Способ сборки шатунно-поршневого узла
Владельцы патента RU 2499900:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВПО "КубГТУ") (RU)
Изобретение относится к области машиностроения и металлургии, в частности к способу сборки шатунно-поршневого узла. Осуществляют установку поршневого пальца в отверстие поршня и установку шатуна на поршневой палец. Предварительно на поверхность стального поршневого пальца наносят механически активированный порошок из материала на основе никеля с эффектом памяти формы с размером частиц 30-50 мкм путем плазменного напыления в вакууме с получением слоя толщиной 0,2-3 мм. Затем осуществляют вакуумный отжиг нанесенного слоя при температуре 500-800°C, проводят термомеханическую обработку при нагреве от 30 до 250°C или при охлаждении до -10÷0°C с помощью жидкого азота и при обкатке нанесенного слоя при этой температуре роликами в радиальном направлении за 50-70 проходов с накоплением степени деформации ε≥3,7%. Затем после установки поршневого пальца в отверстие поршня проводят нагрев соединения до температуры 20,7-325,8°С конца обратного мартенситного превращения. Техническим результатом является повышение прочностных характеристик шатунно-поршневого узла. 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл., 3 пр.
Изобретение относится к области машиностроения и металлургии, в частности к способам сборки и разборки узлов.
В настоящее время существуют следующие способы сборки и разборки узлов.
Известен способ сборки подшипника скольжения, заключающийся в установке корпуса и вкладышей, охватывающих вал, в посадочных местах с последующей сборкой подшипникового узла, отличающийся тем, что установку корпуса и вкладышей в посадочных местах выполняют после того как, по крайней мере, на одну из контактирующих поверхностей корпуса и/или вкладышей подшипника наносят покрытие из материалов, обладающих податливостью. Наносят покрытие из мягких металлов, например, меди, серебра, олова, индия, методом электроэрозионного легирования, при энергии разряда 0,04-0,08 Дж толщиной 0,05-0,12 мм (патент №2422690).
Недостатком данного способа является сложность процесса сборки подшипника скольжения. Низкая надежность полученного соединения.
Наиболее близким является способ сборки шатунно-поршневого узла, в одном цилиндре должны быть установлены поршень, поршневые кольца, палец и шатун одной размерной группы. Поршневые пальцы подбираются к поршням и шатунам таким образом, чтобы при комнатной температуре поршневой палец должен от усилия пальца руки входить в верхнюю головку шатуна, а в отверстие поршня входить после нагрева последнего в воде до 60…85°C. После побора поршней, пальцев и шатунов производится их сборка с нагревом (Устройство, техническое обслуживание и ремонт легковых автомобилей. Шестопалов С.К. Учеб. для нач. проф. образования. - 2-е изд. М.: ИРПО; Изд. Центр «Академия», 2000. - 544 с.).
Недостатком этого способа является низкая прочность полученного соединения. Сложность сборки, разборки полученного узла.
Задачей изобретения является разработка надежного способа сборки шатунно-поршневого узла.
Техническим результатом является повышение прочностных характеристик шатунно-поршневого узла.
Поставленная задача решается предложенным способом сборки шатунно-поршневого узла, заключающийся в установке поршневого пальца в отверстия поршня, установки шатуна на поршневой палец, предварительно на поверхность стального поршневого пальца наносят механически активированный порошок из материала на основе никеля с эффектом памяти формы с размером частиц 30-50 мкм путем плазменного напыления в вакууме с получением слоя толщиной 0,2-3 мм, вакуумный отжиг нанесенного слоя проводят при температуре 500-800°C, термомеханическую обработку осуществляют при нагреве от 30 до 250°C или при охлаждении до -10-0°C с помощью жидкого азота и при обкатке нанесенного слоя при этой температуре роликами в радиальном направлении за 50-70 проходов с накоплением степени деформации ε≥3,7%, затем после установки поршневого пальца в отверстие поршня проводят нагрев соединения до температуры 20,7-325,8°C конца обратного мартенситного превращения. В качестве порошка на основе Ni используют состав: никель 50-55 at.%, титан 45-50 at.% или титан 49-51 at.%, никель 41-44 at.%, медь 5-10 at.%, никель 62-65 at.%, алюминий 35-38 at.%. На поверхность поршневого пальца наносят указанную смесь порошков плазменным напылением при температуре плазменной струи t=8000-15000°C, токе разряда I=300-390 A, напряжении U=45-80 B, скорости микрочастиц 120-160 м/с. В качестве плазмо-образующего газа используется смесь аргона и азота Ar=50-80%, N2=30-50%, причем расстояние от сопла плазматрона до поршневого пальца составляет 155-200 мм. Последующее охлаждение и понижение до низкой температуры с помощью жидкого азота проводим для слоя, полученного напылением порошков состава: никель 50-55 at.%, титан 45-50 at.% или титан 49-51 at.%, никель 41-44 at.%, медь 5-10 at.%. Нагрев осуществляем для слоя, полученного напылением порошков состава: никель 62-65 at.%, алюминий 35-38 at.%.
Повышение прочностных характеристик шатунно-поршневого узла достигается за счет использования технологии поверхностного модифицирования позволяющее получать наноструктурированные материалы с эффектом памяти формы. Технология поверхностного модифицирования, представляет собой комбинированный процесс, включающий подготовку поверхности, механоактивацию порошка, собственно процесс плазменного напыления в вакууме со всем многообразием влияющих факторов и последующую термическую обработку с поверхностно-пластическим деформированием. Каждая составляющая этого процесса вносит определенный вклад в повышение механических характеристик, а совокупное их влияние может оказать синергетический эффект на формирование структуры и свойств. Эти результаты дают нам основание полагать, что основной вклад в повышение механических свойств вносит именно наноструктурирование.
На фиг.1 изображен шатунно-поршневой узел.
Шатунно-поршневой узел состоит из поршня 1, поршневого пальца 2 с наноструктурированным функциональным материалом 3 с эффектом памяти формы, шатуна 4.
Способ осуществляется следующим образом.
Перед сборкой шатунно-поршневого узла на поверхность поршневого пальца наносим наноструктурированный слой с ЭПФ. Нанесение слоя осуществляем следующим образом, порошок с эффектом памяти формы наносят при помощи плазменного напыления в вакууме на поверхность поршневого пальца из стали 45, 40, 40Х, 12Х18Н10Т, получаем покрытие толщиной 0,2-3 мм, далее осуществляют вакуумный отжиг нанесенного слоя при температуре 500-800°C с последующим повышением температуры от 30 до 250°C или понижением до низкой температуры -10÷0°C с помощью жидкого азота в зависимости от сплава, обкатку нанесенного слоя при этой температуре роликами в радиальном направлении за 50-70 проходов с целью накопления степени деформации ε≥3,7%. После нанесения слоя осуществляем сборку, для этого поршневой палец вставляется в отверстия поршня, таким образом, чтобы поршневой палец с наноструктурированным слоем с эффектом памяти формы входил в отверстия поршня по переходной посадке, далее осуществляется нагрев соединения до температуры 20,7-325,8°C конца обратного мартенситного превращения. Далее на поршневом пальце закрепляется шатун.
Отжиг проводят для повышения технологической пластичности и формирования определенного типа наноструктуры с одновременным увеличением прочности и пластичности сплава, приданию сплаву эффекта памяти формы.
Пример 1
Перед сборкой шатунно-поршневого узла на поверхность поршневого пальца наносим наноструктурированный слой с ЭПФ. Нанесение слоя осуществляем следующим образом, порошок с эффектом памяти формы 35Al-65% at. Ni наносят при помощи плазменного напыления в вакууме на поверхность поршневого пальца из стали 45, получаем покрытие толщиной 0,5 мм, далее осуществляют вакуумный отжиг нанесенного слоя при температуре 500°C с последующим повышением температуры до 217°C, обкатку нанесенного слоя при этой температуре роликами в радиальном направлении за 56 проходов с целью накопления степени деформации ε=3,8%. После нанесения слоя осуществляем сборку, для этого поршневой палец вставляется в отверстия поршня, таким образом, чтобы поршневой палец с наноструктурированным слоем с эффектом памяти формы входил в отверстия поршня по переходной посадке, далее осуществляется нагрев соединения до температуры 242°C конца обратного мартенситного превращения. Далее на поршневом пальце закрепляется шатун.
Пример 2
Перед сборкой шатунно-поршневого узла на поверхность поршневого пальца наносим наноструктурированный слой с ЭПФ. Нанесение слоя осуществляем следующим образом, порошок с эффектом памяти формы 49,8Ti-50,2% at. Ni наносят при помощи плазменного напыления в вакууме на поверхность поршневого пальца из стали 12Х18Н10Т, получаем покрытие толщиной 0,8 мм, далее осуществляют вакуумный отжиг нанесенного слоя при температуре 600°C с последующим охлаждением и понижением до температуры 12,8°C с помощью жидкого азота, обкатку нанесенного слоя при этой температуре роликами в радиальном направлении за 65 проходов с целью накопления степени деформации ε=5,5%. После нанесения слоя осуществляем сборку, для этого поршневой палец вставляется в отверстия поршня, таким образом, чтобы поршневой палец с наноструктурированным слоем с эффектом памяти формы входил в отверстия поршня по переходной посадке, далее осуществляется нагрев соединения до температуры 54,8°C конца обратного мартенситного превращения. Далее на поршневом пальце закрепляется шатун.
Пример 3
Перед сборкой шатунно-поршневого узла на поверхность поршневого пальца наносим наноструктурированный слой с ЭПФ. Нанесение слоя осуществляем следующим образом, порошок с эффектом памяти формы Ti49Ni41Cu10 наносят при помощи плазменного напыления в вакууме на поверхность поршневого пальца из стали 40Х, получаем покрытие толщиной 0,7 мм, далее осуществляют вакуумный отжиг нанесенного слоя при температуре 700°C с последующим повышением температуры до 35°C, обкатку нанесенного слоя при этой температуре роликами в радиальном направлении за 70 проходов с целью накопления степени деформации ε≥4,1%. После нанесения слоя осуществляем сборку, для этого поршневой палец вставляется в отверстия поршня, таким образом, чтобы поршневой палец с наноструктурированным слоем с эффектом памяти формы входил в отверстия поршня по переходной посадке, далее осуществляется нагрев соединения до температуры 52,4°C конца обратного мартенситного превращения. Далее на поршневом пальце закрепляется шатун.
Были проведены испытания полученных образцов на изгиб с вращением шатунно-поршневого узла (поршневого пальца), а также испытан полученный узел (поршневой палец) по прототипу, табл.
Как видно из табл.1 в результате усталостных испытаний шатунно-поршневого узла, предложенный шатунно-поршневой узел обладает повышенными прочностными характеристиками.
| Результаты усталостных испытаний шатунно-поршневого узла | ||||||||
| Шатунно-поршневой узел (палец без функционального материала), прототип | Шатунно-поршневой узел (палец с функциональным материалом NiAl) | Шатунно-поршневой узел (палец с функциональным материалом NiTi) | ||||||
| № образца | σа, МПа | N, циклов | № образца | σа, МПа | N, циклов | № образца | σa, МПа | N, циклов |
| 1 | 338 | 3,56·104 | 1 | 442 | 3,62·104 | 1 | 505 | 3,11·104 |
| 2 | 327 | 3,89·104 | 2 | 450 | 4,08·104 | 2 | 485 | 4,11·104 |
| 3 | 298 | 1,24·105 | 3 | 448 | 5,31·104 | 3 | 490 | 6,32·104 |
| 4 | 307 | 1,97·105 | 4 | 420 | 9,35·104 | 4 | 485 | 6,89·104 |
| 5 | 282 | 7,89·105 | 5 | 390 | 5,68·105 | 5 | 421 | 6,91·105 |
| 6 | 274 | 8,95·105 | 6 | 385 | 6,53·105 | 6 | 419 | 8,58·105 |
| 7 | 284 | 9,46·105 | 7 | 368 | 1,16·106 | 7 | 422 | 9,78·105 |
| 8 | 288 | 1,64·106 | 8 | 362 | 1,82·106 | 8 | 420 | 1,93·106 |
| 9 | 277 | >107 | 9 | 355 | >107 | 9 | 415 | >107 |
| 10 | 270 | >107 | 10 | 365 | >107 | 10 | 410 | >107 |
1. Способ сборки шатунно-поршневого узла, включающий установку поршневого пальца в отверстие поршня и установку шатуна на поршневой палец, отличающийся тем, что предварительно на поверхность стального поршневого пальца наносят механически активированный порошок из материала на основе никеля с эффектом памяти формы с размером частиц 30-50 мкм путем плазменного напыления в вакууме с получением слоя толщиной 0,2-3 мм, вакуумный отжиг нанесенного слоя проводят при температуре 500-800°С, термомеханическую обработку осуществляют при нагреве от 30 до 250°С или при охлаждении до -10÷0°С с помощью жидкого азота и при обкатке нанесенного слоя при этой температуре роликами в радиальном направлении за 50-70 проходов с накоплением степени деформации ε≥3,7%, затем после установки поршневого пальца в отверстие поршня проводят нагрев соединения до температуры 20,7-325,8°С конца обратного мартенситного превращения.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве порошка на основе Ni состав: никель 50-55 ат.%, титан 45-50 ат.% или титан 49-51 ат.%, никель 41-44 ат.%, медь 5-10 ат.%, никель 62-65 ат.%, алюминий 35-38 ат.%.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на поверхность поршневого пальца наносят указанную смесь порошков плазменным напылением при температуре плазменной струи Т=8000-15000°C, токе разряда I=300-390 А, напряжении U=45-80 В, скорости микрочастиц 120-160 м/с.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве плазмообразующего газа используют смесь аргона и азота: Ar 50-80%, N2 30-50%, причем расстояние от сопла плазмотрона до поршневого пальца составляет 155-200 мм.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что последующее охлаждение до температуры -10÷0°C с помощью жидкого азота проводят для поверхностного слоя, полученного напылением порошков состава: никель 50-55 ат.%, титан 45-50 ат.% или титан 49-51 ат.%, никель 41-44 ат.%, медь 5-10 ат.%.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев осуществляют для поверхностного слоя, полученного напылением порошков состава: никель 62-65 ат.%, алюминий 35-38 ат.%.
