CC BY
29
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 22, 2011.
А-
УДК 621.882.085/.086.004
Н.М. Вагабов, М.М. Батдалов, Г.М. Муртузалиев
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ЗАТЯЖКИ РЕЗЬБЫ ПРИ СБОРКЕ ГРУППОВОГО РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ МАЛОРАЗМЕРНОГО ДИЗЕЛЯ 6Ч9,5/11
N.M. Vagabov, M.M. Batdalov, G.M. Murtuzaliyev
ACCURACY ENHANCMENT OF TIGHTENING OF THREAD IN THE ASSEMBLY OF GROUP THREAD CONNECTION OF LOW-SIZED DIESEL ENGINE 6CH9, 5/11
Проведен анализ процесса взаимодействия, витков резьбовых участков шпильки с гайкой в групповом резьбовом соединении головки с блоком цилиндров, выявлены причины недостаточной точности затяжки резьбы и предложены рекомендации по повышению точности контроля усилий затяжки резьбы. С целью увеличения точности контроля усилий затяжки резьбы предложен способ основанный на использовании упругих шайб.
Ключевые слова: групповое резьбовое соединение, упругая шайба, шпилька, гайка.
The analysis of interaction,of turns of the threaded stud with nut areas in the group threaded connection of the head with the cylinder block, is carried out , the reasons of lack precision of thread tightening are revealed, and recommendations to improve the accuracy of thread tightening efforts are offeted. In order to increase the accuracy of thread tightening efforts is offeted a method based on the use of elastic washers.
Keywords: group thread connection, elastic washer, stud, nut.
Введение. Основная цель сборки двигателя внутреннего сгорания (ДВС)- выдержать технические требования к замыкающим звеньям сборочной размерной цепи, а именно к точности формы и размеров рабочих поверхностей втулок цилиндров, а также плотности газовых стыков. Одним из главных факторов изменения правильной геометрической формы рабочей поверхности цилиндра при сборке являются неравномерные деформации, обусловленные недостаточной или неравномерной жесткостью опорных поверхностей деталей сопряжения, а у групповых резьбовых соединений еще и неравномерными усилиями затяжки силовых шпилек [1].
Постановка задачи. В связи с этим, проанализирован процесс взаимодействия витков резьбовых участков шпильки с гайкой в групповом резьбовом соединении головки с блоком цилиндров, выявлены причины недостаточной точности затяжки резьбы. Разработаны и рекомендованы к использованию устройство и метод более точного контроля и измерения качества затяжки резьбы.
На практике выбор метода сборки зависит как от уровня самих технических требований к сборочным единицам, так и от реальных возможностей технологического оборудования по обеспечению этих требований, уровня организации сборочных работ.
Основная часть. Ответственные разъемные соединения ДВС, собираемые с помощью резьбовых деталей, работают как корпусные изделия, оснащенные фланцами. Габариты таких изделий часто требуют установки относительно большого числа резьбовых деталей, и поэтому такие соединения чаще являются групповыми. Ответственными такие соединения становятся потому, что в результате их сборки должны быть обеспечены целостность и повышенная герметичность изделия, безусловная плотность и правильность формы стыка, прочность и, что особенно важно для ДВС — отсутствие искажений составляющих их деталей.
Неравномерная затяжка болтов и шпилек ответственных резьбовых соединений вызывает в корпусных и присоединяемых к ним деталях деформации, величину и закон
69
А-
распределения которых в процессе сборки соединения определить сложно. Например, экспериментальными исследованиями [1] установлено, что отклонения точности формы отверстий цилиндров ДВС после сборки увеличиваются в несколько и даже в десятки раз. Результаты деформации деталей соединения проявляются в процессе эксплуатации их повышенным износом (в трибосопряжениях), прорывом газов в картер ДВС, вибрацией, шумом в работе и ухудшением состава отработанных газов. Связанное с этим значительное рассеяние долговечности, например, трущихся поверхностей деталей цилиндропоршневой группы или подшипниковых узлов коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания указывает на большой резерв повышения качества узлов ДВС путем совершенствования методов контроля качества затяжки резьбы.
Объективным и надежным критерием качества сборки ответственных резьбовых соединений является осевое усилие, создаваемое в стержне болта (шпильки) при его затяжке, вследствие чего контроль величины этого усилия для таких соединений не только необходим, но и служит гарантией обеспечения предъявляемых к соединению требований.
В силу затрудненного доступа к базовым участкам измерения и к стыку собираемых деталей контролировать величину возникающего усилия затяжки прямым путем в производственных условиях не удается. Обычно об усилии на стыке собранных деталей судят по косвенным показателям, полученным расчетным путем, а при расчете величину возникающего при затяжке осевого усилия связывают с такими параметрами сборочного процесса, которые доступны измерению и контролю: с крутящим моментом или углом поворота гайки. Однако использование косвенных критериев измерения и контроля качества затяжки резьбы приводит к получению случайных, нестабильных и непредсказуемых результатов, нередко приводящих к сокращению срока службы или отказам ДВС.
Например, по одной из существующих технологий затяжки резьбовой пары для создания в стержне болта (шпильки) осевого усилия фиксированной величины рекомендуется при затяжке контролировать величину приложенного к гайке крутящего момента. Но практически даже при одной и той же выверенной величине приложенного к гайке крутящего момента не удается получить ни фиксированной, ни стабильной величины осевого усилия [2].
Экспериментальные исследования [3] показали, что разброс величины осевого усилия в стержне болта (шпильки) при точно измеренной величине затяжки крутящим моментом колеблется в пределах +32 ...—38 % от ее среднеарифметической величины. Причинами такого колебания величины осевого усилия в стержне затягиваемого болта (шпильки) считаются возникающие в плоскости касания двух соприкасающихся и прижатых друг к другу профилей резьбы болта (шпильки) и гайки колебания сил сопротивления вращению гайки, а также силы, возникающие по торцу гайки. Силы сопротивления, выраженные относительной величиной через коэффициент трения, действительно колеблются в достаточно широких пределах: 0,09.0,40 [3].
По другой существующей технологии затяжки резьбовой пары величины осевого усилия рекомендуется контролировать измерением угла поворота гайки от ее начального фиксированного положения. Но и при этой технологии затяжки, исключающей влияние коэффициента трения на конечный результат, разброс измеренной величины осевого усилия в стержне болта (шпильки) колеблется в пределах +17.—23 % от ее среднеарифметической величины [4,5]. Причиной такого колебания величины осевого усилия в стержне болта (шпильки) считается колебание податливости витков резьбы болта (шпильки) и гайки.
Аналогичные колебания величины осевого усилия в стержне болта (шпильки) (± 18 % от ее среднеарифметической величины) возникают и при использовании технологии затяжки, при которой вначале производят механическое растяжение и измерение величины растягивающего усилия стержня болта (шпильки) в пределах упругой
70
А-
деформации с последующей фиксацией напряженного состояния стержня
поворачиванием гайки до упора. После снятия растягивающего усилия созданное в стержне болта (шпильки) осевое усилие произвольно уменьшается из-за податливости резьбы болта (шпильки) и гайки.
Несмотря на очевидные недостатки и принципиальную непригодность для точного измерения и контроля качества затяжки резьбы, описанные методы измерения осевого усилия широко используются в любом производстве, где требуется осуществить ответственное соединение с помощью резьбы, в том числе в двигателестроении. Кроме того, известны закономерности сборочного процесса группового соединения [6 4], при которых из-за неизбежного и самопроизвольного ослабления всех ранее затянутых и проконтролированных болтов (шпилек) приходится повторно и многократно контролировать величину возникающего в них осевого усилия.
Неравномерность осевых усилий в силовых шпильках одного и того же группового резьбового соединения ДВС при затяжке с одинаковым усилием на ключе можно объяснить одновременным действием нескольких факторов:
• отклонения собственно среднего диаметра, шага резьбы и половины угла профиля резьбы на длине свинчивания
• отклонения значений коэффициентов трения в резьбе и на торце гайки из-за технологических неточностей
• деформации витков резьбы
• схватывания первого рода и др.
В работе [2] показано, что в сопряжении витков резьбы болта (шпильки) и гайки появляются не контактирующие участки с зазором между ними.
Таким образом, анализ взаимодействия профилей витков резьбы в процессе затяжки гайки показал, что в силу ряда причин технология изготовления стандартной резьбы болтов и гаек не позволяет выполнять один из их элементов — половину угла профиля резьбы — идеально точно, без отклонения от номинала. Даже незначительные отклонения половины угла профиля резьбы в пределах 15...30' достаточны для неизбежного протекания-процесса взаимодействия их поверхностей вначале гранями вершин, а затем сближающимися непараллельными плоскостями профилей. Силы трения, возникающие в процессе затяжки резьбы на соприкасающихся поверхностях, а также податливость витков резьбы в силу описанного характера их взаимодействия не остаются стабильными и постоянно изменяются по мере затяжки гайки. Величина возникающего в соединении осевого усилия в этих случаях при одной и той же величине контролируемого параметра зависит от реально достигнутой при изготовлении болта и гайки, величины отклонения половины угла профиля от номинала. Преобладающее влияние этого отклонения на качественные результаты сборки резьбовых соединений делает используемые при измерении и контроле осевых усилий зависимости и резьбовой участок болта и принципиально непригодными для использования при контроле возникающих в соединении усилий.
Следовательно, разброс значений сил сопротивления вращению гайки и податливости витков ее резьбы является закономерным и неизбежным для каждой затягиваемой резьбовой пары. В этих условиях нельзя рассчитывать на стабильные показания даже сверхточных измерительных устройств, контролирующие свойства которых основаны на измерении параметров резьбовой пары. Описанные же выше технологии затяжки резьбы и контроля величины осевого усилия в основном и базируются на измерении либо сил сопротивления витков резьбы вращению гайки, либо элементов, напрямую связанных с податливостью витков резьбы. Ни при каких условиях эти технологии измерения и контроля не могут обеспечить достижения стабильной и фиксированной величины этого осевого усилия. Таким образом, появилась необходимость
А-
изменения участка болта (шпильки), пригодного для выполнения несвойственной ему
функции по измерению и контролю возникающих в нем при затяжке осевых усилий.
Отсюда вытекает вывод о необходимости контроля величины сжимающего усилия, возникающего в резьбовом соединении при его затяжке. Например, для установления величины осевого усилия, действующего на гладком участке стержня болта, достаточно измерить величину возникающей в нем при затяжке деформации или его удлинения. Это может быть выполнено известными методами с помощью тензометров с механическим или электрическим принципом замера. На участке торца опорной поверхности гайки можно использовать упругий элемент, по деформации которого можно оценить действующее осевое усилие.
Известны измерительное устройство и метод замеров, с помощью которых весьма точно фиксируется величина осевого усилия, возникающего в стержне болта (шпильки) при его затяжке гайкой. Это — метод тензометрирования, при котором с помощью наклеиваемых на стержень болта (шпильки) датчиков сопротивления измеряется величина осевой деформации , самого стержня болта (шпильки), воспринимающего нагрузку гайки, опертой на собираемые детали. Осевая деформация стержня болта (гайки) пропорциональна величине осевого усилия, возникающего в этом стержне.
Однако в собираемом изделии доступ к гладкому участку стержня болта затруднен, а тензометрирование требует при установке датчиков сравнительно кропотливой и малопроизводительной работы. Поэтому гладкий участок стержня болта для измерений в условиях производства не используется. Такой метод распространен лишь в экспериментальных исследованиях.
Заключение. Для контроля осевых усилий в силовых шпильках ДВС приемлемым измерительным устройством может быть упругий элемент. Измерительное устройство представляет собой упругий элемент, подкладываемый под гайку, в виде комплекта из двух концентричных шайб, сопряженных по конической поверхности [7].
Под действием радиального давления, возникающего на конических поверхностях, шайбы упруго деформируются, в результате чего наружный диаметр шайбы увеличивается. Это увеличение диаметра, составляет несколько десятых мм, которое легко измерить и по величине деформации шайбы можно судить о величине осевого усилия, возникающего в стержне шпильки при затяжке.
Усилие затяжки может контролироваться как в процессе сборки, так и при эксплуатации соединения путем измерения наружного диаметра охватывающей шайбы, либо прямым методом с помощью универсальных средств измерения, либо относительным — с помощью проходных и непроходных калибров. Действительное значение усилия затяжки определяют по упругой характеристике охватывающей шайбы с учетом ее наружного диаметра в свободном состоянии. Пользуясь относительным методом, находят отклонение величины усилия затяжки от заданного значения.
С целью повышения качества и точности измерения комплекты шайб целесообразно изготовлять на заводах по производству шарикоподшипников.
Упругий элемент со специальным калибром не только упрощает процесс и повышает производительность измерения осевого усилия, но и исключает влияние неизбежных колебаний параметров резьбовой пары на результат измерения.
Библиографический список:
1. Яхьяев Н.Я., Яхьяева С.Н. Повышение геометрической точности рабочих поверхностей втулок цилиндров при сборке малоразмерного судового дизеля// Сборка в машиностроении и приборостроении. — 2005. —№6. —С. 45—50.
2. Блаер И. Л. Контроль качества затяжки резьбы// Вестник машиностроения. —2006. — №3, С.9—12.
3. Блаер И. Л. К вопросу о высококачественной сборке резьбовых соединений - // Автомобильная промышленность. —1967. —№ 7. —С. 35—37.
