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. 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.
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:Тогда я недолго думая, просто стукнул по штанге и получил тот самый звон:
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.
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:
Итак устройство вполне рабочее, но стачивать нужно аккуратно, постоянно сверяясь с эталоном. При этом не допускать нагрева детали и смызывая её и резец.
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: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.
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:
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 :) :