2. Матеріали і способи одержання заготовок
Матеріли колінчастих валів повинні мати високі механічні та пластичні властивості, високу зносостійкість та циклічну в’язкість.
Колінчасті вали автотракторних двигунів виготовляють з вуглецевих і легованих сталей або з високоміцних чавунів, модифікованих магнієм, з нікелемолібденових чавунів тощо. Виливані вали, звичайно порожнисті, мають трохи збільшені діаметри корінних і шатунних шийок, більші товщину щік і радіуси галтелі. Виливані вали мають меншу міцність при згинанні, ніж ковані.
Більшість колінчастих валів виготовляють зі сталей марок 45, 45Х, 45Г2, 50Г. Колінчасті вали дизелів, що працюють в умовах високих навантажень, виготовляють зі сталей марок 18ХНМА, 18ХНВА, 40ХНМА.
Заготовки валів, що виготовляються зі сталей, штампують. Потім піддають термічній обробці (відпалюванню та нормалізації), при якій знімаються внутрішні напруження в металі і нормалізується його твердість (НВ 177-255), що полегшує обробку заготовок на металорізальних верстатах.
Після попередньої обробки на металорізальних верстатах поверхні корінних і шатунних шийок сталевих валів повторно піддаються термічній обробці (загартуванню та відпущенню). Загартування виконується струмами високої частоти на спеціальних агрегатах, а низькотемпературне відпущення, що здійснюється для зняття напруги, - в спеціальних печах конвеєрного типу. Повторна термічна обробка поліпшує механічні властивості сталі, підвищує поверхневу твердість та зносостійкість шийок.
Після загартування та відпущення поверхнева твердість шийок у валів, виготовлених зі сталей марок 45, 50Г, 40ХНМ, 18ХНВА, коливається в межах HRС 52-62. Глибина загартованого шару повинна бути не менше 3-6,5 мм, а твердість шийок на глибині загартованого шару - HRC 45.
Чавунні виливані колінчасті вали автотракторних двигунів за деякими показниками перевищують сталеві штамповані вали. Спеціальні чавуни, з яких виливають колінчасті вали, відрізняються від звичайних кувальних чавунів наявністю хрому (0,2-0,25 %), підвищеним вмістом марганцю (1,15-1,4 %), низьким вмістом сірки (0,002-0,014 %), наявністю церію та інших легуючих компонентів.
Для колінчастих валів застосовують також сірі чавуни, модифіковані сплавом фероцерію з магнієм.
Маса виливаних колінчастих валів на 10-15 % менша, ніж штампованих. Припуски на механічну обробку у виливаних заготовок значно менші, ніж у штампованих заготовок.
Заготовки сталевих колінчастих валів виготовляють в серійному виробництві штампуванням на молотах, а в масовому - на кувальних пресах.
Вихідним матеріалом для штампування служить квадратний або круглий катаний пруток чи періодичний фасонний прокат. Найбільш економічне застосування фасонного прокату (маса вихідної заготовки зменшується на 5-8 %).
Заготовки виливаних валів одержують в основному двома методами: виливанням в земляні і в оболонкові форми.
3 Основні елементи колінчастого валу і їх характеристики
Корінна шийка — опора валу, що лежить в корінному підшипнику, розміщеному в картері двигуна.
Шатунна шийка — опора, за допомогою якої вал зв'язується з шатунами (для мащення шатунних підшипників є масляні канали).
Щоки — зв'язують корінні і шатунні шийки.
Передня вихідна частина валу — частина валу на якій кріпиться зубчасте колесо або шків відбору потужності для приводу кулачкового вала газорозподільного механізму (ГРМ) і різних допоміжних вузлів, систем і агрегатів.
Задня вихідна частина валу (хвостовик) — частина валу що з'єднується з маховиком або шестернею відбору основної частини потужності.
Противаги — забезпечують розвантаження корінних підшипників від відцентрових сил інерції першого порядку незрівноважених мас кривошипа і нижньої частини шатуна.
Колінчастий вал (рис.15.1) складається із наступних основних елементів: корінних шийок 1, якими вал спираються на корінні підшипники, що розміщенні у картері; шатунних шийок 11; щік 2 і 12, які зв’язують корінні і шатунні шийки для зменшення концентрації напружень; носка (передній кінець); хвостовика (задній кінець).
Місця переходу шийок в щоки виконані у вигляді заокруглень і називаються галтелями 13. З метою розвантаження корінних підшипників від дії відцентрових сил, на щоках колінчастих валів деяких двигунів, встановлюються противаги 14.
Рисунок 15.1 – Колінчастий вал дизеля
1- корінна шийка; 2, 12 – щоки; 3- упорні півкільця; 4 – нижній вкладиш корінного підшипника; 5 – маховик 6 - масловідбивна шайба; 7 – установочний штифт; 8 – болт; 9 – зубчатий вінець; 10 - верхній вкладиш п’ятого корінного підшипника; 11 – шатунна шийка; 13 – галтель; 14 – противага; 15 – болт кріплення противаги; 16 – замкова шайба; 17 – шестерня колінчастого вала; 18 – шестерня приводу масляного насосу; 19 – упорна шайба; 20 – болт; 21 – шків; 22 – канал підведення масла в порожнину шатунної шийки; 23 пробка; 24 – порожнина в шатунній шийці; 25 – трубка для чистого масла
Колінчасті вали карбюраторних двигунів можуть мати опори через дві шатунні шийки – двопрольотні, або через кожну шатунну шийку Колінчасті вали дизельних двигунів виконують повноопорними, тобто вони мають корінні підшипники після кожного циліндра або двоциліндрового відсіку (у V-подібних двигунах).
Форма колінчастого вала залежить від кількості і розташування циліндрів, порядку роботи і тактності двигуна. Кількість шатунних шийок в рядних двигунах відповідає кількості циліндрів двигуна, а у V- подібних - кількості циліндрів в одному ряду, оскільки в них до одної шийки приєднано два шатуни. Корінних шийок на одну більше, ніж шатунних. Шатунні шийки відносно одна одної у дво- і чотирициліндрових двигунів зміщені на 180°, у шести циліндрових - на 120°, у восьмициліндрових – на 90°. Це забезпечує рівномірне чергування робочих тактів і зрівноваження сил інерції.
Повноопорні вали характеризуються великою жорсткістю на вигин, проте вони мають велику довжину і граничну жорсткість на крутіння. Підвищити, жорсткість як повноопорних, так і неповноопорних колінчастих валів можна, збільшуючи «перекриття шийок». Особливо велике перекриття одержують в короткохідних двигунах. Щоки колінчастих валів виконують еліптичної або близької до неї форми, що забезпечує високу жорсткість на вигин і крутіння.
Переходи (галтелі) від щік до шатунних і корінних шийок роблять більшим радіусом (приблизно 0,045—0,06 діаметра шийки) або двома-трьома дугами різних радіусів.
У шатунних шийках стальних кованих валів висвердлюють полегшуючі камери. У щоках і шийках роблять канали для підведення до підшипників мастила. Щоб розвантажити корінні підшипники від відцентрових сил і сил інерції, застосовують противаги, що виготовляються як продовження щік колінчастого вала або прикручують до них болтами. Для запобігання осьовому переміщенню вала на одному з корінних підшипників встановлюють упорні кільця або півкільця.
У деяких двигунах (наприклад, чехословацького виробництва «Татра» і «Шкода») застосовують збірні колінчасті вали. Вони особливо зручні, якщо роль опор колінчастого вала виконують підшипники кочення. Колінчастий вал встановлюють у картер двигуна на корінних підшипниках, вкладиші яких мають конструкцію, аналогічну конструкції шатунних вкладишів.
На кінцях колінчастого вала монтують різні вузли і деталі. На передньому кінці (носку) встановлюють ведучу шестірню механізму газорозподілу, масловідбивальну шайбу, шків привода вентилятора і храповик для зчеплення з пусковою рукояткою, а також погашувач крутильних коливань (якщо він потрібний).
На задньому кінці (п'ятці) розташовують масловідбивальний гребінь і фланець для кріплення маховика. Колінчасті вали карбюраторних і більшості дизельних двигунів виготовляють куванням або штампуванням із статей 45, 45А, 45Г2 і 50Г. Для форсованих дизелів (типу Д-12А) використовують сталі 18ХМА, 18ХВА, 40ХНМА.
Останнім часом почали застосовувати литі колінчасті вали, які виготовляють з високоміцного чавуну, модифікованого магнієм, або перлітового ковкого чавуну. Литі чавунні вали мають такі переваги перед іншими валами: менша витрата металу; велика втомна міцність внаслідок оптимального розподілу металу і зменшення концентрації напруг; менша маса.
Для підвищення втомної міцності стальні вали зміцнюють, тобто утворюють поверхневий наклеп (особливо на галтелях) за допомогою обкатування роликом, обдування дробом і т. д., або шляхом термічної і термохімічної обробки.
Термічна обробка полягає в поверхневому загартуванні струмами високої частоти на глибину 3…4 мм. При термохімічній обробці поверхні шийок азотують, внаслідок чого стійкість проти стомлюваності підвищується в 1,5 рази.
Діаметри корінних шийок: карбюраторні двигуни dк.ш. = (0,6…0,7)D; дизельні двигуни dк.ш. = (0,70…0,85)D
Діаметри шатунних шийок: карбюраторні двигуни dш.ш. = (0,6…0,7)D;
дизельні двигуни dш.ш. = (0,65…0,70)D. Довжина корінних шийок дорівнює: lк.ш. = (0,5…0,6) dк.ш;
Довжина шатунних шийок дорівнює: lш.ш. = dш.ш.
Шатунні та корінні підшипники колінчастого вала більшості двигунів є підшипниками ковзання. Підшипники кочення застосовують тільки в одно-, двоциліндрових двигунах та в двигунах з роз’ємним колінчастим валом.
Вкладиші корінних підшипників за будовою подібні до шатунних. Вкладиші виготовляють із стальної стрічки товщиною 1...3 мм; шар антифрикційного сплаву становить 0.1...0,9 мм. Цей сплав наноситься безпосередньо на стальну стрічку або на металокерамічну основу (60% міді та 40% нікелю).
Як антифрикційні сплави використовують високо-олов'янисті бабіти на свинцевій основі, свинцевисті бронзи, сплави на алюмінієвій основі та інші. У бабітів незначний коефіцієнт тертя і вони добре змащуються, однак з підвищенням температури їх механічні властивості погіршуються. Застосовують бабіти для виготовлення вкладишів карбюраторних двигунів.
Свинцевисті бронзи й алюмінієві сплави використовують для виготовлення вкладишів дизелів, оскільки вони можуть працювати при навантаженнях більше 10 МПа і температурі понад 80 0С.
Мідно-нікелева основа тришарового вкладиша зміцнює з'єднання бабіту зі стальною стрічкою. Шар бабіту на основі товщиною до 0,1 мм.
Перед встановленням вкладиші вкривають тонким шаром олова (0,002...0,003 мм) для швидкого припрацювання тертьових поверхонь, щільного їх прилягання і кращого відведення теплоти від підшипника.
Маховик являє собою масивний диск, який відливають звичайно з чавуну і кріплять болтами до фланця колінчастого вала. На маховик надівають стальний зубчастий вінець для пуску двигуна стартером, а також монтують зчеплення.
Разом з колінчастим валом маховик старанно балансують. Щоб згодом при ремонті, пов'язаному з розбиранням, це балансування не порушувалося, на фланці передбачені установочні штифти. Для центрування можна використовувати також бурт самого фланця.
Штифти або отвори під кріпильні болти розміщують не симетрично.