CC BY
109
References
1. Kapralov S. S. Povyshenie upravljaemosti legkovogo avtomobilja za schet sovershenstvovanija harakteristik shin diss. kand. teh. Nauk [Increase of controllability of the car due to improvement of characteristics of tires cand. tech. science]. Moscow MAMI, 1998. 310 p.
2. Bachmann T. Literaturrecherche zum Reibwert zwischen Reifen und Fahrbahn. Fortschritt-Bericht VDI. Reihe 12. no. 286. Düsseldorf.: VDI Verlag, 1996. 212 p.
3. Rajmpel' J. Shassi avtomobilja: Amortizatory, shiny i kolesa [Car chassis: Shock-absorbers, tires and wheels]. Moscow, Mashinostroenie, 1986. 320 p.
4. Sharshukov K. G., Oborudovanie dlja opredelenija vyhodnyh harakteristik shin [Equipment for definition of output characteristics of tires]. Problemy proektirovanija, stroitel'stva i jekspluatacii transportnyh sooruzhenij: materialy 1 Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii studentov, aspirantov i molodyh uchenyh. 24 - 26 maja 2006: nauchnoe izdanie. Omsk: SibADI, 2006. Kn. 3. pp. 89 - 94.
5. Zarshhikov A. M., Sharshukov K. G., Kapralov S. S., Poverhnost' dlja opredelenija vyhodnyh harakteristik shin na barabannom stende [Surface for definition of output characteristics of tires at the drum stand] Povyshenie jeffektivnosti jekspluatacii avtotransportnyh sredstv na osnove sovremennyh metodov diagnostirovanija: Materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii 30 maja - 1 ijunja 2007 IrGTU. Irkutsk: Izd-vo IrGTU, 2007. pp. 83 - 89.
6. Sharshukov K. G., Kapralov S. S., Maljugin P. N. Metodika ispytanij shin na barabannom stende s poverhnost'ju iz polimerbetona [Technique of tests of tires at the drum stand with a surface from a polimerbeton] Avtomobil'naja promyshlennost'. 2009, no 3. pp. 35 - 36.
7. Dik A. B., Kanja V. A., Balakin V. D. Sistematizacija dannyh ispytanij shin na soprotivlenie
uvodu [Systematization of these tests of tires for resistance to withdrawal] Tretij Vsesojuznyj simpozium «Problemy shin i rezinokordnyh kompozitov» (21 - 25 oktjabrja 1991): Tez. dokl. Moscow NII shinnoj promysh. (NllShP), 1991. pp. 145 - 149.
8. Adler Ju. P., Markova E. V., Granovskij Ju. V. Planirovanie jeksperimenta pri poiske optimal'nyh uslovij [Planning of experiment by search of optimum conditions] Moscow, Nauka, 1976. 270 p.
9. Optimizacija processov tehnologii metallov metodami planirovanija jeksperimentov [Optimization of processes of technology of metals by methods of planning of experiments] F. S. Novik, Ja. B. Arsov. Moscow: Mashinostroenie; Sofija: Tehnika, 1980. 304 p
10. GOST 4754-97. Shiny pnevmaticheskie dlja legkovyh avtomobilej, pricepov k nim, legkih gruzovyh avtomobilej i avtobusov osobo maloj vmestimosti. [Vved. 1999-01-01. Minsk: Mezhgos. sovet po standartizacii, metrologii i sertifikacii; Moscow, Izd-vo standartov, 1998. 37 p.
Шаршуков Константин Геннадиевич (Россия, г. Омск) - инженер, ОАО «ОМУС-1» (644040 г.Омск ул.Доковский проезд, д. 2, e-mail:chkosstya@mail. ru)
Капралов Станислав Станиславович (Россия, г. Омск) - кандидат технических наук, доцент кафедры Организация и безопасность движения; ФГБОУ ВПО «СибАДИ» (644080, г. Омск, пр. Мира,5, e-mail: [email protected])
Sharshukov K. G. (Russian Federation, Omsk) -the engineer, JSC OMUS-1 (644040 of Omsk of Dokovsky Drive St., 2, e-mail:[email protected])
Kapralov S. S. (Russian Fedration, Omsk) -Candidate of Technical Sciences, associate professor Organization and traffic safety; Siberian State Automobile and Highway Academy (SibADI) (644080, Omsk, Mira Ave., 5, e-mail: [email protected])
УДК 621.9.08:621.753.2:531.7:621.431
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ СБОРКИ ШАТУНА С ДЕТАЛЯМИ ЦИЛИНДРО-ПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Н. Н. Чигрик
БОО СПО «Омский авиационный техникум им. Н.Е. Жуковского, Россия, г. Омск
Аннотация. По результатам проведения метрологической экспертизы конструкторско-технологической документации по техническому обслуживанию и ремонту автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10, исследования условий базирования при эксплуатации и норм точности сборки шатуна с деталями цилиндро-поршневой группы двигателя внутреннего сгорания выведена функциональная зависимость определения угла перекоса поршня относительно внутренней цилиндрической поверхности зеркала цилиндра в плоскости оси симметрии коленчатого вала с учетом влияния отклонений формы поверхностей, на опорные поверхности шатуна в сборе, сопрягаемые с деталями цилиндро-поршневой группы двигателя внутреннего сгорания, назначены допуски формы и расположения поверхностей, отсутствие указания которых и неточность определения значений допусков влияет на образование
перекоса поршня в плоскости оси симметрии коленчатого вала, одностороннюю выработку поршневых колец и преждевременный износ внутренней поверхности вращения гильзы цилиндров.
Ключевые слова: отклонение формы и расположения поверхностей, двигатель внутреннего сгорания, цилиндро-поршневая группа, шатун, коленчатый вал.
Введение
Работоспособность деталей и механизмов двигателя внутреннего сгорания (ДВС) зависит от изменения предельных отклонений в подвижных сопряжениях вследствие износа деталей, ослабления прочности сопрягаемых посадочных соединений, нарушения нагрузочного режима, несоблюдения норм точности на сборку изделий и взаимной увязки отклонений размеров, формы и расположения, шероховатости поверхностей с точки зрения их влияния на погрешность измерений. Повышение качества ремонта автомобильного двигателя достигается совершенствованием организации технологии сборочных процессов, соблюдения технических требований на сборку, при этом комплектование и подбор деталей при измерительном контроле непосредственно влияет на формирование качества ремонтных работ. Погрешность измерений зависит не только от точности применяемых универсальных средств измерений, но и от полноты реализации стандартных определений измеряемых величин, применяемого метода измерений, метода сборки, условий, способа и схемы измерений, правильности и соответствия значений в конструкторской документации технических записей нормам точности, установления соответствия терминологии геометрических величин, их условных обозначений стандартным определениям на диаметр вала и отверстия по ГОСТ 2534689 (СТ СЭВ 145-88) и ГОСТ 25347-82 (СТ СЭВ 144-88), на допуски формы и расположения поверхностей - по ГОСТ 24642-
81, ГОСТ 24643-81 [1].
Все размеры с проставленными нормами точности подразделяются на элементные, или сопрягаемые, образующие посадку с сопрягаемой деталью, и координирующие, определяющие положение элементов детали или присоединяемых деталей относительно комплекта основных конструкторских баз. Реальная форма поверхностей элементов детали делает элементный размер переменным, ограниченным двумя значениями - наибольшим и наименьшим. Например, наибольший диаметр вала есть диаметр прилегающего цилиндра, а его наименьший диаметр - минимальное
расстояние между противолежащими точками цилиндрической поверхности. Допуск элементного размера ограничивает отклонение формы его поверхностей, а допуск координирующего размера ограничивает отклонения расположения образующих его элементов. При измерениях и сортировке деталей на размерные группы валы сортируются по наибольшему диаметру, а отверстия - по наименьшему.
Реальное расположение элементов деталей делает переменными
координирующие размеры, которые также ограничены двумя предельными значениями - наибольшим и наименьшим, измеренными как расстояния между прилегающими к реальным поверхностям или их осям в направлениях, определяемых
конструкторскими базами по ГОСТ 21495-76 [2]. Отклонения расположения не включают расположение формы рассматриваемой поверхности за счет использования прилегающих поверхностей, при этом исключения составляют радиальное и торцовое биение. Действительные размеры годных отверстий и валов в партии деталей, изготовленных по одним и тем же чертежам, могут колебаться между заданными предельными размерами, соответственно зазоры или натяги в сопряжении могут колебаться в зависимости от действительных размеров сопрягаемых поверхностей деталей.
Геометрическая модель шатуна в сборе с деталями цилиндро-поршневой группы ДВС
В выпускаемом ООО «Заволжский моторный завод» карбюраторном бензиновом автомобильном двигателе ЗМЗ-511.10 с V-образным расположением цилиндров головка цилиндров выполнена с винтовыми впускными клапанами и
высокотурбулентными камерами сгорания для обеспечения высокой топливной экономичности, применяется система рециркуляции отработанных газов для уменьшения вредных выбросов в атмосферу, поршни изготавливаются с бочкообразным профилем юбки, блок цилиндров имеет бесшиповое крепление крышек коренных подшипников и усиленный фланец крепления
картера сцепления [3]. Автомобильный двигатель ЗМЗ-511.10 предназначен для установки на грузовые автомобили средней грузоподъемности ГАЗ-3307 [4].
Шатун ДВС состоит из поршневой головки, в которой имеется гладкое отверстие под установку подшипниковой втулки, стержня двутаврового сечения, кривошипной головки, выполненной симметрично относительно продольной оси шатуна в виде цельной замкнутой проушины круглой формы, крышки шатуна и шатунных болтов для соединения шатунной шейки коленчатого вала с разъемной кривошипной головкой шатуна посредством вкладышей с углом охвата ф = 180°, выполняющих функцию подшипника скольжения. Крышка шатуна стянута с разъемной кривошипной головкой шатуна шатунными болтами и является ее составной частью. Совершая сложное плоскопараллельное движение в плоскости своего качения, шатун шарнирно соединяет поршень с кривошипом коленчатого вала, воспринимает от поршня и передает коленчатому валу усилие давления газов при рабочем ходе и обеспечивает перемещение поршней при совершении вспомогательных тактов. В процессе работы на шатун действуют значительные нагрузки вдоль его продольной оси от сил давления газов в цилиндрах и инерционных сил, приводящих к появлению напряжения изгиба и кручения поверхностей вращения отверстий в поршневой и кривошипной головках шатуна, ощутимым остаточным деформациям в виде погнутости, скрученности, образованию вмятин, появлению износов отверстий шатуна до + 0,05 мм и торцев его кривошипной головки до + 0,1 мм.
Деформация от изгиба и скручивания шатуна может достигать до + 0,2 мм. Износ отверстий шатуна относительно предельных размеров устраняется слесарно-механической
обработкой или железнением, деформации -правкой «в холодную» с последующей термической стабилизацией.
При механических повреждениях шатун бракуют.
Поршни автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 отлиты из высокопрочного эвтектического алюминиевого сплава АЛ30 [5, 6], имеют коллоиднографитовое покрытие юбки. С учетом характера распределения температуры прогретого двигателя для достижения высокой термической стабильности при нагреве и уплотняющего эффекта по высоте уплотняющего пояса
поршня вследствие разной степени нагрева и расширения поршня и гильзы цилиндров, а также для получения одинакового оптимального зазора в сопряжении данных деталей в конструкции поршня применяется терморегулирующая вставка, выполненная из слаболегированной стали, обладающая повышенной износостойкостью и
жаропрочностью. На поршне расположены одно маслосъемное и два компрессионных кольца. При поступлении в капитальный ремонт поршни имеют износ канавки под установку верхнего компрессионного кольца.
Метрологическая экспертиза
конструкторской документации шатуна в сборе с деталями цилиндро-поршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 проведена в соответствие с размерной и геометрической точностью технических требований сборочного чертежа [7, 8]. Геометрическая модель шатуна в сборе с деталями цилиндро-поршневой группы ДВС, представленная на рисунке 1, реализует его тождественную модель по условиям базирования при эксплуатации [9]. Данные о служебном назначении элементов геометрической модели шатуна в сборе с деталями цилиндро-поршневой группы, их служебном назначении, информативности, системах отсчета погрешностей и нормах точности сведены в таблицу 1. Определение служебного назначения элементов шатуна на основе его номинального и сборочного чертежей производилось относительно его полной обобщенной системы
координат ОХУ2. Основной комплект конструкторских баз шатуна составляет ось симметрии цилиндрического элемента А4 отверстия в поршневой головке шатуна в виде двойной направляющей базы с информативностью равной 4 и ось симметрии цилиндрического элемента Б2 отверстия в кривошипной головке шатуна в виде двойной опорной базы с информативностью равной 2. Центр О обобщенной системы
координат ОХУ2 комплекта основных конструкторских баз шатуна совпадает с осью двойной проектной направляющей базы А4 и является центром плоскости симметрии шатуна. Ось 24 располагается вдоль двойной направляющей базы А4, а ось Х совпадает с плоскостью симметрии шатуна и представляет собой продольную ось. Ось цилиндрического элемента А4 верхней головки шатуна в виде двойной направляющей базы лишает шатун четырех движений: двух линейных поступательных
перемещений вдоль
относительно оси 24 и перекосов вокруг
относительно оси 24.
осей У2 и Х двух угловых осей У2 и Х 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 формы поверхности элемента, установлена первичная погрешность формы ЕФ1.
Ось цилиндрического элемента Б2 разъемной кривошипной головки шатуна в виде двойной опорной базы с информативностью равной 2 лишает шатун одного линейного перемещения вдоль оси 24 относительно оси У2 при переносе центра симметрии О отверстия в поршневой головке шатуна на ось симметрии цилиндрической базы Б2 составного отверстия в разъемной кривошипной головке шатуна и одного вращения вокруг оси 24. 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 степеней свободы (4 = 2л + 2у). Оставшиеся
неизрасходованными две степени свободы вызывают поступательное смещение 0 ±Е22 вдоль оси У2 относительно 24 и угловой перекос 0° ± УПХ2 относительно 24, в результате действия которых происходит перекос поршня, изгиб шатунной шейки вследствие отсутствия назначения в документации по техническому
обслуживанию и ремонту [8] отклонения от параллельности осей симметрии в пространстве поверхностей вращения отверстий в поршневой и кривошипной головках шатуна. Перекос оси элемента Б2 приводит к перекосу образующих, равноудаленных от оси элемента. Расстояние между образующими
определяется с первичной погрешностью элемента Б2, который неизбежно при изготовлении будут иметь первичную погрешность размера Д2-ЕД2. Изображая из материала элемента волнистой линией реальную форму его поверхности выявлена первичная погрешность формы ЕФ2.
Комплектом вспомогательных
конструкторских баз, определяющих положение втулки шатуна, сопрягаемой с отверстием в его поршневой головке является ось цилиндрического элемента П4 в виде двойной направляющей базы с максимально возможной для
цилиндрического элемента
информативностью равной четырем. Такая информативность вспомогательной базы П4 означает, что для задания ее положения в пространстве обобщенной системы координат О 'X 'У '2 ' необходимо четыре координаты - две линейные и две угловые. Соответственно для задания положения вспомогательной базы П4 в пространстве обобщенной системы координат ОХУ2 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 которых отсчитываются первичными погрешностями размеров. Угловые координаты проявляют себя в виде двух перекосов относительно оси 24: 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 2 '4 относительно оси цилиндрического элемента П4. При переходе к вспомогательной системе координат О 'X 'У '2 ' отображается реальное положение втулки шатуна в виде цилиндрического элемента П4, его диаметр с первичной погрешностью Д3-ЕД3 и отклонениями формы реальной
цилиндрической поверхности ЕФ3.
Отклонений положения во вспомогательной системе данный элемент не имеет, поскольку он потратил все свои четыре степени свободы на материализацию оси 2 '4 вспомогательной системы координат. Комплект вспомогательных конструкторских баз, определяющий положение
подшипниковой втулки относительно обобщенной системы координат ОХУ2 объясняет возникновение перекосов поршня и поршневого пальца в сборе поршня с шатуном в процессе эксплуатации ДВС, возникающих по причине отсутствия
назначения в документации по техническому обслуживанию и ремонту [10] отклонения от параллельности осей симметрии в пространстве (ЕРА) поверхностей вращения отверстий в поршневой и кривошипной головках шатуна.
Комплектом вспомогательных
конструкторских баз, определяющим положение вкладышей, устанавливаемых в разъемное отверстие составной кривошипной головки шатуна, для размещения в них шатунной шейки коленчатого вала, является ось цилиндрической базы С4 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"2" необходимо четыре координаты - две линейные и две угловые. Для задания положения вспомогательной базы С4 в пространстве обобщенной системы координат 0ХУ2 необходимы две линейные координаты 0 ±ЕХ4 и 0 ±ЕУ4. Данные координаты определяют положение центра О" вспомогательной системы
координат 0"Х"У"2" 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 24: 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 2"4 и при переходе к вспомогательной системе координат отображается реальное положение вкладышей в виде цилиндрического элемента С4, его диаметр с первичной погрешностью Д4-ЕД4 и отклонениями формы его реальной поверхности ЕФ4. Отклонений положения во вспомогательной системе 0"Х"У"2" данный элемент не имеет, поскольку он потратил все свои четыре степени свободы на материализацию оси 2"4 вспомогательной системы 0"Х"У"2".
Рис. 1 Геометрическая модель шатуна в сборе с деталями цилиндро-поршневой группы ДВС
Таблица 1 - Данные о служебном назначении элементов геометрической модели шатуна
Метрологическая экспертиза
конструкторской документации шатуна в сборе с деталями цилиндро-поршневой группы ДВС. Для обеспечения движения шатуна с минимальным трением относительно поршневого пальца и шатунной шейки коленчатого вала, равномерности
распределения давления на опорные поверхности шатуна на стадии конструкторско-технологической разработки ДВС необходимо предусмотреть правильность назначения номинальных размеров и полей допусков, допусков формы и расположения опорных поверхностей шатуна и сопрягаемых с ним поверхностей деталей цилиндро-поршневой группы ДВС для исключения недопустимых искажений их формы, сопротивление изнашиванию опорных поверхностей шатуна от рабочих воздействий в течение межремонтных периодов и всего срока службы, необходимую жесткость шатуна, сопротивление упругим деформациям от приложенных нагрузок для исключения недопустимых искажений формы шатунных подшипников, нарушающих работу
ДВС. Необходимость данных требований объясняется тем, что условия работы шатуна характеризуются значительными
знакопеременными нагрузками от сил давления газов и сил инерции, действующими вдоль его продольной оси, растягивая и скручивая шатун в плоскости его качения, посредством которого поршень соединяется с коленчатым валом. Воспринимаемая поршнем сила давления газов, сжимает шатун в конце такта сжатия и во время рабочего хода, в то время как инерционные нагрузки, действующие на поршень, стремятся оторвать поршень от коленчатого вала.
Для обеспечения точности сборки посредством запрессовки нагревом подшипниковой втулки с отверстием в верхней головке шатуна ДВС и выполнения условий работоспособности соединения с учетом влияния конструктивной и эксплуатационной составляющих
функционального допуска посадки на данное сопряжение подобрана по ГОСТ 25347-82 предпочтительная посадка с натягом
0 26— [11], принимая во внимание, что
s6
допуск формы ограничивает отклонения формы поверхностей при рассмотрении определений предельных размеров отверстия и вала, данных ГОСТ 25346-89 с позиции предела максимума и минимума материала, а отклонения формы реальных поверхностей, ограниченные полем допуска размера, уменьшают поле допуска действительных размеров на значение допуска формы и только посредством сужения допуска формы можно расширить поле допуска размера, исходя из назначения рекомендованных по ГОСТ 24643-81 [12] соотношений, установленных между допуском формы и расположения поверхностей изделий и допуском размера.
В соответствие с документацией по техническому обслуживанию и ремонту [8] овальность ^К) и конусообразность ^р) отверстий в поршневой и кривошипной головках шатуна составляют не более 0,005 мм и не более 0,008 мм при перекосе осей симметрии (ЕРАу) данных отверстий не более 0,03 мм на длине 100 мм относительно базовой оси поверхности вращения разъемного отверстия в составной кривошипной головке шатуна, сопрягаемой посредством вкладышей с углом обхвата Ф = 180° с шатунной шейкой коленчатого вала. Вследствие невыполнения условий по ГОСТ 24643-81, установленных на соотношения между допусками формы и расположения поверхностей изделия и допуском размера (1Т), допуск круглости ^К) и допуск профиля продольного сечения ^Р), назначенные на диаметр отверстия в кривошипной головке шатуна 063,5+0,012, не увязаны между собой: TFK < 0,3 • ТО, 0,008 > 0,004; TFP < 0,3 • ТО, 0,008 > 0,004, неверно назначен допуск перекоса осей симметрии (ТРАу) отверстий в поршневой и кривошипной головках шатуна: ТРАу < 0,6 • ТО, 0,030 > 0,012.
Допустимый перекос поршня относительно оси симметрии зеркала цилиндра ДВС не контролируется документацией по техническому и обслуживанию и ремонту [10] ни при изготовлении, ни при ремонте. Перекос поршня в плоскости оси коленчатого вала вызывает преждевременный износ стенок цилиндра и одностороннюю выработку поршневых колец, что со временем приводит к нарушению геометрических и кинематических параметров движения в подвижном
сопряжении «поршень - гильза цилиндров», затруднению образования масляного клина из-за изменения направления вектора скорости перемещения по отношению к контактным линиям. Образование перекоса поршня относительно внутренней цилиндрической поверхности зеркала цилиндра связано с отсутствием назначения в конструкторско-технологической документации на
изготовление шатуна отклонения от перпендикулярности оси цилиндра к оси коленчатого вала (EPR1), отклонения от перпендикулярности оси отверстия в поршне под установку поршневого пальца к оси симметрии наружной поверхности вращения поршня (EPR2); отклонения от параллельности осей симметрии в пространстве поверхностей вращения отверстий в поршневой и кривошипной головках шатуна, определяемого среднеквадратическим суммированием
отклонения от параллельности осей симметрии поверхностей вращения отверстий в поршневой и кривошипной головках шатуна в общей плоскости в вертикальном направлении (ЕРАх1) и отклонения от параллельности осей симметрии данных поверхностей в горизонтальном направлении,
рассматриваемым с позиции ГОСТ 24642-81 как перекос осей симметрии поверхностей вращения отверстий в поршневой и кривошипной головках шатуна (ЕРАу1); отклонения от параллельности осей симметрии шатунных и коренных шеек коленчатого вала в общей плоскости в вертикальном направлении (ЕРЛх2) и недостаточной жесткостью шатуна и коленчатого вала.
С точки зрения толкования определений отверстия и вала, данных ГОСТ 25346-82 с позиции предела максимума и минимума материала и исходя из рекомендуемых по ГОСТ 24643-81 соотношений,
установленных между допусками формы и расположения поверхностей изделий и допуском размера (1Т), на диаметр разъемного отверстия в составной кривошипной головке шатуна должны быть назначены по нормальной геометрической точности значения допуска круглости ^К) и допуска профиля продольного сечения ^Р) равными ТFК = ТFP = 0,010 мм. Допуск перекоса осей симметрии поверхностей вращения отверстий в поршневой и кривошипной головках шатуна должен составлять ТРАу1 = 0,020 мм на длине 100 мм. Значения допусков формы, установленные на диаметр разъемного отверстия в составной кривошипной головке шатуна, определены при выполнении условий
взаимозаменяемости деталей [13] по внесистемной комбинированной
К 7
посадке 0 63,5— из рекомендуемых по
16
ГОСТ 25347-82 полей допусков для отверстий и валов с номинальными диаметральными размерами до 500 мм, назначенной на сопряжение внутренней поверхности вращения составной кривошипной головки шатуна с наружной поверхностью вращения вкладышей с углом охвата ф = 180°.
В конструкторско-технологической документации на изготовление шатуна необходимо назначение: допуска
параллельности осей симметрии
поверхностей вращения отверстий в поршневой и кривошипной головках шатуна в общей плоскости в вертикальном направлении ТРАх1 = 0,012 мм на длине 100 мм, установленного в связи с большим влиянием на эксплуатационные свойства изделия по повышенной относительной геометрической точности; допуска параллельности осей симметрии наружных поверхностей вращения шатунных и коренных шеек коленчатого вала в общей плоскости в вертикальном
направлении ТРАх2 = 0,006 мм относительно базовой оси симметрии комплекта баз наружных поверхностей вращения коренных шеек коленчатого вала; допуска перпендикулярности оси гильзы цилиндров к оси симметрии коленчатого
вала TPR1 = 0,020 мм; допуска
перпендикулярности оси отверстия в поршне под установку поршневого пальца к оси симметрии наружной поверхности вращения поршня TPR2 = 0,004 мм. Значения допуска перпендикулярности оси гильзы цилиндров к оси коленчатого вала (TPR1) и допуска перпендикулярности оси отверстия в поршне под установку поршневого пальца к оси симметрии наружной поверхности вращения поршня (TPR2) установлены по результатам выполнения условий взаимозаменяемости деталей [13] и назначения рекомендуемых по ГОСТ 25347-82 переходных
Н 7 К 5
посадок 0 92— и 0 25 — на сопряжения
к6 h4
деталей «гильза цилиндров - поршень» и «отверстие в поршне под установку поршневого пальца - поршневой палец», комплектуемых методом селективного подбора при неизвестной точности технологического процесса.
Расчет вероятностных характеристик распределения зазоров и натягов в сопряжениях деталей цилиндро-поршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 «отверстие в поршне под установку поршневого пальца - поршневой палец», «гильза цилиндров - поршень», «отверстие в верхней головке шатуна в сборе - поршневой палец» при сортировке и комплектовании данных деталей методом селективного подбора, приведенный в [14] является приближенным, поскольку в нем не учтено смещение центра группирования
относительно середины поля допуска из-за влияния отклонения формы реальных поверхностей, что приводит при сортировке и комплектовании деталей на размерные группы к ошибочному принятию некоторых бракованных изделий годными, а некоторых годных - бракованными. При отсутствии учета отклонений формы реальных поверхностей на сборку будет поступать разное количество деталей одной размерной группы, создавая условия для так называемого незавершенного производства, когда станет невозможным использовать все изготовленные детали. Для учета возможного процента неправильно принятых деталей (т), определяемого вероятностным предельным значением выхода размера за каждую границу поля допуска у неправильно принятых бракованных деталей (с) при сортировке и комплектовании деталей на размерные группы при известной точности технологического процесса и половиной допускаемой погрешности измерений (8изм/2) при неизвестной точности технологического процесса, значение отклонения формы реальных поверхностей должно быть соизмеримо с полем допуска размерной группы, что достигается введением производственного допуска (Тпр), значение которого меньше табличного допуска на отклонение формы реальных поверхностей при смещении внутрь приемочных границ относительно предельных отклонений допуска размера изделия (1Т) на значение смещение приемочных границ.
Соответственно для крайних размерных групп должно быть учтено смещение по одной приемочной границе, а для промежуточных -для обеих, определяемое вероятностным предельным значением выхода размера за каждую границу поля допуска у неправильно
принятых бракованных деталей (с) при известной точности технологического процесса или половиной допускаемой погрешности измерений (8изм/2) при неизвестной точности технологического процесса.
С точки зрения рассмотрения определений проходного и непроходного пределов изделия, данных по ГОСТ 25346-89 с позиции предела максимума и минимума материала применительно к предельным размерам отверстия и вала при контроле годности гладких цилиндрических изделий предельными калибрами и исходя из того, что отклонения формы уменьшают поле допуска действительных размеров на значение допуска формы, ограничивающего отклонения формы поверхностей
СНтд„1п ^ Стт + 2ДфС, Сдтт ^ Стт, СДтах ^ Ьтах; йНтдтт ^ Отах — 2Дфй, йдтт ^ Этт, Одтах ^ Отах,
изменение допуска формы реальных поверхностей приведет к изменению зазоров и натягов в сопряжениях
о _ t\ES-c jes-с 0ф ~DEI+c dei+c
deS-ТфВ -d
и vt w л
N
_ des-c dei+c
DES-c _ des - DES ' DEI+c ~ dei+Td DEI
Расширить поле допуска можно только за счет уменьшения допуска формы, учитывая, что допуск формы ограничивает отклонения формы поверхностей и не должен превышать установленных по ГОСТ 24643-81 соотношений между допусками формы и расположения поверхностей изделия и допуском размера.
Согласно гидродинамической теории трения [15] в сопряжении «гильза цилиндров - поршень» сила трения определяется зависимостью
F _ f-v--,
Ам
.2.
- поверхность трения, м ; п -
2
масла, кг-сек/м ; и - скорость
Ам
толщина
где f вязкость
движения поршня, м/сек; масляного слоя, м.
Из приведенной формулы следует, что с увеличением зазора в данном сопряжении сила трения уменьшается, что благоприятно сказывается на уменьшении износа и повышения срока службы сопряжения. Мощность, затрачиваемая на трение поршня о зеркало цилиндра, будет уменьшаться с увеличением толщины масляного слоя (Дм).
Из приведенной на рисунке 1 геометрической модели шатуна в сборе с деталями цилиндро-поршневой группы ДВС,
реализующем его тождественную модель по условиям базирования при эксплуатации, перекос поршня (ф) относительно внутренней цилиндрической поверхности зеркала цилиндра определяется из
тригонометрической зависимости [9]
. А . (А
sin(^) _—; ф_ arcsinl— н ^ н
где Н - высота поршня, мм, А -эксплуатационный зазор между внутренней цилиндрической поверхностью зеркала цилиндра и поршнем в плоскости оси вращения коленчатого вала, мм.
Эксплуатационный зазор (А),
представленный на рисунке 2 в виде замыкающего звена размерной цепи (Ад) в сопряжении внутренней цилиндрической поверхности зеркала цилиндра и поршня в плоскости оси симметрии коленчатого вала определяется допуском радиального
биения (TCR) на нормируемой длине вдоль внутренней цилиндрической поверхности гильзы цилиндров на соответствующей высоте поршня (Н), как разность наибольшего и наименьшего расстояний от всех точек реальной поверхности до базовой оси в пределах нормируемого участка
а _ а - а _ dEs-tcED - des _
1А- /±2 UeI ei+TCEd -
_ D lim Д min - TCED -(d lim д mn + TCEd).
Вследствие малости углов максимальный перекос поршня (фтах) относительно внутренней поверхности зеркала цилиндра определяется зависимостью
^max
r\ES-TCED ies
De_dihTCEd
Н
D limдmin - 2ECED - (d limдmin + 2ECEd)
H
Рис
2. Размерная цепь, поясняющая образование эксплуатационного зазора в подвижном сопряжении «гильза цилиндров - поршень»
ф
Заключение
На основании проведенной
метрологической экспертизы конструкторско-технологической документации по техническому обслуживанию и ремонту, исследования условий базирования при эксплуатации и норм точности сборки шатуна с деталями цилиндро-поршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10, рассмотрения определений проходного и непроходного пределов изделия, данных по ГОСТ 25346-89 с позиции предела максимума и минимума материала применительно к предельным размерам отверстия и вала при контроле годности гладких цилиндрических деталей предельными калибрами, применения установленных по ГОСТ 2464381 соотношений между допусками формы и расположения поверхностей и допуском размера выведена функциональная зависимость определения угла перекоса поршня относительно внутренней цилиндрической поверхности зеркала цилиндра в плоскости оси симметрии коленчатого вала с учетом влияния отклонений формы сопрягаемых
поверхностей; на опорные поверхности шатуна в сборе, сопрягаемые с деталями цилиндро-поршневой группы ДВС назначены допуски формы и расположения поверхностей, отсутствие указания которых и неточность определения значений допусков влияет на образование перекоса поршня в плоскости оси симметрии коленчатого вала, что в свою очередь приводит к образованию односторонней выработки поршневых колец и преждевременному износу зеркала цилиндра.
Библиографический список
1. Чигрик, Н. Н. Оценка точности элементных размеров деталей цилиндро-поршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 / Н. Н. Чигрик // Омский научный вестник. - 2013. -№2/(120). - С. 123 - 132.
2. ГОСТ 21495-76. Базирование и базы в машиностроении. Термины и определения. -Введ. 1977-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1982. -37 с.
3. Семейство ЗМЗ V-8 Двигатель ЗМЗ-511.10 [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.zmz.ru/Produktciya/Dvigateli ZMZ/Semeystvo ZMZ V8 Dvigatel ZMZ51110 (дата обращения 25.05.2014 г.)
4. Автомобили на базе шасси ГАЗ-3307, 3308, 33081,3309 [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.furgon-center.ru/trucks/gaz/3309-gaz.html (дата обращения 25.05.2014 г.)
5. Колчин, А. И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: учебное пособие для вузов / А. И. Колчин, В. П. Демидов. - М.: Высш. шк., 2008. -
496 с.
6. Фридлендер, И. Н. Высокопрочные деформируемые алюминиевые сплавы - М. Металлургия, 1960. - 292 с.
7. Глухов, В. И. Метрологическое обеспечение качества по точности геометрических величин: учеб. пособие / В. И. Глухов. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2012. - 140 с.
8. Глухов, В. И. Теория измерений геометрических величин деталей: учеб. пособие / В. И. Глухов. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2012. - 108 с.
9. Чигрик, Н. Н. Исследование влияния составляющих функционального допуска посадки на долговечность и точность сборки неподвижных сопряжений деталей цилиндро-поршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10. Часть 2 / Н. Н. Чигрик // Омский научный вестник. - 2014. -№1/(127). - С. 118 - 122.
10. ГАЗ-3307. ГАЗ-3309. Руководство по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту. - М.: Издательский дом Третий Рим, 2007. -188 с.
11. Чигрик, Н. Н. Исследование влияния составляющих функционального допуска посадки на долговечность и точность сборки неподвижных сопряжений деталей цилиндро-поршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10. Часть 1 / Н. Н. Чигрик // Омский научный вестник. - 2013. -№3/(127). - С. 113 - 123.
12. ГОСТ 24643-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Допуски формы и расположения. Числовые значения. - Введ. 198101-07. - М.: Изд-во стандартов, 1981. - 16 с.
13. Допуски и посадки: Справочник. В 2-х ч. / [В. Д. Мягков и др.] - Л.: Машиностроение, 1982. -Ч.1. - 543 с.
14. Чигрик, Н. Н. Исследование влияния отклонения погрешности формы сопрягаемых поверхностей деталей цилиндро-поршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 при селективной сборке на точность элементных размеров / Н. Н. Чигрик // Омский научный вестник. - 2013. - №3/(123). - С. 124 - 135.
15. Технология ремонта машин и оборудования / под общ. ред. И. С. Левитского - М.: Колос, 1975. -560 с.
METROLOGY PROVIDING OF EXACTNESSES OF ASSEMBLING OF CONNECTING-ROD WITH THE DETAILS OF CYLINDER-PISTON GROUP INTERNAL COMBUSTION ENGINE
N. N. Chigrik
Abstract. According to the results of metrological examination of the design-engineering documentation on maintenance and repair, a study based on operation and precision assembly of the connecting-rod with details of the cylinder-piston group of automobile engine ЗМЗ-511.10, researches of terms of basing during exploitation and norms of exactness of assembling of piston-rod with the details of cylinder- piston group of combustion engine functional dependence of determination of corner of defect of piston of relatively internal cylindrical surface of mirror of cylinder is shown out plane axis of symmetry of
crankshaft taking into account influence of rejections of form of surfaces, on the underpayments of piston-rod in collection, attended with the details of cylinder- piston group of combustion engine, admittances of form and location of surfaces are appointed, absence of pointing of that and inaccuracy determination value admittance influence on formation of defect piston in plane axis symmetry crankshaft, one-sided making piston-ring and premature wear internal surface rotation shell cylinder.
Keywords: deflection of the shape and location of surfaces, internal combustion engine, cylinder-piston group, connecting rod, crankshaft.
References
1. Chigrik N. N. Ocenka tochnosti jelementnyh razmerov detalej cilindro-porshnevoj gruppy avtomobil'nogo dvigatelja ZMZ-511.10 [Estimation of fidelity of the element sizes of parts cylinder-piston group of the automobile motor engine ZMZ-511.10] Omskij nauchnyj vestnik, 2013, no 2 (120). pp 123 - 132.
2. GOST 21495-76. Referencing and bases in a machine industry. The terms and definitions. -Introduced 1977-01-01. Moscow, Publishing house of the standards, 1982. - 37 p.
3. The set 3M3 V-8 The motor engine ZMZ-511.10 Available at: http://www.zmz.ru/Produktciya/Dvigateli ZMZ/ Semeystvo ZMZ V8 Dvigatel ZMZ51110 (accessed 25.05.2014)
4. Automobiles on a landing gear wheel base gas-3307, 3308, 33081, 3309 Available at: http://www.furgon-center.ru/trucks/gaz/3309-gaz.html (accessed 25.05.2014)
5. Kolchin A. I, Demidov V. P. Raschet avtomobil'nyh i traktornyh dvigatelej: uchebnoe posobie dlja vuzov [Calculation of automobile and tractor motor engines: training manual for high schools]. Moscow Higher school, 2008. 496 p.
6. Fridlender I.N. Vysokoprochnye deformiruemye aljuminievye splavy [High-tensile wrought aluminum alloy].Moscow, Metallurgy, 1960. 292 p.
7. Glukhov V. I. Metrologicheskoe obespechenie kachestva po tochnosti geometricheskih velichin: ucheb. posobie [Metrology quality assurance on fidelity of geometrical magnitudes: training appliance]. Omsk: Izd-vo OmGTU, 2012. 140 p.
8. Glukhov V. I. Teorija izmerenij geometricheskih velichin detalej: ucheb. posobie [The theory of measurings of geometrical magnitudes of details: training appliance] Omsk: Izd-vo OmGT, 2012. 108 p.
9. Chigrik N. N. Issledovanie vlijanija sostavljajushhih funkcional'nogo dopuska posadki na dolgovechnost' i tochnost' sborki nepodvizhnyh soprjazhenij detalej cilindro-porshnevoj gruppy avtomobil'nogo dvigatelja ZMZ-511.10. Chast' 2
[Study of influencing components functional tolerance of fit on longevity and fidelity of assembly of fixed linkings of parts cylinder-piston group f the automobile motor engine ЗМЗ-511.10]. Omskij nauchnyj vestnik, 2014, no 1/ (127), pp. 118 - 122.
10. GAZ-3307. GAZ-3309. Rukovodstvo po jekspluatacii, tehnicheskomu obsluzhivaniju i remontu. Мoscow, The publishing house Third Rome, 2007. 188 p.
11. Chigrik N. N. Issledovanie vlijanija sostavljajushhih funkcional'nogo dopuska posadki na dolgovechnost' i tochnost' sborki nepodvizhnyh soprjazhenij detalej cilindro-porshnevoj gruppy avtomobil'nogo dvigatelja ZMZ-511.10. Chast' 1 [Study of influencing components functional tolerance of fit on longevity and fidelity of assembly of fixed linkings of parts cylinder-piston group f the automobile motor engine ZMZ-511.10. Part 1. Omskij nauchnyj vestnik, 2013, no 3/(127). pp. 113 - 123.
12. GOST 24643-81. The main norms of transposability. Tolerances of the shape and location. Numeric values. Introduced 1981-01-07. Мoscow, Izd-vo standartov, 1981. 16 p.
13. Tolerances and fits: reference book. In 2 parts L., Mashinostroenie, 1982. P.1. 543 p.
14. Chigrik N. N. Issledovanie vlijanija otklonenija pogreshnosti formy soprjagaemyh poverhnostej detalej cilindro-porshnevoj gruppy avtomobil'nogo dvigatelja ZMZ-511.10 pri selektivnoj sborke na tochnost' jelementnyh razmerov [Study of the influence of deviation of errors form of contact surfaces of the cylinder-piston group parts of automobile engine ZMZ-511.10 with selective assembly on the accuracy of element sizes]. Omskij nauchnyj vestnik, 2013, no 3 (123).pp. 124 - 135.
15. Technology for repair of machines and equipment / under the general editorship of I. C. Levitskiy. Мoscow, Kolos, 1975. 560 p.
Чигрик Надежда Николаевна (Россия, г. Омск) - кандидат технических наук, доцент, зав. лабораторией кабинета метрологии, преподаватель спец. дисциплин БОУ Оо СПО «Омский авиационный техникум им. Н.Е. Жуковского». (644024, Россия, г. Омск, ул. Ленина, 24, e-mail: ChigrikNadya@yandex. ru)
Chigrik Nadezhda Nikolaevna (Russian Federation, Omsk) - candidate of Technical Sciences, associate professor, manager. laboratory of an office of metrology, the teacher of special disciplines of BOU OO SPO "Omsk aviation technical school of N. E. Zhukovsky". (644024, Omsk, Lenin St., 24, e-mail: ChigrikNadya@yandex. ru)
