Стальные штанги на ЗМЗ 402
 
    31.05.2016
Зачем оно вообще нужно

    Замена алюминиевых осей штанг на стальные обусловлены двумя различиями физических свойств этих материалов. Первое и главное отличие стали от алюминия - бОльшая механическая прочность при той же массе, второе существенное различие - это вдвое меньший коэффициент теплового расширения у стали. Что даст повышенная прочность штанг? В случае увеличения мощности двигателя его рабочие обороты повышаются, при этом усилия стоковых пружин может уже не хватать для своевременного закрытия клапанов, отчего нарушится газораспределение в двигателе. Как минимум это ограничит мощность, как максимум приведёт к разрушению двигателя. Например - выпадет седло клапана. Для избежания этого необходимо штатные пружины клапанов заменить на более жёсткие. А это, в свою очередь, увеличит нагрузку на штанги. Алюминивые может просто загнуть. Здесь и пригодятся стальные штанги повышенной прочности. Преимущество меньшего коэфиициента теплового расширения заключается в том, что можно выставить меньший тепловой зазор. В случае алюминиевых штанг 0.40 - 0.45, в случае стальных минимум вдвое меньше. Это даст меньший уровень шума, а так же увеличенную мощность непрогретого двигателя. То есть, если подъём клапана 10 мм, то уменьшенный на 0,2 мм зазор даст прирост в наполнении цилиндров на 9.75 / 9.55 = 2%. То есть мы получаем на холодном двигателе прирост мощности на 2% буквально из воздуха.

    Идею по стальным штангам предложил Art31007. Здесь он изложил подробные рассчёты. Цена с доставкой выходит чуть более полутора тысяч рублей. Сталь марки 30ХГСА действительно весьма достойная, обрабатывать лучше всего победитом, при пробной напрессовке расклепалась, что говорит о высокой прочности и низкой хрупкости:

    В моём случае главной целью внедрения стальных штанг было снижение шума двигателя за счёт снижения теплового зазора. Форсировать мотор я не планирую, так как корч делаться не планируется, а хочется автомобиль для комфортной повседневной езды. А высокий уровень шума змз-402 одна из немногих вещей, которые меня напрягают в Волге.

   

Частота резонанса штанг и металлический звон

    После шумоизоляции выхлопной системы на высоких оборотах в районе 5200-5300 оборотов обнаружился металлический звон. Возникло предположение, что это резонируют штанги. Для проверки этой гипотезы собрал установку на ардуине, она создавала импульсы уменьшающейся частоты в довольно мощной катушке, подключенной через полевик, управляемый ардуиной, к мощному БП:

При этом, нажимая кнопочку, можно было сужать диапазон изменения частоты, что бы позволило локализовать частоту резонанса:
По рассчётам частота должна была быть 5200 об.мин / 60 сек / 2 (распредвал вдвое медленнее коленчатого вала) = 43 Гц. Кот помогал искать частоту, как мог:
Тем не менее никакого резонанса обнаружено не было.

    Тогда я недолго думая, просто стукнул по штанге и получил тот самый звон:

Штанга СО
Штанга НО
Стальная штанга
Потом прогнал звук через аудиоредактор и вычислил точные частоты резонанса. Штанга НО:
Штанга СО:
Стальная штанга.

    Таким образом, металлический звон на высоких оборотах возникает от удара штанги. А до удара дело доходит, как мне думается из-за "зависания" клапана, то есть недостаточной жёсткости пружин. Кулачачок распредвала уже уходит, а штанга не успевает за ним и тупо бъёт в распредвал через некоторое время. Таким образом нужно либо увеличивать жёсткость пружин, либо уменьшать вес элементов ГРМ, либо не крутить до таких оборотов. Если в стоковом моторе звон наблюдается до 4500 оборотов, то вероятно это из-за сильно уставших пружин.

   

Проточка трубок

    Сразу же предупрежу, точить следует по месту, после разборки штанг, у которых планируется сменить ось. Я проточил по штангам старого образца, а надеть наконечники планировал от штанг нового образца, в итоге получился казус. Итак, нам понадобится один ненужный наконечник, отпиливаем от него верх, чтобы получилась трубка. Далее сошкуриваем его изнутри, чтобы он свободна без люфта садился на посадочное место:

Это будет наш эталон посадочного места. Счёт там идёт на сотки, без этого нужен микрометр:
Сам наконечник двухуровневый, я так понимаю это сделано для удобства напрессовки:
Длина штанги старого образца 265 мм:
Отпиливаем все трубки под заданную длину, при этом распил должен быть строго перпендикулярным. Болгаркой пилится легко:
Изначально для проточки смастерил такой механизм:
К уголку крепится токарный резец, с другой стороны маленькие подшипники. Однако конструкция получилась недостаточно жёсткой в части подшипников, точной металлобработки не получалось. В голову пришла такая мысль, внутренний диаметр трубок 7 мм, так что взял сверло на 7, зафиксировал и приварил:
Такая конструкция получилась достаточно жёсткой:
Так удалось обработать трубки:
Видео процесса:

    Однако, не всё так радужно. Во-первых некоторые трубки имели внутренний диаметр менее 7 мм, то есть тупо не налазили на направляющую. Для решения этой проблемы пришлось проточить победитовое сверло до диаметра где-то 7,1 и пройтись им внутри штанг:

Увеличенный зазор между трубкой и направлялкой (7,1 и 7,0) снизил качество проточки. Самое неприятное, что данные механизм не гарантирует постоянного наружнего диаметра, а гарантирует равную толщину проточенных стенок. И при условии что внутренний диаметр будет разным, и наружный диаметр для напрессовки будет разным. То есть по уму все трубки надо довести до одинакового внутреннего диаметра.

    Хохмы ради попробовал на маленьком огрызке:

Видно, что наличие масла сильно повышает качество обработки. Кроме того, нужно снимать понемногу, так как в противном случае трубка нагреется и увеличится, отчего будет снято лишнего металла и напрессовать наконечник не получится. Вот что получается в идеале:
А вот пример казуса с разным внутренним диаметром. Данные огрызки были проточены при одном положении резца, но на один наконечник можно напрессовать, а на другой он находит свободно. Причина - разный внутренний диаметр:
Итак, трубки я проточил под размер наконечников старого образца, снял штанги. Их важно пометить:
Так как видно, что привалочные поверхности притёрты по разному:
Попытавшись напрессовать наконечники нового образца я столкнулся с проблемой - они находили свободно, то есть их внутренний диаметр немного больше наконечников старого образца. Пришлось заказывать второй комплект трубок. Сверло победитовое я проточил ровно до 7.0 мм и прошёлся по трубке с меньшим диаметром. В результате пролучилось вот что:
То есть небольшой зазор там таки должен быть. Протачивал очень аккуратно,сперва снял совсем чуть-чуть:
В итоге протачивал, вращая трубку вручную через патрон, постоянно сверяя с эталоном:
Вот что получилось:

    Итак устройство вполне рабочее, но стачивать нужно аккуратно, постоянно сверяясь с эталоном. При этом не допускать нагрева детали и смызывая её и резец.

   

Съёмник наконечников
Для снятия наконечников сделал такой съёмник из болта на 20:
Планировалось штангу пилить пополам, зажимать в тисках и откручивать гайку:
При изготовлении съёмника ориентировался на штангу старого образца, толщиной 9,3 мм. Сверлил до 8 мм стальными свёрлами, окончательно победитовым сверлом. Отверстие получилось примерно 9,6 мм. Поразмыслив, что может понадобится спрессовывать наконечник со стальной штанги, решил сделать пропил, чтобы в болт можно было вставлять целую штангу. Между гайкой и тисками упорный подшипник шкворня:
Наконечники снимаются без большого усилия:
Однако со штангами нового образца вышел облом, они диаметром 9,7 мм и тупо не лезли в съёмник, пришлось поработать надфилем:
В общем сверлите болт сверлом на 10, и всё будет гут.

   

Тепловое расширение штанги

    Следующим важнейшим этапом является замер теплового расширения стальной штанги. От него зависит, какой тепловой зазор следует выставлять. От него собственно и зависит уровень шума, из-за чего я и решил сменить оси штанг. Для объективного замера была собрана установка:

Всё регулируется в широких пределах:
И кстати говоря, тепловое расширения вполне осязаемо, вот на примере алюминиевой штанги:
Получились следующие результаты: при дельте 70 градусов стальная штанга с осью 260 мм удлинялась на 19.5 соток, а алюминиевая на 48 соток. Это неплохо соотносится с расчётными данными. Для стальной штанги получается 11.7 * 10-6 * 70 град * 260 мм = 0,21 мм. Для алюминивой штанги расчётное удлинение составит 23,8 * 10-6 * 70 град * 265 мм = 0,44 мм, без учёта удлинения наконечников. Своим данным я доверяю больше, так как рассчёты приведены для чистой стали и чистого алюминия без учёта увеличения наконечников. У нас же сплавы, физические свойства которых немного отличаются.

    Главный вывод из увеличения алюминиевой штанги на 48 соток, с учётом рекомендуемого зазора в 40-45 соток состоит в том, что штанга после полного прогрева помимо компенсации выставленного зазора, компенсирует и увеличение деталей двигателя, преимущественно ГБЦ на величину 3-8 соток. (Довольно часто встречается вопрос, какой зазор выставлять зимой при температуре ниже 20 градусов? А вот неизвестно, так как на холоде уменьшается не только штанга, но и остальные детали двигателя, я бы ориентировался на те самые 0.45 для алюминиевых штанг). Итак, стальная штанга удлинившись на 0.2 - 0.21 мм должна выбрать этот зазор и ещё 3-8 соток увеличения двигателя, получаем что со стальными штангами следует выставлять зазор в 0.12 - 0.18 мм. Я для начала выставил 0.2 мм. Видео с работой двигателя есть внизу статьи. Двигатель полностью прогрел, поездил в режиме максимальной мощности, проблем не было. Звук не тише чем с зазором 0.45 и алюминиевыми штангами, так что при следующей регулировке выставлю 0,15. Наверно это и будет оптимальный зазор для стальных штанг.

   

Сравнение штанг и выводы

    Приведу данные по штангам трёх типов:
   Показатель       Штанга СО       Штанга НО       Штанга из стали   
Масса наконечника 7,4 9,6 9,6
Масса 2х наконечников 14,7 19,1 19,1
Масса оси 51 53 47-51
Диаметр оси 9,3 9,7 9
Длина оси 265 265 260
Частота резонанса 7738 4395 5271
Масса штанги 65 73 65-70

    Почему я обрезал оси до 260 мм. На осях нового образца есть заточка под конус, спуск на 1.5 мм от общей длины в 265 мм. То же и внутри наконечников:

Если обрезать стальные трубки до 265 мм то штанги получатся длиннее на 3 мм:
Также я глянул на ось коромысел и увидел, что по всем регулировочным болтам у меня запас не менее 4 мм. Соответственно, решил сделать штанги короче на 2 мм, и у меня ещё останется 2 мм на компенсацию износа. Итого 265 - 3 - 2 = 260 мм, Вот в сравнении со штатной:
Следующий очевидный вопрос - почему масса стальных осей различается на 5 грамм? Причина в разном внутреннем диаметре. Условно он от 6.9 до 7.1. Тут есть два решения просить продавца подбирать по массе, либо точить все штанги изнутри до 7.15 - 7.20. Сделать это можно так - покупается победитовое сверло на 8 и точится алмазным надфилем до 7.15. Мне если честно уже в лом было, так и оставил. Самые тяжёлые штанги я поставил в первый цилиндр, как наименее нагруженный в плане перегрева. Всяко новые штанги получились легче штанг нового образца, которые тяжелее штанг старого образца из-за увеличенного диаметра оси с 9.3 до 9.7 мм.

    При установке штанг обратил внимание на прикольный эффект прилипания штанги к регулировочному болту:

При работе двигателя это дополнительно снизит уровень шума двигателя.

    Зазор бы выставлен, как писалось ранее, 0.2 мм, но сложилось впечатление, что он избыточен, наверно надо 0.15 мм. Холодный двигатель объективно работает тише, всё-таки зазор 0.2 мм вместо 0.45. Вот видео работы двигателя со штангами из стали, берём новую планку :) :

   

Фотогалерея