Залог долговечной работы двигателя – динамическая сбалансированность коленчатого вала

Неуравновешенность (дисбаланс) вращающихся частей является одним из факторов, лимитирующих надежность и долговечность автотракторных двигателей в эксплуатации. Неуравновешенность – это негативное состояние детали, узла, соединения, характеризующееся таким распределением масс, которое вызывает переменные нагрузки на опоры, повышенный износ и вибрацию, способствует быстрой утомляемо- сти водителя. В ряде случаев, несбалансированность нагрузок вызывает накопление усталостных трещин в шейках коленчатого вала, приводящих к аварийному разрушению.

Дисбаланс изделия – величина векторная, равная произведению локальной неуравновешенной массы m на расстояние (радиус) ее расположения от оси этого изделия r, т.е. D = mr.

Дисбаланс возникает в процессе изготовления (восстановления) деталей, сборки узлов и агрегатов и изменяет свое количественное значение в процессе эксплуатации и ремонта.

В зависимости от взаимного расположения геометрической оси изделия и его центральной оси инерции различают три вида неуравновешенности: статическую, моментную и динами- ческую. Коленчатым валам автотракторных двигателей свойственны два последних вида. При моментной неуравновешенности геометрическая ось изделия (заданная при изготовлении) и его центральная ось инерции пересекаются в центре масс (центре тяжести изделия). Данная неуравновешенность не является сложной при устранении и определяется двумя равными по значению разнонаправленными векторами дисбалансов Dm1 и Dm2 в двух произвольных плоскостях, создающими момент дисбаланса М.

Моментная неуравновешенность является частным случаем более общей и более сложной с точки зрения устранения – динамической неуравновешенности, при которой ось изделия (ОВ) и его центральная ось инерции (ОИ) пересекаются не в центре масс.

Рис. 1. Несбалансированность нагрузок вызывает накопление усталостных трещин в шейках коленчатого вала и последующему аварийному разрушению

Вариант динамической неуравновешенности вала.

Вариант моментной неуравновешенности двухопорного ротора (коленчатого вала):

ОВ – ось вращения; ОИ – ось инерции

Присуща она длинномерным вращающимся деталям типа «вал», состоит из статической и моментной неуравновешенности и определяется главным образом главным вектором дисбалансов Dст и главным моментом дисбалансов М или двумя приведенными векторами дисбалансов (в общем случае разных по значению и непараллельных), лежащих в двух произвольных плоскостях (динамический дисбаланс).

Дисбаланс изделия характеризуется числовым значением (в г.мм или г.см) и углом дисбаланса (в градусах) в системе координат, связанных с осью изделия.

При вращении неуравновешенного изделия возникает переменная по величине и направлению центробежная сила инерции Р = mrw2 , где w – угловая скорость вращения.

Таблица 1. Допустимый дисбаланс деталей и сборочных единиц, г.мм

Детали и сборочные единицы	Легковые автомобили	Грузовые автомобили	Положительная разница (экономия)
Коленчатый вал	100...150	200...300	25000=
Маховик	300...400	350...600	4000=
Корзина сцепления	100...250	300...500	30000=
Коленчатый вал в сборе с маховиком и корзиной сцепления	200...500	500..700	3000=

Приведение изделий, обладающих неуравновешенностью, в уравновешенное состояние осуществляется их балансировкой, т.е. определением (обнаружением на специальном стенде) величины и угла дисбаланса и устранением (уменьшением) его путем удаления массы в определенных точках. При динамической балансировке устраняется (уменьшается) как статическая так и моментная неуравновешенность и изделие становится полностью сбалансированным, при этом Dст≈0 и М≈0 и центральная ось инерции совпадает с осью вращения изделия.

В процессе эксплуатации автотракторных двигателей происходит некоторое увеличение дисбаланса деталей, узлов, агрегатов вследствие появления неравномерных износов рабочих поверхностей, деформаций, смещения сопряженных деталей в узлах относительно оси вращения, образования повышенных зазоров в соединениях. Наибольшее увеличение дисбаланса происходит в процессе ремонтных воздействий. Ведь если после заводской конвейерной сборки и балансировки изделие доводится до кондиции, то при ремонте происходит:

• а)    перекомплектование деталей (не редко с прежним, но шлифованным валом, заказчик просит установить новую корзину сцепления не рычажного, а диафрагменного типа; в другом случае – клиент не желает далее шлифовать изношенные шейки коленчатого вала, приобретая новый, оставляя недавно установленные, но уже работавшие маховик и корзину сцепления и т.д.), в результате чего иное сочетание вращающихся в едином комплекте деталей дает смещение и центра масс и, что более серьезно, сложение сона-правленных векторов дисбалансов, привнесенных в этот комплект;

в) возникновение деформаций при механической и термической обработках;

• б)    неточности сборки и смещение осей одних деталей относительно других из-за изношенности отверстий (например, корзины сцепления).

Как и многие технические параметры, дисбаланс имеет свои ограничения, установленные заводом-изготовителем (Табл. 1).

В этой связи, обращает на себя внимание вторая категория коленчатых валов, используемых при ремонте в тех же автосервисах, - это новые валы, лежащие на прилавках магазинов запасных частей, оптовых базах и др., как мы и говорили, «клиент решил установить совершенно новый вал». По многим параметрам (диаметры коренных и шатунных шеек, изгиб по центральной шейке, биение фланцев и др.) эти валы укладываются в допустимые пределы, кстати, все эти геометрические размеры легко контролируются доступными всем измерительными инструментами. Иначе обстоит дело со «спрятанным» дисбалансом, обнаружить который можно только на специализированном стенде при вращении. Так вот по критерию «дисбаланс» достаточно большая выборка новых изделий, что называется «не блещет» своим соответствием установленным требованиям – это уже вопрос к заводам-изготовителям. Тот факт, что коленчатый вал, устанавливаемый в двигатель, будет «вращаться не в одиночестве», а в комплекте с махови- ком и корзиной сцепления и с ними же будет в последствии тщательно отбалансирован опытными мастерами не может служить оправданием столь варварскому отношению к качеству изготовления одной из ответственных, дорогостоящих и ресурсоопределяющих деталей ДВС, каким является коленчатый вал. Невольно напрашивается вопрос, для кого же тогда выпущены «в свет» выше названные требования.

Таким образом, и шлифованные и новые валы, тем более в новой комплектации «вал+маховик+сцепление» на завершающем этапе ремонта необходимо обязательно балансировать. Ремонтные предприятия, автосервисы, автомастерские, занимающиеся по своему профилю капитальным ремонтном автотракторных двигателей обязаны иметь в перечне технологического оборудования и активно использовать стенды для динамической балансировки коленчатых валов, либо за неимением подобного дорогостоящего оборудования при небольших объемах производства пользоваться услугами по балансировке смежных производств. Следует посоветовать потенциальным клиентам, заказчикам автосервисов, решающим судьбу капитального ремонта своего двигателя, задавать ключевой вопрос менеджерам на приемке: «А выполняете ли вы в перечне технологических операций динамическую балансировку коленчатых валов?». Только при положительном ответе, либо «... да, пользуемся услугами соседнего авторемонтного предприятия», позволяют вам надеяться, что именно так оно и будет. Но, если в ответ звучат фразы, подобным «...а зачем это нужно (?!)», или «... это лишняя и к тому же дорогостоящая операция...», следует усомниться в качестве выполняемых работ на этом предприятии и главное - в уровне после ремонтного ресурса отдаваемого ДВС.

Для динамической балансировки коленчатых валов отдельно и в сборе с маховиком и сцеплением целесообразно использовать балансировочные станки марок КИ-4274, БМ-У4 и других, более современных, моделей.

Перед началом работы согласно инструкции станок подлежит метрологической поверке два раза в год с использованием эталонного ротора и калибровочного грузика, создающего при его установке оператором то в левой, то в

Процент

распределенияи пеной плоскости

Процент распределенияв праной плоскости

Кривые распределения дисбаланса новых коленчатых валов двилппыей ЗМЗ-4( пршнЗретенных« розничной сети 90 % из них требуют дополнительной балансировки С).

правой плоскостях контроля определенную величину дисбаланса (3000 г.мм). При необходимости выполняется тарировка показаний электронного блока для получения в последующей работе достоверных результатов.

После подбора из комплекта сменных неметаллических вкладышей, например, из текстолита, винипласта, металлофторопластовой ленты и др., соответствующих типу вала и диаметру его коренных шеек, проводится контроль одного вала, затем с маховиком и в завершении с корзиной сцепления. В случаях возможности установки на коленчатом валу маховика и корзины сцепления относительно друг друга в разных положениях (ВАЗ, ЗМЗ, Д-245, Мерседес Бенц, Ниссан и др.) пробуются все возможные варианты. Лишь только найдя положение деталей с наименьшим дисбалансом, производится удаление неуравновешенной массы.

Особенностью динамической балансировки коленчатых валов V-образных двигателей является обязательное использование (закрепление) на шатунных шейках специальных дополнительных грузов, компенсирующих отсутствие на шейках шатунно-поршневых комплектов (без них включение станка категорически запрещено).

Наиболее часто в производственной практике выполняется высверливание металла либо в противовесах коленчатого вала, либо на нерабочей части маховика, обладающего большим запасом металла с целью уравновешивания всей вращающейся системы.

Путем периодических включений станка и высверливаний металла по указанному электроникой углу оператор добивается минимизации дисбаланса, не превышающего допустимых нормативных значений. Далее уравновешенный комплект маркированных деталей готов к укладке в блок.

Если в первом случае (ЗМЗ-402 автомобиль «Газель») к большому удивлению заказчика (в его присутствии) состоялось уменьшение дисбаланса не на какой-то процент, а в 7-8 раз и в той и другой плоскости контроля, то во втором случае (Д-243 трактор МТЗ-82) в правой плоскости со стороны маховика достигнуто еще более значительное уменьшение дисбаланса с его негативными последствиями – в 36 раз! И подобных примеров из нашего опыта можно привести десятки. Согласитесь, цифры впечатляют и заставляют задуматься, а в каких же условиях эксплуатируются двигатели и их технические объекты отремонтированные и не прошедшие динамическую балансировку.

Хотелось бы также напомнить мотористам, прежде чем подвергать коленчатые валы серьезным ремонтным воздействиям в начале пути на этапе входного контроля валов, бывших в эксплуатации, проверить их на наличие скрытых дефектов – приповерхностных усталостных трещин, водородного насыщения и охрупчивания (на фото - указаны стрелками). Для этого применяют магнитный или ультразвуковой методы с соответствующим приборным обеспечением, квалификацией и опытом работы персонала.

^(fT

Периодическая поверка станка эталонным ротором с калибровочным грузиком

Рис. 2.

б

Крепление дополнительных грузов (а) и периодические включения вращения коленчатого вала (б) с записью в протоколе испытания результатов контроля величины дисбаланса и угла его расположения.

Местами удаления неуравновешенной массы могут быть: а – противовесы вала; б – большой запас металла на маховике.

Фрагмент результирующего протокола динамической балансировки системы «коленчатый вал+маховик+корзина сцепления» двигателя ЗМЗ-402 в левой и правой плоскостях контроля

а)    до балансировки - в состоянии поставки от заказчика;б)    после балансировки.

В результате магнитной дефектоскопии обнаружены многочисленные трещины на шатунных шейках коленчатых валов двигателей ВАЗ (а) и Д-245.12 (б), тем самым были спасены «жизни» этих двигателей в случае разрушения валов…