Повышение ресурса натяжного ролика механизма привода генератора и компрессора кондиционера двигателя автомобиля

На двигателях автомобиля для привода генератора и компрессора кондиционера применяются поликлиновые ремённые передачи. В механизме привода имеется натяжной ролик, с помощью которого создаётся необходимое усилие для работы передачи (рис. 1).

Натяжной ролик представляет собой однорядный шариковый подшипник, внутреннее кольцо которого крепится к двигателю, а на наружном кольце установлен шкив (рис. 2). При работе привода происходит выход из строя ролика вследствие разрушения подшипника из-за повышенного нагрева. При этом разрушение, как правило, происходит при высоких оборотах коленчатого вала двигателя 6500 об/мин, при этом частота вращения наружного кольца подшипника натяжного ролика составляет около 15000 об/мин.

Для повышения надёжности ролика были проведены: анализ разрушения подшипника и исследования работоспособности при исходных условиях эксплуатации с помощью математического моделирования работы подшипника.

Для анализа причин разрушения проводились стендовые испытания натяжного ролика в моторном боксе на ОАО «АВТОВАЗ», по результатам которых были составлены техничекие отчеты [1]. В результате испытаний отказы подтвердились. Подшипники выходили из строя из-за резкого повышения температуры, при этом частота вращения коленчатого вала соответствовала максимальным значениям. На рис. 3 показана диаграмма изменений температуры внутреннего кольца одного из испытуемых подшип-

Жильников Евгений Петрович, кандидат технических наук, профессор кафедры основ конструирования машин. Барманов Ильдар Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры основ конструирования машин.

ников. В результате резкого повышения температуры испытания прекратили, наработка составила 34 часа.

На рис. 4 приведён внешний вид подшипника после испытаний – состояние удовлетворительное. Подтеканий смазочного материала не обнаружено, вращение колец подшипника затрудненное. Результаты замеров показали: радиальный зазор и биение реборды относительно торца внутреннего кольца натяжного ролика соответствует требованиям чертежа, осевой зазор превышает допустимое значение.

При разборке подшипника было обнаружено: частичное вытекание смазки из дорожек качения на борта и уплотнительные кольца, потери составили 36-50 %. Смазка имеет тёмно-коричневый цвет, фазовое состояние – жидкое (рис. 5, а). На рис. 5, б показан внешний вид разрушенного сепаратора и повреждения шариков.

При детальном изучении дорожек качения наружного и внутреннего колец были обнаружены мелкие вмятины и сколы на поверхности дорожек качения по слабоокисленному следу качения (рис. 6). Шероховатость поверхности дорожек качения, отклонение от круглости, волнистость наружного и внутреннего колец соответствуют чертежу. Твёрдость наружного кольца составила HRC 62, внутреннего – 61,5…62,5.

При осмотре шариков (рис. 7) обнаружены сколы и вмятины на поверхности всех шариков, имеются кольцевые тонкие полоски сероватожёлтого цвета – следы окисления. Шероховатость и отклонение от сферической формы в норме. Твёрдость поверхности шариков составила HRC 63…63,5.

В результате микроисследования и химического анализа спектральным методом установлено, что материал полностью соответствуют нормативным документам, что говорит о надлежащем качестве изготовления деталей подшипника.

Рис. 1. Схема привода генератора

Рис. 2. Конструкция натяжного ролика

и компрессора кондиционера

время

Рис. 3. Диаграмма изменения температуры внутреннего кольца подшипника при испытании

Рис. 4. Внешний вид подшипника после испытаний

Рис. 5. Внешний вид подшипника после разборки: а - анализ наличия смазки подшипника; б - сепаратор и шарики

а)

б)

Рис. 6. Внешний вид дорожек качения: а - наружное кольцо; б - внутреннее кольцо

В результате анализа состояния деталей подшипника после испытаний сделано следующее заключение: недопустимый перекос колец подшипника приводит к увеличению усилий в контактах шариков и колец, при этом нарушается режим течения смазки (разрыв масляный плёнки), и как следствие, повышенное трение и тепловыделение. Повышение температуры приводит к изменению физико-химических свойств смазки и материала деталей подшипника, что приводит к окислению их поверхности. Также работа подшипника с перекосом приводит к разрушению сепаратора.

Как известно, перекос всегда приводит к снижению долговечности и повышает уровень шума и вибрации, поэтому перекос необходимо сводить к минимуму. Особенности внутренней геометрии подшипника накладывают ограничения на допу-

Рис. 7. Внешний вид шариков

стимый угол перекоса. Для оценки работоспособности подшипника в условиях перекоса были проведены расчёты по методике, изложенной в работе [2]. По данным численного расчёта (табл. 1) данного подшипника было установлено, что допустимый угол перекоса (при котором долговечность составляет не менее 1000 часов) составляет 11 минут при величине радиального зазора 0,005 мм и 13 минут при 0,015 мм. Расчётная долговечность при этом составляет 1335 и 1344 часов соответственно.

Анализируя схему привода, можно заключить следующее. При монтаже генератора на блок цилиндра двигателя возможно смещение плоскости шкива генератора относительно плоскости шкива натяжного ролика. При смещении плоскостей шкивов в ремённой передаче появятся дополнительные силы, способствующие увеличению перекоса колец подшипников. Если принять данное смещение, равным 1 мм, то угол перекоса ролика может достигать 17 минут, что больше допустимого перекоса. Поэтому, одним из возмож- ных мероприятий по повышению долговечности натяжного ролика может быть обеспечение положения шкивов в одной плоскости. Однако это приведёт к определённым трудностям измерения и повышению трудоёмкости выполнения операции, что нецелесообразно при конвейерной сборке и ремонте на станциях техобслуживания.

В связи с этим для повышения надёжности работы натяжного ролика предлагается ряд следующих мероприятий:

• -    изменение конструкции (внутренней геометрии) подшипника, обеспечивающей более высокое значение допустимого угла перекоса;

• -    применение другого типа подшипника, например, двухрядного шарикового подшипника;

• -    применение смазочного материала с присадками и модификаторами трения, способствующие созданию на рабочих поверхностях износостойкого металлокерамического слоя;

• -    перейти на другой тип ремня – зубчатый, что позволит ремню самоустанавливаться в одной плоскости вращения.

Таблица 1. Результаты численного расчёта долговечности подшипника

Угол перекоса наружного кольца, мин	Долговечность, час
	Радиальный зазор δ=0,005 мм	Радиальный зазор δ=0,015 мм
0	6188	5314
1	7050	69220
2	91488	56170
3	72381	6621
4	7577	6193
5	7397	6983
6	6908	7652
7	6011	6305
8	4673	6069
9	3298	5453
10	2158	4433
11	1335	3207
12	797	2143
13	476	1344
14	285	804
15	173	469