Чугунный блок двигателя: непревзойденная прочность традиционных материалов

Когда речь заходит о двигателях, первыми на ум приходят мощность, рабочий объем или турбонаддув. Однако истинная основа этих характеристик — блок двигателя. Чугунный блок двигателя, в частности, десятилетиями занимают видное место в автомобильной промышленности благодаря своей прочности, стойкости к давлению и жаропрочности. Даже несмотря на растущую популярность легких алюминиевых блоков, чугунный блок двигателя остаются популярным выбором среди производителей и энтузиастов благодаря своей надежности и возможности модификации.

1.Что такое блок двигателя?

Блок двигателя — один из важнейших компонентов двигателя внутреннего сгорания, часто называемый «телом» двигателя. Он обеспечивает крепление и поддержку таких компонентов, как цилиндр, поршень и коленчатый вал, обеспечивая их надлежащую работу в условиях высоких температур и давлений. Блоки цилиндров обычно изготавливаются из чугуна или алюминиевого сплава, что обеспечивает прочность и жёсткость, а также эффективное рассеивание тепла.

Кроме того, блок цилиндров двигателя оснащён рубашкой охлаждения и масляными каналами, которые обеспечивают герметизацию, смазку и отвод тепла, обеспечивая стабильное давление в камере сгорания. Блок цилиндров является одновременно основой двигателя и сердцем всей силовой установки.

2.Эволюция блоков цилиндров двигателя

Эволюция блока цилиндров двигателя – это, по сути, процесс непрерывного поиска компромиссов и оптимизации в автомобильной промышленности между производительностью, массой и производственными процессами.

Вначале блоки цилиндров двигателей изготавливались почти исключительно из серого чугуна. Этот материал обладает высокой прочностью, хорошей износостойкостью и хорошей обрабатываемостью, что позволяло ему выдерживать относительно невысокие требования к мощности и давлению, предъявляемые двигателями внутреннего сгорания того времени. Хотя чугунный блок двигателя обладают такими преимуществами, как прочность и долговечность, у них есть и существенные недостатки: их вес приводит к высокому расходу топлива и затрудняет улучшенную динамику.

По мере повышения производительности двигателей, особенно в середине-конце XX века, автопроизводители начали экспериментировать с блоками цилиндров из алюминиевого сплава. Алюминий примерно на 40% легче чугуна, что значительно снижает общий вес и обеспечивает улучшенное рассеивание тепла, делая его идеальным материалом для высокоскоростных двигателей с высокой степенью сжатия. Однако прочность и износостойкость алюминия уступают чугуну, поэтому инженеры решили проблему износа, устанавливая чугунные гильзы в ключевых местах или используя алюминиевые сплавы с высоким содержанием кремния.

В настоящее время материалы и конструкции блоков цилиндров претерпели дальнейшие изменения. С одной стороны, алюминиевые сплавы стали основным выбором для большинства двигателей легковых автомобилей; с другой стороны, в некоторых высокопроизводительных или коммерческих двигателях по-прежнему используется чугун или высокопрочные сплавы для обеспечения максимальной долговечности. В то же время конструкция блока цилиндров становится все более сложной: оптимизируется толщина стенок, используются полые конструкции и другие методы для снижения веса при сохранении прочности.

Сравнение характеристик чугуна и алюминиевого сплава (типичный диапазон)

Показатель свойства	Чугун (серый чугун/сплавленный чугун)	Алюминиевый сплав (серия Al-Si для двигателей)
Плотность	6,8 – 7,3 г/см³	2,65 – 2,8 г/см³
Прочность на растяжение	200 – 400 МПа (серый чугун) 400 – 800 МПа (сплавленный чугун)	150 – 400 МПа (расплавленный/литейный алюминиевый сплав, обычно используемый)
Предел текучести	130 – 350 МПа (в зависимости от вида)	80 – 250 МПа
Твердость	180 – 300 HB (серый чугун) ≥300 HB (специальные марки сплавленного чугуна)	60 – 120 HB
Модуль упругости (модуль Юнга)	110 – 170 ГПа	65 – 80 ГПа
Теплопроводность	35 – 60 Вт/(м·К)	120 – 180 Вт/(м·К)
Коэффициент температурного расширения (КТР)	10 – 12 ×10⁻⁶ /К	22 – 25 ×10⁻⁶ /К
Износостойкость	Высокая (особенно для сплавленного чугуна)	Низкая (требует использования цилиндрических втулок или поверхностной обработки)
Коррозионная стойкость	Низкая, требует защиты от ржавчины/охлаждающей жидкостью	Хорошая, но подвержена точечной коррозии, требует защиты

3.Почему чугун используется для блоков цилиндров двигателей?

Причина проста: когда прочность и долговечность важнее лёгкости, чугун особенно хорошо подходит. Это особенно актуально для мощных дизельных двигателей, которые должны выдерживать высокие температуры, высокое давление и длительные нагрузки. Чугун — идеальный выбор. Ниже перечислены преимущества чугунных блоков цилиндров:

● Чугун не только легкодоступен и относительно недорог, но и обладает исключительной прочностью и долговечностью.

● Чугунный блок двигателя выдерживают высокие рабочие температуры и давление, и в них можно сверлить отверстия большого диаметра для установки более крупных поршней, что повышает мощность двигателя.

● Кроме того, чугун обладает отличной теплопроводностью, что способствует рассеиванию тепла во время работы двигателя.

● Он также обладает отличными виброгасящими свойствами, снижая вибрацию и шум во время работы двигателя, обеспечивая более плавную и надёжную работу двигателя.

● Кроме того, чугун относительно хорошо поддаётся обработке и обслуживанию, что делает последующую футеровку и ремонт относительно простыми, делая чугунный блок двигателя как практичными, так и экономичными.

● Благодаря этому он также может выдерживать более высокие давления наддува и выходную мощность, что делает его широко признанным в тюнинг-сообществе «трудоёмким» материалом.

4.Недостатки чугунных блоков цилиндров:

Хотя чугунный блок двигателя прочны и долговечны, у них есть и ограничения.

● Во-первых, они относительно тяжёлые. Чугун обладает высокой плотностью и значительно тяжелее блоков цилиндров из алюминиевого сплава, что увеличивает вес автомобиля, затрудняет движение на высоких скоростях и снижает топливную экономичность.

● Во-вторых, его теплоотдача хуже, чем у алюминиевого сплава, а низкая теплопроводность приводит к накоплению тепла в двигателе, что требует более сложной системы охлаждения для поддержания нормальной температуры.

● Кроме того, чугун склонен к ржавчине, особенно во влажной среде или при длительной эксплуатации. Для предотвращения коррозии требуется охлаждающая жидкость и защитное покрытие.

● Наконец, его характеристики теплового расширения значительно отличаются от характеристик других материалов. Если конструкция двигателя включает комбинацию нескольких материалов, необходимо принять дополнительные инженерные меры, иначе надежность может снизиться.

5.Типы материалов для чугунных блоков цилиндров

Распространённые материалы для чугунных блоков цилиндров включают серый чугун, ковкий чугун и чугун с вермикулярным графитом.

Серый чугун наиболее широко используется в традиционных двигателях благодаря своей низкой стоимости, отличным литейным свойствам и высокой размерной стабильности и остаётся наиболее распространённым материалом для блоков цилиндров.

Ковкий чугун, с другой стороны, обладает большей прочностью и вязкостью, что позволяет ему выдерживать более высокие давления сгорания. Вермикулярный чугун занимает промежуточное положение между этими двумя. Он прочнее серого чугуна и легче обрабатывается, чем ковкий чугун.

6.Какой метод литья обычно используется для производства чугунных блоков цилиндров двигателей?

(1) Литье в песчаные формы

Большинство чугунных блоков цилиндров двигателей отливаются методом литья в песчаные формы. Метод заключается в том, что сначала форма заполняется песком, затем форма извлекается, образуя две полуформы, которые затем объединяются в единую форму. Для формирования полостей, таких как поршневые отверстия и каналы для подачи воды внутри блока цилиндров, в полость формы также помещаются песчаные стержни. Затем в полость формы заливается расплавленный чугун. После охлаждения и затвердевания форма и стержень разбираются для получения цельного чугунного блока цилиндров. Этот процесс является недорогим и отработанным, он подходит для производства сложных конструкций и мелко- и среднесерийного производства.

(2) Литье в металлические формы (литье в постоянные формы)

Для литья в металлические формы используются прочные металлические формы, которые можно использовать многократно. При производстве чугунных блоков цилиндров расплавленный чугун заливается в металлическую форму, а полость формы заполняется под действием силы тяжести. По сравнению с литьем в песчаные формы, литой блок цилиндров имеет более точные размеры, более гладкую поверхность и более высокую производительность, что подходит для массового производства или блоков двигателей с высокими требованиями к точности размеров. Благодаря прочности и долговечности формы, многократное использование также может снизить долгосрочные производственные затраты.

7.Каковы различия и на что следует обратить внимание при изготовлении и обработке чугунных и алюминиевых блоков цилиндров?

Существуют некоторые очевидные различия между чугунными и алюминиевыми блоками цилиндров в процессе изготовления и обработки, а также моменты, требующие внимания:

(1) Литье

Чугун более чувствителен к технологии литья в песчаные формы и скорости охлаждения. Необходимо контролировать обработку высокопрочного чугуна, дегазацию и усадку, в противном случае вероятно возникновение дефектов. Алюминиевые блоки цилиндров, как правило, изготавливаются методом литья под давлением или литья под низким давлением, обладают низкой температурой плавления и хорошей текучестью. Необходимо уделять внимание равномерному заполнению и контролю пор.

(2) Механическая обработка

Чугун обладает высокой твердостью и стабильной обработкой резанием, но необходимо контролировать вибрацию во время обработки, иначе она может повлиять на точность обработки. Алюминий мягкий и легко налипает на нож. Для обеспечения плавной обработки и качества поверхности необходимо использовать специальные инструменты и корректировать такие параметры, как скорость резки и подача.

(3) Последующая обработка

Чугунный блок двигателя обычно подвергаются термической обработке, а внутренняя поверхность шлифуется или хонингуется для повышения износостойкости и точности размеров. Алюминиевые блоки цилиндров часто требуют установки гильз или специальной обработки поверхности цилиндра из-за их низкой износостойкости, например, хромирования, напыления или ионного осаждения для повышения износостойкости.

В целом, при производстве чугунных блоков цилиндров основное внимание уделяется прочности и износостойкости, а сам процесс отработан, но требования к охлаждению и контролю дефектов высоки; алюминиевые блоки цилиндров отличаются малым весом и точностью обработки, но требуют дополнительной обработки поверхности для обеспечения долговечности.

8.Каковы распространённые неисправности и виды отказов чугунных блоков цилиндров двигателей? Как их отремонтировать?

(1) Трещины в блоке цилиндров

Несмотря на прочность чугуна, блок цилиндров может треснуть при перегреве двигателя, замерзании охлаждающей жидкости или сильном ударе. Трещины часто приводят к утечке охлаждающей жидкости или масла. Для ремонта обычно используются профессиональные методы холодной сварки или пайки. В серьёзных случаях единственным вариантом является замена блока цилиндров.

(2) Износ гильзы цилиндра

Длительная эксплуатация, недостаточная смазка или наличие загрязнений ускоряют износ гильзы цилиндра, что приводит к угару масла и снижению мощности. Незначительный износ можно устранить хонингованием, а сильный износ требует замены гильзы цилиндра.

(3) Деформация цилиндра (отклонение, овализация)

Цилиндр может постепенно деформироваться под воздействием высокой температуры и давления, становясь овальным или смещенным, что приводит к снижению степени сжатия и снижению производительности двигателя. Метод ремонта заключается в расточке цилиндра и использовании поршня большего диаметра или повторной установке гильзы для восстановления формы.

(4) Повреждение резьбы цилиндра

Длительная разборка или чрезмерная затяжка приводят к соскальзыванию или срыву резьбы, что влияет на герметичность головки блока цилиндров. Метод ремонта обычно заключается в использовании резьбовых втулок или вставок для восстановления первоначальной герметичности.

9.Автомобили с чугунными блоками цилиндров

Чугунный блок двигателя по-прежнему обладают преимуществами в следующих областях применения. Обсуждение будет проходить по следующей логике: «Категория транспортного средства — Тип двигателя — Почему чугунный блок двигателя»:

● Тяжёлые грузовики и строительная техника — Рядные шестицилиндровые или дизельные двигатели V8 большого рабочего объёма — Эти двигатели работают под высокими нагрузками в течение длительного времени, требуя исключительной прочности и долговечности. Чугун обеспечивает отличную прочность на сжатие и длительный срок службы.

● Большие пикапы и полноразмерные внедорожники — Бензиновые или дизельные двигатели V8 большого рабочего объёма — Эти двигатели отличаются тягой и грузоподъёмностью. Чугунный блок двигателя обладают превосходной жёсткостью и выдерживают высокие крутящий момент и степень сжатия.

● Классические и модифицированные автомобили — Бензиновые двигатели V8 — Чугунный блок двигателя, как правило, проектируются на заводе и также предпочтительны для модернизации, поскольку сохраняют стабильность при высоком давлении наддува и менее подвержены растрескиванию и деформации.

● Коммерческие автомобили и спецтехника (крупнотоннажные грузовики, спецтехника) — рядные четырёх- и шестицилиндровые дизельные двигатели — работают в тяжёлых условиях и требуют длительного срока службы. Чугун обеспечивает отличную износостойкость, отработанные методы обслуживания и ремонта, а также более высокую надёжность.

10.Краткое содержание

В целом, несмотря на то, что блоки цилиндров из чугуна тяжелее и меньше рассеивают тепло, чем алюминиевые сплавы, они обладают значительными преимуществами в прочности, износостойкости и долговечности. Будь то тяжёлые автомобили, двигатели, подвергающиеся длительным высоким нагрузкам, или тюнинг-агрегаты, которым требуется высокое давление наддува и мощность, чугунный блок двигателя продолжают демонстрировать свою незаменимость. Именно поэтому они широко используются в современном автомобилестроении.

Выберите LVXUN в качестве производителя блоков цилиндров

Выбор LVXUN в качестве производителя блоков цилиндров — это больше, чем просто поиск поставщика запчастей; это приобретение надёжного и долгосрочного партнёра. Мы предлагаем:

Различные варианты материалов

Нужен ли вам чугунный блок цилиндров для высокой прочности и долговечности или блок из алюминиевого сплава для снижения веса и экономии топлива, мы можем удовлетворить ваши потребности.

Гибкие технологии литья

Мы предлагаем различные проверенные технологии, включая литье в песчаные формы, литье в металлические формы, литье под давлением, литье под низким давлением и литье под давлением, что позволяет нам разрабатывать оптимальные производственные решения для различных задач.

Обширный опыт производства

Благодаря многолетнему опыту, специализируясь на производстве блоков цилиндров, мы накопили обширные знания в области контроля технологического процесса и обработки, что гарантирует стабильность и надежность каждого изделия.

Строгий контроль качества

От литья до постобработки каждый этап проходит строгий контроль, чтобы гарантировать исключительную износостойкость, точность и стабильность блоков.

Выбрав нас, вы обеспечите не только надежное качество и производительность своей продукции, но и получите долгосрочное конкурентное преимущество на рынке.

Часто задаваемые вопросы:

Зачем красить блок цилиндров?

Покраска блока цилиндров в первую очередь защищает и повышает его производительность. Краска защищает от влаги, грязи и дорожной соли, предотвращая появление ржавчины и коррозии. Специальные покрытия также способствуют рассеиванию тепла, обеспечивая более стабильную работу двигателя в условиях высоких температур. Кроме того, окраска придает двигателю более аккуратный внешний вид и облегчает обнаружение утечек и трещин.

Долго ли служит чугунный двигатель?

Как правило, чугунный блок двигателя служат дольше, чем алюминиевые. Это объясняется тем, что чугун обладает более высокой усталостной прочностью и износостойкостью, лучше противостоит тепловому расширению и сжатию, вибрации и длительному износу. Следовательно, он, как правило, более долговечен в одинаковых условиях.

Могут ли чугунный блок двигателя треснуть? Почему они трескаются?

Чугунный блок двигателя могут треснуть. К распространённым причинам относятся чрезмерная термическая нагрузка от перегрева двигателя, усталость металла, вызванная частыми колебаниями температуры, внутренние дефекты литья (такие как точечные раковины, усадочные раковины и воздушные полости), ослабляющие конструкцию, а также механические удары или концентрация напряжений в области болтовых соединений. Трещины обычно появляются в слабых местах, таких как водосточные желоба, отверстия под болты или края камеры сгорания.

Каковы преимущества чугунных блоков при модификации (для повышения давления наддува и увеличения мощности)? Почему они так популярны среди энтузиастов?

Чугунные блоки обладают превосходной жёсткостью и устойчивостью к давлению, что делает их менее подверженными деформации и растрескиванию в условиях высокого давления наддува и сгорания, позволяя им выдерживать более высокую выходную мощность. Это обеспечивает больший запас прочности при модификации двигателя, делая их популярным выбором среди любителей мощных автомобилей.