Пресс для шкворней грузовых автомобилей на пневмогидравлическом цилиндре: усилие, ход и оправка

Краткий ответ: пресс для шкворней грузовых автомобилей на пневмогидравлическом цилиндре подбирают по усилию выпрессовки шкворня из проушины балки передней оси. Усилие F = π × d × l × f × p, где p находят по натягу; затем диаметр и исполнение цилиндра берут по таблице F = K × p.

Подобрать и купить пневмоцилиндры в каталоге →

Как шкворень сидит в балке и почему его нельзя выбивать

Шкворень передней оси грузовика — стальной палец, на котором поворачивается поворотный кулак. По описанию конструкции КамАЗ, кулак свободно вращается на стержне, а сам шкворень жёстко закреплён в проушине передней балки; в проушинах кулака стоят бронзовые втулки, а от осевого смещения шкворень фиксирует клин. Значит, пресс работает против посадки шкворня в балке, а не против втулок кулака. Перед выпрессовкой кулак освобождают от навесных деталей, снимают крышки и вынимают фиксатор-клин, а под балку со стороны выпрессовываемого шкворня ставят козелок.

Кувалда с наставкой даёт удар вместо контролируемой силы. Практики описывают, что удары по шкворню оставляют задиры в посадке, и при следующей запрессовке шкворень может заклинить и «потерять» балку. Пресс с известным усилием и осью цилиндра по оси шкворня снижает такой риск. Ось важна ещё и потому, что шкворень в балке наклонён: у промышленных выпрессовщиков линию штока цилиндра направляют под углом поперечного наклона шкворня, чтобы выпрессовывать его без снятия переднего моста.

Общий вывод формулы посадки с натягом мы не повторяем, он разобран в статье про пресс для запрессовки подшипников и втулок, а выпрессовку и запас на прикипание — в статье про пресс для выпрессовки подшипников и втулок. Родственные узлы: ступичные подшипники и шаровые опоры — там другие посадки и другая длина хода.

Как посчитать усилие выпрессовки шкворня

Учебная методика связывает осевую силу, давление на контактных поверхностях и коэффициент трения формулой p = P / (π × d × l × f), где d — диаметр соединения, l — длина, f — коэффициент трения. Для выпрессовки та же связь читается как F = π × d × l × f × p. Давление p находят по натягу: N = p × d × (C1/E1 + C2/E2); для сплошного вала в массивной ступице C1 = 1 − μ1, C2 = 1 + μ2. Проушина балки по форме не бесконечная ступица, поэтому «массивная ступица» даёт оценку сверху: настоящее давление будет немного ниже.

В расчёт идёт эффективный натяг: номинальный натяг по допуску минус смятие неровностей 1,2 × (Rz1 + Rz2). Для стали μ = 0,3, E = 2·10¹¹ Н/м², f = 0,15. Натяг шкворня в балке у конкретной модели грузовика мы из открытых источников не нашли: его даёт руководство по ремонту автомобиля или чертёж шкворня. Поэтому ниже натяг — допущение примера.

Пример: шкворень Ø38 мм, посадка 100 мм

Исходные данные условные. Диаметр взят у шкворня (пальца-шкворня) ЗИЛ-130: в объявлениях продавцов указан Ø38 мм, ремонтный размер Р2 — 38,3 мм. Мы приняли d = 38 мм, длину посадки в проушине балки l = 100 мм, сталь по стали и эффективный натяг N = 15 мкм (допущения примера: у реального грузовика натяг, длина проушин и материал балки другие, а их значения даёт руководство по ремонту).

1. Коэффициенты. C1 = 1 − 0,3 = 0,7; C2 = 1 + 0,3 = 1,3; сумма = 2,0.
2. Давление в посадке. p = N × E / (d × (C1 + C2)) = 15·10⁻⁶ × 2·10¹¹ / (0,038 × 2,0) ≈ 39,5·10⁶ Н/м², то есть около 39,5 МПа.
3. Усилие выпрессовки. F = π × 0,038 × 0,100 × 0,15 × 39,5·10⁶ ≈ 70 700 Н ≈ 70,7 кН ≈ 7 200 кгс (1 кН ≈ 102 кгс).
4. Запас. На выпрессовку 1,5 (на прикипание и коррозию): 7 200 × 1,5 ≈ 10 800 кгс. На запрессовку нового шкворня 1,3 (наш инженерный выбор): 7 200 × 1,3 ≈ 9 400 кгс.
5. Исполнение. Формула цилиндра на ходе усиления F = K × p, K — кгс на 1 кгс/см² давления воздуха; для Ø125 исполнения 15T K = 2 560 по таблице усилий SNS MPTF (каталог SNS 2023; у WAALPC такой таблицы нет, для наших MPT и MPTD это оценка). Выпрессовка: p = 10 800 / 2 560 ≈ 4,2 кгс/см² ≈ 0,41 МПа; запрессовка: 9 400 / 2 560 ≈ 3,7 кгс/см² ≈ 0,36 МПа. Максимум Ø125 15T при 7 кгс/см² — 17 900 кгс по таблице каталога, запас по усилию около 1,7. Вариант Ø100 10T (K = 1 560) потребовал бы ≈ 6,9 кгс/см² ≈ 0,68 МПа: почти предел таблицы, запаса нет. Исполнение Ø100 13T в нашем прайсе отсутствует.
6. Ход. Ход усиления у MPT и MPTD в прайсе WAALPC — 5–20 мм, а посадка 100 мм. При постоянном давлении в посадке усилие трения пропорционально оставшейся длине контакта: на каждый миллиметр приходится около 72 кгс (7 200 / 100). После первых 20 мм остаётся около 80 мм контакта, то есть ≈ 5 800 кгс, а на подводе цилиндр Ø125 даёт всего около 500 кгс (122,7 см² × 4,2 кгс/см², оценка). Одним ходом усиления посадку не пройти: нужно не меньше пяти ходов усиления по 20 мм с наращиванием оправки проставочными кольцами. Это громоздко, и такой режим стоит проверить пробной выпрессовкой на образце балки.

Цифры привязаны к допущениям примера: условная длина посадки, сталь по стали, натяг 15 мкм. Если шкворень зафиксирован клином, клин вынимают до выпрессовки и ставят после запрессовки.

Оправка, опора и ось цилиндра

Оправка — стальной стакан или пуансон, который упирается в торец шкворня по всей окружности; её диаметр на 2–3 мм меньше шкворня, чтобы она проходила в отверстие проушины. Кулак со стороны выхода шкворня опирают так, чтобы шкворень выходил в свободное пространство: у выпрессовщиков для этого служит траверса с боковыми окнами, через которые вынимают выпрессованный шкворень. Ось оправки совпадает с осью шкворня, то есть идёт под его поперечным наклоном; перекос портит и шкворень, и отверстие в балке. Поэтому цилиндру нужен механизм установки по углу и фиксация.

Граница применения. Первое: ход. Усилитель MPT с ходом усиления до 20 мм подходит для срыва шкворня с места и короткой посадки; на всю длину шкворня (у шкворня КамАЗ по описанию конструкции — 232 мм при Ø45 мм) стандартного гидравлического выпрессовщика с длинным ходом штока обычно удобнее: например, ВШ30-150 — ход штока 110 мм, усилие 31 т при 800 бар. Второе: закисший шкворень. Практики для КамАЗ называют гидравлический домкрат не менее 50 т и нагрев балки резаком; выпрессовщик в дипломном проекте под КамАЗ-5320 рассчитан на усилие 500 кН (≈ 51 т) при ходе штока 230 мм. Наш ряд MPT в прайсе WAALPC идёт от 1 до 40 т, и 40T у Ø160 — максимум. Если шкворень намертво прикипел и требует 50 т, пневмогидравлического цилиндра по усилию мало; для свободного шкворня, замены ремонтным размером или запрессовки нового на стенде станок на усилителе даёт воспроизводимое, регулируемое усилие.

Безопасность. Балку и кулак фиксируют на козелке и плите, зону рук ограждают, пуск двухкнопочный. Поведение цилиндра при пропадании воздуха определите заранее и проверьте на стенде: оправка не должна упасть на руку или сбросить шкворень.

Что поставить в пневмосистему пресса

Глубина посадки и длина шкворня у разных грузовиков различаются, поэтому берите MPTD: полный ход регулируется, глубину выставляют упором. Размер из примера — MPTD-125-1~100, 1 064 580 ₸. Для одного типоразмера достаточно MPT-125-1~100, 707 520 ₸. Исполнение по усилию (15T) в артикуле не кодируется, его называют при заказе.

Давление для каждого шкворня фиксируют регулятором ARG с манометром, от 20 520 ₸: записывают давление, при котором шкворень тронулся, и повторяют его на следующих. Подвод и возврат ведёт распределитель 5/2 4V, от 4 920 ₸, а усиление включает 3/2 3V, от 3 600 ₸, когда оправка коснулась торца шкворня; порты этих распределителей и регулятора ARG — внутренняя резьба G. Порты цилиндра прикрывает дроссель с обратным клапаном AS, от 1 080 ₸: мягкий подход не бьёт оправку о торец. На выхлопе — глушитель PSL, от 180 ₸, он снижает шум при повторяющихся циклах. Все они качественные и по справедливой цене.

Порядок цикла: балка зафиксирована, клин вынут → оправка подведена по оси шкворня → усиление → выдержка → возврат; при нескольких ходах усиления между ними наращивают оправку.

Типичные ошибки

• Не вынули клин. Шкворень упирается в клин, ломается лыска или проушина.
• Ось цилиндра вертикальна, а шкворень наклонён. Оправка перекашивает шкворень и закусывает его в проушине.
• Нет козелка под балкой. Балка гнётся и сдвигается под усилием.
• Берут размеры с чужого шкворня. Диаметр и длина различаются у ЗИЛ, КамАЗ, МАЗ; здесь Ø38 мм — условный пример.
• Рассчитывают цилиндр по номиналу натяга. У прикипевшего шкворня сопротивление выше расчётного; запас 1,5 — минимум, а при коррозии усилие проверяют пробой.
• Не считают ход. Ход усиления 20 мм не покрывает длину посадки; нужны несколько ходов или другой выпрессовщик.

Рубрики каталога

• Пневмоприводы — цилиндры и усилители;
• Пневмоцилиндр MPTD — регулируемый ход;
• Калькулятор усилия цилиндра.

Частые вопросы

Можно ли выпрессовывать шкворни пневмогидравлическим цилиндром?

Да, если усилие цилиндра перекрывает расчётное усилие выпрессовки с запасом на прикипание, а хода усиления и хода подвода хватает на длину посадки. Диаметр и исполнение цилиндра подбирают по таблице F = K × p.

Как посчитать усилие выпрессовки шкворня?

F = π × d × l × f × p, где p — контактное давление, найденное по эффективному натягу. Затем добавляют запас 1,5 и проверяют пробной выпрессовкой на образце балки.

Хватит ли усилителя для закисшего шкворня КамАЗ?

Не всегда. Практики называют усилие около 50 т, а наш ряд MPT заканчивается на 40 т. Для свободного шкворня или запрессовки нового станок на усилителе подходит.

Почему ось цилиндра надо наклонять?

Шкворень стоит в балке с поперечным наклоном. Если вести его по вертикали, оправка перекосит шкворень и закусит его в проушине.

Подойдёт ли гидравлический пресс или съёмник на 30–50 т?

Подойдёт, и для закисшего шкворня с длинным ходом это часто удобнее. Усилитель выигрывает на серии одинаковых шкворней: давление регулируется и записывается.

Что делать, если посадка длиннее хода усиления?

Делают несколько ходов усиления по 20 мм, наращивая оправку проставочными кольцами, или берут выпрессовщик с длинным ходом штока. Режим проверяют пробной выпрессовкой на образце.