ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ОТВЕТСТВЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ АВТОМОБИЛЯ

Ответственные механизмы автомобиля — это механизмы обеспечивающие не только перемещение автомобиля в пространстве (двигатель, коробка передач), но и безопасность движения (рулевые и тормозные механизмы).

Особенности ответственных деталей двигателя

Одним из наиболее ответственных механизмов является «сердце автомобиля» — его двигатель.

К наиболее ответственным деталям (сборочным единицам) двигателя относятся: блок цилиндров 7 с гильзами; головка блока цилиндров 4 с впускными и выпускными клапанами 3 поршень 5 с поршневыми кольцами и поршневым пальцем 1 распределительный 2 и коленчатый 9 валы; шатун 6 и маховик 8 (рис. 1.1).

Блок цилиндров. Блок цилиндров — базовая деталь двигателя, он является наиболее сложной по конфигурации и трудоемкости обработки корпусной деталью.

Блоки цилиндров отливают из серых мелкозернистых чугунов (литье в песчаные формы) и из алюминиевых сплавов (литье под давлением). Заготовки чугунных гильз цилиндров (у алюминиевых блоков) выполняются литьем в оболочковые формы, а у высо- конагружеииых двигателей — центробежным литьем.

Наиболее ответственными обрабатываемыми поверхностями блока цилиндров (рис. 1.2) являются: плоскости разъема (ИР) под головку блока цилиндров 3 и зеркало цилиндров 2 гильзы (ЗЦ) и гнезда 1 иод вкладыши коленчатого вала (ГК).

Требования к размерной, геометрической точности изготовления и шероховатости ответственных поверхностей высоки. Отклонения от плоскостности, параллельности и взаимной перпендикулярности не должны превышать 0,02...0,05 мм на 100 мм длины. Отклонение от соосности ГК допускается не более 0,02 мм.

Отклонение от перпендикулярности осей ЗЦ оси коленчатого вала не должно превышать 0,03...0,07 мм на всю длину цилиндра. Шероховатость Ra поверхности ЗЦ 0,32 мкм, а ГК — 0,63 мкм.

Плоскость разъема обрабатывается двукратным фрезерованием; ГК — протягиванием (при ремонте — одновременным растачиванием борштапгой). Окончательную обработку ЗЦ проводят хонингованием (при ремонте двигателя — растачиванием).

Рис. 1.1. Наиболее ответственные детали двигателя автомобиля:

• 1 — поршневой палец: 2 — распределительный вал;
• 3 — впускной и выпускной клапаны; 4 — головка блока цилиндров:
• 5 — поршень с поршневыми кольцами: 6 — шатун;
• 7 — блок цилиндров с гильзами; 8 — маховик:
• 9 — коленчатый вал

Головка блока цилиндров. Конструкция головки блока цилиндров (ГБЦ) в основном зависит от типа и размеров камеры сгорания, расположения клапанов, форсунок и свечей, а также конструкции системы питания.

Конструкции ГБЦ карбюраторных (инжекторных) двигателей подразделяются на три типа: с боковым расположением клапанов; с подвесными клапанами и смешанные (впускные клапаны в ГБЦ, выпускные — в блоке цилиндров). ГБЦ дизельных двигателей подразделяются на два типа: с нераздельными камерами сгорания, расположенными в ГБЦ или в поршне и с раздельными камерами (вихрекамерные и иредкамерные дизели, дизели с воздушно-вено- могател ьн ы м и ка мерам и).

Головки блока цилиндров чаще всего отливают из алюминиевых сплавов (АЛ4; АЛ5; АЛ9; АК6М2) литьем в кокиль, литьем под давлением, литьем по газифицируемым моделям.

Рис. 1.2. Блок цилиндров V-образного двигателя:

1 — гнезда под вкладыши коленчатого вала; 2 — зеркало цилиндров; 3 — плоскость разъема иод головку блока цилиндров

Наиболее ответственными обрабатываемыми поверхностями ГБЦ (рис. 1.3) являются: плоскость разъема 1 и отверстия для направляющих втулок клапанов.

Требования к размерной, геометрической точности ответственных поверхностей ГБЦ аналогичны требованиям к поверхностям блока цилиндров.

Рис. 13. Головка блока цилиндров:

1 — плоскость разъема

Для обеспечения заданной конструктором точности плоскость разъема обрабатывается двукратным фрезерованием. Отверстия для направляющих втулок клапанов обрабатываются в несколько переходов: сверление; растачивание; запрессовка втулки; чистовое растачивание и развертывание отверстия во втулке.

Поршень литой. Поршень двигателя внутреннего сгорания - одна из основных деталей, определяющих его ресурс, мощность и экономичность. Поршень работает в тяжелых условиях: высокие температуры; большие знакопеременные нагрузки; высокие скорости возвратно-поступательного движения, что определяет высокие требования к точности обработки основных поверхностей.

Конструктивно поршень (рис. 1.4) представляет собой полый цилиндр с донышком и внутренними бобышками, в которых имеется отверстие 4 под поршневой палец. Условно поршень можно разделить на головку 1 (в головке проточены пазы 3 для установки поршневых колец) и юбку 2 (нижняя часть поршня).

Наружная поверхность днища поршня выполняется плоской, выпуклой (для бензиновых двигателей) или имеет специальные углубления (для дизелей). Головка поршня выполняется с небольшой конусностью, а юбке придают овально-бочкообразную форму. Большая ось овала расположена перпендикулярно к оси отверстия 5. В зависимости от диаметра поршня разность размеров большой и малой осей юбки составляет 0,15...0,35 мм.

Заготовки поршней получают литьем в кокиль алюминиевых сплавов АЛ25; АЛ30 (для нефорсированных бензиновых и дизельных двигателей); АК10М2Н (для современных быстроходных бензиновых двигателей). После механической обработки большинство поршней подвергается лужению — наносится слой олова толщиной 0,04...0,06 мм.

Рис. 1.4. Поршень:

а — эскиз; б — внешний вид; 1 — головка поршня; 2 — юбка; 3 — пазы для поршневых колец;

4 — отверстие для поршневого пальца

Наиболее ответственными поверхностями поршня являются наружные поверхности головки и юбки (допуски на диаметр соответственно 0,02 и 0,03 мм) отверстие под поршневой палец (допуск на диаметр 0,015 мм; допуск на перпендикулярность оси отверстия к оси поверхности юбки не превышает 0,04 мм на 100 мм длины). Обработанные поршни сортируют на группы по диаметру юбки с интервалом 15...20 мкм и но диаметру отверстия под поршневой палец с интервалом 2...4 мкм.

Для обеспечения заданной точности наружная поверхность поршня подвергается двукратному обтачиванию. Отверстие под поршневой палец подвергается двукратному растачиванию (чистовое растачивание ведется на прецизионных расточных станках) с последующим раскатыванием.

Поршень штампованный. Форсированные и спортивные двигатели предъявляют повышенные требования к качеству поршней. Поршень должен выдерживать более жесткий температурно-силовой режим, который не выдерживают литые поршни.

Для литья в кокиль характерна небольшая пористость (особенно в зоне донышка у поршней), что приводит к прогоранию или растрескиванию поршня. Литая структура не способствует интенсивному теплоотводу. Для форсированных двигателей необходимы поршни, сделанные из материала с повышенными температурно-силовыми характеристиками — высококремнистые алюминиевые сплавы (содержание кремния более 12%). Эти сплавы по сравнению с низкокремнистыми обладают более высокой жаропрочностью, меньшим коэффициентом расширения, лучшими прочностными характеристиками.

Качественные заготовки поршней из высококремнистых сплавов получить традиционным методом (литье в кокиль) невозможно по двум причинам. Предел растворимости кремния в алюминии — 12%. При большем содержании кремния часть его выделяется в виде крупнозернистых включений, что приводит уменьшению прочности отливки. Большая разница скоростей кристаллизации кремния и алюминия приводит к появлению пор. Поэтому заготовки из высококремнистых сплавов получают жидкой или изотермической штамповкой.

В первом случае матрица заполняется расплавом металла, и пуансон с заданной скоростью его деформирует. Во втором варианте штамповка производится из прутковых заготовок, полученных волочением. При волочении завариваются микропоры и уменьшается зернистость. Мерная заготовка, пуансон и матрица разогреваются до температуры 400...450°С, и начинается процесс штамповки с заданной скоростью. В результате получается мелкозернистая структура металла без грубых включений кремния. Вследствие этого материал штампованных поршней обладает повышенными механическими характеристиками при рабочих температурах в 300...350°С (твердость штампованного поршня 120...130 НВ; литого — 89...90 НВ; при циклических испытаниях «нагрев — охлаждение» штампованный поршень выдерживает 2500 циклов, литой — 400).

Улучшенные, по сравнению с литым поршнем, прочностные характеристики позволяют облегчить (на 10—20%) штампованный поршень (рис. 1.5).

Распределительный и коленчатый валы. В зависимости от числа и расположения цилиндров ДВС распределительные валы (РВ) отличаются по длине, числу кулачков и опорных шеек.

Распределительные валы относятся к разряду нежестких валов сложной конструктивной формы. РВ автомобильных двигателей изготавливают из углеродистых легированных сталей или из магниевых чугунов с шаровидной формой графита.

Рис. 1.5. Штампованный поршень

Заготовку стального РВ получают горячей открытой штамповкой с предварительным формообразованием в ковочных вальцах. Заготовки чугунных РВ получают оболочковых формах или литьем в кокиль. При литье кокиль возможно получение отбеленной поверхности кулачков, что повышает их износостойкость.

Наиболее ответственными поверхностями РВ являются опорные шейки 2 (рис. 1.6), кулачки 1.

Рис. 1.6. Распределительный вал:

1 — кулачок; 2 — опорная шейка

При изготовлении РВ должны быть выполнены следующие требования: биение опорных шеек относительно оси нс более 0,015...0,025 мм; допуск цилиндричности — не более 0,005 мм, отклонение от соосности шеек — не более 0,0015...0,025 мм; шероховатость рабочих поверхностей шеек и кулачков Ra 0,32 мкм.

Требуемую точность опорных шеек достигают двукратным точением на специальных многорезцовых полуавтоматах и автоматах; двукратным шлифованием одновременно всех шеек и полированием бесконечной абразивной лентой или микрофинишированием алмазными брусками.

Заданный профиль и взаимное расположение кулачков получают двукратным точением на специальных копировально-токарных станках; одно- или двукратным шлифованием на профилешлифовальных автоматах, полированием или микрофинишированием.

Коленчатый вал (КВ) — одна из наиболее ответственных деталей поршневого двигателя. При преобразовании возвратно-поступательного движения поршней во вращательное КВ испытывает значительные циклические знакопеременные нагрузки на скручивание и изгиб.

Конструкция и размеры КВ определяются типом двигателя, числом цилиндров и их расположением. Число шатунных шеек при однорядном расположении цилиндров равно числу цилиндров. При V-образном расположении число шатунных шеек в 2 раза меньше числа цилиндров. Число коренных шеек обычно принимают на одну больше числа цилиндров.

Коленчатые валы в основном изготавливают из качественных и легированных сталей (стали 45А, 45Г2, 8Х2ПЧВА, Г8НМА, 42ХМФА и др.) или из модифицированного магниевого чугуна.

Заготовки стальных КВ получают ковкой или открытой горячей штамповкой на молотах и прессах. Заготовки чугунных КВ получают литьем в песчаные или оболочковые формы.

Наиболее ответственными поверхностями КВ являются коренные 2 (рис. 1.7) и шатунные 3 шейки; цилиндрическая и торцевая поверхности фланца 1 к которому прикрепляется маховик; полость под подшипник первичного вала в торце фланца.

Рис. 1.7. Коленчатый вал:

1 — фланец крепления маховика; 2 — коренная шейка; 3 — шатунная шейка

При изготовлении КВ должны быть выполнены следующие требования: допуск на диаметр коренных и шатунных шеек лежит в пределах 0,01...0,005 мм; допуск формы шеек равен 0,004 мм; радиальное биение шеек — не более 0,01...0,05 мм; торцовое — 0,02...0,05 мм; отклонение от параллельности осей шеек - 0,01...0,03 мм на всей длине шейки; шероховатость поверхности шеек — Ra 0,32...0,01 мкм; отклонение от плоскостности торца фланца — 0,04...0,1 мм; радиальное биение фланца — 0,03...0,05 мм.

Требуемую точность коренных и шатунных шеек обеспечивают однократным обтачиванием; двукратным шлифованием и полированием. Цилиндрическую поверхность фланца получают двукратным обтачиванием, торцевую поверхность фланца — двукратным подрезанием. Полость под подшипник получают сверлением, зен- кероваиием и развертыванием.

Шатун. Шатун — основное передаточное звено кривошипношатунного механизма. При передаче силы от поршня к шатунной шейке коленчатого вала шатун испытывает значительные знакопеременные и инерционные нагрузки. Поэтому шатун должен иметь высокую жесткость и прочность при минимальной массе.

Эти требования определяют конструкцию и точностные параметры шатунов. Конструкция шатуна характеризуется наличием разъемной большой К) (кривошипной) и малой 7 (поршневой) головок, соединенных стержнем 8 двутаврового сечения (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Шатун:

• 1,11 — поверхности под головку и гайку болта крепления крышки шатуна; 2 — плоскость разъема крышки и тела большой головки;
• 3,6 — отверстия в большой и малой головках;
• 4,9 торцевые поверхности малой и большой головок;
• 5 — бронзовая биметаллическая (сталь бронза) втулка;
• 7, 10 — соответственно малая и большая головки; 8 — стержень;
• 12 — крышка большой головки; 13 — гайка болта крепления крышки

Заготовки шатунов из среднеуглеродистых (стали 40, 45) и легированных (стали 45Г2, 18ХНМА, 18ХГН4ВА) сталей получают горячей открытой штамповкой на горизонтально-ковочных машинах или кривошипных прессах.

Наиболее ответственными поверхностями шатуна являются внутренние поверхности отверстий 3 и 6’ в малой и большой головках; торцевые поверхности 4 и 9 малой и большой головок; плоскость разъема 2; поверхности 1 и 11 под головку и гайку болта крепления крышки шатуна.

При изготовлении шатуна должны быть выполнены следующие требования; допуски на диаметр отверстий в головках — JT5... JT6; допуски цилиндричности отверстий составляют 0,5 допуска на диаметр для бензиновых двигателей и 0,6 допуска на диаметр для дизелей; допуск параллельности осей отверстий — не более 0,02...0,04 мм на длине 100 мм; отклонение от перпендикулярности торцевых поверхностей головок осям отверстий — 0,01...0,05 мм па 100 мм радиуса отверстий; отклонение от перпендикулярности площадок иод гайку и болт крепления крышки — не более 0,01...0,05 на длине 100 мм; шероховатость поверхностей отверстий в головках Ra 0,32...2,5 мм.

Для обеспечения заданной точности:

• • торцевые поверхности головок подвергаются двукратному (предварительному и чистовому) фрезерованию торцевыми фрезами с последующим однократным шлифованием на плоскошлифовальном автомате;
• • отверстие в малой головке получают последовательным сверлением и зенкерованном на агрегатно-сверлильном станке; двукратным растачиванием на отделочно-расточном автомате; после запрессовки в отверстие биметаллической втулки ее раскатывают;
• • отверстие в большой головке подвергают зенкерованию насадным зенкером, двукратному растачиванию на агрегатно-сверлильном станке (для повышения точности обработки зенкерование и растачивание отверстий в головках производят одновременно) с последующим хонингованием;
• • плоскости разъема крышки и тела большой головки и плоскости под головки и гайки болтов обрабатывают плоским протягиванием;
• • отверстия иод болты крепления в крышке и в теле большой головки получают в четыре—пять переходов: зацентровка, сверление, одно- или двукратное зенкерование, зенкование.