Скорость перемещения деталей также влияет на величину трения. Чем больше скорость движения, тем больше и сила трения.
Но это справедливо только до известного предела.
Трение существует не только между твердыми телами.
Когда движутся жидкости и газы, то между отдельными слоями, имеющими разные скорости, происходит трение. Это внутреннее, или вязкое, трение.
Вам приходилось наблюдать течение реки? Попробуйте бросить в воду два поплавка — один ближе к берегу, а другой на середину реки. Пройдет немного времени, и вы увидите, что поплавок, брошенный на середину реки, уйдет далеко от поплавка, брошенного ближе к берегу. На середине реки течение быстрее, чем у берегов. Этим и объясняется, между прочим, то, что навстречу течению легче плыть, придерживаясь ближе к берегу. Слои воды, находящиеся ближе к берегу, испытывают большее трение, так как, соприкасаясь с берегом, течение их тормозится.
На преодоление трения надо затрачивать мощность. В двигателе внутреннего сгорания на преодоление его затрачивается около 10–15 % всей мощности, развиваемой двигателем. Куда же девается мощность, затрачиваемая на преодоление трения? Исчезнуть бесследно она не может. Отчего нагревается пила, когда пилят дрова? Отчего загорается спичка, когда вы ее чиркнули? Работа превращается в теплоту. Поэтому-то и детали двигателя нагреваются. Теплота затем рассеивается в окружающей среде. Работа, затраченная на нагревание, — это бесполезные потери в двигателе.
Трение — враг двигателя. С ним ведут борьбу, стараются не допускать, чтобы детали соприкасались друг с другом непосредственно. Там, где возможно, стремятся заменить трение скольжения трением качения.
Откуда взялась поговорка
В повседневной жизни нам часто приходится слышать поговорку: «идет как по маслу», «не подмажешь — не поедешь».
Эти поговорки имеют глубокий смысл. Давным-давно было известно, что по мокрой поверхности скользить легче, чем по сухой. Обратите внимание, с какой легкостью конькобежец выделывает замысловатые фигуры на льду и при этом летит, словно птица. А посмотрите на лыжника: он движется так быстро, что, пожалуй, и поезд может обогнать.
Почему же лед скользкий? Потому что он гладкий, могут сказать некоторые. А разве отполированное стекло не гладкое? Но попробуйте на тех же коньках прокатиться по стеклу — и сразу же заметите, что легкости движения как не бывало! Значит, дело в чем-то другом. В чем же секрет? В том, что конькобежец даже в трескучий мороз движется не по льду, а… «плывет» по воде! Когда коньки скользят, то между лезвием и льдом происходит трение — лед нагревается и тает, превращаясь в воду. Под лезвием конька образуется маленький ручеек.
Этим же объясняется и легкость движения лыжника. При движении между лыжей и снегом также образуется тонкий слой воды. В этом легко убедиться: посмотрите внимательно на лыжню и вы заметите на ней тонкий слой льда.
Растаивающий лед и снег «подмазали» коньки и лыжи, и они двигались «как по маслу».
Трение в этом случае происходит не между коньками и льдом, а между частицами воды. Чтобы уменьшить трение, надо между трущимися деталями положить слой жидкости — смазки.
При движении деталей слои масла будут перемещаться вместе с деталями. Трение будет происходить между частицами масла.
А как происходит смазка подшипников? Между шейкой вала и подшипником всегда имеется зазор. Вращаясь, вал как бы втягивает масло в зазор. Зазор заполняется маслом. Как только вал начинает вращаться, начинает вращаться и прилипший к нему слой масла. Между подшипниками и шейкой вала образуется масляный клин; чем быстрее вращается вал, тем больше масла втягивается в зазор — коленчатый вал как бы плавает по маслу.
Во время работы двигателя детали изнашиваются. В масле появляются металлические частицы, они загрязняют его. Кроме того, под влиянием высокой температуры часть масла разлагается — и образуется нагар или смола. Частицы металла и нагар смешиваются с маслом, усиливая износ деталей. Смазка, циркулируя в зазорах, уносит эти частицы, а поэтому предохраняет детали от усиленного износа.
Мы уже знаем, что при горении смеси в цилиндре развивается высокая температура. Кроме того, детали цилиндра нагреваются и от трения.
Масло, циркулируя по зазорам, уносит часть теплоты и тем самым способствует охлаждению деталей.
Картер двигателя должен быть хорошо изолирован от верхней части цилиндра, где совершается рабочий цикл. Мы уже знаем, что важная роль в этом деле принадлежит поршневым кольцам; но и масло помогает преграждать путь газам в картер. Масло, попадая в зазор между поршнем и стенками цилиндра, образует плотную перегородку и преграждает доступ газам в картер.
Чем смазывают двигатель
Почему двигатель смазывается маслом? А разве нельзя смазывать его водой? Ведь нам надо только создать слой жидкости, чтобы он разделял трущиеся детали. Вода плохо прилипает к деталям, а поэтому она не будет держаться между ними. Сцепление между ее частицами крайне недостаточно, и она просто-напросто не сможет образовать сплошной пленки. При нагревании деталей она испаряется и, кроме того, вызывает окисление металла. А масло? Масла бывают животные, растительные и минерального происхождения. Какое же из них лучше?
Условия работы двигателя тяжелые: на детали действуют большие нагрузки, детали нагреваются до 200 и больше градусов. Днище поршня может иметь температуру 300 градусов, головка поршня — 100–200, а юбка — 100–150.
Попробуйте залить в двигатель животное или растительное масло: пройдет несколько минут — и вы почувствуете характерный запах горящего масла. Масло сгорит, и детали окажутся несмазанными. Ни животное, ни растительное масла не годятся для смазки: они не обладают необходимой температурной стойкостью и вязкостью. Исключением является только касторовое масло, но оно слишком дорого.
Масла должны обладать определенными свойствами. Главным свойством их является вязкость — свойство масла образовывать сплошную пленку между трущимися деталями и держаться между ними. Вязкость измеряется в условных единицах. Она зависит в первую очередь от сорта масла — одни сорта обладают большей вязкостью, другие — меньшей. Но и один и тот же сорт масла может иметь разную вязкость, в зависимости от температуры, примесей в нем.
Если температуру масла повысить, то вязкость его понизится, и наоборот — при понижении температуры вязкость его повысится.
Важное значение для вязкости имеют и посторонние примеси — бензин, керосин, вода: они понижают вязкость масла. Капельки воды, падая между трущимися деталями, разрывают масляную пленку и увеличивают трение.
Зимой надо применять более жидкие масла, летом — более густые.
Более вязкое масло будет иметь большее сцепление частиц, а значит, и большее внутреннее трение. А это потребует от двигателя дополнительной затраты мощности. Если двигатель сильно изношен, а зазоры между деталями слишком велики, лучше применять более густое масло.
Чтобы улучшить качество масла, к нему на заводах иногда добавляют различные примеси — присадки. Одни их них повышают вязкость, другие понижают температуру застывания, третьи придают устойчивость против окисления.
Для смазки мотоциклов и автомобилей выпускается несколько сортов масел, например А-6, АК-10, АКЗп-6 и АКЗп-10 или АС-5, АСп-5, АСп-9,5.
Что обозначают буквы и цифры? Первая буква говорит о том, что это масло автомобильное. Вторая буква указывает на способ заводской очистки масла: если эта буква «К» — очистка кислотная (кислотами), если же буква «С» — очистка селективная (жидким стеклом). Если в обозначении есть буква «п», то это значит, что в масле есть присадки. Буква же «З» говорит о том, что масло загущенное. Последние цифры означают вязкость масла в условных, единицах. Чем больше эти цифры, тем больше и вязкость масла. Сорта масла надо подбирать, руководствуясь в первую очередь вязкостью. Например, если у мотоцикла двигатель мало изношен, то летом надо пользоваться маслом АК-10, а зимой — АК-5 или АС-5. Другое дело, если двигатель изношен сильно, зазоры в нем увеличены — масла надо брать более густые: летом — АКЗп-10 или АСп-9,5, а зимой — АКЗп-6.
Масло должно храниться в чистой посуде.
Смазка двухтактного двигателя
Смазка двухтактных двигателей происходит весьма просто. Масло смешивается вместе с бензином и заливается в топливный бак. Для новых мотоциклов приготовляют смесь с большим количеством масла (на 10 литров бензина 0,5 литра масла), а для машин, прошедших обкатку, такое же количество масла добавляют к 12,5 литра бензина.
Смесь, поступая через карбюратор в картер, при работе двигателя разбрызгивается, попадает на стенки цилиндра, на поршневый палец и другие детали и смазывает их. Такая смазка проста, но мало надежна, так как необходимое количество масла к трущимся поверхностям подать невозможно. Приготавливать смесь бензина с маслом надо очень тщательно. Лучше это делать в специальной посуде. Пробка топливного бака снабжена мерным стаканчиком, в который входят 100 граммов масла.
Смазка четырехтактного двигателя
Посмотрим, как происходит смазка двигателя мотоцикла М-72 (рис. 32).
Рис. 33. Масляный насос двигателя мотоцикла М-72.
Магистраль имеет три выходных канала. Через канал, расположенный в передней части двигателя, часть масла поступает к коренному подшипнику, проходит по специальной кольцевой выточке в его гнезде и подходит к трубке, через которую смазывает шестерни распределения. Часть масла из этого канала поступает в маслоулавливатель, из которого под действием центробежной силы через отверстие в шатунной шейке смазывает шатунный подшипник.
Масло же, попадающее в канал, расположенный в задней части двигателя, смазывает коренной подшипник и вторую шатунную шейку. По среднему каналу масло поступает по специальной вырезке, сделанной во фланце левого цилиндра. В цилиндре сделаны три отверстия, которые соединяют выточку с полостью цилиндра.
Когда поршень находится в верхней мертвой точке, масло через отверстия смазывает цилиндр. Когда же поршень двигается к нижней мертвой точке, слой масла на зеркале цилиндра смазывает юбку поршня.
Почему же потребовалось подводить масло к левому цилиндру и смазывать его принудительно? Когда коленчатый вал вращается, разбрызгиваемое масло летит по направлению часовой стрелки — так вращается вал. При этом масло попадает только на нижнюю часть левого цилиндра.
Правый цилиндр, поршневые пальцы, кулачки, двигатели, шестерни привода масляного насоса смазываются разбрызгиванием. Опоры распределительного вала смазываются самотеком из специальных маслосборников — карманов. В маслосборники масло попадает разбрызгиванием.
Отработанное масло, смешанное с воздухом, стекает в нижнюю часть картера в виде пены. Верхняя и нижняя части разделены между собой сетчатым перекрытием. Когда масло проходит через него, то часть пены уничтожается. Попав в картер, масло снова нагнетается насосом в магистраль. Так, все время совершается круговорот.
Вентиляция
В двухтактном двигателе давление в картере должно повышаться при рабочем такте и понижаться при такте сжатия. Картер не должен соединяться с наружным воздухом. Иначе двигатель работать не будет. Другое дело у четырехтактного двигателя. Здесь картер не участвует в рабочем процессе и сообщается с наружным воздухом. Давление в картере тоже меняется. Когда поршень идет к верхней мертвой точке, в картере давление понижается, и, наоборот, когда поршень движется к нижней мертвой точке, давление в картере повышается.
Разрежение в картере может вызвать усиленное поступление газов, попадающих из цилиндра в картер. Повышенное давление в картере может привести к выдавливанию масла из картера. Поэтому и пришлось соединить картер с наружным воздухом. Конечно, можно было бы просто сделать отверстие, и воздух свободно входил бы в картер, а газы выходили бы из него. Но вместе с воздухом в картер попадали бы пыль и влага. Установили сапун. Когда давление в картере увеличивается, сапун сообщает полость картера с атмосферой, а когда поршни идут вверх и в картере начинает создаваться разрежение, сапун изолирует ее от наружного воздуха. Сапун устанавливается в крышке распределительного механизма. Он состоит из втулки с фланцем. На втулке два противоположных отверстия. На фланце — восемь отверстий, расположенных по радиусу, и одно отверстие продольное. В продольное отверстие входит штифт и соединяет фланец с распределительной шестерней. Когда вращается распределительный вал, то вместе с ним вращается и сапун.
Для соединения полости картера с наружным воздухом надо, чтобы отверстие втулки совпало с каналом распределительной крышки. Сапун вращается, — следовательно, и совпадение отверстий происходит периодически. В распределительной крышке сделан канал, который через вентиляционную трубу соединен с наружным воздухом.
В потоке встречного воздуха
Сколько же раз в цилиндре воспламеняется горючая смесь, если двигатель делает 500 оборотов в минуту? Если это четырехтактный двигатель — воспламенение происходит 2500 раз, а если двухтактный — 5000 раз.
Надо учесть, что каждый раз при рабочем такте температура в цилиндре достигает 2000 и больше градусов. Пламя соприкасается со стенками цилиндра, с головкой цилиндра, поршнем и, конечно, будет нагревать их.
Напомним, что некоторые сорта чугуна плавятся при 1400 градусов. При такой температуре авария неизбежна, масло сгорит, поршень заклинится в цилиндре.
Ясно — двигатель надо охлаждать. На подавляющем большинстве мотоциклов двигатели охлаждаются потоком воздуха.
Почему поверхность цилиндра и головки покрыта такими большими выступами? Это ребра. Когда цилиндр нагревается, теплота расходится по ребрам. Ребра увеличивают поверхность соприкосновения цилиндра с воздухом, или, как говорят, поверхность охлаждения.