Колесник П.А., Кланица В.С. Материаловедение на автомобильном транспорте
Подождите немного. Документ загружается.
Общей специфической особенностью работы трансмиссион
ных масел является то, что они должны обеспечивать масляную
пленку на зубьях шестерен в местах их контакта, где развиваются
большие удельные давления. Из этого вытекает первое требование
к трансмиссионным маслам — они должны обладать высокими
противозадирными и противоизносными свойствами. Последнее,
в частности, достигается введением в трансмиссионные масла
химически активных присадок, которые при высоких температу
рах и давлениях в зоне контакта образуют на поверхности металла
прочные сульфидные и фосфидные пленки, предотвращающие
натиры и задиры трущихся поверхностей. Эти пленки плавятся
при более низких температурах, чем металлы, и поэтому предо
храняют трущиеся детали от схватывания в точках контакта, умень
шают износ. Поэтому сернистые масла имеют лучшие противоиз-
носные свойства, чем бессернистые.
9.3. Показатели физико-химических свойств масла,
характеризующие его эксплуатационные качества
Эксплуатационные качества масел зависят от их физико-хи-
мических свойств. Не все физико-химические свойства в одинако
вой мере влияют на качество масла. Наиболее важными из них,
определяющими эксплуатационные качества масла, являются его
вязкостно-температурные свойства.
Показатели физико-химических свойств масел по их влиянию на
эксплуатационные качества можно разделить на следующие группы:
• показатели, влияющие на смазывающие и вязкостно-темпе-
ратурные качества масла;
• показатели, влияющие на образование нагара в двигателе и
отложений в двигателе и агрегатах трансмиссии;
• показатели, влияющие на коррозионный износ деталей;
• контрольные показатели, дополнительно характеризующие
однородность продукции разных партий и разных заводов.
9.3.1. Показатели, влияющие на смазывающие и вязкостно
температурные качества масла
Для Характеристики вязкости и вязкостно-температурных ка
честв у масел нормируется вязкость при определенной темпера
туре, индекс вязкости и температура застывания масла. От вели
чины вязкости зависят износ трущихся деталей и потери энергии
на трение.
Вязкость масла для двигателей влияет на надежность прокачи
вания масла по системе смазки, на легкость и быстроту пуска
двигателя, уплотнение поршневых колец в цилиндре, на степень
150
Рис. 9.3. Зависимость вязкости г|
масла от давления р
очистки масла в фильтрах, рас
ход масла и топлива. От вязкости
масла зависит также охлаждение
трущихся деталей.
Вязкость масла при одинако
вых температуре и давлении зависит от химического состава и струк
туры углеводородов, из которых состоит масло. Самая низкая вяз
кость у парафиновых углеводородов1 и самая высокая у полицик-
лических ароматических. При повышении температуры вязкость
уменьшается, при увеличении давления она возрастает (рис. 9.3),
и, например, при давлении 1500...2000 МПа масло затвердевает.
С увеличением вязкости возрастают толщина масляного слоя и
надежность жидкостного трения. Это хорошо видно из зависимо
сти, используемой в гидродинамической теории трения:
где Л,™, — толщина масляного слоя для цилиндрического под
шипника, м; с — коэффициент, зависящий от размеров под
шипника; г) — коэффициент динамической вязкости масла, или
вязкость, Н-с/м2; v — скорость перемещения трущихся поверхно
стей, м/с; р — удельное давление на трущиеся поверхности, Па.
Масло с большей вязкостью лучше уплотняет поршневые кольца
в цилиндрах и уменьшает прорыв газов из камеры сгорания в кар
тер двигателя. Оно в меньших количествах попадает в камеру сго
рания, сокращая этим расход масла на угар и нагарообразование,
а также в меньшей степени подтекает через сальники и уплотни
тельные прокладки крышек картеров.
Несмотря на это, вязкость масла всегда должна быть не выше
той, при которой уже обеспечивается жидкостное трение, так как
с ее увеличением неизбежно возрастают потери энергии на тре
ние по сравнению с потерями при менее вязком масле, но также
обеспечивающем жидкостное трение, что подтверждается следу
ющей зависимостью:
Sv
h .
'М П 1П
где F — сила жидкостного трения, Н; S — площадь трущихся
поверхностей, м2.
1 Парафины (алканы) — это насыщенные ациклические углеводороды (их
называют предельными) с общей формулой С„Н2„ + 2. Ароматические соедине
ния содержат в молекуле бензольное ядро С6.
151
Повышение вязкости масла ухудшает его циркуляцию в систе
ме смазки, охлаждение деталей и очистку поверхностей трения от
продуктов износа и других загрязнений. Слишком вязкое масло не
обеспечивает жидкостного трения вследствие затруднительного
поступления к трущимся поверхностям.
Чем выше относительная скорость перемещения трущихся де
талей и лучше качество обработки их поверхностей, тем меньшая
вязкость масла требуется для их смазывания. Поэтому, например,
для быстроходных двигателей применяют масло с меньшей вяз
костью, чем для тихоходных. При уменьшении нагрузки на детали
вязкость может быть снижена, а при увеличении зазоров между
ними — увеличена. Вязкость масла часто выражают в стоксах —
единицах кинематической вязкости v (1 Ст = 10"4 м2/с). При этом
указывается температура масла в момент определения вязкости.
Изменение вязкости масла находится в сложной зависимости
от изменения температуры. Для масел разных марок данная зави
симость проявляется индивидуально и по значению вязкости мас
ла при какой-то одной температуре нельзя судить о том, какая
будет вязкость этого масла при другой температуре, которая ожи
дается в процессе работы.
Температура масла, предназначенного для двигателя, колеб
лется в широких пределах, особенно зимой. Так, в момент пуска
холодного двигателя масло в его картере имеет ту же температуру,
что и окружающий воздух, например -30 °С, а после прогрева
двигателя температура масла на поверхности таких ответственных
деталей, как подшипники коленчатого вала, достигает 150... 200 °С,
а в верхней части цилиндра — 200...210 °С.
В несколько меньших пределах изменяется температура транс
миссионных масел. При температуре воздуха -30 °С температура
масла в картере коробки передач во время работы автомобиля
повышается только до 10... 15 °С, а в заднем мосту она составляет
около -10 °С. Таким образом, в данном примере перепад темпера
тур масла в коробке передач составляет 40... 45 'Сив заднем мосту
20 “С. Однако важно иметь в виду, что смазка трансмиссионным
маслом, как правило, осуществляется только разбрызгиванием,
интенсивность которого резко изменяется с изменением вязкости1.
Для масел, предназначенных для двигателей, кинематическая
вязкость нормируется при 100 и при 0 °С, а для трансмиссионных —
только при 100 °С.
Лучшими вязкостно-температурными свойствами обладает то
масло, у которого в меньшей степени изменяется вязкость при
1 Летом температура масла в картере коробки передач повышается до 70 °С,
а у ЗИЛ-130 на юге — до 140 ”С. Оптимальная температура масла в картере
двигателя — 95...100'С, а критическая (при которой снижается надежность ра
боты двигателя) — 115... 120'С.
152
изменении температуры. Такое
масло обеспечивает более ста
бильную смазку при различных
температурных условиях.
Вязкостно-температурные
свойства масла выражаются гра
фически вязкостно-температур
ными кривыми (рис. 9.4). Как
видно, вязкостно-температурная
кривая для масла
1 более поло
гая, чем для масла 2. Для харак
теристики вязкостно-темпера-
турных свойств масел, т. е. сте
пени изменения вязкости v ма
сел от температуры t, в ГОСТе
нормируется индекс вязкости.
Индекс вязкости — это услов
ный показатель, получаемый пу
тем сопоставления вязкости данного масла с двумя эталонными
маслами, вязкостно-температурные свойства одного из которых
приняты за 100, а второго — за единицу.
Индекс вязкости масла определяют при помощи номограммы
(рис. 9.5) или специальных таблиц в справочниках, зная его вяз
кость при 50 и 100 °С — соответственно v50 и v100.
Масло с большим индексом вязкости имеет лучшие вязкост
но-температурные свойства, более пологую кривую вязкости.
От вязкостно-температурных свойств масла зависят легкость
пуска и степень износа двигателя при низких температурах. Масло,
у которого резко повышается вязкость при отрицательных темпе
ратурах, плохо перекачивается по системе смазки и не поступает
в необходимых количествах к трущимся деталям, а также создает
большое сопротивление проветриванию коленчатого вала.
Зная предельную вязкость, при которой стартер данного двигате
ля развивает минимально необходимую для пуска частоту вращения
коленчатого вала (30...50 мин-1 для карбюраторных двигателей и
100...300 мин-1 для дизелей), по вязкостно-температурной кри
вой масла можно установить минимальную температуру масла,
при которой возможен пуск двигателя.
Для автомобильных масел нормируется температура засты
вания, т. е. температура, при которой масла теряют подвижность.
Нефтяные масла не имеют определенной температуры перехода
из жидкого состояния в твердое, этот переход осуществляется
постепенно.
При понижении температуры масло застывает и теряет по
движность вследствие увеличения вязкости и образования в масле
Пространственной решетки из кристаллов парафина и церезина,
t, "С
Рис. 9.4. Вязкостно-температурные
кривые для карбюраторных масел
разных марок (1, 2, 3)
153
Рис. 9.5. Номограмма для вычисления индекса вязкости
т. е. из-за появления структурной вязкости. Структурная вязкость
может быть разрушена давлением.
Застывшее масло теряет текучесть (прокачиваемость) и не уча
ствует в смазке деталей, которые до подогрева масла работают с
огромными износами в режиме сухого трения. Застывшее масло
исключает возможности перекачивания его из одного резервуара
в другой и заправки автомобилей. Застывшее масло в картере дви
гателя не дает возможность пустить двигатель, а в картере заднего
моста оно может настолько повысить сопротивление вращению
деталей, что двигатель автомобиля невозможно запустить. В таких
ситуациях не исключены аварийные поломки деталей двигателя и
агрегатов трансмиссии.
Температура застывания масла определяется аналогично тем
пературе застывания дизельного топлива, т.е. в условиях, отлич
ных от реальных.
154
Фактически масло теряет подвижность в агрегатах автомобиля
при более высоких температурах, чем температура застывания
масла, получаемая при испытании в пробирке. Поэтому для на
дежной работы системы смазки масло должно иметь температуру
застывания на 10... 20 "С ниже минимальной температуры масла в
процессе эксплуатации.
Смазывающие свойства характеризуют способность масла сни
жать износ трущихся деталей и потери энергии на трение. Их оце
нивают путем испытаний масел в двигателях и агрегатах транс
миссии на стендах или автомобилях.
Результаты испытания смазочных материалов позволяют судить
об их противоизносных и противозадирных свойствах.
Повышение противозадирных свойств масел важно для совре
менных двигателей, имеющих малые зазоры в трущихся парах и
работающих при высоких удельных нагрузках и температурах.
Для повышения противоизносных и противозадирных свойств
масел к ним добавляют соответствующие присадки, создающие
на поверхностях металла трущихся деталей прочные пленки.
9.3.2. Образование нагара, шламов и лаковых отложений
Автомобильные масла при обычных температурах устойчивы
против окисления, т.е. обладают высокой химической стабильно
стью и могут в течение 5 лет и более сохранять свои свойства без
существенных изменений.
Однако при повышенной температуре (выше 50 °С) масло ин
тенсивно окисляется, а при температуре выше 300 °С происходит
термический распад и окисление масла. Окисление масла сопро
вождается образованием спиртов, кислот, смол, асфальтенов,
карбенов, карбоидов и др., т. е. происходит ухудшение его свойств.
Продукты окисления масла вызывают коррозию деталей, образу
ют на них осадки и отложения. На ускорение окисления масла
каталитическое действие оказывают такие металлы, как медь,
железо и свинец. Присутствие воды также ускоряет процесс окис
ления масел.
При прочих равных условиях интенсивность окисления и осмо-
ления смазочных масел зависит от структуры молекул и углеводо
родного состава. Ароматические углеводороды окисляются менее
интенсивно, чем нафтеновые.
В зависимости от температуры, при которой происходит окис
ление масла, могут образовываться шламы, лаки и нагар.
Шламы — это густые мазеобразные липкие темного цвета про
дукты, образующиеся при невысоких (как правило, не выше
120 °С) температурах и выпадающие из масла в виде осадка. В ре
зультате создаются отложения в картерах, маслопроводах и кана
лах, фильтрах, клапанной коробке, маслоприемнике и др.
155
Шламы или осадки в двигателе наполовину или на 2/3 состоят
из масла, а остальное составляют вода (5...35%), топливо, про
дукты окисления (в том числе сажа, нагар), пыль, продукты из
носа деталей. При этом масла более стабильные, менее вязкие и
со специальными присадками, например сукцинимидными1, об
разуют меньше осадков. Из причин, не связанных с физико-хи
мическими свойствами масел, осадкообразованию способствуют
попадание воды, отработавших газов и топлива в картер, пони
жение теплового режима двигателя, а также каталитическое дей
ствие металла.
Шламы удаляются из двигателя при замене масла путем про
мывки его маловязкими маслами или специальной промывочной
жидкостью при помощи специальных аппаратов.
Оценка масла с точки зрения осадкообразования проводится
непосредственно испытаниями масла в двигателе или другом аг
регате.
Лаки представляют собой прочные тонкие пленки толщиной в
50...200 мкм с гладкой поверхностью (часто блестящей), образу
ющиеся на горячих (порядка 250 °С) деталях двигателя — наруж
ных и внутренних стенках поршня, поршневых кольцах, верхних
головках шатунов, стержнях клапанов, где наряду с испарением часть
масла окисляется и разлагается, превращаясь в твердый осадок.
Лаковые отложения вызывают зависания и пригорание порш
невых колец, перегрев и повышенный износ деталей двигателя.
Они в основном состоят из углерода (до 85 %), водорода, кисло
рода и имеют цвет от светло-желтого до черного. Большинство
лаковых отложений трудно смывается растворителями и удаляет
ся либо механическим путем, либо нагревом деталей, покрытых-
лаком, до температуры 500...600°С. В качестве растворителя ис
пользуют бензол, ацетон, хлороформ и щелочные растворы.
Интенсивность лакообразования в основном зависит от мою
щих свойств и в несколько меньшей степени от вязкости и фрак
ционного состава масла. Так, маловязкие масла, хотя и быстрее
образуют лак, но в меньших количествах, чем более вязкие масла.
Масло, состоящее из легких дистиллятов, более склонно к лако-
образованию.
Для уменьшения лакообразования путем повышения антиокис-
лительных свойств масел к ним добавляют противоокислитель-
ные присадки.
Кроме качества масла интенсивность лакообразования зависит
от теплового режима двигателя и технического состояния его порш
невой группы. При более высоком тепловом режиме и большом
количестве газов, прорывающихся в картер (вследствие изношен
ной поршневой группы), лакообразование увеличивается.
1 Полимерные присадки, имеющие в своем составе аминные группы.
Моющие свойства характеризуют способность масла удержи
вать в себе во взвешенном состоянии продукты окисления, пре
пятствуя их осаждению и отложению на деталях.
Нагар — это твердая углеродистая масса с шероховатой поверх
ностью чаще черного цвета, образующаяся в камере сгорания,
где температура выше 2000 °С.
Нагар отлагается на стенках камеры сгорания, днище поршня
и стенках верхнего пояска поршня (200... 425 °С), свечах зажига
ния в форсунках (350...850°С), клапанах (425...815 °С). Нагар в
зависимости от состава может иметь плотную, рыхлую или плас
тинчатую структуру.
Состав нагара зависит от свойств сгорающих топлив, масел и
загрязненности воздуха. Так, при работе на этилированном бен
зине нагар на 50 % и более состоит из соединений свинца. Основ
ными элементами, образующими нагар при работе на неэтилиро
ванном бензине, являются углерод (до 15%), кислород (до 20 %)
и водород (до 5 %).
Образование нагара в двигателе нежелательно по причинам,
отмеченным ранее. Интенсивнее образуется нагар при использо
вании масел с низкими противоокислительными свойствами.
При отложении нагара на деталях температура последних ста
новится тем выше, чем толще слой нагара. В случае повышения
теплового режима температура деталей возрастает, часть нагара
выгорает и толщина его уменьшается. В то же время, при сниже
нии теплового режима толщина слоя нагара увеличивается. Неко
торое равновесное состояние нагарообразования наступает при
мерно через 10... 15 тыс. км пробега.
При высокозольных (более 1,5%) маслах зольные отложения
могут не выгореть и вызвать перегрев и прогар поршней. При ис
пользовании малозольных масел (содержание золы менее 0,8 %)
по достижении определенной температуры образование нагара
прекращается, так как соприкасающиеся с ним горючие частицы
сгорают сразу без первоначального образования лаковой пленки,
удерживающейся на верхнем слое нагара.
9.3.3. Свойства масел, влияющие на коррозионный износ
деталей
Масло должно уменьшать износы трущихся деталей. Оно не
будет служить достижению этой цели, если само вызывает корро
зию. Масло может вызывать коррозию вследствие наличия в нем
органических (нафтеновых) кислот, а также водорастворимых
кислот и щелочей.
Органические кислоты представляют главную опасность для
деталей из цветных металлов, и в первую очередь для подшипни
ков, залитых антифрикционными сплавами. Органические кисло
157
ты вызывают коррозию свинца, приводя к образованию местных
раковин, перерастающих в сплошные участки с разрушенной по
верхностью вкладышей подшипника.
Интенсивность коррозии деталей под действием органических
кислот зависит от концентрации и характера кислот. Коррозионная
активность органических кислот резко возрастает при наличии в
масле даже небольшого количества воды, и, напротив, коррози
онная активность масла может быть уменьшена путем нейтрали
зации образующихся в нем в процессе работы кислых продуктов
или замедления процесса окисления и создания на металле за
щитной пленки.
Нейтрализация кислых продуктов достигается введением в масло
высокощелочных присадок, обеспечивающих щелочную реакцию
масла в процессе всей его работы.
Для замедления процесса окисления к маслу добавляют проти-
воокислительные и другие присадки, разрушающие гидропереки
си и переводящие активные радикалы в неактивное состояние.
Создание защитных пленок достигается также введением в масло
соответствующих присадок.
Водорастворимые кислоты и щелочи одинаково опасны для де
талей как из цветных, так и из черных металлов.
Для оценки коррозионных свойств масел в стандартах или тех
нических условиях предусмотрены соответствующие показатели:
щелочное число, содержание водорастворимых кислот и щелочей,
коррозионность свинцовых, медных или стальных пластинок.
Содержание водорастворимых кислот и щелочей в маслах не
допускается.
В маслах с присадками допускается слабая щелочная реакция,
так как за счет положительного влияния присадки такое масло не
вызовет повышенного износа деталей.
Щелочное число характеризует нейтрализующие свойства мас
ла, что особо важно при работе на сернистом дизельном топливе.
Щелочное число определяется долей едкого кали в миллиграм
мах, эквивалентной доле хлороводородной (соляной) кислоты,
израсходованной на нейтрализацию сильных оснований, содер
жащихся в 1 г масла. Щелочное число указывается для современ
ных масел, содержащих сульфатные присадки.
Сера в трансмиссионных маслах является полезным элемен
том, она повышает прочность масляной пленки. В маслах для дви
гателей сера может вызвать коррозию деталей, поэтому в этих
маслах ее содержание ограничивается.
Водородный показатель pH характеризует среду масла, указывая
на активность ионов водорода, служит количественной характери
стикой кислотности масла, в частности, при pH = 0...3 — среда
сильнокислая, 4...6 — слабокислая, 7 — нейтральная, 8... 10 —
слабощелочная, 11... 14 — сильнощелочная.
158
9.3.4. Контрольные показатели
Для полной характеристики смазочного масла в стандартах или
технических условиях кроме рассмотренных ранее приводятся не
которые другие показатели, а именно зольность, содержание ме
ханических примесей, содержание воды, бария, кальция, цинка,
серы, нитробензола, температура вспышки, плотность и т.д. Рас
смотрим их отдельно.
Зольность масел повышает износ деталей двигателя и нагаро-
образование. Увеличению зольности масла способствуют отдельные
присадки за счет повышения содержания в масле растворимых
солей, которые не являются абразивными и поэтому не увеличи
вают износ деталей. Например, для высокощелочных масел нор
мируется сульфатная зольность.
Содержание механических примесей в маслах без присадки не
допускается, а в маслах с присадками строго ограничивается.
При этом механические примеси, образовавшиеся за счет приса
док, не являются абразивными и не оказывают абразивного дей
ствия на трущиеся детали, т. е. не увеличивают их износ.
В свежих маслах механическими примесями являются песок и
пыль, а в отработавших, кроме того, металлические частицы (ок
сиды металлов). Они увеличивают износ деталей, нагарообразова-
ние, засоряют маслопроводы и масляные фильтры.
Содержание воды в маслах допускается лишь на уровне «сле
дов». Вода в масле вызывает образование пены и эмульсии, кото
рые, заполняя масляные каналы, ухудшают условия смазывания
трущихся деталей и способствуют образованию осадков. Кроме
того, вода, присутствующая в масле, приводит к коррозии дета
лей, разрушает и вымывает присадки. Особенно недопустимо при
сутствие воды в масле в зимнее время: отстаиваясь внизу, при
замерзании она может вызвать поломку масляного насоса и при
вода прерывателя-распределителя.
Температура вспышки характеризует огнеопасность масел и на
личие в них легкоиспаряющихся углеводородов.
Лучшими из масел одного и того же назначения являются масла
с более высокой температурой вспышки, а следовательно, и с мень
шим угаром.
9.4. Марки моторных масел и области их применения
Моторные масла представляют собой смесь на масляной осно
ве, в которой содержится ряд присадок, улучшающих те или иные
свойства масла, в частности присадки, увеличивающие вязкость,
предохраняющие от окисления, уменьшающие износ трущихся
поверхностей и т.д. Вид масла зависит от его основы, а также от
159