Исследование влияния составляющих функционального допуска посадки на долговечность и точность сборки неподвижных сопряжений деталей цилиндро-поршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511. 10. Часть 2 Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014

УДК 621.9.08:621.753.2:531.7:621.431

Н. Н. ЧИГРИК

Омский техникум высоких технологий машиностроения

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ДОПУСКА ПОСАДКИ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ И ТОЧНОСТЬ СБОРКИ НЕПОДВИЖНЫХ СОПРЯЖЕНИЙ ДЕТАЛЕЙ ЦИЛИНДРО-ПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ЗМЗ-511.10.

ЧАСТЬ 2_________________________________________

По результатам проведения метрологической экспертизы технической документации, исследования условий базирования при эксплуатации и норм точности на сборку шатуна с деталями цилиндро-поршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 установлены исходя из рационального соотношения по ГОСТ 24643-81 значения допусков формы и расположения на отверстия в поршневой и шатунной головках шатуна и на перекос осей данных отверстий относительно их взаимного расположения, выведена функциональная зависимость определения угла перекоса поршня относительно внутренней цилиндрической поверхности зеркала цилиндра в плоскости оси вращения коленчатого вала.

Ключевые слова: допуск, погрешность, точность, отклонение формы, отклонение расположения поверхностей, размерная цепь.

В процессе работы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 детали кривошипно-шатунного механизма нагружены силой давления газов Рг в рабочей полости, действующей одновременно и одинаково как на поршень вдоль его оси, так и на крышку цилиндра при их взаимном уравновешивании, несмотря на то, что в течение рабочего цикла сила давления газов Рг непрерывно изменяется и при уравновешенном поршне вибрации двигателя она не вызывает (рис. 1). Неравномерное движение поршня и связанного с ним комплекта подвижных деталей вызывает переменные по величине и направлению действия силы инерции Рин поступательно движущихся частей кривошипно-шатунного механизма, приложенных к поршню и направленных вдоль его оси. Суммарное движущее усилие Рд при сложении сил Рг и Рин направленно вдоль оси цилиндра и при переносе ее на поршневой палец раскладывается на две составляющие — силу Рш, направленную вдоль оси шатуна, сжимающую или растягивающую шатун, и сдвигающую силу Ра, прижимающую поршень то к одной, то к другой стенке цилиндра. Сдвигающая сила Ра переменна по направлению и значению, вызывает износ внутренней цилиндрической поверхности цилиндра, действуя на плече Ь, создает опрокидывающий момент, равный крутящему моменту Миз.

Сила Рш, перенесенная на кривошип, раскладывается на две составляющие — тангенциальную Рт,

касательную к окружности радиуса кривошипа, и радиальную Рг, направленную вдоль радиуса кривошипа, образуя крутящий момент двигателя Мк.

Шатун шарнирно соединяет поршень с кривошипом коленчатого вала, воспринимает от поршня и передает коленчатому валу усилие давления газов при рабочем ходе, обеспечивает перемещение поршней при совершении вспомогательных тактов. Шатун состоит из поршневой головки, в которой имеется гладкое отверстие под подшипниковую втулку, стержня двутаврового сечения и нижней головки с разъемным отверстием для крепления с шатунной шейкой коленчатого вала с шатуном. Разъемная крышка шатуна крепится к его нижней головке с помощью шатунных болтов.

Поршни автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 отлиты из высокопрочного эвтектического алюминиевого сплава АЛ30 [1, 2], имеют вставку из жаропрочного чугуна под верхнее компрессионное кольцо и коллоиднографитовое покрытие юбки. На поршне расположены одно маслосъемное и два компрессионных кольца. При поступлении в капитальный ремонт поршни имеют износ канавки под верхнее компрессионное кольцо.

В процессе работы на шатун действуют значительные нагрузки вдоль его продольной оси от давления газов в цилиндрах, инерционных сил, что вызывает напряжение изгиба и кручение на поверхности

Рис. 1. Силы, действующие в одном цилиндре двигателя: Рг — сила давления газов; Рин — сила инерции;

РЭ — суммарное действующее усилие,

Рш — сила, действующая на шатун;

Рт — тангенциальная сила;

Рг — радиальная сила, направленная вдоль радиуса шатуна;

Сп — сила действия противовеса; а — угол поворота кривошипа;

Я — радиус кривошипа;

Ь — плечо нормальной силы

отверстий шатуна, приводит к ощутимым остаточным деформациям в виде погнутости, скрученности, образованию вмятин, появлению износов отверстий шатуна до ±0,05 мм, торцев нижней головки до ±0,1 мм. Деформация от изгиба и скручивания шатуна может достигать до ±0,2 мм. Износы устраняют слесарно-механической обработкой или железне-нием, а деформации — правкой «в холодную» с последующей термической стабилизацией. При механических повреждениях шатун бракуют.

Метрологическая экспертиза конструкторской документации шатуна в сборе с деталями цилиндропоршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 проведена в соответствии с размерной и геометрической точностью технических требований сборочного чертежа [3, 4]. Элементные размеры определяют пространственную геометрическую формы и габариты элементов деталей, а координирующие — их относительное положение. В качестве элементных размеров принимаются размеры прилегающих к элементам поверхностей, а отклонения формы и положения реальных поверхностей рассматриваются как независимые величины. В зависимости от условий базирования деталей отклонения формы и расположения реальных поверхностей влияют на характер посадки, являются составными частями элементных размеров. Координирующие размеры деталей также зависят от служебного назначения поверхностей элементов, влияют на элементные размеры, отклонения координирующих размеров могут являться отклонениями относительного положения, входящими в состав элементных размеров. Определение служебного назначения элементов шатуна на основе его номинального и сборочного чертежей образует полную обобщенную систему координат ОХУХ. На номинальном чертеже шатуна в сборе основной комплект конструкторских баз шатуна составляет ось цилиндрического эле-

мента А4 поршневой головки шатуна в виде двойной направляющей базы с информативностью, равной 4, и ось цилиндрического элемента Б2 нижней головки шатуна в виде двойной опорной базы с информативностью равной 2. Центр О обобщенной системы координат ОХУХ комплекта основных конструкторских баз шатуна совпадает с осью двойной проектной направляющей базы А4 и является центром плоскости симметрии шатуна. Ось Х4 располагается вдоль двойной направляющей базы А4, а ось Х совпадает с плоскостью симметрии шатуна и представляет собой продольную ось. Ось цилиндрического элемента А4 поршневой головки шатуна в виде двойной направляющей базы лишает шатун четырех движений: двух линейных поступательных перемещений вдоль осей У2 и Х относительно оси Х4 и двух угловых перекосов вокруг осей У2 и Х относительно оси Х4. Поскольку максимальная информативность цилиндрического элемента равна четырем, соответственно, ось цилиндрического элемента в виде двойной направляющей базы А4 использовала все возможные степени свободы. Изображая из материала элемента волнистой линией реальную форму поверхности элемента, находим первичную погрешность формы ЕФ1.

Ось цилиндрического элемента Б2 нижней головки шатуна в виде двойной опорной базы с информативностью, равной 2, лишает шатун одного линейного перемещения вдоль оси Х4 относительно оси У2 при переносе центра симметрии О отверстия поршневой головки шатуна на ось цилиндрической базы Б2 отверстия нижней головки шатуна и одного вращения вокруг оси Х4. Поскольку двойная опорная база Б2 имеет информативность, равную 2, то у нее остаются не использованы одно линейное поступательное перемещение и одно угловое смещение из максимально возможных четырех (4 = 2л + 2у). Оставшиеся неизрасходованными две степени свободы вызывают поступательное смещение 0 ± ЕХ2 вдоль оси У2 относительно Х4, а также угловой перекос 0°±УПХ2 относительно Х4, что приводит к перекосу поршня, вызванного изгибом шатуна, непараллельностью осей поршневой и нижней головки шатуна, а также из-за перекоса нижней головки шатуна. Перекос оси элемента приводит к перекосу образующих, равноудаленных от оси элемента. Расстояние между образующими определяет первичную погрешность элементов, которые неизбежно при изготовлении будут иметь первичную погрешность размера Д2—ЕД2. Изображая из материала элемента волнистой линией реальную форму поверхности, находим первичную погрешность формы ЕФ2.

Комплектом вспомогательных конструкторских баз, определяющих положение подшипниковой втулки, запрессованной в отверстие поршневой головки шатуна, является ось цилиндрической базы П4 подшипниковой втулки в виде двойной направляющей базы с максимально возможной для цилиндрической базы информативностью, равной четырем. Такая информативность вспомогательной базы П4 означает, что для задания ее положения в пространстве обобщенной системы координат О'Х'УХ' необходимо четыре координаты — две линейные и две угловые. Соответственно, для задания положения вспомогательной базы П4 в пространстве обобщенной системы координат ОХУХ необходимы две линейные координаты 0 ± ЕХ3 и 0 ± ЕУ3. Данные координаты определяют положение центра О' вспомогательной системы и являются координирующими размерами с нулевыми номиналами, отклонения от

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014

Рис. 2. Геометрическая модель шатуна в сборе с деталями цилиндро-поршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10

которых отсчитываются первичными погрешностями размеров. Угловые координаты проявляют себя в виде двух перекосов относительно оси Х4: 0°± ± УПУ3 и 0 °± УПХ3, которые также являются координирующими размерами с нулевыми номиналами, от которых отклонения отсчитываются первичными погрешностями размеров. При нанесении всех четырех координат на модель детали определяется реальное положение оси Z'4 и, соответственно, оси цилиндрического элемента Z4. При переходе к вспомогательной системе координат отображается реальное положение подшипниковой втулки в виде цилиндрического элемента П4, его диаметр с первичной погрешностью Д3—ЕД3 и отклонениями формы цилиндрической поверхности ЕФ3. Отклонений положения во вспомогательной системе данный элемент не имеет, поскольку он потратил все свои четыре степени свободы на материализацию оси ^ 4 вспомогательной системы. Комплект вспомогательных конструкторских баз, определяющий положение подшипниковой втулки относительно обобщенной системы координат объясняет возникновение перекоса поршня, поршневого пальца, возникающих из-за непараллельности оси подшипниковой втулки верхней головки шатуна и шатунного подшипника.

Комплектом вспомогательных конструкторских баз, определяющих положение шатунного подшипника, запрессованного в отверстие нижней головки шатуна, является ось цилиндрической базы С4 шатунного подшипника в виде двойной направляющей базы с максимально возможной для цилиндрической базы информативностью, равной четырем, то есть

для задания ее положения в пространстве обобщенной системы координат 0"Х"У^' необходимо четыре координаты — две линейные и две угловые.

Для задания положения вспомогательной базы С4 в пространстве обобщенной системы координат 0XYZ необходимы две линейные координаты 0 ± ЕХ4 и 0 ± ЕY4. Данные координаты определяют положение центра О" вспомогательной системы координат 0"Х"УТ' и являются координирующими размерами с нулевыми номиналами, отклонения расположения поверхностей от которых отсчитываются первичными погрешностями размеров.

Угловые координаты проявляют себя в виде двух перекосов относительно оси Z4: 0°±УПУ4 и 0°± ± УПХ4, которые также являются координирующими размерами с нулевыми номиналами, отклонения от которых отсчитываются первичными погрешностями размеров. При нанесении всех четырех координат на модель детали определяется реальное положение оси ^'4 и при переходе к вспомогательной системе координат отображается реальное положение шатунного подшипника в виде цилиндрического элемента С4, его диаметр с первичной погрешностью Д4—ЕД4 и отклонениями формы цилиндрической поверхности ЕФ4. Отклонений положения во вспомогательной системе О''X''Y' ' данный элемент не

имеет, поскольку он потратил все свои четыре степени свободы на материализацию оси ^'4 вспомогательной системы.

Геометрическая модель шатуна в сборе с деталями цилиндро-поршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 представлена на рис. 2, реализует

Таблица 1

Данные о служебном назначении элементов геометрической модели шатуна

Обозначение элемента, система отсчета

Вид, назначение, информативность

Размеры и первичные погрешности в основной системе координат

Базы , размеры, допуски из номинального чертежа детали

Предложения

3

А4

ОХУ7

Ц, ОБ

2л+2у

2л+2у

0 Д1 (ІТ Д1)

2л+2у—2л—2у= 0 ЕФ1

О 0,005

0,005

// \о,озо/юо | А

Д1к

О 0,010

0,010

// 0,008/100 Б2

52 Д2к

О 0,016

0,016

/ 0,020 А4

Б2 ОХУ 7

Ц, ОБ 1л+1у 2л+2у

2л+2у—1л—1у = = 1л+1у 0±Е72 0°±УПХ2 ЕФ2 Д2-ЕД2

0 Д2 (ІТ Д2)

О 8

0,008

П4

О'Х'У'7'

Ц, ВБ

2л+2у

2л+2у

2л+2у—2л—2у = 0±ЕХ3 0±ЕУ3 0°±УПУ3 0°±УПХ3 ЕФ3 Д3-ЕД3

0 Д3 (ІТ Д3)

/М |-[>

0 Д3 (ІТ Д3) 0 ± 0,5ІТХ 0 ± 0,5ІТУ 0 ± 0,5АТХ 0 ± 0,5 АТУ

О 0,010

0 , 010

0,025 А4

С4

О"Х"У"7"

Ц, ВБ

2л+2у

2л+2у

2л+2у—2л—2у = 0±ЕХ4 0±ЕУ4 0°±УПУ4 0°±УПХ4 ЕФ4 Д4-ЕД4

0 Д4 (ІТ Д4)

а |-[>

0 Д4 ( ІТ Д4) 0 ± 0,5ІТХ 0 ± 0,5ІТУ 0 ± 0,5АТХ 0 ± 0,5АТУ

О 0,016

0,016

0,040 Б2

// 0,020 П4

2

4

5

0

0

его тождественную модель по условиям базирования при эксплуатации. Данные о служебном назначении элементов геометрической модели шатуна в сборе с деталями цилиндро-поршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10, их служебном назначении, информативности, системах отсчета погрешностей и нормах точности сведены в табл. 1.

Овальность и конусность отверстия в поршневой головке шатуна под установку подшипниковой втулки, согласно техническим требованиям [5], задана не более 0,005 мм, овальность и конусность отверстия в нижней головке шатуна, сопрягаемая посредством шатунного подшипника с шатунной шейкой коленчатого вала не более 0,008 мм; отклонение от перекоса оси отверстия в поршневой головке шатуна (ЕРАу) под установку подшипниковой втулки относительно оси отверстия нижней головки шатуна не более 0,03 мм на длине 100 мм. В соответствии с положениями ГОСТ 24643-81 [6] для цилиндрических поверхностей ТРф<0,3.ІТБ. Условия 0,005<0,3Ю,010, 0,008<0,3Ю,012 не выполняются, соответственно, допуски между собой не увязаны. Техническое требование назначения отклонения от перекоса оси отверстия в поршневой головке шатуна (ЕРАу) под уста-

новку подшипниковой втулки относительно оси отверстия нижней головки шатуна не более 0,03 мм на длине 100 мм не выполняется, исходя из невыполнения условия ТРр<0,6.ІТ0, 0,030<0,6Ю,010.

В соответствии с положениями ГОСТ 24643-81 значения допуска круглости и профиля продольного сечения для отверстия в поршневой головке шатуна под установку подшипниковой втулки составляют ТРК=0,010 мм, Т№=0,010 мм, значения допуска круг-лости и профиля продольного сечения для отверстия в нижней головке шатуна составляют ТҐК=0,016 мм, Т№=0,016 мм, отклонение от перекоса оси отверстия в поршневой головке шатуна (ТРАу) под установку подшипниковой втулки относительно оси отверстия нижней головки шатуна, сопрягаемой с шатунной шейкой коленчатого вала, составляет не более 0,008 мм на длине 100 мм, отклонение от перекоса оси отверстия в нижней головке шатуна (ЕРАу) под установку шатунного подшипника относительно оси отверстия поршневой головки шатуна составляет не более 0,020 мм.

Перекос поршня относительно внутренней цилиндрической поверхности зеркала цилиндра в плоскости оси коленчатого вала вызывает преждевре-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014

менныи износ стенок цилиндра и одностороннюю выработку поршневых колец. При этом со временем в данном подвижном сопряжении нарушаются геометрические и кинематические параметры, приводящие к затруднению образования масляного клина вследствие изменения направления вектора скорости перемещения по отношению к контактным линиями. В соответствии с технической документацией [5] допустимый перекос поршня в цилиндре автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 не контролируется ни при изготовлении, ни при ремонте. Перекос поршня в плоскости оси коленчатого вала вызывает преждевременный износ стенок цилиндра и одностороннюю выработку поршневых колец. При этом перекос поршня относительно внутренней цилиндрической поверхности зеркала цилиндра связан с образованием отклонения от перпендикулярности оси цилиндра к оси коленчатого вала (EPR1), отклонения от перпендикулярности оси отверстия под поршневой палец к оси поршня (EPR2); отклонения от параллельности осей отверстий кривошипной и поршневой головок шатуна (EPA1); отклонения от параллельности осей шатунных и коренных шеек коленчатого вала (EPA2), а также связан с недостаточной жесткостью шатуна и коленчатого вала.

В соответствии с приведенной геометрической моделью шатуна в сборе с деталями цилиндро-порш-невой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10, приведенной на рис. 2, реализующей его тождественную модель по условиям базирования при эксплуатации, перекос поршня (ф) относительно внутренней цилиндрической поверхности зеркала цилиндра определяется из тригонометрической зависимости

Рис. 3 Размерная цепь цилиндрического сопряжения «гильза-поршень», образующая зазор

D lim д min + 2ECED - (d lim л max - 2ECEd)

Д max

H

На основании исследования условий базирования при эксплуатации, норм точности при проведении метрологической экспертизы технической документации на сборку шатуна с деталями цилиндро-порш-невой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 исходя из рационального соотношения по ГОСТ 24643-81 установлены значения допусков формы и расположения на отверстия в поршневой и шатунной головках шатуна и на перекос осей данных отверстий относительно их взаимного расположения. Выведена функциональная зависимость определения угла перекоса поршня относительно внутренней цилиндрической поверхности зеркала цилиндра в плоскости оси вращения коленчатого вала.

sin(j) = Н; j = arcsini Н |,

где Н — высота поршня, мм,

Д — эксплуатационный зазор между внутренней цилиндрической поверхностью зеркала цилиндра и поршнем в плоскости оси вращения коленчатого вала, мм.

Эксплуатационный зазор (Д) между внутренней цилиндрической поверхностью зеркала цилиндра и поршнем в плоскости оси вращения коленчатого вала определяется значением радиального биения (ЕСИ) на нормируемой длине вдоль внутренней цилиндрической поверхности гильзы цилиндров в сопряжении «гильза поршень», соответствующей высоте поршня (Н), и определяется замыкающим звеном размерной цепи (рис. 3), разницей наибольшего и наименьшего расстояний от всех точек реальной поверхности в пределах нормируемого участка до базовой оси

Библиографический список

1. Колчин, А. И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей : учебное пособие для вузов / А. И. Колчин, В. П. Демидов. — М. : Высш. шк., 2008. — 496 с.

2. Фридлендер, И. Н. Высокопрочные деформируемые алюминиевые сплавы / И. Н. Фридлендер. — М. : Металлургия, 1960. - 292 с.

3. Глухов, В. И. Метрологическое обеспечение качества по точности геометрических величин : учеб. пособие / В. И. Глухов. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012. — 140 с.

4. Глухов, В. И. Теория измерений геометрических величин деталей : учеб. пособие / В. И. Глухов. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012. — 108 с.

5. ГАЗ-3307. ГАЗ-3309. Руководство по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту. — М. : Издательский дом Третий Рим, 2007. — 188 с.

6. ГОСТ 24643-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Допуски формы и расположения. Числовые значения. — Введ. 1981—01—07. — М. : Изд-во стандартов, 1981. — 16 с.

ei+TCEd

= D lim д min + TCED - d lim д max + TCEd .

Вследствие малости углов максимальный перекос поршня (фтш) относительно внутренней поверхности зеркала цилиндра определяется зависимостью

л nES-TCED і es

D _ dEI - dei+TCEd

Н

Н

ЧИГРИК Надежда Николаевна, кандидат технических наук, доцент (Россия), преподаватель спец-дисциплин.

Адрес для переписки: ChigrikNadya@yandex.ru

Статья поступила в редакцию 02.07.2013 г.

© Н. Н. Чигрик