Раздел 2.

Анализ существующих методом восстановления кулачков распределительного вала КамАЗ.

• Конструкция механизма газораспределения.

Механизм газораспределения (рисунок 2.1) предназначен для обеспечения впуска в цилиндры свежего воздушного заряда и выпуска из них отработавших газов. Впускные и выпускные клапаны открываются и закрываются в определенных положениях поршня, что обеспечивается совмещением меток на шестернях привода агрегатов при их монтаже.

Механизм газораспределения - верхнеклапанный с нижним расположением распределительного вала. Кулачки распределительного вала 24 в соответствии с фазами газораспределения приводят в действие толкатели 23. Штанги 19 сообщают качательное движение коромыслам 16, а они, преодолевая сопротивление пружин 4 и 5, открывают клапаны 25. Закрываются клапаны под действием силы сжатых пружин.

Рисунок 2.1. Механизм газораспределения: 1 - головка цилиндра; 2 - втулка направляющая; 3 - шайба пружин клапана; 4, 5 - пружины клапана; 6 - манжета клапана; 7 - шайба; 8 - болт крепления головки; 9 - тарелка пружин; 10 - втулка тарелки пружин; 11 - сухарь клапана; 12 - болт крепления крышки; 13 - шайба; 14 - шайба виброизоляционная; 15 - крышка головки цилиндра; 16 - коромысло клапана; 17 - стойка коромысел; 18 - прокладка крышки; 19 - штанга; 20 - ввертыш крепления впускного коллектора; 21 - ввертыш крепления водяной трубы; 22 - прокладка уплотнительная; 23 - толкатель; 24 - распредвал; 25 - выпускной клапан; 26 - седло выпускное; 27 - гильза цилиндра; 28 - кольцо газового стыка; 29 - блок цилиндров; А - тепловой зазор.

Распределительный вал (рисунок 2.2) стальной, кулачки и опорные шейки подвергнуты термообработке ТВЧ, устанавливается в развале блока цилиндров на пяти подшипниках скольжения, представляющих собой стальные втулки, залитые антифрикционным сплавом. Диаметр втулок на 6 мм больше по сравнению со втулками двигателя 740.10.

Рисунок 2.2. Распределительный вал:1 - распределительный вал; 2 - корпус подшипника; 3 - шестерня; 4 - шпонка.

Распределительный вал увеличенной размерности, измененными фазами газораспределения и ходом клапанов по сравнению с распределительным валом двигателя 740.10. На задний конец распределительного вала напрессована прямозубая шестерня 3. Привод распределительного вала осуществляется от шестерни коленчатого вала через блок промежуточных шестерен. Для обеспечения заданных фаз газораспределения, шестерни при сборке устанавливаются по меткам выбитым на их торцах. Шестерни стальные, штампованные с термообработанными зубьями. От осевого перемещения вал фиксируется корпусом 2 (рисунок 2.2) подшипника задней опоры, который крепится к блоку цилиндров тремя болтами. Посадочный диаметр корпуса подшипника задней опоры больше по сравнению с корпусом подшипника двигателя 740.10. Маркировка на распределительном вале 740.21-1006015 выполняется ударным способом на торце.

Установка корпуса подшипника задней опоры двигателя 740.10 недопустима, так как приведет к аварийному снижению давления масла в системе и преждевременному выходу из строя двигателя.

Толкатели 23 (рисунок 2.1) тарельчатого типа с профилированной направляющей частью, (в переходный период возможно цилиндрической). Изготовлены из стали с последующей наплавкой поверхности тарелки отбеленным чугуном. Толкатель подвергнут химико-термической обработке.

Направляющие толкателей прилитые к блоку цилиндров. В переходный период возможна установка привертных направляющих толкателей (с подрезкой болтов и резьбовых бобышек направляющей), как на двигателе 740.10. В этом случае установка направляющей толкателей двигателя 740.10 без специальной подрезки не допускается.

• Дефектация распределительного вала и толкателя.

Характерными дефектами распределительных валов являются:

-трещины на валу, отколы по торцам вершин кулачков;

-погнутость вала;

-износ шпоночного паза;

-износ впускных и выпускных кулачков по высоте; износ передней, средней и задней опорных шеек.

Механизм взаимодействия толкателя с кулачком распределительного вала сложен, наибольшее влияние на изнашивание пары оказывают следующие факторы :

-внешнее механическое воздействие, характеризующееся скоростью относительного перемещения и нагрузкой;

-температура трения и температурный градиент;

-физико-механические свойства сопряжённых пар и окружающей промежуточной среды (модуль упругости, коэффициент объёмного расширения, макро и микротвердость, предел текучести, термообработка и

т.д.);

-макро и микрогеометрия поверхности трения;

вид трения;

-продолжительность и путь трения;

-свойства смазочного материала.

Действие этих факторов приводит к износу кулачковой пары, и как следствие, к снижению эффективности работы двигателя внутреннего сгорания.

Контроль размеров кулачков и опорных шеек распределительного вала осуществляется с помощью приспособления, показанного на рис. 2.3, а размеры кулачков указаны в табл. 2.1.

Рис. 2.3. Приспособление для контроля профиля кулачков и опорных шеек распределительного вала:

а — профиль кулачка, б — расположение впускных кулачков; в — расположение выпускных кулачков; Вп — впускной кулачок; Вып — выпускной кулачок; 1 — основание приспособления; 2,9 — центры; 3 — диск с градуировкой, град; 4 — указательная стрелка, закрепленная на шейке распределительного вала; 5 — ножка индикатора; 6 — стойка индикатора; 7 — индикатор, 8 — распределительный вал

Последовательность контроля распределительного вала следующая:

• проверить вал на отсутствие трещин и отколов кулачков;

• радиальное биение средних опорных шеек относительно передней и задней опорных шеек; проверить износ шейки под шестерни;

• кулачков по высоте;

• цилиндрической части кулачков;

• передней и средней шеек;

• задней шейки.

Таблица 2.1. Размеры кулачков распределительного вала КамАЗ-740

Примечание:

а — угол поворота кулачка; h — высота подъема профиля кулачка.

Таблица 2.2. КАРТА ДЕФЕКТАЦИИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО ВАЛА

Распределительные валы, не удовлетворяющие требованиям технических условий, подвергаются восстановлению.

Технологический процесс восстановления распределительных валов включает следующие операции: мойку распределительного вала, снятие шестерни, правку и проверку биения распределительного вала, шлифовку шеек вала под ремонтный размер, контроль размеров шеек, шлифовку кулачков цилиндров, контроль профиля кулачков, изготовление паза под шпонку, установку шестерен, сдачу распределительного вала ОТК.

Восстановление опорных шеек распределительного вала производится шлифованием под ремонтный размер, а его кулачков — шлифованием по копиру с целью восстановления профиля кулачков на копировально-шлифовальных станках ЗА433 шлифовальным кругом ПП 600X20X305 марки Э46—60 СМ1—СМ2К. После шлифования шейки и кулачки распределительного вала полируются полировальной лентой ЭБ220 или пастой ГОИ № 10.

Режимы шлифования опорных шеек и кулачков распределительного вала приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3. Режимы шлифования опорных шеек и кулачков распределительного вала

Основным дефектом распределительного вала является износ вершин кулачков с незначительным износом по профилю. Часто используемым методом восстановления кулачков является метод наплавки, так как доступно оборудование и достаточно надежен и знаком технологический процесс. Однако имеются и свои минусы: большое количество операций, достаточно сложных, и в некоторых случаях большая стоимость этих технологических операций по восстановлению кулачка. В данном случае примера рассмотрим именно это метод восстановления.

После дефектации распределительные валы с кулачками, требующими восстановления, направляются на наплавку. Перед наплавкой на активном профиле кулачка обрабатывается канавка (рис.2.4). Наличие канавки позволяет уменьшить расход электродов, время наплавки и повысить качество отремонтированного распределительного вала.

Рис.2.4. Подготовка распределительного вала под наплавку и схема наплавки.

Наплавка изношенных вершин кулачков производится электродом ОЗИ-З диаметром З мм ГОСТ 9466-75 сварочным током обратной полярности J_CB=80—100 А, рабочим напряжением V_д 16—18 В (выпрямитель ВД-306) в приспособлении, позволяющим вращать вал.

Перед механической обработкой распределительного вала производится восстановление центровых отверстий шлифовальной головкой ГК 10x25x3 23А25С27КА. Затем вал правится на прессе относительно центровых отверстий до биения опорных шеек не более 0,03 мм. Перешлифовка кулачков выполняется на шлифовально-копировальном станке типа 3433. При большой программе используются станки модели XIII-I-72HЧ. Применяются круги ММ 750х40х305 91А/24А25С17К5 ГОСТ 2424-75 с обильным охлаждением зоны шлифования эмульсией. Шлифовать следует "как чисто", до получения профиля кулачка, т.к. колебания размеров кулачков распределительного вала легко компенсируются при регулировке механизма газораспределения.

Полировка опорных шеек и кулачков производится на станке модели 3842 полировальной лентой 14хМ40. Правится вал на гидропрессе с точностью 0,025 мм.

После окончательной обработки и мойки поверхности кулачков рекомендуется покрыть противозадирным покрытием Н K-II ТУ 113-12-90-38.

Таблица 2.4. КАРТА ДЕФЕКТАЦИИ ТОЛКАТЕЛЯ.

В процессе эксплуатации толкатель подвергается интенсивному износу как по наружному диаметру из-за вращения его в направляющей, так и по пяте тарелки из-за ее трения по кулачку распределительного вала. Для уменьшения износа пята тарелки толкателя наплавляется специальным чугуном, химический состав которого: углерод 3,1—3,4%, кремний 2,1—2,35%, марганец 0,5—0,65%, хром 0,8— 1,0%, никель 0,4—0,75 %, молибден 0,4—0,6 % ,серы не более 0,1 %, фосфора не более 0,2%.

При износе или выкрашивании наплавленной пяты тарелку шлифуют до выведения дефекта, но размер В должен быть не менее 23,9 мм. Если размер В меньше 23,9 мм или при таком размере дефекты еще не выведены, то пяту толкателя следует наплавить электродами Т-590 или Т-620, затем шлифовать.

При износе стержня толкателя А до диаметра менее 21,78 мм толкатели набирают на подвесное приспособление и осталивают или хромируют по обычной технологии. Для уменьшения выноса электролита детали рекомендуется завешивать тарелкой вверх. Шлифовать перед гальваническим наращиванием необходимости нет, после нанесения покрытия детали шлифуют на бесцентровошлифовальном станке.

При большой производственной программе целесообразно наладить восстановление поверхности А раздачей в холодном состоянии через отверстие под штангу на гидравлическом прессе.

• Методы восстановления распределительного вала.

Надежная и экономичная работа системы газораспределения двигателя внутреннего сгорания во многом зависит от ресурса распределительного вала, определяемого в первую очередь износостойкостью наиболее нагруженных его рабочих поверхностей — кулачков. При ремонте предельно изношенных валов наряду с обеспечением износостойкости кулачков стоит сложная задача восстановления их первоначального профиля.

Наибольшее распространение в ремонтном производстве получил способ шлифования кулачков в эквидистантный профиль до выведения следов износа, сопровождающийся снятием слоя металла одинаковой толщины. Этот способ позволяет сохранить исходные фазы газораспределения и высоту подъёма клапана. Недостатком является неизбежное уменьшение радиуса вершины кулачка, которое ведёт к увеличению контактных напряжений, по сравнению с напряжениями возникающими на вершине нового кулачка и, как следствие, к более интенсивному его изнашиванию.

С целью сохранения первоначального радиуса вершины Наливкиным В.А. предложен специальный ремонтный профиль кулачка. Однако этот способ трудно применить для ремонта распределительных валов форсированных двигателей со значительным, достигающим 1,5... 1,8 мм, износом вершин кулачков. Для получения исходного радиуса вершины у такого кулачка и требуемой высоты подъёма толкателя необходимо будет снять с цилиндрической части почти весь термообработанный слой металла.

Недостатком приведённых выше способов шлифования является то, что применение их ограничено допустимым размером кулачков. Распределительные валы, с размером хотя бы одного кулачка меньше допустимого, выбраковываются или ремонтируются с помощью одного из способов восстановления рабочего профиля кулачков.

При ремонте распределительных валов получили распространение два способа восстановления кулачков: его вершины и всего профиля.

Для восстановления вершин кулачков применяются способы электродуговой наплавки электродами и ацетиленокислородным пламенем износостойкими сплавами. При электродуговой наплавке используют электроды ОЗН-400, Т-590, Т-620, прутки сплава сормайт. Ацетиленокислородную наплавку кулачков производят прутками сплава сормайт. Фирмой «Castolin-Eutektik» для этой цели разработан сплав ЕUТЕКВОR 9000 в виде прутка, который обеспечивает' твёрдость наплавленного слоя в пределах НRСэ 57...63. Для уменьшения деформаций распределительного вала, возникающих в результате сильного нагрева, процесс наплавки кулачков ведут в ванне с водой. При газовой наплавке охлаждают всю наплавленную вершину, после этого делают отпуск при температуре 200..220° С с выдержкой в масле.

Оба способа не нашли широкого применения на предприятиях по причине низкой производительности и трудности нанесения тонких слоев, что ведёт, к потерям наплавочного материала и увеличивает продолжительность механической обработки.

К способам восстановления вершин кулачков в формирующей оснастке можно отнести способ наплавки порошковой проволокой АН-122 по технологии НИИАТ, способ электроконтактной приварки порошков и способ индукционной наплавки. Сущность этих способов заключается в том, что непосредственно на изношенную, либо предварительно прошлифованную вершину кулачка, наносят слой металла, при одновременном использовании формирующей вершину оснастки. В качестве наплавочных сплавов при электроконтактной приварке и индукционной наплавке используют порошки на основе железа и никеля.

Недостатком технологии НИИАТ является низкое качество наплавленной поверхности на кулачках, имеющих износ вершин менее 2 мм, поскольку сама технология рассчитана на восстановление вершин кулачков с износом 2,5...3,0 мм. Предварительное шлифование- поверхности кулачка по предыдущей технологии а также шлифование в специальный профиль для электроконтактной приварки порошка сопряжено с дополнительными капитальными вложениями на приобретение копировально-шлифовального станка и с повышением трудоёмкости работ. Общим недостатком для этих способов, а также для способа индукционной наплавки является низкая стойкость формирующей вершину оснастки.

Технология электроконтактной приварки при которой порошковый материал находится в электроде в насыпном состоянии, применяется для восстановления изношенных поверхностей с небольшой площадью, например, зубьев шестерён и будет мало эффективной при восстановлении вершин кулачков, поскольку они имеют гораздо большую площадь рабочей поверхности.

Известен способ восстановления вершин кулачков припаиванием пластин из быстрорежущей стали или твердого сплава с помощью высокотемпературногоприпоя на предварительнопрошлифованную площадку. Для предотвращения перегрева кулачка при пайке ток включают импульсами. После пайки пластин вал шлифуют на копировально-шлифовальном станке. Лабораторные испытания проведённые в течение 100 часов для восстановленных таким методом валов дали хорошие результаты, но на мой взгляд, при эксплуатации таких валов_: будет нарушаться исходный профиль набегающей части кулачка в зоне термического влияния, поскольку высокие нагрузки испытывает не только вершина кулачка но и набегающая часть профиля.

Общим недостатком приведённых способов восстановления вершин кулачков является трудность, а чаще всего невозможность их использования для восстановления всего профиля.

Применение гальванических покрытий для восстановления кулачков распределительных валов влечет за собой создание многооперационного технологического процесса, включающего дополнительную операцию упрочнения покрытия. Некоторыми экспертами рекомендуется покрытия упрочнять выглаживанием с помощью алмазного инструмента. В Кишиневском СХИ разработана технология восстановления деталей железнением, в том числе кулачков распределительных валов. С целью улучшения эксплуатационных характеристик, покрытые поверхности дополнительно оплавляют лучом лазера, который обеспечивает фазовые превращения в поверхностном слое. Восстановление кулачков распределительных валов гальваническими покрытиями не нашло широкого применения из-за высокой трудоёмкости и сложности процесса, а также экологической вредности гальванического производства, требующего больших капитальных вложений в очистные сооружения.

На некоторых предприятиях применяются технологии газотермического напыления распределительных валов.

Газопламенное и плазменное напыление кулачков производят самофлюсующимися порошками. Поверхность кулачка перед напылением проходит специальную подготовку. После напыления кулачков, с целью повышения сцепляемости основного и напылённого материалов, производят оплавление покрытия пламенем горелки, либо токами высокой частоты. При плазменном напылении оплавление кулачков и других поверхностей производят в печи. Недостатком этих технологий является необходимость тщательной подготовки напыляемых поверхностей а также наличие дополнительной операции оплавления, что увеличивает трудоёмкость технологического процесса. Кроме этого нерациональные потери порошка достигают 30 %.

Технологии восстановления кулачков распределительных валов и валов топливных насосов лазерной наплавкой содержат операции наплавки, правки, чернового и чистового шлифования. Присадочный материал в виде обмазки наносят на изношенную поверхность и оплавляют лучом лазера. Основным компонентом обмазки является смесь порошков на основе никеля и железа. Наплавленные поверхности имеют высокие эксплуатационные свойства. Однако технологии не нашли широкого применения по причине высокой стоимости оборудования и низкой производительности. Например, при наплавке порошка ПГ-ФБХ6-2 лазером с диаметром луча 3 мм и мощностью 700...800 Вт хорошее качество поверхности обеспечивается при скорости наплавки 1...3>мм/с.

Наиболее широкое распространение получила технология восстановления кулачков газопламенной наплавкой. Процесс состоит из операций подготовки поверхностей под наплавку, наплавки, правки, шлифования. Наплавку производят вручную ацетиленокислородной горелкой порошками ПР-Н70Х17С4Р4; ПР-Н77Х15СЗР2. Фирма «Castolin-Eutektik» рекомендует для этой цели порошок ВOROТЕС 10009. Эта технология, как и предыдущая, может быть использована как при наплавке всего профиля, так и при наплавке вершины кулачка. Газопламенную наплавку использовали на Щекинском РТП для восстановления распределительных валов двигателей СМД-14, СМД-62. К недостаткам технологии относятся: отпуск неизношенных кулачков, расположенных рядом с наплавляемыми, а также большая радиальная деформация вала, достигающая 1,5... 1,8 мм.

Из проведённого анализа способов восстановления кулачков распределительных валов, их преимуществ, недостатков, а также условий работы пары кулачок-толкатель, можно сделать вывод. В настоящее время нет рационального способа восстановления, который мог бы одновременно совместить в себе высокую производительность, экономичность, а также возможность обеспечить высокую износостойкость не только кулачка, но и сопряженного с ним толкателя.

Одним из путей повышения износостойкости кулачков является внедрение прогрессивных технологий их упрочнения на стадии изготовления.

Ведущими фирмами в этом направлении являются «Хонда» и «Тойота», которые используют плазменную и лазерные технологии. В нашей стране для этой цели разрабатывалась электронно-лучевая технология. Таким образом, вопрос восстановления кулачков распределительных валов остаётся актуальным, и будет более остро стоять по мере увеличения энергонасыщенности двигателей.