Галтель коленвала что это такое
Галтель коленвала что это такое?
Что такое коленвал
Коленчатый вал – это механическая деталь автомобильного двигателя, которая является промежуточным звеном-преобразователем тепловой энергии сгораемого топлива в механическую энергию вращения колёс. По внешнему виду он представляет собой вал из стального сплава со множеством шатунных шеек, которые между собой соединены коленной шейкой. Число шеек-колен соответствует числу цилиндров в двигателе, их расположению, форме. Шейки соединены с поршнями через шатуны, которые, двигаясь возвратно-поступательно, приводят вал в движение.
Если в коленчатом вале шатунные шейки находятся с двух сторон от коленной шейки, он называется полноопорным. Если же они расположены только с одной стороны – неполноопорным.
Коленвал производится из углеродистой или легированной стали с повышенной износостойкостью (для спорткаров, люкс-моделей и автомобилей с повышенной мощностью) или модифицированного чугуна (для стандартных серийных моделей) с помощью литья или прессования. Для легирования стали применяются молибден, хром и иные металлы, существенное увеличивающие прочность сплава.
В большинстве двигателей коленчатый вал располагается в нижней части, над картером, в оппозитных – выше, по центру мотора.
Замена коленвала
Итак, как снять коленвал? Для этого потребуется полная разборка двигателя. Для замены необходимо:
Снятие коленвала возможно выполнить после демонтажа двигателя и установки его на ремонтный стенд, узлов ГРМ, оборудования двигателя, ГБЦ, шатунов и поршней.
Схема сборки и установки в блок двигателя коленчатого вала Skoda OCTAVIA TDI 1996-2002 г.в 1,9,1315,17 — болты крепежные, 3 — фланец, передний прижимной, 4 — вкладыш подшипника, 5 — звездочка цепной передачи, 6 — коленчатый вал, 7 — вкладыш подшипника, 8 — полукольца коленвала, 10 — крышка подшипника, 11 — установочный штифт, 12 — колесо датчика, 2 — уплотнительное кольцо (сальник), 14 — маховик и ведущий диск, 16 — промежуточная пластина, 18 — уплотнительная прокладка (с сальником).
Для чего нужен коленчатый вал
Двигатели внутреннего сгорания работают за счёт функционирования поршневого блока. Его принцип действия заключается в следующем:
Таким образом, коленвал – это преобразователь одного вида механического движения в другой. Как известно, поршни в ДВС двигаются несимметрично. В то время, как одни из них совершают поступательные движения (выталкиваются из цилиндра), другие – возвратное (затягиваются обратно). Конструкция коленчатых валов разрабатывается с предельной точностью, поэтому во время работы все цилиндры сохраняют общее вращение вала. Поэтому коленца имеют разные оси вращения.
Коленвал: описание,устройство,назначение,снятие,шлифовка,неисправности
Коленвал – это один из главных элементов двигателя. Он является частью кривошипно-шатунного механизма. Она имеет сложное устройство. Что собой представляет данный механизм? Давайте рассмотрим.
Устройство и назначение
Коленчатый вал воспринимает усилия от поршня и преобразует их в механическую энергию. На этот механизм воздействуют силы вращения. Работает он постоянно под высокой нагрузкой. Поэтому, чтобы деталь не вышла преждевременно из строя, коленчатые валы изготавливают из качественных, высокопрочных чугунных сплавов. Затем все детали закаляются током высокой частоты. Различают валы с двойным противовесом или вовсе без противовеса. Располагается колневал двигателя непосредственно в корпусе мотора.
Что касается конструкции, то она в целом зависит от двигателя. Несмотря на некоторые различия, в конструкциях есть очень много общего. Коленвал — это комплекс из нескольких деталей. В качестве опоры для этой конструкции используются коренные шейки – чаще встречаются модели с четырьмя шейками, но также есть и трехопорные. В шестицилиндровых моторах установлены валы, где таких опор 7. Для того чтобы коленчатый вал был уравновешен, применяют противовесы. Если цилиндры имеют небольшой диаметр, тогда используют одинарные противовесы. За счет этих деталей обеспечивается максимально плавная работа силового агрегата
Для чего нужен коленвал?
Любой автомобильный двигатель является поршневым. Принцип его работы прост: в цилиндр подается топливно-воздушная смесь, которая воспламеняется и увеличивается в объеме. Возникает избыточное давление, которое выталкивает поршень из цилиндра. Поршень при этом совершает поступательное движение, которое нужно преобразовать во вращательное, чтобы передать его в коробку передач, а дальше – на полуоси или карданный вал.
Вот именно эту функцию и выполняет коленчатый вал – преобразовывает один тип механического движения в другой, а именно: поступательное во вращательное.
Материал, из которого изготавливаются коленчатые валы, это не простая сталь, поэтому и стоимость изделия так высока, по сравнению с ценой простой металлической болванки. Сталь, из которой изготавливается вал, легируется хромом, молибденом и другими металлами, что придает изделию особую прочность. Кроме того, немаловажен сам процесс изготовления, начиная от того, как расположены волокна заготовки, заканчивая методикой изготовления – прессованием или ковкой.
С тем, что делает вал, мы разобрались, но остался вопрос – где находится коленвал? Коленчатый вал расположен в нижней части двигателя, снизу он прикрыт картером, заполненным моторным маслом. Вал закреплен в подшипниках, которые удерживают его и не дают смещаться, иногда для его усиления используются дополнительные упоры. Но есть исключение – в оппозитных двигателях коленчатый вал располагается выше, по центру ДВС.
Из чего состоит коленчатый вал
Конструкция коленчатого вала: 1. Носок коленчатого вала; 2. Посадочное место звездочки (шестерни) привода распределительного вала; 3. Отверстие подвода масла к коренной шейке; 4. Противовес; 5. Щека; 6. Шатунные шейки; 7. Фланец маховика; 8. Отверстие подвода масла к шатунной шейке; 9. Противовесы; 10. Коренные шейки; 11. Коренная шейка упорного подшипника.
Рабочие компоненты коленвала:
Для уплотнения носка и хвостовика используются защитные сальники. Это предотвращает просачивание масла в местах выхода частей маховика за границы блока цилиндров. Вращательное движение обеспечивается тонкими стальными подшипниками скольжения. Чтобы ось вращения вала не смещалась, на одну из коренных шеек ставится упорный подшипник.
Во время работы самые большие напряжения концентрируются в месте соединения шеек и щёк. Для разгрузки его делают с галтелью – полукруглым переходом с промежуточным технологическим поясом. По причине экстремальных нагрузок в месте перехода щёк в шейки в своё время производители отказались от составных коленвалов, детали которых соединялись крепежом.
Неисправности коленчатых валов
Рассмотрим типичные неисправности коленчатых валов:
Как правило, первое, с чем сталкиваются автомобилисты, — это течь масла из-под резиновых уплотнений (сальников коленвала). Это широко распространенная проблема на двигателях с пробегом. Подтекающий сальник требует замены. В некоторых случаях замена масла на более вязкое поможет остановить течь на какое-то время.
Сальник коленвала требующий замены
Для коленчатых валов, как и для других деталей двигателя, наиболее опасно «масляное голодание». Причиной может быть поломка маслонасоса, забитый канал подачи масла, низкий уровень масла в двигателе. Это приводит к повышенному трению подшипников, нагреванию элементов. Дальнейшая эксплуатация двигателя в таком режиме приведет к его перегреву, полному заклиниванию и к капитальному ремонту. «Клин» на ходу может привести к критическим повреждениям вала или других узлов двигателя.
Вода и топливо попадая в масло меняют его хим. состав и степень вязкости. Причиной может быть значительный износ цилиндропоршневой группы, нарушенная структура прокладок, микротрещины в блоке двигателя или ГБЦ.
Повреждения шейки шатуна по причине отсутствия смазки
Со временем шейки и подшипники подвергаются износу, увеличивается допустимый зазор, появляется люфт коленвала, это приводит к возрастанию вибраций, двигатель начинает «стучать». Характерный стук двигателя — критичный сигнал. При его появлении необходимо прекратить движение и срочно обратиться в автосервис. Если коленчатый вал разбалансирован или смонтирован неправильно, может возникнуть повышенный ненормальный износ контактных поверхностей.
Для чего нужен датчик коленвала
Датчик положения коленчатого вала (ДПКВ) используется в автомобилях, которые оборудованы системами электронного управления мотором. Поскольку вращение вала сказывается на работе многих функциональных блоков и систем, своевременная подача топлива в цилиндры ДВС может улучшить ездовые характеристики. Датчик коленвала как раз отвечает за синхронизацию рабочих процессов. В различных моделях автомобилей его использование улучшает синхронизацию зажигания или топливных форсунок. Прибор передаёт на электронный блок управления данные о положении коленвала, направлении и частоте вращения.
Встречаются датчики следующих видов:
Датчик коленвала устанавливается внутри корпуса двигателя, как и прочие датчики управления. Для его встраивания используется специальный кронштейн, расположенный возле приводного шкива генератора. Внешне он отличается от датчиков другого назначения наличием проводка длиной 55-70 см с особым разъёмом, который соединяет устройство с системой электронного управления.
(Продолжение. Начало в № 6/2001)
АЛЕКСАНДР ХРУЛЕВ, кандидат технических наук
В предыдущей статье мы рассмотрели подготовительный этап работы, предшествующий шлифовке коленчатого вала. Он включает в себя проверку станка и вала. Только после этих операций можно приступить к шлифовке.
С чего все-таки начнем?
Исключить подрез можно, если «заправить» на краях шлифловального круга радиусы, соответствующие радиусам галтелей. Такая операция необходима для тех валов, у которых на краях шеек нет канавок для выхода шлифовального круга. Но и там, где такие канавки есть, аккуратность тоже не помешает.
Анализ излома разрушенных коленчатых валов показывает, что трещина обычно начинает развиваться от места перехода шлифованной поверхности к не тронутой шлифовальным кругом. А такое место обычно и приходится на галтель, приобретающую после неквалифицированного ремонта вала неправильную форму. Особенно опасна недооценка получающейся при ремонте формы галтелей для коленчатых валов современных высокофорсированных двигателей.
Осторожно, шатунные шейки!
Если подготовка к работе завершена, можно приступать к шлифованию шатунных шеек. Для этого коленвал устанавливается в патроны станка так, чтобы его ось вращения проходила через одну из шатунных шеек.
Исключить или, по крайней мере, значительно уменьшить дисбаланс вала позволяют специальные грузы, закрепляемые на планшайбах напротив патронов станка. Масса и расположение балансировочных грузов подбирается в зависимости от массы коленвалов и радиуса кривошипа.
Итак, только теперь можем начинать шлифовку. Включаем вращение вала, подачу СОЖ (смазывающе-охлаждающей жидкости), подводим шлифовальный круг до касания шейки. Далее следует сделать подачу в пределах 0,05 мм «на врезание», короткую остановку и снова подачу. И так до заданного размера шейки, разумеется, с промежуточным контролем получающегося размера.
Многолетняя практика шлифования коленчатых валов большого числа различных двигателей позволяет указать оптимальный способ установки коленвала. Но прежде рассмотрим варианты.
Некоторые шлифовщики зажимают вал в патронах точно так же, как и при шлифовке шатунных шеек, только патроны сводят к оси вращения планшайб станка. Считается, что при хорошей выверке положения вала по минимальному биению хвостовика (или й коренной шейки) и поверхности заднего сальника (или последней коренной шейки) шейки можно шлифовать и таким способом.
Правда, описанный способ проще: он не требует демонтажа планшайб с патронами (это не слишком приятная и легкая процедура), но такое «слабое» его преимущество меркнет перед серьезными недостатками.
Очень важно, чтобы усилие сжатия вала центрами было минимальным, в противном случае вал в станке деформируется. Если затем коренные шейки прошлифовать, то после снятия со станка коленчатый вал разогнется и сразу окажется кривым.
Разумеется, при установке вала в центрах необходимо контролировать биение различных поверхностей (хвостовик, шейки, задний сальник). Повышенное биение может свидетельствовать не только о необходимости правки центровых фасок, но и о повреждении или износе посадочной поверхности центров в станке (см. № 6/2001).
Балансировочные грузы подбираются для каждого коленввала
Чтобы точно попасть в заданный размер, каждую шейку приходится контролировать несколько раз
Обращаем ваше внимание на то, что данный интернет-сайт носит исключительно информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 Гражданского кодекса Российской Федерации. Для получения подробной информации пожалуйста, обращайтесь по телефону 812-3880855 или другими способами указанными вконтактах.
Галтель коленвала что это такое?
Коленвал: описание,устройство,назначение,снятие,шлифовка,неисправности
Коленвал – это один из главных элементов двигателя. Он является частью кривошипно-шатунного механизма. Она имеет сложное устройство. Что собой представляет данный механизм? Давайте рассмотрим.
Устройство и назначение
Коленчатый вал воспринимает усилия от поршня и преобразует их в механическую энергию. На этот механизм воздействуют силы вращения. Работает он постоянно под высокой нагрузкой. Поэтому, чтобы деталь не вышла преждевременно из строя, коленчатые валы изготавливают из качественных, высокопрочных чугунных сплавов. Затем все детали закаляются током высокой частоты. Различают валы с двойным противовесом или вовсе без противовеса. Располагается колневал двигателя непосредственно в корпусе мотора.
Что касается конструкции, то она в целом зависит от двигателя. Несмотря на некоторые различия, в конструкциях есть очень много общего. Коленвал — это комплекс из нескольких деталей. В качестве опоры для этой конструкции используются коренные шейки – чаще встречаются модели с четырьмя шейками, но также есть и трехопорные. В шестицилиндровых моторах установлены валы, где таких опор 7. Для того чтобы коленчатый вал был уравновешен, применяют противовесы. Если цилиндры имеют небольшой диаметр, тогда используют одинарные противовесы. За счет этих деталей обеспечивается максимально плавная работа силового агрегата
Для чего нужен коленвал?
Любой автомобильный двигатель является поршневым. Принцип его работы прост: в цилиндр подается топливно-воздушная смесь, которая воспламеняется и увеличивается в объеме. Возникает избыточное давление, которое выталкивает поршень из цилиндра. Поршень при этом совершает поступательное движение, которое нужно преобразовать во вращательное, чтобы передать его в коробку передач, а дальше – на полуоси или карданный вал.
Вот именно эту функцию и выполняет коленчатый вал – преобразовывает один тип механического движения в другой, а именно: поступательное во вращательное.
Материал, из которого изготавливаются коленчатые валы, это не простая сталь, поэтому и стоимость изделия так высока, по сравнению с ценой простой металлической болванки. Сталь, из которой изготавливается вал, легируется хромом, молибденом и другими металлами, что придает изделию особую прочность. Кроме того, немаловажен сам процесс изготовления, начиная от того, как расположены волокна заготовки, заканчивая методикой изготовления – прессованием или ковкой.
С тем, что делает вал, мы разобрались, но остался вопрос – где находится коленвал? Коленчатый вал расположен в нижней части двигателя, снизу он прикрыт картером, заполненным моторным маслом. Вал закреплен в подшипниках, которые удерживают его и не дают смещаться, иногда для его усиления используются дополнительные упоры. Но есть исключение – в оппозитных двигателях коленчатый вал располагается выше, по центру ДВС.
Снятие коленчатого вала производится в такой последовательности:
1. Демонтируется двигатель из автомобиля, а потом из него снимаются все элементы. 2. Двигатель переворачивается коленвалом к верху. Крышки коренных подшипников отличаются, поэтому необходимо запомнить их положение. 3. Снимаются крышки коренных подшипников. 4. Поднимается коленвал, а заднее уплотнительное кольцо снимается. 5. Снимаются коренные вкладыши с крышек коренных подшипников и блока цилиндров. После снятия производится проверка коленчатого вала.
Алгоритм проверки коленчатого вала:
1. Промыть бензином все составляющие и просушить деталь. 2. Тщательно осмотреть коленвал на наличие негативных следов от использования (трещины, сколы, сильный износ). Если же коленвал признан непригодным для дальнейшей эксплуатации, то придётся приобрести новый. 3. Прочистить, промыть и продуть сжатым воздухом все каналы для масла, предварительно открутив пробки. 4.
Если на шатунных шейках обнаружены задиры или царапины, то их необходимо отшлифовать и отполировать. После этого опять следует продуть воздухом масляные каналы. 5. Осмотреть вкладыши коренных подшипников. Если на них есть дефекты, то их необходимо заменить на новые. 6. Осмотреть маховик и при обнаружении на нём дефектов, маховик стоит заменить. 7.
Осмотреть подшипник носка и, если на нём есть негативные следы эксплуатации, то его нужно выпрессовать и запрессовать новый.
8. Осмотреть сальник, который находится в крышке распределительных звёздочек и при необходимости заменить эту деталь. При большом пробеге автомобиля сальник меняют в обязательном порядке. 9. Сменить и обжать набивку заднего уплотнения коленвала. 10. Проверить резиновые уплотнители, которые расположены в держателе набивки. Если они непригодны для дальнейшего использования, то их нужно заменить.
После проверки коленчатый вал необходимо установить обратно. Установка коленчатого вала производится в обратной последовательности к его снятию. Перед установкой нужно обязательно смазать все шейки и другие элементы коленвала моторным маслом. После установки следует проверить, что коленчатый вал вращается легко и плавно.
В противном случае придётся его опять снять и установить заново, добиваясь плавности хода.
Шлифовка коленвала
Коленвал — вещь очень дорогая, тем не менее из-за трения он со временем приходит в негодность. Чтобы не покупать новый, его шлифуют. Работу эту могут выполнять только высококлассные токари, у которых есть соответствующее оборудование. Вам же нужно будет приобрести комплект ремонтных шатунных и коренных вкладышей.
Вкладыши продаются практически в любом магазине запчастей и идут под обозначениями: Н (номинальный размер) — соответствуют параметрам нового кривошипа; Р (Р1, Р2, Р3) — ремонтные вкладыши их диаметр на несколько миллиметров больше. Исходя из размера ремонтных вкладышей, токарь-моторист точно измеряет диаметр шеек и подгоняет их под новые вкладыши.
Для каждой модели определен шаг ремонтных вкладышей.
Неисправности коленвала и как их решить?
Работа коленчатого вала устроена таким образом, что чаще всего он ломается, поскольку современен ухудшается смазывание деталей из за увеличения зазоров между вкладышем. Также проблемы а работой коленвала могут возникать по причине недостаточного давления в системе смазки или использование масла низкого качества.
Основные дефекты коленвала:
Главной проблемой коленчатого вала является задир шейки.
Такие неисправности могут привести к очень серьезным дефектам, вплоть до появления трещин на детали.
Чтобы устранить износ и задиры коленвала, потребуется отшлифовать шейки и довести их до состояния исправности. При этом может возникнуть следующая проблема: задир будет способствовать нагреву всей поверхности шейки, как правило, температура поднимается до сотни градусов.
Та сторона шейки, которая воспринимает самую большую нагрузку, соответственно, разогреется до максимальной температуры, а это значит, что колено будет подвергаться деформации и кривошипные щеки окажутся сведенными. Вращательная ось и колено будет изгибаться, вследствие чего нарушится ось коренных шеек и деталь искривится.
В этом случае, чтобы отремонтировать коленвал, потребуется использовать ряд дополнительных процедур для исправления неполадок. Росточка коленчатого вала под следующий размер и установка новых вкладышей.
Итак, видим, что коленвал автомобиля является внутренней частью «сердца» и качество детали, а также должный уход значительно влияют на строк службы. Длительная работа коленчатого вала напрямую зависит от состояния коренных и шатунных шеек, вкладышей и качеством системы смазки.
ИЗ КАКИХ МАТЕРИАЛОВ И КАК ИЗГОТАВЛИВАЕТСЯ
Материал и технология производства зависят от класса и назначения автомобиля:
Место перехода щек в шейки является самым нагруженным, так как здесь концентрируются максимальные напряжения. Для того чтобы разгрузить соединение, его выполняют с полукруглым переходом (галтелью). Как правило, галтели делают двойными с промежуточным технологическим пояском. Такое конструктивное решение позволяет сохранить максимальное значение активной площади шеек – поверхности, находящей под вкладышами.
Как раз по причине возникновения высоких нагрузок в соединениях, не нашел широкого применения коленчатый вал составной конструкции, в котором отдельные части соединены между собой крепежом.
Процесс смазки коленчатого вала
Смазка коленвала обеспечивается за счет шатунных и коренных шеек. Важно помнить, что смазка коленчатого вала всегда происходит под давлением. Каждая коренная шейка обеспечена индивидуальным подводом масла от общей смазочной системы. Поступившее масло попадает на шатунные шейки по специальным каналам, расположенным в коренных шейках.
Борьба с разрухой
В свое время автор этих строк профессионально занимался технологией коленчатого вала – пусть не слишком долго, зато обстоятельно. Часто ездил в командировки на Минский моторный и Алтайский моторный заводы, на Челябинский тракторный… Именно тогда у автора родилось трепетное уважение к этому изделию – родилось, чтобы с годами расти и укрепляться.
О коленчатом вале говорят, что это не деталь, а целая система. И то правда – вроде прост, а на самом деле сложен и многообразен. Бывает тяжелым и легким, коротким и длинным, жестким и не слишком, «плоским» или пространственным с кривошипами под 120 или 90° – словом, любым.
С точки зрения механики коленчатый вал труднопредсказуем, особенно если имеет пространственную форму. Если он близок к идеальному, то исправно принимает возвратно-поступательное движение поршня, чтобы передать вращение сцеплению и коробке. Но стоит возникнуть несоосности, кривизне, биению, вообще любой остаточной деформации – жди беды. Тут он капризен, как женщина.
Упал… и не отжался
По первичной технологии изготовления это одна из самых консервативных деталей. На многих заводах коленчатый вал до сих пор куют на молотах, меняя ручьи, либо изготавливают на мощных прессах методом горячей объемной штамповки.
Такая технология не стареет веками, поскольку именно горячая пластическая деформация металла обеспечивает правильную структуру будущей детали – оптимальный размер зерна, его ориентацию при воздействии кузнечного инструмента, отсутствие внутренних раковин. То есть прочность и выносливость закладываются в «колено» уже с рождения.
Потом коленчатый вал проходит множество операций термической, механической и финишной обработки – и все они направлены на повышение его точности, надежности и долговечности. Но жизнь есть жизнь – иногда коленчатые валы ломаются, разрушаются физически прямо в моторе. Причина звучит совершенно по-человечески – усталость…
Давайте, не особо углубляясь в физику, сопромат и металловедение, вспомним – почему происходит усталостный излом детали?
На многих заводах коленчатые валы получат многоручьевой ковкой или горячей объемной штамповкой на молотах или мощных прессах. Такая технология обеспечивает измельчение зерна и его «правильную» ориентацию в теле заготовки
Рассмотрим, например, показанный на рис. 1 нагруженный вал. Не коленчатый, а обычный цилиндрический. При изгибе верхняя часть его поверхности (слой А), обозначенная зеленым цветом, находится под действием сжимающих напряжений, а нижняя часть поверхности (слой Б), обозначенная красным, – под действием растягивающих напряжений.
Чтобы было уж совсем понятно, приведем простейший бытовой пример. Согнем обычный прут дерева. Снаружи изгиба кора натянется – там возникнут растягивающие напряжения; изнутри изгиба она соберется складками, сморщится – там возникнут сжимающие напряжения. Согнем сильнее – кора вообще лопнет, а на противоположной стороне только сильнее сморщится.
А теперь вернемся к нашему цилиндрическому валу. Вот он провернулся на 180°, и картина изменилась: слой А получил растягивающие напряжения, а слой Б – сжимающие. Потом вал опять повернулся… и т.д. Словом, поверхностный слой все время получает знакопеременные напряжения: сжался-растянулся, сжался-растянулся…
То же происходит с другим валом – коленчатым (рис. 2). Но только у него есть заведомо слабые места – галтели коренных и шатунных шеек, зоны перехода от шейки вала к щеке. В технике такие участки называют концентраторами напряжений.
При работе в двигателе коленчатый вал под нагрузкой стремится изогнуться. Поэтому в галтелях попеременно возникают то растягивающие, то сжимающие напряжения, уже знакомые нам по примеру с простым цилиндрическим собратом. При работе вала в двигателе так происходит миллионы раз подряд: сжимающие – растягивающие, сжимающие – растягивающие…
А теперь вспомним, что на поверхности галтели есть микроскопические дефекты – шероховатости, трещины, раковины. А они есть обязательно, даже после шлифования – весь вопрос только в их размерах, т.е. в классе чистоте поверхности.
Напряжения сжатия этим дефектам не страшны, а вот напряжения растяжения как раз наоборот… В каждом цикле они буквально атакуют микродефекты, будто вбивая клин в трещинки (рис. 3). Дефект растет, растет! растет. и в один далеко не прекрасный момент происходит разрушение детали. И тогда механики скорбно вздыхают, закуривают и говорят, что вал «устал». Еще раз подчеркнем: такие изломы особенно характерны для участков с концентраторами напряжений – канавками, галтелями и т. д.
Предупреждать усталость можно специальной термообработкой, высокоточными фи-нишными операциями – и все это (как и многое другое) успешно делается, но есть способ и поинтереснее.
Сделайте ему пластику
Прежде чем раскрыть его, зададимся вопросом: если уж цикличные растягивающие напряжения играют такую роковую роль, нельзя ли их нейтрализовать – например, заложить в деталь напряжения сжатия?
Что же, логично. Напряжения сжатия будут складываться с опасными напряжениями растяжения, давая в результате ноль (или величину, близкую к нему), и трещина расти не будет! Ай да Пушкин, ай да сукин сын! Да, но заложенные нами напряжения будут складываться не только с циклическим растяжением, но и с циклическим сжатием! А вот это как раз не страшно – как уже говорилось, поверхностное сжатие, даже усиленное остаточными напряжениями, на рост трещин никак не влияет.
Рис. 1. Простейшая модель, демонстрирующая возникновение растягивающих и сжимающих напряжений при изгибе вала Рис. 2. При циклическом изгибе коленчатого вала самые опасные растягивающие напряжения возникают в галтелях
А как создать в поверхностном слое сжимающие напряжения? Вот тут и придет на помощь метод поверхностного пластического деформирования – сокращенно ППД.
Рис. 3. Причины возникновения и развития усталостной трещины – дефекты поверхности и циклические растягивающие напряжения
Упрочнение деталей методом ППД применяется практически во всех отраслях машиностроения уже давно. Для различных деталей созданы довольно хитроумные приспособления и станки. Мы же, следуя уговору, продолжим рассмотрение процесса в упрощенном варианте.
Как это работает? Представим, что на токарном станке только что выточили галтель на простеньком цилиндрическом вале. Просто галтель на ступеньке от одного диаметра к другому.
Рис. 4. Устраним оба фактора накаткой роликом (метод ППД). Повысим чистоту поверхности, уничтожив дефекты, а главное – заложим в поверхностный слой полезные остаточные сжимающие напряжения
А теперь следите за руками. Вместо резца устанавливаем в суппорт специальную оправку с твердосплавным роликом на конце, который может вращаться. Запускаем станок, подводим к детали оправку с роликом, но не просто касаемся вращающейся поверхности галтели, а вдавливаем ролик на определенное число делений лимба поперечной подачи. На поверхности галтели возникает блестящая, будто из олова, кольцевая полоска. Красивая такая, зеркальная полоска…
Что при этом происходит с поверхностью галтели в пределах полоски? Изначально она имеет шероховатости. Изобразим их на рис. 5 условно в виде волны. Обозначим площадь этой поверхности S. И вот ролик с усилием прокатал эту поверхность. Что же произошло с волнами? Они не завалились, не завальцевались, как можно было бы предположить – все гораздо интереснее! Поверхностный слой пластически деформировался следующим образом: он как бы «ожил», впадинки приподнялись, волны опустились, поверхность галтели разгладилась.
Как изменилась площадь полоски? Естественно, она уменьшилась. Если обозначить новую площадь S1, то можно написать, что S1 «Клешней» галтели – цап
Как уже говорилось, процесс этот освоен очень широко. Например, на многих заводах описанным методом ППД упрочняют галтели коленчатых валов. Это делается на специальных станках с «клешнями», в которых размещены твердосплавные ролики. Вот как работает эта система (смотрим на фотографии).
Перед нами станок для упрочнения (накатки) галтелей коленчатого вала. В его основе, в глубине находится специальный мастер-вал. Его еще называют мастер-деталь. Это такой же коленчатый вал, как и тот, что предстоит упрочнить, но выполненный с высокой точностью – недаром он «мастер».
А вот и печальный итог роста усталостной трещины
Шейки мастер-вала соединены со специальными «клешнями» – гидравлическими зажимами, в головках которых смонтированы накаточные ролики.
Обрабатываемый вал подается в зев станка, автоматически укладывается в постели «клешней», после чего «клешни» смыкаются на коренных и шатунных шейках, а ролики оказываются на галтелях. После укладки «клешни» смыкаются и поджимаются гидравликой, позволяющей регулировать усилие.
Рис. 5. При обработке галтели методом ППД поверхность разглаживается, ее площадь уменьшается, появляются остаточные сжимающие напряжения Загрузка коленчатого вала в станок для накатки галтелей. Каждая шейка попадает строго в свою «клешню» Обработка галтелей всех шеек производится одновременно Галтели после обработки приобретают характерный зеркальный блеск
После зажима «клешней» мастер-вал начинает вращаться, «клешни» на коренных шейках, естественно, стоят на месте, а на шатунных – копируют движения шеек мастер-вала. Таким образом, галтели всех шеек накатываются и упрочняются одновременно. Весь процесс занимает менее одной минуты. Затем происходит выгрузка вала, загрузка очередного и т. д.
А теперь посмотрим на фото обработанной галтели. Да, она зеркальная, как мы и обещали. Но главное, теперь в ней заложены остаточные напряжения сжатия. И при знакопеременных нагрузках на вал, напряжения теперь будут чередоваться не как раньше «сжимающие-растягивающие, сжимающие-растягивающие», а более благоприятным образом: «сжимающие-нулевые, сжимающие-нулевые». Благодаря этому усталостная прочность коленчатого вала возрастет многократно. И еще: класс чистоты галтелей повышается, им не потребуется финишная обработка.
Специалистами давно установлена связь между упрочняющим усилием, геометрией и материалом инструмента и величиной остаточных напряжений. Для упрочнения различных деталей созданы хитроумные приспособления и оснастка. Упрочняюще станки могут развивать пульсирующее давление, повышающее эффективность обработки. Существует оборудование с микропроцессорным управлением – оно не только упрочняет, но и позволяет закладывать остаточные напряжения и деформации, исправляющие кривизну, устраняющие биения.
Много есть интересного – хватит на десятки, а то и сотни публикаций о коленчатом вале. Мы же просто рассказали о старой, доброй, надежной, работающей технологи упрочнения галтелей. Рассказали в нарочито популярной форме. Если вы знали об этой технологии – извините; не знали – значит, теперь будете знать. Как принято говорить в таких случаях, спасибо за внимание и до новых встреч.
Автор благодарит ОАО «Автодизель» и лично начальника Управления инженерного проектирования Николая Черняева за помощь в подготовке материала