Коленчатый вал — стальной, изготавливается методом горячей штамповки из стали 42ХМФА. Вал имеет пять коренных опор и четыре шатунные шейки. 

В шатунных шейках имеются отверстия — грязесборники, которые уменьшают массу вала, массу противовесов и обеспечивают центробежную очистку масла. Эти отверстия закрываются заглушками, которые по наружной кромке раскерниваются в трех точках по окружности. Полости в шатунных шейках наклонными просверленными каналами сообщаются с каналами в коренных шейках.

Изгибные напряжения, возникающие в коленчатом вале, в результате несоосности коренных опор в блоке и биения коренных шеек наряду с напряжениями от крутильных колебаний, обусловленных неравномерностью чередования работы цилиндров, приводят к деформациям вала и повышенным нагрузкам на подшипники.

При недостаточном запасе прочности возможны поломки коленчатого вала по галтелям из-за усталостных явлений в металле. Известно несколько способов упрочнения коленчатого вала. Наиболее прогрессивным и эффективным способом повышения прочности и износостойкости коленчатого вала является азотирование. Учитывая, что механическая нагруженность кривошипно-шатунного механизма при наддуве повышается, на дизели ЯМЗ с наддувом устанавливаются только азотированные коленчатые валы.

После механической обработки коленчатый вал подвергается закалке и отпуску до НВ 229—269. Затем вал азотируется в газовой среде. Глубина азотации 0,25—0,4 мм. Твердость вала после азотации НВ>600 /НРС >60/. Недостатком химико-термического процесса азотирования является образование на наружной поверхности тонкого слоя различных нитридных соединений. Этот слой толщиной 10—20 мкм под действием нагрузки «шелушится», что приводит к повышенным износам подшипников.

Для устранения этого явления шейки коленчатого вала после азотации проходят суперфиниширование с последующей полировкой. В окончательном виде шероховатость поверхности шеек не хуже Ра 0,2 мкм, отклонение от прямолинейности образующей шейки 5 мкм, отклонение от круглости в пределах 5 мкм.

Азотирование вала по сравнению с закалкой ТВЧ имеет следующие преимущества:

примерно в 1,7 увеличивается усталостная прочность /запас прочности по крутильным колебаниям вала/, повышается износостойкость, улучшаются антифрикционные и антикоррозионные свойства поверхности шеек;

снижается коробление в процессе эксплуатации за счет снятия внутренних напряжений, возникающих при механической обработке;

практически исключается самоотпуск, образование трещин и задир шеек вала при резком повышении температуры подшипников при недостаточной смазке в аварийных ситуациях. Если местный самоотпуск шеек, закаленных ТВЧ, происходит уже при 300°С, то азотированные шейки удовлетворительно работают при более высокой температуре;

полностью исключается образование и развитие закалочных и шлифовочных микротрещин на поверхности шеек.

После изготовления вал подвергается размагничиванию. Контроль вала на размагничивание производится с помощью иголки диаметром 0,3—0,5 мм и длиной 10 — 15 мм. Указанная иголка не должна притягиваться к торцам коленчатого вала.

Для уравновешивания двигателя и разгрузки коренных подшипников от инерционных сил возвратно-поступательно движущихся масс поршней и шатунов, и неуравновешенных центробежных сил на щеках коленчатого вала установлены противовесы. Противовесы крепятся к щеке болтами. Для исключения самоотворачивания болты привариваются. В систему уравновешивания входят две выносные массы. Одна масса выполнена в виде прилива на маховике. Другой массой является противовес, установленный на переднем конце коленчатого вала. Коленчатый вал и маховик балансируются отдельно. Коленчатый вал балансируется с противовесами в сборе, но без переднего противовеса и шестерни, которые устанавливаются на переднем конце вала. Остаточный дисбаланс 75 г см.

Для обеспечения установки маховика в правильное положение относительно коленчатого вала на ступице маховика нанесена цифра «8», которую при сборке необходимо совместить с цифрой «2» на торце коленчатого вала. Остаточный дисбаланс маховика 41790±60 г-см. Маховик в сборе имеет номер 238—1005115Е.

Высокая износостойкость коренных и шатунных шеек коленчатого вала обеспечивается не только азотированием, но и применяемым материалом подшипников и качеством фильтрации масла. На дизелях ЯМЗ применяются триметаллические /трехслойные/ вкладыши подшипников коленчатого вала. Основанием вкладышей является стальная лента /первый слой/. На ленту заливкой наносится слой ~0,2 мм из свинцовой бронзы. На эту поверхность напыляется тонкий подслой /подложка/ никеля 5 мкм для лучшего соединения с поверхностным приработочным слоем из сплава свинца с оловом толщиной 25÷30 мкм /третий слой/.

Верхний и нижний вкладыши коренного подшипника коленчатого вала невзаимозаменяемы. В верхнем вкладыше имеются отверстия для подвода масла и канавка для его распределения. Оба вкладыша нижней головки шатуна взаимозаменяемы.

Для повышения жесткости блока и уменьшения его деформации в конструкции двигателя предусмотрены горизонтальные стяжные болты крепления крышек коренных подшипников к блоку. После установки вкладышей и упорных бронзовых полуколец в выточки задней коренной опоры блока производится затяжка вертикальных болтов крепления крышек коренных опор в два приема: вначале моментом 20—24 кгм, затем, окончательно моментом 43—47 кгм.

Упорные полукольца устанавливаются в крышку канавками к упорным торцам коленчатого вала. Выступание штифтов из крышки должно быть 6,2—6,8 мм.

После затяжки каждой крышки коренной опоры необходимо перемещать коленчатый вал взад-вперед для выравнивания положения задней крышки и контроля подвижности коленчатого вала. Затяжка крышек коренных опор моментом 43—47 кгм обеспечивает установку вкладыша с натягом 100—120 мкм.

Затем производится затяжка горизонтальных стяжных болтов в два приема: первоначальным моментом 5—6 кгм и окончательного моментом 10—12 кгм.

После затяжки болтов суммарный осевой зазор между валом и упорными полукольцами должен быть 0,08—0,265 мм. Окружной зазор в зацеплении шестерен коленчатого и распределительного валов в рабочем положении должен быть 0,09—0,22 мм. После затяжки болтов коренных подшипников вал должен легко проворачиваться от руки.

Шатун — стальной, двутаврового сечения с косым разъемом нижней головки. Материал шатуна — сталь 40ХН2МА.

По каналу, просверленному в теле шатуна, масло подводится к верхней головке. Шатун окончательно обрабатывается в сборе с крышкой. Поэтому крышки шатунов невзаимозаменяемы. На крышке и шатуне со стороны короткого болта выбит порядковый номер цилиндра. На стыке со стороны длинного болта выбиты метки спаренности в виде двузначного числа, одинакового для шатуна и крышки.

Подшипник нижней головки шатуна снабжен сменными взаимозаменяемыми вкладышами. В верхнюю головку шатуна запрессована бронзовая втулка.

Перед сборкой резьба и опорные торцы головок болтов крепления крышек шатунов смазываются дизельным маслом. Крепление крышки производится в два приема: вначале моментом 10 кгм и окончательно 21±1 кгм. Затяжка начинается с длинного болта. После затяжки болтов проверяется суммарный осевой зазор между торцами нижних головок шатунов и щеками коленчатого вала, который должен быть в пределах 0,15—0,57 мм. Если зазор меньше, чем указано, то ослабляется затяжка болтов и легкими ударами резинового молотка крышка шатуна сдвигается до получения необходимого зазора.

Для обоих блоков цилиндров шатун с поршнем соединяется таким образом, чтобы камера сгорания в поршне была смещена в сторону длинного болта шатунной крышки.

Для обеспечения надпоршневого зазора в пределах 0,98-1,56 мм шатуны разбиваются на две группы «Б», «Г». Шатуны групп «Б», «Г» отличаются межцентровым расстоянием верхней и нижней расточек шатуна L1. Обозначение размерной группы шатуна указывается на крышке шатуна. Для определения необходимой группы шатуна при сборке дизеля замеряется размер L — расстояние от рабочего торца гильзы до образующей шатунной шейки коленчатого вала в верхнем ее положении при плотном поджатии гильзы к опорной выточке в блоке /рис. 2.З./. Гильза устанавливается без уплотнительных колец. Замер расстояния производится в диаметральной плоскости гильзы перепендикулярно оси коленчатого вала.

Рис. 2.3 Определение размерной группы шатуна

На верхней полке блока маркируется размерная группа по размеру L /табл. 2.6./.

Таблица 2.6.

Значения размерных групп

В собранном виде, но без вкладышей, шатуны подгоняются по весу. Вес кривошипной головки 2510±15 г, а вес верхней головки шатуна 1500±15 г. Развесовка шатуна выполняется на специальных весах. Материал снимается фрезерованием с приливов на верхней и кривошипной головках шатуна.

Предельные износы деталей кривошипно-шатунной группы отмечаются при пробеге автомобиля 300-360 тыс.км. На продолжительность работы оказывает влияние качество фильтрации масла и величина давления масла. Как правило, значительного уменьшения давления масла из-за износов коренных и шатунных шеек коленчатого вала и вкладышей не происходит. Расход масла через подшипники коленчатого вала составляет лишь 20—30% от производительности масляного насоса. Износ же шеек коленчатого вала и вкладышей по окружности не равномерен. Поэтому, при предельных износах деталей кривошипно-шатунного механизма производительность масляного насоса достаточна для создания необходимого давления в подшипниках. Наиболее ощутимое уменьшение давления масла при износах имеет место лишь при минимальной частоте вращения коленчатого вала 600 мин^-1. В случае понижения давления масла при рабочей частоте вращения коленчатого вала необходимо убедиться в правильности функционирования системы смазки: регулировка клапанов, засорение сетки маслозаборника, отсутствие течи масла, подсос воздуха, целостность трубки.

Ввиду высокой износостойкости шеек азотированного коленчатого вала износ их незначителен. Допустимый износ вкладыша по толщине определяется толщиной свинцовисто-оловянистого сплава (Знаете ли вы? Разновидность сплава железа и марганца с добавлением кремния называется ферросиликомарганец) и не должен превышать 25 мкм. При оценке состояния вкладыша необходимо учитывать три основных фактора и заменять их, если: свинцовисто-оловянистый слой изношен. Толщина вкладыша уменьшена на 25 мкм, имеется подплавление верхнего слоя;

отдельные грязевые продольные риски на вкладыше достигают слоя свинцовистой бронзы;

на поверхности вкладыша имеется сетка микротрещин или признаки усталостного разрушения верхнего слоя.

Предельные размеры основных деталей кривошипно-шатунного механизма приведены в табл. 2.7.

Таблица 2.7.

Предельные размеры деталей кривошипно-шатунного механизма

Следует заметить, что на дизели ЯМЗ-238 без турбонаддува завод устанавливает коленчатые валы, закаленные ТВЧ. Такой вал имеет номер 238-1005020. Азотированный коленчатый вал имеет номер 238Н-1005020. По геометрическим размерам, ремонтным группам, коленчатый вал закаленный ТВЧ взаимозаменяем с азотированным валом. Однако устанавливать коленчатый вал, закаленный ТВЧ, на наддувные двигатели ЯМЗ-238ПМ и ФМ завод не рекомендует.

Для ремонта коленчатого вала, обработанного ТВЧ, предусмотрены шесть ремонтных размеров вкладышей. Клеймо ремонтного размера наносится на тыльной стороне вкладыша, недалеко от стыка. Размеры шеек коленчатого вала и размеры вкладышей в их средней части приведены в табл. 2.8. Допуск на ремонтный диаметр шейки коленчатого вала и толщину вкладыша для всех размерных групп одинаков и такой же, как для основного размера /см. табл. 2.7./. Ремонтные группы коленчатого вала и вкладышей распространяются и на азотированный коленчатый вал. Если при эксплуатации не было аварийной ситуации и на шейках азотированного коленчатого вала отсутствует наволакивание бронзы, нет следов прижога и других поверхностных дефектов, то после промеров шеек можно вновь устанавливать вкладыши номинального размера без перешлифовки вала. При возникновении аварийных ситуаций возможна перешлифовка азотированного коленчатого вала на 0,25 мм до первого ремонтного размера. Однако квалифицированно сделать это вне условий завода невозможно. При перешлифовке на другие ремонтные размеры требуется повторная азотация коленчатого вала.

Уплотнение газового стыка между буртом гильзы и днищем головки осуществляется прокладкой, вырубаемой из асбостального полотна. Отверстия в прокладке для бурта гильзы окантовываются стальным листом толщиной 0,25 мм, а отверстия для прохода охлаждающей жидкости — медной лентой толщиной 0,3 мм. Для обеспечения надежности газового стыка на наддувных двигателях предусмотрено выступание рабочего бурта гильзы относительно привалочной поверхности блока в пределах 0,07 — 0,16 мм.

Таблица 2.8.

Ремонтные размеры

При этом разность выступания буртов гильзы относительно блока для каждого ряда цилиндров не должна превышать 0,06 мм. Экспериментально установлено, что для надежного уплотнения газового стыка с использованием асбостальной прокладки необходимо, чтобы величина монтажных сил в уплотнении более чем в 3 раза превышала величину газовых сил. Для этого затяжка гаек крепления головки цилиндров производится в порядке возрастания номеров моментом 22—24 кгс-м в холодном состоянии и моментом 24—26 кгс-м в горячем состоянии двигателя /рис. 2.4./. Нельзя затягивать гайки большим моментом, так как это приведет к разрушению окантовок прокладок и прогару самих прокладок.

Рис. 2.4 Последовательность затяжки гаек крепления головок цилиндров

Г. М. Савельев, Б. Ф. Лямцев, Е. П. Слабов
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ЯМЗ С НАДДУВОМ
1988