Передовые разработки автомобильных запчастей. Ориентир на экологию

Очередной ежегодный День технологий компании Federal-Mogul был посвящен инновационным решениям и передовым технологичесним разработкам, позволяющим современному автотранспорту соответствовать более жестким экологическим нормативам.

Технологии подшипников: на пути к Евро-6» - иод таким девизом и прошел Media Technology Day от концерна Federal-Mogul в этом году. Хотя, конечно же, рассмотренные на нем темы охватывали гораздо более широкий спектр автокомпонентов и автозапчастей, нежели одни

только подшипники. Традиционно на мероприятии с докладами выступили ведущие топ-менеджеры и научные сотрудники компании. Они поделились своим видением относительно развития данного сектора на ближайшую и чуть более отдаленную перспективу, познакомили аудиторию с самыми свежими разработками Federal-Mogul, ориентированными на

удовлетворение все возрастающих экологических требований» предъявляемых к автотехнике.

В арсенале подразделения Powertrain (силовой привод) корпорации Federal-Mogul на данный момент 65 производственных площадок и 14 технологических центров в Европе, Америке и Азии, объединенных в глобальную сеть. Именно здесь и рождаются передовые технологии, прогрессивные технологические решения и самые современные ноу-хау. Этот безостановочный процесс, протекающий изо дня в день, обеспечивается штатом из 1200 инженеров и конструкторов, в распоряжении которых 48 мощ-ностных стендов (до 1500 кВт), металлургические, аналитические и гидравлические лаборатории, стенды, на которых проводятся испытания на износостойкость, усталостные нагрузки и проч., то есть весь богатейший материально-технический и научно-гехноло-гический потенциал корпорации. Тут создают прототипы, проводят симуляции различных режимов, анализируют полученные данные и только после успешного завершения всей подготовительной работы запускают готовое изделие в серию. Счет инновациям от Federal-Mogul идет на сотни только за последние несколько лет, и он неустанно пополняется каждый год все новыми и новыми разработками и внедрениями.

Но вернемся к подшипникам и всему, что с ними связано. В этом сегменте на Federal-Mogul трудится почти 5,5 тыс. человек,

ежегодно производящих более 800 млн подшипников, вкладышей и втулок внешним диаметром от 5 до 150 мм. У компании три технологических центра: в Плимуте (США), Шанхае (КНР) и Висбадене (ФРГ). На них работает более 100 высококлассных специалистов, отвечающих за технологические разработки в данной области. Бюджет техцентров - более 10 млн долл. Каждый год здесь регистрируется более 20 открытий.

Технологический центр в Висбадене концептуально разделен на две большие составные части. Первая - это центр исследований и разработок, где создаются и изучаются новые материалы, новые сплавы и технологии. Во второй части центра выполняются уже, можно так сказать, ходовые испытания готовой продукции, произведенной из этих новых материалов по этим новым технологиям. Реализуется широкий перечень всевозможных тестов, в процессе которых посредством специального оборудования имитируются различные условия и режимы эксплуатации. Проверяются износостойкость, коррозионная стойкость, надежность и проч. параметры.

В итоге производимые Federal-Mogul металлические и покрытые полимерными покрытиями вкладыши, втулки, шайбы находят свое применение в двигателях, системах трансмиссии, дизельного впрыска Common Rail, двух-массовых маховиков, амортизаторах, регуляторах положения сидений и проч. При этом к уже выпускаемому ассортименту втулок и вкладышей шатуна, шеек коренного подшипника, фланцевых опор и упорных шайб для тяжелой автотехники в скором времени добавятся: вкладыши распределительного вала и коромысла клапана, втулки масляного насоса и привода вентилятора, вкладыши трансмиссии.

Нет износу!

Одним словом, специалисты подразделения Powertrain корпорации Federal-Mogul постоянно применяют накопленный опыт разработки подшипников для двигателей малотоннажных и легковых автомобилей при создании прочных, в том числе и бессвинцовых, подшипников для силовых агрегатов высокой мощности. Совсем недавно ими была предложена очередная инновация. При производстве подшипника верхний и нижний вкладыши индивидуально оптимизированы, и в них впервые используются не содержащие свинец материалы. Они обеспечивают повышенную нагрузочную способность и износостойкость при использовании в двигателях высокой мощности.

Для современных подшипников такие факторы, как стойкость к заклиниванию, адаптируемость и износостойкость, являются столь же важными, как и нагрузочная способность. «Использование различных материалов - с высокой усталостной прочностью для вкладыша, который подвергается большей нагрузке, и с хорошей способностью к поглощению абразивных частиц, а также с высокой стойкостью к воздействию частиц, содержащихся в моторном масле, для противоположного вкладыша - позволило нам создать надежный продукт», - отметил Йоахим Хэринг, менеджер европейского отдела проектирования подшипников компании Federal-Mogul.

Разница в нагрузке на вкладыши подшипника объясняется высокой нагрузкой, которую в процессе сгорания топлива испытывают верхний вкладыш подшинника большой головки шатуна и нижний вкладыш коренного подшипника. Решение компании Federal-Mogul заключается в использовании специального покрытия для более нагруженного вкладыша и алюминиевой основы для противоположного, менее нагруженного, вкладыша. Покрытия вкладышей выполняются методом распыления, нанесения полимерного материала или электроосаждения, что повышает надежность двигателя.

В настоящее время не существует каких-либо законодательных ограничений по содержанию свинца в подшипниках для двигателей грузовых автомобилей. Тем не менее обширный опыт, накопленный компанией Federal-Mogul в сфере создания бессвинцовых подшипников для двигателей малотоннажных и легковых автомобилей, можно с легкостью использовать для разработки подшипников, соответствующих будущим ограничениям для двигателей грузовых автомобилей. Помимо экологических преимуществ, не содержащие свинец материалы также продлевают срок службы подшипника.

«Основой для наших бессвинцовых подшипников служит либо отлитая, либо спеченная заготовка. Чтобы обеспечить вкладышам шатунного подшипника прочность, соответствующую нагрузке до 95 МПа, ранее применяли напыляемое покрытие. Теперь же, благодаря бессвинцовым материалам, мы можем добиться соответствия этому требованию при помощи лучших альтернатив, таких как полимерное покрытие IROX», - объяснил Йоахим Хэринг. На современном рынке при производстве нижних вкладышей коренного подшипника отмечается устойчивая тенденция использования высокопрочного алюминия вместо материалов с нанесенным электроосаждаемым покрытием.

«Полимерное покрытие IROX можно рассматривать в качестве усовершенствования высокопрочного алюминия для оптимизации нагрузочной способности и износостойкости», - добавил Йоахим Хэринг.

Чтобы обеспечить подшипникам превосходные характеристики, специалисты Federal-Mogul применяли передовые методики испытаний, такие как энергодисперсионный рентгеноспек-тральный микроанализ (FDX) и анализ при помощи растрового электронного микроскопа (SEM). Кроме того, для оптимизации подшипников и режимов их работы проводились эластогидродинамические исследования (FHD) и анализ методом конечных элементов (FEM). Параллельно с разработкой бессвинцовых материалов специалисты Federal-Mogul внедряли новые производственные процессы и методики испытаний. В их числе - испытания на износостойкость и способность к поглощению твердых частиц.

Интересны результаты некоторых проведенных тестов, например теста на износостойкость. Так, после 100 тыс. стартовых циклов двухслойный стандартный алюминиевый вкладыш А-370 показал износ 250 мкм. Двухслойный усиленный алюминиевый вкладыш с покрытием IROX также после 100 тыс. стартовых циклов износился лишь на 5 мкм. А двухслойный биметаллический усиленный вкладыш с покрытием IROX после (вы только вдумайтесь!) 250 тыс. стартовых циклов оказался изношен только на 8 мкм. Комментарии, как принято говорить, излишни.

В настоящее время бессвинцовые подшипники Federal-Mogul в серийном производстве двигателей грузовых автомобилей использует один из ОЕМ-нро-изводителей мирового уровня. Ряд других рассматривают возможность применения этих продуктов. Но сравнению с двигателями для легковых автомобилей грузовые силовые агрегаты оснащаются гораздо большим количеством подшипников (от подшипников коленчатого вала до подшипников клапанного механизма, привода кулачков и распределительных валов), поэтому клиенты Federal-Mogul могут воспользоваться преимуществами работы с одним поставщиком, специалисты которого знают все о подшипниках и используют различные материалы для их производства. «Опыт, накопленный нашей компанией в сфере создания бессвинцовых материалов для автомобильной промышленности, бесценен, -отметил Йоахим Хэринг. - Нам удалось эффективно перенести его на сегмент грузовых автомобилей, за время своей службы преодолевающих свыше 1,5 млн километров».

В будущем грузовые двигатели будут работать в условиях но-вышенной нагрузки от процесса сгорания топлива (пики давления могут превышать 250 бар), частых стартов и остановок, применения масел меньшей вязкости для повышения КПД, износостойкости и, как следствие, срока службы силовых агрегатов, а также в составе гибридных систем. Компания Federal-Mogul обладает всем необходимым, чтобы производить продукцию, соответствующую требованиям, которые могут появиться в будущем. Уже сегодня специалисты активно работают над тем, чтобы адаптировать существующие материалы под особенности двигателей будущего.

Бессвинцовые материалы для изготовления подшипников разработаны в технологическом центре компании Federal-Mogul, расположенном в Висбадене, который на протяжении 120 лег занимается проектированием и разработкой подшипников. Оставаясь верной стратегии предоставления клиентам но всему миру региональной поддержки, компания Federal-Mogul объявила о приобретении российской компании ДЗВ, специализирующейся на производстве подшипников скольжения. Это предприятие станет превосходной платформой для расширения присутствия Federal-Mogul в Восточной Европе на рынке коммерческих автомобилей и промышленных двигателей.

Седла клапанов и направляющие

Но не только более прогрессивные подшипники способствуют снижению эмиссии вредных веществ современной автотехникой. Соответствие самым последним законодательным ограничениям в области выхлопных газов, таким как EUR6 и Tier4, окончательно обозначает вектор развития современного двигате-лестроения и диктует неизбежность сочетания высокого уровня EGR (система рециркуляции ОГ) и селективного каталитического восстановления NO_x. Давление и температура сгорания становятся выше, моторы компактнее, сажевая фильтрация все глубже.

Ситуация усугубляется тем, что в разных государствах по-разному нормируется содержание серы в дизельном топливе. А в некоторых и вообще не нормируется. В целом можно сказать, что в странах Северной Америки и Австралии уровень серы в солярке не превышает 10-15 ррт, Китай, Индия - это уже 350 ррш максимум, Россия, Мексика, ЮАР, некоторые страны Южной Америки, Юго-Восточной Азии и Океании показывают уровень в 500 ppm max, Африка и Южная Америка - более 2000 ррт.

К тому же все активнее применяются альтернативные виды топлива: этанол, CNG/LNG. При этом, в частности, у CNG X = 1, а это значит, что температура сгорания возрастает весьма существенно. В свою очередь, использование этанола значительно повышает актуальность коррозионных процессов, которым надо достаточно надежно противостоять.

«Ужесточение требований к выбросу вредных веществ привело к созданию более компактных двигателей с высоким давлением наддува, высокой степенью очистки выхлопных газов за счет применения таких систем, как сажевые фильтры и системы избирательной каталитической нейтрализации (SCR). Современные двигатели работают при более высоких температурах, чем их предшественники, - объясняет Франк Цвайн, технический директор но глобальному рынку, подразделение «Клапанные седла и направляющие» компании Federal-Mogul. - Пиковые давления в цилиндрах увеличились со 180 бар до 230 бар и выше, в то время как температура клапанов и турбонагнетателя может превышать 750°С. Физические характеристики могут стать такой же проблемой, как проблема износа материалов. Увеличенная тепловая деформация головки блока цилиндров в сочетании с работой моторного тормоза, использующего газораспределительный механизм, приводит к появлению поперечных нагрузок на стержнях клапанов. Возросшая температура турбонагнетателя влияет на прессовые посадки из-за разности коэффициентов теплового расширения».

Сталкиваясь с этими вызовами, инженеры и конструкторы Federal-Mogul усиливают свою исследовательскую работу. Они подробнейшим образом изучают характеристики новых материалов, механические и термофизические свойства, проводят коррозионные испытания. Проверяется поведение клапана, всех его компонентов: искажения, вызванные температурными и физическими процессами. Это позволяет в результате приходить к наиболее оптимальным рецептам и сплавам, обеспечивающим надлежащее соответствие многократно возрастающим нагрузкам. В частности, для разработки новых материалов используется проверенная технология порошковой металлургии,созданная компанией Federal-Mogul. Эти материалы, кроме превосходной износостойкости при высоких температурах, обеспечивают и другие преимущества, такие как повышенная коррозионная стойкость и механическая прочность.

В рамках Дня технологий подразделение Power train корпорации Federal-Mogul объявило о расширении ассортимента высокоэффективных материалов для направляющих втулок клапанов, седел и втулок турбонагнетателей, которые помогут производителям коммерческого транспорта создавать более экологичные и экономичные двигатели. К серии улучшенных материалов для направляющих втулок клапанов была добавлена линейка FM-G15, и два новых материала для втулок турбонагнетателей: FM-T90A и FM-T82A. «Линейка материалов FM-G15 была специально разработана для соответствия специфическим требованиям вы-соконагруженных, конструктивно сложных двигателей, присутствующих на современном рынке, и двигателей, которые появятся в ближайшем будущем», - сказал Денис Кристоферсон, директор но глобальным разработкам и научно-исследовательским работам Federal-Mogul, подразделение «Клапанные седла и направляющие».

FM-G15A - сплав, обеспечивающий износоустойчивость при высоких температурах и снижение вероятности задира стержня клапана за счет сочетания твердых смазочных материалов внутри матрицы из высокоуглеродистой стали. Комплекс твердых смазочных материалов в сочетании с вакуумной пропиткой жидкой смазкой замедляет развитие задира стержня клапана при высоких температурах и при значительных поперечных нагрузках.

FM-G15E улучшает характеристики сплава FM-G15A за счет комбинации износостойкости со снижением коэффициента трения, достигнутого благодаря использованию большого количества твердого смазочного материала, удерживаемого внутри кристаллической решетки молибденовой стали, подвергнутой термообработке. Вакуумная пропитка жидкой смазкой обеспечивает дополнительную смазывающую способность и исключительное сочетание механической обрабатываемости и долговечности. Такое сочетание характеристик сплава и технологических процессов дает значительно лучшие результаты но сравнению с обычными материалами для направляющих втулок клапанов.

FM-G15N обеспечивает превосходную долговечность и износоустойчивость деталей, подверженных воздействию экстремально высоких температур и поперечных нагрузок.

Кристаллическая решетка хромовой стали характеризуется мелкодисперсным распределением твердых смазочных материалов, а вакуумная пропитка жидкой смазкой обеспечивает дополнительное улучшение характеристик, которое невозможно получить от чугуна или от обычных порошковых сплавов.

Линейка седел клапанов Federal-Mogul создана на основе материалов, полученных современными методами порошковой металлургии, для соответствия требованиям, предъявляемым к деталям двигателей Евро-6 и прочих силовых агрегатов продвинутой конструкции. Семейство порошковых сплавов на основе высоколегированной стали уже успешно испытано на широкой гамме двигателей, выпускаемых в настоящее время.

Для соответствия требованиям, предъявляемым к деталям перспективных двигателей, компания Federal-Mogul разработала усовершенствованные порошковые сплавы и производственные процессы, позволяющие добиться дальнейшего улучшения рабочих характеристик. К таким разработкам относятся: добавление износостойких твердосплавных частиц, улучшенный процесс спекания, обеспечивающий максимальную плотность, и сложные многокомпонентные микроструктуры.

К самым последним разработкам также можно отнести гибридные порошковые сплавы из инструментальной и нержавеющей сталей. Присадки, улучшающие рабочие характеристики, обеспечивают максимальную коррозионную стойкость к воздействию серы и альтернативного топлива, а также необходимые прочность сжатия и износостойкость.

Новые улучшенные материалы Federal-Mogul для втулок турбонагнетателей гарантируют исключительную износоустойчивость при высоких температурах и работе в высококоррозионной среде. FM-T90A - это металлоке-рамический сплав максимальной плотности на основе кобальта, специально разработанный для использования при температуре до 1050°С в коррозионной среде или в условиях сильного окисления. FM-T90A превосходит железные сплавы в жестких условиях эксплуатации, так как он обладает преимуществами технологии порошковой металлургии, такими как сложные композитные микроструктуры, которые невозможно получить в процессе плавки. Кристаллическая решетка кобальта с карбидными выделениями и частицами твердого смазочного материала создает уникальную комбинацию износостойкости, коррозионной стойкости и высокой механической прочности при предельных температурах.

FM-T82A - композитный материал максимальной плотности на основе железа с пониженным содержанием никеля, обеспечивающий экономичность и исключительные высокотемпературные свойства в агрессивных условиях работы втулок турбонагнетателя. Обладающий сложной микроструктурой из аустенита, карбидов и частиц твердого смазочного материала для снижения трения, FM-T82A рекомендуется для применения при температурах до 1050°С. Являясь производным продуктом от проверенного материала Federal-Mogul 8100, он обеспечивает улучшенную прочность при высоких температурах но сравнению с ферритовыми сплавами и в то же время демонстрирует устойчивость к окислению и коэффициент теплового расширения, соответствующий типичным материалам корпуса турбонагнетателя.

«Клиенты из числа производителей мощных двигателей для коммерческого транспорта приходят к выводу о том, что традиционные материалы уже не соответствуют все более агрессивным условиям работы, характерным для самых современных высокоэффективных двигателей, - отметил Олаф Велдлиф, директор и главный управляющий Federal-Mogul, подразделение «Клапанные седла и направляющие». - Значительный опыт в использовании технологий порошковой металлургии позволяет нам подготовиться к этому, привлекая хорошо зарекомендовавшие себя и проверенные решения. Сотрудничая с Federal-Mogul, производители двигателей могут ответить на предстоящие вызовы множеством решений, разработанных для каждой конкретной цели».

Еще герметичнее

Повышение давления в цилиндре до 250 бар и температуры отработавших газов до 1000°С выводит на первый план проблематику надежной герметизации, обеспечивающей исправное функционирование автотехники. Гибридная (сталь/ эластомер) уплотнительная прокладка головки блока цилиндров (ГВЦ) Federal-Mogul изготовлена из многослойной стали (MLS) и выполнена с уплотнением жидкостных каналов из эластомера. Такое исполнение прокладки ГЫД обеспечивает оптимальную герметизацию выхлопных газов и рабочих жидкостей двигателя. Высокотемпературные сплавы (НТА) и высокотемпературные покрытия (НТС), применяемые для изготовления прокладки, надежно герметизируют соединения системы выпуска при температурах, которые прокладки из обычной нержавеющей стали и графитовых материалов не выдерживают.

«Технология изготовления прокладок из стали и эластомера создана на основе опыта успешного применения MLS-прокладок, обеспечивающих оптимальную герметизацию вокруг камеры сгорания, но при этом мы пошли еще дальше, - поясняет Майк Герульски, директор корпорации Federal-Mogul, ответственный за исследования и разработки технологий герметизации. - Добавив эластомерное уплотнение жидкостных каналов на участке, где для герметизации требуется значительно меньшее давление, мы смогли усилить уплотнение там, где это необходимо в большей степени. Подобное решение открывает широкие возможности для создания легких и одновременно надежных конструкций двигателя, позволяя поднять допустимое давление в цилиндре до 250 бар. Более того, глубокие исследования в сфере материаловедения дают нам возможность разрабатывать эластомерные материалы, совместимые с рабочими жидкостями и стойкие к температурным воздействиям».

Технология изготовления прокладок ГВЦ из стали и эластомера разработана в рамках концепции проектирования Federal-Mogul, которая носит название Analysis-Led-Design (ALD) и характеризуется целостным подходом. «Мы объединили в одну систему головку блока цилиндров, блок цилиндров и уилотнительную прокладку», - утверждает Майк Герульски. В рамках концепции ALD осуществляются выбор подходящей технологии герметизации и ее проверка. Процесс настолько хорошо отлажен, что специалист может с уверенностью рассчитать герметичность и долговечность уплотняющей прокладки головки блока цилиндров еще до изготовления прототипа двигателя. «Руководствуясь концепцией ALD, мы можем исключить внесение дорогостоящих изменений в проект на стадии производства двигателя», - говорит Майк Герульски.

Специалисты Federal-Mogul используют концепцию ALD для создания высоконагруженных уплотнений в выпускной системе, где колебания высоких температур и снижение веса конструкции, вызванные уменьшением объема двигателя, применением систем турбонаддува и рециркуляции отработавших газов (EGR), могут привести к деформации фланца, что сделает обычное статическое уплотнение неэффективным.

Уилотнительные высокотемпературные сплавы Federal-Mogul решают эти проблемы, обеспечивая надежные характеристики уплотнения при температурах до 1000°С, что заметно выше, чем при использовании нержавеющей стали, которая является стандартом в современном производстве. НТА-уплотнения могут обладать термическими характеристиками, соответствующими индивидуальным требованиям в широком диапазоне областей применения, включая турбокомпрессоры, приемные трубы, выпускные коллекторы и системы нейтрализации отработавших газов.

В равной степени для надежного уплотнения важны высокотемпературные покрытия, разработанные Federal-Mogul, которые обеспечивают эффективное микроуплотнение соединения. НТС - экологичный продукт на водной основе, он является надежным решением при повышенных температурах. «НТС способен выдерживать температуры до 1000°С, тогда как обычные покрытия при таких температурах превращаются в пепел», - говорит Майк Герульски.

По словам Герульски, прогрессивные методы анализа, используемые специалистами Federal-Mogul, позволяют заглянуть вглубь комплексных инженерных задач и критически важных взаимодействий различных систем. «Наши аналитические возможности способствуют непрерывному процессу разработки ключевых технологий, которые помогают нашим клиентам обеспечивать соответствие их двигателей и техники возросшим требованиям к токсичности отработавших газов и топливной экономичности как в настоящее время, так и в будущем», - говорит он.

Компания Federal-Mogul представит линейку своих новых материалов, описанных в этой статье, на выставке коммерческого транспорта LAA, которая будет проходить в Ганновере с 23 сентября по 2 октября 2014 г.

Михаил Калинин