Способ определения эксцентричности коренных шеек коленчатых валов рядных моторов типа М-100 А-М 103А Советский патент 1946 года по МПК G01B5/24 G01B3/22 

Предложенный способ определения эксцентричности коренных шеек коленчатых валов служит для точного контроля герметических осей коленчатых валов и основан на зависимости между износами и пространственными смещениями осей коренных шеек от обш,его прогиба вала в одной плоскости и смещениями каждой из шеек вследствие ошибок ремонта.

Согласно изобретенному способу, измеряют, во-первых, величину и направление общего биения и-сследуемой коренной шейки, как разность максимального и минимального показаний неподвижно установленного индикатора, а во-вторых, направление биений четвертой и шестой шеек вала, вращающегося на второй и восьмой шейках. Практика показала, что в этом случае направление биений четвертой и шестой шеек вала совпадает с направлением той составляющей общего биения исследуемой коренной шейки, которая вызвана общим прогибом вала в одной плоскости. Далее определя. ют вызванную износом другую составляющую общего биения исследуемой шейки. Опыт показал, что

износ шейки односторонний, превращающий шейку в овал, и может быть принят как разность двух взаимно - перпендикулярных ее диаметров, из которых один направлен по биссектрисе между шейками, соседними с исследуемой с обеих сторон. Имея величину и направление общего биения шейки, направление биения, вызванного общим прогибом вала, и биения из-за износа щейки, производят геометрическое вычитание и получают эксцентричность шейки.

На чертеже фиг. 1 и 2 схематически изображают в двух проекциях обычную проверку вала на биение, фиг. 3 и 4 поясняют смещение геометрической оси изношенной овальной шейки при вращении в опорных призмах, фиг. 5 и 6 поясняют зависимость биения щейки от прогиба общей геометрической оси вала, фиг. 7 и 8 - то же, от овальности шейки в результате износа, фиг. 9 и 10 - то же, от эксцентриситета шейки, фиг. 11 изображает эпюру биений шейки, фиг. 12 - поперечное сечение нормально изношенной шейки, фиг. 13 - схему центробежных сил, вызывающих износ игейки, фиг. 14 поясняет устранение овальности шейки округлением ее боковых сторон, фиг. 15 - то же, при сохранении неизменным положения центра шейки, фиг. 16- изображает эпюру составляюш;их биений третьей шейки, фиг. 17 - то же, седьмой шейки.

Коленчатые валы некоторых типов авиамоторов имеют ту особенность, что надежная работа их в подшипниках зависит от конфигурации геометрической оси вала, соединяющей центры коренных шеек.

Пространственные смеш,ения осей отдельных коренных шеек искривляют геометрическую ось вала, обусловливая деформацию элементов вала при затяжке его в подшипниках при монтаже. Возникающие лри этом значительные давления (реакции), дополняемые динамическими усилиями гори работе мотора, вызовут интенсивный износ рабочих поверхностей. Поэтому при ремонте, кроме промеров истинных износов шеек, .необходимо определение астинных пространственных смещений шеек.

Это особенно необходимо для валов сильно изношенных или с прогибом порядка 0,30 - 0,50 мм, у которых диаметры шеек близки к предельным ремонтным размерам. Про., стая перешлифовка таких валов На станке, безусловно, приведет к браку.

При дефектации коленчатых валов отдельные отклонения осей коренных шеек оцениваются теми отклонениями стрелки индикатора, которые получаются при проворачивании вала, по схеме фиг. I и 2. Индичатор подведется к средней коренной шейке и покажет два отклонения: максимальное и минимальное; затем биение замеряется для каждой шейки отдельно путем переноса индикатора на плите вдоль вала. Такая оценка валов с изношенными шейками имеет существенные недостатки.

Прежде всего наличие у базовых шеек овальности вводит неопределимые погрешности, вследствие колебаний базовой оси этих шеек. Стрел. ка индикатора, соответственно колебаниям оси вала, получает отклонения, искажающие истинные величины биений - фиг. 3.

С другой стороны, отнесение биений шеек к случайной по существу базовой оси не вскрывает истинной картины пространственных смещений осей отдельных шеек. Часто валы, прошедшие перешлифовку шеек и имеющие при обычном способе замеров биения в пределах допуска (менее 0,12 - 0,15 мм), все же непригодны для монтажа вс;ледствие эксцентричности коренных шеек, оказавшейся скрытой при замерах.

Тщательные промеры шеек коленчатых валов моторов, снятых с эксплоатации из-за падения давления масла в магистрали, показывают, что рабочие шейки валов и соответствующие вкладыши за весьма кратковременную работу значительно изношены. Вкладыши, кроме того, теряют натяг в гнездах картера н имеют резко выраженную деформацию изгиба.

Однако, при наличии общего прогиба вала, смещения шеек, обратные этому прогибу, не могут быть определены замерами с помощью индикатора, так как он отметит биение шейки заниженное или равное нулю. В этом случае не оправдается мнение, что коленчатый вал с биением шеек, находящимся в пределах допуска, получает при затяжке -в подшипниках картера такое выравнивание, при котором относительные смещения будут компенсироваться зазорами.

Прямая геометрическая ось картера (ось вкладышей) в этом случае не сов)Падает с деформированной геометрической осью вала.

Эффективной проверкой эксцентричности коренных шеек могла бы быть укладка вала во вкладыши картера, смазанные краской. Вал, затянутый тарированными ключами, должен легко вращаться от руки. Тугое вращение и односторонние отпечатки краски на шейках покажут, что соосность шеек вала нарушена и требуется доводка шлифовкой.

Но такому контролю доллсна предшествовать перешлифовка шеек, т. е. устранение местных износов,-конусности и овальности каждой шейки. Такая последовательность диктуется специфичностью технологии подбора тонкостенных вкладышей, так как у данного вала шейки могут быть разномерны - в пределах от 89,98 до 89,50 мм, т. е. от серийного диаметра шейки до предельного ремонтного диаметра.

Если после .перешлифовки шейки вала остаются несоосными, то потребуется дополнительная доводка их, сообразуясь с отпечатками краски на рабочих поверхностях шеек. Повторная доводка шеек может привести к такому увеличению зазоров, чт,о ремонтные вкладыши придется подбирать все большей толш;ины для обеспечения натягов и зазоров.

При такой доводке, несмотря на трудоемкость, значительное количество валов с сильно изношенными коренными шейками отбраковывается, именно из-за разносторонних пространственных смеш,ений осей отдельных шеек, оценить величину которых обычными способами невозможно.

Изобретенный способ позволяет определить относительное смещение осей шеек и назначить наиболее рациональный ремонт в зависимости от истинных смеш;ений осей коренных шеек относительно геометрической оси вала, деформированной изгибом и определяемой свободным положением крайних шеек -.вала на призмах.

Способ основан на учете величины и направления остаточной изгибаюш,ей деформации от вала и закономерных износов коренных шеек от сил инерции кривошипов.

Рассматривая биение каждой шейки коленчатого вала как геометрическую сумму биения изгиба и биения эксцентричности, можно определить относительную величину биения шейки и истинную эксцентричность, устранив которую в принятом допуске, оказывается возможным допустить второй компонент - биение изгиба порядка 0,15 - 0,20 мм (что подтвердилось опытом).

Новая методика имеет особое значение для контроля валов рядных моторов, исправляемых правкой, и для валов, шейки которых перешлифовываются для восстановления хромированием. В обоих случаях определяемая остаточн-ан вели чина эксцентричности коренных шеек характеризует совершенство выполненных операций.

Проверка биения шеек новых коленчатых валов, окончательно обработанных и прошлифованных, показывает, что, за малым исключением,, у данного вала максимумы биения лежат в одной плоскости, увеличиваясь от базовых шеек, где оно принимается равным нулю, к средней; шейке, достигая иногда 0,20 - 0,25 мм. Деформация вала аналогична упругой линии балки на двух опорах, нагруженной по длине сосредоточенными силами в одной плоскости.

В этом случае смещения осей шеек представляют собой эксцентриситет от изгиба относительно базовой оси, а соответствующее биение можно назвать биением от изгиба.

Деформация геометрической оси коленчатого вала с изношенными шейками (3 - 4 ремонта) происходит в нескольких плоскостях пространства.

Пространственное коробление ва, л а может быть выражено для каждой шейки в виде двух смещений: первое - результат прогиба общей геометрической оси вала, второе - относительное смеш,ение оси шейки к направлению общего прогиба.

В этом случае биение шейки, замеряемое обычным путем с помощью индикатора, определяется следующими факторами (фиг. 5- 10):

1)прогибом общей геометрической оси вала, т. е. остаточной деформацией от изгиба вала;

2)смещением оси шейки относительно оси, соответствующей остаточной деформации от изгиба вала;

3)овальностью шейки в результате износа.

Влиянием прогиба вала под действием его силы веса можно пренебречь.

Индикатор отметит биение в трех случаях:

а)абсолютно цилиндрический диск посажен на оси, имеющей прогиб f мм (фиг. 5, 6);

б)на абсолютно прямой оси посажен диск, имеющий односторонний износ (овальность) С мм (фиг. 7, 8);

в) абсолютно цилиндрический диск посажен иа абсолютно прямой оси, но с эксцентриситетом е мм (фиг. 9, 10).

Однако в случаях а и 6 индикатор покажет удвоенную величину эксцентриситета, в случае b индикатор отметит овальность С.

Таким образом, биение щейки относительно базовой оси, замеряемое по индикатору, является величиной суммарной, а этими замерами обычно и ограничиваются, сравнивая биения с допускаемыми. Однако существенное влияние иа работу шейки во вкладыше имеет не величина истинного смещения даниой шейки от принятой при проверке базовой оси, а смещение щейки относительно геометрической оси вала, затянутого на опорах в картере.

Если определить направление общего прогиба вала/и внести поправку в величину биения по индикатору на величину овальности взятой шейки. То можно определить эксцентричность шейки относительно оси вала с остаточной деформацией от изгиба, величина которой определится свободным положением вала на призмах.

Зная величину и направление относительного эксцентриситета, можно так перещлифовать шейки, чтобы смещения их осей были приведены к схеме новых валов, биение от изгиба шеек которых, как указано выше, допустимо в пределах 0,15 - 0,20 мм.

Исходными данными для этого могут служить биения, определяемые по индикатору, связь между ко. торыми устанавливается построением пространственных cмeщe: ий осей шеек на эпюре.

Биение шейки, замеряемое индикатором, рассматривается как вектор, модуль которого численно равен биению шейки, т. е. разности между максимальным и мииимальиы.м показаниями индикатора. Направление . вектора ориентируется углом относительно оси, совпадающей с направлением первого кривошипа коленчатого вала. Угол отклонения вектора биения каждой шейки от принятой оси, измеряемый по направлению часовой стрелки, назовем углом биения.

Проворачивая вал на призмах и отмечая точки максимумов биений на шейках, мы всякий раз отметим углы биений, т. е. отклонения векторов биений от принятой оси.

Рассмотрим коленчатый вал типа М-100, коренные шейки которого не имеют дефектов износа, т. е. конусность и овальность этих шеек предварительно устранены перешлифовкой.

При проверке вала на призмах биение шеек оказалось:

Отметив точкой О полюс и проведя луч OY, соответствующий следу базовой оси вала и направлению оси первого кривощипа, построим в масштабе ио данным таблицы эпюру смещений осей коренных шеек относительно оси, соединяющей центры базовых щеек.

На эпюре (фиг. 11) векторы 03, 04, 05, 06, 07 представляют биение соответствующих шеек (но индикатору). Каждый из векторов - это истинное пространственное смещение оси шейки относительно базовой оси, «о в масштабе, в два раза меньшем принятого для биений. Ко.

нец каждого вектора есть центр шейки, смещенной относительно базовой оси в направлении вектора.

Анализ эпюр пространственных смещений осей коренных шеек большого количества коленчатых валов М-100А, М-ЮЗА показал, что направления максимумов биений средних шеек - четвертой и шестой - у данного вала совпадают по направлению друг с другом и лежат в плоскости, отклоненной от направления оси первого кривошипа на некоторый угол fo.

Так, на эпюре фиг. 11 векторы биений шеек 4 - 6 совпадают с прямой FF, отклоненной от направления первого кривошипа на угол 30.

С некоторым допущением можно принять прямую FF за след плоскости изгиба упругой оси коленчатого вала. Ниже будет показано, что шейки 4-6 имеют наибольшие изаосы в плоскости первого кривошипа, и, следовательно, возможные би. ения шеек от овальности должны быть в плоскости первого кривошипа.

Отклонения биений этих шеек от направления первого кривошипа объясняются, следовательно, общим изгибом вала, представляющим собой остаточную деформацию от изгиба, имеющую место у всех валов. Таким образом, эпюра пространственных смещений осей коренных шеек, при сильных наносах последних (3-4 ремонта) представ.ляет общий случай, тогда как новые валы дают эпюры частного случая.

Биение шеек новых валов, за ма,лым исключением, одностороннее, и векторы этих биений лежат в плоскости общего изгиба вала, т. е. совпадают с прямой fF.

Многочисленные исследования коленчатых валов рядных моторов доказывают закономерность геометрической связи зон износов отдельных шеек.

Осмотр любой шейки покажет, что она имеет неодинаковую по блеску поверхность, т. е. не всей своей поверхностью работает равномерно; измерения микрометром дадут наименьший размер в блестящей части и наибольший в направлении, перпендикулярном первому.

Блестящая поверхность наиболее нагружена и имеет наибольший износ, диаметральная часть наименее нагружена и соответственно этому имеет меньший износ, которым можно пренебречь.

На фиг. 12 показано сечение изношенной шейки. Направление оси тп соответствует наименьшему, а направление оси аа - наибольшему промеру. На дуге ата расположена зона износа с максимумом последнего в середине дуги (точка и)Если биение шейки обусловлено овальностью, то максимум биения шейки по индикатору будет соответствовать точке п.

На дуге ата износ незначителен и максимум отклонения стрелки индикатора будет оставаться на этом участке постоянным. На противоположной стороне шейки ((в точке п) отклонение стрелки индикатора будет минимальное.

Установлено, что относительное расположение зон износов коренных шеек, а следовательно, и биений коленчатых валов рядных моторов, определяется схемой расположения кривошипов. При этом зона износа каждой шейки определяется действием равнодействующей центробежных сил от двух смежных по краям данной шейки кривошипов (например, шейка 7 вала М-100 - от кривошипов пятого и шестого). На фиг. 13 для шейки 7 условно векторами показаны центробежные силы кривошипов пятого и шестого и их равнодействуюшая, направлением которой, соответствующим биссектрисе угла развала кривошипов, и определится точка наибольшего износа.

Точка наибольшего биения от износа находится на диаметрально противоположной стороне шейки, если продолжить биссектрису (точка а). Подобным же образом и для всех остальных шеек биение, вызван, ное овальным односторонним износом, будет разностью двух взаимно-перпендикулярных диаметров испытуемой шейки, нз которых один

направлен по биссектрисе между шейками, соседними с испытуемой с одной и другой стороны.

Устраняя овальности шейки, стре. мятся выполнить операцию с минимальной затратой времени, путем округления боковых сторон шейки. На фиг. 14 заштрихована та часть металла, которая снимается шлифовкой, при этом базовой осью служит ось наименьшего промера (симметрии фигуры). При такой шлифовке центр шейки О сместится в точку Oi. Назовем смещение шейки в результате скругления боковых ее сторон «ошибкой ремонта.

Когда коленчатый вал вновь поступит в ремонт, биение шейки будет превышать биение от износа, определяемое промерами шейки. Если допустить, что коленчатый вал не имеет остаточной деформации от изгиба, то замеряемое при этом биение будет:

,+CO,

где:

Со - овальность шейки,

BI - ошибка первого ремонта. Истинный эксцентриситет шейки

будет равен: 00 Если при

втором ремонте овальность шейки будет устранена по схеме фиг. 14, то эксцентриситет шейки к началу третьего ремонта будет

OOz OOi + Oi02,

где OOi - эксцентриситет шейки, обусловленный ошибкой первого ремонта, и OiOz - эксцентриситет шейки, обусловленный ошибкой второго ремонта. Если при поступлении вала в и-й ремонт замеряемое биение будет В, то истинная величина эксцентриситета шейки будет равна:

Вп

2

(при условии обработки шейки по схеме фиг. 14). Можно обработать шейку иначе,-фиг. 15, где заштрихована часть металла, снятая при условии сохранения положения центра шейки после предшествуюш,его ремонта.

Эксцентричность шейки в этом случае будет уменьшаться. Так, например, если биение шейки по индикатору в /г-й ремонт будет В, а овальность шейки Со, то послеустранения овальности истинная величина эксцентриситета шейки будет равна:

о с

д«

е„ -2-

Но этот путь более трудоемкий и менее экономичный.

Таким образом, смещения осей шеек при перешлифовках обусловливают биение, которое, в отличие от биения изгиба, можно назвать биением эксцентричности, максимальная величина которого может быть равной зазору, что соответствует моменту, когда шейка вступила в контакт с вкладышем, но без обеднения смазки.-Чрезмерные давления шейки на вкладыши от начальной затяжки при монтаже при этом будут исключаться.

Как было указано выше, направления векторов биений средних шеек 4-6 определяют направление остаточной деформации от изгиба вала, а схема износов шеек - направления биений эксцентричности.

Имея данные биения шейки (по индикатору), известные по величине и направлению, можно определить обе его составляющие, если последние известны по направлению, что сводит определение эксцентричности коренной шейки к построению геометрической суммы или к построению треугольника.

Пусть на эпюре фиг. 16 вектор 03 - биение шейки 3, замеренное индикатором, при расположении вала второй и восьмой шейками на призмах.

О - след базовой оси; OY - направление первого кривошипа; 03 - вектор биения шейки 3 в градусах, т. е. угол отклонения вектора биения 03 от направления первого кривошипа по часовой стрелке; ОЕ - ось эксцентричности шейки ; FF - след плоскости прогиба вала, определяемый биениями шеек 4 и 6.

Допустим, что шейка 3 не имеет овальности (круглая в сечении), то-гда величина биения изгиба и величина биения эксцентричности определяется из ДОЛбз, у которого сторона Зе параллельна прямой FF.

Из построения треугольника имеем: вектор Ое-биение эксцентричности, вектор бз-биение изгибаВеличины прогиба или эксцентричности оси шейки относительно базовой оси, следовательНо, будут определяться половинами величин соответствующих биений.

На эпюре эти величины представляют те же векторы биений, но в вдвое меньшем масштабе, чем принятый для биений.

Пусть на эпюре фиг. 17 вектор 07 отражает биение овальной шейки 7 относительно базовой оси. Точка 7 (конец вектора 07) соответствует точке О фиг. 14. Нанесем на эпюру прямую FF - след плоскости прогиба вала и ось эксцентричности Овт, соответствующую шейке 7.

Из построения треугольника биений 07ej имеем:

вектор Oej - биение эксцентричности,

вектор е - биение изгиба.

Если овальность шейки устранить по схеме фиг. 14, то максимум биения шейки (вектор 07) не изменит величины и направления. Если потребуется уменьшение максимума биения, то это можно осуществить опиливанием шейки с последующими шлифовкой и полировкой или шлифованием шейки при установке вала на станке, на котором возможно смещение шейки в сторону максимума биения. При этом обработка шейки будет соответствовать схеме фиг. 15.

Устранение овальности по схеме фиг. 15 соответствует на эпюре фиг. 17 сложению вектора овальности с вектором биения шейки. Так, если металл снят на глубину, равную 77,, то биение шейки будет равно геометрической сумме:

.

При этом остается эксцентричность оси шейки, равная вектору . Полному устранению эксцентричности соответствует приведение биения шейки к биению от изгиба, т. е. при , .

Дальнейшее снятие металла, например, на величину 772, привело бы к увеличению суммарного шейки, так как07... 074-7/2,

где072 07.

При значительных износах шеек, когда диаметры последних близки к предельным ремонтным размерам, целесообразной обработкой шейки будет та, в результате которой эксцентричности и диаметр шейки будут в пределах допусков. В каждом конкретном случае величины и направления эксцентричности коренных шеек определяют рациональный ремонт коренных шеек.

Предмет изобретения

Способ определения эксцентричности коренных шеек коленчатых валов рядных моторов типа М-100А, М-1ОЗА, отличающийся тем, что измеряют величину и направление общего биения шейки по максимальному и минимальному показаниям неподвижного индикатора, а также направление биения, вызванного общим прогибом вала в одной плоскости, за каковое направление принимают замерен-ное по индикатору направление биений четвертой и шестой шеек вала, вращающегося на второй и восьмой шейках, и из общего биения геометрически вычитают биение, вызванное общим прогибом вала, используя в качестве третьей составляющей этого геометрического вычитания биение шейки, вызванное овальным ее износом, принимаемое как разность двух, взаимно-перпендикулярных диаметров испытуемой шейки, из которых один направлен по биссектрисе между шейками, соседними с испытуемой с одной и с другой стороны.

№ 67684

- 8 Фиг. 1 ПриэпЛ

Фиг. 2

Плилпа. ШидиНатар призпа.

чп

QJ

Фиг. 11

Фиг. 12