CC BY
93
Оригинальная статья / Original article УДК: 629.113.004.5
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-156-162
ИССЛЕДОВАНИЕ МОМЕНТА ЗАТЯЖКИ ОТВЕТСТВЕННЫХ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА СРОК ИХ СЛУЖБЫ НА ПРИМЕРЕ ШАТУННЫХ БОЛТОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕГКОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ
© О.Л. Маломыжев1, В.В. Скутельник2, А.С. Бектемиров3
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Резюме. Цель представленной работы - выявить причины, вызывающие разрушение шатунных болтов; повысить надежность и ресурс поршневых двигателей внутреннего сгорания. Методы. Результаты исследований при выполнении автотехнических экспертиз и анализа разрушенных шатунных болтов поршневых двигателей внутреннего сгорания, а также последствий разрушения позволили установить основные причины, вызывающие эти разрушения. Результаты. Установлена наиболее вероятная и значимая причина, вызывающая разрушение шатунных болтов. Согласно технологическим условиям завода-изготовителя, момент затяжки болтов следует выполнять по номинальному значению и не стремиться достичь его максимальной величины. Заключение. Предложены рекомендации, снижающие вероятность разрушения шатунных болтов, позволяющие повысить безотказность поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, кривошипно-шатунный механизм, шатун, усталостное разрушение, момент затяжки.
Формат цитирования: Маломыжев О.Л., Скутельник В.В., Бектемиров А.С. Исследование момента затяжки ответственных резьбовых соединений на срок их службы на примере шатунных болтов двигателей легковых автомобилей // Вестник ИрГТУ. 2016. № 6 (113). С. 156-162. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-156-162
STUDYING TIGHTENING TORQUE OF CRITICAL THREAD CONNECTIONS FOR THE PERIOD OF THEIR SERVICE LIFE ON THE EXAMPLE OF CONNECTING ROD BOLTS OF MOTOR CAR ENGINES O.L. Malomyzhev, V.V. Skutelinik, A.S. Bektemirov
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Abstract. The purpose of the work is to identify the causes of connecting rod bolt failures and improve the reliability and service life of piston internal combustion engines. Methods. The results of studies performed in the course of autotechnical expertise and analysis of the broken connecting rod bolts of the piston internal combustion engines, as well as the failure consequences allowed to identify the main causes of these failures. Results. The most probable and significant cause of connecting rod bolt failures has been identified. According to the technological conditions of the manufacturer, the tightening torque of bolts should comply with the reference value. It's not advisable to try to reach its maximum value. Conclusion. The recommendations that reduce the probability of connecting rod failure are given. They allow to improve failure-free operation of piston internal combustion engines.
Keywords: internal combustion engine, crank-and-rod mechanism, connecting rod, fatigue breakdown, tightening torque
For citation: Malomyzhev O.L., Skutelinik V.V., Bektemirov A.S. Studying tightening torque of critical thread connections for the period of their service life on the example of connecting rod bolts of motor car engines Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, no. 6, pp. 156-162. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-156-162
1Маломыжев Олег Львович, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного транспорта, е-mail: olm@bk.ru
Malomyzhev Oleg, Candidate of Engineering, Associate Professor of the Department Motor Transport, e-mail: olm@bk.ru
2Скутельник Виталий Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры менеджмента и логистики на транспорте, е-mail: scutvv@gmail.com
Skutelinik Vitaly, Candidate of Engineering, Associate Professor of the Department Transport Management and Logistics, e-mail: scutvv@gmail.com
3Бектемиров Амир Саидбаддалович, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного транспорта, e-mail: amir.bektemirov@mail.ru
Bektemirov Amir, Candidate of Engineering, Associate Professor of the Department of Motor Transport, e-mail: amir.bektemirov@mail.ru
Введение
Тенденция развития современных двигателей внутреннего сгорания направлена на уменьшение их веса и габаритных размеров [1]. В результате большинство элементов деталей двигателей выполняется с небольшим запасом прочности. Это в полной мере относится к крепежным элементам, включая шатунные болты. Для обеспечения необходимой работоспособности двигателей резьбовые элементы необходимо закручивать с моментом, не превышающим определенные значения, которые устанавливает завод-изготовитель. Однако в процессе эксплуатации не всегда удается выполнить эти требования, что иногда приводит к обрыву шатунных болтов двигателя.
При обрыве шатунных болтов в большинстве случаев происходит раскрытие стыка нижней головки шатуна с возможным последующим разрушением как самого шатуна, так и цилиндра, блок-картера, коленчатого вала. Примеры таких разрушений приведены на рис. 1.
возникновения, повысить безотказность и обеспечить экономическую эффективность эксплуатации двигателей.
Причины обрыва шатунных болтов Известно, что при работе двигателя шатунные болты обеспечивают надежное соединение шатуна с шатунной шейкой коленчатого вала двигателя и исключают возможность раскрытия стыка нижней головки шатуна. При этом шатунный болт подвергается: растяжению, обусловленному силой его затяжки; переменной составляющей силы инерции, обусловленной возвратно-поступательными движениями части массы шатуна, отнесенной к оси поршневого пальца и массы деталей поршневой группы; крутящим моментом, обусловленным затяжкой болта.
Обрыв шатунных болтов может возникнуть по следующим причинам:
- производственная - болты изготовлены из некачественного материала и (или) нарушена технология их производства;
Рис. 1. Разрушение шатуна и картера Fig. 1. Failure of a connecting rod and a crankcase
Приведенные на рис. 1 разрушения двигателей являются причиной длительного простоя автомобиля вследствие необходимости сложных ремонтных работ двигателя, а также значительных материальных затратам, обусловленным необходимостью приобретения дорогостоящих деталей или даже агрегатов. Таким образом, исследование причин, вызывающих разрушение шатунных болтов, позволит разработать мероприятия по снижению вероятности их
- эксплуатационная - нарушены правила эксплуатации двигателя;
- технологическая - нарушена технология сборки двигателя при его ремонте .
Исследование момента затяжки шатунных болтов В статье рассматривается причина разрушения шатунных болтов, связанная с нарушением технологии сборки двигателя в процессе выполнения текущего или капитального ремонтов. Для обеспечения вы-
полнения своего назначения шатунные болты должны затягиваться моментом, установленным заводом-изготовителем. При этом недостаточная величина момента затяжки, как правило, приводит к самопроизвольному выкручиванию болтов в процессе работы двигателя, которые могут быть причиной возникновения вышеперечисленных разрушений. В свою очередь, превышение момента затяжки практически исключает возможность самопроизвольного выкручивания шатунных болтов или гаек, но может вызвать в шатунных болтах появление микротрещин вследствие возникновения напряжений, превышающих предел прочности. Образовавшиеся микротрещины, способны к дальнейшему развитию под воздействием переменных нагрузок на шатунные болты и в итоге - к возникновению усталостного разрушения.
Заводы-изготовители двигателей, как правило, указывают в технической документации по обслуживанию и ремонту три значения рекомендуемого момента затяжки - номинальный, минимально и максимально допустимые. При этом слесари-мотористы при сборке двигателей в большинстве случаев пытаются закрутить шатунные болты или гайки с максимально допустимым моментом, полагая, что вероятность разрушения двигателя будет снижена вследствие самопроизвольного раскручивания данных резьбовых соединений или даже не используют динамометрический инструмент, что недопустимо. Следует отметить, что технология сборки двигателя при этом теоретически не нарушена. Практически погрешность динамометрического инструмента или же его неисправность (отсутствие периодической поверки) может привести к тому, что максимально допустимый момент затяжки шатунных болтов или гаек может быть превышен на величину до 20-30%. При этом сила растяжения шатунного болта Q в соответствии с методикой, приведенной в [2], составит
где М - момент затяжки шатунного болта; гср - средний радиус резьбы; а - угол подъема резьбы; р - угол трения в резьбе; Мтр -момент трения на опорном торце гайки или болта.
MTP=1*f*Q* тр 3 ' ^ D2_d2
где / - коэффициент трения; и йв -наружный и внутренний диаметры резьбы соответственно.
В итоге для большинства шатунных болтов можно использовать приближенную формулу
Q =
M
0,2dJ
Q =
м-м.
тр
rcp*tg(a+p)'
из которой очевидно, что сила растяжения шатунного болта возрастает пропорционально возрастанию момента затяжки.
Динамическая нагрузка на шатунные болты, обусловленная силами инерции и пропорциональная квадрату угловой скорости коленчатого вала [1], складывается со статической (силой предварительной затяжки болтов). На рис. 2 приведены графики изменения суммарной нагрузки на шатунные болты при рекомендуемом, а и превышенном, б - моментах предварительной затяжки. Из этого видно, что превышение предварительной затяжки болтов вызывает снижение запаса прочности и значительное снижение числа циклов, вызывающих усталостное разрушение, как указано на рис. 3.
На представленной поверхности излома шатунного болта (рис. 4) видны три зоны разрушений - первичная 1 (возникновение трещины), последующая 2 (развитие трещины) и окончательная 3 (одномоментный обрыв).
Первичное разрушение возникло в процессе эксплуатации двигателя. Оно обусловлено повышенным напряжением в болте вследствие превышения момента затяжки, а также в результате работы двигателя на высоких частотах вращения коленчатого вала.
Рис. 2. Суммарная нагрузка на шатунные болты при различных моментах предварительной затяжки Fig. 2. Total load on connecting rod bolts at various pre-tightening torques
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Условное число циклов до разрушения Conventional number of cycles before failure
Рис. 3. Относительное снижение числа циклов до возникновения усталостного разрушения Fig. 3. Relative decrease of the number of cycles before fatigue failure occurrence
Рис. 4. Усталостное разрушение шатунного болта Fig. 4. Fatigue failure of a connecting rod bolt
По данным [1], сила затяжки шатунного болта выбирается с учетом того, чтобы при действии силы инерции ^ сохранялось условие плотности стыка кривошипной головки шатуна (при движении поршня от верхней мертвой точки на такте впуска):
¿и = [(Мпд + Мшп)Ц + Я)]^2,
где Мпд - масса деталей поршневой группы; Мшп - часть массы шатуна, отнесенная к поршню.
Во время работы болт нагружается дополнительной циклической силой х^ц. Коэффициент действующей нагрузки х определяют из условия совместности деформаций болта Мб и стягиваемых частей кривошипной головки шатуна :
Л'б = ^б/та;
Ыш = (1-Х)Ри1ш№ш),
где 1б, 1ш - соответственно длина болта и высота растягиваемых частей кривошипной головки; 5б и 5ш - соответственно суммарные площади поперечного сечения болтов и деформируемой части кривошипной головки.
При 1б = 1ш коэффициент х = 5б/0$б + 5ш), для выполняемых конструкций двигателей х = 0,15 ^ 0,25. И максимальная сила, растягивающая болт,
Рб = Рз+ ХРц.
Для современных двигателей стремление к повышению надежности резьбовых соединений, снижению массы деталей приводит к необходимости применения ответственных резьбовых соединений (болтов: головок блока цилиндров, коренных крышек коленчатого вала) и в том числе шатунных болтов, работающих на пределе текучести. Указанные крепежные соединения первоначально затягиваются с установленным моментом, а затем довора-чиваются на определенный угол, что и обеспечивает работу крепежного соединения на пределе текучести, т.е. на границе упругих и пластических деформаций. Вследствие этого указанные крепежные детали запрещается использовать повторно, и они подлежат обязательной замене при ремонте двигателя. Для таких шатунных болтов превышение момента их затяжки на величину, даже не превышающую 20%, может вызвать возникновение преж-
Рис. 5. Разрушение шатунного болта в результате возникновения микротрещины, обусловленной превышением момента затяжки Fig. 5. Failure of a connecting rod bolt as a result of microcrack formation caused by an excess tightening torque
Рис. 6. Отломленная головка шатунного болта (слева); зона начала развития микротрещины (справа) Fig. 6. Chipped head of a connecting rod bolt (on the left); the area of microcrack origination (on the right)
девременного усталостного разрушения. Такое разрушение, по имеющимся данным, может возникнуть при наработке двигателя 150-1500 моточасов, что соответствует 6-60 тыс. км пробега автомобиля. На рис. 5 и 6 представлены болты, разрушенные в результате превышения момента затяжки при выполнении ремонта двигателей.
Заключение Из вышеуказанного следует, что для контроля предварительного момента за-
тяжки шатунных болтов необходимо использовать динамометрические ключи или рукоятки, имеющие допустимую величину погрешности и прошедшие метрологическую поверку. Момент затяжки следует выполнять по номинальному значению, согласно технологическим условиям завода-изготовителя, и не стремиться достичь максимальной величины момента затяжки. Не допускать повторного использования шатунных болтов, если это не предусмот-
рено технологией ремонта двигателя. Внесенные авторами предложения применимы и для других ответственных резьбовых соединений [3]. При использовании данных
Библиогра
1. Орлин А.С., Круглов М.Г. Двигатели внутреннего сгорания. 4-е перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1984. 382 с.
2. Еремеев В.К., Горнов Ю.Н. Детали машин и основы конструирования. Иркутск: Изд-во ИрГТУ,
рекомендаций можно уменьшить вероятность возникновения усталостных разрушений шатунных болтов.
uiü список
2009. 158 с.
3. Исследование причин разрушения двигателя внутреннего сгорания / О.Л. Маломыжев, А.С. Бек-темиров, М.Э. Круглов, Е.П. Черноусов // Вестник ИрГТУ. 2015. № 5 (100). С. 122-127.
References
1. Orlin A.S., Kruglov M.G. Dvigateli vnutrennego sgoraniya [Internal combustion engines]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1984, 382 p.
2. Eremeev V.K., Gornov Yu.N. Detali mashin i osno-vy konstruirovaniya [Machine parts and design principles]. Irkutsk: IrGTU Publ., 2009, 158 p.
3. Malomyzhev O.L., Bektemirov A.S., Kruglov M.E., Chernousov E.P. Issledovanie prichin razrusheniya dvigatelya vnutrennego sgoraniya [Studies of internal combustion engine disintegration causes]. Vestnik IrG-TU - Proceedings of Irkutsk State Technical University, 2015, no. 5 (100), pp. 122-127.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 23.03.2016 г.
Conflict of interest
The authors declare no conflict of interest.
The article was received 23 March 2016
