Коленчатый вал. Повышении усталостной прочности

Коленчатый вал. Повышении усталостной прочности

В свое время я занимался технологией коленчатого вала  – пусть не слишком долго, зато обстоятельно. Ездил в командировки на Минский моторный и Алтайский моторный заводы, на Челябинский тракторный…

По первичной технологии коленчатый вал консервативен. На многих заводах его до сих пор куют на молотах, меняя ручьи, либо изготавливают на мощных прессах методом горячей объемной штамповки.

Такая технология не стареет, поскольку пластическая деформация металла при высокой температуре обеспечивает правильную структуру будущей детали – оптимальный размер зерна, его ориентацию при воздействии кузнечного инструмента, отсутствие внутренних раковин. То есть прочность и выносливость закладываются в «колено» уже с рождения.

Коленчатый вал. Ковка

На многих заводах коленчатые валы получают многоручьевой ковкой на молотах (на фото) или горячей объемной штамповкой на прессах. Пластическая деформация металла обеспечивает измельчение зерна и его правильную ориентацию в теле заготовки

Потом коленчатый вал проходит операции термической, механической и финишной обработки – и все они направлены на повышение его точности, надежности и долговечности.

Поломка коленчатого вала

Но жизнь есть жизнь – иногда коленчатые валы ломаются, разрушаются физически прямо в моторе. Причина звучит совершенно по-человечески – усталость… Давайте вспомним – почему происходит усталостный излом детали?

Коленчатый вал. Повышении усталостной прочности

Простейшая модель возникновения растягивающих и сжимающих напряжений в теле вала

Рассмотрим, например, показанный на рисунке простой цилиндрический вал. При изгибе верхняя часть его поверхности (слой А), обозначенная зеленым цветом, находится под действием сжимающих напряжений, а нижняя часть поверхности (слой Б), обозначенная красным – под действием растягивающих напряжений.

Поясним на простом бытовом примере. Согнем прут дерева. Снаружи изгиба кора натянется – там возникнут растягивающие напряжения; изнутри она соберется складками, сморщится – там возникнут сжимающие напряжения. Согнем сильнее – снаружи кора лопнет, а на противоположной стороне только сильнее сморщится.

А теперь вернемся к нашему цилиндрическому валу. Вот он провернулся на 180 о, и картина изменилась: слой А получил растягивающие напряжения, а слой Б - сжимающие. Потом вал опять повернулся... и так далее. Словом, поверхностный слой все время получает знакопеременные напряжения: сжался-растянулся, сжался-растянулся...

Слабые места коленчатого вала

То же происходит с другим валом – коленчатым. Но только у него есть заведомо слабые места – галтели коренных и шатунных шеек, зоны перехода от шейки вала к щеке. В технике такие участки называют концентраторами напряжений.

 Слабые места коленчатого вала

При изгибе коленчатого вала в галтелях возникают опасные растягивающие напряжения
При работе в двигателе коленчатый вал под нагрузкой стремится изогнуться. В галтелях попеременно возникают то растягивающие, то сжимающие напряжения. Так происходит миллионы раз подряд: сжимающие – растягивающие, сжимающие – растягивающие...

На поверхности галтели есть микроскопические дефекты – шероховатости, трещины, раковины. А они есть обязательно – весь вопрос только в их размерах, то есть в классе чистоте поверхности.

Слабые места коленчатого вала

 

Дефекты поверхности галтели и растягивающие циклические напряжения провоцируют рост усталостной трещины

Трещины коленчатого вала

 

Трещины коленчатого вала

Рост усталостной трещины приводит к разрушению вала

Напряжения сжатия не страшны, а вот напряжения растяжения как раз наоборот... В каждом цикле они буквально атакуют микродефекты, будто вбивая клин в растущие трещинки. Дефект растет, растет! растет!!.. и в один далеко не прекрасный момент происходит разрушение детали. И тогда механики скорбно вздыхают, закуривают и говорят, что вал «устал».

Предупреждать усталость можно специальной термообработкой, высокоточными финишными операциями – и все это делается, но есть способ и поинтереснее.

Прежде чем раскрыть его, зададимся вопросом: если уж цикличные растягивающие напряжения играют такую роковую роль, нельзя ли их нейтрализовать – например, заложить в деталь напряжения сжатия?

Логично. Напряжения сжатия будут складываться с опасными напряжениями растяжения, давая в результате ноль (или величину близкую к нему), и трещина расти не будет!

А как создать в поверхностном слое сжимающие напряжения? Тут придет на помощь метод Поверхностного Пластического Деформирования – сокращенно ППД.

Упрочнение коленчатого вала

Упрочнение деталей методом ППД применяется практически во всех отраслях машиностроения уже давно. Для различных деталей созданы довольно хитроумные приспособления и станки.

Как работает метод ППД? Представим, что на токарном станке только что выточили канавку на простом цилиндрическом вале.

А теперь следите за руками. Вместо резца устанавливаем в суппорт оправку с твердосплавным роликом, который может вращаться. Запускаем станок, подводим к детали оправку с роликом и вдавливаем ролик на определенное число делений лимба поперечной подачи. На поверхности канавки возникает блестящая, будто из олова, кольцевая полоска. Красивая такая, зеркальная.

 Упрочнение коленчатого вала

Принципиальная схема накатки галтелей твердосплавным роликом (метод ППД). Чистота поверхности повышается, а главное, поверхностный слой получает остаточные сжимающие напряжения

 

 Упрочнение коленчатого вала

Остаточные сжимающие напряжения возникают за счет разглаживания микронеровностей

 

Что при этом происходит с поверхностью в пределах полоски? Изначально она имеет шероховатости. Изобразим их в виде волн (см. рисунок). Обозначим площадь этой поверхности S.

И вот ролик с усилием прокатал эту поверхность. Что же произошло с волнами? Они не завалились, не завальцевались, как можно было бы предположить – все гораздо интереснее! Поверхностный слой пластически деформировался следующим образом: он как бы «ожил», впадинки приподнялись, волны опустились, поверхность галтели разгладилась.

Как изменилась площадь полоски? Естественно, она уменьшилась. Если обозначить новую площадь S1, то можно написать, что S1< S. Но благодаря этому увеличению площади  в поверхностном слое возникли те самые остаточные напряжения сжатия – металлу надо же куда-то деваться!

Эти напряжения сжатия и будут главным козырем в борьбе с усталостью вала. Деталь стала упрочненной.

Упрочнение галтели коленчатых валов

На многих заводах методом ППД упрочняют галтели коленчатых валов. Это делается на специальных станках с «клешнями», в которых размещены твердосплавные ролики. Вот как работает эта система (смотрим фоторяд).

Упрочнение галтели коленчатых валов

Загрузка вала в станок для накатки галтелей

Перед нами специальный станок для упрочнения (накатки) галтелей коленчатого вала. В его основе, в глубине находится специальный мастер-вал. Это такой же коленчатый вал, как и тот, что предстоит упрочнить, но выполненный с высокой точностью – недаром он «мастер».

Шейки мастер-вала соединены со специальными «клешнями» – гидравлическими зажимами, в головках которых смонтированы накаточные ролики.

Упрочнение галтели коленчатых валов

Все коренные и шатунные шейки попадают в специальные «клешни» с накаточными роликами

Обрабатываемый вал подается в зев станка, укладывается в постели «клешней», после чего «клешни» смыкаются на коренных и шатунных шейках, а ролики оказываются на галтелях. После укладки «клешни» смыкаются и поджимаются гидравликой, позволяющей регулировать усилие прижатия роликов к галтелям.

Упрочнение галтели коленчатых валов

Шейки зажаты, вал вращается, галтели накатываются и упрочняются

После зажима «клешней» мастер-вал начинает вращаться, «клешни» на коренных шейках, естественно, стоят на месте, а на шатунных – копируют движения шеек мастер-вала. Таким образом, галтели всех шеек накатываются и упрочняются одновременно. Весь процесс занимает менее одной минуты. Затем происходит выгрузка вала, загрузка очередного и т.д.

Упрочнение галтели коленчатых валов

Выгрузка обработанного упрочненного вала

А теперь посмотрим на фото обработанной галтели. Да, она зеркальная, как мы и обещали. Но главное, теперь в ней заложены остаточные напряжения сжатия. При знакопеременных нагрузках на вал, напряжения теперь будут чередоваться не как «сжимающие-растягивающие, сжимающие-растягивающие», а более благоприятным образом: «сжимающие-нулевые, сжимающие-нулевые». Благодаря этому усталостная прочность коленчатого вала возрастет многократно. И еще: класс чистоты галтелей повышается.

 Упрочнение галтели коленчатых валов

Готовые упрочненные валы

Специалистами давно установлена связь между упрочняющим усилием, геометрией и материалом инструмента и величиной остаточных напряжений. Для упрочнения различных деталей созданы хитроумные приспособления и оснастка. Упрочняюще станки могут развивать пульсирующее давление, повышающее эффективность обработки. Существует оборудование с микропроцессорным управлением – оно не только упрочняет, но и позволяет исправлять кривизну и устранять биения. Но это уже немного другая тема.

Такая вот технология. Испытанная и надежная. А главное – полезная.

Фото и схемы из архива автора
Автор благодарит ОАО «Автодизель» за помощь в подготовке материала

 

Дата:
24.03.2022
Автор: Юрий Буцкий
Комментарии
Здесь еще никто не оставлял комментариев. Вы можете быть первым