Почему 15W-40 при −35 °C не спасает подшипники, а 0W-30 спасает? Выбирай масло, грей и морози его, нагружай вал и смотри, когда масляный клин прорывается и металл касается металла.
Любая гладкая на вид поверхность под микроскопом похожа на горный хребет: выступы высотой около микрометра. Если две такие поверхности прижать и сдвинуть, выступы цепляются, рвутся и нагреваются. Это износ и задир. Масло нужно, чтобы между поверхностями всегда оставался слой жидкости толще этих выступов.
Толщину слоя задает вязкость: насколько масло густое. Горячее масло жидкое, холодное густое, и меняется оно в тысячи раз. Слишком жидкое масло выдавливается из зазора, и металл касается металла. Слишком густое не проходит по каналам при холодном пуске. Поэтому масла делят на классы вязкости и добавляют в них присадки, которые защищают металл там, где пленка все-таки прорвалась.
ⓘ Подшипник: вал диаметром 60 мм, втулка шириной 25 мм, радиальный зазор 30 мкм, как у коренного подшипника дизеля. Шероховатость двух поверхностей вместе σ = 0,6 мкм.
Первая формула отвечает, какой будет вязкость при любой температуре, если известны две точки из паспорта масла. Вторая показывает, хватит ли этой вязкости, чтобы удержать вал. Третья дает одно число, по которому сравнивают масла. Числа берутся из опыта, а карточка, которая сейчас решает исход опыта, подсвечена.
Как вязкость зависит от температуры?
Формула Уолтера (стандарт ASTM D341). В таких координатах вязкость любого нефтяного масла ложится на прямую. Две точки из паспорта, при 40 и 100 °C, задают A и B.
Какой толщины будет пленка?
Вращаясь, вал затягивает масло в сужающийся зазор, и там растет давление. Вал опускается до тех пор, пока давление в клине не уравновесит нагрузку. Чем гуще масло и быстрее вал, тем меньше ему нужно опуститься.
Насколько масло боится холода и жары?
Масло сравнивают с двумя эталонами, у которых та же вязкость при 100 °C. Плохой эталон сильно густеет на холоде, ему дали 0. Хороший густеет слабо, ему дали 100.
Всесезонное масло делают из жидкой основы, которая хорошо прокачивается на морозе, и добавляют в нее длинные молекулы полимера, загущающую присадку. В холодном масле молекула полимера свернута в плотный клубок и почти не мешает течь. В горячем масле она разворачивается, занимает больше места и тормозит течение. Получается, что присадка сильнее загущает масло именно тогда, когда основа становится слишком жидкой. Поэтому прямая на графике вязкости у 5W-40 идет положе, а индекс вязкости выше.
У этой хитрости есть цена. В зазоре подшипника и в шестернях длинные молекулы рвутся, и масло со временем теряет часть вязкости. А когда антиокислительная присадка израсходована, масло окисляется, в нем появляются кислоты и смолы, и оно, наоборот, густеет. Поэтому масло меняют по анализу или по моточасам, даже если оно еще выглядит нормально.
Коренные и шатунные подшипники коленвала работают на масляном клине. Дизельные масла 15W-40 и 10W-40 выбирают так, чтобы горячая пленка оставалась толще шероховатости даже при полной нагрузке и малых оборотах.
При −35 °C масло 15W-40 уже не прокачивается, и первые секунды подшипники работают почти без масла. Поэтому зимой ставят 5W-40 или 0W-40, подогревают картер и не дают нагрузку, пока масло не прогрелось.
Насос гидросистемы не любит слишком густое масло: на холоде он недосасывает и шумит. Летом берут ISO VG 46 или 68, зимой VG 32 или всесезонное масло с высоким индексом вязкости, а систему прогревают на холостом ходу.
В зубчатом зацеплении пленка очень тонкая, и там работают противозадирные присадки с серой и фосфором. Они реагируют с горячим металлом в точке контакта и образуют мягкий слой, который срезается вместо самого зуба.
Лаборатория меряет вязкость при 100 °C, щелочное число TBN, окисление, воду, сажу и металлы износа. Если вязкость ушла больше чем на 20% или TBN упало вдвое, масло меняют, а по металлам находят изнашивающийся узел.
Шарниры ковша, пальцы стрелы и подшипники колес смазывают густой смазкой: масло, удержанное загустителем из мыла лития или кальция. Централизованная система сама подает ее порциями, и на морозе тоже нужна смазка низкотемпературного класса.
Вязкость масел посчитана по формуле Уолтера через типичные паспортные значения при 40 и 100 °C. Ниже 0 °C в масле растут кристаллы парафина, и прямая Уолтера занижает вязкость, поэтому для всесезонных масел холодный участок кривой проведен через предел прокачиваемости по SAE J300 (60 000 мПа·с при −40 °C для 0W, −35 °C для 5W и так далее), для летнего SAE 30 через типичную температуру застывания около −18 °C. Для гидравлики предел пуска насоса взят 1600 мм²/с, для трансмиссионного масла 150 000 мПа·с по SAE J306. Пленка посчитана по теории короткого подшипника Оквирка: подшипник круглый, масло подается всегда в достатке, если прокачивается, температура масла в зазоре одинаковая, нагрев от трения не учтен. Старение масла задано простой моделью: присадки расходуются с постоянной скоростью, загущающая присадка теряет до 10% вязкости за первые сотни часов, после выработки антиокислителя масло густеет. Реальные скорости зависят от двигателя, топлива и пыли, поэтому настоящий интервал замены определяют по анализу масла.