Описание условия работы, выбора материала и технологии упрочняющей обработки распределительного вала легкового автомобиля

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «ФИЗИКИ МЕТАЛЛОВ

И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ»

 

 

 

 

 

 

Контрольно – курсовая работа

по дисциплине: «Основы проектирования процессов термической обработки»

на тему: «Описание условия работы, выбора материала и технологии упрочняющей обработки распределительного вала легкового автомобиля»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тула 2012

Содержание

 

1. Введение…………………………………………………………………….3
2. Условия работы распределительного вала……………………………….3
3. Выбор материала …………………………………………………………..5
4. Технология изготовления………………………………………………….6
5. Технология упрочняющей термической обработки……………………..7
6. Оборудование для термической обработки……………………………..10
7. Список использованной литературы…………………………………….15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

 

   Распределительный вал — основная деталь газораспределительного механизма (ГРМ), служащего для синхронизации впуска или выпуска и тактов работы двигателя.

   В современных автомобильных двигателях, как правило, расположен в верхней части головки блока цилиндров и соединён со шкивом или зубчатой звёздочкой коленвала ремнём или цепью ГРМ соответственно и вращается с вдвое меньшей частотой, чем последний (на 4-тактных двигателях). В прошлом была широко распространена схема с нижним расположением распределительного вала. Составной частью распредвала являются его кулачки, количество которых соответствует количеству впускных и выпускных клапанов двигателя. Таким образом, каждому клапану соответствует индивидуальный кулачок, который и открывает клапан, набегая на рычаг толкателя клапана. Когда кулачок «сбегает» с рычага, клапан закрывается под действием мощной возвратной пружины.

   Двигатели с рядной конфигурацией цилиндров и одной парой клапанов на цилиндр обычно имеют один распределительный вал (в случае четырёх клапанов на каждый цилиндр, два), а V-образные и оппозитные — либо один в развале блока, либо два, по одному на каждый полублок (в каждой головке блока). Двигатели, имеющие 3 клапана на цилиндр (чаще всего два впускных и один выпускной), обычно имеют один распредвал на головку блока, а имеющие 4 клапана на цилиндр (2 впускных и 2 выпускных) имеют 2 распредвала в каждой головке блока. Но бывают и исключения, к примеру, двигатель Mitsubishi Lancer модели 4G18 (с рядным расположением 4-ех цилиндров) имеет 4 клапана на цилиндр и 1 распределительный вал.

   Современные двигатели иногда имеют системы регулировки фаз газораспределения, то есть механизмы, которые позволяют проворачивать распредвал относительно приводной звездочки, тем самым изменяя момент открытия и закрытия (фазу) клапанов, что позволяет более эффективно наполнять рабочей смесью цилиндры на разных оборотах.

 

 

2. Условия работы распределительного вала

 

  Распределительного вал обязан выдерживать режим работы двигателя при самых разных оборотах коленчатого вала, при плюс 1000 ⁰С в цилиндрах и минус 50 ⁰С на улице, часами, а порой и сутками, непрерывно, почти без отдыха. При этом вал должен не только заставлять двигаться связанные с ним клапаны, но и беречь их от перегрузок.

   Важнейший элемент распределительного вала — кулачок. Толстая, или широкая, часть его предназначена для отдыха, тонкая — самая нагруженная. У него важны абсолютно все участки поверхности, которые с соответствующими названиями показаны на рис. 1. Причем важность и тонкость расчета профиля каждой части кулачка постоянно возрастают по мере роста максимального числа оборотов у двигателей.

Рис. 1 Профиль кулачка 

   На рисунке  1 изображены: 1- сектор отдыха; 2 – сектор ускорения; 3 – боковая поверхность; 4 – вершина; 5- сектор максимального открытия клапана.

   Поворачиваясь вместе с валом, кулачок должен выбрать тепловой зазор в работающей с ним паре трения и начать подъем клапана от седла, подготавливая его к полному открытию. Здесь в дело включается сектор ускорения. От профиля этого участка кулачка зависит скорость подъема клапана и характер нарастания нагрузок на кулачок от клапанной пружины. В свободном состоянии пружина прижимает клапан к седлу с усилием до 15 килограмм. При полном открытии клапана сопротивление пружины добавляет еще 30 килограмм. Если учесть, что соотношение плечей рычагов в клапанном приводе не в пользу кулачка, то нагрузка на него возрастает и в максимальном значении может приблизиться к 50 килограмм. Распределяется же она всего лишь на тоненькой линии по всей ширине кулачка, площадь которой, как правило, не более 0,2 мм².

   Все эти цифры приблизительны, но их значения близки к реальным для большинства легковых двигателей, и благодаря им можно посчитать удельные нагрузки на рабочую площадь поверхности кулачка. Грубый подсчет даст величину 200 кг/мм².

   Выдержать такие громадные нагрузки могут только специальные стали или отбеленный чугун, из которых делаются распределительные валы современных моторов, да и то при условии упрочняющей термообработки их, хорошей смазки и точного соблюдения времени работы и отдыха кулачков, что определяется зазорами. От величины «зазоров в клапанах» зависит и как — с ударом или постепенно — начнет открываться клапан, и как — мягко или с отскоком — сядет он обратно в седло.

3. Выбор материала

 

   В настоящее время используют большое разнообразие применяемых материалов и методов упрочнения, что связано с различным характером эксплуатации валов, масштабом, условиями и традициями производства на предприятиях различных отраслей. В основном применяют следующие варианты изготовления и упрочнения распределительных валов:

1. Валы из среднеуглеродистых сталей марок 40, 45, 50, изготавливаемые горячей штамповкой, с упрочнением кулачков и опорных шеек поверхностной закалкой при поверхностном индукционном нагреве

Этим методом изготавливают  большинство распределительных  валов двигателей грузовых автомобилей и тракторов.

2. Валы из цементуемых сталей (20Х, 18ХГТ и др), упрочняемые цементацией с последующей поверхностной закалкой при поверхностном индукционном нагреве кулачков и шеек

В этом случае облегчается  обработка валов резанием, но возрастает общая трудоемкость и сложность  термической обработки.

3. Литые валы из перлитного серого и высокопрочного чугуна, упрочняемые путем поверхностной закалки при индукционном нагреве кулачков и шеек либо путем отбела рабочих поверхностей (носиков) кулачков.

   В соответствии  с таблицей 1 выбираем для изготовления распредвала из подходящих материалов, самый дешевый материал - Ст 40.

 

Таблица 1. Цены выбранных  материалов

Марка	профиль	ГОСТ, ТУ :	Цена  руб/т
сталь 45	Круг стальной 100мм немерный	1050-88	28 041
сталь 40	Круг стальной 180мм немерный	ГОСТ 2590-88	27 620
сталь 20Х	Круг стальной 100мм немерный	ГОСТ 4543	30 142
сталь 18ХГТ	Круг стальной 100мм немерный	ГОСТ 4543-71	33 609
Чугун СЧ25	Длина 1560мм Ø 220	ГОСТ 1412-85	92 000

 

Характеристика стали  Сталь 40.

   Сталь конструкционная углеродистая качественная, маркируемая как сталь 40, имеет широкую область применения:

- ее используют для изготовления коленчатых валов, распредвалов, шатунов, зубчатых венцов, маховиков, зубчатых колес, болтов, осей и других деталей после улучшения;

- ее также используют для изготовления деталей средних размеров, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости и повышенной износостойкости при малой деформации, к примеру, длинных валов, ходовых валиков, зубчатых колес, использую дополнительное поверхностное упрочнение с нагревом ТВЧ;

   Технологические свойства, которыми обладает сталь 40: ограниченная свариваемость (для получения качественных сварных соединений необходим предварительный подогрев до 100-120 град. и отжиг после сварки), флокенонечувствительность, кроме того, сталь 40 не склонна к отпускной хрупкости.

   Механические свойства, которыми обладает сталь 40: предел кратковременной прочности – 520 – 600 МПа, предел пропорциональности – 320 – 340 МПа, относительное удлинение – 16 – 20%, относительное сужение – 45%, ударная вязкость – 600 кДж/кв.м

   Химический состав  стали Сталь 40 указан в таблице  2.

 

Таблица 2. Химический состав стали Сталь 40

Химический элемент	%
Кремний (Si)	0,17-0,37
Медь (Cu), не более	0.30
Марганец (Mn)	0,50-0,80
Никель (Ni), не более	0,30
Фосфор (P), не более	0,035
Хром (Cr)	0,80-1,10
Сера (S), не более	0,035

 

 

4. Технология изготовления

 

   Требования, предъявляемые к точности обработки распределительных валов, обусловливают технологические решения по обеспечению высокого качества обработки и надежности применения автоматизированных технологических процессов. Распределительные валы автомобильных двигателей изготавливают из углеродистых, легированных сталей или легированною чугуна. Например, распределительный вал двигателя легкового автомобиля — из стали 40 или из магниевого чугуна с шаровидной формой графита, грузового автомобиля — в основном из стали. Стальные заготовки распределительных валов получают горячей штамповкой с предварительным формообразованием на ковочных вальцах или на прессах в ручьевых штампах Исходный материал — круглый или периодический фасонный прокат. Отштампованные распределительные валы подвергают термической обработке для снятия внутренних напряжений и обеспечения заданной твердости материала. Ниже приведены технологический маршрут изготовления заготовки распределительного вала из стали 40 и применяемое оборудование. Припуски на механическую обработку у штампованных валов составляют 1—4 мм на диаметр. Литые распределительные валы изготавливают из легированного высокопрочного чугуна. Заготовки таких валов отливают в песчаные или оболочковые формы. При отливке в песчаные формы часто применяют металлические, образующие формы кулачков и эксцентриков. При заливке жидкого чугуна интенсивно отводят теплоту и на поверхности кулачков и эксцентриков образуется твердая корка отбеленного чугуна толщиной до 6 мм.

 

5. Технология упрочняющей термической обработки

 

   Для распределительных валов легковых автомобилей широко применяется процесс «Эловиг», разработанный фирмой «АЕГ Элотерм» и заключающийся в расплавлении тонкого поверхностного слоя кулачков чугунных валов электрической дугой неплавящимся вольфрамовым электродом в атмосфере инертного газа (аргона), с последующей быстрой кристаллизацией этого слоя.

   Технология поверхностной закалки при поверхностном индукционном нагреве кулачков и шеек распределительных валов, которая в большинстве случаев является основной и наиболее ответственной операцией упрочняющей термической обработки как стальных, так и чугунных валов, определяющей их работоспособность.

   По условиям эксплуатации оптимальная глубина закаленного слоя на кулачках должна составлять 2—5 мм, при этом на носике допускается ее увеличение до 10 мм.

   Одновременный поверхностный нагрев кулачков и шеек производится в кольцевых или омега образных индукторах (рис. 2) различной конструкции с питанием от преобразователей с частотой 8—10 кГц. При индукционном нагреве ТВЧ кулачков и шеек распредвала со скоростью 100-200 °С/с — нагревают до температур 910—960 °С, при этом продолжительность нагрева составляет 1-1,5 секунды.. При меньшей частоте (1 и 2,5 кГц) ввиду особенности формы кулачка (большой разности диаметров поверхности носика и тыльной части) носик нагревается слабее и для получения в этой зоне высокой твердости приходится перегревать всю остальную часть кулачка, что увеличивает глубину закаленного слоя и деформацию валов, а также снижает производительность установок.

 

 

Рис. 2.  Кольцевой (а) и  омегаобразный (б) индукторы для распределительных валов.

 

   При нагреве в одновитковом индукторе (рис. 3, а) закаленный слой получается неравномерным, глубже в центре и меньше у торцев кулачка. Применение более сложных индукторов (рис. 3, б—г) усиливает нагрев торцев и выравнивает глубину слоя. Закалочное охлаждение осуществляется водяным душем из спрейеров.

 

Рис. 3. Формы индукторов для поверхностного нагрева кулачков распределительного вала

 

   При закалке очередных кулачков необходимо исключить возможность нагрева уже закаленных соседних кулачков, что может привести к их отпуску и недопустимому снижению твердости. Для этого кольцевые индукторы снабжают электромагнитными или водяными экранами, уменьшающими нагрев соседних элементов вала. Иногда охлаждение соседних шеек осуществляют отдельными спрейерами.