Dlaczego tłok pękł na środku? Jak powstają pęknięcia zmęczeniowe piasty? Na czym polega różnica pomiędzy przełomem statycznym a pęknięciem zmęczeniowym? Jakie przyczyny może mieć widoczne silne zużycie osiowe pierwszego rowka pierścieniowego?
W trakcie eksploatacji silnika mogą występować przełomy statyczne i pęknięcia (złamania) zmęczeniowe tłoków.
Przełom statyczny (Rys. 1) jest zawsze powodowany przez ciało obce, które podczas pracy zderza się z tłokiem. Ciałem obcym może być oderwany fragment korbowodu, wału korbowego, zaworów albo podobna część. Przełom statyczny może też nastąpić, gdy do cylindra dostanie się woda lub paliwo.
Powierzchnie przełomu statycznego mają szary wygląd, nie są zdarte i nie wykazują linii siatki pęknięcia. Tłok pęka nagle, pęknięcie nie powstaje powoli.
W przypadku pęknięcia zmęczeniowego (Rys. 2) na powierzchni pęknięcia powstają siatki liniowe, które ilustrują punkt wyjścia i stopniowy przebieg pęknięcia. Powierzchnie pęknięcia są często starte na połysk. Przyczyną pęknięcia zmęczeniowego jest przeciążenie materiału tłoka.
Przyczyny przeciążeń to:
- spalanie stukowe,
- silne wstrząsy tłoka, np. uderzenie główki tłoka w głowicę cylindra,
- wady materiału,
- za duży luz trzonka.
Zbyt duże odkształcenia sworznia tłokowego wskutek przeciążeń (wygięcie lub deformacja owalna) prowadzą do pęknięć piast albo pęknięć elementów podporowych. Pęknięcia zmęczeniowe mogą być poza tym powodowane przez spękania wywołane obciążeniami termicznymi.
Pęknięcie tłoka w piaście sworznia tłokowego
Opis:
- Powstanie tzw. przełomu rozdzielczego aż do denka tłoka. Skutek: rozpad tłoka na dwie części (Rys. 1).
- Pęknięcie zmęczeniowe piasty w osi środkowej otworu pod sworzeń tłokowy (Rys. 2 i 3).
Ocena
Przełomy zmęczeniowe piast powstają wskutek przeciążeń mechanicznych. Ciągłe przeciążanie materiału tłoka prowadzi do wzrostu przemiennych obciążeń siłami zginającymi i zmęczenia materiału. Niedostateczne smarowanie olejem przyspiesza pęknięcie: Naderwanie piasty sworznia tłokowego rozszerza się następnie również przy normalnym obciążeniu. Skutkiem jest rozszczepienie tłoka.
Możliwe przyczyny:
- Zakłócenia spalania, w szczególności udarowe spalanie wskutek opóźnienia zapłonu.
- Nadmierne albo nieprawidłowe stosowanie pomocy rozruchowych przy uruchamianiu zimnego silnika.
- Napełnienie cylindra wodą, paliwem lub olejem przy wyłączonym silniku (uderzenie cieczy).
- Zwiększanie mocy (np. tuning sterownika) przy zastosowaniu tłoka seryjnego.
- Nieprawidłowy lub za lekki sworzeń tłokowy. Przeciążenie łożyska sworznia tłoka wskutek deformacji owalnej.
Pęknięcie tłoka przez zderzenie denka tłoka z głowicą cylindra
Opis:
- Ślady uderzeń na denku cylindra (Rys. 1), płaszczyźnie głowicy cylindra i obu zaworach (bez Rys.).
- Pęknięcie w kierunku sworznia tłokowego wskutek wstrząsów i działania siły.
- Trzonek tłoka złamany w dolnym rowku pierścienia zgarniającego, powierzchnie pęknięcia wskazują na pęknięcie zmęczeniowe (Rys. 2).
Ocena
Przyczyną takich uszkodzeń jest szybka sekwencja uderzeń denka tłoka o głowicę cylindra. Tłok poddawany jest tak silnym wstrząsom, że powodują one pęknięcia. Poza tym tłok ustawia się krzywo w cylindrze i uderza trzonkiem o ściankę cylindra. W przypadku tłoków z dolnym pierścieniem zgarniającym olej (Rys. 2) trzonek łamie się przy tym często przy dolnym rowku pierścienia zgarniającego.
Możliwe przyczyny
- Za duży luz łożyska korbowodu albo wytopione łożysko korbowodu, w szczególności w połączeniu z nadmierną prędkością obrotową silnika przy zjazdach z wzniesień.
- Za mała tzw. szerokość szczeliny (minimalna odległość między tłokiem i głowicą cylindra) w dolnym martwym punkcie tłoka. Możliwe przyczyny:
- Tłoki o nieprawidłowej odległości osi sworznia od denka. Przy remoncie silnika jest też często obrabiana płaszczyzna kadłuba silnika. Jeżeli po obróbce użyte zostaną tłoki o pierwotnej odległości osi sworznia od denka, może się okazać, że występ tłoka jest za duży. Dlatego właśnie do napraw oferowane są tłoki o zredukowanej odległości osi sworznia od denka. Dzięki nim występ tłoka mieści się w określonym przez producenta zakresie tolerancji.*
- Za mała grubość uszczelki głowicy cylindra. Wielu producentów przewiduje w jednym i tym samym silniku uszczelki głowic cylindrów o różnych grubościach: z jednej strony umożliwiają one kompensacje tolerancji części w procesie produktu, a z drugiej strony adaptację występu tłoka przy naprawie. Przy naprawach obowiązują więc następujące zasady: Używać tylko uszczelek głowic cylindrów o wymaganej grubości materiału. Zapewnia to uzyskanie po naprawie prawidłowej szerokości szczeliny. Jeżeli w ramach naprawy ma miejsce obróbka lub wymiana kadłuba, grubość uszczelki należy określić na nowo zgodnie z wymaganiami producenta silnika na podstawie występu tłoka.
Uwaga
Kontrola swobody ruchu polegająca na ręcznym obracaniu zimnego silnika nie gwarantuje, że w temperaturze roboczej tłok nie będzie uderzać w głowicę cylindra. Przyczyna: rozszerzenie termiczne powoduje wydłużenie tłoka i korbowodu. Zmniejsza to odległość między denkiem tłoka i głowicą cylindra. Powstają wskutek tego istotne zmiany wymiarów, szczególnie w silnikach pojazdów użytkowych. Zmniejszają one swobodę ruchu tłoka w górnym martwym punkcie o kilka dziesiętnych milimetra.
Motorservice dostarcza dla wielu silników wysokoprężnych tłoki o zredukowanej odległości osi sworznia od denka (KH-). Szczegółowe informacje są podane w katalogu „Pistons and Components“.
Komentarze