SU1731567A1 - Способ изготовлени шатуна - Google Patents

Abstract

Использование: при конструировании разъемных головок шатунов и подшипниковых опор, устанавливаемых в разъемных корпусах. Сущность изобретени : после ст гивани  болтами 3 крышки 2 и стержн  1 вдоль продольной оси 18 шатуна прикладываетс  нагрузка на сжатие крышки и стержн , а по поверхности отверсти  5 под подшипник осуществл ют местный нагрев зон 17 до температур не ниже температуры начала оекристаллизации материала, выдержку при этой температуре, охлаждение до температуры не выше температуры начала рекристаллизации и сн тие нагрузки с

Description

Изобретение относитс  к машиностроению , а точнее к конструированию разъем- ных головок шатунов поршневых двигателей и других агрегатов, имеющих подшипники, устанавливаемые в разъем- ных корпусах.

Известен способ изготовлени  шатуна, имеющего разъемную шатунную головку, образуемую стержнем и крышкой шатуна, включающий механическую обработку по- верхностей разъема крышки и стержн  шатуна , причем поверхности разъема выполн ютс  перпендикул рно продольной оси крышки и стержн  шатуна, скрепление крышки и стержн  болтами, опирающимис  на бобышки, и последующую обработку поверхности отверсти  под подшипник коленчатого вала 1. При действии рабочих нагрузок (инерционные силы) крышка и стержень шатуна испытывают раст гивающие усили , направленные вдоль продольной оси шатуна. На наружной поверхности деталей в зоне концентратора напр жений (зона перехода от бобышек под болты к телу деталей) возникают раст гива- ющие напр жени . Упом нутый концентратор  вл етс  опасной в смысле усталости зоной крышки и стержн . Наиболее опасной зоной может быть концентратор либо крышки, либо стержн . Под действием мно- гократно повтор ющихс  усилий от рабочей нагрузки в концентраторах возникают усталостные трещины, что ограничивает долговечность шатуна.

Наличие высоких значений раст гиваю- щих напр жений в зонах перехода от бобышек под болты к телу крышки и стержн  шатуна  вл етс  существенным недостатком известного способа изготовлени  шатуна ,

Указанный недостаток устранен в способе обработки деталей машин, в том числе крышки и стержн  шатуна 2. Такой способ применительно к детал м шатуна может иметь два варианта использовани .

I вариант. Крышка и стержень изготавливаютс  отдельно.

В соответствии с этим способом в крышке и стержне провод т предварительную обработку отверсти  под подшипник коленчатого вала, устанавливают деталь с

опорой на бобышки под болты, прикладывают вдоль продольной оси детали нагрузку, совпадающую по направлению с рабочей и величиной, создающей в опасных зонах перехода от бобышек к телу деталей напр же- ни  не менее разности максимальных разрушающих напр жений и предела выносливости материала детали. В нагруженном состо нии провод т местный нагрев токами высокой частоты (ТВЧ) зон действи  раст гивающих напр жений (концентраторов напр жений в упом нутых опасных зонах ) до температуры не ниже температуры рекристаллизации материала, охлаждение в напр женном состо нии до температуры не выше температуры начала рекристаллизации материала, а затем нагрузку снимают. В результате такой обработки крышка и стержень имеют остаточную напр женность с действием в зонах перехода от бобышек под болты к телу крышки или стержн  предварительных сжимающих напр жений.

При действии рабочей нагрузки опасные раст гивающие напр жени  снижаютс  на величину предварительно наведенных напр жений сжати .

Крышка и стержень в статическом состо нии сохран ют деформацию в сторону действи  рабочей нагрузки, плоскости разъема и опорные поверхности бобышек повернуты в сторону их деформации при действии рабочей нагрузки. Поэтому необходима механическа  обработка, восстанавливающа  правильное геометрическое очертание деталей: обработка опорных поверхностей, отверстий под болты, опорных плоскостей бобышек.

Съем металла в зонах упрочнени  снижает положительный эффект известного способа, что  вл етс  недостатком. При использовании известного способа без дополнительной механической обработки сохран етс  искаженна  геометри  поверхностей бобышек, поверхностей разъема и отверстий под болты, что затрудн ет сборку шатуна. Кроме того, поверхности разъема в этом случае сохран ют уклон в сторону отверсти  под подшипник коленчатого вала. При ст гивании болтами и деформировании крышки и стержн  в зонах концентрации по вл ютс  раст гивающие напр жение и

предварительно наведенные сжимающие напр жени  уменьшаютс . Это  вл етс  недостатком известного способа.

II. Вариант. Крышка и стержень ст гиваютс  болтами.

В соответствии с этим способом провод т предварительную расточку отверсти  под подшипник коленчатого вала в крышке и стержне шатуна, ст гивают их болтами, опирающимис  на бобышки, прикладывают вдоль продольной оси шатуна нагрузку, совпадающую по направлению с рабочей и величиной , создающей в опасных зонах перехода от бобышек к телу крышки и стержн  напр жени  не менее разности максимальных разрушающих напр жений и предела выносливости материала детали, затем местно нагревают ТВЧ в нагруженном состо нии концентраторы напр жений до температуры не ниже температуры рекристаллизации материала, охлаждают до температуры не выше температуры начала рекристаллизации материала, а затем нагрузку снимают, В результате такой обработки в зонах концентрации напр жений создаютс  предварительные напр жени  сжати , а при действии рабочих нагрузок опасные раст гивающие напр жени  снижаютс  на величину этих предварительно наведенных напр жений.

В статическом состо нии крышка и стержень сохран ют деформации в сторону действи  раст гивающей рабочей нагрузки, поэтому бобышки, а значит, и опорные поверхности головок и гаек болтов имеют угловое отклонение в сторону от отверсти  под подшипник коленчатого вала.

Существенным недостатком в этом случае  вл етс  техническа  трудность проведени  местного нагрева ТВЧ зон перехода от бобышек к телу крышки и стержн  шатуна . Это св зано с непосредственным расположением на опорных площадках бобышек головок и гаек болтов, подвергать которые тепловому воздействию до температуры ре- кристаллизационных процессов нецелесообразно , что ведет к ослаблению зат жки и снижению прочности болтов. Другим недостатком  вл етс  то, что в случае действи  технологической раст гивающей нагрузки болты изгибаютс  в сторону от отверсти  под подшипник коленчатого вала, т.е. в ту же сторону, что и от действи  рабочей нагрузки . Поэтому при действии рабочей нагрузки напр жени  от предварительного изгиба болтов суммируютс  с рабочими раст гивающими и изгибными напр жени ми, что вызывает снижение долговечности болтов .

Общим недостатком использовани  известного способа по рассмотренным выше вариантам изготовлени  шатуна  вл етс 

5 то, что местный нагрев не позвол ет получить полную идентичность по механическим характеристикам объемов местного нагрева и непрогретого объема крышки и стержн . Св зано это со спецификой прогрева ТВЧ локальных зон. Так, если крышка и стержень подвергаютс  объемной термической обработке - улучшению (закалка, высокий отпуск), то выполнить аналогичную термообработку зон концентрации с по- мощью ТВЧ технически трудно. Св зываетс  это с тем, что при поверхностном нагреве и охлаждении наиболее интенсивно нагреваютс  и охлаждаютс  концентраторы в виде выступов, нагружных углов, краев

0 отверстий, а наименее интенсивно - из-за теплоотвода в тело детали концентраторы напр жений в виде впадин, внутренних углов , галтелей и т.д. Это не позвол ет провести равномерную закалку концентраторов

5 на нужную твердость. В то же врем  на выступающих концентраторах по вл ютс  закалочные трещины, внос щие дополнительную дефектность в зоны веро тного разрушени  при эксплуатации. Таким обра0 зом, неравномерный нагрев зон перехода от бобышек к телу крышки и стержн   вл етс  недостатком известного способа изготовлени  шатуна по двум вариантам.

Существенным недостатком способов

5 дл  двух вариантов изготовлени  шатуна  вл етс  то, что в статическом состо нии при действии в концентраторах предварительно наведенных сжимающих напр жений по общему сечению расположени  концентрато0 ра действуют раст гивающие напр жени , вызванные тем, что прикладываема  нагрузка совпадает по направлению с рабочей , а крышка или стержень шатуна остаютс  деформированными после сн ти 

5 нагрузки, т.е. сохран ют остаточную напр женность по схеме приложени  рабочей нагрузки .

Указанные недостатки, св занные с наличием высоких значений раст гивающих

0 напр жений при нагружении шатуна в эксплуатации , не позвол ют повысить нагру- женность шатуна.

Целью изобретени   вл етс  повышение нагрузочной способности шатуна путем

5 снижени  раст гивающих напр жений в крышке, стержне и болтах.

Цель достигаетс  тем, что по способу изготовлени  шатуна, включающему сборку крышки и стержн  шатуна, черновую и чис0 товую обработку отверсти  под подшипник коленчатого вала, приложение нагрузки, местный нагрев в нагруженном состо нии до температуры не ниже температуры рекри- стиллизации материала, выдержку при этой температуре, охлаждение до температуры не выше температуры рекристаллизации материала и последующее сн тие нагрузки, нагрузку прикладывают по продольной оси шатуна на сжатие крышки и стержн , местный нагрев выполн ют по поверхности расточки под подшипник коленчатого вала в зоне продольной оси шатуна, ограниченной радиальными сечени ми наименьшей площади , проход щими через концентраторы напр жений на участках перехода от бобышек под болты к телу крышки и стержн  шатуна, а чистовую обработку отверсти  под подшипник коленчатого вала осуществл ют после сн ти  нагрузки.

Принципиальное отличие за вл емого способа от известного заключаетс  в том, что крышку и стержень нагружают вдоль оси шатуна сжимающими усили ми, а местному нагреву под нагрузкой подвергают отверстие под подшипник коленчатого вала. При этом зону прогрева располагают симметрично относительно оси крышки и стержн  в предел ах углового расположени  радиальных сечений наименьшей площади по концентраторам напр жений в зонах перехода от бобышек под болты к телу крышки и стержн .

При приложении нагрузки, направленной вдоль продольной оси шатуна на сжатие крышки и стержн , последние деформируютс  так, что в сечени х концентраторов напр жений (зоны перехода от бобышек к телу деталей) и в самих концентраторах возникают сжимающие напр жени . Болты, ст гивающие крышку и стержень, изгибаютс  в сторону отверсти  под подшипник коленчатого вала и в них возникают изгибающие напр жени , противоположные тем изгибным напр жени м, которые возникают при действии рабочей нагрузки на шатун, когда болты изгибаютс  в сторону от отверсти  под подшипник коленчатого вала.

При местном нагреве поверхности отверсти  под подшипник до температуры выше температуры начала рекристаллизации материала напр жени  в объеме нагретого металла устран ютс . После охлаждени  и последующего сн ти  нагрузки упруго деформированный объем метапла, не подвергшийс  местному нагреву, стремитс  вернутьс  в ненапр женное исходное состо ние , вызыва  деформирование прогретого и охлажденного объема.

После сн ти  нагрузки объемы металла, подвергшегос  рекристаллизационному нагреву , остаютс  упруго деформированными и испытывают напр жени , противоположные напр жени м от рабочей нагрузки. Так же нагружены концентраторы и радиальные

сечени  их расположени , имеющие наименьшую площадь.

После сн ти  нагрузки болты также остаютс  деформированными, испытыва  напр жени  изгиба, противоположные

0 напр жени м от изгиба под действием рабочей нагрузки.

При реализации за вл емого способа из-за теплового расширени  крышки и стержн  возникает дополнительна  нагрузка на

5 болты. Возможны обм тие шероховатостей поверхностей и некоторое ослабление усили  зат жки болтов. Дл  устранени  этого целесообразно выполнение дозат жки болтовых соединений моментом зат жки, уста0 новленным по условию нераскрыти  стыка. При рабочих нагрузках на шатун в радиальных сечени х расположени  концентраторов крышки и стержн  раст гивающие напр жени , вызывающие разрушение ма5 териала, снижаютс  на величину предварительно наведенных здесь напр жений сжати . Так же и в болтах: рабочие изгибные напр жени  снижаютс  на величину предварительно наведенных здесь изгибных на0 пр жений противоположного знака. При рабочих нагрузках болты деформируютс  так что вначале устран тс  предварительный изгиб, затем болты приобретают пр молинейное очертание, а затем изгибаютс  в

5 сторону от отверсти  под подшипник коленчатого вала. Окончательный изгиб болтов уменьшен на величину их предварительного изгиба в статическом состо нии.

Проведение термической обработки по0 верхности отверсти  под подшипник коленчатого вала с помощью ТВЧ наиболее приемлемо с технической точки зрени , так как поверхность не имеет резкого изменени  геометрического очертани  и местный

5 нагрев можно провести равномерно по поверхности отверсти .

Учитыва , что рекристаллизационный местный нагрев поверхности под подшипник коленчатого вала может повли ть на

0 прочностные свойства болтов, расположенных в непосредственной близости от отверсти  под подшипник, а также то, что местный рекристаллизационный прогрев может изменить механические свойства ма5 териала в радиальных сечени х наименьшей площади по конценторам напр жений, местный нагрев целесообразно выполн ть симметрично относительно продольной оси крышки и стержн  в пределах углового расположени  упом нутых сечений.

Предварительное наведение сжимающих напр жений сопровождаетс  некоторым искажением правильного геометрического очертани  обработанных поверхностей, в частности отверсти  под подшипник коленчатого вала. Дл  восстановлени  геометрии отверсти  под установку подшипника коленчатого вала необходимо проведение чистовой обработки после сн ти  нагрузки.

Снижение напр женности крышки, стержн , и болтов повышает надежность шатуна и позвол ет повысить нагруженность шатунов без увеличени  их массы и без снижени  надежности,

Пример конкретного исполнени  способа .

На чертеже показана разъемна  кривошипна  головка шатуна.

Шатун имеет стержень 1, крышку 2, болты 3, установленные в отверсти х 4 и 5 так, что они центрируют своими посадочными по сками 6 крышку 2 и стержень 1. Болты 3 головками опираютс  на опорные площадки 7 бобышек и зат нуты гайками 8, опирающимис  на опорные площадки 9 крышки 2 через шайбы 10. Болты зат нуты усилием, гарантирующим нераскрытие стыка (разъем ) 11 стержн  1 и крышки 2 под действием рабочего усили . Опорные площадки 7 и 9 бобышек образуют в теле крышки 2 концентратор 12 напр жений, а в теле стержн  1 - концентратор 13 напр жений. В крышке выполнена поверхность 14, а в стержне - поверхность 15, образующие отверстие 16 под подшипник коленчатого вала (на чертеже не показан). На внутренней поверхности отверсти  Т.6 имеетс  зона 17 местного нагрева , расположенна  симметрично относительно продольной оси 18 шатуна, котора  одновременно  вл етс  продольной осью крышки и стержн . Концентратор 13 напр жений в зоне перехода от бобышек под болты к телу стержн  1 расположен в полоскости радиальных сечений А-А наименьшей площади. Концентратор 12 напр жений в зоне перехода от бобышек под болты к телу крышки 2 расположен в плоскости радиальных сечений Б-Б наименьшей площади.

Изготавливалс  шатун дизельного двигател  мощностью 80 л.с. с номинальной частотой вращени  1500 об/мин. Стержень и крышка шатуна изготавливались из стали 40Х и имели размеры: стержень 265 х 108 х х 46 мм, крышка 108x46x60 мм. Термообработка - улучшение, НВ 217...290, о 800 МПа. Болты с резьбой М14х1,5 и гайки с шайбами изготавливались из стали 40Х. Термообработка - закалка, отпуск,

HRC 35...38. Продольные оси крышки, стержн  и шатуна в целом совпадали.

При работе шатуна в двигателе рабоча  нагрузка, вызывающа  по вление раст ги- вающих напр жений в зонах концентраторов крышки и стержн , определ етс  на крышку силой инерции Н, на стержень силой инерции 2, Н.

Наибольшие напр жени  в концентра0 торах крышки 380 МПа. стержн  310 МПа.

Предел выносливости материала крышки и стержн  при пульсирующем цикле изменени  напр жений Or 420 МПа на базе 2-107 цикл.

5 Изготовление шатуна проводили следующим образом.

Заготовку, имеющую конфигурацию шатуна , получали штамповкой. Приводили предварительную расточку отверсти  16 ди0 аметром 77,5 мм. Затем по диаметральному сечению шатунной головки, ориентированному перпендикул рно продольной оси 18 шатуна, заготовку разрезали с образованием стержн  1 и крышки 2 шатуна. На базе

5 полученных поверхностей разъема 11 выполн ли цекование опорных площадок 7 и 9 бобышек крышки 2 и стержн  1 так, чтобы опорные площадки были ориентированы параллельно поверхности разъема 11. Пере0 ход стопорных площадок 7, 9 к телу деталей выполн лс  в виде угловых переходов - концентраторов 12 и 13 напр жений с радиусом сопр жений 0,2...0,3 мм.

Отверсти  4, 5 под болты обрабатывали

5 так, чтобы они были ориентированы перпендикул рно плоскости разъема 11. Затем проводили шлифование поверхностей разъема 11 крышки 2 и стержн  1 шатуна на базе опорных площадок 7 и 9 бобышек. В свобод0 ные отверсти  4 и 5 вставл ли болты 3, которые центрируют стержень 1 и крышку 2 по посадочным по скам 6 так, что продольные оси симметрии крышки и стержн  совпадают , образу  продольную ось 18 шатуна. На

5 болты надевали шайбы 10 и зат гивали гайками 8 фиксированным моментом зат жки 190 Н М, обеспечивающим условие нераскрыти  стыка под действием рабочих нагрузок . После зат жки гаек к крышке и стержню

0 шатуна вдоль продольной оси 18 прикладывали сжимающую нагрузку, величина которой определ лась на основании расмотрени  напр женности зон концентрации напр жений в крышке 2 и стержне 1

5 шатуна.

Форма деталей такова, что при рабочей нагрузке в зонах концентрации действуют раст гивающие напр жени .

Было решено повысить нагруженность двигател  по номинальной частоте вращени  до 2200 об/мин (в 1,46 раза). Тогда рабочие нагрузки составили на крышку 2,92 -104 Н, на стержень 4,08-Ю4 Н.

Наибольшие раст гивающие напр жении в концентраторах составили в крышке 554 МПа (7макс, в стержне 453 МПа сгмакс.

Наиболееопасным местом, ограничивающим долговечность шатуна в целом,  вл етс  сечение расположени  концентратора в крышке шатуна.

Превышение действующих напр жений над величиной предела выносливости (сгг 420 МПа) определило необходимость наведени  в опасных сечени х крышки таких предварительных сжимающих напр жений, величина которых достаточна дл  снижени  рабочих раст гивающих напр жений до безопасного уровн , т.е. до значени  предела выносливости материала крышки.

Величина требуемых предварительных сжимающих напр жений Стсж ((7мзкс - Or) - - (554-420) -134 МПа. Тогда уровень действующих раст гивающих напр жений соответствовал безопасному значению предела выносливости материала Омакс 420 МПа.

Цл  повышени  надежности путем дальнейшего понижени  уровн  действующих раст гивающих напр жений величина предварительных сжимающих напр жений можетустанавливатьс  такой, чтобы результирующее рабочее напр жение было меньше значени  предела выносливости.

По результатам рассмотрени  напр женности устанавливалась экспериментальнымподборомвеличина технологической нагрузки, при которой после выполнени  последующих приемов в крышке устанавливалось требуемое значение предварительных сжимающих напр жений . Величина усили  при расположении зоны 17 местного нагрева симметрично относительно продольной оси

шатуна в

пределах углового расположени  радиальных сечений А-А и Б-Б по концентраторам 12 и 13 (угол а 45°) составл ла 1,3-103Н.

При приложении сжимающей нагрузки крышка и стержень упруго деформировались так, что в концентраторах 12, 13 и в радиальных сечени х А-А и Б-Б их расположени  возникали сжимающие напр жени , а на поверхност х 14, 15 отверсти  16 под подшипник коленчатого вала - раст гивающие . Бобышки и болты 3 крышки и стержн  деформировались в сторону отверсти  16 под подшипник коленчатого вала, т.е. в сторону , противоположную их изгибу при рабочей нагрузке.

Проводили местный нагрев ТВЧ поверхностей 14 и 15 отверсти  16 на глубину

3,0...3,5 мм с расположением зоны 17 прогрева симметрично относительно продольной оси 18 шатуна в пределах углового расположени  радиальных сечений А-А и

Б-Б по концентраторам 12, 13 напр жений. Такое ограничение необходимо дл  предотвращени  разупрочн ющего действи  местного нагрева на термически обработанный материал в радиальных сечени х концентраторов , дл  предотвращени  чрезмерного нагрева участков болтов 3, расположенных в отверсти х 4 и 5 вблизи поверхности разъема 11 крышки и стержн . Этот нагрев может ослабить зат жку болтов и повли ть на

прочностные свойства их материала, подвергнутого закалке и отпуску.

Температура нагрева составл ла 600°С, что превышает температуру начала рекристаллизации стали (450°С).

Затем в нагруженном состо нии детали охлаждались до температуры ниже температуры начала рекристаллизации стали (450°С). В результате под нагрузкой в объеме металла, подвергнутого местному нагреву , напр жени  отсутствуют при действии в других объемах упругих деформаций.

В последующем нагрузку снимали. Под действием сил упруго деформированных объемов, не подвергнутых нагреву, крышка

и стержень стремились вернутьс  в ненапр женное состо ние, деформиру  при этом зоны местного нагрева. В результате после сн ти  нагрузки все объемы приобретают остаточную напр женность: в объемах, подвергнутых местному нагреву, после распре- делени  напр жений соответствует напр жени м при действии рабочих нагрузок; в объемах, не подвергнутых местному нагреву, в том числе и в зонах концентрации , поле распределени  напр жений противоположно напр жени м при действии рабочих нагрузок.

Так как при местном нагреве зон ы от- версти  16 возможны нагрев болтов 3 свыше 300°С и св занные с этим релаксационные процессы, после проведени  местного нагрева выполн ли дозат жку болтов тарированным моментом зат жки 190 Н-м, соответствующим номинальному значению. При рабочих нагрузках нагружение болтов 3 проходило так, что предварительно изогнутые в сторону, противоположную их изгибу при рабочих нагрузках, болты снача- ла приобрели пр молинейное очертание, а затем изгибались в сторону их изгиба от действи  рабочей нагрузки. По сравнению с известным способом изгиб болтов при рабочей нагрузке был уменьшен, а значит, и результирующие напр жени  снижены.

Claims (1)

1. Таким образом, нагрузочна  способность шатуна повышена за счет того, что в крышке и стержне шатуна в зонах концентрации напр жений и в радиальных сечени х их расположени  рабочие раст гивающие напр жени  снижены на величину предварительных наведенных здесь сжимающих напр жений, а болты имеют под нагрузкой уменьшенный изгиб, а значит, и пониженную напр женность опасных сечений. Формула изобретени  Способ изготовлени  шатуна, включающий сборку крышки и стержн  шатуна, черновую и чистовую обработку отверсти  под подшипник коленчатого вала, применение нагрузки, местный нагрев в нагруженном состо нии до температуры не ниже температуры рекристаллизации материала шатуна , выдержку при этой температуре, охлаждение до температуры не выше температуры рекристаллизации материала и последующее сн тие нагрузки, отличающ и и с   тем, что, с целью повышени  нагрузочной способности шатуна, нагрузку прикладывают по продольной оси шатуна дл  сн ти  крышки и стержн , мест-ный нагрев производ т по поверхности расточки

   под подшипник коленчатого вала в зоне продольной оси шатуна, ограниченной радиальными сечени ми наименьшей площади , проход щими через концентраторы напр жений на участках перехода от бобышек под болты к телу крышки и стержн  шатуна, а чистовую обработку отверсти  под подшипник коленчатого вала ведут после сн ти  нагрузки.