Коленчатый вал ЯМЗ

Силы, действующие на детали кривошипно-шатунного меха­низма двигателя, складываются из сил давления газов на поршень и инерционных сил движущихся масс. Инерционные силы за время рабочего цикла изменяются по ве­личине и направлению, что в случае их неуравновешенности приведет к нежелательным вибрациям и колебаниям на опорах.

В У-образных двигателях с углом развала 90° и общей шатун­ной шейкой на каждую пару цилиндров равнодействующая сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс обоих цилинд­ров направлена по радиусу кривошипа и суммируется с центро­бежной силой вращающихся масс. Уравновешивание этой силы можно осуществить за счет противовесов, расположив их на про­должении шеек коленчатого вала. В двигателях ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238 в целях снижения веса кривошипно-шатунного механизма и двигателя в целом применена система уравновешивания с вынос­ными противовесами, расположенными на переднем конце колен­чатого вала и в маховике.
Расположение выносных противовесов по отношению к плос­кости 1 шатунной шейки составляет 30°.

Коленчатые валы двигателей ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238 изготовлены из стали 50Г. В процессе изготовления вал подвергается терми­ческой обработке - закалке и отпуску до твердости НВ 229- 269, а поверхности шатунных и коренных шеек и шейки под саль­ники для повышения износостойкости подвергаются закалке с наг­ревом токами высокой частоты. Глубина закаленного слоя для коренных и шатунных шеек составляет 3,0-4,0 мм, а на шей­ках под сальники 1,0-2,0 мм; твердость после закалки С 52-62.

Характерной конструктивной особенностью коленчатых валов являются развитые по диаметру, но относительно короткие корен­ные и удлиненные шатунные шейки, что является следствием закрепления пары шатунов на общую шейку. Диаметр корен­ной шейки равен 105 мм и шатунных 85 мм. Шатунные и коренные шейки вала связаны между «собой относи­тельно толстыми щеками и сопрягаются с ними переходными ган­телями. Для прочности вала на изгиб исклю­чительное значение имеет правильность выполнения переходных гантелей. Поэтому при перешлифовках вала подрезы и уменьше­ние радиусов гантелей недопустимы.

На щеках вала расположены фрезерованные под соответствую­щими углами площадки, к которым двумя болтами крепятся про­тивовесы. Болты крепления противовесов затягивают строго регламентированным моментом, равным 18-20 кГм, а их головки при­варивают к противовесу. Балансировка вала производится в сборе с привернутыми противовесами, поэтому при ремонте вала про­тивовесы снимать не рекомендуется. В случае ослабления посадки необходимо произвести подтяжку болтов, предварительно их расконтрив.

При повторной приварке не рекомендуется ее производить по периметру головки болта.
В щеках вала просверлены каналы для подвода смазки от корен­ных подшипников к масляным полостям в шатунных шейках. Полости в шатунных шейках образованы двумя наклонными кана­лами диаметром 30 мм с запрессованными в них штампованными заглушками.

Масляные полости являются дополнительными грязеуловите­лями. Грязевые частицы центробежной силой отбрасываются к верхней части полостей, а масло через четыре сквозных отвер­стия подается к шатунным вкладышам. Для удаления грязевых отложений при разборках двигателя необходимо выбить заглушки с последующей заменой их новыми. Повторное использование старых заглушек не допускается.

Для повышения усталостной прочности вала все переходные радиусы гантелей, а также выходные кромки масляных каналов тщательно полируются.

Передний конец вала ступенчатый. Посадочные поверхности шлифуются, а поверхность скольжения под передний сальник коленчатого вала после закалки полируется. При сборке коленчатого вала сначала напрессовываются шестерня и передний про­тивовес системы уравновешивания. Положение шестерни и про­тивовеса строго фиксируется шпонками относительно оси первой шатунной шейки. Напрессованная шестерня и штампованный маслоотражатель крепятся гайкой, навернутой на резьбовой участок вала. Гайка от самоотворачивания предохраняется специальной шай­бой. В носке переднего конца ко­ленчатого вала имеется резьбовое отверстие, в которое ввертывается болт крепления шкива ременной передачи.

Шкив фиксируется на посадоч­ной поверхности вала шпонкой и поджимается к бурту вала болтом крепления через толстую плоскую шайбу. Задний конец вала (хвостовик) имеет закаленную токами высокой частоты шлифованную поверхность под сальник и маховик диаметром 140 мм. В торце заднего конца име­ются: одно осевое отверстие для опорного подшипника первичного вала коробки передач, два от­верстия для штифтов фиксации маховика, а также резьбовые отверстия для его крепления.

Коленчатый вал фиксируют в осевом направлении четырьмя упорными взаимозаменяемыми полукольцами, установленными в выточках блока и крышек задней коренной опоры. Полукольца изготовлены из бронзы ОЦС 5-5-5, имеют по торцам профрезерованные смазочные канавки; от проворачивания предохраняются двумя штифтами, запрессованными в крышку заднего коренного подшипника, входящими в пазы на полукольцах. Осевой зазор вала составляет 0,121-0,265 мм.
Уплотнение коленчатого вала осуществляется резино-армированными самоподжимными сальниками, изготовляющими из специальной резиновой смеси. Передний сальник запрессован в крышку шестерен распределения, а задний - в картер маховика.

Для обеспечения минимального биения маховика торец колен­чатого вала должен быть строго перпендикулярен оси коренных шеек, а кромки всех выходящих отверстий притуплены фасками. При сборке необходимо обращать особое внимание на отсутствие на торце забоин и грязи.

Коленчатый вал является базовой изнашиваемой деталью, определяющей в конечном итоге ресурс и затраты на ремонт дизелей. Наряду с этим на изготовление коленчатого вала расходуется большая часть стального проката, идущего на производство дизеля. Поэтому изыскания по повышению прочности коленчатых валов занимают центральное место в программе работ по увеличению надежности дизелей ЯМЗ.

Для повышения надежности коленчатых валов одновременно производились конструкторские разработки и исследования прочности; совершенствовалась технология для снижения концентрации напряжений и остаточных напряжений и применялись упрочняющие методы; улучшались формообразование заготовки, термическая обработка и качество металла. Все это сочеталось с повышением технического уровня эксплуатации и ремонта.

Напомним, что коленчатые валы дизелей ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238 изготовляются из марганцовистой стали типа 50Г, а дизелей ЯМЗ-240 - из хромованадиевой стали. Коренные и шатунные шейки, а также шейки под уплотнитсльные манжеты подвергаются поверхностной закалке с нагревом.

Конструкция коленчатого вала ЯМЗ

Конструкция коленчатых валов дизелей ЯМЗ имеет ряд особенностей: значительные диаметры коренных и шатунных шеек, большое перекрытие этих шеек, относительно большой радиус галтелей. Кроме того, противовесы изготовлены отдельно от вала, что позволяет улучшить формование в штамповке. В шатунных шейках имеются отверстия-грязесборники, которые уменьшают массу вала и в некоторой мере обеспечивают центробежную очистку масла, поступающего к шатунным подшипникам, а также снижают массу противовесов.

Для таких деталей, как коленчатый вал, которые подвергаются сложному нагружению, в условиях массового производства разделение факторов, определяющих их работоспособность, на конструкторские, металлургические и технологические является весьма условным.

Это относится в первую очередь к факторам, определяющим концентрацию напряжений, и к разработке методов упрочнения наиболее нагруженных элементов. Напряжения в галтельных участках коленчатых валов дизелей ЯМЗ-238 ниже напряжений соответствующих участков коленчатых валов ряда современных дизелей при одинаковых расчетных максимальных давлениях цикла. Таким образом, коленчатые валы дизелей ЯМЗ обладают достаточной конструктивной прочностью. Достаточно высока и износостойкость коленчатых валов. Она не лимитирует достигнутого ресурса дизелей и его повышение.

Однако опыт эксплуатации определил целесообразность проведения комплекса работ по повышению эксплуатационной стойкости коленчатых валов, тем более, что осваивается производство все более форсированных дизелей семейства ЯМЗ. В итоге выполненных исследований были найдены решения, внедрение которых позволило существенно повысить эксплуатационные качества коленчатых валов.

Холодная накатка галтелей роликами

По исходной технической документации на коленчатые валы дизелей ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238 предусматривалось упрочнение элементов валов путем создания сжимающих напряжений в галтельных участках методом пластической деформации, в частности, обкаткой галтелей роликами. Экспериментально было определено допустимое давление инструмента на обкатываемую поверхность, выбрана форма его рабочей поверхности и, наконец, связь этих факторов с деформацией вала и его усталостной прочностью.

Ролик, нагруженный рычажно-гидравлической системой, обкатывает галтели по всей тороидальной поверхности от центра до периферии, так как ролик имеет специальную форму с переменной шириной рабочей поверхности. Необходимость применения ролика с таким профилем объясняется тем, что при изготовлении коленчатых валов невозможно обеспечить одинаковые радиусы их галтелей и рабочей поверхности ролика. Если радиус рабочей поверхности ролика меньше радиуса галтелей вала, то упрочняется только центральная часть галтели. Если радиус рабочей поверхности ролика больше радиуса галтелей вала, то упрочняются только периферийные участки галтелей вала.

Устранение холодной правки коленчатых валов ЯМЗ

Наличие значительных остаточных напряжений в коленчатом валу отрицательно сказывается на надежности как собственно вала, так и сопрягаемых с ним деталей и прежде всего подшипников (вкладышей) и блока цилиндров. Холодная правка вала в процессе механической обработки способствует возникновению больших остаточных напряжений.

Исследованиями на усталостных машинах коленчатых валов, подвергавшихся холодной правке согласно исходному технологическому процессу, и валов, не подвергавшихся правке, установлена значительная разница в их прочностных характеристиках. Усталостная прочность коленчатых валов, подвергавшихся холодной правке, снижается на 30% и более. При этом характерно значительное рассеивание разрушающих напряжений.

Вследствие этого был разработан ряд положений, позволивших создать технологический процесс изготовления коленчатых валов при массовом производстве без применения операций правки и без увеличения суммарных припусков на механическую обработку.

К этим положениям относятся: выбор способа базирования валов, обеспечивающего их минимальную поводку; выбор способа обработки, обусловливающего минимальные напряжения в валах; назначение межоперационных припусков на последующую операцию с учетом не только вида последующей обработки, но и поводки вала на предыдущей операции; введение операции исправления технологических баз; изменение способа проверки кривизны оси коренных шеек вала (взамен проверки от центровых отверстий введена проверка относительно оси крайних коренных шеек); изменение последовательности технологических операций так, чтобы обеспечивалась соосность коренных шеек при обработке их после операций, во время которых создаются напряжения в валах.

Было установлено, что приведенные выше положения необходимо соблюдать и при термической обработке штамповок валов в вертикальном положении. Эта обработка позволила уменьшить кривизну штамповок.

Уменьшение концентрации напряжений в коленчатых валах

Напряженное состояние коленчатого вала дизеля определяется не только размерами и действующими на него нагрузками, но и концентрацией напряжений в его элементах. Значительное, а в ряде случаев определяющее влияние концентраторов на общую надежность коленчатых валов вызвало необходимость устранить эти концентраторы или снизить степень их влияния на усталостную прочность коленчатых валов.

Одним из видов концентраторов напряжений в шатунных шейках коленчатых валов являются микротрещины в закаленной с нагревом т. в. ч. зоне, соответствующей разъему штампа. В качестве одной из наиболее вероятных причин возникновения микротрещин следует отметить выход в разъем штампа ликвационной, менее прочной и более засоренной неметаллическими включениями части металла при штамповке вала. Другой причиной образования этих трещин может служить неоднородная "пятнистая" твердость поверхности шатунных шеек вследствие "струйного" охлаждения (особенно при засорении отдельных сопл индуктора) шеек после нагрева т. в. ч., приводящая к возникновению местных растягивающих напряжений из-за разной структуры отдельных микроучастков. Данный недостаток усугублялся при закалке шеек т. в. ч. на невращающемся валу. Наконец, трещины могут появиться вследствие отпуска отдельных участков металла из-за перегрева их при шлифовании или схватывании шеек с вкладышами подшипников в условиях эксплуатации при недостаточной смазке, что приводит к возникновению местных растягивающих напряжений вследствие изменения структуры отдельных участков.

Наличие микротрещин приводит к значительному снижению усталостной прочности коленчатых валов. Об этом свидетельствуют опытные данные, приведенные на рис. 71 и 72. Как следует из графиков, наличие на шатунных шейках дефектов в виде сетки микротрещин уменьшает усталостную прочность коленчатого вала при изгибе в пределах 40% и при кручении 20%. Еще более опасными становятся микротрещины на шатунной шейке в зоне, соответствующей разъему штампа: когда они выходят на галтели или в зону масляных каналов шатунных шеек.