ЗБІЛЬШЕННЯ РЕСУРСУ ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРАННЯ

DOI: https://doi.org/10.37129/2313-7509.2024.22.13

УДК 623.1/.7

В.К. Скремінський https://orcid.org/0009-0007-0189-5044

О.М. Ярошевський https://orcid.org/0000-0002-2608-8624

Ю.М. Петрик https://orcid.org/0000-0003-4589-4282

В.П. Марченко https://orcid.org/0000-0001-5775-4477

О.С. Андрощук, докт. техн. наук, проф. https://orcid.org/0000-0002-8786-851X

Військова академія (м. Одеса)

ЗБІЛЬШЕННЯ РЕСУРСУ ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРАННЯ ВІЙСЬКОВИХ АВТОМОБІЛІВ МЕТОДОМ ВІДНОВЛЕННЯ РОЗМІРНИХ ЗВ’ЯЗКІВ ПРИ РЕГУЛЮВАННІ КЛАПАННИХ ЗАЗОРІВ ГАЗОРОЗПОДІЛЬЧОГО МЕХАНІЗМУ

Логістика сучасних бойових дій передбачає широке застосування військових легкових автомобілів, особливо в безпосередній близькості до сил противника. Враховуючі специфіку забезпечення Збройних сил України, у військових частинах використовується велика кількість автомобілів закордонного виробництва різних марок та моделей. Зважаючи на це, в ремонтних підрозділах виникає проблема забезпечення запасними частинами дуже широкої номенклатури, часто виникають ситуації використання вживаних запасних частин. Особливе значення в цій ситуації набувають методи оптимізації ремонтно-відновлювальних робіт.

Швидкоплинність сучасних бойових дій характеризується важкістю забезпечення запасних частин для автомобільної техніки, особливо закордонного виробництва. Використання нових деталей поряд з вживаними ускладнює реалізацію традиційних принципів взаємозамінності та впливає на ресурсні показники вузлів і агрегатів після ремонту. Виходом в такій ситуації може бути широке застосування методів розмірного аналізу, які забезпечують обґрунтування оптимальних значень граничних зносів окремих деталей з урахуванням ступеня їх впливу на працездатність інших елементів розмірного ланцюга.

Використання при ремонті відновлених вживаних деталей, викликає необхідність більш широкого застосування методів оптимізації граничних значень зносів та процесів відновлення елементів розмірного ланцюга. Методи дослідження представлені прикладом розробки методики відновлення необхідних параметрів розмірних зв’язків при регулюванні зазорів клапанів, оскільки тепловий зазор в газорозподільчому механізмі двигуна є важливим елементом, який впливає на ефективність експлуатації двигуна.

Ключові слова: військові автомобілі, технічне обслуговування і ремонт, двигун внутрішнього згорання, газорозподільчий механізм, тепловий зазор, розмірні зв’язки.

Постановка проблеми

Актуальність матеріалу даної статті полягає в тому, що для підтримання військової автомобільної техніки логістичного забезпечення бойових дій підрозділів, в технічно справному стані, враховуючи велику кількість марок та моделей, виникають труднощі в забезпеченні запасними частинами широкої номенклатури. Часто виникають ситуації використання вживаних запасних частин. Тому питання відновлення розмірних ремонтних зв’язків механізмів автомобілів набувають важливого значення та безпосередньо впливають на виконання завдань логістичного забезпечення.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Питанню відновлення розмірних зв’язків механізмів постійно приділяється пильна увага. В сучасних умовах необхідно вдосконалення існуючих методик практичного застосування розмірного аналізу, сприяючих, в першу чергу, зменшенню часових витрат на їх реалізацію [3].

Моделі і методики аналізу та побудови розмірних ланцюгів використовуються для оцінки впливу геометричних допусків на можливість зборки виробів і оцінки надійного контакту в сполученні, в тому числі, в нерегулярних (з періодично виникаючим зазором) кулачкових газорозподільчих механізмах, наприклад, шляхом формування стадій попередньої обробки і постобробки [4].

Виділення невирішених раніше частин загальної проблеми

Метою даної роботи є заповнення існуючих прогалин в знаннях підвищення якості ремонту військової автомобільної техніки на базі застосування методів відновлення розмірних ремонтних зв’язків конкретного механізму.

Постановка завдання

Суть роботи полягає в дослідженні двох різних методів відновлення розмірних зв’язків, які придатні для реалізації при виконання відновлювальних робіт в ремонтних підрозділах, при зменшенні теплового зазору шляхом механічної обробки зовнішніх або внутрішніх контактних поверхонь штовхачів двигуна.

Виклад основного матеріалу дослідження

Дослідження проведені на прикладі двигунів з верхнім розташуванням розподільчих валів та зменшенні теплового зазору при експлуатації, так як це більше впливає на ефективність їх роботи. Приведено рівняння розмірного ланцюга клапанної групи, в якій тепловий зазор є кінцевою ланкою. В результаті послідовного дискретного зняття верхніх шарів металу штовхачів з кроком 0,05 мм та виміру твердості поверхневих шарів встановлено, що даний підхід до відновлення ремонтних зв’язків може рекомендуватись до використання в ремонтних підрозділах, причому ефективнішим є спосіб регулювання теплового зазору методом шліфовки зовнішньої поверхні штовхача.

Під розмірним ланцюгом тут мається на увазі сукупність взаємопов’язаних контрольованих та тих, які відновлюються в процесі ремонту, розмірів деталей, які утворюють замкнений контур. Взаємне положення в просторі пов’язаних поверхонь окремих деталей, отримане в результаті ремонту, повинно наближатись до конструкторських параметрів точності.

Класичний метод розрахунку просторового аналізу - це комплекс розрахункових та аналітичних операцій, супутніх розробці і аналізу технологічних процесів. При цьому розмірний аналіз технологічних процесів полягає не тільки в побудові спеціальних розмірних схем та ланцюгів, а і у призначенні розумних допусків, виявленні необхідних резервів ресурсу, а також в розрахунку розмірів середніх та мінімальних запасів. В сучасних умовах ведення бойових дій необхідно вдосконалення існуючих методик практичного застосування розмірного аналізу, які забезпечують, в першу чергу, зменшення часових витрат на їх реалізацію.

Відновлення розмірних зв’язків при ремонті повинно забезпечувати мінімальну функцію (1):

де C_R та C_T - зміна сумарних витрат від неповного використання ресурсу деталей та їх заміни;

L_lim - величина залишкового ресурсу деталі, що замінюється;

N_Z - кількість одночасних замін деталей;

ΔТ - різниця величини працевтрат в залежності від виду відновлювального ремонту;

ΔN_R - різниця кількості ремонтів.

Рахується, що в процесі експлуатації тепловий зазор клапанного механізму збільшується і підлягає періодичному регулюванню з метою відновлення нормативним значень відповідно до технічної документації. Але досвід експлуатації автомобільної техніки показує, що частіше зі збільшенням напрацювання тепловий зазор має, навпаки, тенденцію до зменшення. Причиною цього є диференційовані процеси зносу елементів газорозподільчого механізму, котрі створюють розмірний ланцюг, заключною ланкою якого є величина теплового зазору в приводі клапанів. Зменшення зазору нижче оптимальних значень має більш негативні наслідки для двигуна автомобіля, навіть, до можливих пошкодження двигуна. Таким чином, зменшення теплового зазору не тільки порушує організацію фаз газорозподілу, але і серйозно вливає на ефективність експлуатації автомобілів. Необхідність регулярного відновлення розмірних зв’язків при регулюванні теплового клапанного зазору в повній мірі відповідає прогресивній стратегії орієнтованого на ризики обслуговування (risk-based maintenance), основаною на виявленні найбільш важливих вузлів, відмова яких має значні наслідки не тільки для автомобіля, а й для ефективності завдань логістичного забезпечення, які він виконує.

Збільшення чи зменшення в процесі експлуатації оптимальної величини теплового зазору Z_опт, як і будь якої іншої замикаючої ланки розмірного ланцюга, визначається виразом:

(2)

де EI - найменший граничний розмір j-ї збільшуючої ланки;

ES - найбільший граничний розмір g-ї зменшуючої ланки.

Склад і ступінь впливу факторів, які визначають підсумкову величину теплового зазору при ремонті та регулюванні, може суттєво варіюватися із-за особливостей конструкції газорозподільчого механізму конкретного двигуна, а також якості деталей. Зважаючи на широке розповсюджених легкових автомобілів з застосуванням розташування розподільчих валів у головці блоку циліндрів (SOHC або DOHC), рівняння розмірного ланцюга приводу клапанів можливо представити у вигляді послідовності зміни розмірів деталей в процесі експлуатації, які збільшують або зменшують оптимальну величину теплового клапанного зазору ∆Z, яке є замикаючою ланкою ланцюга:

∆Z = ∆О + ∆В ± ∆З + ∆е + ∆ПШ + ∆ВШ + ∆С - ∆ТК - ∆СК ± ∆t

(3)

Вираз (3) показує, що в зміні теплового зазору беруть участь відповідно зноси опор розподільчого вала ∆О, опорних поверхонь валу ∆В, згин розподільчого валу ∆З, знос ексцентричних поверхонь кулачків ∆e, знос п’яти штовхача ∆ПШ, внутрішніх поверхонь штовхача ∆ВШ, стержня клапана ∆С, тарілки клапана ∆ТК та сідла клапана ∆СК. В приведеному рівнянні присутня також температурна характеристика зміни теплового зазору ∆t, яка не береться до уваги, якщо регулювання відбувається при стандартній температурі навколишнього середовища +20 °С.

Традиційні методи регулювання і відновлення розмірних ланцюгів полягають у підборі та заміні штовхачів новими. Даний підхід до організації ремонту, з урахуванням ускладненої логістики, не завжди є оптимальним, а іноді не можливим. Відповідно потрібен більш технологічний метод відновлення розмірних ланцюгів при регулюванні теплового зазору. Наукова новизна роботи полягає в дослідженні двох різних потенційно придатних для реалізації в ремонтних підрозділах способів відновлення розмірних зв’язків при зменшенні теплового зазору шляхом механічної обробки зовнішніх чи внутрішніх контактних поверхонь штовхачів двигуна для зміни висоти та, як результат, величини теплового зазору.

У випадку наявності при збиранні розмірного ланцюга нових та відновлених деталей характеристику сумарного допуску заключної ланки Z_Σ можливо представити як суму допусків окремих ланок:

(P_ні T_тi+ P_вi T_рi)

(4)

де ξi - передаточне відношення i-ї ланки;

T_тiта T_рi - відповідно технологічний та розширений допуски i-ї ланки розмірного ланцюга;

P_нi та P_вi - вірогідність появи при ремонті нової та бувшої у вжитку, відновленої деталі.

В якості зразків при проведенні експериментальних досліджень по відновленню розмірного ланцюга теплового зазору шляхом зміни висоти штовхача були вибрані штовхачі клапанів, які не піддавались відновленню, автомобільних двигунів Toyota 2AZ-FE (номінальний розмір 5,44 мм) та Subaru EJ204 (номінальний розмір 5,04 мм).

Для відновлення розмірних ланцюгів при зменшенні теплового зазору, зовнішні та внутрішні контактні поверхні штовхачів були піддані механічній обробці двома різними потенційно придатними для реалізації способами. Перший передбачає обробку на плоскошліфувальному станку зовнішньої поверхні п’яти штовхачів, в ходе якої з робочих поверхонь закріплених на магнітному столі деталей, дискретно (з кроком 0,05 мм) знімається шар металу 0,20 мм. Оскільки механічна обробка штовхачів передбачає зміну фізико-механічних властивостей їх робочих поверхонь, перед початком експерименту проводяться заміри твердості п’яти штовхачів. Отримані результати вимірів твердості кожного зразка та середнє значення твердості для кожного штовхача приведені в таблиці 1.

Таблиця 1. Твердості п’яти штовхачів до зняття шару метала.

Модель двигуна	Твердість п’яти штовхачів по Роквеллу, HRC				Середнє значення твердості, HRC
2AZ-FE	61	60	60,5	60,5	60,50
EJ204	59	58	58,5	57	58,13

Після завершення послідовного видалення кожного шару, знов проводилось вимірювання твердості п’яти штовхача з ціллю визначення її значень на різній глибині. отримані результати представлені на рисунку 1.

В результаті вимірів при даному варіанті механічної обробки зняття шарів металу, рівних 0,20 мм, призводить до зменшення твердості штовхачів по шкалі Роквелла, причому після кожного етапу шліфування вона зменшується в середньому на 2% і в кінцевому підсумку сумарне зниження твердості складає приблизно 13,3%. Цей результат є прийнятним і може бути рекомендованим до використання при ремонті. Слід враховувати зменшення закладених виробниками значень твердості контактних поверхонь при значній глибині обробки та можливе зниження ресурсу двигунів.

Твердість, HRC
	Товщина знятого шару металу, мм

Рисунок 1. Зміна твердості зовнішніх поверхонь п’яти штовхача в залежності від товщини знятого шару метала.

Другим варіантом відновлення розмірних зв’язків було запропоновано шліфування внутрішніх поверхонь штовхачів на вертикально-фрезерному (або свердлильному) станку за допомогою шліфувального каменя на основі окису алюмінію. Виконувались чотири послідовних етапи обробки з кроком зняття металу 0,05 мм та замірами твердості для кожного з вибраних штовхачів. Початкові значення висоти та твердості внутрішніх поверхонь штовхачів до зняття металу наведені в таблиці 2.

Таблиця 2. Початкові значення твердості внутрішніх поверхонь штовхачів до зняття шару металу.

Модель двигуна	Висота штовхача до обробки	Середнє значення твердості штовхача по Роквеллу, HRC
2AZ-FE	5,23	52,30
EJ204	4,84	53,00

Результати оцінки твердості внутрішніх поверхонь п’яти штовхачів в залежності від глибини обробки металу представлені на рисунку 2.

Твердість, HRC
	Товщина знятого шару металу, мм

Рисунок 2. Зміна твердості внутрішніх поверхонь п’яти штовхача в залежності від товщини знятого шару метала.

Встановлено, що при даному способі шліфування у зв’язку зі зміною температурного режиму обробки та ряду інших факторів при знятті шару металу товщиною 0,05 мм твердість п’яти в середньому зменшується на 5,4% після кожного етапу механічної обробки та в результаті сумарне її зниження складає 18,83%. Такий результат зменшення твердості контактної поверхні перевищує аналогічні показники при використанні першого із запропонованих способів механічної обробки штовхачів. Відповідно, слід віддати перевагу застосуванню методики відновлення розмірних ланцюгів при регулюванні теплового зазору в газорозподільчому механізмі двигуна шляхом шліфування зовнішньої поверхні штовхачів, так як в цьому випадку забезпечується збереження фізико-механічних властивостей їх робочих поверхонь в допустимих межах.

Висновки і перспективи подальших досліджень

В умовах складності забезпечення запасними частинами, особливе значення набувають методики оптимізації балансу між ремонтними роботами з використанням вживаних деталей та збереженням ресурсу двигуна. Використання при ремонті нових деталей поряд з відновленими викликає необхідність більш широкого застосування методів розмірного аналізу, сприяє оптимізації граничних значень зносів та процесів відновлення елементів розмірного ланцюга.

Розглянуті два способи відновлення розмірних зв’язків при зменшенні теплового зазору шляхом механічної обробки зовнішніх та внутрішніх контактних поверхонь штовхачів. Так як при цьому слід враховувати можливу зміну фізико-механічних властивостей матеріалу штовхачів, в якості критеріїв вибору між різними способами відновлення замикаючої ланки розмірного ланцюга теплового зазору, запропоновано мінімальне зменшення твердості робочих поверхонь.

В перспективі належить розглянути більш широке застосування методів розмірного аналізу, які забезпечують обґрунтування оптимальних значень граничних зносів окремих деталей з урахуванням ступені їх впливу на працездатність інших елементів розмірного ланцюга різних систем.

Список бібліографічних посилань

1. Сахно В.П., Сирота В.І., Поляков В.М., Головань В.Г., Лисий О.В., Сакно О.П., Лукічов О.В., Тімков О.М. Автомобілі теорія. Навчальний посібник. Одеса, 2017, 412 с.

2. Дяченко В.Г. за ред. А.П. Марченка. Двигуни внутрішнього згоряння. Підручник. Харків, НТУ “ХПІ”, 2008, 488 с.

3. Kochergin V. et al. (2021) Optimization of technical monitoring processes. TransSiberia 2020 Conference, Transportation Research Procedia, 54, pp. 166–172. – https://doi.org/10.1016/j.trpro.2021.02.061.

4. Lealin S. (2024) Comparison and Evaluation of classical Methods of dimensional Chains Theory and their modern Analogues, Journal of Engineering Science, 30(4), pp. 20–30. – https://doi.org/10.52326/jes.utm.2023.30(4).02.

References

1. Sakhno V.P., Syrota V.I., Poliakov V.M., Holovan V.H., Lysyi O.V., Sakno O.P., Lukichov O.V., Timkov O.M. Avtomobili teoriia. Navchalnyi posibnyk. Odesa, 2017, 412 s. [in Ukrainian].

2. Diachenko V.H. za red. A.P. Marchenka. Dvyhuny vnutrishnoho zghoriannia. Pidruchnyk. Kharkiv, NTU “KhPI”, 2008, 488 s. [in Ukrainian].

INCREASING THE LIFE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES OF MILITARY VEHICLES BY THE METHOD OF RESTORING DIMENSIONAL RELATIONSHIPS WHEN ADJUSTING VALVE CLEARANCES OF THE GAS DISTRIBUTION MECHANISM.

V. Skreminskyi, O. Yaroshevskyi, Y. Petryk, V. Marchenko, O. Androshchuk

The logistics of modern combat operations involve the widespread use of military passenger cars, especially in close proximity to enemy forces. Given the specifics of the provision of the Armed Forces of Ukraine, military units use a large number of foreign-made cars of various makes and models. Given this, the problem of providing spare parts of a very wide range arises in repair units, situations of using used spare parts often arise. Methods of optimizing repair and restoration work are of particular importance in this situation.

The rapidity of modern combat operations is characterized by the difficulty of providing spare parts for automotive equipment, especially foreign-made ones. The use of new parts along with used ones complicates the implementation of traditional principles of interchangeability and affects the resource indicators of components and assemblies after repair. The solution in such a situation may be the widespread use of dimensional analysis methods, which provide justification for the optimal values of the limit wear of individual parts, taking into account the degree of their influence on the performance of other elements of the dimensional chain.

The use of restored used parts in the repair necessitates a wider application of methods for optimizing wear limits and processes for restoring dimensional chain elements. The research methods are presented as an example of developing a method for restoring the necessary parameters of dimensional relationships when adjusting valve clearances, since the thermal gap in the engine timing mechanism is an important element that affects the efficiency of engine operation.

Keywords: military vehicles, maintenance and repair, internal combustion engine, timing mechanism, thermal gap, dimensional relationships.

Відомості про авторів:

Information about the authors:

Скремінський Віктор Казимірович

викладач кафедри

Військової академії (м. Одеса),

м. Одеса, Україна

https://orcid.org/0009-0007-0189-5044

Victor Skreminskyi

Lecturer at the Department

of the Odesa Military Academy

Odesa, Ukraine