежности увеличивают их вес.
Кованые поршни значительно улучшают технические характеристики двигателя. Если вы любитель прокатиться с ветерком, то это более чем прекрасный вариант. Что дают кованые поршни: вы гарантированно надолго будете защищены от проблемы прогорания поршней, которая нередко случается из-за частых нагрузок на мотор. Но при этом, если вы передвигаетесь исключительно в щадящем скоростном режиме, то такой тюнинг может быть не нужен. Ну а дальше решайте сами: стоит производить модернизацию или продолжать использовать стандартные литые поршни.
Источники: http://365cars.ru/soveti/chto-dayut-kovanyie-porshni.html
