Материалы коленчатых валов — Коленвал
Коленчатые валы могут быть изготовлены стальными кованными, стальными штампованными, чугунными литыми.
Применение углеродистой стали для изготовления коленчатых валов для двигателей малой и средней напряженности объясняется низкой стоимостью теромобработки и хорошими механическими свойствами этих сталей.
Для подавляющего большинства коленвалов стационарных, судовых и тепловозных дизелей чаще применяют стали 35, 40, 50, 35Г, 40Г, 45Г, 50Г и др. Валы быстроходных двигателей изготовляют из тех же сталей, а также из хромовых, хромоникелевых, хромомолибденовых (40Х, 40ХН, 35ХМ, 30ХН2МА, 18Х2Н4МА и др.). Для коленвалов автомобильных и тракторных двигателей применяют стали 45,50Г, 40Х, 45Г2, 38ХГН, 40ХН2МА.
Стали, легированные ванадием, хромом, молибденом, никелем имеют повышенную твердость, пластичность, износостойкость (30ХМА, 20ХН3А, 38Х2МЮА, 40Х2Н2МА, 25Х2Н4МА, 38Х2МЮА
В двигателях тракторной, автомобильной техники в последнее время нередко применяют литые коленчатые валы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Эта технология, известная еще с советских времен, снова стала популярной.
Изготовление литых чугунных валов технологически проще и существенно дешевле. Причем экономия металла увеличивается по мере усложнения конструкции вала, износостойкойсть шеек вследствие большего наличия в чугуне графита возрастает, надежность работы вала благодаря большой циклической вязкости чугуна повышается. Однако при изготовлении чугунных коленвалов особую роль играет качественное литье на современном оборудовании с целью исключения литейных пороков. Также прочностные свойства литого коленчатого вала полностью зависят от свойств используемого материала. В случае использования высокопрочных марок чугуна ВЧ или специального модифицированного чугуна марок СЧ коленчатый вал имеет достаточные характеристики прочности и не нуждается в дальнейшей термообработке. Литой коленчатый вал имеет равномерную твердость по всему сечению и она не снижается после шлифовки.
Как всегда, Вы можете получить подробную и персональную консультацию по телефону
т. 050-40-08-705, 098-79-33-152
Пожалуйста, если вам было интересно, поделитесь ссылкой на сайт и статью, с теми кому это важно, не прячьте это от своих друзей…
Дизельные ‘Жигули’ — ЧТО ЭТО?
Так хотелось написать оду отечественному дизелю, но увы, пока что получается, скорее, реквием. А все потому лишь, что до сих пор ни один из них не производится настоящими, большими сериями. Мы в какой то мере стали заложниками замкнутого круга, когда распространение новых дизельных двигателей сдерживается их малым производством. А развертыванию полномасштабного производства мешает… низкий спрос на дизели. Так или иначе, но сегодня встретить в продаже автомобиль с дизельным двигателем под капотом в Иркутске практически невозможно. Так, в фирме »Лада-брокер» на вопрос о наличии в продаже дизельной »четверки» ответили, что поставками неконвейерных машин они не занимаются (хотя, насколько нам известно, ВАЗ-21045 производится малыми партиями на ВАЗе и более высокую цену имеет только из-за импортных комплектующих двигателя). Только в минувшую субботу среди многочисленных автомобилей, выставленных на продажу в Рабочем, оказалась и ВАЗ-21045, ТО есть »четверка» с дизельным двигателем, вызвавшая у посетителей авторынка неподдельный интерес. Нет дизельных УАЗов и Волг. Иногда, впрочем, встречаются дизельные Газели, но и те в единичных экземплярах и чаше — под заказ. 6 принципе, под заказ можно купить любой отечественный автомобиль с дизелем: хоть УАЗ, хоть Волгу… Вот только цена при этом обычно складывается из двух составляющих: стоимость базового автомобиля плюс стоимость дизельного двигателя. В итоге получается на 3-4 тыс. долларов дороже. Естественно, что никакого экономического эффекта от применения дизеля в этом случае не будет. Для западных стран это — абсурдная ситуация.Началось все лет двадцать назад, когда Волжский завод получил указание разработать дизельный мотор для »пятерки», Нивы и перспективной тогда еще »восьмерки». За точку отсчета вазовцы взяли один из зарубежных аналогов, а в конструкции мотора максимально использовали уже имеющиеся комплектующие бензиновых силовых агрегатов.
При анализе сравнительных характеристик выяснилось, что блок полуторалитрового мотора ВАЗ-2103 по геометрическим и прочностным характеристикам схож с блоком самого первого фольксвагеновского дизеля, появившегося на модели Со1Г в 1976 году (4 цилиндра, 1471 куб. см., 50 л. с.). Его-то и приняли за основу. Клапанный механизм позаимствовали у двигателя ВАЗ-2108, чугунный коленвал — у того же ВАЗ-2103, шатуны — у Нивы, генератор, подшипники коленвала, выпускной коллектор и море всякой мелочи достались в наследство от ВАЗ-2101. Столь высокоточное устройство, как топливный насос высокого давления Bosch (в России пока не создано надежной топливной аппаратуры для небольших дизелей), потребовало отказа от цепи в приводе распредвала и перехода на зубчатый ремень, который идентичен ремню от мотора ВАЗ-2112. В результате степень унификации дизельного двигателя с бензиновыми достигла почти 50%. Но без новых узлов, обусловленных спецификой дизеля, обойтись было нельзя. Пришлось разрабатывать более мощный стартер с редуктором, вакуумный насос (без него не способен функционировать усилитель тормозов), радиатор большей площади с электрическим вентилятором, ведомый диск сцепления с демпфером холостого хода и фильтр тонкой очистки топлива с подогревом; была изменена форма крыльчатки водяного насоса. Появились аккумулятор на 66 А/ч и улучшенная шумоизоляция салона, а возросшая на 40 кг масса автомобиля потребовала применения усиленных передних пружин. В итоге ВАЗ-21055 с 1452-кубовым дизелем ВАЗ-341 к 1988-му году успешно завершил комплекс госиспытаний, после чего проект благополучно… лег на полку — для завода наступила пора борьбы за выживание.
Возвращение машины в строй произошло в августе 1997 года, когда АвтоВАЗ представил дизельную »четверку». Первые машины поступили в продажу лишь весной 1998-го, и то в качестве отдельных экземпляров, а серийное производство официально считается с 1999 года. Кстати, сегодняшние ВАЗ-21045 оснащаются стальными коленвалами от 1.7-литрового двигателя ВАЗ-21213, что привело к увеличению хода поршня и, соответственно, рабочего объема, который теперь равен 1524 куб.см.
»b»
ВАЗ-341
Тип двигателя: Вихрекамерный атмосферный дизель Объем двигателя; 1.524л
Мощность двигателя:53 Л.С./4800 об.мин.
Максимальный крутящий момент (Нм/об.мин.): 92/2500
»/b»
ВАЗ-21045
Наверное, не все знают, а кто-то просто забыл, что в Иркутске уже больше года эксплуатируются дизельные Жигули. Одна из них работает на телевидении, а еще три несут службу в милиции, точнее — в отделах вневедомственной охраны. Учитывая непростую специфику службы в ОВО, я попробовал выяснить, как живется необычной технике у нас? И оказалось, что совсем не плохо. Один из водителей ВАЗ-21045, с самого начала работающий на этой машине, об опыте эксплуатации много и сказать то не смог, А все потому, что ничего особенного с машиной и не было. Проводилось регулярное техобслуживание (замена масла и фильтров), да в начале зимы провели чистку топливной аппаратуры. И все! А ведь пробег автомобиля сейчас приближается к 50 тыс.км.! Две другие машины также не приносили особых хлопот: та же чистка топливной аппаратуры у одной машины и замена редуктора стартера у другой. Что это — надежность дизеля или просто результат сборки на опытно-промышленном производстве?
Отличается ли ВАЗ-21045 от обычных четверок внешне? Хоть и чуть-чуть, но отличается — нет, мы не о шильдике на задней двери, а об изогнутой, наружной части выхлопной трубы. Ее назначение объясняется следующим образом: при открытой задней двери, что случается при перевозке крупногабаритных предметов (а так же и из-за слабого уплотнителя), выхлопные газы затягиваются в салон, а новая форма трубы позволяет этого избежать. Правда, непонятно, почему эти изменения не коснулись бензиновых версий, у которых выхлоп еще ядовитее? В салоне все нововведения — лампа свечей накаливания да клавиша включения подогрева топливного фильтра, благодаря чему завод-изготовитель гарантирует пуск мотора при температурах до -25 С. От обычных Жигулей машина почти не, отличается не только внешне и внутри, но и в движении. Удивила тихая работа дизеля на холостых оборотах — в салоне уровень шума практически как у бензиновой версии. Да и при разгоне двигатель не досаждает. При этом даже на холостых оборотах каких-либо вибраций, кроме как на рычаге КПП, не чувствуется, Сам разгон у полупустой машины фактически как у бензинового Жигуля, правда с увеличением нагрузки слабость мотора начинает сказываться и »четверка» заметно »тупеет», хотя, по словам ездивших на машине, это больше мешает на холмистых загородных дорогах, нежели в городе.
Заводится дизель, даже зимой, исправно — трудности могут появиться только при температуре ниже -20С, Только недавно мотор стал подъедать масло — по видимому, сказался перегрев двигателя, вызванный тем, что механики по привычке залили 7 литров тосола вместо положенных 10. Последнее еще раз подтверждает то, что эксплуатация дизеля требует качественного и своевременного обслуживания.
Так или иначе, но ВАЗ-21045 можно признать самым практичным легковым автомобилем из всех производимых в России: он оснащен кузовом универсал, действительно экономичный, и к тому же готов прощать некоторые ошибки водителя. Вот только если бы еще цена была не столь высока…
»b»
ВАЗ-21045:
Максимальная скорость: 125 км/ч
Время разгона до 100 км/ч, 23 сек.
Расход топлива на 100 км (город): 6.2 л
Расход топлива на 100 км (трасса): 5.2 л
»/b»
»b»
АЛЕКСЕЙ СТЕПАНОВ, газета »ГОРОДАВТО», N3(123) от 27.02.2003
»/b»
Конструкция коленчатого вала ЗИЛ 13
Серьезная нагрузка направлена на коленчатый вал, имеющая сложный характер, складывается из сил давления газов, центробежных и инерционных сил, споротивления вращению коленвала со стороны трансмиссии.
Как работает коленчатый вал в автомоблие ЗИЛ 13
Усилия от шатунов передаются коленвалу. Далее он передает мощность, которую развивает двигатель, трансмиссии и газораспределительнному, охлаждающему, масляному насосам, вентилятору и прочим вспомогательным механизмам. Коленвал испытывает напряжения колебательного характера.
Это одна из самых сложных конструкций в двигателе. К сожалению, нередко именно из-за поломок коленвала приходится ремонтировать двигатель.
Когда изготавливается вал коленчатый зил 130 , то учитываются основные требования по статической и динамической уравновешенности, высокой прочности, жесткости и износостойкости шеек, отсутствия изгибающих колебаний. К тому же он изготавливается из углеродистых сталей с отливкой из высокопрочных модифицированных чугунов.
На двигатели зил 130 вал коленчатый устанавливается стальной кованый, а на ВАЗ-2101, ЗМЗ-24 – литой чугунный коленвал.
Особенности конструкции коленвала автомобиля ЗИЛ 13
Конструкция коленвала следующая: шатунные и коренные шейки, носок вала, щеки, противовесы, хвостовик. Количество и расположение шатунных и коренных шеек и определяет конструкцию коленчатого вала. Число шатунных шеек такое же как и число цилиндров при однорядном расположении цилиндров.
В двухрядных двигателях на каждой шатунной шейке как правило размещаются два шатуна от цилиндров с противоположных рядов.
Угол между плоскостями расположения кривошипов коленвала должен быть 720 °/i, где i — число цилиндров двигателя. Это необходимо для равномерного чередования рабочих ходов в четырехтактном двигателе. При этом положение кривошипов выбирается для наилучшей уравновешенности двигателя.
Обычно они находятся в одной плоскости в однорядных четырехцилиндровых двигателях. А те, что расположены на одинаковом расстоянии от середины вала, направлены в одну сторону. К примеру на v-образные восьмицилиндровые двигатели устанавливается крестовый коленвал. Кривошипы располагаются в двух плоскостях с углом в 90 градусов.
В зависимости от нагрузки на коленвал при работе выбирается количество опор, или коренных шеек. Минимальное значение – два, но может возрасти и до того, что будут находиться с двух сторон. Примерная стоимость вал коленчатый зил 13 около 700$.
|
| |||||||
|
| |||||||
|
| |||||||
|
| |||||||
Местами надежно, местами дорого. Почему к покупке Opel Vectra С стоит подойти ответственно
Opel Vectra С радует просторным комфортным салоном и не спешащим гнить кузовом – и все это при доступной стоимости. Но возраст уже дает о себе знать, а ведь «болячек» хватает, притом что далеко не все они «лечатся» легко и дешево.
Факты
- Vectra третьего поколения выпускалась с 2002 по 2008 годы. Она была создана на платформе GM Epsilon и делила ее с такими моделями, как Saab 9-3 и Cadillac BLS. Ну а самый близкий «родственник» – хэтчбек Opel Signum, который максимально унифицирован с Vectra C.
- Как и два предшествующих поколения, в третьей генерации семейство Vectra включало седан, лифтбек и универсал Caravan.
- Модернизация 2005 года принесла модели рестайлинг (новая головная оптика и измененная форма радиаторной решетки, улучшенные материалы в отделке салона), а также некоторые перемены в силовой линейке. Так, атмосферный 3,2-литровый V6 уступил место моторам 2.8 V6 Turbo, а бензиновые 1.6 и 1.8 сменили модификации и стали мощнее.
- Наиболее производительные версии 2.8 V6 Turbo (сначала 255, затем 280 л.с.) применялись на самых быстрых модификациях Vectra, имевших приставку OPC. Максимальная скорость топового варианта была ограничена на отметке 250 км/ч, а разгон с места до 100 км/ч составлял 6,3 секунды.
- В 2002 году Opel Vectra С было присвоено четыре звезды (30 баллов) по итогам краш-тестов EuroNCAP, что можно считать неплохим, но не выдающимся результатом. Безопасность пешеходов и вовсе была оценена в одну звезду (5 баллов).
Как ни удивительно, каждая вторая Vectra С на нашем рынке – с кузовом седан, в то время как универсал и лифтбек имеют доли примерно 25% всех предложений. На бензиновые версии также приходится около половины всех предлагаемых к продаже машин, при этом дизельных вариантов больше среди более возрастных экземпляров. Ну и вполне логично, что большая часть Vectra С – с механической коробкой передач.
Самые ранние экземпляры начала 2000-х продаются за 3000-4000$, причем среди них немало и дизельных машин. Для авто до рестайлинга предельный ценник вообще не очень высок – не более 5500$, причем за эти деньги легко найти и рестайлинг (предложений по цене 5000-6000$ довольно много). Собственно говоря, дороже 7000$ Vectra С мало кто пытается продать, разве что заявляя минимальный пробег, максимальную комплектацию и отличное состояние. Но ведь и возраст даже таких экземпляров в лучшем случае порядка 13-14 лет.
Кузов, салон, электрикаПо сравнению с предшествующими поколениями Veсtra С являлась настоящим прорывом сразу в нескольких смыслах. Во-первых, она была крупнее и просторнее, особенно в версии универсал, имевшей более длинную колесную базу. Во-вторых, заметно вырос уровень оснащения, да и прибавка в плане комфорта была приличной. Наконец, в-третьих, сам автомобиль стал долговечнее.
Прежде всего это касается кузова: двухсторонняя оцинковка спасает стальные детали от коррозии даже при повреждении ЛКП. Слабым место оказалась разве что нижняя кромка двери багажника, но остальные элементы имеют очень неплохую устойчивость к «рыжей чуме».
Впрочем, надо понимать: из аутсайдеров Vectra просто перешла в лагерь середняков, а это значит, что старые экземпляры пусть и не гниют откровенно, но вполне могут ржаветь, если за кузовом не следить и не устранять те же сколы и мелкие повреждения.
Строгий «офисный» стиль интерьера сегодня кажется устаревшим, но сами материала отделки времени сопротивляются неплохо, особенно в машинах после рестайлинга, где стал применяться более качественный пластик.
Вот проблем с электрооборудованием было немало даже у относительно свежих машин, теперь же их вероятность только увеличивается. Хорошая новость в том, что стоимость их решения куда ниже, чем лет 10 назад. Классика жанра – отказ CIM-модуля, неработающее управление климат-контролем, блеклые дисплеи. К этому добавляются сгнивающие трубки кондиционера и закисающая трапеция стеклоочистителей. Хуже то, что в какой-то момент Vectra С может временно стать недвижимостью из-за поломки стартера или генератора.
Проблемы вроде не самые серьезные, но раздражающие. Поэтому лучше брать автомобиль из-под педанта, который все это хозяйство держал в порядке, – в противном случае рано или поздно с этими капризами придется разбираться вам. Да, и лучше выбирать автомобили после рестайлинга – у них по определению меньше «детских болезней».
Бензиновые двигателиДруг-электрик будет полезен и в том случае, если под капотом – «атмосферник» Z16XE (100 л.с.) или Z18XE (125 л.с.). Такие моторы ставили до рестайлинга, и одна из их известных проблем – блок управления, расположенный прямо на двигателе. Из-за вибраций контакты в блоке разрушаются, что приводит к проблемам с различной симптоматикой. Из других неприятностей – вполне вероятный масложор у 1,6-литрового двигателя из-за залегающих поршневых колец, не очень надежные модули зажигания. К тому же сами двигатели для тяжелой Vectra слабоваты, особенно 100-сильный. Зато простая конструкция обещает хорошую ремонтопригодность и низкие эксплуатационные расходы.
В 2005 году появились новые моторы Z16XEP (105 л.с.) и Z18XER (140 л.с.), которые сохранили чугунный блок и распределенный впрыск, лишились гидрокомпенсаторов, а «старший» двигатель получил фазовращатели – в итоге и отдача улучшилась, и топливная экономичность стала выше. Собственно изменения в конструкции и определяют некоторые вопросы в эксплуатации: тепловые зазоры теперь надо периодически проверять и регулировать, а фазовращатели порой выходят из строя. Мелких проблем, связанных с утечками масла, дроссельной заслонкой и прочим, с возрастом тоже хватает, но все же эти простые двигатели вас не разорят.
Вот 2,2-литровая версия имеет не столь хорошую репутацию. Причем неважно, идет речь о старом варианте Z22SE на 147 л.с. с распределенным впрыском или о Z22YH (155 л.с.) с прямым – потенциальных проблем хватает у обоих. Но все же больше всего неприятностей досталось владельцам ранних экземпляров, которые могли столкнуться не только со срывом резьбы при закручивании свечей зажиганий, но и с обрывом цепи ГРМ, а также масложором. 155-сильный двигатель поначалу отметился недолговечным и дорогим ТНВД. Поздние версии моторов более удачные, к тому же по сегодняшним меркам кажутся не такими уж страшно проблемными и дорогими в ремонте.
Более мощные двигатели – это 2,0-литровый турбированный Z20NET (175 л.с.), атмосферный 3.2 V6 (211 л.с.) и заменившие его версии 2.8 V6 Turbo Z28NEL/NET/NEH (230-280 л.с.). Моторы довольно надежные, особенно атмосферный, но дорогие в содержании и ремонте, к тому же такие машины на нашем рынке – большая редкость. Брать можно, но после хорошей диагностики. Обслуживать – у понимающих специфику специалистов, не скупиться на качественные ГСМ и «расходники».
Дизельные двигателиВерсии объемом 2,0 и 2,2 л – это «старые добрые» Y20DTH и Y22DTR разработки Opel. Двигатели обладают хорошим ресурсом, при должном уходе ходят долго, но проблем с ними тоже хватает, особенно если условия эксплуатации далеки от оптимальных. Так, короткие городские поездки оборачиваются проблемами с EGR. Тут сказать бы про сажевый фильтр, но он, если и был по заводу (и то не на всех машинах), наверняка уже вырезан. Еще одна известная проблема – износ вкладышей, а если прозевать эту неприятность, то можно «попасть» и на коленвал. И конечно, неприятности доставляет печально известный насос VP44, который и сам по себе не может похвастать большой долговечностью, так еще и упрятанный в нем электронный блок страдает из-за перегрева. Поэтому ТНВД и вкладышам стоит уделить первоочередное внимание, все остальное уже не так страшно и дорого.
С 2004 года на Vectra С стали применять и двигатели 1.9 CDTI (100-150 л.с.), причем под опелевскими индексами Z19DTL/DT/DTH скрывается совместная с Fiat разработка. Здесь также возможны проблемы с EGR, а на мощных моторах известна проблема с подвисанием и поломкой вихревых заслонок во впускном тракте. Также со временем приходится разбираться с изменяемой геометрией турбины – из-за накапливающихся загрязнений начинают клинить лопатки. Топливная система достаточно надежна, но при больших пробегах возможны неисправности форсунок. Собственно говоря, удачность покупки при таком возрасте определяется тем, сколько проехал и как обслуживался автомобиль, но радует, что серьезных конструктивных недостатков у этой серии моторов нет.
Коробки передачВесьма печально, что недорогие в содержании моторы 1.6 и 1.8 комплектовались 5-ступенчатой МКПП F17 – да-да, той самой, которую мы упоминаем при каждом рассказе про модели Opel из 2000-х. Коробка считается слабой, она не выдерживает и на более легких Astra G, а тут куда более тяжелый автомобиль. Немногим лучше 6-ступенчатая М32, но ее ставили в сочетании с 2,0-литровым турбомотором, так что это не так актуально. Остальные механические коробки куда надежнее, особенно F40, которая держится даже на самых мощных версиях. Оборотная сторона медали – недешевый двухмассовый маховик.
Простенький «робот» Easytronic, который предлагался для версии 1.8, также считается не самым лучшим выбором: коробка плохо адаптируется к износу сцеплений, со временем возможны проблемы с актуаторами, бывают неисправности и по электрической части. И при этом порадовать может разве что экономичность такой версии, но точно не удобство управления динамикой.
То ли дело классические «автоматы»! Их для Vectra С было предложено несколько моделей, но не все они одинаково надежны. Самый оптимальный вариант – 6-ступенчатая Aisin TF80SC, но ее ставили только на бензиновую версию 2.8 V6 Turbo и 1.9 CDTI. Данная коробка очень распространена благодаря применению на многих марках и моделях и зарекомендовала себя как надежная, но очень чувствительная к перегревам и чистоте масла. Так что после «гонщиков» и «экономистов» возможны проблемы.
Есть еще 5-ступенчатая АКПП Aisin AW55 в различных версиях – ее применяли вместе с бензиновым двигателем 2.2, также ею комплектовали редкие версии с моторами 3.2 и 3.0 CDTI. Сама по себе коробка неплоха, но на автомобилях первых лет выпуска имела место проблема, связанная с контуром охлаждения, встроенным в радиатор системы охлаждения двигателя. Нарушение герметичности и смешивание трансмиссионного масла с антифризом приводили к образованию эмульсии и выводили из строя гидроблок коробки – и таких случаев было достаточно. Впрочем, эта проблема была характерна для автомобилей до 2004 г.в., да и более ранние машины, скорее всего, сейчас этой мины замедленного действия уже не имеют.
Ходовая частьСпереди у Vectra С простые стойки McPherson, а вот сзади – многорычажная подвеска, «бумеранги» которой нельзя отнести к особо выносливым деталям. Те же 60 тыс. км выхаживают и опорные подшипники, а у стоек и втулок стабилизатора ресурс чуть ли не вдвое ниже.
Зато амортизаторы и шаровые опоры ходят долго, правда, последние по задумке Opel меняются вместе с алюминиевыми рычагами, что увеличивает стоимость ремонта. Тормоза и рулевое управление обычно серьезных проблем не доставляют, но внимания требуют: направляющие суппортов стоит периодически разрабатывать и смазывать, датчики ABS на старых машинах частенько просятся на замену. Еще и ступичные подшипники не очень долговечные, при этом довольно дорогие, если искать среди качественных запчастей.
Наш вердиктПоследнее поколение Vectra прибавило не только в комфорте, но и в сложности – и это отразилось на ремонтопригодности и стоимости содержания. Главное достижение – кузов стал долговечнее, главная проблема – найти удачное сочетание простого беспроблемного мотора и коробки не так и просто, если не говорим про дизели. Но там другая сложность – найти неукатанный экземпляр. Наш совет: ищите машины последних лет выпуска после аккуратных владельцев. Приводить в порядок Vectra С уже не так дешево, как основательницу семейства.
Технология восстановления чугунных коленчатых валов двигателей ЗМЗ-53А (стр. 1 из 13)
Введение.
В современном машиностроении применяются различные конструкционные материалы. Однако и до настоящего времени чугун является одним из основных конструкционных материалов. Например, вес чугунных отливок составляет до 50% веса машин. Это обусловливается простотой и относительной дешевизной изготовления чугунных деталей, хорошими литейными свойствами чугуна, его высокой износостойкостью, малой чувствительностью к концентраторам напряжений, способностью гасить вибрацию и т. д.
Одной из актуальных задач стоящих перед организациями, эксплуатирующих автомобильную и автотракторную технику, является продление срока службы отработавших деталей, в том числе и чугунных. Сварка и наплавка чугуна широко применяется при ремонте вышедшего из строя различного оборудования. Однако она связана со значительными трудностями. Это связано с тем, что металл шва и околошовной зоны очень склонен к образованию твердых непластичных структур (ледебурита, мартенсита) и трещин вследствие больших скоростей охлаждения при сварке и наплавке, низкой прочности чугуна и почти полного отсутствия пластичности. Это осложняет решение многих вопросов, связанных с разработкой сварочных материалов (электродов, проволоки, флюсов и др.) для сварки чугуна.
Горьковский автомобильный завод широко применяет в двигателях своих автомобилей детали из чугуна. Одной из них является коленчатый вал.
Целью дипломного проекта является разработка технологического процесса восстановления чугунных коленчатых валов двигателя ЗМЗ – 53А позволяющего избежать выше перечисленных недостатков с возможностью применения в небольших ремонтных подразделениях МПС РФ.
Большую работу по изучению процессов, протекающих при сварке и наплавке чугуна, провели исследователи: Доценко Г. Н., Доценко Н. И., Луппиан Г. Э. и др. Работы этих исследователей использованы в дипломном проекте.
1. Литературный обзор и обоснование темы
дипломного проекта.
1.1. Описание изделия и технические
условия на ремонт чугунного коленчатого вала.
Чугунный коленчатый вал двигателя ЗМЗ-53А
Из табл. 1.1. видно, что основные механические свойства перлитного высокопрочного чугуна примерно такие же, как и у стали 45 и значительно выше, чем у других чугунов. При этом себестоимость отливок из высокопрочного чугуна в 2-2,5 раза ниже по сравнению с себестоимостью отливок из ковкого чугуна и поковок стали 45 [3].
Усталостная прочность.
Применение высокопрочного чугуна взамен стали 45, для изготовления коленчатых валов стало возможным благодаря его высокой усталостной прочности. Соотношение по усталостной прочности для стальных и чугунных образцов гладких и коленчатых валов одинаковой формы представлены в табл. 1.2 [2].
По данным табл. 1.2. у образцов гладких валов, изготовленных из высокопрочного чугуна, предел усталостной прочности на 18% меньше, чем у образцов изготовленных из стали 45; у коленчатых валов, изготовленных из тех же металлов, эта разница равна всего 4%. Объясняется это тем, что усталостные трещины вызывающие разрушения чугунных коленчатых валов, возникают в местах концентрации напряжений на галтелях, а высокопрочный чугун сохраняет присущую всем чугунам малую чувствительность к концентрации напряжений.
Износостойкость.
Высокую износостойкость высокопрочного чугуна с перлитной основой, не уступающую закаленной стали 45, большинство исследователей [4] объясняют наличием на его поверхности вскрытых графитовых включений, которые служат смазкой, а освободившиеся полости являются накопителями дополнительной смазки, необходимой при пуске и остановке двигателя.
При сравнении стальных и чугунных коленчатых валов в опубликованных работах [5,7] указывается, что при твердости стальных шеек HRC 56 их износостойкость равна износостойкости шеек чугунного коленчатого вала, при твердости шеек менее HRC 56 – меньше и при твердости более HRC 56 – больше износостойкости шеек чугунного коленчатого вала.
Технические условия на ремонт.
1. У коленчатых валов, поступающих на сборку, масляные каналы и грязеуловители должны быть тщательно очищены от шлама.
2. Шатунные шейки должны иметь диаметр – 60,00-0,013 мм.
Коренные – 70,00-0,013 мм.
3. Овальность и конусность шеек коленчатого вала не должны превышать 0,01 мм.
4. Чистота поверхности шеек должна соответствовать 5 квалитету Ra 0,2-0,4
5. Длина передней коренной шейки должна быть в пределах 30,45-30,90 мм.
Длина шатунной шейки 52,0-52,2 мм.
6. Радиусы галтелей шатунных шеек должны быть в пределах 1,2-2,0 мм, коренных 1,2-2,5 мм.
7. При вращении вала, установленного в призмы на крайние коренные шейки, биение не должно превышать:
а) для средней коренной шейки – 0,02 мм.
б) для шейки под распределительную шестерню – 0,03 мм.
в) для шейки под ступицу шкива вентилятора – 0,04 мм.
г) для шейки под задний сальник – 0,04 мм.
д) фланца по торцу – 0,04 мм.
8. Не параллельность осей шатунных и коренных шеек – не более 0,012 мм на длине каждой шейки.
1.2. Дефекты и неисправности чугунного коленчатого вала
Коленчатый вал является высоконагруженной деталью двигателя. В процессе эксплуатации двигатель машины подвержен различным нагрузкам, в том числе и неблагоприятным, это пуск двигателя в холодных условиях, не качественное смазочное масло, работа в запыленных условиях и т. д.
Вследствие этих факторов трущиеся части коленчатого вала подвергаются повышенному износу, что в свою очередь приводит к появлению на этих поверхностях надиров, сколов, микротрещин, раковин показанных на Рис. 1.2., которые могут привести к поломке коленчатого вала и выходу из строя всего двигателя.
Дефекты чугунного коленчатого вала
Рис. 1.2
1.3. Современные технологии восстановления
чугунных коленчатых валов.
В настоящее время чугунные коленчатые валы используются в двигателях автомобилей горьковского автомобильного завода, марки автомобилей ГАЗ-53А, ГАЗ-66, «Волга», «Газель». В некоторых автохозяйствах парк этих машин составляет до 80% от всего количества машин. Перестройка народного хозяйства и структурные изменения в нашей стране привели к разукрупнению автохозяйств, появлению мелких парков машин со смешанной формой собственности. Одной из задач, вставшей перед этими автохозяйствами, становится поддержание машин в рабочем состоянии при ограниченных финансовых ресурсах. По этому процесс восстановления изношенных деталей является на сегодняшний день актуальной задачей.
Существует несколько технологий восстановления чугунных коленчатых валов [3]:
1. Шлифовка под ремонтные размеры.
Один из часто применяемых способов восстановления работоспособности коленчатых валов. Преимущества этого способа в его технологической простоте. Из оборудования требуется наличие кругло шлифовального станка и типовой оснастки к нему. Но у этого способа имеется и ряд недостатков. Потеря взаимозаменяемости деталей, потребность в деталях (вкладыши) с ремонтными размерами, наличие складских площадей под них.
2. Вибродуговая наплавка в жидкости.
При этом способе качество наплавленного металла зависит от многих факторов и резко ухудшается при изменении режимов наплавки и химического состава электродной проволоки. Поэтому даже при хорошо отлаженном процессе восстановления на шейках чугунных коленчатых валов часто встречаются поры и трещины. Количество пор увеличивается по глубине слоя, поэтому восстановленные чугунные коленчатые валы шлифуют лишь до третьего ремонтного размера, а затем выбраковывают. Усталостная прочность чугунных коленчатых валов, восстановленных вибродуговой наплавкой в жидкости, снижается на 35-40% [6]. Однако благодаря двукратному запасу прочности в эксплуатации наблюдается незначительное количество их поломок. Но применение этого способа наплавки для восстановления чугунных коленчатых валов двигателей грузовых автомобилей из-за значительного снижения усталостной прочности становиться не приемлемым.
3. Вибродуговая наплавка в водокислородной среде [9].
При этом способе восстановления наплавленный металл имеет структуру троостита, переходящую в сорбитообразный перлит с твердостью слоя HRC 42-48. Такой металл по износостойкости уступает высокопрочному чугуну, тем не менее, коленчатые валы восстановленные этим способом, обеспечивают срок службы двигателей соответствующий пробегу автомобиля 50-60 тыс. км. Сведений об усталостной прочности чугунных коленчатых валов, восстановленных наплавкой в водокислородной среде, не имеется. В целом эксплуатационные свойства таких валов изучены не достаточно, но из-за низкой в сравнении с высокопрочным чугуном износостойкости наплавленного металла этот способ наплавки не может быть рекомендован к повсеместному использованию.
4. Однослойная наплавка под флюсом.
Этот способ наплавки исследовался в НИИАТе и КАЗНИПИАТе [3]. Для наплавки применяли проволоку разных марок, в том числе пружинную 2 класса ГОСТ 1071-81, ОВС, НП-30ХГСА, Св-08, Св-10Х13, Св-12ГС ГОСТ 792-67 и другие. Наплавку производили под флюсами АН-348А, ОСЦ-45, АН-15, АН-20 ГОСТ 9087-81 без примешивания и с примешиванием к флюсу графита, феррохрома, ферромарганца, ферромолибдена, алюминиевого порошка и других компонентов для получения наплавленного металла мартенситной структуры с твердостью HCR 56-62 без пор и трещин. Наплавку производили при разном шаге, прямой и обратной полярности, разных напряжений дуги и индуктивности сварочной цепи, скорости подачи электродной проволоки и вращения детали. Все разновидности однослойной наплавки под флюсом не дали положительных результатов. Наплавленный металл имел неоднородную структуру и твердость, содержал поры, трещины и шлаковые включения.
Как выбрать коленчатый вал
Раньше коленчатым валам уделялось на удивление мало внимания в типичном высокопроизводительном двигателе. Как правило, тот же самый кривошип, который вышел из сердечника двигателя, использовался повторно, при этом подготовка кривошипа обычно ограничивалась полировкой или шлифовкой, чтобы удалить любую сыпь с шейки. Для действительно хитрого двигателя иногда нужно было найти заводской кривошип, чтобы заполнить нижнюю часть, если бы завод предлагал такую деталь для данного типа двигателя. Конечно, кривошипы, сварные шатуны и тому подобное существуют уже несколько десятилетий, но для обычных уличных работников это было столь же экзотично, как когда-то были алюминиевые головки.Рынок запасных частей со временем изменился, и экзотика, такая как нестандартные шатуны и алюминиевые головки, больше не является недосягаемой для жаждущих мощности масс, и это хорошо, потому что коленчатый вал является основой двигателя, а в наши дни мы не делаем этого. t создание бесхребетных медуз.
Сегодняшний выбор кривошипов охватывает широкий диапазон: от традиционного подхода «беги что-то-я-получил» до оригинального кривошипа из стальной заготовки для вторичного рынка. Решение сводится к согласованию потребностей приложения с доступными вариантами и бюджетом проекта.Благодаря мощности и крутящему моменту, которые так легко получить с помощью современной технологии головки блока цилиндров и кулачка, стоит совмещать выходную мощность при достаточном низком уровне. Вот руководство по выбору правильного коленчатого вала для работы.
Посмотреть все 10 фотоЛитой и кованый Коленчатый вал представляет собой довольно солидный кусок металла, имеющий сильно искаженную форму. Есть несколько разных способов придать основную форму, и это лежит в основе того, является ли кривошип кованной или литой деталью. При литье изготавливается форма, и расплавленный материал кривошипа, обычно чугун, просто заливается для создания необработанной отливки.Литье дешево, инструменты долговечны, а исходная отливка выходит из формы очень близко к требуемой окончательной форме, что сводит к минимуму требования к окончательной механической обработке. Все эти характеристики достаточно привлекательны, чтобы сделать литые кривошипы безоговорочным фаворитом для OEM-производителей и приложений с умеренной производительностью.
При создании кованого кривошипа используется совершенно другой процесс обработки металлов давлением, уместно названный процессом ковки. При ковке горячий кусок стального проката помещается между тяжелыми штампами, имеющими форму коленчатого вала.Под экстремальным давлением, создаваемым ковочным прессом, металл прижимается к основной форме кривошипа. Простейшие штампы для поковки кривошипа расположены в одной плоскости, в результате получается поковка кривошипа, у которой все шейки кривошипа находятся в одной плоскости. Для индексации хода кривошипа на 90 градусов необработанная поковка скручивается, чтобы смещать шейки в двух плоскостях, чтобы создать окончательную необработанную заготовку кривошипа.
Усовершенствованный процесс ковки включает ковку кривошипа в двух плоскостях, так что все шейки прижимаются к их окончательной конфигурации, что устраняет необходимость поворачивать кривошип для индексации шейки.В результате меньше внутренних напряжений в поковке, а также улучшается текучесть зерна в металле. Кривошипы, изготовленные с использованием этого инструмента, называются поковками без скручивания. Инструмент для ковки без скручивания значительно сложнее и менее долговечен, чем инструмент для простой плоской ковки, и, как правило, из такой заготовки нужно обработать больше лишнего материала для создания готового коленчатого вала. Производители, производящие поковки кривошипов в огромных количествах, естественно, склонялись к более низкой стоимости и более высокому сроку службы плоской поковки.На вторичном рынке, с небольшими производственными партиями и упором на долговечность высокопроизводительных кривошипов, для многих популярных двигателей доступны неповоротные поковки.
Как определить, кованый ли это кривошипно Многие двигатели в течение всего срока службы производились как с коваными стальными, так и с литыми кривошипами. Удивительно, как многим из нас трудно отличить кованый шатун от литого, глядя прямо на них. Их легко отличить, если знать, что искать. Вот несколько быстрых подсказок.
Посмотреть все 10 фотографий Процесс литья приводит к большему контролю формы нетто в процессе формовки, о чем свидетельствуют визуальные подсказки на готовом коленчатом валу. Смотреть на противовесы — пустяковая распродажа. Противовесы кованого кривошипа (слева), как правило, будут иметь более грубый вид с закругленными краями, в то время как литой кривошип (справа) для сравнения будет иметь острые, четко очерченные края.Материалы кривошипа Помимо литья или ковки, качество материала также разделяет коленчатые валы разных марок.Что нас интересует, так это чистая сила и долговечность. Различные стали и чугуны оцениваются на основе прочности, ударной вязкости и пластичности. Любой данный сплав может охватывать довольно широкий диапазон прочности в зависимости от задействованных металлургических процессов, поэтому трудно указать точное число прочности различных сталей и чугунов. Однако, чтобы обеспечить общее руководство, мы включим сюда некоторые значения относительной прочности на разрыв. В конце списка находится стандартный чугунный коленчатый вал, который обычно имеет предел прочности на разрыв 65–80 000 фунтов на квадратный дюйм и довольно хрупкий с показателем удлинения около 3 процентов.Некоторые кривошипы из оригинального чугуна были изготовлены из чугуна с шаровидным графитом (высокопрочного чугуна), улучшенного чугуна, который увеличивает предел прочности на разрыв до 100 000 фунтов на квадратный дюйм, но, что более важно, улучшает пластичность до примерно 5-6 процентов удлинения до разрушения. Учитывая популярность недорогих литых шатунов на вторичном рынке, мы спросили Scat Crankshafts о материале бюджетных литых шатунов. Эти кривошипы отлиты из литой стали серии 9000 с пределом прочности на разрыв 105000 фунтов на квадратный дюйм и 6-процентным удлинением — довольно впечатляющие цифры для литой детали.
Кованые кривошипы также изготавливаются из широкого спектра материалов с разной степенью прочности. Заводской кованый кривошип обычно изготавливается из простой углеродистой стали, такой как 1053 или 1045. Эти стали имеют предел прочности на разрыв в диапазоне 110000 фунтов на квадратный дюйм, что по внешнему виду не кажется чем-то большим, чем у хорошего литого кривошипа. Но прочность на разрыв — это только часть картины. Кривошип из кованой стали имеет коэффициент удлинения 20-22% до выхода из строя, что намного больше, чем у чугуна, поэтому пластичность является реальным преимуществом кованого кривошипа перед чугунным.Из углеродистой стали марки OE материалы для кованых кривошипов поднимаются по шкале прочности, а хромистая сталь 5140 является следующей распространенной маркой с пределом прочности на разрыв 115 000 фунтов на квадратный дюйм. Далее в списке идут хромомолибденовые легированные стали, причем стали 4130/4140 обычно используются для коленчатых валов с более серьезными характеристиками, с пределом прочности на разрыв 120–125 000 фунтов на квадратный дюйм. Кривые шатуны из кованой стали премиум-класса изготавливаются из никель-хром-молибденового сплава 4340 с давлением около 140 000 фунтов на квадратный дюйм в диапазоне растяжения.
Кривошипы для заготовок Коленчатые валы для заготовок находятся на вершине шкалы высокопроизводительных коленчатых валов.Кривошип заготовки начинается с цельного куска прутка из высококачественной стали (обычно из материала 4340), а затем все, что не похоже на коленчатый вал, удаляется с помощью ряда процессов механической обработки. Преимущество заготовки прежде всего в зеренной структуре. Прокатный пруток, из которого формируется заготовка, имеет однородную продольную зернистую структуру. При ковке ходы кривошипа буквально ударяются, прижимаются и скручиваются в штампах, придавая металлу грубую форму кривошипа. Жестокость этого процесса отрицательно сказывается на зернистой структуре металла.В кривошипе для заготовки зернистая структура исходного стержня не искажается и остается более однородной и неповрежденной. Это делает конечный продукт более прочным, жестким и долговечным.
Посмотреть все 10 фотографий Изначально кривошипы представляют собой массивные бревна из высококачественной стали, из которых изготавливаются готовые коленчатые валы. Это трудоемкий и дорогостоящий процесс, но в результате получается кривошип с превосходной, стабильной линейной структурой зерна.Термическая обработка В то время как чугун упрочняется в процессе обработки, что устраняет необходимость в дополнительной термообработке после окончательной обработки, стальные кривошипы обычно слишком мягкие, чтобы обеспечить приемлемый срок службы шейки без какой-либо термической обработки для обеспечения долговечности. и износостойкость.Стальные коленчатые валы OEM чаще всего подвергаются индукционной закалке — процессу, при котором поверхность нагревается высокочастотным переменным магнитным полем, которое быстро генерирует тепло на поверхности кривошипа перед закалкой. Легкость и скорость этого процесса делают его излюбленным методом производства оригинальных комплектующих. Индукционная закалка приводит к довольно глубокому проникновению на 0,060-0,080 дюйма под поверхностью. Поскольку нагрев и охлаждение локализованы на поверхности, а нагрев и охлаждение неравномерно по разным поперечным сечениям, процесс вызывает напряжения в коленчатом валу.Индукционная закалка — это быстрый и экономичный процесс для высокопроизводительного производства, но это далеко не идеальная процедура для гоночного коленчатого вала.
Двумя другими обычно используемыми обработками для поверхностной закалки стальных кривошипов являются туфтридинг и азотирование. Сборка пучков — это процесс, применяемый некоторыми производителями оригинального оборудования для специальных высокопроизводительных шатунов, в первую очередь для того, чтобы избежать напряжений, возникающих при индукционной закалке. В Tuftriding кривошип погружен в горячие цианидные соединения, создавая прочную и прочную поверхность, улучшающую сопротивление усталости.Твердый слой в кривошипе Tufftrided обычно очень неглубокий и проникает всего в несколько тысячных дюйма. Одним из недостатков Tuftriding является возможность коробления кривошипа.
Азотирование — это процесс химического упрочнения, при котором деталь нагревается в печи, кислород откачивается и вводится химический газ, проникающий через всю поверхность. Глубина твердости зависит от времени, в течение которого деталь подвергается воздействию газа. Обычно азотированный кривошип имеет твердость по глубине около 0.010 дюймов. Азотирование — это процесс с низким нагревом по сравнению с Tuftriding, но он разделяет то преимущество, что избегает появления локализованных зон напряжения, как при индукционной закалке.
Важным моментом, который следует учитывать при восстановлении двигателя, является процесс закалки, используемый при изготовлении кривошипа. Литые кривошипы обычно можно переточить, не беспокоясь о дополнительном упрочнении поверхности. Заводской кованый кривошип с его глубокими шейками, закаленными индукционным нагревом, также можно просто разрезать на кривошипно-шлифовальном станке и бросить в него.Однако, если кривошип изначально был подвергнут туферированию или азотированию, переточка обязательно пройдет на всю глубину поверхности первого, а также, вероятно, второго. Эти кривошипы следует снова подвергнуть термообработке после обработки, чтобы восстановить требуемую твердость шейки.
Посмотреть все 10 фотоЗакругления шатунов Наиболее вероятным местом катастрофического отказа кривошипа является точка, в которой шейки соприкасаются со щеками кривошипа. Здесь правильная обработка кривошипа может фактически снизить концентрацию напряжений.Большинство оригинальных кривошипов изготавливаются с поднутрением радиуса скругления, когда угол шейки фактически срезан, оставляя закругленную канавку в этом критическом месте. Этот метод эффективен для снижения концентрации стресса, но это не самый надежный способ справиться с задачей.
Посмотреть все 10 фотоВ высокопроизводительных шатунах добавлен материал слева в углу, образуя радиус скругления. Галтель обеспечивает более прочный кривошип, чем радиус выточки, однако необходимо обеспечить надлежащий зазор в подшипниках, чтобы край подшипников не защемлял галтели и не заедал.В то время как стандартные заменяемые подшипники часто не имеют достаточной кромки фаски для кривошипа с радиусом галтеля, производители подшипников предлагают подшипники качения, предназначенные для самых популярных применений. Что нужно учитывать при создании гоночного двигателя с модернизированным шатуном.
Ход и ход поршня — это просто расстояние между осевыми линиями коренной шейки и шейки штока, умноженное на два. Самый быстрый способ сделать это — добавить руку. Хотите нарастить крутящий момент? Добавьте несколько приличных голов, чтобы накормить эти лишние сантиметры, и у вас в руках будет монстр.Шатуны Stroker существуют уже много лет, но никогда не имели таких опций, разнообразия и уровней цен, которые можно было бы увидеть сегодня. После того, как рынок запасных частей стал серьезно относиться к замене шатунов, версии с ходокерами стали естественным ответвлением, поскольку дополнительные затраты на инструмент и обработку были минимальными. В то время как двигатель стандартной конфигурации скрепляется болтами, как предполагалось на заводе, комбинации строкеров требуют немного больше науки.
Пакет кривошипно-стержневого механизма ходового механизма должен соответствовать имеющейся в блоке недвижимости, что часто требует очистки блока.Поскольку кривошип с ходом толкает поршень выше в канале ствола, требуется поршень с меньшей высотой сжатия (расстояние от центра пальца до поршневой платформы). Кривошип толкателя также толкает поршень дальше по отверстию, поэтому зазор между юбками поршня и противовесами кривошипа также является проблемой. Эти критерии уже должны быть изучены при покупке поршней, предназначенных для конкретной рассматриваемой комбинации ходов.
К другим факторам, которые необходимо решить с помощью регуляторов хода, относятся балансировка узла, что может потребовать изменения противовесов кривошипа; повышенная средняя скорость поршня при заданных оборотах; и, в некоторых конструкциях двигателей, предотвращение чрезмерной степени сжатия из-за дополнительного сжатия в камерах сгорания того же размера.Многие поставщики предлагают сбалансированные узлы строкера для популярных комбо двигателей, что делает сборку строкера почти такой же простой, как сборку стокера.
Посмотреть все 10 фотоЖизненный цикл кривошипа Может показаться, что кривошип, прошедший испытание Magnaflux на наличие трещин и переточенный цапфами, как новый, но это не обязательно так. Все металлы имеют конечную усталостную долговечность, что в основном означает, что кривошип можно нагружать и разгружать определенное количество раз, пока он не сломается. Сколько циклов длится деталь до разрушения, напрямую зависит от величины напряжения или нагрузки, которой она подвергается, даже если она намного ниже, чем предел прочности материала на растяжение.
Усталостная долговечность может быть практически неограниченной, если циклы нагрузки ниже критического уровня, называемого пределом выносливости. Для нас это означает, что тридцатилетний чудак с неизвестной историей — это авантюра в высокопроизводительном приложении. Например, если это стальной шатун Mopar 440 из дедушкиного Chrysler Newport, он, возможно, никогда не видел циклических нагрузок, которые заметно уменьшили бы его усталостную долговечность. С другой стороны, это могло быть из забитого азотом грязевого грузовика кузена Буббы, который уже был на грани отказа.Это не значит, что мы говорим вам что-то, чего вы здесь еще не знаете; Если деталь уже была выбита до чертиков, скорее всего, она вот-вот сломается.
По мере увеличения прочности материала обычно увеличивается усталостная долговечность и предел выносливости детали. Более качественные кривошипы прослужат дольше и выдержат больше злоупотреблений, прежде чем выйдут из строя — опять же, нетрудно, но это подтверждается металлургической наукой. Усталостное разрушение обычно начинает проявляться в виде мельчайших поверхностных трещин, которые перерастают в трещины под действием повторяющихся или изменяющихся напряжений.Такие процессы, как азотирование или дробеструйная обработка, подвергают внешнюю поверхность металла сжатой нагрузке, улучшая поверхностную прочность и увеличивая усталостную долговечность. Если двигатель рассчитан на серьезную мощность или высокие обороты, или для использования с закисью, нагнетателями или в гонках на выносливость, вы можете серьезно подумать о выборе кривошипа. Стандартная литая рукоятка может пережить некоторые героические числа после нескольких нажатий на динамометрическом стенде, но в долгосрочной перспективе экономия такого выбора может оказаться глупой экономией.
Crank Tech — Cast vs. Forged
слов: Ричард Холденер
Учитывая взаимосвязанную динамику двигателя внутреннего сгорания, может быть трудно выбрать один компонент как самый важный, но будьте уверены, ни один двигатель не будет работать без важнейшего коленчатого вала.
По правде говоря, верхняя тройка, а именно головки, кулачок и воздухозаборник, получает всю любовь, когда речь идет о производительности, но не менее важно то, что массивный кусок вращающегося металла похоронен глубоко внутри.
Сам факт, что мы ожидаем, что коленчатый вал весом 40, 50 или 60 фунтов (или более) будет вращаться 100 раз в секунду, означает, что компонент, по крайней мере, заслуживает нашего внимания (если не аплодисментов). От коленчатого вала ожидается так много, что мы подумали, что было бы неплохо более внимательно изучить различия между двумя наиболее популярными типами.
Мы также попросили Майка Маклафлина, технического консультанта Lunati, дать нам несколько рекомендаций о том, как он определяет, какой тип кривошипа нужен для данного двигателя.Всем известно, что кривошип из кованой стали прочнее литого, но информации гораздо больше, чем можно предположить из этого упрощенного представления.
Большинство энтузиастов, кажется, довольны своими знаниями о том, что кованый шатун превосходит литой, но знаете ли вы, что многие кованые шатуны различаются по процессу ковки, материалам, термообработке и процессу чистовой обработки?
Термин «кованый кривошип» стал почти общим, но различия могут быть столь же значительными, как и между литьем и самой ковкой.Для непосвященных два основных различия между литыми и коваными кривошипами включают материал и процесс формования.
Как следует из названия, литые кривошипы создаются путем заливки расплавленного материала (обычно чугуна) в форму для создания необработанной отливки. Преимущества этого процесса литья включают более низкую стоимость, недорогую оснастку и минимальную механическую обработку, необходимую для производства готового продукта. Учитывая список преимуществ, неудивительно, что подавляющее большинство заводских шатунов создаются с использованием этого процесса.
Кованые кривошипы, напротив, создаются путем помещения горячего куска прокатной стали между двумя формовочными штампами. Давление, создаваемое ковочным прессом, используется для придания катаной стали основной формы коленчатого вала.
В сочетании с подходящим материалом процесс ковки, очевидно, дает более прочный продукт, но ни процесс ковки, ни используемые материалы не являются универсальными. Большинство кованых кривошипов создается путем ковки штампов, которые производят кривошипы со всеми ходами в одной плоскости.Чтобы закончить кривошипы и индексировать ходы на требуемые 90 градусов, необработанные поковки фактически поворачивают (скручивают). Также возможно производить более прочные кованые кривошипы без перекручивания, но инструменты и конечный продукт являются более сложными и дорогими.
Последний, самый прочный (и самый дорогостоящий) процесс фактически начинается с круглого куска прутка (обычно 4340), а затем коленчатый вал обрабатывается на станке с ЧПУ из цельной заготовки. Как и сам процесс ковки, материал, выбранный для коленчатого вала, в конечном итоге влияет на прочность.Заводские кованые кривошипы обычно используют простую углеродистую сталь, но улучшенные материалы включают хром 5140, молибден 4130 и, наконец, хромоникелевый сплав 4340.
Единственным недостатком кованых кривошипов является необходимость термической обработки. Там, где шейки на чугунных кривошипах становятся упрочненными в процессе обработки, кривошипам из кованой стали не так повезло, и их необходимо подвергать термообработке после обработки.
Обычные методы термообработки кованых кривошипов включают индукционную закалку, прошивку и азотирование.Индукционная закалка основана на использовании высокочастотного магнитного поля для быстрого нагрева поверхности перед закалкой. Индукционная закалка, используемая большинством OEM-производителей для изготовления кованых кривошипов, дает преимущества в виде стоимости, скорости и глубокого проникновения в поверхность (что означает, что ее можно повторно обрабатывать без повторной термообработки). И при тундровании, и при азотировании поверхность упрочняется химическими соединениями. Процесс нитрирования включает погружение рукоятки в нагретый цианидный состав, в то время как процесс азотирования включает введение химического газа в нагретую печь.
После термообработки поковки обладают как превосходной прочностью на разрыв, так и улучшенным удлинением (по сути, величиной прогиба до разрушения). Что касается предела прочности на разрыв, литые кривошипы начинаются около 60000 фунтов на квадратный дюйм, но поковки могут более чем удвоить этот рейтинг до (до 125000 фунтов на квадратный дюйм).
Показатель удлинения заводских литых шатунов показывает, насколько они хрупкие. Рейтинг в 3 процента можно почти удвоить при использовании чугуна с шаровидным графитом, но даже он бледнеет по сравнению с рейтингом 20+, предлагаемым высококлассными коваными шатунами.
Последний кусок головоломки, который нужно рассмотреть, — это процесс отделки. Мы не будем углубляться в это, потому что здесь задействовано очень много факторов, но Маклафлин дал нам несколько вещей, которые следует учитывать.
«Процесс отделки похож на точную настройку», — отмечает он. «Даже если бы материалы и поковка были одинаковыми, существует множество различных факторов, которые отличают кривошипы для данной компании. Такие вещи, как качество изготовления, принятые допуски, используемая машина и даже сотрудник, выполняющий работу.Но некоторые общие вещи, на которые следует обратить внимание, — это различные способы сбривать вес, уменьшать ветер и поддерживать баланс ».
Хотя технические разговоры — это хорошо и хорошо, что все это значит для среднего потребителя? Когда в Интернете гудит возможность развивать мощность более 1000 л.с. с заводскими литыми шатунами, зачем кому-то тратить деньги на поковку?
Сила кривошипа — это гораздо больше, чем просто функция того, сколько он выживет за один прогон героя. Заводские шатуны были спроектированы производителями оригинального оборудования на срок службы 100 000 миль или более (буквально миллионы циклов), и этот срок службы зависит не только от прочности на разрыв или удлинения.Даже самый слабый из литых шатунов может выжить бесконечно долго при работе на более низких оборотах двигателя и более низких уровнях мощности.
Если вам трудно понять эту концепцию, подумайте, как далеко вы могли бы пройти медленным шагом по сравнению с бегом на полной скорости.
При работе на полной скорости и под нагрузкой срок службы коленчатого вала быстро сокращается, поэтому небольшой пробег мощностью 400 лошадиных сил на повседневной улице Camaro может хорошо работать с литым кривошипом, но тот же двигатель, что и прогулочный катер, будет работать. требуются кованые комплектующие.Время, проведенное при высокой нагрузке и об / мин, определяет потребность в кованой рукоятке в той же мере, что и пиковый уровень мощности.
Итак, если у вас мощный двигатель, то теперь вы знаете, что кованый кривошип — это то, что вам нужно для долговечности, но какой?
«У Lunati есть две линейки шатунов: Voodoo и Signature Series», — говорит Маклафлин. «Оба шатуна изготовлены из 4340 стальных поковок без перекручивания, поэтому большой разницы в этом нет. Разница заключается в термической обработке.
«Линия Voodoo подвергнута индукционной закалке, что сэкономит вам немного денег и отлично подходит для большинства приложений мощностью менее 1000 лошадиных сил.Если вы используете двигатель без наддува или что-то с умеренным наддувом (10 фунтов на квадратный дюйм или меньше), или очень небольшую дозу закиси азота, то ваш двигатель будет доволен более дешевой рукояткой Voodoo.
«Фирменная серия, напротив, подвергается термообработке нитридом. Он может справиться с более высокой мощностью и суровыми условиями, связанными с системами с высоким наддувом и тяжелыми азотными двигателями. Есть еще некоторые работы по процессу отделки для серии Signature, такие как крыло, сокращающее противовес, чтобы уменьшить парусность, а на шатунах Chevy с большими блоками мы центрируем их противовес для поддержания баланса.”
Ни одно обсуждение коленчатых валов не будет полным без рассмотрения кривошипов ходового механизма. Кривошипы Stroker — это просто кривошипы, оснащенные увеличенной длиной хода (расстояние, на которое поршни перемещаются от нижней части к верхней части отверстия). Маклафлин говорит, что большинство чудаков, выходящих из Лунати, поглаживаются.
Преимущество увеличения длины хода — увеличение рабочего объема, что способствует выработке энергии. Легче добиться мощности (и особенно крутящего момента) с увеличенным рабочим объемом.Разница между малым блоком 350 и строкером 383 может составлять 50–60 фунт-футов. крутящего момента, и, что лучше всего, эта дополнительная мощность прибывает на каждые обороты. Иметь дополнительные 40–50 лошадиных сил на красной линии — это хорошо, но иметь и дополнительные 50–60 фунт-футов. снижение крутящего момента при 3000 об / мин еще более полезно, и это то, чем можно наслаждаться каждый день, не опасаясь вызвать гнев парней в синем.
Лучше всего то, что если вы хотите купить кривошип, дополнительный ход (и сопутствующее увеличение мощности) не стоит ни цента, так как кривошип 350, литый или кованый, обычно стоит столько же, сколько и 383 ( Эквивалент Форда будет 302 против 347).
Источник
Lunati
lunatipower.com
Crankshaft Tech сколько выдержит ваш шатун?
Послепродажные коленчатые валы
Всякий раз, когда речь идет о технике коленчатого вала, нас часто спрашивают: «Сколько выдержит мой шатун?». Это один из тех вопросов, на который очень сложно дать точный и быстрый ответ. Есть так много переменных. Возьмите материалы для шатунов. Большинство V-8 с малым блоком идут с завода с чугунными коленчатыми валами.Большие блоки обычно имеют кованые кривошипы, которые прочнее, чем их литые аналоги. Но бывают исключения. Возможно, импортные шатуны были коваными, Toyota Supra отличалась очень прочной кованой нижней частью. Итак, от машины к машине есть различия. Но мы можем дать некоторые общие рекомендации. Прежде чем мы это сделаем, имейте в виду, что большая часть повреждений кривошипа связана с недостатками в блоке. Если основные крышки сдвинутся, кривошип будет поврежден. Откровенные отказы кривошипа (к счастью) редки и обычно возникают при использовании стандартного литого шатуна.Даже хорошие кованые кривошипы могут выйти из строя из-за нагрузки, возникающей при установке нагнетателя с высоким наддувом. Это одно из обстоятельств, при которых хороший кованый кривошип очень выгоден.
Некоторые другие обобщения, о которых следует помнить, заключаются в том, что обороты, а также л.с. увеличивают нагрузку на кривошип. Также не последнюю роль играет пробег. Накопленная со временем усталость убивает детали. Так что не надейтесь добавить систему закиси азота в колотушку на 120 000 миль и получить такую же долговечность, как и на свежем двигателе.И в любом случае вы не получите стандартного уровня надежности OEM от приложения для повышения производительности, независимо от того, какие детали выбраны и насколько тщательна сборка и настройка.
Рекомендации
Стандартный чугунный кривошип: они обычно подходят для увеличения мощности до 50% по сравнению со штатным. Другими словами, если базовый двигатель выдает ~ 300 л.с., можно использовать воздуходувку или установку SC общей мощностью до 450 л.с. с разумным ожиданием надежности.
Заводской кованый кривошип: они должны быть достаточными для увеличения мощности на 75% -100% по сравнению с заводским.
Увеличение мощности более чем на 75–100% потребует использования высококачественного стального кривошипа из кованой стали. Отличные, качественные отечественные шатуны включают Callies, Lunati, TFS и другие. Если вы подумываете об импорте, нам повезло с брендом Eagle в умеренном ценовом диапазоне. У Scat есть импортные товары на нижнем уровне своей линейки, и это еще один бренд с хорошей репутацией, хотя у нас меньше опыта работы с ними. Линия Callies «Compstar» состоит из китайских необработанных поковок, которые обрабатываются и проверяются в США и являются хорошим компромиссом между неоспоримым качеством и ценой, соответствующей хорошим отечественным товарам, и более низкой стоимостью, но более низким качеством импортной продукции.
Следует иметь в виду, что заводные шатуны зачастую лучше, чем дешевые запчасти для вторичного рынка. Если у вас есть хорошая заводская рукоятка, лучше оставить ее себе, если бюджет покрывает только недорогую послепродажную деталь.
Чтобы узнать о поршнях для двигателей нагнетателя, щелкните здесь.
Материалы коленчатого вала
…
Материалы коленчатого вала должны быть легко обработаны, подвергнуты механической обработке и термообработке, и должны иметь соответствующую прочность, ударную вязкость, твердость и высокую усталостную прочность.Коленчатый вал изготавливается из стали методом ковки или литья. Вкладыши коренного подшипника и шатунного подшипника изготовлены из баббита, сплава олова и свинца. Кованые коленчатые валы прочнее литых, но стоят дороже. Кованые коленчатые валы изготавливаются из стали марки SAE 1045 или аналогичной. Поковка позволяет получить очень плотный и прочный вал с зерном, идущим параллельно направлению главного напряжения. Коленчатые валы отливаются из стали, модульного чугуна или ковкого чугуна. Основное преимущество процесса литья состоит в том, что материал коленчатого вала и затраты на обработку снижаются, поскольку коленчатый вал может быть изготовлен близко к требуемой форме и размеру, включая противовесы.Литые коленчатые валы могут выдерживать нагрузки со всех сторон, поскольку структура металлического зерна однородна и случайна по всей длине. Противовесы на литых коленчатых валах немного больше, чем противовесы на кованых коленчатых валах, потому что литой металл менее плотный и, следовательно, несколько легче.
Обычно автомобильные коленчатые валы в прошлом выковывались, чтобы иметь все желаемые свойства. Однако с развитием чугуна с шаровидным графитом и усовершенствованием технологий литейного производства, теперь предпочтение отдается литым коленчатым валам при умеренных нагрузках.Кованые валы предпочтительны только для тяжелых условий эксплуатации. Выбор материалов коленчатого вала и термообработки для различных применений заключается в следующем.
(i) Марганцево-молибденовая сталь.
Это относительно дешевая кованая сталь, которая используется для коленчатых валов бензиновых двигателей средней мощности. Этот сплав состоит из 0,38% углерода, 1,5% марганца, 0,3% молибдена и остального железа. Сталь подвергается термообработке закалкой в масле от температуры 1123 К с последующим отпуском при 973 К, что обеспечивает твердость поверхности около 250 по числу Бринелля.Благодаря такой твердости поверхности вал подходит как для подшипников с оловянно-алюминиевым, так и свинцово-медным покрытием.
(ii) 1% хромомолибденовая сталь.
Эта ковочная сталь используется для изготовления коленчатых валов бензиновых и дизельных двигателей, работающих в средне- и тяжелых условиях. В состав этого сплава входят 0,4% углерода, 1,2% хрома, 0,3% молибдена и остальное железо. Сталь подвергается термообработке путем закалки в масле при температуре 1123 К с последующим отпуском при 953 К. Это обеспечивает твердость поверхности около 280 по числу Бринелля.Для использования более твердых подшипников шейки могут быть подвергнуты термической или индукционной поверхностной закалке до числа Бринелля 480. Для очень тяжелых условий эксплуатации процесс азотирования позволяет получить поверхность с числом алмазной пирамиды 700 (DPN). Эти опорные поверхности подходят для всех подшипников с оловянно-алюминиевым и бронзовым покрытием.
(iii) 2,5% никель-хром-молибденовая сталь.
Эта сталь используется в тяжелых дизельных двигателях. Состав этого сплава — 0,31% углерода, 2,5% никеля, 0.65% хрома, 0,55% молибдена и остальное железо. Сталь сначала подвергают термообработке закалкой в масле от температуры 1003 К, а затем отпускают при подходящей температуре, не превышающей 933 К. Это обеспечивает твердость поверхности в районе числа Бринелля 300. Эта сталь немного дороже марганцево-молибденовых и хромомолибденовых сталей, но имеет улучшенные механические свойства.
(iv) Сталь с 3% -ным хромомолибденом или 1,5% -хром-алюминием-модибденом.
Эти кованые стали используются для коленчатых валов дизельных двигателей, пригодных для подшипников из твердых материалов с высокой усталостной прочностью.Легирующие композиции включают 0,15% углерода, 3% хрома и 0,5% молибдена или 0,3% углерода, 1,5% хрома, 1,1% алюминия и 0,2% молибдена. Первоначальной термообработкой для обеих сталей является закалка в масле и отпуск при 1193 К и 883 К или 1163 К и 963 К соответственно для двух сталей. Валы закалены азотированием, так что азот поглощается их поверхностными слоями. Если азотирование выполняется хорошо в галтелях шейки, усталостная прочность этих валов увеличивается как минимум на 30% по сравнению с валами с индукционной закалкой и валами с закалкой поверхности пламенем.Сталь с 3% -ным содержанием хрома имеет относительно прочную поверхность и твердость от 800 до 900 DPN. С другой стороны, кожух из стали с содержанием 1,5% хрома имеет тенденцию быть немного более хрупким, но имеет повышенную твердость порядка 1050 — 1100 DPN.
(v) Чугуны с шаровидным графитом.
Эти чугуны также известны как чугуны со спероидальным графитом или ковкие чугуны. Эти серые чугуны содержат от 3 до 4% углерода и от 1,8 до 2,8% кремния, а узелки графита диспергированы в перлитной матрице вместо образования поддельного графита.Для достижения этой структуры в расплав добавляют около 0,02% остаточного церия или 0,05% остаточного ниагния, или даже то и другое, благодаря чему сера удаляется и в литом материале образуется множество небольших сфероидов. Поверхностная твердость литого чугуна с шаровидным графитом выше, чем у стали аналогичной прочности, их соответствующие твердости составляют от 250 до 300 и от 200 до 250 по числу Бринелля. Пламенная или индукционная закалка позволяет получить поверхность с числами Бринелля от 550 до 580, а также при необходимости может быть применено азотирование.
Чугун с шаровидным графитом обладает преимуществами серого чугуна (то есть низкой температурой плавления, хорошей текучестью и литьем, отличной обрабатываемостью и износостойкостью), а также механическими свойствами стали (а именно относительно высокой прочностью, твердостью, ударной вязкостью). , удобоукладываемость и закаливаемость). В настоящее время большое количество коленчатых валов как для бензиновых, так и для дизельных двигателей изготавливается из чугуна с шаровидным графитом, а не из более дорогой кованой дорогой кованой стали. Для поддержания несколько более низкой ударной вязкости и усталостной прочности этих чугунов используются более крупные сечения и максимальное количество основных шеек.
Термическая обработка.
(a) Пламенное и индукционное поверхностное упрочнение.
Это методы поверхностного упрочнения стали с содержанием углерода от 0,3 до 0,5% без использования специальных соединений или газов. Основной принцип — быстрое нагревание поверхности с последующей закалкой только водой. Поскольку он нагревается локально, а не нагревает всю массу, упрочнение значительно снижается, и исключается деформация цапфы.
Закалка в пламени осуществляется кислородно-ацетиленовым пламенем при температуре поверхностного слоя от 993 до 1173 К.Температура поверхности зависит от эквивалента содержания углерода различных легирующих элементов в стали. За процессом нагрева следует закалка в воде. Поскольку фактический период нагрева и охлаждения имеет решающее значение, он задается заранее и в большинстве случаев регулируется автоматически.
Индукционная закалка осуществляется путем электрического наведения тепла на закалываемую поверхность. В этом случае исключается опасность перегрева или ожога поверхности металла, как при закалке пламенем.Индукционная катушка окружает цапфу и пропускает ток высокой частоты. Это вызывает циркулирующие вихревые токи на поверхности шейки, в результате чего ее температура повышается, и тепло в основном ограничивается внешней поверхностью шейки. В этом процессе, чем выше частота тока, тем ближе тепло к коже. При достижении необходимой температуры ток автоматически отключается, а поверхность одновременно гасится струей воды, которая проходит через отверстия в индукционном блоке.
(b) Азотирование. Процесс поверхностного упрочнения.
В этом процессе цапфы нагреваются до 773 К в течение заданного времени в атмосфере газообразного аммиака, так что азот в газе абсорбируется поверхностным слоем. Легирующие элементы, такие как хром, алюминий и молибден, присутствующие в стали, из твердых нитридов. Нитриды алюминия образуют очень твердый неглубокий футляр. Нитриды хрома диффундируют на большую глубину, чем нитриды алюминия. Молибден увеличивает прокаливаемость, дает измельчение зерна и улучшает ударную вязкость сердечника.
В этом процессе можно напрямую отшлифовать цапфы до их окончательного размера, так как после азотирования не происходит закалки, что позволяет избежать деформации в отличие от других процессов поверхностного упрочнения. Низкая скорость проникновения через поверхность увеличивает стоимость процесса, например, для изготовления корпуса глубиной около 0,2 мм требуется 20 часов.
(c) Процесс карбонитрирования. Поверхностное упрочнение.
Tufftride ’- это самый известный процесс карбонитрирования в соляной ванне. Коленчатый вал погружается в ванну с расплавом солей с температурой около 853 К на относительно короткое время цикла, составляющее два-три часа.При этом углерод и азот отделяются от солей и диффундируют на поверхность. Поскольку азот более растворим в железе, чем углерод, он диффундирует дальше в материал. На поверхности образуются твердые карбиды железа и вязкие нитриды железа, в результате чего значительно повышается устойчивость к износу, истиранию (отслаиванию поверхности), заеданию и коррозии.
В зависимости от используемой стали этот внешний слой имеет глубину заклинивания от 6 до 16 с твердостью от 400 до 1200 DPN. Под этим внешним слоем избыточный азот переходит в твердый раствор с железом, благодаря которому он укрепляется.Эта внутренняя диффузионная зона образует барьер, предотвращающий распространение трещин, ведущих к усталостному разрушению.
Эта поверхностно-упрочняющая обработка, также известная как мягкое азотирование МАХОВИКА, становится все более популярной как для сталей, так и для чугунов, и ожидается, что она заменит другие более дорогие процессы для компонентов с использованием простых углеродистых сталей, требующих твердости поверхности и коррозионной стойкости. Этот процесс намного быстрее и дешевле и дает свойства, аналогичные азотированию, но глубина твердости обычно меньше, что может быть проблемой, если вал должен быть переточен.
Полезные советы по выбору правильного коленчатого вала
Производители двигателей часто вынуждены выбирать коленчатые валы исключительно на основе ожидаемой выходной мощности двигателя, или, по крайней мере, это часто оптимистичное число имеет наибольший вес в процессе принятия решения. Но смекалистые строители — будь то сборка честного уличного двигателя, негодяйского воина на выходных или дикой гоночной пули — осознают важность анализа других факторов, прежде чем выбирать между чугуном, кованой сталью или стальной заготовкой.
Вот поковка коленчатого вала, которая все еще светится после придания формы горячему стальному слитку. Обратите внимание на остатки широкого разделительного материала, которые необходимо удалить. Фотография ThyssenKrupp AG
Когда дело доходит до гоночных двигателей и сверх-уличных характеристик, выбор коленчатого вала обычно сводится к выбору между коваными материалами и материалами заготовок; большая часть этой истории будет сосредоточена на этом решении. Однако литые кривошипы заслуживают обсуждения просто потому, что больше производителей двигателей будут выбирать между литыми или коваными, чем те, кто должен выбирать между коваными или заготовками.В любом случае совет специалиста всегда будет полезен.
«Единственный реальный фактор — это предназначение автомобиля», — говорит Алан Дэвис из Eagle Specialty Products.
«Есть много факторов», — добавляет Кирк Петерс из Lunati. (См. Видео ниже о производстве коленчатых валов Lunati) «Вес автомобилей, время, проведенное на максимальных оборотах, и продолжительность циклов нагрева».
«Первое, что вы спрашиваете, — для чего вы хотите использовать кривошип», — резюмирует Том Либ из Scat Crankshafts. «Затем вы спрашиваете, сколько денег вы хотите потратить.”
Уровни мощности помогают решить
Поставщики шатунов на вторичном рынке могут указывать максимальные предполагаемые или предлагаемые значения мощности в лошадиных силах вместе со спецификациями кривошипа для литых или кованых моделей. Они являются хорошей отправной точкой для обсуждения с техническим представителем компании, поскольку большинство владельцев хорошо знают предполагаемую мощность своего двигателя. Но, опять же, проявляйте осмотрительность, предоставляйте точную информацию о двигателе и транспортном средстве в дополнение к заданию множества вопросов.
Современная технология коленчатого вала может применяться в старинных коллекционных двигателях. Вот кованый шатун 4340 для двигателей Model A и Model T.
«Например, мы рекомендуем наши литые шатуны с малым блоком для использования мощностью до 500 лошадиных сил. Это не значит, что если вы сделаете 501 лошадиную силу, все взорвется », — объясняет Дэвис. «Это также не означает, что в любом приложении, пока вы производите менее 500 лошадиных сил, все в порядке. Я бы не стал использовать литой кривошип в двигателе нагнетателя — даже если он имеет мощность менее 500 лошадиных сил, из-за нагрузки, которую система ремня нагнетателя оказывает на носик кривошипа.”
Чугунные коленчатые валы отлично подходят для большинства уличных работ, особенно при реставрации. Фактически, большинство коленчатых валов OEM изготавливаются из чугуна с шаровидным графитом или литой стали, поэтому в методе изготовления есть мера долговечности и прочности. Кроме того, многие организации, санкционирующие гонки, требуют литые шатуны для снижения затрат.
Процесс литья в основном ограничен определенными сплавами чугуна или низкосортной стали. Другими словами, при использовании высококачественной стали в отливку становится все меньше.
Некоторым органам, санкционирующим гонку, требуются литые кривошипы, другие допускают заготовку. У этого шатуна Chevy с малым блоком Eagle нет отверстий для освещения, согласно правилам. Кривошип Eagle billet справа, однако, предназначен для младшего драгстера и может быть заказан как с маленькими, так и с большими цапфами.
Вот необработанная поковка коленвала Lunati слева. Обратите внимание на широкий пробор. Вы можете увидеть, сколько машинной работы необходимо, чтобы закончить кривошип. Литой кривошип, показанный справа, выходит из формы намного ближе к окончательным размерам и требует меньше механической обработки для получения готового продукта.Этот кривошип предназначен для нового двигателя грузовика GM. Также обратите внимание на узкую линию разделения, которая помогает отличить отливку от поковки.
«Вся цель предложения литого кривошипа — это дешевая альтернатива стандартной детали», — говорит Дэвис. «Когда вы начинаете использовать высококачественные стали, такие как 4130, 4140, 4340, и более дорогие производственные процессы, вы убираете шатуны с целевого рынка».
«Ключом к созданию литого кривошипа является термообработка. Отливки требуют иного типа термической обработки, чем поковка », — говорит Либ, добавляя, что покупка бывших в употреблении литых кривошипов представляет собой отдельный набор предупреждений.(Посмотрите видео ниже, чтобы увидеть, как изготавливаются коленчатые валы Scat) «Ищите торговую марку. В нижней части спектра литые шатуны производятся в Китае десятками производителей, но заслуживают доверия лишь немногие ».
Сначала посмотрите поковки
Большинство производителей двигателей с высокими характеристиками сегодня обращают внимание на кованые коленчатые валы, основываясь на хорошей репутации на трассе и повышенных проверках на двигателях OEM. Кроме того, поковки послепродажного обслуживания теперь покрывают более широкий круг рынка двигателей, а цены на них стали более конкурентоспособными.Переход на более дорогой коленчатый вал с заготовкой зависит от множества факторов, которые обычно связаны с сложной конструкцией и более дорогими материалами.
Примеры кривошипов для заготовок от Callies, предназначенных для специального применения. Сверху — кривошип для двигателя RoushYates RY45, а нижний — для двигателей спринтерских автомобилей 410 и 360. Оба имеют поверхностную обработку Callies Aeroshed.
«Поковки всегда должны быть в первую очередь при поиске коленчатого вала на вторичном рынке», — советует Грег Хилл, инженер-технолог Callies Performance Products.
«Процесс запрессовки стального стержня в грубую форму коленчатого вала придает поковке превосходную зернистую структуру и текучесть, что увеличивает прочность. Для перехода к заготовке обычно требуется более прочный материал и геометрия, выходящая за рамки стандартной формы поковки ».
Как отмечалось выше, любое обсуждение выбора коленчатого вала будет включать в себя обсуждение различий в прочности между поковкой и заготовкой.
В отрасли нет консенсуса, но производители будут приводить веские аргументы в пользу многих точек зрения.
Плавный радиус между цапфой и противовесом, обычно называемый галтелем, важен, поскольку эта область находится под значительным напряжением, а плавный переход может минимизировать вероятность возникновения трещин или образования центров напряжения.
«Поковка не такая прочная, как заготовка», — говорит Либ. «Категорически зернистость поковки такова, что она не такая прочная».
«Заготовки не имеют ограничений и изготавливаются по индивидуальному заказу. Поковки возможны только в том случае, если нужно производить очень большое количество », — возражает Дэвис.«При прочих равных условиях кованый кривошип будет прочнее, чем кривошип из заготовки».
«Недостатком поковок для вторичного рынка является то, что они предназначены для широкого диапазона ходов», — говорит Сонни Брайант, основатель и владелец Bryant Racing Crankshafts. «Большинство людей в прошлые годы думали, что есть преимущество из-за потока зерна, но на самом деле нет потока зерна при поковке, потому что вы сокращаете все это, выполняя либо более короткий ход, либо более длинный ход [по сравнению с прессованной поковкой]».
Слева направо показаны этапы производства коленчатого вала из заготовки: стальные заготовки, например, от компании Marine Crankshaft, поступают от поставщика из стали требуемой марки.Заготовки с грубой обработкой, показанные на заводе Callies, ждут более подробной работы, показанной справа на заводе Bryant.
Фактор усталости
Во всяком случае, оживленные дебаты о различиях в силе в основном одобрили оба стиля коленчатого вала для двигателей с высокими рабочими характеристиками, и не существует формулы или рекомендаций, установленных в камне для выбора одного из них, — конечно, без использования уровней мощности в качестве решающего фактора. Двигатель NASCAR мощностью 900 лошадиных сил будет работать с кривошипом заготовки из-за сложных конструктивных требований и жестких требований к выносливости; в то время как BBC мощностью 1500 лошадиных сил в драгстере Comp удобен с готовой кованой рукояткой.Ключом к правильному выбору является понимание требований к коленчатому валу для конкретного применения.
Вот вырез из кованого коленчатого вала, любезно предоставленный Callies, который ясно показывает движение зерна.
«Фактор усталости — один из первых факторов, который определяет, какой тип кривошипа», — объясняет Либ. «Шатун постоянно изгибается. Если вы используете двигатель NASCAR на 500 миль, ковка не продержится долго. У него нет такой усталостной долговечности, как у заготовки. Если у вас есть автомобиль Comp, жизнь на выносливость — это любой уик-энд.Совершенно другая ситуация. Но когда вы входите в Top Fuel и запускаете воздуходувку и закачиваете в нее нитро, тогда вы говорите об усталостной долговечности от воздействия давления сгорания. В такой ситуации нужно много злоупотреблений, и кованый шатун никуда не денется ».
«Сценарий NASCAR является прекрасным примером необходимости заготовок», — добавляет Хилл. (Обратите внимание на видео ниже, в котором демонстрируется обработка кривошипа заготовки в Callies.) «Их разработка двигателей постоянно развивается, и необходимые изменения штампа или материала для поковки, чтобы приспособиться к этим изменениям, нереальны с точки зрения времени или финансов.”
Производители послепродажного обслуживания обычно закупают необработанные поковки из Китая, а затем выполняют всю обработку в своих цехах в США, чтобы обеспечить контроль качества и предложить индивидуальные особенности. Некоторые компании, такие как Callies, которые предоставили эту фотографию, также поставляют необработанные поковки из Японии и Кентукки, в зависимости от модели кривошипа. Термическая обработка осуществляется либо на ближайшем специализированном предприятии, либо на собственном предприятии, в зависимости от производителя. Некоторые производители коленчатых валов могут поручить поставщику поковок выполнять всю механическую обработку и термообработку под их руководством.
Самым заметным отличием поковки от заготовки является расположение производственных мощностей. В то время как большинство коленчатых валов, используемых в OEM-двигателях, производимых в Северной Америке, отливаются или кованы в США, значительное количество литых и кованых коленчатых валов послепродажного обслуживания начинается в Китае, хотя некоторые компании, такие как Callies, также будут закупать необработанные поковки из Японии и на местном уровне в Китае. Соединенные штаты. Но в отличие от импорта из Китая в начале 90-х годов, который был быстро отвергнут из-за ужасающего качества и долговечности, современные кривошипы выковываются или отливаются на нескольких литейных заводах с превосходными производственными стандартами и доступом к качественной стали.
Различия в предложениях на вторичном рынке заключаются в выборе материалов, дизайне, механической обработке, термообработке и других отделочных работах, большая часть которых выполняется некоторыми компаниями в США. Другие предпочитают, чтобы поставщик занимался готовой продукцией, но под их строгим надзором и соблюдением стандартов контроля качества. Нет никаких преимуществ в закупке заготовок для производства коленчатых валов в Китае, поскольку они в основном представляют собой разовые нестандартные модели, а затраты на доставку и задержки сведут на нет любые затраты на рабочую силу или материалы.
4340 как шоколад
В процессе ковки кусок стального проката нагревают до состояния, близкого к расплавленному, помещают в матрицу, а затем растирают в форме коленчатого вала с помощью тяжелого пресса. По сравнению с литым кривошипом для чистовой обработки кованого кривошипа требуется значительно больше механической обработки. При обсуждении кривошипов часто всплывают термины ковка с закруткой и без скручивания. Если посмотреть на типичный кривошип V8, ходы расположены под углом 90 градусов друг к другу.В методе скручивания поковка кривошипа повторно нагревается и скручивается, чтобы сформировать каждый ход. Тем не менее, современная оснастка почти полностью избавила от скрученных поковок на вторичном рынке, и все качественные коленчатые валы производятся без скручивания.
Вот пример кованого кривошипа и его матрицы. Обратите внимание, что изначально он был выкован в виде плоского кривошипа, а затем скручен в его окончательную форму. Эта экспозиция находится в Промышленном музее острова Келхэм и показывает кривошип для двигателя Rolls-Royce Merlin.
Самые популярные послепродажные кованые кривошипы изготовлены из стали 4340. При выборе коленчатого вала не нужно проходить полный урок металлургии. Часто у вас нет выбора от производителя. Сталь — это просто железо, смешанное с несколькими легирующими элементами, такими как углерод, хром, марганец, никель и кремний. Чтобы идентифицировать различные сплавы, инженеры и профессиональные организации, такие как SAE и AISI, приняли 4-значную систему классификации стали. Углеродистые стали — это сплавы, состоящие в основном из железа и углерода, а также небольшого количества марганца и кремния.Следы серы и фосфора также могут быть включены в формулу. Большинство заводских шатунов изготавливаются из углеродистой стали, такой как 1010, 1045 и 1053.
«Первые два числа обозначают первичные и вторичные легирующие элементы», — поясняет Дэвис. «1010 содержит 0,10% углерода, 1045 — 0,45% и так далее. Свойства этих сталей очень похожи, и они очень недорогие из-за отсутствия сложности ».
Коленчатые валы в Callies (слева) и Bryant Racing на средней стадии производства.
Более сложные формулы, используемые при производстве коленчатых валов, включают 5140, 4130 и ранее упомянутый 4340. 5140 добавляет хром в смесь, поэтому его часто называют хромистой сталью. Для справки, сталь 4130 (а также 4140 — разница, конечно, в количестве углерода) более известна как хромомолибденовая сталь и содержит углерод, хром и молибден. После добавления никеля в смесь получается сталь 4340.
«С таким же успехом это может быть золото из-за того, что оно влияет на стоимость, но это очень важно», — говорит Дэвис.«Сталь 4340 легирована никелем от 1,65 до 2,00 процентов. Из-за добавления в сплав никеля наблюдается удивительный скачок прочности и стоимости ».
«4340 — это общий термин для легированной стали», — добавляет Либ. «Это как шоколад, какой тебе нравится: немецкий, белый, датский?» В семействе 4340 разница между всеми сплавами, вероятно, составляет от 10 до 15 процентов. Ключевым моментом является проектирование термообработки на основе сплава ».
Посмотрите, как Каллис проверяет усталость своих коленчатых валов
Нагрев рукоятки
Также обратите внимание, что некоторые производители кривошипов могут указывать состав стали, начиная с EN, например EN24, EN30 или EN40.Это европейские классификации, относящиеся к легированным сталям. Например, EN40 аналогичен SAE 4340.
Основы термической обработки
Термообработка коленчатых валов состоит из трех этапов:
- После черновой обработки кривошипы обжигаются до температуры более 1000 градусов по Фаренгейту, затем быстро охлаждаются или закаливаются в воде, масле или каком-либо закалочном растворе для полимеров.
- Теперь кривошипы стали более прочными, но менее пластичными и устойчивыми к ударам. Снятие напряжения или отпуск включает в себя повторный нагрев рукоятки до умеренной температуры от 600 до 700 градусов по Фаренгейту, затем процесс охлаждения регулируется в соответствии со свойствами стали.
- Последний этап после всей обработки — закалка шейки, обычно с помощью процесса, называемого азотированием. Это включает в себя нагрев рукоятки в печи с закрытой камерой и введение газообразного аммиака и азота, который вступает в реакцию с углеродом на поверхности металла и затвердевает примерно на 0,010 дюйма в глубину. Утверждается, что азотирование в основном удваивает твердость поверхности шейки.
«Дополнительный никель увеличивает кратковременную долговечность», — говорит Брайант. «У них не так много циклов. По большей части материалы близки. Оба состоят из углерода 30 и закалены почти на одном уровне ».
Термическая обработка — еще одна тема коленчатого вала, требующая внимания. Однако, опять же, такие особенности, как температура и методы закалки, редко будут входить в типичное решение производителя двигателя при выборе коленчатого вала.Производитель уже определит надлежащую термообработку не только на основе опыта, но и в тесном сотрудничестве с поставщиками металла, которые имеют опытных металлургов и лаборатории для определения особенностей термообработки. Большинство компаний, выпускающих послепродажное обслуживание коленчатых валов в США, либо имеют собственное производство по термообработке, либо отправляют их на ферму на ближайший завод, где можно соблюдать меры контроля качества.
«Когда мы сами проводим термообработку, мы эффективно проверяем коленчатые валы», — говорит Либ.«Потому что, если с металлом что-то не так, кривошипы вернутся с трещинами, деформацией или вздутием. Что-то случится с кривошипом, и мы это заметим ».
Некоторые цеха также подвергают кривошипы криогенной обработке или быстрому охлаждению до температуры около -300 градусов по Фаренгейту сразу после первой термообработки. Криоэтап помогает завершить процесс закалки и сделать сталь более плотной.
Bryant выполняет все работы с коленчатым валом собственными силами, включая криогенную обработку (слева) и азотирование.
Соображения по конструкции противовеса
Хотя производители двигателей редко имеют право голоса в процессе ковки или термообработки коленчатого вала, у них есть выбор, когда речь идет о конструкции противовеса и весе коленчатого вала. Именно здесь важна тщательная консультация с представителем производителя для обеспечения правильного выбора для конкретного приложения.
Вот примеры обрезки передней кромки противовеса, популярной конструкции 20 лет назад.Современные тенденции склоняются к округлому профилю. Спасибо компании Marine Crankshaft за доступ к большому выбору кривошипов в ее магазине.
«Конструкция противовеса — это компромисс», — объясняет Брайант. «Есть два основных пункта: простота балансировки и правильная нагрузка на главный подшипник. Одно не обязательно следует за другим ».
Нагрузка на коренной подшипник рассчитывается путем моделирования, но иногда правильный вес создает нагрузку на весы.
«Вам не нужна правильная нагрузка на главный подшипник, а для кривошипа нужно 10 штучных стержней», — говорит Брайант.«Вы хотите изменить противовесы, чтобы уменьшить их размер и по-прежнему правильно работать в приложении».
«Форма противовеса — это своего рода компромисс между расположением, формой, несущей нагрузкой и балансом», — повторяет Хилл. «В идеале противовес должен располагаться прямо напротив шейки с веером на 180 градусов, переходя по касательной в сторону цапфы с радиусом 1000 дюймов или больше. По мере увеличения ходов балансировка становится более важной в форме и расположении противовеса.”
Эти коленчатые валы Bryant Racing демонстрируют разнообразие конструкций противовесов, доступных для удовлетворения различных потребностей.
Callies недавно завершила двухлетний проект по модернизации шарнирного рычага LSX и противовеса, снизив потребность в тяжелых металлах на 50 процентов. В результате общий вес рукоятки уменьшился.
«Успех этого типа проекта стал возможен благодаря правильному сбору данных, программе, написанной внутри компании для анализа данных баланса на основе наших твердотельных моделей, и использованию нашего программного обеспечения для расчета конечных результатов», — говорит Хилл.«После внедрения этой системы для LSX мы смогли улучшить остальные семейства двигателей с гораздо более короткими затратами времени».
Большинство поставщиков кривошипов предлагают балансировку в качестве опции, независимо от того, приобретен ли полностью вращающийся узел или нет. Заказчик просто должен предоставить точные значения веса боба. И большинство поставщиков кривошипов согласны с тем, что кривошипы с внутренней балансировкой лучше, чем с внешне сбалансированными шатунами.
Переосмысление облегченных коленчатых валов
Вот шатун Callies Magnum сверху для малолитражки Ford и Magnum XL снизу.Обратите внимание на форму противовесов XL, уменьшающую вес и парусность. Также облегчены шейки шатунов.
Снижение веса — еще одно соображение относительно коленчатого вала, которое подверглось критическому анализу только за последние несколько лет. Расхожее мнение обещало, что более легкий коленчатый вал будет быстрее вращаться. Но так же, как конструкция клапанного механизма перешла на более тяжелые, но более прочные толкатели, аналогичный сдвиг происходит и в кривошипно-шатунном цеху.
«За прошедшие годы мы узнали, что жесткость намного важнее веса», — говорит Брайант.«Вероятно, менее пяти процентов производимых нами шатунов имеют заданный вес, который необходимо поразить. Так было не всегда. Пятнадцать лет назад мы прилагали согласованные усилия по снижению веса, потому что думали, что в этом что-то есть. Но когда дым рассеялся, вам было лучше иметь жесткость, чтобы увеличить мощность и чувствовать себя счастливее в блоке двигателя, чем то, что, по мнению водителя, было быстрее, потому что оно быстрее набирало обороты.
«Сейчас у ведущих производителей двигателей тенденция состоит в том, что жестче лучше, чем легче», — продолжает Брайант.«Когда вы делаете кривошип жестче, вы увеличиваете прочность».
Обратите внимание на маятниковые вырезы на внутренней поверхности противовеса этого коленчатого вала Scat. Это помогает снизить вес без ущерба для силы.
Один из последних вариантов выбора кривошипа у производителей двигателей — это размер шейки. Самые популярные приложения будут предлагать большие и маленькие журналы, в зависимости от потребностей клиента, и у каждого из них есть свои плюсы и минусы.
«Это площадь трения в зависимости от силы», — объясняет Петерс.«Когда шейка стержня сокращается, площадь трения уменьшается. Но поперечное сечение между шейкой шатуна и сетью было уменьшено, что снижает прочность коленчатого вала ».
«Вы должны учитывать поперечное сечение броска и основного», — добавляет Либ. «Последнее, что вам нужно, — это журнал Honda (1,888 дюйма) на кривошипе 350 Chevy с 4-дюймовым ходом хода. У вас нет перекрытия между основным и броском ».
Обратите внимание на то, что коленчатый вал Lunati слева использует полные противовесы на всех четырех штифтах.Центральные противовесы увеличивают вращающий вес, но также могут упростить балансировку и помочь снизить скручивающие нагрузки. Кривошип Lunati справа имеет шесть противовесов, которые позволяют двигателю быстрее вращаться.
Эксперты подчеркнут важность перекрытия шейки при обсуждении прочности коленчатого вала. Вот сравнение длинноходного кривошипа Pro Mod со стандартным кривошипом с большим блоком. Обратите внимание, как шатунная шейка на нижнем кривошипе перекрывает часть основных шеек. Эта конфигурация более надежна, чем ходовой механизм, в котором цапфа штока находится дальше от сети.На перекрытие цапф также могут повлиять меньшие цапфы стержней.
Итак, что вы выберете? Коленчатые валы подходят для любого двигателя и области применения. Ключ к выбору правильного — это тесное сотрудничество с техническими представителями производителя и честное отношение к вашим потребностям. Несомненно, рынок запчастей расширил возможности поставки качественных поковок для уличных и гоночных автомобилей, в которых используется множество опций, разработанных на треке. И переход к заготовке предлагает больше возможностей в дизайне и материалах.Просто нужно быть честным в отношении приложения и работать с техническими специалистами, чтобы выбрать правильную версию.
«То, как кривошипно выглядит в изготовленном виде, — это баланс между весом, прочностью, улучшением характеристик, предполагаемым применением, стоимостью, наличием вспомогательных деталей и производственной осуществимостью», — резюмирует Дэвис.
Многие производители комплектуют укомплектованные сбалансированные вращающиеся узлы, согласовывая свои коленчатые валы с соответствующими поршнями, шатунами, кольцами, демпфером и маховиком.Эта опция помогает снять любые опасения по поводу совместимости лошадиных сил и проблем с балансом. Слева Eagle предлагает запатентованную отделку ESP Armor, которая помогает коленчатому валу отводить масло и придает поверхности подшипников зеркальную гладкость.
Chevrolet V8 Коленчатые валы двигателя
Малый блок
Chevrolet произвела два типа коленчатых валов: кованые стальные и с шаровидным графитом. железо. Самый простой способ их определить — проверить линию разъема. Эта линия была результатом того, что две половинки пресс-формы коленчатого вала изготовил сам коленвал.НА узле из чугуна с шаровидным графитом эта линия имеет ширину около 1/32 дюйма и возвышается над поверхностью. Кованый стальная линия проходит от 1/4 дюйма до 1/2 дюйма и по существу промывать.
Chevrolet обычно использовал узел из чугуна с шаровидным графитом на двигателях с низким до средних значений мощности и кованая сталь в двигателях с более высокие рейтинги мощности.
Номер отливки расположен на шероховатой поверхности одного из противовесов или между опорными шейками.См. Таблицу для идентификации номера отливки.
Большой блок
| 396/402/427 — с 1965 по 1972 год Коленчатый вал 396 такой же, как коленчатый вал 427, за исключением он легче за счет конструкции противовеса. Третий противовес на коленчатом валу 396 имеет ширину 3/4 дюйма, 402 — Ширина 7/16 дюйма, а ширина 427 — 7/8 дюйма. До 1968 года все 396 коленчатых валов были коваными из стали.В 1969 г. двигатели меньшей мощности использовали чугунный коленчатый вал и имеют ход 3,76 дюйма, шейки штока 2,20 дюйма и основные журналы были разных размеров; журналы с 1 по 4 являются 2,7475 дюйма, а цапфа 5 — 2,7488 дюйма. Все коленчатые валы 1965-1967 гг. 427 были коваными из стали. На 1968 год и
1969 год, только в высокопроизводительных 427-х использовалась кованая сталь.
коленчатый вал, где низкопроизводительные 427s использовали чугун
коленчатый вал. | |
| 454 — 1970-75 Коленчатый вал 454 имеет тот же фланец, что и другой большой блок коленчатые валы но совершенно разные по конструкции.в отличие от Коленвал 396/402/427, коленвал 454 внешне уравновешен на переднем демпфере и фланце маховика. 454 коленчатый вал имеет ход 4,00 дюйма, но такой же стержень, что и главный размер журнала как 396/402/427. |
превосходят литые по характеристикам, предлагают преимущества | 2011-10-03
Сталелитейная промышленность Северной Америки осознает ценность экологических, социальных и экономических достижений и стремится обеспечить устойчивое развитие производства продукции, отвечающей потребностям общества.Одним из примеров таких достижений является разработка автомобильных деталей из кованой стали, которые доказали свою способность выполнять все эти функции. Сталелитейная промышленность Северной Америки признает ценность экологических, социальных и экономических достижений и стремится обеспечивать устойчивые разработки в области производства продукции, которая удовлетворить потребности общества. Фактически, за последние два десятилетия в передовые технологии производства стали были вложены миллиарды долларов с заметными результатами, включая сокращение потребления энергии, выбросов парниковых газов и потребления топлива.Одним из примеров таких достижений является разработка автомобильных деталей из кованой стали, которые доказали свою способность выполнять все эти функции.Проектирование коленчатых валов из кованой стали в соответствии с будущими нормами
Нажмите для увеличения Рис. 1. Фотография коленчатого вала из кованой стали одноцилиндрового четырехтактного двигателя, типичного для двигателей, используемых в газонокосилках . |
Компоненты из кованой стали значительно прочнее деталей из ковкого чугуна, что обеспечивает более высокую ударную вязкость, лучшее сопротивление усталости и более длительный срок службы.Эти свойства особенно важны для коленчатого вала (рис. 1) в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), поскольку компонент должен выдерживать миллионы или даже миллиарды оборотов в течение всего срока службы двигателя. Поскольку автомобильный коленчатый вал, который преобразует линейное движение поршня в ДВС во вращательное движение, испытывает такое большое количество циклов нагрузки, высокая прочность, сопротивление усталости и пластичность являются ключевыми факторами в его конструкции и характеристиках.
Для производства высокоэффективного двигателя, который был бы легким, экономичным и удовлетворял бы требуемой усталостной прочности и другим функциональным требованиям, разработка конструкции является важной задачей при производстве коленчатых валов.Такие улучшения приводят к созданию более легких и компактных двигателей с более высокой топливной экономичностью и более высокой выходной мощностью. Поскольку потребители заменяют свои большие автомобили на более мелкие, чтобы снизить расход топлива, важно, чтобы двигатели меньшего размера были долговечными и отвечали, среди прочего, требованиям к характеристикам и усталости. Например, для повышения эффективности использования топлива современные восьмицилиндровые двигатели будут заменены высокопроизводительными шестицилиндровыми двигателями.
Кроме того, новые требования, выдвинутые U.S. Агентство по охране окружающей среды (EPA) привело к обострению конкуренции в области материалов для компонентов двигателей и технологий производства. Высокая прочность, пластичность и сопротивление усталости являются критически важными свойствами, необходимыми для материала коленчатого вала и производственного процесса, чтобы соответствовать требованиям к экономии топлива и выбросам.
Потребность в компонентах из кованой стали в автомобилях
Нажмите для увеличения Фигура 2.Фотографии коленчатых валов из кованой стали (слева) и чугуна с шаровидным графитом (справа), использованных в исследовании . |
В исследовании, проведенном Университетом Толедо, оценивались и сравнивались усталостные характеристики двух автомобильных коленчатых валов (рис. 2), в том числе один из кованой стали, а другой — из высокопрочного чугуна. Согласно исследованию университета, по сравнению с коленчатыми валами из ковкого чугуна, коленчатые валы из кованой стали обеспечивают превосходную долговечность с меньшим ростом трещин и дальнейшей оптимизацией веса при сохранении динамического баланса (рис. 3).Фактически, исследование показало, что у кованой стали усталостная прочность на 36% выше, чем у чугунных коленчатых валов, в результате чего срок их службы увеличивается в шесть раз.
Преимущества коленчатых валов из кованой стали
Согласно исследованию, коленчатый вал из кованой стали по сравнению с ковким чугуном имеет:
- Превосходная устойчивость к усталости — основной причине выхода из строя коленчатого вала; кованая деталь продемонстрировала на 36% более высокое сопротивление усталости, в результате чего срок службы стали увеличился в 30 раз.
- Более высокая прочность, с пределом текучести на 52% выше и пределом прочности на 26% выше
- Значительно более высокая пластичность — уменьшение площади стального материала составило 58% по сравнению с 6% для чугунного материала .
- Превосходная ударная вязкость, кованая сталь в девять раз лучше
Коленчатые валы, использованные в университетском исследовании, были взяты от одноцилиндрового четырехтактного двигателя, типичного для двигателей, используемых в ездовых газонокосилках, с рабочими параметрами, аналогичными характеристикам автомобильных коленчатых валов.Результаты испытаний имеют отношение к разработке приложений для автомобилей, а также для морской, горнодобывающей, авиационной, сельскохозяйственной техники и других отраслей, в которых используются ДВС.
Преимущества стали перед чугуном Сталь
имеет значительное преимущество перед чугуном. Как сообщается в исследовании Университета Толедо, модуль упругости (или жесткости) стали на значительную величину больше, чем у чугуна. Значения, задокументированные в отчете, показывают увеличение модуля упругости кривошипа из кованой стали на 25% по сравнению с кривошипом из чугуна, что фактически основано на относительно высоком значении модуля упругости для чугуна (т.е.е. сталь часто на 25-50% выше, чем у большинства чугунов).
Модуль упругости очень важен для проектирования такого компонента, как коленчатый вал, поскольку он определяет степень изгиба, возникающего при данной нагрузке. Таким образом, материал с более высоким модулем упругости может быть уменьшен в размерах и демонстрировать такой же уровень изгиба под нагрузкой (т.е. диаметры шейки пальца / коренного подшипника и общая длина коленчатого вала могут быть уменьшены для стали по сравнению с чугуном). .
Прочность стали также может быть увеличена при необходимости за счет увеличения одного или обоих свойств сердечника и оболочки (галтеля), чтобы гарантировать, что прочность уменьшенного компонента также будет достигнута.Самым большим преимуществом использования стали в коленчатом валу является создание всего двигателя с учетом превосходных свойств стали, включая повышенную жесткость, прочность и надежность материала, что позволяет уменьшить габариты двигателя и различные внутренние компоненты.
Повышенная жесткость стали часто является первым свойством материала, которое учитывается при проектировании. Жесткость — это неотъемлемое свойство материала, которое не сильно меняется для данной системы материалов, в то время как прочность может быть увеличена с помощью ряда средств и методов.Уменьшение изгиба коленчатого вала может привести к улучшению NVH (шума, вибрации и резкости) в двигателе, что является фактором, выходящим за рамки прочности или срока службы компонентов, что важно для водителя транспортного средства.
Варианты материалов и производственные технологии
Нажмите для увеличения Рисунок 3. Наложенные друг на друга графики зависимости истинной амплитуды напряжения от обратимости разрушения показаны для кованой стали и высокопрочного чугуна. |
Для изготовления коленчатых валов доступно несколько материалов, в том числе сталь и чугун. Они могут быть изготовлены из заготовки, поковки или литья.
Обычно коленчатый вал подразделяется на кованую сталь или чугун. Однако внутри этих двух категорий есть много вариантов. Коленчатый вал из кованой стали, например, изготавливается из микролегированной стали, что исключает необходимость термической обработки. Коленчатый вал из чугуна, который обычно представляет собой высокопрочный чугун, обладает большей пластичностью и, следовательно, более высоким сопротивлением усталости, чем обычный серый чугун.
Конструкция коленчатого вала не ограничивается выбором материала (например, сталь или железо) или процесса (например, ковка или литье) и геометрии. Обработка поверхности также играет важную роль в работе коленчатого вала. Галтели коленчатого вала часто скручиваются, чтобы вызвать сжимающие остаточные напряжения, тем самым увеличивая усталостные характеристики коленчатого вала.
Цементная закалка, или закалка поверхности материала, часто проводится для увеличения твердости коленчатого вала, что приводит к лучшему износу.Поверхностное упрочнение не только улучшает износостойкость, но и вызывает сжимающие остаточные напряжения, что увеличивает усталостные характеристики коленчатого вала.
Снижение веса и устойчивость
Стремление сталелитейной промышленности к устойчивому развитию превратило сталь в самый перерабатываемый материал в мире: только в США в прошлом году было переработано более 82 миллионов тонн. С 1990 года рост рециркуляции, повсеместное внедрение непрерывнолитых заготовок с использованием электродуговых печей и другие достижения в сталеплавильных процессах снизили энергоемкость на тонну отгруженной стали на 30% и снизили интенсивность выбросов CO2 на 35%.
Для достижения постоянного повышения энергоэффективности и снижения выбросов углекислого газа в сталелитейной промышленности Северной Америки продолжают внедрять новые процессы производства стали, в которых используются более экологичные виды топлива и снижается влияние на жизненный цикл, чтобы лица, принимающие решения по материалам, руководители политики и потребители, могли принимать обоснованные решения о продуктах.
Новое поколение усовершенствованной стали
За последнее десятилетие автомобилестроители начали использовать передовую высокопрочную сталь, опередив темпы роста конкурирующих материалов, что сделало ее наиболее быстрорастущим материалом для снижения веса автомобилей.Сталелитейная промышленность Северной Америки продолжает этот послужной список, исследуя новое поколение стальных решений, чтобы помочь производителям автомобилей соответствовать строгим требованиям по экономии топлива и выбросам — не только с помощью кованых коленчатых валов, но и с помощью других технологий снижения веса.