close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследование влияния составляющих функционального допуска посадки на долговечность и точность сборки неподвижных сопряжений деталей цилиндро-поршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511. 10. Часть 2.pdf

код для вставкиСкачать
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.
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
В процессе работы автомобильного двигателя
ЗМЗ-511.10 детали кривошипно-шатунного механизма нагружены силой давления газов Fг 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 Fг 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 Fин поступательно движущихся частей
кривошипно-шатунного механизма, приложенных
к поршню и направленных вдоль его оси. Суммарное
движущее усилие Рд при сложении сил Fг и Fин
направленно вдоль оси цилиндра и при переносе ее
на поршневой палец раскладывается на две составляющие — силу Fш, направленную вдоль оси шатуна,
сжимающую или растягивающую шатун, и сдвигающую силу Fа, прижимающую поршень то к одной,
то к другой стенке цилиндра. Сдвигающая сила Fа
переменна по направлению и значению, вызывает
износ внутренней цилиндрической поверхности цилиндра, действуя на плече L, создает опрокидывающий момент, равный крутящему моменту Mиз.
Сила Fш, перенесенная на кривошип, расклады118 вается на две составляющие — тангенциальную Fт,
касательную к окружности радиуса кривошипа,
и радиальную Fr, направленную вдоль радиуса кривошипа, образуя крутящий момент двигателя Mк.
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
Fа
F''г
Р ¶ Fш
Fr
Fт
Fш
Рис. 1. Силы, действующие в одном цилиндре двигателя:
Fг — сила давления газов; Fин — сила инерции;
P¶ — суммарное действующее усилие,
Fш — сила, действующая на шатун;
Fт — тангенциальная сила;
Fr — радиальная сила, направленная
вдоль радиуса шатуна;
Сn — сила действия противовеса;
a — угол поворота кривошипа;
R — радиус кривошипа;
L — плечо нормальной силы
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
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 железнением, 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 ЗМЗ511.10 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 ОХYZ. На номинальном чертеже
шатуна в сборе основной комплект конструкторских
баз шатуна составляет ось цилиндрического эле-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
Fин F'г
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 ОХYZ комплекта основных конструкторских баз шатуна совпадает с осью двойной проектной направляющей базы А4 и является центром плоскости симметрии шатуна. Ось Z4 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 Y2 и Х относительно оси Z4 и двух
угловых перекосов вокруг осей Y2 и Х относительно
оси Z4. 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 Z4 относительно оси Y2
при переносе центра симметрии О отверстия
поршневой головки шатуна на ось цилиндрической
базы Б2 отверстия нижней головки шатуна и одного
вращения вокруг оси Z4. 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±EZ2
вдоль оси Y2 относительно Z4, а также угловой
перекос 0°±УПХ2 относительно Z4, 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 O’X’Y’Z’ необходимо четыре координаты — две линейные и две
угловые. Соответственно, для задания положения
вспомогательной базы П4 в пространстве обобщенной системы координат OXYZ необходимы две линейные координаты 0±ЕХ3 и 0±ЕY3. Данные координаты определяют положение центра О’ вспомогательной системы и являются координирующими
размерами с нулевыми номиналами, отклонения от
119
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
Рис. 2. Геометрическая модель шатуна в сборе с деталями цилиндро-поршневой группы
автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
которых отсчитываются первичными погрешностями размеров. Угловые координаты проявляют себя
в виде двух перекосов относительно оси Z4: 0°±
±УПУ3 и 0°±УПX3, 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 Z’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
120 базы информативностью, равной четырем, то есть
для задания ее положения в пространстве обобщенной системы координат O’’X’’Y’’Z’’ необходимо четыре координаты — две линейные и две угловые.
Для задания положения вспомогательной базы С4
в пространстве обобщенной системы координат
OXYZ необходимы две линейные координаты 0±ЕХ4
и 0±ЕY4. Данные координаты определяют положение
центра О’’ вспомогательной системы координат
O’’X’’Y’’Z’’ 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°±
±УПX4, 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 Z’’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 O’’X’’Y’’Z’’ данный элемент не
имеет, поскольку он потратил все свои четыре степени свободы на материализацию оси Z’’4 вспомогательной системы.
Геометрическая модель шатуна в сборе с деталями
цилиндро-поршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10 представлена на рис. 2, реализует
Данные о служебном назначении элементов геометрической модели шатуна
Таблица 1
Вид, назначение,
информативность
Размеры
и первичные
погрешности
в основной системе
координат
Базы, размеры,
допуски
из номинального
чертежа детали
Предложения
1
2
3
4
5
А4
OXYZ
Ц, ОБ
2л+2у
2л+2у
Æ Д1 (IT Д1)
2л+2у–2л–2у=0
ЕФ1
0,005
0,005
0,030/100
Б2
ОХУZ
П4
O'X'Y'Z'
Ц, ОБ
1л+1у
2л+2у
Ц, ВБ
2л+2у
2л+2у
2л+2у–1л–1у=
=1л+1у
0±ЕZ2
0°±УПX2
ЕФ2
Д2-ЕД2
2л+2у–2л–2у=0
0±ЕХ3
0±ЕY3
0°±УПУ3
0°±УПX3
ЕФ3
Д3-ЕД3
Д1к
А
Æ Д2 (IT Д2)
0,010
0,010
0,008/100
Б2
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
Обозначение
элемента,
система отсчета
Д2к
0,016
0,008
0,016
0,008
0,020 А4
Æ Д3 (IT Д3)
Æ Д3 (IT Д3)
0 ± 0,5ITХ
0 ± 0,5ITY
0 ± 0,5ATХ
0 ± 0,5ATY
0,010
0,010
0,025 А4
С4
O''X''Y''Z''
Ц, ВБ
2л+2у
2л+2у
2л+2у–2л–2у=0
0±ЕХ4
0±ЕY4
0°±УПУ4
0°±УПX4
ЕФ4
Д4-ЕД4
Æ Д4 (IT Д4)
Æ Д4 (IT Д4)
0 ± 0,5ITХ
0 ± 0,5ITY
0 ± 0,5ATХ
0 ± 0,5ATY
0,016
0,016
0,040 Б2
0,020 П4
новку подшипниковой втулки относительно оси
отверстия нижней головки шатуна не более 0,03 мм
на длине 100 мм не выполняется, исходя из невыполнения условия TFр£0,6.ITD, 0,030£0,6.0,010.
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
ТFК=0,010 мм, ТFP=0,010 мм, значения допуска круглости и профиля продольного сечения для отверстия
в нижней головке шатуна составляют ТFК=0,016 мм,
ТFP=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 (EРАу) 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-
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
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
(EРАу) 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 TFф£0,3.ITD. Условия 0,005£0,3.0,010,
0,008£0,3.0,012 не выполняются, соответственно, допуски между собой не увязаны. Техническое требование назначения отклонения от перекоса оси отверстия в поршневой головке шатуна (EРАу) под уста-
121
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
менный 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-поршневой группы автомобильного двигателя ЗМЗ-511.10,
приведенной на рис. 2, реализующей его тождественную модель по условиям базирования при эксплуатации, перекос поршня (j) относительно внутренней
цилиндрической поверхности зеркала цилиндра
определяется из тригонометрической зависимости
sin(j) =
D
æDö
; j = аrc sinç ÷,
Н
èН ø
где Н — высота поршня, мм,
D — эксплуатационный зазор между внутренней
цилиндрической поверхностью зеркала цилиндра
и поршнем в плоскости оси вращения коленчатого
вала, мм.
Эксплуатационный зазор (D) между внутренней
цилиндрической поверхностью зеркала цилиндра и
поршнем в плоскости оси вращения коленчатого
вала определяется значением радиального биения
(ECR) 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
Рис. 3 Размерная цепь цилиндрического сопряжения
«гильза–поршень», образующая зазор
=
D lim Д min + 2ЕCED - (d lim Д max - 2ЕCEd)
H
.
На основании исследования условий базирования
при эксплуатации, норм точности при проведении
метрологической экспертизы технической документации на сборку шатуна с деталями цилиндро-поршневой 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.
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.
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
ES -TCED
es
D = А2 - А1 = DEI
- dei
+TCEd =
122
= D lim Д min + TCED - d lim Д max + TCEd .
Вследствие малости углов максимальный перекос
поршня (jmax) относительно внутренней поверхности
зеркала цилиндра определяется зависимостью
jmax =
ES -TCED
es
D DEI
- dei
+TCEd
=
=
Н
Н
ЧИГРИК Надежда Николаевна, кандидат технических наук, доцент (Россия), преподаватель спецдисциплин.
Адрес для переписки: ChigrikNadya@yandex.ru
Статья поступила в редакцию 02.07.2013 г.
© Н. Н. Чигрик
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа