УДК 621.4

МЕТОДЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

 
METHODS FOR RESTORING CRANKSHAFT OF AUTOMOBILE ENGINES

 

Прохоров Д.Г.,  Макаров И.Д., Яковлев Д.Д.

(Орловский государственный университет им. И.С. Тургенева, г.Орёл, РФ)

Prokhorov D.G., Makarov I.D., Yakovlev D.D.
(Oryol State University named after I.S. Turgenev, Oryol, Russia)

 

В статье рассмотрены основные характеристики коленчатых валов автомобильных двигателей, исследованы причины поломок, а также представлены методы восстановления.

       The article describes the main characteristics of the crankshafts of automobile engines, investigated the causes of breakdowns, and also presents methods of restoration. 

   

Ключевые слова: коленчатый вал, восстановление, метод, двигатель

Key words: crankshaft, restoration, method, engine

 

Для современной техники характерна дальнейшая интенсификация режимов работы машин, что приводит к значительному увеличению нагрузок на рабочую поверхность деталей, узлов и, особенно, подвижных сопряжений (узлов трения).

Основной причиной отказов в работе машин является не их поломка, а износ рабочих поверхностей, что обусловливает актуальность проблемы надежности и увеличения ресурса деталей [1].

В связи с истощением природных минеральных ресурсов проблема переработки и дальнейшего использования отходов автомобильного производства, а также восстановления изношенных деталей становится все более актуальной [2-5].

Применительно к автомобильным деталям коленчатый вал является самой дорогостоящей либо второй по величине стоимости деталью. На ремонт автомобильной и сельскохозяйственной техники приходится до 70% затрат. Предельные износы 85% деталей не превышают 0,3 мм, причем многие из них имеют остаточные ресурсы 60% и более и только 20% деталей автомобилей и тракторов, поступающих в ремонт, подлежат окончательной выбраковке. Остальные можно восстановить, причем себестоимость восстановления составит 15...70% от себестоимости изготовления [1,6].

Как показывает практика, малогабаритные коленчатые валы, дешевле заменить на новые, а крупногабаритные экономичней восстанавливать в этом случае восстановление позволяет получить значительную экономию материальных, производственных и трудовых ресурсов. В связи с этим повышение технологического обеспечения качества восстановления коленчатого вала на основе комплексного изучения базовой операции металлопокрытия, служащей для формирования вторичной заготовки восстанавливаемой детали, и дальнейшей механической обработки явилось актуальной задачей [1].

Коленчатые валы автомобильных двигателей изготавливают из углеродистых и легированных сталей или из высокопрочного магниевого чугуна. Коренные и шатунные шейки подвергаются закалке ТВЧ на глубину 1,5 3 мм, твердость шеек HRС 50 62 [7].

 

Таблица 1 – Основные характеристики коленчатых валов

Модель

двигателя

Материал

коленчатого вала

Термообработка

Твердость

шеек НRС

Твердость

заготовки НВ

ЗИЛ-130

Сталь 45 селект.

Закалка ТВЧ

56 - 62

170-207

ЗМЗ-53

Магниевый чугун

Тоже

40-55

207-255

ЯМЗ-236

Сталь 50Г

Тоже

52-62

229-270

ВАЗ-2108

Высокопрочный чугун

Тоже

50-55

235-265

КамАЗ-740

Сталь 42

ХМФА4Н

Тоже

56-62

167-212

 

В процессе работы на коленчатый вал воздействуют силы трения, вибрации, знакопеременные нагрузки, среда и др. Это вызывает (см. рис. 1) износ шатунных и коренных шеек (износ до 0,1 мм), они изнашиваются неравномерно: по длине принимают форму конуса, по диаметру овала (нецилиндричность до 0,08 мм); нарушение качества поверхности шеек (задиры, риски, коррозия); механические повреждения (трещины, дефекты резьб); прогиб коленчатого вала (биения до 0,150 мм); износ отверстий во фланце под подшипник ведущего вала коробки передач. Прогиб коленчатого вал, а приводит к нарушению перпендикулярности оси вала к оси цилиндра, вследствие чего условия смазки сопряженных поверхностей ухудшаются, масляная пленка на трущихся поверхностях разрушается, появляется граничное или сухое трение [8].

Изучение причин поломок коленчатых валов показывает, что в большинстве случаев они являются следствиями усталости материала детали или наличия в ней внутренних напряжений. Внутренние напряжения могут возникнуть из-за контраста температур при наплавочной операции технологического процесса восстановления крупногабаритного коленчатого вала дизельного двигателя или из - за высоких температур, воздействующих на металлопокрытие коленчатого вала при его черновой обработке шлифованием [8].

Возникающие дефекты устраняют обработкой шеек под ремонтный размер (РР) шлифованием с последующим полированием, различными видами наплавок или плазменным напылением. Прогиб вала устраняют пластическим деформированием (правкой).

Основные методы восстановления валов, применяемые в авторемонтном производстве можно условно разделить на методы позволяющие восстановить номинальный размер и исходную геометрию вала и методы, использующие восстановление под «ремонтный размер», то есть под размер, для которого существует возможность применения «ремонтных» деталей [9].

 

1 – изгиб вала; 2 – износ наружной поверхности фланца; 3 – биение торцевой поверхности фланца; 4 – износ маслосгонных канавок: 5 – износ отверстия под подшипник; 6 – износ отверстий под болты крепления маховика; 7 – износ коренных и шатунных шеек; 8 – износ шейки под шестерню и ступицу шкива;9 – износ шпоночной канавки по ширине; 10 – увеличение длины передней коренной шейки; 11 – увеличение длины шатунных шеек

Рисунок 1 – Основные дефекты коленчатого вала на примере двигателя ЗИЛ-130

 

Восстановление посадочных поверхностей валов под номинальный размер может осуществляться следующими методами [7 - 9]:

1.   Напыление представляет собой нанесение под высоким давлением воздуха расплавленного металла на поверхность вала. По способу расплавления металла различают электродуговое, газопламенное, высокочастотное, плазменное и детонационное напыление. Наполненное таким образом покрытие имеет низкую прочность сцепления с основой, но при этом не происходит высокого нагрева поверхности, изменения структуры материала детали, не возникает коробление, не снижается усталостная прочность.

Нанесение покрытий методом плазменного напыления является разновидностью газотермических покрытий (детонационное, газоплазменное, электродуговая металлизация, плазменное напыление / наплавка).

https://cdn.turkaramamotoru.com/ru/plazmennoe-napylenie-7767.jpg

 

Рисунок 2 – Напыление под высоким давлением

 

2.   Наплавка. В отличие от напыления наплавка осуществляется путем формирования слоя металла, расплавляемого непосредственно на поверхности вала или оси. Различают наплавку под слоем флюса, в среде защитных газов, газовую, вибродуговую и электродуговую. Можно наносить слои металла практически любой толщины, нанесенный слой отличается высокой твердостью, но при этом происходит сильный нагрев вала, вызывающий коробление и изменение структуры поверхностного слоя металла, появляются затруднения в последующей механической обработке осажденного слоя ввиду его высокой твёрдости.

Рисунок 3 – Наплавка шатунных и коренных шеек коленчатого вала

 

3.   Термопластическое деформирование представляет собой изменение геометрических размеров оказывая механическое воздействие (осадка, вытяжка, высадка, протяжка, правка и так далее) на предварительно разогретую деталь. Таким методом можно проводить правку осевых деформаций валов, а также устранять некоторые погрешности формы поверхностей. Способ весьма ограничен в применении из-за его технологического несовершенства и трудностями в обеспечении требуемых результатов.

4.   Гальваническое осаждение представляет собой формирование слоя металла на восстанавливаемой поверхности путем электрохимического осаждения из электролита. Способ обладает рядом преимуществ, такими как отсутствие нагрева детали, возможность нанесения слоя любого металла или их комбинации с заданными свойствами и требуемой толщины, возможность нанесения слоев металла с различными свойствами.

5.   Полимерно-композитными материалами – формируется на предварительно подготовленной восстанавливаемой поверхности слой полимерной композиции с последующим ее отверждением. Отремонтированные коленчатые валы должны отвечать техническим условиям [9]

6.   Процесс электроконтактной приварки (ЭКП) является наиболее производительным и экономичным способом сварки, с помощью которой можно соединять между собой большинство известных металлов и сплавов. Основными ее преимуществами являются: концентрированное выделение тепла, вследствие его нагрев свариваемых металлов распространяется на сравнительно малую глубину; большая скорость нарастания температуры, которая позволяет соединять между собой металлы с резко различными теплофизическими свойствами; точное дозирование выделяемой энергии, обеспечивающее стабильность процесса; высокая производительность; универсальность; экологичность и благоприятные санитарно - производственные условия. В области ремонта сельскохозяйственной техники известны научные работы, в которых решены различные задачи с использованием электроконтактной приварки стальной ленты. Однако при реализации данного способа возможно возникновение дефектов при формировании покрытия в виде микротрещин и трещин на поверхности покрытия, выплесков привариваемого слоя, недостаточной прочности соединения покрытия с основным металлом и других составляющих процесса. Предупредить данные дефекты покрытий из металлических лент возможно путем их ЭКП через промежуточный слой, который может выполнять самые разнообразные функции: снижать химическую неоднородность в зоне соединения; снижать остаточные напряжения и устранять влияние различия в значениях коэффициента линейного теплового расширения свариваемых материалов; предотвращать их пластическую деформацию; существенно снижать основные параметры режима ЭКП (сварочное давление, сила тока и время импульса) при одновременном обеспечении высокой прочности соединений, что имеет наиболее важное значение.

Технологическая схема процесса формирования покрытий ЭКП металлической ленты через промежуточный слой существенно не отличается от существующих методов ЭКП, несмотря на их существенное различие, поэтому далее внимание будет уделено вопросам контролю, подготовки металлической ленты, промежуточного слоя и восстанавливаемой цилиндрической поверхности их ЭКП, а также качеству приваренного покрытия. Широкая номенклатура предлагаемых материалов позволяет выбирать для ЭКП марку ленты, исходя из существующих рекомендаций на восстановление деталей машин сельскохозяйственной техники в зависимости от условий эксплуатации. Далее приготовленные заготовки из лент очищают от грязи, масел, оксидов и гидрооксидов механическими, химическими, вибрационными, ультразвуковыми, дробеструйными и другими методами, так как наличие загрязнений и окисных пленок в зоне соединения влечет за собой снижение прочностных и других характеристик соединяемых материалов. На привариваемую поверхность ленты, подготовленную к ЭКП, не допускается попадание масла, пыли, влаги и образования на ней конденсата. Промежуточный слой - металлический порошок. Порошки характеризуются размером частиц - средним либо предельными размерами фракции, типичные значения которых лежат в пределах 1…50 мкм. Они могут отличаться по форме и методу изготовления, а также зависят от фирмы-производителя. Промежуточный слой - аморфная лента, новый класс материалов, обладающих высокими физико-механическими и химическими свойствами (табл. 2).

 

Таблица 2 – Основные физико-механические и химические свойства материалов

Производитель

Наименование

Толщина, мкм

МИФИ-АМЕТО, Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, Москва

СТЕМЕТ:

на основе меди — 1101

на основе титана — 1201, 1202 на основе циркония — 1409 на основе никеля — 1301, 1311

 

30…50

40…60

40…60

 

До…60

Научно-производственное предприятие ГАММАМЕТ,

г. Екатеринбург

СПАЙМЕТ:

на основе меди — СМ701; СМ710; на основе никеля — СМ610; СМ621

20…50

ОАО МСТАТОР,

Новгородская область, г. Боровичи

 

АМАГ

 

15…30

 

Заготовки из аморфных лент для промежуточного слоя вырезают по аналогии с металлическими лентами. Подготовка восстанавливаемой цилиндрической детали для ЭКП включает в себя правку центровых фасок на токарном станке центровой зенковкой или резцом, шлифовании шеек на круглошлифовальном станке до диаметра шеек меньше номинального на 0,3 мм и чистоты поверхности не ниже 7-го класса (Ra ≈ 1,6 мм), мойку и сушку. Материалы для восстановления деталей ЭКП существенно отличаются друг от друга по составу и физико-химическим свойствам, поэтому они требуют различного подхода при решении задач, связанных с ЭКП, выбором режимов ЭКП.

Электроконтактная приварка лент из углеродистой и низколегированной стали из-за их дешевизны широко используется в технологических процессах восстановления деталей из углеродистой стали и чугуна, не подверженных ударным и вибрационным нагрузкам, производится через промежуточный слой из порошка на основе высокопрочного или пластичного модифицированного чугуна, а также через промежуточный слой из аморфной ленты на медной основе.

По результатам испытаний отмечено, что ресурс восстановленных деталей находится на уровне новых.

                       овальность и конусность коренных и шатунных шеек не должна превышать по длине шейки 0,02 мм (ЗИЛ 130) и 0,01 мм (КамАЗ 740, ВАЗ);

                       биение вала по средней шейке должно быть не более 0,05 мм (ЗИЛ130) и 0,03 мм (КамАЗ 740, ВАЗ);

                       шероховатость поверхностей шеек должна Ra = 32 мкм (ЗИЛ 130) или Rа = 0,16 мкм (КамАЗ 740);

                       одноименные шейки должны быть прошлифованы под один ремонтный размер;

                       радиус кривошипа должен быть в пределах 47,5±0,08 мм (ЗИЛ 130) и 60,0±0,05 мм (КамАЗ 740).

Таким образом можно сделать вывод, что малогабаритные коленчатые валы, дешевле заменить на новые, а крупногабаритные экономичней восстанавливать. этом случае восстановление позволяет получить значительную экономию материальных, производственных и трудовых ресурсов. Себестоимость восстановления составит 15...70% от себестоимости изготовления. Также исследованы технические условия, которым должны соответствовать отремонтированные коленчатые валы.

Список использованных источников

1.    Технологическое обеспечение качества восстановленных коленчатых валов дизельных двигателей / А.С.Денисов, В.В. Погораздов, Б.Ф. Тугушев, Е.Ю. Горшенина // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. № 4 (49). C. 49-54.

2.    Новиков Е.П.  Методы переработки алюминиевых отходов автомобильного производства //Будущее науки - 2015 : сб. науч. статей  3-й Межд. науч.- практ. конф. в 2 томах (Том 2). Курск: ЮЗГУ, 2015. С.287–293.

3.    Новиков Е.П. К вопросу о переработке алюминиевых отходов электроэрозионным диспергированием / Е.П. Новиков, Е.В. Агеев, А.Д. Сытченко //Современные материалы, техника и технологии: науч.- практ. журнал №1. Курск: ЮЗГУ, 2015. С.168-173.

Новиков Е.П. Изучение формы и морфологии порошка, полученного из отходов алюминия методом электроэрозионного диспергирования / Е.П. Новиков, Е.В. Агеева, Д.А. Чумак-Жунь// Известия ЮЗГУ. Серия: техника и технологии. 2015. №4 (17).

4.    Новиков Е.П. Технология переработки алюминиевых деталей автомобилей до микро и нанофракций / Е.П. Новиков, Е.В. Агеев, А.Ю. Алтухов // Альтернативные источники энергии в транспортно-технологическом комплексе : сб. науч. трудов по материалам ежегод. конф. Выпуск 2. Воронеж, 2015. С.328-333.

5.    Агеева Е.В. Повышение качества ремонта и восстановления деталей современных транспортных систем / Е. В. Агеева, Е. В. Агеев // Известия ТулГУ. Серия: Технические науки.  2011. Вып. № 3. С.503–509.

6.    Горшенина Е.Ю. Двухпроволочная наплавка коленчатых валов / Е. Ю. Горшенина, Б. Ф. Тугушев // Молодые ученые – науке и производству: сб. науч. тр. / Сарат. гос.техн. ун-т.  Саратов, 2007. С.34–38.

7.    Коршунов В.Я. Оценка энергетической эффективности способов восстановления шеек коленчатых валов при ремонте двигателей / В. Я. Коршунов, Д. А. Новиков // Вестник Брянского государственного технического университета. 2015. № 1. С.25-27.

8.    Новиков А. Н. Восстановление и упрочнение деталей автомобилей: учебное пособие / А.Н. Новиков, М.П. Стратулат, А.Л. Севостьянов. Орловский государственный технический университет.Орел, 2006. 336 с.

9.    Кузнецов Ю.А., Кравченко И.Н., Севрюков А.А., Глинский М.А.. Технологические методы повышения долговечности деталей машин // Технология металлов. 2019.№5. С. 34-40.