На протяжении всей истории своего развития автомобиль постепенно обрастал устройствами и приборами, призванными сделать его безопаснее и удобнее для водителя и пассажиров. С системами безопасности все понятно, раз надо – значит, надо, экономия здесь недопустима. Но с дополнительными средствами для повышения комфорта ситуация выглядит не столь однозначно. Некоторые из этих приспособлений - например, электрическая регулировка сидений по шести параметрам, а также массаж и вентиляция того, что на них обычно находится, - выглядят несколько избыточными, но большинство усовершенствований уже давно стали привычными и необходимыми элементами современного автомобиля.
Важнейшим показателем общей комфортабельности машины является отсутствие посторонних вибраций и шумов. Несмотря на все усилия создателей автомашин, полностью избавить их от вибраций, видимо, так никогда и не удастся. Ведь абсолютно ровных дорог не существует, а в самой конструкции автомобиля пока нет замены узлам и агрегатам с возвратно-поступательным движением. Именно они ответственны за вибрации двигателя, который остается пока самым шумным и тряским агрегатом автомашины.
Для борьбы с этими вибрациями конструкторы двигателей в последнее время все чаще применяют балансирные валы, в том числе и на тех типах двигателей, которые раньше считались достаточно уравновешенными. И вполне естественно, что, как и любая деталь двигателя, балансирный вал когда-нибудь изнашивается и требует ремонта. В двигателе все взаимосвязанно, и выход из строя балансирного вала или его привода может привести к серьезным разрушениям и, как следствие, к сложному и дорогому ремонту. Вот о том, что такое балансирный вал, чем он болеет и как его лечить, мы сегодня и поговорим.
Баланс сил и моментов
Чтобы лучше понять, как работают в моторе балансирные валы и как их ремонтировать, я обратился к Владимиру Хрулеву, техническому директору известной фирмы «Иномотор», которая специализируется на ремонте двигателей.
Как часто случается, «в действительности все не так, как на самом деле», и этот самый вроде бы простенький лишний вал оказался весьма важной деталью двигателя. О которой некоторые ремонтники, производящие переборку и капремонт мотора, подчас либо «забывают», либо не придают ей должного значения. Дабы понять взаимосвязь между состоянием балансирного вала и нормальной работой двигателя, давайте обратимся к некоторым теоретическим моментам.
Совсем без вибраций поршневой двигатель внутреннего сгорания работать не может – так уж он устроен. И борьба с этими вибрациями нужна не столько для обеспечения комфорта пассажиров, сколько ради сохранения «здоровья и жизни» самого мотора. Сильные неуравновешенные вибрации могут вызвать элементарное разрушение деталей мотора – со всеми выпадающими оттуда последствиями.
Итак, отчего возникают вибрации?
Во-первых, при движении поршней вверх-вниз. Поршни двигаются неравномерно: они то разгоняются, то замедляются, что и порождает силы инерции.
Во-вторых, шатун в двигателе не просто болтается вверх-вниз, а совершает движение по сложной траектории. С изрядной долей приближения шатун можно представить как систему из двух масс. Одна масса вращается на шейке коленвала, а вторая масса движется вместе с поршнем.
В-третьих, в некоторых компоновках двигателей (например, V6 с развалом блока в 90 градусов) вспышки в цилиндрах происходят неравномерно. Возникающие вследствие этого пульсации крутящего момента отчасти могут быть сглажены посредством установки более массивного маховика.
Массы, перемещающиеся возвратно-поступательно, создают инерционные силы периодического действия. Неуравновешенные инерции первого порядка возникают с частотой вращения коленвала. Соответственно, силы инерции второго, третьего и прочих порядков действуют с удвоенной или утроенной частотой вращения коленвала. Кроме того, пары сил, приложенные на определенном расстоянии, образуют неуравновешенные моменты инерции. Так происходит, например, когда в соседних цилиндрах силы инерции направлены в противоположные стороны.
Неуравновешенные, или свободные моменты инерции также бывают первого, второго, третьего и так далее порядков.
Из распространенных типов двигателей уравновешенными «от рождения» являются только рядные и оппозитные «шестерки». В них все силы и моменты инерции взаимно уравновешивают друг друга – они всегда равны и направлены в противоположные стороны. Все остальные двигатели «колбасит» в большей или меньшей степени.
Уменьшить эту дрожь можно посредством специальной балансировочной системы. Она состоит из противовесов, вращающихся с равной (для сил 1-го порядка) или удвоенной (для сил 2-го порядка) частотой в противоположном направлении относительно коленвала. Эти противовесы и называют балансирными валами двигателя или валами противовращения. Силы инерции третьего и более порядков, действующие в автомобильном двигателе, столь малы, что на них просто не обращают внимание.
Валовая инерция
Типов двигателей, в которых надо уравновешивать силы инерции первого порядка, очень немного. Это четырехтактные двухцилиндровые рядные и V-образные моторы. Так, например, на отечественной «Оке» слева и справа от коленвала вращаются два балансирных вала.
На некоторых типах двигателей приходится уравновешивать только моменты инерции первого порядка, а силы инерции у них сбалансированы «от рождения». К ним с некоторой натяжкой можно отнести, например, мотор знаменитого «Запорожца». В нем установлен один балансирный вал, вращающийся со скоростью коленвала. Теми же моментами инерции первого порядка «болеют» трех- и пятицилиндровые рядные моторы и V-образные «шестерки» и «восьмерки». Subaru и Daihatsu в своих «трешках» используют балансирные валы, а вот Smart – нет. У рядных «пятерок» во время работы двигателя по блоку постоянно пробегает волна изгибающего момента, поэтому блок должен быть весьма жестким. Однако Volvo и Audi борются с вибрациями, совершенствуя подвеску силового агрегата, и только FIAT применяет балансирный вал, который полностью уравновешивает все моменты. В моторах V6, которые в последнее время вытеснили рядные, ситуация с уравновешенностью такая же, как у «трешки». Балансирный вал в таком моторе обычно размещают над коленвалом между рядами цилиндров. Однако большинство двигателей V6 не имеет балансирных валов, а возникающие вибрации частично гасятся за счет усложненной подвески силового агрегата. Моторы V8 позволяют полностью скомпенсировать моменты инерции дополнительными противовесами на коленвале, что полностью исключает вибрацию и не требует балансирных валов.
Все перечисленные типы двигателей вместе взятые не составляют и половины от общего их числа. Большинство выпускаемых, а значит, ремонтируемых моторов – рядные четырехцилиндровые. В них несбалансированными остаются только силы инерции второго порядка, особенно заметные при больших объемах двигателя.
Когда-то считалось, что на эти силы можно просто не обращать внимания. Но в 1976 году компания Mitsubishi разработала технологию Silent shaft («бесшумный вал») и впервые использовала ее на Mitsubishi Astron 80, тем самым внедрив идею компактных балансирных валов в современное двигателестроение. Эта технология заключается в компенсации сил инерции второго порядка с помощью двух балансирных валов, расположенных по обе стороны коленвала и вращающихся с удвоенной частотой в противоположные стороны (система Ланчестера). Такая система конструктивно весьма усложняет двигатель и оказывает существенное влияние на рост его цены. Одновременно такие двигатели отличаются повышенной требовательностью к качеству и периодичности технического обслуживания. Однако несмотря на некоторые недостатки конструктивного усложнения двигателей, эта система прижилась и ныне используется не только Mitsubishi, но и Ford, Saab, FIAT, VW, Opel, Mercedes, Lancia, Alfa-Romeo, Porsche, Toyota, Honda, Mazda и многими другими. Раньше в Mitsubishi Motors балансирные валы устанавливали на все моторы с рабочим объемом более 1,8 л, в последние годы это делают начиная с 2-литровых моторов. Остальные фирмы-производители не злоупотребляют этой системой, ограничиваясь ее установкой либо на двигатели, которыми комплектуются автомобили классов E и F по европейской классификации, либо на те модели двигателей, где без балансирных валов обойтись просто невозможно – например, на 3-цилиндровые моторы для Volkswagen Polo.
Привод балансирных валов в конструкции, разработанной инженерами Mitsubishi довольно сложен, так как они вращаются в разные стороны. При ременном приводе ГРМ для одного из валов приходится ставить отдельный зубчатый ремень. При разрыве этого ремня его разлетающиеся обрывки вызывают обрыв ремня ГРМ с очень печальными последствиями для двигателя.
Волнолом
Собственно балансирный вал представляет собой чугунную деталь сложной формы, которая вращается на двух подшипниках. Передний подшипник находится рядом с хвостовиком, за который вал и приводится во вращение. Это, как правило, подшипник скольжения, смазываемый маслом под давлением. В некоторых моторах встречаются и подшипники качения (например, FIAT, Lancia, Alfa-Romeo). Передний подшипник, равно как и шейка вала в этом месте, как правило, проблем не создают.
Основная нагрузка падает на задний подшипник, по обе стороны от которого находится балансировочный груз. Задний подшипник также представляет собой подшипник скольжения, который смазывается маслом, поступающим под давлением из системы смазки двигателя. Хорошо, если к нему из блока подведен отдельный масляный канал, но чаще всего смазка заднего подшипника осуществляется через передний подшипник по каналу внутри балансирного вала. Даже при незначительном износе передней втулки масло начинает вытекать мимо вала, оставляя задний подшипник «голодающим».
Из-за сильнейшего биения самого вала, которое не то что неизбежно, а даже необходимо, нагрузка на задний подшипник очень велика. Более того, в большинстве типов двигателей балансирный вал вращается в два раза быстрее коленвала, то есть его скорость может достигать 12 000 об./мин. При таких скоростях бронза в качестве материала для втулки подшипника не годится, поэтому используются сталеалюминиевые втулки.
Наши консультанты считают, что при любом ремонте двигателя, снабженного балансирными валами, ревизии их состояния следует уделять особое внимание, начиная с оценки состояния задней втулки. Помимо биения, о котором шла речь выше, ее ускоренный износ связан с масляным голоданием этого узла, которое, в свою очередь, является нередким явлением для изрядно поношенных моторов. Мы с вами помним, что при масляном голодании в первую очередь страдают шатунные подшипники и шейки коленвала. Если же мы имеем дело с двигателем, оснащенным балансирным валом или валами, то прежде всего масляное голодание скажется на состоянии втулок балансирного вала.
Об их критическом состоянии говорит характерный негромкий частый стук, на который обычно ни хозяин авто, ни некоторые ремонтники не обращают особого внимания, а иногда и путают его со стуками, издаваемыми клапанным механизмом. Результат обычно не заставляет себя ждать. Истертая втулка проворачивается в блоке и разбивает свое посадочное место. За считанные секунды прикипевшая к валу втулка образует в блоке большое отверстие, в котором весь вал начинает с грохотом болтаться. На этот шум, который сопровождается заметным падением давления масла не обратить внимания уже невозможно.
Технология восстановления разбитого посадочного места под задний подшипник балансирного вала (а именно оно-то и страдает в подавляющем большинстве случаев) относительно несложна, но достаточно трудоемка. Первым делом следует выточить стальную втулку-проставку, которая впоследствии станет посадочным местом под новый подшипник. Для этого годится обычный токарный станок. Оптимальная толщина стенки такой проставки – 1,5 мм, но не менее 1,2 мм. Затем помещаем блок в расточной станок и, центрируясь по переднему подшипнику, растачиваем в корпусе блока место под изготовленную нами проставку. При сильном износе посадочного места втулки лучше сначала его расточить до получения ровного цилиндрического отверстия. А уже затем под размер полученного отверстия, с учетом натяга, изготовить втулку – проставку. Третьим, заключительным этапом, будет запрессовка в расточенное отверстие проставки с заранее запрессованной в нее новой сталеалюминиевой втулкой.
Состояние опорных шеек балансирного вала проверяется вполне традиционным способом. При их износе вал, конечно, можно заменить на новый. Но обычно дешевле оказывается его наварить по стандартной технологии восстановления коленвала. То есть провести грубую шлифовку, наварку и шлифовку до номинального размера. Как и в случае с коленвалом.
Почти все фирмы выпускают втулки балансирного вала как запчасти (пожалуй, кроме Toyota). Mitsubishi и некоторые другие фирмы производят даже втулки ремонтного размера, что, впрочем, не очень нужно, так как износ отверстий в блоках, попадющих в руки мастера, почти всегда оказывается больше ремонтного размера.
Кроме износа подшипников, у балансирного вала есть еще одно «узкое место» – это изгиб переднего хвостовика, на который крепится приводная звездочка. Максимально допустимое биение хвостосика – 0,05 мм. Небольшой изгиб можно править, а при большом вал придется заменить. Альтернативным способом ремонта хвостовика является его наварка и последующая шлифовка, которая и устранит биение.
При сборке двигателя стоит обратить особое внимание на правильное положение балансирных валов. На некоторых двигателях (например, Mitsubishi 4G63) можно правильно выставить все метки, а у мотора все равно будут заметные вибрации на всех режимах. Дело в том, что один из балансирных валов может быть установлен с ошибкой в 180о, что в моторе 4G63 очень легко сделать даже при полном совпадении всех меток. Если ремонтник неопытный, то для устранения вибраций он может попытаться менять подушки двигателя, а то и ремонтировать трансмиссию. Понятно, что такая работа приведет только к лишним расходам и недовольству клиента.
Некоторые «умельцы» рекомендуют заранее, чтобы потом не мучаться с ремонтом, отключать привод балансирных валов, оставляя их неподвижными. Действительно, в слегка изношенной рядной «четверке» небольшое добавление вибраций может пройти почти незамеченным. Однако, по мнению Владимира Хрулева, такая операция, скорее всего, обойдется дороже своевременного ремонта. Если верить «советам бывалых», то достаточно всего лишь снять зубчатый ремень привода балансирного вала (в том же 4G63). Но проблема в том, что в этом моторе ремень приводит в движение только один из валов, а второй задействован от шестерни маслонасоса где-то внутри двигателя, а значит, потребуется его разборка. Похожую конструкцию имеют и многие другие двигатели с двумя встречно вращающимися балансирными валами.
В любом случае задача мастера на автосервисе заключается в том, чтобы убедить клиента в необходимости грамотного, пусть и дорогого ремонта. Лишних деталей в двигателе не бывает.
