Содержание
Определение ремонтных размеров шеек вала
При восстановлении вала способом ремонтных размеров следует определить ремонтные размеры шеек вала. При этом следует иметь в виду, что для подавляющего большинства двигателей, выпускаемых не менее пяти лет, можно найти вкладыши подшипников коленчатого вала с ремонтным уменьшением 0,25 и 0,50 мм. Для более старых двигателей часто имеются ремонтные размеры 0,75 мм, реже — 1,0 мм. Вкладыши следующих ремонтных размеров (1,25 и 1,50) встречаются редко. Для относительно новых двигателей вкладыши некоторых ремонтных размеров (обычно 0,25 и 0,50 мм) могут поставляться в запасные части от фирм-производителей автомобилей.
Перед определением ремонтного размера шеек коленчатого вала конкретного двигателя желательно располагать информацией о том, какие ремонтные вкладыши существуют и могут быть приобретены. Поэтому, например, не следует шлифовать вал в какой-либо ремонтный размер до момента получения (приобретения) необходимых вкладышей.
Учитывая, что все способы восстановления коленчатых валов уменьшают надежность их работы, желательно шлифовать вал в один из существующих ремонтных размеров, даже если этот размер соответствует последним ремонтам — 0,75 мм, 1,0 мм и более. К восстановлению шеек следует прибегать только при таких износах, когда последний ремонтный размер уже не проходит, а другого (в том числе, нового) вала приобрести не удается.
Зазор в подшипниках — величина, наиболее сильно влияющая на весь результат ремонта. Так, при зазоре 0,07+0,09 мм увеличивается шум двигателя, может упасть давление масла, что снизит ресурс. В то же время: зазор менее 0,03 мм становится опасен задирами и заклиниванием подшипника. Кроме того, меньший зазор требует , точности обработки постели, в то время как после подготовительной работы и, особенно, после непродолжительного и прогрева, геометрия постели уже не будет идеальной. Вследствие этого не следует стремиться к очень малым зазорам.
Измерение сопряженных деталей
Другой способ определения ремонтного размера предполагает последовательное измерение сопряженных деталей. Измеряется диаметр постели нутромером. Затем с помощью микрометра и шарика подшипника определяется толщина вкладыша. Измерения толщины вкладыша выполняются ближе к середине. следует учитывать отклонения формы постёли и зазор нигде не должен быть меньше 0,03 мм.
Следует отметить, что при измерениях постелей подшипников нередко оказывается, что их размер превышает уже заданный в литературе максимальный на 0,02 мм. Для шатунов это может быть исправлено обработкой отверстия постели в то же время как обработка постелей коренных вкладышей без специализированного оборудования проблематична. Небольшая их деформация, может быть компенсирована соответствующим незначительным увеличением диаметра вала. В любом случае все измененения размеров должны выполняться только после тщательных измерений, чтобы избежать ошибок, приводящих к недопустимому уменьшению зазоров в подшипниках.
Для сильно изношенных валов (износ шеек более 0,10-0,15 мм) определение ремонтного уменьшения диаметра шеек имеет особенности. Если вал не деформирован или правился, то основное внимание должно быть уделено шатунным шейкам. Так, максимально возможный ремонтный диаметр зависит от износа и овальности шейки. Практика показывает, что сильно изношенные шейки всегда овальны, причем максимальный износ наблюдается в направлении, близком к радиусу кривошипа. Например , максимальный износ шейки 0,15 мм, а овальность 0,1 мм то шейка вала пройдет в ремонтное уменьшение 025 мм. Биение коренных шеек вала еще больше усложняет подбор ремонтных размеров для шатунных шеек, исходя из условия сохранения хода поршня. Кроме того, после длительной эксплуатации двигателя и, особенно, серьезных повреждений шатунных шеек вал может иметь остаточное скручивание, когда, например, оси попарно расположенных шатунных шеек не совпадают. Чем сильнее износ и эллипсность шатунных шеек и чем меньше припуск на шлифование, тем, очевидно, сложнее обеспечить равенство радиусов кривошипа и общую ось парных шеек. На практике эти требования часто удается выполнить только при неоправданно больших ремонтных уменьшениях диаметров, а в некоторых случаях не удается вообще.
При сильном износе шатунной шейки и минимальном припуске на шлифование нередко приходится переходить на новую ось шейки, смещенную относительно старой на меньший радиус на величину, близкую к половине эллипса .
Обычно эта величина не превышает 0,1-0,3 мм, что является допустимым для всех типов двигателей легковых автомобилей (включая дизельные). Смещение более 0,3-0,5 мм может быть нежелательно для дизелей, это вызывает заметное снижение степени сжатия. Поэтому во всех случаях, когда обеспечить одинаковые радиусы кривошипов невозможно, следует стремиться к минимальной их разнице.
Вследствие деформации вала происходит увод осей шатунных шеек на различное расстояние от оси вращения вала. В результате деформации вала оси крайних шатунных шеек слабо отклоняются от своих прежних радиусов, в то время как оси средних шеек переходят на новые радиусы вращения (рисунок 3.3.19), если эти шейки находятся в плоскости деформации вала или рядом с ней (±30-40°). Шатунные шейки, расположенные в плоскостях, перпендикулярных плоскости деформации вала, смещаются в окружном направлении.
Рисунок 3.3.19 — Переход шатунных шеек на новые радиусы вращения при деформации вала:
а — деформированный вал; б — шейка имеет радиус вращения больше номинального.
На практике наиболее часто встречается случай, когда вал максимально деформируется по наиболее изношенной шейке, при этом направление биения коренных шеек получается к шатунной шейке (сжатие щек вала). Тогда происходит взаимная частичная компенсация износа и биения, в результате чего ремонтный диаметр можно сделать несколько больше.
Элементарный расчет показывает, что даже при не очень большом повреждении шатунной шейки из-за разрушения шатунного подшипника использовать ремонтное уменьшение -0,25 мм оказывается проблематично. Однако при оценке ремонтного уменьшения диаметров шеек необходимо ориентироваться в первую очередь на минимальный съем металла, а условия равенства радиусов кривошипов или общая ось попарно расположенных шеек второстепенны, но весьма желательны, особенно с точки зрения уравновешенности вала.
Если деформированный вал не правится, то часто наблюдается следующая картина. После разрушения крайнего шатунного подшипника образуется деформация вала у этой шейки в плоскости вала. Поскольку износ шейки имеет односторонний характер (сверху), он частично компенсируется биением. В то же время биение средних шеек может оказаться таким, что уже именно они будут определять ремонтное уменьшение размера. У валов шести и восьмицилиндровых двигателей наблюдается более сложная картина, поскольку их шатунные шейки не лежат в одной плоскости. Таким образом, ремонт деформированных валов без применения правки представляет собой достаточно сложную техническую задачу.
В зависимости от деформации (биения) вала способы ремонта будут следующими:
1)биение до 0,08-^0,10 мм — традиционный ремонт — шлифование всех шеек в ремонтный размер 0,25 или 0,50 мм, возможно исправление передней центровой фаски; биение 0,10-0,20 мм — шлифование в ремонтный размер 0,25+0,50 мм, возможна наварка (наплавка) хвостовика и шлифовка от новой базы, не исключена необходимость шлифования торцевых поверхностей вала, балансировка;
2)биение 0,20-0,40 мм и более аналогично, но ремонтный размер шеек вала -0,50 мм или больше, возможна наварка (наплавка) коренных шеек с биением более 0,40 мм, обязательны наварка хвостовика, шлифование торцевых поверхностей, балансировка.
У многих двигателей на коленчатых валах применяются фланцевые коренные вкладыши, выполненные за одно целое с упорными полукольцами. В ремонт такие вкладыши нередко поставляются с увеличенным расстоянием между торцами (для некоторых двигателей есть варианты как с увеличенной, так и со стандартной шириной), что предполагает шлифование торцевых поверхностей соответствующей коренной шейки вала. Обычно увеличение размера между торцами в два раза меньше, чем уменьшение диаметра, например, для вкладышей 0,25 мм торцевой размер увеличивается на 0,10-0,15 мм, а для 0,5 мм — на 0,20-0,25 мм.
Для двигателей с упорными полукольцами, выполненными отдельно от коренных вкладышей, упорные полукольца не входят в ремонтный комплект и должны быть заказаны отдельно. Для некоторых двигателей поставляются также упорные полукольца увеличенной толщины.
Ремонтное увеличение толщины упорных подшипников обеспечивает возможность исправления биения, кругов; скол и царапин на опорных поверхностях вала при его ремонте. В практике ремонта встречаются ситуации очень большого износа задней поверхности упорного подшипника коленчатого вала (более 0,8-1,0 мм). Обычно это является следствием остаточной смазки при сильной нагрузке на упорный подшипник со стороны сцепления. Одним из немногих возможных способов ремонта вала с таким повреждением является растачивание торца на токарном станке. После токарной обработки упорная поверхность полируется. Далее в расточку вставляются дополнительные полукольца после чего вал с полукольцами устанавливается в блок. В данном варианте ремонта дополнительные "плавающие" полукольца позволяют использовать обычные вкладыши с фланцами или двойные стандартной толщины полукольца на расточенном упорном торце коленчатого вала, не прибегая к специальным нестандартным полукольцам увеличенной толщины.
Рисунок 3.3.20 — Конструкция ремонтного упорного подшипника коленчатого вала:
1— дополнительные полукольца, установленные в расточку на поврежденном торце коленчатого вала;2— штатный вкладыш с упорными
полукольцами
Рисунок 3.3.21 — Растачивание поврежденной упорной поверхности коленчатого вала
Чтобы исключить или максимально ограничить деформацию вала после ремонта, рекомендуются следующие операции:
1.Предварительная термообработка перед шлифованием выдержка при 180°С в течение 3-4 часов с медленным охлаждением.
2.Шлифование коренных шеек только после шлифовании шатунных.
3.Термообработка после шлифования шатунных шеек перед шлифованием коренных.
Очевидно, выполнение подобных операций сопряжено с большими затратами времени и необходимостью применения специального термического оборудования.
Поскольку это не всегда реально сделать, можно упростить технологию ремонта, применив специальный порядок шлифования вала:
1.Предварительное шлифование коренных шеек но с припуском не менее 0,1 мм для окончательной обработки.
2.Шлифование шатунных шеек.
3.Выдержка в течение нескольких часов, контроль деформации вала (на призмах по индикатору)
Коленчатый вал — деталь (или узел деталей в случае составного вала) сложной формы, имеющая шейки для крепления шатунов, от которых воспринимает усилия и преобразует их в крутящий момент. Составная часть кривошипно-шатунного механизма (КШМ).
Содержание
История [ править | править код ]
Впервые столь важную механическую деталь как коленчатый вал описал и сконструировал средневековый учёный Аль-Джазари в Османской империи в 13 веке. В 1206 году в трактате «Китаб фи марифат аль-хиял аль-хандасийя» (Книга знаний об остроумных механических устройствах) описан механизм вала.
Основные элементы коленчатого вала [ править | править код ]
- Коренная шейка — опора вала, лежащая в коренном подшипнике, размещённом в картере двигателя.
- Шатунная шейка — опора, при помощи которой вал связывается с шатунами (для смазки шатунных подшипников имеются масляные каналы).
- Щёки — связывают коренные и шатунные шейки.
- Передняя выходная часть вала (носок) — часть вала на которой крепится зубчатое колесо или шкив отбора мощности для привода газораспределительного механизма (ГРМ) и различных вспомогательных узлов, систем и агрегатов.
- Задняя выходная часть вала (хвостовик) — часть вала соединяющаяся с маховиком или массивной шестернёй отбора основной части мощности.
- Противовесы — обеспечивают разгрузку коренных подшипников от центробежных сил инерции первого порядка неуравновешенных масс кривошипа и нижней части шатуна.
Материал и способы получения заготовок для коленчатых валов [ править | править код ]
Коленчатые валы изготовляют из углеродистых, хромомарганцевых, хромоникельмолибденовых, и других сталей, а также из специальных высокопрочных чугунов. Наибольшее применение находят стали марок 45, 45Х, 45Г2, 50Г, а для тяжело нагруженных коленчатых валов дизелей — 40ХНМА, 18ХНВА и др [1] . Преимуществом стальных валов является наивысшая прочность, возможность получения высокой твёрдости шеек азотированием, чугунные валы — дешевле.
Заготовки стальных коленчатых валов средних размеров в крупносерийном и массовом производстве изготовляют ковкой в закрытых штампах на молотах или прессах, при этом процесс получения заготовки проходит несколько операций. После предварительной и окончательной ковки коленчатого вала в штампах производят обрезку облоя на обрезном прессе и горячую правку в штампе под молотом.
В связи с высокими требованиями механической прочности вала большое значение имеет расположение волокон материала при получении заготовки во избежание их перерезания при последующей механической обработке. Для этого применяют штампы со специальными гибочными ручьями. После штамповки перед механической обработкой, заготовки валов подвергают термической обработке — нормализация — и затем очистке от окалины травлением или обработкой на дробеметной машине.
Литые заготовки коленчатых валов изготовляют обычно из высокопрочного чугуна, модифицированного магнием. Полученные методом прецизионного литья (в оболочковых формах) валы по сравнению со «штампованными» имеют ряд преимуществ, в том числе высокий коэффициент использования металла и хорошее демпфирование крутильных колебаний, позволяющее часто отказаться от внешнего демпфера на переднем носке вала. В литых заготовках можно получить и ряд внутренних полостей при отливке [2] .
Припуск на обработку шеек чугунных валов составляет не более 2,5 мм на сторону при отклонениях по 5-7-му классам точности. Меньшее колебание припуска и меньшая начальная неуравновешенность благоприятно сказываются на эксплуатации инструмента и «оборудования», особенно в автоматизированном производстве.
Правку валов производят после нормализации в горячем состоянии в штампе на прессе после выемки заготовки из печи без дополнительного подогрева.
Масляные отверстия в коленвалах соединяют обычно соседние коренную и шатунную шейку, и выполняются сверлением. Отверстия в щёках при этом зачеканиваются либо закрываются пробками на резьбе.
Крупноразмерные коленчатые валы, такие как судовые, а также коленвалы двигателей с туннельным картером являются разборными, и соединяются на болтах. Коленвалы могут устанавливаться не только на подшипниках скольжения, но и на роликовых (шатунные и коренные), шариковых (коренные в маломощных моторах). В этих случаях и к точности изготовления, и к твёрдости предъявляются более высокие требования. Такие валы всегда изготовляют стальными.
Механическая обработка коленчатых валов [ править | править код ]
Сложность конструктивной формы коленчатого вала, его недостаточная жесткость, высокие требования к точности обрабатываемых поверхностей вызывают особые требования к выбору методов базирования, закрепления и обработки вала, а также последовательности, сочетания операций и выбору оборудования. Основными базами коленчатого вала являются опорные поверхности коренных шеек. Однако далеко не на всех операциях обработки можно использовать их в качестве технологических. Поэтому в некоторых случаях технологическими базами выбирают поверхности центровых отверстий. В связи со сравнительно небольшой жесткостью вала на ряде операций при обработке его в центрах в качестве дополнительных технологических баз используют наружные поверхности предварительно обработанных шеек.
При обработке шатунных шеек, которые в соответствии с требованиями технических условий должны иметь необходимую угловую координацию, опорной технологической базой являются специально фрезерованные площадки на щеках [3] . По окончании изготовления коленчатые валы обычно подвергают динамической балансировке в сборе с маховиком (автомобильные двигатели).
В большинстве случаев коленчатые валы предусматривают возможность их перешлифовки на ремонтный размер (обычно 4-6 размеров, ранее было до 8). В этом случае коленвалы шлифуют вращающимся наждачным кругом, причём вал проворачивается вокруг осей базирования. Конечно, эти оси для коренных и шатунных шеек не совпадают, что требует перестановки. При перешлифовке требуется соблюсти межцентровое состояние, и согласно инструкции, валы после шлифовки подлежат повторной динамической балансировке. Чаще всего это не выполняют, потому отремонтированные двигатели часто дают большую вибрацию. При шлифовании важно соблюсти форму галтелей, и ни в коем случае не прижечь их. Неправильная обработка галтелей часто приводит к разрушению коленчатого вала.
Термическая и химико-термическая обработка валов [ править | править код ]
Коленчатые валы для увеличения прочности и износостойкости шеек подвергают термической, а иногда и химико-термической обработке: закалка ТВЧ, азотирование, закалка поверхностного слоя (стали регламентируемой прокаливаемости 55ПП, 60ПП). Получаемая твёрдость зависит от количества углерода (закалка ТВЧ, обычно не более 50..55 HRC), либо вида ХТО (азотирование даёт твёрдость 60 HRC и выше) [1] . Глубина закалённого слоя шеек позволяет обычно использовать 4-6 промежуточных ремонтных размеров шеек вала, азотированные валы не шлифуют. Вероятность задира шейки с ростом твёрдости значительно снижается.
При ремонте коленчатых валов используются также методы напыления, в том числе — плазменного. При этом твёрдость поверхностного слоя может повышаться даже выше заводских значений (для закалки ТВЧ), а заводские диаметры шеек восстанавливают до нулевого размера.
Неисправности [ править | править код ]
При эксплуатации из-за разных причин могут наблюдаться такие неисправности:
- износ вала по коренным или шатунным шейкам;
- изгиб;
- разрушение вала [4] ;
- износ посадочных поверхностей под маховик, сальник (сальники), переднюю шестерню.
При износе шеек выше допустимого или незначительном изгибе, устранимом перешлифовкой, коленчатый вал обрабатывают под следующий ремонтный размер. Однако при больших задирах (например, при выплавлении вкладышей с проворотом) иногда перешлифовывают "через размер", т.е. сразу на 2 размера. Все коренные шейки, а также все шатунные шлифуют в один размер — например, коренные могут быть 2-го ремонтного размера, а шатунные 3-го, в любой комбинации размеров. Коленчатые валы с подшипниками качения и азотированные перешлифовке не подлежат.
Однако руководства по армейскому полевому ремонту (двигатели боевых машин) обычно предписывают индивидуальный ремонт, поэтому шатунные/коренные шейки могут иметь разный диаметр после шлифовки, и даже не иметь стандартного ремонтного размера(!). Вкладыши при этом растачиваются парами, используются заготовки с минимальным внутренним диаметром. Плюсом является наивысшая скорость починки и унификация запчастей (вкладыши).
Разрушение вала происходит от усталостных трещин [4] , возникающих иногда из-за прижога галтелей при шлифовке. Трещины развиваются в некачественном материале (волосовины, неметаллические включения, флокены, отпускная хрупкость) либо при превышении расчётных величин крутильных колебаний (ошибки при проектировании, самостоятельная форсировка по числу оборотов дизеля). Возможна поломка по причине превышения числа оборотов, отказе демпфера, заклинивания поршня [5] . Сломанный вал ремонту не подлежит. При износе посадочных поверхностей могут применяться электрохимическая обработка, плазменная или электродуговая наплавка поверхностей, а также другие решения.
Для производства коленчатых валов используются легированная сталь либо чугун, отличающиеся высоким уровнем прочности. Однако со временем в процессе эксплуатации устройств появляются дефекты.
Знание ремонтных размеров коленвалов требуется при выполнении ремонта. Это максимальные параметры, до которых допустимо уменьшать толщину шеек элемента, не опасаясь снизить прочность детали.
В связи со свойством шейки взаимодействовать с подшипниками для них производителями предусмотрены специальные вкладыши.
Царапины на шеях – самые распространённые виды повреждений, которые встречаются чаще всего. Их не следует принимать за трещинки, появляющиеся из-за вялости металла. Появление таких дефектов – главная причина замены детали.
Царапинки на шеях образуются в процессе длительной эксплуатации устройства. Также причиной их появления является засорение масла посторонними частичками.
При выполнении шлифовки шейки вала следует предварительно подготовить вкладыши. Если ремонтные работы выполняются впервые, то допустимо уменьшение на 0,25 миллиметров. При дальнейшем ремонте разрешается изменение на 0,5, 0,75 и 1 миллиметр. Здесь следует использовать вкладыши. Если возникает необходимость ремонта при следующем использовании оборудования, то значительно возрастает риск полного разрушения вала при выполнении работ. В связи с этим найти вкладыши с параметрами 1,25 и 1,5 практически невозможно.
Ремонт следует начинать со шлифовки шейки основания, и только после этого переходить к шатунным элементам.
