CC BY
109
УДК 629.113
С.А. Гребенников, А.С. Гребенников, Д.В. Федоров
НЕРАВНОМЕРНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МЕХАНИЗМА ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Приведены данные о неравномерности изменения технического состояния одноименных элементов механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в процессе эксплуатации.
Неравномерность, износ, двигатель внутреннего сгорания,
газораспределительный механизм
S.A. Grebennikov, A.S. Grebennikov, D.V. Fedorov
THE IRREGULARITY OF TECHNICAL CONDITION CHANGE OF ENGINE GAS-DISTRIBUTING MECHANISM ELEMENTS’
Set out the irregularity of technical condition change of engine gas-distributing mechanism elements.
Wear, internal-combustion engine, gas-distributing mechanism
Механизм газораспределения (МГР) является одним из ключевых устройств современного автотракторного ДВС, конструкция которого во многом определяет технический уровень и потребительские свойства ДВС. Работа его элементов осуществляется в условиях высоких динамических нагрузок, тепловых и коррозионных воздействий. На долю МГР приходится более 25% отказов и неисправностей,
свыше 7% суммарной трудоёмкости технического обслуживания и ремонта ДВС [1, 2].
Эффективность работы МГР определяется параметрами «время-сечение» клапанов и мощностью, затрачиваемой на привод, а его надежность - износостойкостью деталей, неразрывностью их кинематических связей, герметичностью сопряжений «седло-клапан».
Как и большинство одноименных элементов автомобиля, относящихся к динамически нагруженному классу сопряжений, детали механизма газораспределения (МГР) в процессе эксплуатации изнашиваются неравномерно в соответствии с экспоненциальной зависимостью
изменения структурных параметров S от пробега l [1]
S = So ■ ebl, (1)
где S0 - значение структурного параметра после этапа приработки; b -коэффициент интенсификации изнашивания.
Неравномернсть изменения технического состояния одноименных сопряжений обусловлена, прежде всего, неоднородностью материалла деталей, погрешностями
изготовления (отклонения шероховатости, геометричесих размеров и формы в пределах допуска) и сборки. Поэтому, ужесточение требований к точности и идентичности изготовления, качеству сопрягаемых поверхностей и сборки элементов всех звеньев МГР [1, 2] явлется залогом
равноизносности одноименных деталей.
Сравнительный анализ конструкций, технологий изготовления и сборки МГР двигателей отечественных и зарубежных фирм показывает, что у ДВС отечественного
производства имеются резервы позволяющие увеличить в 1,5...2 раза его надежность и периодичность технических воздействий по обслуживанию МГР. К примеру, сходные по устройству МГР двигателей автомобиля Ford Focus и отечественного автомобиля ВАЗ
переднеприводной компоновки с непосредственным воздействием кулачка распределительного вала на толкатель клапана цилиндрической формы имеют периодичность регулировки зазора соответственно 140 000 [3] и 30 000 км соотвественно. При этом единственным конструктивным отличием двух механизмов является регулировочная шайба (рис. 1) имеющаяся в МГР ВАЗа и отсутствующая в ДВС Ford. Клапанный зазор МГР ДВС Ford регулируется заменой всего толкателя, толщина которого изменяется с шагом 0,025 в отличие от ВАЗовской шайбы с шагом 0,05, что позволяет с большей точностью уложится в допуск на величину зазора между кулачком и толкателем, а соответственно уменьшить исходную неравномерность зазоров. Отсутствие регулировочной шайбы позволяет обойтись двумя сопряжениями (кулачек-толкатель и толкатель клапан) вместо трех у МГР двигателя ВАЗ (кулачек-шайба, шайба-толкатель и толкатель клапан), что устраняет возможный износ, присущий данному сопряжению, а соответственно и изменение теплового зазора вызванное данным износом.
В данной статье вскрыты некоторые причины, влияющие на неравномерность изменения технического состояния одноименных элементов МГР ДВС, и приведены результаты исследования МГР двигателя автомобиля Ford Focus объемом 1600 см3, имеющего пробег 75000 км. Ранее [1, 2] были опубликованы аналогичные данные по отечественным ДВС.
Методика экспериментальных исследований предусматривала измерение одноименных деталей ДВС электронными инструментами фирмы «GRIFF» (Россия): микрометрами МК-25, МК-50, МК-75 с точностью 0,001 мм и диапазоном измерения 0.25 мм, 25.50 мм, 50.75 мм соответственно;
Ч
Рис. 1. Толкатель МГР двигателя ВАЗ 2109 с регулировочной шайбой
штангенциркулем ШЦЦ-1 с точностью 0,01 мм и диапазоном 0.300 мм. Все измерения выполнялись при комнатной температуре (20.25°С).
При комплексной оценке технического состояния одноименных элементов двигателя учитывались значения: износа деталей по отношению к номинальным их размерам с учетом допуска на их изготовление; коэффициента неравномерности их износа [1]
К
(2)
г =1
где ктса, кт{„ - соответственно значения максимальной и минимальной величины структурного параметра; - среднеарифметическое значение структурного параметра.
При проверке состояния деталей двигателя особое внимание уделено элементам МГР, его приводу и другим деталям, способным оказать то или иное влияние на техническое состояние МГР (например свечам зажигания).
Существует мнение, отчасти подтвержденное научными исследованиями, что ориентирование определенным образом боковых электродов свечей зажигания относительно клапанных гнёзд камеры сгорания способствует достижению максимальной равномерности и эффективности процесса сгорания в цилиндрах двигателя. Считается, что свеча зажигания установлена оптимально, если её боковой электрод направлен в сторону «выпускных» клапанов, при этом он не экранирует искру от смеси и не отражает фронт горения на пути его распространения от свечи внутрь камеры сгорания.
К сожалению, при современном массовом производстве нет уверенности в том, что вкрученная свеча окажется правильно сориентированной. Как видно из рис. 2, у исследуемого двигателя правильное положение имеет только свеча зажигания I цилиндра. Свечи остальных цилиндров сориентированы по-разному и это может являться одной из причин столь сильного нагара на тарелках клапанов III и IV цилиндров и неравномерности рабочих процессов в цилиндрах. Кроме того, было обнаружено, что маслосъемные колпачки клапанов II, III, IV цилиндров имеют предельный износ в отличие от колпачков I цилиндра, находящихся в хорошем состоянии.
Рис. 2. Внешний вид состояния тарелок клапанов и ориентации электродов свечей зажигания по цилиндрам (выпускные клапана меньшего диаметра): !...!У - номера цилиндров
Поскольку износ деталей пропорционален нагрузке в паре трения, то различия в упругости клапанных пружин вызывает неравномерное изнашивание сопряжений МГР. Техническое состояние клапанных пружин МГР оценивалось по их деформации в процессе эксплуатации - длине в свободном состоянии [1]. Операции измерения штангенциркулем 1111II1-1 длин клапанных пружин в свободном состоянии показаны на рис. 3, а результаты обработки полученных данных - в табл. 1.
При комплексной оценке технического состояния клапанных пружин одного двигателя учитывалось как изменение их длин по отношению к номинальным размерам и допуску на их изготовление, так и значение коэффициента неравномерности их деформации (2).
Таблица 1
Результаты измерений длины клапанных пружин всех цилиндров в свободном состоянии
Пружины клапанов Номера ц илиндров Ьср, мм ІЇтах — ІЇтіп, м м 8
I II III IV
Впускного 1 47,11 46,72 46,64 46,70 46,79 0,47 0,01
Впускного 2 46,65 47,03 46,55 46,82 46,76 0,48 0,01
Выпускного 1 46,62 46,81 46,83 46,75 46,75 0,21 0,0045
Выпускного 2 46,90 46,70 46,77 46,74 46,77 0,20 0,0043
Примечание: Ьтах, - соответственно значения максимальной, минимальной среднеарифметической длины
клапанных пружин в свободном состоянии.
Рис. 3. Измерение длины клапанных пружин МГР I цилиндра в свободном состоянии
Из табл. 1 видно, что максимальный разброс значений длин всех клапанных пружин в свободном состоянии равен 0,56 мм (47,11 - 46,55) при допустимом отклонении 0,75 мм [3]. Однако пружины впускных клапанов имеют в два раза большую величину коэффициента неравномерности по сравнению с пружинами выпускных клапанов (0,012 против 0,006), что, возможно, объясняется необходимостью большего усилия предварительного сжатия пружин выпускного клапана. Графическая интерпретация результатов измерения длины клапанных пружин в свободном состоянии исследуемого ДВС отображена на рис. 4.
Исходная неравномерность усилия клапанных пружин обусловлена допуском на диаметр проволоки пружины клапана, величина которого находится в пределах 2,77 - 2,83 мм [3] (разброс в 2%), при том, что в расчете параметров пружины [4] диаметр проволоки возводится в 4-ю степень, что при пересчете дает разницу в необходимом числе витков пружины почти на 9%. По техническим условиям изготовления клапанных пружин число рабочих витков фиксировано 7,2 витками [3].
1 2 Номер цилиндра 4 12 Номер цилиндра 4
а б
Рис. 4. Неравномерность изменения свободной длины пружин // впускных (а) и выпускных (б) клапанов МГР (по цилиндрам) в процессе эксплуатации:
□ - впускной 1, выпускной 1; ■ - впускной 2, выпускной 2
Техническое состояние стержней клапанов определялось по величинам максимального износа их диаметра, а идентичность износоустойчивости - по коэффициенту неравномерности износа. Фрагменты измерения значений диаметра клапанных стержней представлены на рис. 5, а результаты обработки экспериментальных данных - в табл. 2.
Рис. 5. Измерение диаметра стержней клапанов МГР I цилиндра
Таблица 2
Значения диаметров стержней клапанов МГР и коэффициента неравномерности их износа
Стержни клапанов Номера ц илиндров Ьіср, мм Ьтах — ІЇтіп, мм 8
I II III IV
Впускного 1 5,477 5,475 5,479 5,477 5,477 0,004 0,000730
Впускного 2 5,479 5,478 5,478 5,480 5,478 0,002 0,000365
Выпускного 1 5,477 5,470 5,482 5,473 5,475 0,012 0,00220
Выпускного 2 5,470 5,477 5,481 5,473 5,475 0,011 0,00201
Значения диаметра стержней клапанов находятся в диапазоне от 5,470 до 5,482 мм и соответствуют номинальному их размеру (допуск на изготовление диаметра стержня клапана Оном =
5,470.5,485 мм). По результатам измерения построены гистограммы распределения диаметров стержней клапанов после пробега 75 тыс. км (рис. 6). Отмечено, что стержни выпускных клапанов имеют значительно больший коэффициент неравномерности износа по сравнению с впускными клапанами, что объясняется большей тепловой нагрузкой на выпускные клапана, а соответственно изменением условий трения ввиду большей пластичности металла клапана и ухудшением смазывающей способности моторного масла. Это подтверждается тем фактом, что наибольшую величину износа имеют выпускные клапаны II и III цилиндров (с номерами соответственно 2 и 1), которые находятся в самом центре ДВС и имеют наихудшие возможности по рассеиванию теплоты. Высокой неравномерностью износа отличаются стержни выпускных клапанов I и II цилиндров (табл. 2), два из которых имеют предельнодопустимые размеры (5,470 мм).
Оценку технического состояния распределительных валов для впускных и выпускных клапанов осуществляли по результатам измерения диаметров опорных шеек (рис. 7, 8). Результаты измерения представлены в табл. 3.
Рис. 6. Неравномерность изменения диаметров стержней й, впускных (а) и выпускных (б) клапанов МГР
(по цилиндрам) в процессе эксплуатации: на рис. 6, а : □ - впускной 1, ■ - впускной 2; на рис. 6, б □ - выпускной 1; ■ выпускной 2
Рис. 7. Измерение диаметров опорных шеек распределительных валов МГР
Таблица 3
Износы диаметра шеек и выпускного распределительных валов
Вал Номера шеек Ьср, мм Ьтах — ІЇтіп, мм 8
1 2 3 4 5
Впускной 24,968 24,965 24,964 24,964 24,966 24,9654 0,004 0,0001602
Выпускной 24,968 24,967 24,965 24,969 24,968 24,9674 0,004 0,0001602
а б
Рис. 8. Внешний вид шейки (а) и кулачков (б) распределительного вала со следами износа
По результатам измерения износов диаметров шеек распределительных валов (табл. 3) и полученной гистограммы (рис. 9) неравномерности изменения их диаметра можно сделать вывод, что наибольший износ имеют 3-я и 4-я шейки впускного и 3-я шейка выпускного распределительного вала. На неравномерность изнашивания шеек распределительного вала оказывает влияние жесткость клапанных пружин, пульсации подводимого моторного масла, радиальная сила, возникающая от натяжения приводного ремня (цепи), порядок работы цилиндров и исходная неравномерность зазоров в подшипниках МГР.
Рис. 9. Неравномерность изменения диаметра Di шеек впускного и выпускного распределительных валов МГР по цилиндрам после пробега 75000 км:
□ - шейки впускного распределительного вала; ■ - шейки выпускного распределительного вала
Однако распределительные валы пригодны к эксплуатации, поскольку по геометрическим параметрам укладываются в допуск, установленный заводом изготовителем (DH0M = 24,97 ± 0,01 мм). По
результатам измерения видно, что шейки впускного и выпускного вала имеют одинаковые значения как износа по абсолютной величине, так и коэффициента их неравномерности.
Результаты исследования подтверждают:
— взаимосвязь неравномерности изнашивания одноименных элементов МГР с ресурсом ДВС и с рядом факторов как конструктивного, так и эксплуатационного характера, что указывает на актуальность тематики исследования;
— необходимость учета неравномерности изменения технического состояния элементов МГР при назначении периодичности ТО и ТР ДВС, а также при проектировании новых моделей ДВС;
— существующую потребность в создании оперативных средств диагностирования неравномерности технического состояния одноименных элементов МГР и других механизмов и систем автомобиля.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гребенников А. С. Диагностирование автотракторных двигателей динамическим методом / А. С. Гребенников. Саратов: CUNE, 2002. 196 с.
2. Зависимость ресурса одноимённых элементов конструкции автомобиля от условий их функционирования / А. С. Гребенников, С. А. Гребенников, А. В. Коновалов, А. В. Косарева // Автомобильная промышленность. 2007. № 10. С. 24-26; № 11. С. 19-22.
3. FORD FOCUS. Устройство. Эксплуатация. Обслуживание. Ремонт. М.: За рулём, 2010. 344 с.
4. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: учеб. пособие для вузов. 2-е изд. М.: Высш. шк., 1980. 400 с.
Гребенников Сергей Александрович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили и двигатели» Саратовского государственного технического университета
Sergey A. Grebennikov -
Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of the Department of «Cars and Engines» of Saratov State Technical University
Федоров Дмитрий Викторович -
аспирант кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство»
Саратовского государственного технического университета
Гребенников Александр Сергеевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета
Статья )
Dmitry V. Fedorov -
Post-graduate Student of the Department of «Cars and Automobile Facilities» of Saratov State Technical University
Aleksandr S. Grebennikov -
Doctor of Technical Sciences,
Professor of the Department of «Cars and Automobile Facilities» of Saratov State Technical University
в редакцию 13.05.2011, принята к опубликованию 24.06.2011
