Исследование напряжённых состояний и износа в кривошипе подшипника двигателя М-62 методом фотоупругости

Как известно [1, 2], радиальные подшипники с цилиндрическими роликами имеют в 1,5 – 2 раза большую грузоподъемность и работоспособность по сравнению с однорядными радиально-упорными шариковыми подшипниками. Поэтому они широко применяются наряду с подшипниками скольжения в транспортных и бытовых машинах. В частности, опорные валы электродвигателей, насосов и компрессорных машин пищевой промышленности, а также ткацких, металлорежущих станков, как правило, опираются на роликовые подшипники. Надёжность и износоустойчивость этих опор во многом определяют эксплуатационную долговечность всей машины. Так, быстроходный четырёхтактный двухцилиндровый ДВС М-62 с середины прошлого века применяется на мотоциклах тяжёлого класса, выпускаемых на заводах городов Ирбита, Киева, Серпухова. Прототипом М-62 является двигатель BMW.

При работе данного двигателя на частотах до 5000 об/мин возникает проблема прочности шатуна – быстрый износ и выход из строя кривошипного подшипника.

Циклическое воздействие (сжатие-растяжение шатуна) под каждым роликом вызывает максимумы и минимумы контактных напряжений, что приводит к усталостному износу беговых дорожек кривошипного подшипника [2, 3, 5].

На испытательном стенде Ирбитского мотоциклетного завода проводилось тензо-метрирование шатуна мотоцикла "Урал" на работающем двигателе М-62. Ртутный бесконтактный токосъёмник, показанный на рис.1 а), регистрирует показания розетки тензодатчиков тензостанции ТА-5 в динамике при числе оборотов коленвала до 10000 об/мин [4,6]. Зная упругие деформации шатуна по показаниям тензометрирования не трудно определить наибольшие (при сжатии шатуна) и наименьшие (при растяжении) действующие усилия. Фотография двигателя М62 в разрезе перед началом тензометрирова-ния, представлено на рис.1-а) – Фотография объекта исследования - реальный шатун мотоцикла “Урал” с роликовым подшипником, представлена на рис.1 б).

На рис.2 представлена выявленная закономерность износа внутренней беговой дорожки шатуна в виде графика глубины цементирования поверхностного слоя " h " и твёрдости по Бринелю “HRc” по беговой дорожке для пальца цапфы коленчатого вала мотоцикла, до испытания и после 10000 км пробега в условиях бездорожья [3,4].

Кривая HRc показывает значительное уменьшение глубины цементированного слоя, равной перед началом эксплуатации – 1,8 мм. Области беговой дорожки “e-u”, подв ергнуты значительному износу и на отдельных участках почти полностью потеряли цементированный слой – h=0,15 мм в точке “ж”. Металл сердцевины вследствие этого оказался наклёпанным - HRc=72 в точке “ж”.

б )                      в )

Рисунок 1. Испытательный стенд: а) - подготовленный для тензометрирования двигатель М-62; б) – реальный шатун мотоцикла “Урал” с роликовым подшипником (фотография); в) – оптически прозрачная модель; 1 – шатун; 2 – палец цапфы; 3 – ролики подшипника в сепараторе

Изучение металлографического состояния поверхностного слоя под микроскопом показывает, что разрушение начинается в середине беговой дорожки с образованием зон циклически изменённой микроструктуры, возникновения микропор, вмятин и трещин, вслед за чем появляется выкрашивание, соответствующее этапу катастрофического износа.

Рисунок 2. Закономерности износа внутренней беговой дорожки шатуна

Известно [2], что существует прямая связь между направлением качения роликов и ориентацией поверхностных трещин на беговой дорожке. В рассматриваемом случае, ориентация трещин по поверхности меняется вдоль беговой дорожки и различна по обе стороны от линии действия максимальной нагрузки шатуна на палец. На участке от “ e ” до “ а ” поверхность беговой дорожки покрыта выбоинами трещины отсутствуют. На диаметрально противоположной стороне пальца можно отметить лишь микрополости , которые не имеют выхода на поверхность, а глубина цементации h =0,8 – 1,0 мм. Локализацию разрушения на участке “ е – а ” можно объяснить тем, что наибольшему значению сжимающей нагрузки, соответствует всегда определённое положение коленчатого вала двигателя.

В ходе исследований были изготовлены экспериментальные шатуны геометрически подобные натуре. Чертёж данного шатуна и картина изохром и изоклин представлена на рис.3 (а,б). Сравнительная характеристика натурального шатуна (тип А) и экспериментальной модели (тип Б) представлена в таблице 1.

Для экспериментального подтверждения отмеченных закономерностей износа методом фотоупругости проводилось исследование распределения усилия по телам качения при сжатии и растяжении шатуна. Модели шатунов пальцев и роликов изготовлены из оптически активного материала ЭД-6М в

Исследование напряжённых состояний и износа в кривошипе подшипника двигателя М-62 методом фотоупругости натуральную величину. Нагружение их осуществлялось c силами 221, 446, 935 Н, что соответствовало коэффициентам силового подобия 50, 25, и 12.

Таблица 1. Сравнительная характеристика натурального шатуна и экспериментальной модели

№	Диаметр ролика, мм	Диаметр пальца, мм	Число роликов	Зазор, мк	Натяг, мк	Тип шатуна
1	7	36	12	20	-	А
2	7	36	12	-	20	А
3	5	40	18	20	-	А
4	5	40	18	-	20	А
5	7	36	12	20	-	Б
6	7	36	12	-	20	Б
7	5	40	18	20	-	Б
8	5	40	18	-	20	Б

Натяг или зазор в подшипнике создавался путём изменения диаметра пальца. Для всех восьми вариантов исполнения роликового подшипника (таблица) фотографировались картины изохром – линий максимальных касательных напряжений. Анализ картин изохром в моделях серийных шатунов показал неблагоприятное распределение усилий по телам качения при сжатии шатуна.

Качественный анализ картин изохром в моделях серийных шатунов (тип А) показывает неблагоприятное распределение усилий при сжатии. Нагрузку воспринимают только три ролика. Увеличение количества роликов с 12 до 18 несколько снижает контактные усилия по каждому ролику, но не является радикальным решением. Шатун экспериментального типа (тип Б), представленный на рис.4 а ), при прочих равных условиях позволяет значительно снизить усилия на нижней головке шатуна под наиболее нагруженном центральным роликом. Существенное перераспределение усилий под роликами в моделях подшипников типа А и типа Б иллюстрирует рис.4 б ).

Эпюра контактных напряжений для различных нагрузок серийного (на графике слева тип А) экспериментального (на графике справа тип Б) шатуна представлена на рис.5. Анализ данной эпюры позволяет сделать окончательные выводы:

• 1.    Шатун типа B при прочих равных условиях позволяет значительно снизить усилия в нижней головке шатуна под наиболее нагруженным центральным роликом max P φ = 0,29 P 0 в шатуне типа Б против max P φ = 0,45 P 0 в шатуне типа А.

• 2.    С увеличением зазора максимальное усили е в подшипнике возрастает во всех рас-

• сматриваемых вариантах. Лучший результат получен при натяге в 20 мкм.

Рисунок 3. Чертёж модели и фотография изохром: а ) – чертёж модели экспериментального шатуна (тип Б); б ) – фотография изохром

а )

Рисунок 4. Контактные изохромы под роликами подшипников: а) - при сжатии шатуна; б) - при растяжении шатуна

Выводы

• 1 .В работе исследованы закономерности износа беговой дорожки роликового подшипника шатуна. Показана целесообразность комплексного исследования вопросов износа беговой дорожки путём применения микроструктурного анализа поверхности металла совместно с поляризационно-оптическим методом исследования напряжений.

• 2 .На основании проведенных исследований контактных напряжений методом фотоупругости обосновано увеличение количества

• 4 . Предложена новая конструкция шатуна типа Б с изменённой жёсткостью нижней головки. Данная конструкция наряду с другими доработками шатуна позволила в два раза – до 20000 км увеличить испытательный пробег мотоцикла "Урал".

• 5 . Определены максимальные контактные усилия под опасным роликом шатуна типа B

роликов до 18 штук. Показано, что с увеличением числа роликов с 12 до 18 значительно уменьшается контактное напряжение в нижней головке шатуна (до 17%), соответственно уменьшается износ беговой дорожки.

Рисунок 5. Сравнительные эпюры контактных усилий на ролики подшипника : а ) – реальный шатун; б ) – экспериментальный шатун

при растяжении max P φ = 0,27 P 0 и сжатии max P φ = 0,29 P 0 .

Предлагаемая методика решения контактной задачи полуобратным методом может успешно применяться для исследования распределения контактных напряжений при высокооборотной динамике. При этом эффективно применение скоростной фотографии, видеосъёмки, либо стробоскопии быстропротекаю-щих процессов.

Результаты работы показывают, что физическое моделирование решения технических задач существенно дополняет, а иногда и полностью заменяет компьютерное моделирование в выборе граничных условий для разработки матмоделей.