Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

Коленчатые валы тракторных и автомобильных двигателей по конструктивно-технологическим и экономическим особенностям являются сложными, металлоемкими, дорогими и ответственными деталями.

Известно, что основным дефектом коленчатых валов автотракторных двигателей является износ коренных и шатунных шеек, который приводит к увеличению зазоров между ними, падению давления в системе смазки и увеличению динамических нагрузок в сопряжении, что вызывает вибрацию двигателя [1–3].

При вибрации двигателя возникает некомфортная эксплуатация техники, повышенный расход топлива и др.

Причиной вибраций являются силы инерции, возникающие при вращении и неравномерном поступательном движении деталей. Величина силы инерции зависит от квадрата частоты или ускорения при поступательном движении. При этом данные величины являются переменными. Величина силы инерции определяется по формуле

(1)

где m – неуравновешенная масса, г; r – радиус вращения массы, м; ω – угловая скорость вращения, с-1; n – частота вращения, мин-1.

Согласно формуле (1), дисбаланс будет определяться по формуле

D = m•r, (2)

где D – дисбаланс, г•мм; m – неуравновешенная масса, г; r – расстояние от оси вращения до неуравновешенной массы, мм.

Возникающая у коленчатых валов динамическая неуравновешенность (дисбаланс) характеризуется смещением центра масс относительно оси вращения вала, а вместе с ним и главной центральной оси инерции (рис. 1).

Таким образом, при ремонте необходимо устранять динамическую неуравновешенность балансировкой только на специализированных стендах, таких, как, например, ТБ 300.

Однако при балансировке коленчатых валов V-образных двигателей (кроме V12) в отличие от рядных, применяются специальные противовесы (бобвейты), которые одеваются на шатунные шейки (рис. 2).

Рис. 2. Внешний вид противовесов (бобвейтов), установленных на шатунные шейки V-образных двигателей

Отсутствие в заводской литературе по технологии ремонта массы бобвейтов коленчатых валов V-образных двигателей вызывает большие трудности балансировки в условиях ремонтных предприятий как отечественных, так и импортных легковых и грузовых автомобилей.

Цель исследования: таким образом, большое практическое значение имеют значения массы бобвейтов и алгоритм ее определения для коленчатых валов V-образных двигателей.

Материалы и методы исследования

Согласно источникам [4, 5] известно, что масса бобвейтов определяется по формуле

М = Мвр + 0,5·Мвп, (2)

где Мвр – вращательная масса шатунно-поршневой группы (ШПГ), г, Мвп – возвратно-поступательная масса ШПГ, г.

Так как масса бобвейтов зависит от массы шатунно-поршневой группы, то ее определение возможно двумя способами.

1. Сделать развесовку ШПГ и рассчитать массу каждого бобвейта без подгонки веса поршней, верхней и нижней головки шатуна, а попытаться скомпенсировать более легкую верхнюю головку шатуна наиболее тяжелым поршнем. В результате получаются бобвейты, близкие по массе.

Трудоемкость данной операции не очень высока. Однако минусом этого способа является не совсем корректный расчет и необходимость селективной сборки (поршень и шатун можно ставить только в то место, куда указал балансировщик).

2. Сделать развесовку ШПГ, подогнать по массе поршни и шатуны. В результате масса бобвейтов получается одинаковая.

Этот способ имеет наиболее точный метод расчета, поршни и шатуны можно собирать в произвольном порядке, однако у этого способа более высокая трудоемкость.

В практике пользуются этими двумя способами.

Пример. Имеется коленчатый вал V-образного двигателя автомобиля «КАМАЗ» евро 1 с комплектом ШПГ.

Для определения массы бобвейтов по формуле (1), находим возвратно–поступательную массу деталей ШПГ.

1. Взвешиваются поршни (рис. 2, а). Если поршневые пальцы по массе практически не отличаются, их можно не взвешивать вместе с поршнями. Если масса различается, то пальцы придется взвешивать в сборе с поршнем. Далее если масса бобвейтов считается по первому способу, то записывается масса каждого из восьми поршней.

2. Если масса бобвейтов считается по второму способу, то подгоняется масса поршней (с учетом допуска) под минимальное значение (2006,5 г) и пропускается эта операция, если считается по первому способу (рис. 2, б).

При подгонке массы поршней съем металла можно производить со специальных отливов, с внутренней стороны днища поршня, с внутренней стороны юбки поршня, не ослабляя конструкцию поршня, что может привести к выходу двигателя из строя. Однако в практике часто бывает, что невозможно подогнать по массе поршни, так как разброс слишком велик.

3. Взвешиваются стопорные кольца поршневого пальца (если они используются) на один цилиндр (10,5 г).

4. Взвешиваются поршневые пальцы (если у пальцев минимальный разброс и взвешивались поршня в первом пункте без пальцев) (799 г).

5. Взвешиваются поршневые кольца на один цилиндр (первое поршневое кольцо, второе поршневое кольцо, маслосъемное кольцо) (рис. 2, в) (103,5 г).

6. Взвешивается пара шатунных вкладышей (на один шатун) (рис. 2, г) (168,5 г).

7. Взвешивается нижняя головка у всех 8 шатунов (рис. 2, д) (2110 г).

8. Подгоняются по массе шатуны, если считается по второму варианту и пропускается эта операция, если расчет ведется по первому варианту (рис. 2, е).

9. Взвешивается общая масса каждого из 8 шатунов.

10. Считается масса верхней головки каждого из восьми шатунов

11. Подгоняется по массе верхняя головка шатунов, если считается по второму варианту и пропускается этот пункт, если считается по первому варианту (рис. 3).

Таким образом, после взвешивания имеется масса всех деталей для расчета массы бобвейтов по первому и по второму способу расчета:

– масса одного поршня 2006,5 г (подогнали массу более тяжелых поршней под самый легкий);

– масса одного поршневого пальца 799 г (масса пальцев одинаковая);

– масса стопорных колец на один поршень 10,5 г;

– масса комплекта поршневых колец на один поршень 103,5 г;

– масса верхней головки шатуна 992,5 г (все 8 шатунов у нас имеют общую массу).

Так как на одной шатунной шейки находится по 2 шатуна, общая возвратно-поступательная масса будет равна

Мвп = (2006,5 + 799 + 10,5 + 103,5 + 992,5)·2 = 7824 г.

Затем выписываются данные, которые относятся к вращательной массе:

– масса пары шатунных вкладышей (на один шатун) 168,5 г;

– масса нижней головки шатуна 2110 г.

Рис. 3. Подгонка верхней головки шатуна

Рис. 4. Набор бобвейтов по массе

К возвратно-поступательной массе добавляется порядка 4–8 г на вес масла в каналах коленчатого вала. Тогда общая вращательная масса будет равна

Мвр = (2110 + 168,5)·2 + 8 = 4565 г.

Итак, согласно формуле (1), масса бобвейтов будет равна

М = Мвр + 0,5·Мвп = 4565 + 0,5·7824 = 8477 г.

Соответственно, на каждую шатунную шейку, нужно закрепить бобвейт массой 8477 г, состоящего из двух равных по массе частей, т.е. по 4238,5 г.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты расчета массы бобвейтов наиболее часто встречаемых при балансировке коленчатых валов V-образных двигателей приведены в таблице.

При расчете по первому способу масса каждого из четырех бобвейтов будет немного отличаться (так как здесь не подгоняется масса поршней и шатунов). И чтобы уменьшить разброс в массе бобвейтов нужно скомплектовать поршни и шатуны таким образом, чтобы шатун с минимальной массой верхней головки шатуна комплектовался самым тяжелым поршнем.

После определения массы бобвейтов при дальнейшей балансировке коленчатых валов V-образных двигателей используются 2 метода: внутренняя балансировка и внешняя балансировка [6].

Внутренняя балансировка подразумевает, что завод – изготовитель коленчатого вала сумел скомпенсировать щеками коленчатого вала вес ШПГ (поршень, поршневой палец, поршневые кольца, стопорные кольца, шатун, шатунные вкладыши). А это значит, что в условиях ремонтных предприятий этот вал можно балансировать отдельно (но обязательно с использованием бобвейтов).

Внешняя балансировка используется тогда, когда завод-изготовитель не смог скомпенсировать щеками коленчатого вала вес ШПГ, а значит, вынужден дополнительно компенсировать, например, за счет переднего шкива (демпфера) и маховика. А это значит, что в условиях ремонтных предприятий этот вал нужно балансировать в «сборе», то есть с маховиком и часто вместе с передним шкивом, (но обязательно с использованием бобвейтов).

Так как информацию по конкретному способу балансировки вала (внутренняя или внешняя балансировка) в свободном доступе найти практически невозможно, можно ориентироваться на исполнение маховика и переднего шкива.

Внешний вид маховика и переднего шкива при внешней балансировке приведен на рис. 5.

Из рис. 5 видно, что при внешней балансировке маховик и передний шкив изготовлены несимметрично, а значит если на маховике или переднем шкиве (демпфере) в определенном месте металла снято больше, то данный коленчатый вал должен балансироваться только в сборе (коленчатый вал, маховик, демпфер) и с бобвейтами.

Кроме того, последней операцией целесообразно проводить балансировку коленчатого вала с маховиком, демпфером и корзиной сцепления.

Выводы

1. Определены массы бобвейтов наиболее часто встречаемых коленчатых валов V-образных двигателей и приведен алгоритм для ее расчета.

2. Определены особенности внешней и внутренней балансировки коленчатых валов V-образных двигателей.