Punkt zmęczenia materiału w montażu tulei cylindrowych – Jak uniknąć kosztownych błędów montaż

Zmorą każdego mechanika silnikowego jest montaż nowej tuleji cylindrowej do bloku silnikowego. Głowica cylindra umieszczona jest na swoim miejscu, śruby głowicy są dokręcone, po czym nagle słychać cichy brzęk.




Przyczyna tego dziwnego odgłosu pęknięcia staje się jasna, kiedy zdemontujemy blok: kołnierz tulei cylindrowej odłamał się na całym obwodzie i leży luźno w gnieździe. Po wyjęciu go można zaobserwować, iż do pęknięcia doszło poniżej powierzchni przylgowej bloku cylindra, pod kątem około 30°. Powierzchnia pęknięcia charakteryzuje się chropowatą strukturą. Jednakże, wad materiałowych bądź odlewniczych nie można zauważyć nawet ze szkłem powiększającym lub za pomocą mikroskopu. Ten rodzaj uszkodzenia jest typowy dla pęknięcia naprężeniowego.

Kołnierz tulei cylindrowej i gniazdo kołnierza – nierozłączna para
Blok cylindra posiada cylindryczne, płaskie wgłębienia, zwane gniazdami kołnierzy. Służą one do utrzymywania tulei cylindrowych w pozycji osiowej w bloku cylindrowym. Kołnierz tulei cylindrowej musi dokładnie pasować do takiego wgłębienia, aby tuleja osiadała w gnieździe kołnierza na całym jej obwodzie. Następnie, w bloku cylindra umieszcza się uszczelkę pod głowicę cylindra. Uszczelnienie komory spalania (w starszych modelach – metalowa krawędź otworu, w nowszych uszczelkach metalowych – wyprofilowana powierzchnia) musi być dokładnie spasowana z górną częścią kołnierza tulei.

Po dociągnięciu śrub, głowica cylindra ściśle przylega do jego bloku. Wskazówki dotyczące śrub głowicy cylindra oraz ich dokręcania określone są pod kątem uzyskania pewnego połączenia pomiędzy głowicą cylindra a jego blokiem – nawet przy ciśnieniu zapłonu przekraczającym niekiedy 200 bar. Oznacza to występowanie ogromnych sił wprowadzanych od śrub, poprzez uszczelki, aż do kołnierza tulei. To sprawia, iż jeszcze ważniejsze staje się pionowe przeniesienie tych sił poprzez uszczelkę głowicy do kołnierza cylindra. (Rys. 1 przedstawia poprawne zamocowanie).

Rys. 1: Tylko poprawne zamocowanie zapewnia odpowiednią transmisję sił.

Rys. 2: Cząstki brudu pod kołnierzem tulei – przyczyna niebezpiecznych naprężeń.

 

 

Ryzyko uszkodzenia: niekorzystny wpływ naprężeń
Tuleje cylindrowe wykonane są z żeliwa szarego. Ten kruchy materiał, przy wielu pożądanych cechach, nie toleruje zginania. Kiedy kierunek sił skierowany jest pod nawet niewielkim kątem w stosunku do kołnierza tulei cylindrowej, może to skutkować naprężeniami w górnej części tulei, co z kolei może doprowadzić do pęknięcia kołnierza.

Częste przyczyny pęknięć
Cząstki brudu – aby uniknąć zanieczyszczeń pomiędzy kołnierzem a gniazdem w bloku (tj. brudu, odłamków, resztek uszczelek, materiału uszczelniającego, itp.) istotne jest zachowanie czystości montażu. Natomiast pasta uszczelniająca powinna być stosowana jedynie, jeżeli jest to zalecane przez producenta silnika, zgodnie z zasadą „im mniej, tym lepiej”.

Nasza rada: przy montowaniu wstępnie obrobionych tulei cylindrowych, dobrze jest zatrzymać je kilka milimetrów przed blokiem i usunąć, za pomocą sprężonego powietrza, wszelkie drobiny, jakie mogły pozostać w przestrzeni pomiędzy kołnierzem a jego gniazdem.
               
Pochyłe gniazdo kołnierza jest przyczyną pęknięć kołnierza tulei. (Rys. 3 i 4).

Nierówne powierzchnie i odkształcenia gniazda kołnierza bloku cylindra:
Główna przyczyna powyższego to coraz lżejsze konstrukcje silników – coraz ciensze ścianki bloku i stąd coraz większe odkształcenia części. Jednocześnie, w nowoczesnych silnikach wzrasta moc, ciśnienie spalania i moment obrotowy. W silnikach o przebiegu 500.000 km (lub odpowiadającym temu czasie pracy) odkształcenia mogą być tak zaawansowane, że zachodzi konieczność odtworzenia kołnierza gniazda. Wyrównanie powierzchni równoległych powinno być przeprowadzone na frezarce bądź za pomocą ręcznej, przenośnej maszyny do frezowania kołnierzy. Uwaga: powierzchnia nie może być pochyła (patrz rys. 3 i 4) – a po obróbce, ostra krawędź powierzchni gniazda powinna zostać poddana fazowaniu (około 1x45°, patrz: rys. 5). Przy braku fazy, może dojść do pęknięcia (rys. 6).

Sytuacje wyjątkowe: przed montażem należy zapewnić określoną wysokość „wystawania” tulei nad górną powierzchnią bloku cylindra. Aby dobrać właściwy wymiar, należy pod kołnierzem umieścić odpowiedni metalowy pierścień. Dla wielu tulei cylindrowych, MAHLE oferuje też odpowiednie tuleje z nadwymiarowymi kołnierzami. Po ponownym szlifowaniu bloku cylindra, gniazda kołnierzy muszą być również wyrównane o taką samą wartość.

            
Rys. 7: Przeniesienie siły pod kątem w wyniku wadliwej uszczelki pod głowicę cylindra


Rys. 8: Obróbka głowicy cylindra: jeżeli nie uwzględnia się rowka, siły przenoszone są poprzez krawędź przeciwogniową, a tuleja ulega pęknięciu.

Nieprawidłowa obróbka
Niektóre głowice cylindrów, jak te dla niektórych modeli Volvo, mają rowek na całym obwodzie, do którego sięga krawędź przeciwogniowa tulei cylindrowej – wówczas głowica cylindra i jego tuleja nie mogą się stykać. Po przeszlifowaniu głowicy cylindra na skutek uszkodzenia bądź odkształcenia, rowek obwodu musi również być poddany wyrównaniu o taką samą wartość. W przeciwnym razie, istnieje ryzyko, iż siły nie są wprowadzane poprzez uszczelkę lecz pod kątem poprzez krawędź przeciwogniową tulei cylindra (rys. 8).

Kosztowna niewiedza
Dokręcanie śrub głowicy cylindra wymaga dobrego wsłuchania się. Jeżeli od razu można usłyszeć nieprzyjemny dźwięk pęknięcia, to jest to jeszcze „szczęście w nieszczęściu”. Cylinder może być natychmiast zdemontowany, przyczyna zdiagnozowana i usunięta, a wtedy można zamontować nową tuleję.

W przeciwnym razie, pojawią się wysokie koszty: po ponownym uruchomieniu silnika pęknięta tuleja przemieszcza się stopniowo w kierunku wału korbowego – po tym, jak pęknięcie zrówna się z pierwszym pierścieniem tłokowym w górnym martwym punkcie, pierścień tłokowy odskakuje powyżej miejsca pęknięcia. Przy kolejnym ruchu tłoka w dół, pociąga on ze sobą tuleje cylindra. Obracający się wał korbowy roztrzaskuje tuleję i tłok, zniszczeniu ulega również korbowód, a mechanik widzi korbowód wystający z bloku silnikowego.

  
Tuleja cylindrowa, pęknięta przy kołnierzu z powodu niewłaściwego montażu.

 
Chropowata struktura pęknięcia – objaw działania naprężeń.


artykuł opracowany na podstawie materiałów MAHLE