Работа над ошибками

Эта любопытная история о том, как опыт и пытливый ум спортсмена-раллиста и современные технологии сумели сделать то, что оказалось не под силу огромному моторному заводу.

Установив содержимое этой коробочки на любой из однотипных двигателей ЗМЗ – 406-й, 405-й или 409-й, можно забыть о традиционных для этих моторов проблемах привода газораспределительного механизма. Недорогой комплект деталей, который выпускает наша фирма, к тому же позволяет увеличить ресурс деталей головки блока, а в некоторых случаях и добавить двигателю мощности». Примерно так начал беседу директор подмосковной торгово-промышленной фирмы «ВиК» Владимир Толстопятов. «Всяк кулик свое болото хвалит», – подумалось в ответ. Однако через пару часов, к концу разговора, прерывавшегося осмотром производственных мощностей предприятия, скептическое настроение улетучилось. Оно сменилось чувством уважения к специалистам фирмы, которым действительно удалось найти блестящее решение непростой технической задачи. Стало даже обидно, что у меня нет машины с 406-м мотором – обязательно установил бы на него комплект фирмы «ВиК». Уверен, оно того стоит. На чем основывается уверенность, прояснит дальнейшее повествование.

Начало истории

Общеизвестно, что у 406-го двигателя ЗМЗ болячек немало. По состоянию на конец 90-х годов одним из самых проблемных узлов был механизм привода ГРМ. В его конструкции был допущен ряд ошибок. В устройстве натяжения цепей использовались пластиковые башмаки, которые буквально «съедались» в течение 25 000–30 000 км пробега автомобиля. Этот факт подтверждался статистикой отказов, наработанной специализированными техническими центрами. Неисправность провоцировалась большим совокупным биением звездочек привода и низким качеством цепей. Проблема была очень острой: с гарантийными рекламациями по этой причине возвращались до 13% выпущенных автомобилей. Так появилась идея модернизировать привод ГРМ. К ее реализации фирма «ВиК» приступила в 1999 году.

Здесь стоит пояснить, что «ВиК» – частная фирма, которая была организована в 1992 году как производственное предприятие по изготовлению неметаллоемких деталей методами механической обработки. Фирма, базирующаяся в подмосковном городе Электростали, работает в тесной кооперации с предприятиями из Челябинска, Курска, Нижнего Новгорода и других регионов. Ее создатель и директор Владимир Толстопятов с 1980 до 1993 год профессионально занимался автоспортом. Двукратный чемпион Европы по классическому ралли, в составе команды он объездил весь мир. Хорошо известна особенность отечественного автоспорта – большинство работ по подготовке автомобилей к соревнованиям наши спортсмены делают своими руками. Поэтому опыт и знания об устройстве двигателей были накоплены колоссальные, что в итоге и помогло в решении проблемы.

При форсировании классических моторов ВАЗ спортсмены сталкивались с похожими проблемами. На частотах вращения двигателя около 7000 мин-1 от башмака натяжителя быстро оставались одни лохмотья. Для увеличения ресурса узла в устройстве натяжения цепи использовали звездочку на подшипнике. Это натолкнуло специалистов «ВиК» на мысль сделать нечто подобное. Изготовили прототип детали, испытали и убедились в его работоспособности. Вместе с увеличением ресурса ГРМ устройство добавляло двигателю две-три «лишних» лошадиных силы, существенно снижая потери на трение. Вскоре наладили мелкосерийное, а затем и крупносерийное производство «звездного» натяжителя. Ежемесячно выпускались 10 000–15 000 изделий, пользовавшихся большим спросом у автомастеров.
Руководство фирмы «ВиК» неоднократно обращалось на ЗМЗ с предложением решить проблему привода ГРМ с помощью разработанного ими изделия, к тому времени уже запатентованного и подтвердившего эффективность на практике. К сожалению, заводчане под разными предлогами бойкотировали это предложение. Видимо, принять его не позволила «профессиональная гордость». Так или иначе, дальше заводских испытаний устройства (кстати, очень успешных) дело не пошло. Тем не менее «назойливость» разработчиков из Подмосковья принесла плоды. В 2006 году появилось штатное изделие ЗМЗ, выполненное «по мотивам» конструкции натяжителя «ВиК». Но к этому времени инженеры фирмы, не почивавшие на лаврах, опять ушли далеко вперед.

Чтобы в этом убедиться, достаточно сравнить современные версии одного и другого изделия. Конструкция «ВиК» ощутимо легче и одновременно жестче. Точность и чистота обработки поверхностей заметно выше. Наконец, выглядит она значительно изящнее. При этом ее себестоимость почти в полтора раза ниже, чем у заводской детали. Учитывая то, что на один двигатель идет два устройства натяжения, годовая экономия от применения конструкции «ВиК» на конвейере могла бы составить несколько миллионов рублей! В чем секрет? Секрет в том, что и рычаг, и звездочка узла натяжения «ВиК» уже давно изготавливаются по современной технологии порошковой металлургии, видимо, до сей поры неизвестной конструкторам автозавода.

Дело в порошке

По словам Владимира Толстопятова, к идее использовать технологию порошковой металлургии привело стремление удешевить продукцию. До этого он неоднократно обращал внимание на детали импортных двигателей, выполненные из любопытного материала. Выяснилось, что они изготавливаются методом порошкового прессования. Из порошка делают распредвалы, шатуны, направляющие втулки и седла клапанов, рычаги и т.д. В современных двигателях известных производителей доля таких деталей достигает без малого 20%. Так что это отнюдь не экзотика. Основные достоинства порошковой технологии заключаются в ее практически полной безотходности и возможности получать ответственные элементы деталей с высокой точностью и чистотой поверхности без применения финишной механической обработки. Технология обеспечивает строгую повторяемость геометрических и физических параметров изделий вне зависимости от размера партии.

Чтобы получить порошковую деталь, изготавливают две пресс-формы – формовочную и калибровочную. Пресс-формы – самые дорогие элементы технологии. Точность их изготовления и чистота поверхности (10-й и 11-й классы) определяют характеристики будущего изделия. Процесс производства детали состоит из трех этапов. На первом этапе в формовочной пресс-форме частицы порошка, размером в сотые доли миллиметра, под давлением соединяются механически. Затем хрупкий полуфабрикат спекается в среде инертного газа при температуре чуть более 800 °С в течение 6–8 часов. При этом происходит микросварка частиц порошка, и деталь приобретает требуемые прочностные характеристики. К третьему этапу прибегают, если нужно обеспечить особо точную геометрию некоторых элементов детали. Для этого она окончательно дорабатывается с помощью калибровочной пресс-формы.
Состав порошка подбирается исходя из требуемых свойств изделия. В нем могут содержаться легирующие добавки. В зависимости от их концентрации получается материал с разной степенью легирования, который отличается равномерным распределением физических свойств по объему. В дальнейшем его можно обрабатывать методами поверхностного упрочнения, например азотированием. Лидерами в производстве порошков являются шведы. Забегая вперед, упомянем, что детали натяжного устройства «ВиК» изготавливают именно из шведского порошка.

Фирма «ВиК» приступила к практическому освоению порошкового метода в 2003 году. Тогда же были получены и первые порошковые детали. Они были изготовлены на одном из немногих у нас в стране высокотехнологичных производств, которое было создано в конце 90-х на ГАЗе. Так фирма стала первой в России, кто применил метод порошковой металлургии для производства деталей натяжителя, а рычаг оригинальной конструкции и вовсе не имеет аналогов в мире.
Благодаря порошковой технологии удалось свести к минимуму механическую обработку рычага и звездочки. Механическим способом осуществляется только зенковка оси рычага и проточка средней канавки звездочки. Все остальные поверхности деталей, включая прецизионное отверстие под запрессовку подшипника, «выходят» из пресс-формы. Отверстие под подшипник выполняется с точностью 12–14 мкм! Форма зубьев звездочки строго соответствует эпициклоиде, чистота их поверхности – обработке шлифованием (9-й класс), а величина биения венца относительно оси вращения не превышает 0,03 мм. Все это способствует идеальному сопряжению звездочки с цепью, плавной работе механизма с минимальными потерями на трение. У порошкового материала есть еще одно интересное свойство, которое благотворно влияет на работоспособность деталей, – он имеет микропористую структуру. При работе двигателя пористая поверхность, как губка, впитывает масло. Под нагрузкой оно выдавливается и смазывает пары трения. Поэтому износостойкость порошковых деталей выше, чем у обычных. Важно то, что высокие эксплуатационные характеристики изделий достигаются при их предельно низкой цене. Сегодня стоимость звездочки и рычага примерно в два-три раза меньше себестоимости заводских деталей. Тут возникает закономерный вопрос: почему такие технологии не интересуют ЗМЗ? До сих пор не получив на него ответа, специалисты фирмы «ВиК» продолжают работать над модернизацией привода ГРМ заволжских моторов.

Беспроблемный натяжитель

После устранения самой острой проблемы проявилась следующая – собственно гидромеханический натяжитель. Деталь небольшая, но ответственная и довольно сложная – как-никак гидравлика, а это повышенные требования к точности изготовления и чистоте рабочих поверхностей. Практика показывает, что штатный гидронатяжитель чаще всего выходит из строя из-за заклинивания плунжера или нарушения герметичности обратного клапана. Причина неисправностей – наличие в масле твердых частиц, размер которых позволяет им проходить через фильтрующий элемент и осаждаться в микроскропическом зазоре между корпусом и плунжером, а также на седле шарикового клапана. Помимо этого для заводской конструкции характерны большие утечки масла из полости высокого давления и сложная процедура «перезарядки», сопряженная с разборкой натяжителя.

В результате изучения опыта моторостроителей и адаптации его к особенностям двигателя была разработана защищенная несколькими патентами конструкция. В ней использованы проверенные временем решения, которые позволили полностью устранить отмеченные недостатки. Особенности конструкции хорошо видны на иллюстрациях. Плунжер натяжителя имеет значительно меньший диаметр. Это позволило безболезненно увеличить зазор между ним и корпусом, оставив утечки масла через кольцевую щель на прежнем уровне. Величина зазора такова, что неотфильтрованные загрязнения свободно проходят сквозь него, не приводя к заклиниванию. От обратного клапана и вовсе отказались. Функцию демпфирования плунжера теперь выполняет небольшое калиброванное отверстие.
На наружной стороне корпуса натяжителя установлено резиновое уплотнительное кольцо, которое герметизирует полость высокого давления. Устранение утечек масла привело к повышению давления внутри натяжителя. Одновременно на 10–15% возросло давление в верхней части двигателя, что благотворно отразилось на условиях смазки деталей ГБЦ и работе гидрокомпенсаторов. В натяжителе «ВиК» усилие пружины уменьшено почти втрое и составляет всего 4,5 кг, поэтому он не оказывает излишней нагрузки на цепь. Для фиксации плунжера использован механизм, аналогичный храповому. На плунжере нарезана зубчатая «рейка», которая надежно фиксируется подпружиненной «собачкой» с двумя ответными зубьями. Шаг между зубцами рейки составляет всего 1 мм, так что расстояние между «ступенями» работы натяжителя уменьшилось в 2,5 раза. Благодаря этому растяжение цепи компенсируется более точно и плавно.
Одно из использованных в конструкции гидронатяжителя технических решений уникально и защищено авторским свидетельством. Для упрощения процедуры его «зарядки» придуман фиксатор. Он представляет собой стержень, который завинчивается в сквозное отверстие и упирается в собачку, блокируя взведенный плунжер. После установки на двигатель фиксатор вывинчивается, собачка освобождается, плунжер под действием пружины «выстреливает» и упирается в рычаг натяжного устройства. В отверстие на место фиксатора ввинчивается гужон. Помимо удобства монтажа гидронатяжителя это остроумное приспособление позволяет точно измерить степень износа механизма привода ГРМ. Для этого достаточно в любой момент времени зафиксировать плунжер в рабочем положении и извлечь гидронатяжитель. Длина зубчатой рейки плунжера выбрана с учетом допустимых пределов растяжения цепи. Поэтому текущее положение собачки относительно рейки объективно укажет, насколько близко время ремонта привода ГРМ. Стоит упомянуть, что «ВиК» выпускает похожий автоматический натяжитель цепи (АНЦ) для классических двигателей ВАЗ. Он отличается только тем, что в нем усилие создается без гидравлического подпора – одной пружиной.

О содержимом коробочки

В коробочке, о которой упоминал в начале беседы Владимир Толстопятов, находятся результаты работы специалистов фирмы «ВиК» над ошибками конструкторов привода ГРМ двигателей ЗМЗ моделей 405, 406 и 409. Это комплект деталей, которые фирма предлагает использовать для замены или ремонта привода. Комплекты выпускают двух типов: для двигателей со стандартными и удлиненными цепями. Помимо порошковых «звездных» устройств и беспроблемных гидронатяжителей с крепежом в комплект входят две очень хорошие цепи, производства даугавпилского завода. В наборе для ГРМ с длинными приводными цепями есть еще одна деталь, которая пригодится при ремонте, – маленькая спиральная пружинка. Она устанавливается на ось нижнего натяжного устройства и поджимает его к цепи. Так можно легко установить переднюю крышку двигателя, не опасаясь, что цепь провиснет и сместится. Кстати, это еще одно свидетельство того, что специалисты фирмы знают о ремонте двигателя не понаслышке.

Сейчас на предприятии изготовлен комплект всех звездочек привода ГРМ из порошка. Вскоре закончатся их испытания на ЗМЗ – есть позитивные подвижки и во взаимоотношениях с заводом.

Не исключено, что вскоре размеры коробочки придется увеличить. Конечно, хотелось бы, чтобы продукция фирмы «ВиК» устанавливалась на двигатель прямо на конвейере. От этого выгадали бы все заинтересованные стороны: и ее сотрудники, и моторный завод, и автовладельцы.

По материалам журнала "Автомобиль и Сервис" (_www.abs.msk.ru )