Исследование параметров шероховатости поверхности шеек коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, характеризующих опорную способность профиля Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.891.2 Доктор техн. наук В.Я. СКОВОРОДИН

(СПбГАУ, v.y. skovorodin.@gmail.com) Канд. техн. наук А.С. ЕВСЕЕВ (СПбГАУ, post44@inbox.ru) Аспирант М.К. ДЖАМИЛОВ (СПбГАУ, jmk_ jt85@mail.ru)

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ШЕЕК КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ ОПОРНУЮ СПОСОБНОСТЬ ПРОФИЛЯ

Двигатель, коленчатый вал, шероховатость, профиль, приработка

Несущая способность сопряжений деталей машин и интенсивность изнашивания трущихся поверхностей во многом определяется фактической площадью контакта. Фактическая площадь контакта - это сумма элементарных площадок контакта, возникающих в результате деформаций отдельных неровностей поверхностей. Оценка фактической площади контакта может быть выполнена, если известны параметры шероховатости поверхностей, определяющие распределение материальной части на разных сечениях относительно средней линии. Как и все другие характеристики поверхности, эти параметры изменяются в процессе приработки и стабилизируются при достижении равновесной шероховатости [1].

По ГОСТу 25142 - 82 регламентируется только один параметр - опорная длина профиля. Это есть сумма длин отрезков, отсекаемых на заданном уровне в материале профиля линией, эквидистантной средней линии в пределах базовой длины. Чаще всего применяется параметр относительная опорная длина профиля - отношение опорной длины профиля к базовой длине [2].

На рис. 1 и 2 показаны распределения величины относительной длины профиля на уровне 10% шлифованной поверхности шеек коленчатого вала и шеек коленчатого вала двигателей E7G, имеющих большую наработку.

0,56

0,44 -

0,33 -

о о

<5

ГО 0,22

0,11 -

0,00

0,1 0,4 0,7 1,0 1,3 1,6

Относительная опорная длина

Рис. 1. Распределение относительной опорной длины профиля шлифованных шеек коленчатого вала

го н о н о го ZT

0,52 0,44 0,37 0,30 0,22 0,15 0,07 0,00

0,2 2,2 4,2 6,2 8,2 10,2

Относительная опорная длина

Рис. 2. Распределение относительной опорной длины профиля шеек коленчатого вала двигателя Б71

Как видно из рисунков, относительная опорная длина профиля изменяется в очень широких пределах - на три порядка. Так, для шлифованной поверхности рассеивание от 0,1% до 1,6%, для поверхности с равновесной шероховатостью - от 0,2% до 10%. Это свидетельствует о том, что несущая способность сопряжения с равновесной шероховатостью шейки вала значительно выше, чем сопряжения со шлифованной поверхностью вала.

Статистический анализ распределений величин относительной длины профиля поверхности шеек коленчатых валов разных марок двигателей показал, что наиболее подходящим теоретическим законом распределения является распределение Вейбулла. Выборочные статистики и параметры распределения Вейбулла приведены в табл. 1.

На рис. 3 показаны теоретические распределения величин относительной длины профиля поверхности шеек коленчатых валов разных марок двигателей.

0,35

0,30

О

0

1

н к о с^ си ш

-й

с5

0

1

н о с; С

0,25

0,20

0,15

0,10

0,05

0,00

\ М 601 '■••-.. И18ХЕ AAT-W ЬК ТйУ6

АУВ й4ВН 6074

0

2

10

12

4 6 8

Относительная опорная длина %

Рис. 3. Распределения относительной длины профиля поверхности шеек коленчатых валов разных марок

двигателей

Т а б л и ц а 1. Статистические оценки и параметры распределения относительной длины профиля шеек валов разных марок двигателей.

Марка двигателя Среднее значение Среднеквадр. отклонение Параметры распределения Вейбулла

масштаба формы

ОМ 601 3,18 2,45 3,41 1,24

218ХЕ 1,58 2,04 1,34 0,95

ФФЕ W 2,73 2,13 2,93 1,27

ЬЯ ТОУ6 2,64 2,28 2,65 1,01

Е71 3,34 2,43 3,71 1,47

ВАЗ 2,37 1,67 2,65 1,54

ЛУБ 2,15 2,29 2,07 0,93

вЛ16БЕ 1,61 1,65 1,57 0,96

6в74 1,92 3,48 2,12 1,03

Б4БИ 4,56 4,41 4,41 1.01

Все двиг. 2,45 2,42 2,40 1.02

Шлиф. 0,74 0,63 0,59 1,64

Из рис.3 и табл.1 следует, что распределения относительной длины профиля для разных марок двигателей отличаются незначительно, разницы между средними значениями при уровне значимости 0,05 не наблюдается. Это позволяет данные по всем маркам двигателей объединить в один массив и дать общую статистическую оценку. Среднее значение для равновесной шероховатости составляет 2,45 против 0,74 для шлифованной поверхности.

Кроме параметра опорная длина профиля, по стандарту ISO 4287-1997 применяются такие параметры, как разница высот сечения профиля и параметры кривой материального отношения профиля (кривой Эббота - Файрстоуна) [4].

Разница высот сечения профиля - это вертикальное расстояние между двумя уровнями сечения, измеряемого от одного уровня сечения (опорной линии - принято равной 10%) до другого уровня сечения с заданным материальным отношением.

На рис. 4 показаны распределения разницы высот на уровне от 0,1 до 0,25 сечения профиля шлифованной шейки коленчатого вала (а) и профиля шейки вала двигателя GA16DE (б).

0,44

0,37

0,30

го

I-

Ь 0,22

го

т

0,15

0,07 0,00

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Разница высот мкм а

0,8

0,50

0,42

0,33

го

I-

Ь 0,25

го

т

0,17 -

0,08 v

0,00

0,10 0,14 0,18 0,22 0,26 0,30 Разница высот мкм б

Рис. 4. Распределения разницы высот на уровне от 0,1 до 0,25 сечения профиля шлифованной шейки вала (а) и профиля шейки вала двигателя вА16БЕ (б)

Распределение разницы высот сечения профиля для шлифованной поверхности шейки вала может быть аппроксимировано нормальным распределением, а для шейки вала с равновесной шероховатостью -распределением Вейбулла.

0,7

□ Среднее..............................................................

_ □ _ Среднее _ +- _ ст. _ ошибка......................

I Среднее +- ср. кв. отклонение

$ + £ ^ ^ ф

I 0,6

_ 0,5

О

У 0,4 .о т

я 0,3

| 0,2

со

£ 0,1 0,0

718ХЕ AVB 04ВИ Шлиф.

TDV6 ОА16ЭЕ 6074

Марка двигателя

Рис. 5. Статистические оценки рассеивания величин разницы высот сечения профиля поверхности шеек валов на уровне от 0,1 до 0,25 для разных марок двигателей Статистические оценки рассеивания величин разницы высот сечения профиля на уровне от 0,1 до 0,25 для разных двигателей показаны на рис. 5. Средние значения и диапазоны рассеивания близки друг другу.

Распределение разницы высот сечения профиля на уровнях от 0,1 до 0,5 и от 0,1 до 0,75 аналогичны распределениям на уровне от 0,1 до 0,25.

Статистический анализ показал, что распределения разницы высот сечения профиля поверхности валов разных двигателей при уровне значимости 0,05 не имеют отличий. Статистические оценки приведены в табл. 2.

Т а б л и ц а 2. Параметры опорной поверхности шеек коленчатых валов

Поверхность Показатели Характеристики выборки Параметры распределения Вейбулла

Среднее Ср. квадр. откл. a b

Поверхность шеек после шлифования Относительная опорная длина 0,74 0,63 0,59 1,64

Разность высот сечения профиля (0,Нр - 0,251р) 0,24 0,06 0,28 4,7

Разность высот сечения профиля (0,Нр - 0,5гр) 0,50 0,09 0,53 4,5

Разность высот сечения профиля (0,Нр - 0,751р) 0,82 0,12 0,87 4,2

Равновесная шероховатость шеек Относительная опорная длина 0ф) 2,45 2,42 2,40 0,95

Разность высот сечения профиля (0,Нр - 0,251р) 0,06 0,04 0,07 1,6

Разность высот сечения профиля (0,Нр - 0,5гр) 0,11 0,08 0,12 1,5

Разность высот сечения профиля (0,Нр - 0,751р) 0,18 0,14 0,20 1,4

Обобщённые распределения разницы высот сечения профиля равновесной шероховатости поверхности шеек для всех марок двигателей на разных уровнях показаны на рис. 6.

Параметры кривой материального отношения профиля по стандарту DIN 4776

определяются из следующей схемы (рис. 7). На схеме рис. 7 ось абсцисс - относительная опорная длина профиля, ось ординат - глубина от высочайшего пика (выступа) профиля в мкм.

Прямая линия AB проводится при условии, что для центральной части кривой линии материального отношения имеет наименьший градиент и отличается по материальному отношению на 40%. Вертикальное расстояние между значениями ординат линии AB в точках C и D называется глубиной шероховатости центральной части - Rk. Площадь под кривой материального отношения CHI называется площадью пиков - A1.

120 100 80 60 40 20 0

0,01 0,05 0,09 0,13 0,17 0,21 Разница высот мкм а

120

100 -

го н о н о го

IT

80 -

60 -

40 -

20 -

0,01 0,05 0,09 0,13 0,17 0,21 Разница высот мкм б

120 100 80 60 40

20 -

0,01 0,09 0,17 0,25 0,33 0,41 Разница высот мкм

Рис. 6. Разница высот сечений профиля шероховатости шеек коленчатых валов автомобильных двигателей на разных уровнях относительно средней линии профиля:

а - от 0,1 до 0,25, б - от 0,1 до 0,5, в - от 0,1 до 0,75.

0

в

Рис. 7. График кривой материального отношения профиля

Параметр Rpk называется приведённой высотой пиков и рассчитывается как высота прямоугольного треугольника CHJ, построенного так, чтобы он имел ту же площадь, что и площадь пиков (CHI). Прямоугольный треугольник, соответствующий площади пиков А1, имеет в основании Mrl. Аналогично для впадин определяется площадь впадин - A2 и параметр Rvk, как высота прямоугольного треугольника DEG, соответствующего площади впадин А2, имеющего в основании Mr2.

На процессы трения и износа наибольшее влияние оказывают неровности выше средней линии профиля, характеризуемые параметрами Rpk и А1. На рис. 8 показаны распределения приведённой высоты пиков (Rpk) профиля шлифованной поверхности шеек коленчатых валов и поверхности с равновесной шероховатостью шеек валов двигателей D4BH .

0,25 0,35 0,45 0,55 0,65 0,76 Приведённая высота пиков мкм а

0,07 0,12 0,16 0,21 0,25 0,30 Приведённая высота пиков мкм б

Рис. 8. Распределение приведённой высоты пиков (Ярк) профиля шлифованной поверхности шеек коленчатых валов (а) и поверхности с равновесной шероховатостью шеек валов двигателей Б4БИ (б)

Как и большинство распределений других параметров шероховатости, распределения приведённой высоты пиков являются асимметричными. Они аппроксимируются распределением Вейбулла с параметром формы, близкой к единице. Однако по абсолютным величинам эти распределения имеют значимое различие. Приведённая высота пиков профиля шлифованной поверхности шеек коленчатых валов более чем в два раза превосходит высоту пиков поверхности с равновесной шероховатостью.

т

о

га

о о

0,45 0,40 0,35 0,30

¡2 э

к | °,25 га ^

I I

:ф

Ч

ф

т

а

0,20 0,15 0,10 0,05

□......Среднее.................

□ Среднее+- ст. ошибка

X. Среднее+- 1,96 ст. ошибка

□

Т

ЬК ТЭУ6 СА16ЭЕ 6в74

АУВ Э4ВН Шлиф.

Марка двигателя

Рис. 9. Диаграмма размаха приведённой высоты пиков профиля поверхности шеек коленчатых валов

двигателей разных марок

На рис. 9 приведена диаграмма размаха величины приведённой высоты пиков профиля поверхности шеек коленчатых валов разных двигателей.

Из графика видно, что приведённая высота пиков профиля поверхности с равновесной шероховатостью хотя и отличается друг от друга для разных марок двигателей, но значительно меньше высоты пиков профиля шлифованной поверхности.

Параметр площадь пиков (А1) характеризует поверхностную зону профиля поверхности, которая подвергается деформированию при сближении трущихся поверхностей и во многом определяет интенсивность изнашивания. Значение параметра А1 приведены на рис. 10.

Рис. 10. Площадь пиков А1 профиля поверхности шеек коленчатых валов

двигателей

Для разных марок двигателей величины А1 для равновесной шероховатости шеек валов значительно отличаются между собой, но в то же время, они много меньше по сравнению с шероховатостью шлифованной поверхности.

Это является ещё одним подтверждением того, что несущая способность сопряжений с равновесной шероховатостью рабочих поверхностей деталей значительно превышает несущую способность сопряжений деталей после окончательной механической обработки.

Таким образом, параметры эксплуатационной шероховатости шеек коленчатых валов разных марок значительно отличаются от параметров шероховатости поверхности шеек после окончательной обработки по техническим требованиям на ремонт двигателей. Для повышения работоспособности подшипников коленчатого вала при ремонте двигателей необходимо назначать такую окончательную обработку шеек валов, которая могла бы приблизить параметры шероховатости к эксплуатационным. Приведённые результаты исследований являются необходимыми для решения этих задач.

Л и т е р а т у р а

1. ГОСТ 25142-82. Шероховатость поверхности. — Введ. 01.01.1983. — М.: Изд-во стандартов, 1982. — 20 с.

2. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчёта на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.

3. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн. /Под ред. И В. Крагельского, В.В. Алисина - М.: Машиностроение, - Кн.1 1978.- 400с.

4. ISO 4287:1997 Geometrical Product Specifications (GPS) - Surface texture: Profile method - Terms, definitions and surface texture parameters.