Дизельный двигатель ЗМЗ-617 жидкостного охлаждения с разработкой системы топливоподачи

- Конструкция

Корпус насос-форсунки одновременно является и гильзой плунжера. В корпусе выделена консоль под электромагнитный клапан 1 высокого давления, который связан внутренними каналами с камерой 5 высокого давления (она же камера плунжерной пары) и распылителем 6. Внешняя форма корпуса выполнена так, чтобы насос-форсунка в головке блока цилиндров крепилась с помощью прижимной скобы 9. Возвратная пружина 2 через специальную втулку давит на плунжер насос-форсунки в сторону, противоположную действию коромысла 7 и кулачка 8, и по окончании впрыскивания возвращает плунжер в исходное положение.

Насос-форсунка функционально разделяется на следующие элементы:

- Система создания высокого давления

Основными конструктивными элементами для создания высокого давления являются гильза насос-форсунки, выполненная в корпусе 4 (рис. 7.8.), с плунжером 3 и возвратной пружиной 2.

- Электромагнитный клапан высокого давления

Этот клапан регулирует момент начала и продолжительность впрыскивания. Он состоит из следующих основных деталей катушки 10, иглы 8 клапана, якоря 9, сердечника и пружины 26 электромагнитного клапана.

- Распылитель

Распылитель 20 дозирует топливо и распыляет его по всему объему камеры сгорания, чем в конечном итоге определяется протекание процесса впрыскивания. Распылитель соединен с корпусом насос-форсунки гайкой 19.

7.3.2 Принцип действия

- Основное впрыскивание

Рабочий процесс как насос-форсунок, так и системы механических индивидуальных ТНВД с электромагнитным клапаном можно подразделить на четыре основных этапа:

- Ход наполнения (а)

Плунжер 2 насоса движется вверх под действием возвратной пружины 3. Топливо под постоянным давлением перетекает из контура низкого давления через канал 7 в камеру б электромагнитного клапана, который в этот момент открыт. Через соединительные каналы оно направляется в камеру 4 высокого давления (она называется также надплунжерным объемом).

- Предварительный ход плунжера от НМТ до перекрытия впускного отверстия

Плунжер при повороте кулачка 1 привода движется вниз. Электромагнитный клапан открыт, и излишнее топливо через канал 8 обратного слива выдавливается плунжером в полость низкого давления.

- Ход нагнетания и процесс впрыскивания (с)

Блок управления подает напряжение на катушку 9 электромагнита в определенный момент, так что игла клапана садится на седло 10 и прерывает связь между контурами высокого и низкого давления. Этот момент называют электрическим началом впрыскивания (см. разд. «Электронное управление и регулирование»). Втягивание иглы электромагнитного клапана ведет к изменению силы тока в катушке. Этот момент определяется блоком управления (распознавание момента начала впрыскивания). Таким образом, определяется истинный момент начала подачи, учитываемый при расчете последующего процесса впрыскивания.

Давление топлива в камере высокого давления при движении плунжера повышается, как и в канале распылителя.

Как только давление открытия форсунки достигает величины порядка 300 бар, игла 11 распылителя поднимается и топливо впрыскивается в камеру сгорания (действительное начало впрыскивания, или момент начала впрыскивания). Благодаря интенсивному движению плунжера давление в течение всего процесса впрыскивания повышается.

Остаточный ход плунжера от начала открытия форсунки до ВМТ (с1) Через некоторое время (период запаздывания) после отключения электромагнита клапан открывается, восстанавливая связь между контурами высокого и низкого давления.

В переходной фазе между ходами с и с! возникает давление впрыскивания. Оно составляет, в зависимости от типа насос-форсунок, по максимальному давлению величину порядка 1800-2050 бар. Когда электромагнитный клапан открывается, это давление быстро стравливается. Как только оно достигнет величины, достаточной для закрытия распылителя, процесс впрыскивания заканчивается.

Пока плунжер не достиг положения, соответствующего вершине кулачка привода, топливо продолжает нагнетаться. Его излишки поступают через канал обратного слива в контур низкого давления.

Система индивидуальных ТНВД является безопасной сама по себе, т. е., даже в случае непредусмотренной ошибки, она может выдать не более одного неконтролируемого цикла впрыскивания. Если электромагнитный клапан останется открытым, впрыскивание не начнется, поскольку топливо перетечет в контур низкого давления.

Так как наполнение камеры высокого давления происходит исключительно с помощью электромагнитного клапана, при полностью закрытом клапане топливо в камеру не поступает. В этом случае возможен лишь единичный цикл впрыскивания.

Насос-форсунка, установленная в головку блоки цилиндров, подвергается воздействию высоких температур. Для охлаждения используется избыточное топливо, проходящее по контуру низкого давления.

Благодаря специально принятым мерам на стороне подвода топлива к насос-форсункам различие в температуре горючего по цилиндрам минимизировано.

- Предварительное впрыскивание

В насос-форсунках легковых автомобилей для уменьшения шума и уровня эмиссии ОГ используется предварительное впрыскивание топлива, управляемое гидромеханическим способом. Его можно разделить на четыре рабочих этапа:

- Начальное состояние (а)

Игла 7 распылителя и плунжер 3 аккумулятора (называемый также выравнивающим поршнем) сидят в своих седлах. Электромагнитный клапан открыт, из-за чего увеличение давления невозможно.

- Начало предварительного впрыскивания (b)

Когда электромагнитный клапан закрывается, давление начинает увеличиваться. По достижении давления, достаточного для открытия форсунки, игла распылителя поднимается, и начинается предварительное впрыскивание топлива. В этой фазе ход иглы с помощью демпфирующего объема ограничивается гидравлическим противодействием.

- Конец предварительного впрыскивания (с)

При дальнейшем повышении давления плунжер аккумулятора поднимается со своего седла. Между собой соединяются камера высокого давления 2 и аккумулирующий объем 4. Происходящее при этом падение давления и одновременное увеличение предварительного натяжения пружины 5 определяют момент закрытия распылителя иглой, после чего предварительное впрыскивание оканчивается.

Величина подачи при предварительном впрыскивании составляет порядка 1,5 мм³ и определяется давлением открытия плунжера 3. Временной промежуток между предварительным и основным впрыскиванием определяется в основном величиной хода плунжера аккумулятора.

- Основное впрыскивание (d)

Продолжающееся движение плунжера повышает давление в камере над ним. При достижении определенного давления открывается распылитель форсунки и начинается основное впрыскивание. Давление в этот момент доходит до 2050 бар. С открытием электромагнитного клапана период основного впрыскивания заканчивается. Игла распылителя и плунжер аккумулятора возвращаются в исходное положение.

7.4 Схема системы насос-форсунок для легковых автомобилей

На плакате №8 в полном объеме показаны все агрегаты системы впрыска с насос-форсунками для дизеля легкового автомобиля. В зависимости от типа автомобиля и условий применения отдельные узлы могут не использоваться.

Для более наглядного представления, сенсоры и исполнительные механизмы (А) на этой схеме не представлены. Исключение составляют компоненты системы очистки ОГ (Р), поскольку их расположение важно для понимания работы системы.

С помощью шины САN в блоке «Панель приборов» (В) возможен обмен информацией между самыми различными агрегатами и системами, такими как:

* стартер;

* генератор

* электронное противоугонное устройство;

* управление дополнительными приводами;

* регулирование противобуксовочным устройством;

* электронный программатор стабилизации.

К шине САN могут подключаться также панель приборов 12 и климатическая установка 13.

Для очистки ОГ может использоваться любая из трех возможных комбинированных систем (а, b или с).

Описание плаката №8 «Схема системы насос-форсунок»

24.Аккумулятор

25. Распределительный вал

26. Насос-форсунка

27. Свеча накаливания

28. Дизель

29. Блок управления двигателем (ведущий)

30. Блок управления двигателем (ведомый) М - крутящий момент

А Датчики и исполнительные механизмы

1. Датчик положения педали газа

2. Датчик выключения сцепления

3. Контакты тормозов (2)

4. Задающие элементы регулятора скорости автомобиля

5. Включение свечи накаливания (выключатель стартера и свеч накаливания)

6. Датчик скорости автомобиля

7. Индуктивный датчик частоты вращения коленчатого вала

8. Датчик температуры охлаждающей жидкости

9. Датчик температуры воздуха на впуске

10. Датчик давления во впускном трубопроводе

11. Датчик массового расхода воздуха на впуске

В Панель приборов

12. Комбинированная панель с сигнализацией расхода топлива, частоты и т.д.

13. Панель управления компрессором кондиционера

14. Диагностический дисплей

15. Прибор управления временем включения свечей накаливания

Шина САЫ (серийный интерфейс на автомобиле)

С Снабжение топливом (контур низкого давления)

16. Топливный фильтр с перепускным клапаном

17. Топливный бак с фильтром грубой очистки и электрическим топливоподкачивающим насосом

18. Датчик уровня топлива

19. Радиатор топлива

20. Клапан ограничения давления топлива

О Дополнительные системы

21. Дополнительное дозирование

22. Дополнительный контрольно-управляющий прибор

23. Дополнительный бак

Е Снабжение воздухом

31. Охладитель рециркулирующихОГ

32. Регулятор давления наддува

33. Турбонагнетатель (здесь - с изменяемой геометрией турбины)

34. Заслонка впускного трубопровода

35. Регулятор рециркуляции

36. Вакуумный насос

Р Очистка отработавших газов

37. Датчик температуры ОГ

38. Нейтрализатор окислительный

39. Сажевый фильтр

40. Датчик перепада давлений

41. Подогреватель ОГ

42. Датчик уровня М0_х

43. Широкополосный лямбда-зонд

44. Аккумулирующий нейтрализатор РЮ_Х

45. Двухрежимный лямбда-зонд

46. Каталитически очищаемый сажевый фильтр

8. ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО УРВОВНЯ ПРОЕКТИКУЕМОГО ДВИГАТЕЛЯ

8.1 Обзор и выбор критериев оценки

Для обеспечения высоких технико-экономических показателей проектируемого двигателя, его перспективности и конкурентоспособности необходима объективная оценка возможного технического уровня конструкции на всех этапах ее разработки и производства. Это, в свою очередь, требует информации о мировом уровне научных и технологических достижений, а также прогнозирования изменения различных показателей двигателей в пределах жизненного цикла проектируемой конструкции (не менее чем на 10... 15 лет).

Для оценки технического уровня различной продукции за методическую основу может быть взят ГОСТ 15467-79 «Управление качеством продукции. Основные понятия, термины и определения», положения которого носят рекомендательный характер. Однако в двигателестроении этот стандарт в полном объеме практически не применяется. Поэтому рассмотрим только его основные определения.

Технический уровень продукции - относительная характеристика качества продукции, основанная на сопоставлении значений показателей, характеризующих техническое совершенство оцениваемой продукции, с базовыми значениями соответствующих показателей.

В качестве базовых значений могут приниматься значения показателей качества лучших отечественных и зарубежных образцов или планируемые значения показателей перспективных образцов.

Следует отметить, что при сопоставлении отечественной и зарубежной продукции часто приходится ограничиваться только техническими показателями, поскольку экономические данные для зарубежных образцов, как правило, неизвестны.

Оценка технического уровня продукции - совокупность операций, включающая выбор номенклатуры показателей, характеризующих техническое совершенство оцениваемой продукции, определение значений этих показателей и сопоставление их с базовыми.

Параметр - величина, характеризующая конструктивные особенности двигателя (например: рабочий объем, отношение S/D, степень сжатия и т.п.). Параметры двигателя определяются и обосновываются на этапе его конструирования и остаются неизменными в процессе эксплуатации.

Показатель - величина, характеризующая потребительские свойства двигателя (например: номинальная мощность, максимальный крутящий момент, минимальный удельный эффективный расход топлива и т.п.). Показатели двигателя предварительно задаются (прогнозируются) на этапе его проектирования, достигаются в ходе проведения исследований и подтверждаются сертификационными испытаниями. В процессе эксплуатации показатели двигателя могут изменяться.

Характеристика - функциональная зависимость одной физической величины от другой, позволяющая судить о ходе протекания определенного процесса (например: регулировочная характеристика по составу смеси и т.п.).

При оценке технического уровня конкретной продукции важным и неформальным этапом является выбор показателей, наиболее полно и объективно характеризующих эту продукцию. Согласно ГОСТ 15467-79 рекомендуется определять следующие показатели качества продукции:

- единичный;

- комплексный;

- определяющий;

- интегральный.

Единичный показатель качества продукции характеризует одно из ее свойств. Для двигателя это может быть, например, литровая мощность, величина среднего эффективного давления, наработка двигателя на отказ и т.н.

Комплексный, определяющий и интегральный показатели качества продукции определяются согласно ГОСТ 15467-79 с помощью специальных методик. Эти показатели представляют собой комплексные величины, выражаемые в условных единицах (например в баллах), и реального физического содержания не имеют. К тому же по своей природе они являются в значительной мере относительными и субъективными, поскольку для их определения используются экспертные оценки. Получаемые значения этих показателей во многом зависят от состава и квалификации экспертов, достоверности соответствующих базовых показателей мирового уровня, методики оценки и т.п.

Из-за указанных трудностей определения этих показателей, а также их относительности и субъективности в практике двигателестроения они не используются.

Критериями оценки технического уровня конкретного двигателя были взяты удельные (относительные) показатели:

литровая мощность (кВт/л);

поршневая мощность (кВт/дм);

среднее эффективное давление (МПа);

средняя скорость поршня (м/с);

коэффициент приспособляемости (л);

скоростной коэффициент (µ).

Приведенный список основных показателей далеко не полностью позволяет дать общую характеристику двигателя и оценить его технический уровень. Кроме этого следует учитывать технологические особенности конструкции, уровень унификации, патентную защищенность применяемых технических решений, возможности утилизации и переработки деталей, узлов, эксплуатационных материалов. Полная оценка технического уровня двигателя должна проводиться на основе системного подхода, при котором учитываются все аспекты и взаимосвязи элементов конструкции двигателя, его систем и агрегатов с производством и эксплуатацией. Часто такая оценка представляет собой довольно трудоемкий процесс, осложняемый неполнотой информации по отдельным критериям оценки.

Аналогами называются двигатели, близкие по своим конструктивным параметрам и техническим показателям к проектируемой конструкции.

Прототип - один из аналогов, наиболее близкий по параметрам и показателям к проектируемому двигателю.

В качестве критериев для выявления аналогов и выбора прототипа (при известных данных по числу тактов, типу рабочего процесса и способу охлаждения двигателя) могут быть приняты следующие параметры и показатели:

- номинальная мощность М_{е ном};

- рабочий объем двигателя V_h;

- число и расположение цилиндров;

- ход поршня S и диаметр цилиндра D;

- номинальная частота вращения коленчатого вала п_нoм;

- средняя скорость поршня С_п;

- литровая мощность двигателя Н_л;

- количество клапанов на цилиндр.

8.2 Обработка выбранного массива двигателей аналогов

Возможности современной компьютерной техники позволяют коренным образом изменить процесс поиска двигателей аналогов, значительно ускорить оценку их технического уровня и выявить тенденции развития современного двигателестроения.

Для многофакторного поиска и анализа большого массива информации была использована компьютерная информационно-поисковая система КАД

По согласованию с руководителем проекта было выбрано определенное число показателей проектируемого двигателя и его аналогов, по которым имеются численные значения (литровая мощность, среднее эффективное давление, средняя скорость поршня, скоростной коэффициент, скоростной коэффициент и коэффициент приспособляемости). В соответствии с выбранным количеством показателей п из некоторой центральной точки проводится п лучей, при этом угол между ними составляет 360/n. На каждый из этих лучей наносится шкала соответствующего показателя. При этом, если значение параметра или показателя может быть охарактеризовано понятиями «лучше - хуже», то направление шкалы принимается таким образом, чтобы к центру диаграммы показатели ухудшались, а к периферии - улучшались. В иных случаях направление шкалы не имеет значения.

На полученных шкалах точками отмечаются средние, минимальные и максимальные значения для каждого из оценочных показателей, определенные для двигателей-аналогов с помощью статистических методов. Далее точки минимальных, максимальных и средних значений каждого показателя соединены соответственно пунктирными линиями, что наглядно показывает область возможных значений показателей проектируемого двигателя. В этой же области «звездочками» отмечаются соответствующие значения показателей двигателя-прототипа.

Затем на диаграмме в виде точек отмечаются ожидаемые значения соответствующих показателей разрабатываемого двигателя, и эти точки соединяются сплошной линией.

Получившаяся диаграмма дает возможность быстро и наглядно оценить технический уровень проектируемого двигателя и сравнить его с аналогами и прототипом. При этом в значительной степени исключаются субъективность и условность оценок.

Оценка технического уровня двигателей-аналогов позволяет обоснованно подойти к выбору параметров проектируемого двигателя (рабочего объема, степени сжатия, количества цилиндров и др.) и прогнозированию его основных показателей. При этом появляется возможность учесть тенденции изменения отдельных конструктивных параметров и технических показателей двигателей.

Результаты проведенной оценки технического уровня вынесены в графическую часть дипломного проекта (лист формата А1).



9. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

9.1 Способ обработки распределительного вала

Распределительные валы в зависимости от числа цилиндров и их расположения имеют достаточно сложную конструктивную форму. Они различаются по длине, числу опорных шеек, количеству кулачков и их расположению. Обычно двигатель имеет один распределительный вал с чередующимися по длине опорными шейками, впускными и выпускными кулачками. Существуют конструкции двигателей, имеющие два распределительных вала, на одном из которых кулачки только с профилем "впуска" на другом - "выпуска". Отдельные конструкции распределительных валов имеют центральное отверстие, через которое подводится смазка к трущимся поверхностям опорных шеек.

Все конструкции валов имеют с одного конца (или с двух) фланец или шлицевый конец для установки шестерни. Крайне редко шестерня выполняется за одно целое с валом.

С точки зрения механической обработки распределительные валы относятся к разряду нежестких и нетехнологичных деталей.

Качество изготовления распределительных валов может быть характеризовано следующими параметрами:

- точность диаметров опорных шеек соответствует 6.. .7 квалитетам с допуском некруглости в пределах 0,01 мм;

- относительное биение шеек 0,015 ... 0,025 мм;

- отклонение оси симметрии кулачков относительно оси базового кулачка ±1°;

- шероховатость рабочих поверхностей кулачков 0,63 Ra

- твердость профиля кулачков 57-61 НRС.

Материалом для распределительных валов является в основном сталь 45 селект с содержанием углерода 0,42 .,. 0,47 %, низкоуглеродистые легированные стали с последующей цементацией рабочих шеек и профиля кулачков и чугуны с шаровидной формой графита.

Заготовки стальных распределительных валов получают методом горячей штамповки из круглого или периодически фасонного проката. Заготовки валов из чугуна получают отливкой в оболочковые или песчаные формы.

Базами при механической обработке являются: в радиальном направлении - центровые отверстия; в осевом ~ торец одного из кулачков или торец фланца; в угловом расположении - профиль крайнего кулачка или отверстие под штифт на торце фланца.

Построение схемы технологического процесса распределительных валов в основном определяется объемом выпуска (типом производства) и видом исходной заготовки.

- Для крупносерийного и массового типов производств при штампованной заготовке механическая обработка осуществляется в следующей последовательности:

- обработка торцов и сверление центровых отверстий;

- сверление центрального отверстия (при его наличии);

- предварительное точение опорных и промежуточных шеек с подрезкой торцов шеек и торцов кулачков;

- предварительное точение или фрезерование профиля кулачков;

- сверление, развертывание отверстий под штифт на торце фланца;

- предварительное шлифование рабочих (опорных) шеек, торцов фланца и профиля кулачков;

- сверление радиальных отверстий (при их наличии);

- закалка ТВЧ профиля кулачков;

- чистовое шлифование рабочих шеек и профиля кулачков;

- контроль качества изготовления.

Основной сложностью при обработке длинных стальных валов является их малая жесткость. Под действием усилий резания деталь деформируется, что приводит к несоосности (биению) отдельных поверхностей и "скручиванию" вала - угловому смещению осей профиля кулачков относительно базового отверстия и друг друга.

Обработка торцов, центровых отверстий, опорных шеек, торцов кулачков и шеек в крупносерийном производстве осуществляется на специальных станках. Профили кулачков обрабатываются одновременно на специальных токарно-копировальных полуавтоматах. Для длинных валов используются станки с синхронным приводом передней и задней бабок.

Весьма перспективным методом является обработка наружной поверхности валов на круглофрезерных станках (с системой ЧПУ или по "жесткой" программе) с наружным фрезерованием. За один установ детали могут быть обработаны все шейки, торцы и профили кулачков с прямолинейным или даже вогнутым контуром. С применением профильных фрез одновременно с контуром могут быть обработаны и фаски на кулачках. Это позволяет значительно упростить технологический процесс обработки, уменьшить трудоемкость изготовления и количество оборудования на линии. Внешний вид рабочей зоны станка фирмы "Не11ег" показан на рис. 53.

Шлифование профиля кулачков проводится на специальных копировально-шлифовальных станках, работающих от жесткого копира либо оснащенных системой ЧПУ. В зависимости от конструкции вала и объемов выпуска станки могут быть выполнены с одним абразивным кругом или двумя абразивными кругами для парной обработки смежных кулачков единого профиля.

Шлифование после закалки может осложняться появлением прижогов и трещин на поверхности кулачка. Для предотвращения подобных явлений обработка проводится со съемом наименьших технологических допусков и с обильным охлаждением.

Для достижения требуемой шероховатости проводится полирование рабочей поверхности кулачков и опорных шеек. Обработка выполняется на специальных полировальных станках абразивной шкуркой в виде бесконечной ленты, которая прижимается к поверхностям. При полировании снимается припуск 3 ... 8 мкм.

В мелкосерийном производстве полирование этих поверхностей может выполняться также вручную на токарном станке мелкозернистой абразивной шкуркой.

Центральное отверстие в распределительном вале относится к глубоким отверстиям. Отношение длины сверления к диаметру (17/1) в отдельных конструкциях достигает 40. Обработка таких отверстий весьма затруднительна, так как для обеспечения требуемой разностенности, т.е. для уменьшения "увода" оси отверстия от теоретической оси вала, приходится применять специальные меры, в том числе:

- использование специальных станков для глубокого сверления у которых вращение придается не режущему инструменту, а обрабатываемой детали;

- применение сверл особых конструкций;

- подача СОЖ в зону резания под большим давлением I ... 2 МПа;

- предварительная подготовка направления сверла путем подрезания торца и засверливания отверстия.

Обработка проводится сверлами специальных конструкций, относящихся к типу ружейных и пушечных сверл одностороннего резания. Конструкция сверл во многом определяет производительность резания и качество обрабатываемого отверстия.

В большинстве конструкций подвод СОЖ в зону резания проводится через внутреннее отверстие в головке сверла, а отвод стружки по выточке наружного диаметра.

Режимы обработки и элементы углов резания сверла должны обеспечивать образование дробленой стружки элементного типа.

Профиль и расположение кулачков контролируется с помощью специальных приборов (компараторов) путем сравнения проверяемой детали с эталонным, валом.

Эталонный и контролируемый валы располагаются параллельно друг другу. Индикаторная головка с толкателями и роликами контактируют с кулачками залов. При синхронном вращении валов расстояние Н между толкателями проверяемого и эталонного валов не изменяется, если кулачки имеют подобные профили и углы расположения. При погрешностях формы или расположения, расстояние Н изменится, и стрелка индикатора зафиксирует это отклонение.

9.2 Общая часть

9.2.1 Назначение детали «Распредвал» и узла двигателя

Деталь «Распредвал» входит в состав механизма газораспределения двигателя ЗМЗ-514. Он является унифицированной деталью и используется в двигателях семейства ЗМЗ.

Распределительный вал нужен для превращения его вращательного движения в поступательное движение клапанов. Распредвал устанавливается в головке цилиндров.

9.2.2 Анализ конструкции детали

Деталь «Распредвал» ЗМЗ-514 относится деталям механизма газораспределения. Тело распредвала представляет собой стержень цилиндрического сечения. Стержень переходит в кулачки привода впускных и выпускных клапанов и кулачки привода систем насос-форсунок.

1. Твердость НВ 223 - 262

2. Деталь должна подвергаться дробеметному или другому способу поверхностного упрочнения.

3. Неуказанные ковочные уклоны 7^о, радиусы 3-4 мм.

4. На всех поверхностях распредвала не допускаются трещины, закаты, расслоения, скопления неметаллических включений, раскатанные пузыри, окалины, забоины, коррозия, засоры и заусенцы. Заварка дефектов не допускается. Дефекты получившиеся в следствии не заполнения штампа не допускаются. Следы разъема штампа должны быть зачищены в направлении продольной оси стержня шатуна. Допускаются местные штампованные вмятины глубиной max 0,5 мм. Места зачисток должны иметь пологие края с шероховатостью зачищенных поверхностей R_z = 20 мкм по ГОСТ 2789-73

Основными рабочими поверхностями распредвала являются: поверхность кулачков привода, выполненная в размере 35 Н6, к тому же разбитая на две группы. Межосевое расстояние между поверхностями выполнено по 7 квалитету точности. Кроме того, к самим поверхностям предъявляются жесткие требования по форме и взаимному расположению.

Все конструктивные требования к детали очень жесткие, но они должны быть решены при разработке проектируемого технологического процесса.

9.2.3 Химический состав стали углеродистой качественной конструкционной (ГОСТ 4543-71 ), %

Таблица 9.1

Марка стали	Вес	Содержание элементов, % ( остальное - железо )
45Х	1 гр.	Углерод C	Кремний Si	Марганец Mn	Сера	Фосфор	Хром Cr	Никель Ni
	0,42-0,50	0,17-0,37	0,50-0,80	0,040	0,040	0,25	0,25

Химический состав

Таблица 9.2

ут, МПа	увр, МПа	у5, %	f,%	Qн,	НВ ( не более )
не менее	Дж/см2	горячекатаной	отоженной
360	610	10	40	50	230...280	229
	Закалка,	высокий	отпуск

Механические свойства стали 45Х

Так как к назначению детали «Распредвал» предъявляют высокие требования и деталь работает при высоких переменных нагрузках, то и прочностные свойства металла должны быть совместными.

Сталь 45Х - легированная сталь. Наличие в ней легированных элементов позволяет добиться высоких прочностных свойств.

9.3 Технология обработки

9.3.1 Определение типа производства

Тип производства по ГОСТ 3.1108-74 характеризуется коэффициентом закрепления операций К_3.О.., который показывает отношение числа всех различных технологических операций к числу рабочих мест (станков)

К_3.О. = (1.1)

где О- суммарное количество различных операций;

С_р- число рабочих мест (станков), на которых выполняются эти операции.

К_3.О. =

В нашем случае К_3.О. < 1 следовательно производство массовое

Заданный суточный выпуск изделий:

Nс = (шт.). (1.2)

Суточная производительность автоматической линии:

Q_с = (1.3) , где

254 - количество рабочих дней в году

Fe - суточный фонд времени работы оборудования (при 2-ух и

сменном режиме работы равен 952 мин.)

Т_ср - средняя трудоемкость основных операций;

n₃ - коэффициент загрузки оборудования

Q_c = шт.

Такт производства:

t_в = , где (1.4)

F_д - фонд времени в планируемый период (час.)

t_в = (мин.)

количество деталей в партии для одновременного запуска:

n = , где (1.5)

а - периодичность запуска в днях (3 дня)

n = ( шт/дн )

Размер партии должен быть скорректирован с учетом удобства планирования и организации производства. Корректировка размера партии состоит в определении расчетного числа смен на обработку всей партии деталей на основных рабочих местах.

С = , где (1.6)

Т_{шт. ср.} - среднее штучное время по основным операциям ( мин.)

С =

Расчетное число смен округляем до принятого целого числа С_пр = 1 см .

Определяем число деталей в партии, необходимых для загрузки оборудования на основных операциях в течении целого числа смен:

n_пр = (1.7) , где

476 - действительный фонд времени работы оборудования в смену ( мин.)

0.8 - нормативный коэффициент загрузки станков в массовом производстве

П_пр=

9.3.2 Анализ базового технологического процесса

Анализ действующего технологического процесса производим с точки зрения обеспечения качества. Действующий технологический процесс предусматривает обработку детали в автоматическом режиме, что в должной мере сводит до минимума влияние на качество при выполнении операций.

При сравнении действующего технологического процесса с технологическим процессом, когда обработка велась в поточной линии, наиболее ярко отражается преимущество действующего технологического процесса, особенно в отношении качества. То есть непосредственные организационные и экономические изменения по оценке труда, по качеству отступают при этом на второй план. Естественно, действующий технологический процесс автоматической линии вобрал в себя все прогрессивное, при проектировании, черновые чистовые и промежуточные базы были апробированы еще в поштучной линии, единство технологических и конструктивных баз было обязательным условием.

Так как единство технологических и конструктивных баз является обязательным условием для автоматической линии, это в свою очередь прямым образом отображается на качестве изготовления детали.

9.3.3 Анализ технологичности детали

Распредвал - одна из ответственейших деталей двигателя и поэтому любое из отключений по параметру веса в значительной мере влияют на работу двигателя.

Качество заготовки, припуски и технические требования к заготовке очень жесткие иначе автоматическая линия просто не примет ее.

Расчет показателей технологичности

Таблица 9.3

Определение коэффициента точности

Тi	ni	Тi ni
18	1	18
17	3	51
16	1	16
15	1	15
14	4	56
13	2	26
12	2	24
11	5	55
8	1	8
7	2	14
	22	227

= 22

= 227

Т_ср = (2.1)

k_m = (2.2)

k_m = 0,9 > 0,85 - деталь технологична

Таблица 9.4

Определение коэффициента шероховатости

Шi	ni	Шi ni
12,5	10	125
6,3	6	37,8
3,2	3	9,6
1,6	2	3,2
0,8	2	1,6
0,4	1	0,4
	24	117,6

= 24

= 117,6

Ш_ср = (2.3)

k_ш = (2.4)

k_ш = 0,2 > 0,16 - деталь технологична

9.3.4 Выбор способа получения заготовки

Распредвал является одной из ответственейших деталей двигателей.

К качеству поверхности заготовки предъявляются очень жесткие требования, на поверхности не допускаются трещины, раковины, забоины, окалины. Для повышения прочности распредвала требуется направленное расположение волокон вдоль его оси. Это возможно получить только единственным методом - штамповкой. Учитывая программу выпуска 120000 штук, принимаем горячую штамповку на кривошипных прессах.

Штамповка на кривошипных прессах применяется почти для всех видов штамповочных работ. На таких прессах можно штамповать поковки различной конфигурации весом до 1000 кг: (ступицы, шатуны, зубчатые колеса, коленчатые валы).

Постоянство режимов деформирования обеспечивает стабильность размеров и механических свойств поковок. Припуски и допуски при штамповке на прессах на 20-30% ниже по сравнению со штамповкой на молотах. Наличие выталкивателей в распредвале из стали позволяет уменьшить расход металла на поковку до 10% и более за счет уменьшения штамповочных уклонов до 1-3 ^о.

Производительность кривошипных прессов в 2-3 раза выше производительности соответствующих им по мощности молотов.

Стоимость заготовки, получаемой штамповкой на кривошипных прессах:

S_заг = (2.5),

где С_i - базовая стоимость 1 тонны заготовки

k_m, k_c, k_в, k_м, k_n - коэффициенты, зависящие от класса точности,

группы, сложности, массы, марки материала,

объема производства заготовок.

Q - масса заготовки (кг).

S_отх - цена 1 тонны отходов.

q - масса готовой детали.

С_i - 12000 рублей.

Q - 2,4 кг;

q - 1,65 кг;

k_m =1; k_c = 1,11; k_в = 0,5; k_м = 1,08; k_n = 1;

S_отх = 800 рублей

S_заг = руб. (2.6)

Стоимость заготовки полученной при ГКМ:

k_m =1; k_c = 1,11; k_в = 0,63; k_м = 1,08; k_n = 1;

S_заг = руб. (2.7)

9.3.5 Расчет припусков и предельных размеров

по технологическим переходам на обработку

Заготовку выбираем по 1 плану точности. Суммарное значение отклонения для заготовок данного типа определяется по формуле:

Качество заготовки поверхности R_z=150 мкм, T_м=50 мкм.

После протягивания R_z=50 мкм, T_м=50 мкм.

Пространственные отклонения:

Черновое растачивание

Чистовое растачивание

Хонингование

Припуски:

1. Точение шеек

а) черновое

б) чистовое

в) чистовое (тонкое)

2. Хонингование

Расчетные размеры:

Хонингование 35.000 + 0.040 = 35.040 мкм

Чистовое (тонкое) точение 35.040 + 0.160 = 35.20 мкм

Чистовое точение 35.20 + 0.290 = 35.49 мкм

Черновое точение 35.490 + 0.360 = 35.850 мкм

Поковка 35.850 + 2.9 = 38.750 мкм

Назначаем допуски на припуски:

Допуск на заготовку принимаем по ГОСТ 7505-81.

Точение черновое R_a=3.2 мкм - 8-9 квалитет.

Точение чистовое R_a=1.6 мкм - 7 квалитет.

Точение чистовое R_a=0.8 мкм - 7 квалитет.

Определяем предельные размеры:

d_max= 35.000 d_min= 34.982

d_max= 35.160 d_min= 35.160 + 0.03 = 35.190

d_max= 35.450 d_min= 35.45 + 0.03 = 35.48

d_max= 35.810 d_min= 35.810 + 0.074 = 35.884

d_max= 35.810 + 1.5 = 37.31 d_min= 35.884 + 2.5 = 38.384

Технолог. переходы обработки поверх.	Элементы припуска(мкм)	Расчет припуска 2Zmin мил	Расчет размера dp мкм	Допуск , мкм	Предельный размер (мм)	Предельные размеры припусков (мкм)
					dmin, мм	dmax (мм)	2Zmin	2Zmax
	Rz	T
поковка	150	250	1060	200	520	37.31	2000	37.310	38.384	0	0
Точение черновое	50	50	53	60	360	35.810	120	35.810	35.884	296	676
Чистовое	1.0	-	22	10	290	35.450	40	35.450	35.480	142	222
Чистовое	6.3	25	15	0	160	35.160	19	35.160	35.190	96	117
Хонингование	2	-	2.2	0	40	35.000	19	35.000	34.982	65	65

Припуски на обработку поверхности

9.3.6 Технологический процесс обработки детали с применением автоматической линии



Номер опер.	Наименование и содержание операции	Базы	Приспособ.	Реж. инструмент	оборудование	ТШТ
005	Агрегатная Обработка торцов и сверление центровых отверстий	Бок. поверх. распредвала	Спутник ЛМО 703 410	Зенкер СТП741-112	Станок агрегатный ЛМО703СО1	1.04
010	Токарная Предварительное точение опорных и промежуточных шеек с подрезкой торцов шеек и торцов кулачков	Центровочные отверстия	Спутник ЛМО 703 410	Зенкер Р6М5	Станок агрегатный ЛМО703СО2	1.04
015	Токарная Предварительное точение или фрезерование профиля кулачков	Центровочные отверстия	Спутник ЛМО 703 410	Зенкер спец	Станок агрегатный ЛМО703СО3	0.97
020	Токарная Предварительное точение или фрезерование профиля кулачков	Центровочные отверстия	Спутник ЛМО 703 410	Зенкер спец.	Станок агрегатный ЛМО703СО4	0.97
025	Агрегатная:сверление, развертывание отверстий под штифт на торце фланца	Бок. поверх. распредвала	Спутник ЛМО 703 410	Зенкер спец.	Станок агрегатный ЛМО703СО5	1.09
030	Агрегатная: предварительное шлифование рабочих (опорных) шеек, торцов фланца и профиля кулачков	Центровочные отверстия	Спутник ЛМО 703 410	Круг шшифовальный Р4-9382А	Станок агрегатный ЛМО703СО6	1.09
035	Закалка ТВЧ профиля кулачков	Бок. поверх. распредвала	Печь закалки ТВЧ - 364-41	-	Печь закалки ТВЧ - 375-32	1.09
040	Шлифовальная Чистовое шлифование рабочих шеек и профиля кулачков	Бок. поверх. шатуна, торец бол. и мал. головки.	Плита шлифовальная	Круг К600Х 125Х420	Шлифовальный автомат 3К778М-3РМ2	0.97
045	Контроль качества изделия	Центровочные отверстия	Контрольное приспособление	-	Микрометр универсаль-ный	1.06

9.4 Расчет режимов резания

Операция 025 сверление отверстия под штифт:

1. Определение длины рабочего хода:

L_px= L_py+ y + L_доп

L_px=42+5+4=51

2. Назначение подайч S_о (мм/об)

2.1 Определение подачи для инструмента по нормативам:

S_о=0.6 * 0.8=0.48 мм/об

2.2. Определение подачи головки за один оборот шпинделя станка

S_ом=S_o i

S_oм=0.48 0.8=0.384 мм/об

2.3 Уточнение подач по паспорту станка: принимаем 0.384 мм/об.

3. Определение станкости инструмента: принимаем Т_м=150 мм.

4. Расчет скоростей резания:

4.1 Определение скорости резания по нормативам:

V=32 м/мин

4.2 Расчет числа оборотов по рекомендуемой скорости резания:

n=

n= об/мин

4.3 Определение минутной подачи головки:

S_м =0.384290=105.3 мм/об

4.4 Определение числа оборотов шпинделя и уточнение его по обороту станка:

n= об/мин

принимаем 280 об/мин

4.5 Уточнение скорости резания по принятым числам оборотов:

V= м/мин

5. Расчет машинного времени:

t_м=

t_м= мин

6. Расчеты:

6.1 Определение осевой меры резания:

Р_о=Р_табК_р

К_р- коэффициент зависящий от материала

Р_о=1101.25=137.5 Н ,на двух цилиндровую головку Р_о=2750 Н

6.2 Определение мощности резания:

N_рез=

N_рез=



6.3 Проверка на мощность двигателя:

3.76<1.2100.8

3.76<10

9.5 Расчет норм времени для обработки детали

Зенкерование:

Т_уо+Т_зо=0.11+0.034=0.14 мин Т_уп=0.01+0,04=0.05 мин

Т_из=0.09 мин Т_в=0.14+0.05+0.09=0.28 мин

t_см=0.3 2=0.6 мин Т_оп=0.39+0.28=0.67 мин

Т_тех= Т_от=

Т_орг= Т_шт=0.28+0.67+0.04+0.05=1.04

Номер и наименование операции	То	ТВ	Топ	Тоб	Тот	Тшт
005 Агрегатная	0.39	0.28	0.67	0.04	0.05	1.04
010 Зенкерование	0.39	0.28	0.67	0.04	0.05	1.04
015 Зенкерование	0.34	0.28	0.62	0.03	0.04	0.97
020 Зенкерование	0.53	0.28	0.71	0.05	0.05	1.09
025 Агрегатная	0.47	0.28	0.71	0.04	0.06	1.09
030 Шлифовальная	0.24	0.28	0.52	0.15	0.02	0.97
035 Расточная	8.02	0.28	8.3	0.83	1	10.41
040 Хонингование	7.02	0.28	7.3	0.86	0.84	9.28

Определение коэффициента загрузки оборудования

Коэффициент загрузки оборудования определяется по формуле:

,где

Тшт - время на основную операцию.

t-такт выпуска изделия.

Операция 005 зенкерование

Операция 015 зенкерование

Операция 030 шлифовальная

Операция 045 расточная

Операция 060 хонингование



10. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ЭКОЛОГИЯ

10.1 Безопасность жизнедеятельности

10.1.1 Шум при сгорании в дизелях

Уровень шума показывает слабую зависимость его от нагрузки двигателя. Анализом шума установлено, что при различной нагрузке двигателя наиболее заметные изменения происходят в импульсе шума, который сопровождает процесс сгорания. Эти изменения могут быть описаны с помощью мгновенного максимального уровня шума в_м возникающего при сгорании, который характеризуется максимальной амплитудой импульса, превышением уровня при сгорании Дв_м или двадцатикратным логарифмом отношения максимальной амплитуды импульса к амплитуде перед сгоранием и длительностью импульса.

Важной характеристикой является также огибающая импульса, с помощью которой можно найти его площадь и таким образом уровень шума при сгорании.

Измерениями установлено, что при сгорании в двигателе с непосредственным впрыском мгновенные максимальные уровни шума достигают 120 - 125 дБ, в двигателе с камерой в поршне 115 - 120 дБ, в двигателе с предкамерой или вихревой камерой 112 - 115 дБ.

Излучателем звуковой энергии при сгорании является вся поверхность блока и головки двигателя. Осциллограммы, снятые в различных точках звукового поля двигателя, показали, что значительные импульсы шума при сгорании отмечаются во всех точках звукового поля.

Мгновенные максимальные уровни шума при сгорании около картера двигателя всего лишь на 2 - 3 дБ ниже, чем мгновенные Уровни, отмечаемые в зоне в. м. т. Запись вибраций по контуру блока и головки двигателя также показывает наличие интенсивных вибраций при сгорании.

Перечисленные выше параметры импульса шума при сгорании зависят от характеристик индикаторной диаграммы.

Параметры динамики цикла определяются физико-химическими процессами, происходящими при сжатии заряда, впрыске, испарении, воспламенении и сгорании топлива в цилиндре двигателя.

Первый закон термодинамики можно представить в виде

Из формулы следует, что если в двигателе сгорание происходит близко к в. м. т. (V = const), то

,

а если при p=const ,то

Другими словами, в первом случае может быть установлена экспериментальная зависимость шума при сгорании от , а во втором от р_г. Это положение находит экспериментальное подтверждение. В качестве исходного материала для определения параметра Q можно использовать снятые с двигателей индикаторные диаграммы.

В соответствии с первым законом термодинамики запишем:

,



где

- доля тепла на выбранном участке индикаторной диаграммы, расходуемая на изменение внутренней энергии;

L -- полезная работа, совершаемая газами на том же участке;

Q_w -- количество тепла, отдаваемое в охлаждающую воду;

Q_a -- количество тепла, затраченное на диссоциацию молекул;

k -- показатель адиабаты.

Для упрощения расчетов при экспериментальных оценках шума можно принять, что Q_w = Q_б = 0. Величиной L также можно пренебречь, так как рассматриваемый процесс происходит около в. м. т. и полезная работа мала. По данным, полученным при обработке индикаторных диаграмм, величина L составляет ~1--2% от первого члена уравнения .

В качестве начальной точки на индикаторной диаграмме принята точка

с- начало видимого сгорания, z - конечная точка или точка максимального давления цикла. Видимо, правильнее было бы выбрать в качестве конечной точку, где заканчивается начальный участок сгорания с максимальными величинами

Однако это влечет за собой значительные ошибки при обработке

В соответствии со сказанным формула может быть записана в виде

Приведение величины Q_cz к единице времени и веса вещества производится по формуле

и

где Q_cz -- количество тепла, выделяющегося на участке с--z индикаторной диаграммы, Дж;

п -- число оборотов коленчатого вала двигателя в минуту;

G₀ -- количество вещества в г в цилиндре двигателя;

V_h -- литраж двигателя, дм³;

з_х -- коэффициент наполнения; р₀,

Т₀ -- давление и температура воздуха на входе в двигатель, Па;

R -- газовая постоянная воздуха, Дж/(кгЧК).

С увеличением q_cz растут величины мгновенного превышения уровня шума и мгновенного максимального уровня, т. е. большие количества выделяющейся в единицу времени теплоты, отнесенной к единице веса вещества, находящегося в цилиндре, приводят к более интенсивному ударному импульсу, а таким образом и шуму. Здесь же видно, что если в двигателе воспламенение происходит в более спокойной среде, то ударный импульс больше, так как при данной скорости выделения тепла q_cz в двигателях с разным смесеобразованием отмечены различные параметры шума.

Анализ экспериментальных зависимостей шума от факторов динамичности цикла показал, что в двигателе с неразделенной камерой типа Гессельмана параметры шума при сгорании зависят от, а в двигателях ЯМЗ с камерой в поршне и с вихревой камерой -- от максимального давления цикла. Сопоставление графиков, устанавливающих зависимость параметров динамики цикла от удельной скорости выделения тепла с аналогичными зависимостями параметров шума, позволяет сделать вывод о том, что зависимость шума от факторов динамичности цикла отмечается постольку, поскольку последние зависят от удельной скорости выделения теплоты q_сz.

С увеличением числа оборотов величина превышения шума при сгорании снижается, что вызвано более интенсивным ростом амплитуды звуковых колебаний непосредственно перед сгоранием по сравнению с максимальной амплитудой импульса при сгорании.

При ведении опытов по изучению шума при сгорании на двигателе всегда остается сомнение -- не служит ли причиной шума так называемая «перекладка» поршня около в. м. т. под действием боковой силы N, которая в этот момент меняет свой знак.

После чего строятся ассоцилограмы давления, хода иглы и шума, излучаемого торцовой стенкой сосуда постоянного объема, при впрыске 100 мм^г дизельного топлива в среду с давлением 20 атм. и температурой 500 ⁰С. Видно, что при сгорании возникает интенсивный импульс шума, мгновенный уровень которого достигает 115 дБ. Напомним, что скорости выделения теплоты здесь ниже, чем в двигателе.

Рис.10.1 Зависимость максимального уровня шума (а) и величины скачка уровня (б) при сгорании от скорости выделения тепла на участке c-z в двигателях с различным смесеобразованием:

1-непосредствинный впрыск; 2-вихревая камера; 3-камера в поршне; 4-предкамера

Результаты обработки подобных осциллограмм приведены на рис.10.1. Мгновенные максимальные уровни шума и превышение его предоставлены в зависимости от количества теплоты» выделившейся в промежуток времени. Эти опыты показывают, что параметры импульса шума при сгорании в «бомбе» монотонно возрастают по мере увеличения скорости выделения теплоты, достигая значительных величин. Такой опыт показывает, что необходимо и целесообразно изучать импульсы шума при сгорании по осциллограммам с использованием традиционных средств и методов исследования рабочих процессов в двигателе.

Известна попытка найти комплексный параметр, который, включая совокупность факторов, характеризовал бы акустическое излучение двигателя. Спектр индикаторной диаграммы полнее отражает свойство рабочего цикла вызывать шум при сгорании.

Следовательно, рациональным изменением индикаторной диаграммы, которое приведет к снижению шума двигателя, нужно считать такое, при котором происходит сужение спектра индикаторной диаграммы и уменьшение величины К, пропорциональной энергии процесса.

10.2 Экология

10.2.1 Нейтрализаторы отработавших газов

Для соответствия постоянно ужесточающимся нормам на состав ОГ все более важное значение приобретает процесс их очистки. Это относится прежде всего к легковым автомобилям больших размерных классов и всем грузовикам. Сегодня исследуются различные варианты процессов очистки ОГ, многие из которых уже применяются на практике.

При очистке ОГ дизелей особое внимание уделяется сокращению содержания двух компонентов:

твердых частиц, которые возникают из-за неоднородного распределения смеси в камере сгорания;

оксидов азота (NO_x), которые образуются при высоких температурах сгорания топливовоздушной смеси в дизеле.