автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка комплекса методов и реализация их в производстве для создания и развития конструкций автомобильных двигателей с корпусными деталями из алюминиевых сплавов

Горьковский автомобильный завод (ОАО «ГАЗ») Заволжский моторный завод (ОАО «ЗМЗ») Нижегородский государственный технический университет

На правах рукописи УДК 621.43.034.7:061.5

Сыркин Павел Эммануилович

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА МЕТОДОВ И РЕАЛИЗАЦИЯ ИХ В ПРОИЗВОДСТВЕ ДЛЯ СОЗДАНИЯ И РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С КОРПУСНЫМИ ДЕТАЛЯМИ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Диссертация. в виде нау много доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Работа выполнена на Горьковском автомобильном и Заволжском моторном заводах и в Нижегородском государственном техническом университете

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ,

д.т.н., профессор М.А.Григорьев

Заслуженный деятель науки и техники РФ, д.т.н., профессор Р.П.Доброгаев

Заслуженный деятель науки и техники РФ, д.т.н., профессор В.В.Эфрос

Ведущая организация:

ОАО «Волжские моторы» (Ульяновский моторный завод)

Защита диссертации в виде научного доклада состоится в « ¡Н » часов « » ШлОаМлХ 2001 г. на заседании диссертационного совета Д 217.014.01 в Государственно^ научном центре Российской Федерации - Федеральном государственном унитарном предприятии - Центральном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском автомобильном и автомоторном институте (ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ») по адоесу: г. Москва, ул. Автомоторная, д.2

С диссертацией в виде научногс теке ГНЦ РФ ФГУП НАМИ.

Диссертация в виде научного

Ваши отзывы на диссертац:,. pax, заверенные печатью учрежде- < -Москва, ул. Автомоторная, д.2, учено 217.014.01

■да

библио-

■пемпля-' 438, г. •звта Д

Ученый секретарь

диссертационного совета Д217.014.01 кандидат технических наук, старший научный сотрудник

л: .iyo»K.i?u

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение эффективности автомобильных двигателей включает в себя в числе других проблем уменьшение веса двигателей, повышение их надежности, снижение трудоемкости изготовления, технического обслуживания и ремонта, улучшение экологических условий в ходе их производства и эксплуатации.

Снижение веса двигателей инициирует снижение веса ряда узлов автомобиля - подвески, тормозов и других деталей и, как следствие - снижение металлоемкости, расхода топлива, повышение долговечности шин. Снижение веса двигателей может быт достигнуто применением алюминиевых сплавов для изготовления корпусных и иных деталей.

Высокие технологические свойства алюминиевых сплавов в литейном и механическом производствах создают дополнительный эффект повышения качества и экономических показателей.

В мировом автомобильном двигателестроении установилась номенклатура деталей, которые традиционно большинством моторных заводов изготавливаются из алюминиевых сплавов. К ним относятся головки блоков цилиндров, впускные газопроводы, поршни, различные крышки, корпуса насосов и фильтров. Значительные колебания, однако, наблюдаются в выборе материала блок-картеров. При многих преимуществах алюминиевых сплавов перед чугунными существенно меньшая стоимость последних накладывает отпечаток на решение этого вопроса. Изыскание путей снижения себестоимости алюминиевых блоков цилиндров и нахождение инженерного компромисса между преимуществами и недостатками алюминиевых сплавов как конструкционного материала для блок-картеров является весьма актуальной инженерной проблемой.

В настоящем докладе и приведенном списке печатных трудов обобщен многолетний опыт исследовательских, конструкторских и технологических работ, проведенных под руководством автора и при его личном участии по разработке комплекса методов и реализации их в производстве для созданиия и развития конструкций автомобильных двигателей из алюминиевых сплавов. В дальнейшем для кратности такие двигатели именуются алюминиевыми.

ь и задачи исследования. Целью исследования являлась разработка методов создания и развития конструкций автомобильных двигательными деталями из алюминиевых сплавов.

остижения указанной цели было необходимо решить следующие за-

~ оанализировать физико-технические свойства литейных алюминие-1 в и выявить их положительные и отрицательные свойства по срав-2 8 унами, как конструкционного материала для блок-картеров автомо-

2 £ зигателей.

.М 5 ^работать меры, направленные на реализацию в конструкции двига--X производстве преимуществ алюминиевых сплавов и нейтрализо-

вать или уменьшить влияние их недостатков с тем, чтобы обеспечить эффективность создаваемых конструкций и их экономическую целесообразность.

Методика исследований. Тензо- и термометрирование проводилось с помощью электронной аппаратуры; линейные измерения - с помощью технологических приспособлений, снабженных индикаторами требуемой для каждого отдельного случая точностью; измерения толщины масляного слоя и расхода масла - на специально сконструированных оригинальных установка; испытания двигателей - на соответствующих динамометрических стендах.

Математическая обработка осуществлялась методами дифференциального и интегрального исчислений и математической статистики с привлечением ЭВМ.

Использованы положения теоретической механики, сопротивления материалов, металловедения, гидромеханики.

Научная новизна. Впервые в отечественной практике исследованы и обобщены применительно к автомобильным двигателям, имеющим блок-картеры и другие корпусные детали из алюминиевого сплава, особенности их конструкции, технологии производства, которые оказывают наиболее существенное влияние на эксплуатационные свойства и экономику производства:

- зазоры в паре шейки коленчатого вала - коренные подшипники, условия смазки в этих парах и разработаны меры по стабилизации масляного слоя;

- зазоры в кинематической цепи привода клапанов, их изменение на работающем двигателе и разработаны меры по стабилизации зазоров;

- внутренние напряжения в стенках блок-картеров, характер релаксации напряжений и деформации блок-картеров на различных стадиях технологического процесса и эксплуатации и разработаны меры по снижению деформаций;

- напряжения в чугунных крышках коренных подшипников, метод расчета крышек и разработаны меры по обеспечению их прочности;

- жесткость блоков-картеров различных конструктивных схем расчетным методом и разработаны рекомендации по выбору конструкции, обеспечивающей компромиссное решение между жесткостью, технологичностью и себестоимостью;

- экологические параметры производства алюминиевых и чугунных деталей, как важнейшее условие реализации системы «человек-машина»;

- технологические требования к алюминиевым деталям, отливаемым в металлические формы, и предложены расчетные зависимости, позволяющие определить литейные уклоны и конусообразность отверстий;

- новые материалы для вставных деталей - гильз цилиндров^ втулок направляющих и седел клапанов, обеспечивающих их высокую износостойкость;

- надежность двигателей в условиях подкон трольной эксплуатации и реализованы меры, направленные на повышение надежности.

Впервые в мировой практике создана и освоена в производстве конструкция У-образного восьмицилиндрового блок-картера, отливаемого под давлением.

I фактическая ценность и реализация работ. На основе разработанных методов:

1. Под руководством и при непосредственном участии автора создана конструкция семейства V-образных восьмицилиндровых двигателей для грузовых и специальных автомобилей, автобусов, а также для легкового автомобиля высокого класса и стационарного применения.

С начала производства этих двигателей по октябрь 2001 года выпущено около 6,2 млн. экземпляров и производство их продолжается.

2. При непосредственном участии автора создана конструкция базового четырехцилиндрового двигателя и ряда его модификаций для семейства легковых автомобилей среднего класса и стационарного применения.

С начала производства этих двигателей по октябрь 2001 года выпущено более 6,1 млн. экземпляров и производство их продолжается.

3. Специально для производства укатанных выше двигателей построен Заволжский моторный завод, в становлении и развитии которого автор принимал непосредственное участие.

4. Под руководством автора в течение ряда лет осуществлялись мероприятия по совершенствованию указанных выше двигателей, направленные на повышение их надежности, энергетических, экономических и экологических показателей.

5. Разработанные методы исследований и расчетов внедрены в производство и позволили ускорить процессы конструирования и доводки двигателей.

Достоверность результатов подтверждается: аттестацией примененных средств измерений, использованием апробированных методов измерений и обработки данных, большим набором статистического материала, высокой повторяемостью результатов эксперимента.

Апробация работы. Основные положения работы в целом или ее части докладывались самостоятельно и в соавторстве на Всесоюзных конференциях в Ленинграде (1971), Душанбе (1971), Москве (1973, 1978, 1980, 1986, 1987), Ташкенте (1978, 1982), Харькове (1979), Баку (1979), Челябинске (1982), Ворошиловграде (1983), Горьком (1980, 1987); на Всесоюзных семинарах в Казани (КСХИ, 1984), Москве (МВТУ, МАМИ, 1988), Владимире (ВПИ, 1989, 1995), Ленинграде (ЛПИ, 1989); на международных и региональных конференциях в Горьком и Нижнем Новгороде (ГПИ и НГТУ, 1978-2000); на технических советах конструкторских отделов Горьковского автомобильного и Заволжского моторного заводов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано самостоятельно и в соавторстве 85 работ, в том числе 3 монографии, 7 авторских свидетельств.

Результаты всех излагаемых ниже исследований, конструкторских и производственно-технических работ опубликованы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ преимуществ и недостатков алюминиевых литейных сплавов как конструкционных материалов для блок-картеров автомобильных двигателей по сравнению с чугунами

В табл. 1 на примере сплава АК9ч (АЛ4) (ГОСТ 1583-93) и чугуна СЧ24 (ГОСТ 1412-85) показаны физико-технические свойства алюминиевых сплавов и чугунов.

Меньшая в 2,5...2,8 раза плотность алюминиевых сплавов по сравнению с чугунами позволяет снизить массу блока цилиндров не менее чем на 50% по сравнению с чугунным. Снижение массы двигателя инициирует снижение массы других деталей автомобиля и увеличивает пробег шин. Снижаются расходы на транспортировку в процессе производства. Уменьшение массы легковых автомобилей малого и среднего класса на 100 кг снижает расход топлива на 2...3% (рис. 1).

Таблица 1

Сравнение физико-химических свойств алюминиевого сплава __ и серого чугуна___

Размерность СЧ24 АК9Ч (АЛ4)

Т1 | Т6

Плотность кг/м3 7,2-10' 2,7-Ю3

Твердость НВ 170. ..240 60 70

Модуль упругости МПа 11-Ю4 7,МО4

Временное сопротивление

при растяжении МП а 235 196 235

Относительное удлинение % <0,2 1,5 3,0

Коэффициент линейного

расширения при 20-200°С 1/С° 10-Ю"6 21-10

Теплопроводность при 20°С Вт/(мК) 50 125

Удельная теплоемкость от

20 до 200°С Дж/(кг-К) 500 950

Линейная усадка % 0,9...3,0 1,0...1,1

Интервал температур °С

перегрева при заливке 1600...1650 800. 830

Т1 - искусственное старение, Т6 - закалка и искусственное старение.

л

tow аооо >ооо мое мюо

а)

1«са по« 1}<ю ММ W

S)

О

Ж Н И N в МО РУ.

МО «КО Ю» «00 ИОО UOO КГ

Рис. 1. а) масса двигателей легковых автомобилей с оборудованием без масла и

охлаждающей жидкости:-----чугунные;- - - алюминиевые (ATZ 1980, №2); б)

влияние массы автомобиля «Волга» ГАЗ-24 на расход топлива по экономическим характеристика автомобиля и двигателя; Fa = 87 км/ч; пА = 3000 мин"1; в) влияние массы автомобиля в классе VW на расход топлива при испытании по городскому циклу США (ATZ 1980, №2); г) влияние массы автомобиля на долговечность шин (отчет НАМИ): С - наработка шин, Р - нагрузка на шину.

В программе создания в США экономичного автомобиля (80 миль на галлон, то есть приблизительно 3 л на 100 км) основная роль отводится снижению веса.

Большая в 2,5 раза теплопроводность способствует теплорегулированию двигателя и уменьшает термические напряжения, что в сочетании с большим относительным удлинением снижает опасность образования трещин.

Способность отливаться в металлические формы, меньшая температура при разливке в формы обеспечивают более высокую технологичность в литейном производстве, снижая его энергоемкость и повышая производительность труда. Улучшается качество поверхности, повышается точность отливки, уменьшается объем механической обработки, что вместе с лучшей обрабатываемостью снижает затраты в механическом производстве.

При отсутствии песчаных стержней улучшаются условия труда в производственных цехах, снижается запыленность и выделение других вредностей, что подтверждено анализом воздушной среды в цехах Заволжского моторного завода (табл. 2). Например, содержание чугунной пыли в цехе обработки чугунных деталей в ряде случаев превышает предельно допустимые концентра-

ции более чем в 2 раза. В цехе алюминиевых деталей вредные примеси в воздухе находятся в пределах нормы.

Благодаря лучшей свариваемости повышается ремонтопригодность.

Таблица 2

Особенности состава воздушной среды на рабочих местах станочников Заволжского моторного завода

Наименование цеха Наименование характерных вредных компонентов

Цех механической обработки алюминиевых деталей г, 0,11-0,15 Окись алюминия-- 6,0 Масляная аэрозоль ^ ^

Цех механической обработки чугунных деталей „ 2,6-14,8 Чугунная пыль —- 1 6,0 Масляная аэрозоль ^

Цех литья под давлением (с металлическими стержнями) Окись алюминия Масляная аэрозоль

Цех литья в кокиль (с песчаными стержнями) Аммиак Цианистый водород Формальдегид Фенол

Примечания: В числителе - содержание компонента мг/м3; в знаменателе -предельно допустимая концентрация.

Вместе с тем, алюминиевые сплавы имеют меньший в 1,5 раза модуль упругости. Вследствие этого при одинаковом моменте инерции поперечных сечений чугунных и алюминиевых деталей жесткость последних меньше пропорционально отношению их модулей упругости. Более высокий (в 2 раза) коэффициент линейного расширения алюминиевых сплавов дестабилизирует зазоры в сопряжениях при изменении температуры деталей.

Низкая износостойкость традиционных алюминиевых сплавов в условиях высоких нагрузок и температур, соответствующих, например, условиям работы гильзы цилиндра, требует применения специальных мер для обеспечения надежности пары поршень и поршневые кольца - гильза. То же относится к паре клапан и их направляющие и др.

Высокая энергоемкость производства первичного алюминия повышает стоимость материала и, соответственно, отливок.

Задача сводится к тому, чтобы нейтрализовать или уменьшить отрицательные свойства алюминиевых сплавов и максимально использовать положительные.

Стабилизация зазора и обеспечение условий смазки подшипников колеи чагою вала

Существенное значение для работы двигателей имеет стабильность зазора в паре коренная шейка коленчатого вала - подшипник. Предварительно исследовалось в процессе сборки и нагрева изменение размера отверстия под вкладыши коренных подшипников при сочетаниях деталей: чугунный блок -чугунная крышка, алюминиевый блок - алюминиевая крышка, алюминиевый блок - чугунная крышка (рис. 2). Установлено, что увеличение диаметра при нагреве в равных интервалах температур для указанных трех случаев относится как 1:2:1,5 (рис. 3). Таким образом, оказывается целесообразной установка чугунной крышки. Дальнейшие исследования проводились с чугунной крышкой.

Рис. 2. Изменение диаметров отверстий под вкладыши коренных подшипников (средние значения по трем отверстиям): а) - после установки обеих головок блока, впускного трубопровода и гильз и нагревания водой с температурой 80°С (крышки коренных подшипников чугунные); б) - то же (крышки коренных подшипников алюминиевые): 1 -форма после нагревания водой с температурой 80°С; 2 - до нагрева после механической обработки; 3 - теоретический контур.

Рис. 3. Изменение диаметров отверстий (в мм) под вкладыши коренных подшипников (средние значения по трем отверстиям): а - при нагревании водой (80°С); б - при нагревании водой (80°С) и отработавшими газами (510...620"С); 1 -чугунный блок и чугунные крышки; 2 - алюминиевый блок и чугунные крышки; 3 - агаомниевый блок и алюминиевые крышки

г

га /

Ь /

У

у 'у

* ЧЧ1Г

Р1

У

г

У У

?

У У

г

У У У

А Л

У

' +Э77

г

г

п

Было исследовано изменение толщины смазочного слоя в коренных и шатунных подшипниках на различных режимах работы двигателя. Измерение

зазора производилось емкостным методом. Было разработано специальное та-рировочное устройство (рис. 4) и комплекс измерительных приборов (рис. 5) и производились измерения на различных нагрузочных режимах (рис. 6).

Принцип измерения состоит в следующем: в шейку вала запрессовывается изолированный электрод, изготовленный из материала вала, являющийся подвижной обкладкой к�