Двигатели
внутреннего сгорания

 
         

 

Главная
Основы конструирования
Расчеты
Силы и моменты
Поршневая группа
Шатуны и штоки
Коленчатые валы
Подшипники
Система газораспределения
Корпусные детали
Анализ конструкции
Устройство и
принцип действия

КШМ
ГРМ
Система смазки
Система охлаждения
Система питания
Система зажигания
Пуск двигателей
Увеличение мощности
Разное

Материалы коленчатых валов

Валы изготовляют из стали ковкой и штамповкой или отливкой из стали или чугуна.
Применение валов из углеродистых сталей для двигателей малой и средней напряженности объясняется сравнительной низкой стоимостью термообработки и пластическими свойствами этих сталей.
Для валов стационарных, судовых и тепловозных двигателей чаще применяют стали 35, 40, 50, 35Г, 40Г, 45Г, 50Г и др. Валы быстроходных двигателей изготовляют из тех же сталей, а также из хромовых, хромоникелевых и хромомолибденовых (40Х, 40ХН, 35ХМ, 30ХН2МА, 18Х2Н4МА и др.). Для валов автомобильных и тракторных двигателей применяют стали 45, 45, 50Г, 40Х, 45Г2, 38ХГН, 40ХН2МА.
Хромованадиевые, хромомолибденовые, хромоникелевые и хромоникельмолибденовые стали (30ХМА, 20ХНЗА, 38Х2МЮА, 40Х2Н2МА, 25Х2Н4МА, 38Х2МЮА и др.) служат для изготовления коленчатых валов быстроходных дизелей повышенной мощности различного назначения.
В судовых, стационарных, тепловозкых и автотракторных двигателях нередко применяют литые коленчатые валы из специального модифицированного чугуна с шаровидным графитом (СЧ 30, СЧ 35 и др.) перлитно-ферритной структуры и из углеродистой и легированной сталей.
Изготовление литых чугунных валов проще и экономичнее, при этом расходуется меньше металла и меньше времени затрачивается на обработку, чем при изготовлении стальных штампованных или кованых валов. Причем экономия металла увеличивается по мере усложнения конструкции вала, износостойкость шеек вследствие наличия в чугуне графита возрастает, надежность работы вала благодаря большой циклической вязкости чугуна повышается. В то же время следует отметить, что механические качества чугунных коленчатых валов хуже, чем стальных кованых, обнаружить внутренние литейные пороки у них труднее.
При применении твердых сплавов для подшипников, в частности свинцовистой бронзы, шейкам придают высокую твердость термообработкой. Термообработку применяют для повышения износостойкости также и в случаях заливки подшипников баббитом.
Расчет коленчатого вала на прочность
Коленчатый вал представляет собой пространственную статически неопределимую систему на упругих опорах с различной жесткостью отдельных участков.
Существующие методы расчета валов основаны на рассмотрении вала как разрезной, так и неразрезной систем и являются приближенными. Метод расчета вала как разрезной системы не учитывает влияния надопорных изгибающих моментов, действующих в различных (продольных) плоскостях. Методы расчета вала как неразрезной системы также не дают достаточно точных результатов, так как часвд не учитывают в полной мере влияния деформации картера, упругой осадки опор, несоосности подшипников и износа коренных шеек и вкладышей. Чем жестче картер, тем точнее результаты расчета вала как неразрезной системы.
Анализ поломок коленчатых валов показывает, что большей частью изломы имеют усталостный характер. Разрушение начинается от зон наибольших концентраций напряжений, расположенных у краев отверстий для смазывания в шатунных и коренных шейках или (чаще) у галтелей щек и шеек.
Переменные крутящие моменты, нагружающие шейки, вызывают трещины у краев отверстий, распространяющиеся по спирали в направлении, перпендикулярном главным нормальным напряжениям. Влияние изгибающих моментов менее значительно. Так как края отверстий для смазывания часто имеют меньшие радиусы закругления с внутренней стороны полости, чем с внешней (в случае полой шейки), трещины нередко возникают с внутренней стороны, несмотря на то, что номинальные напряжения в этом месте меньше, чем на наружной поверхности. Трещины в щеках начинаются в галтелях-около середины длинной стороны щеки. Их вызывают главным образом переменные изгибающие моменты, действующие в средней плоскости колена.
Наиболее частыми являются поломки коленчатых валов в зонах сопряжений шеек и щек. Несмотря на большое количество опубликованных экспериментальных данных по концентрации напряжений в указанных галтелях, еще не имеется достаточных обобщений, относящихся к двигателям отдельных классов. *
Запасы прочности определяются по формулам (80), (81) с использованием значений коэффициентов концентрации напряжений для крупных однокривошипных моделей коленчатых валов с диаметрами шеек 200 мм. Одновременно принимают, что основные геометрические параметры элементов колена вала (от, которых в основном зависит концентрация напряжений) изменяются при этом незначительно.
Рационально представить коэффициент концентрации напряжения в галтели коленчатого вала, состоящим из нескольких множителей.
При изгибе вала в плоскости колена (наиболее опасным для прочности) коэффициент концентрации напряжений

где (Ка) д = о-коэффициент концентрации напряжений в галтели аналогичного коленчатого вала, но с нулевым перекрытием шеек, с h/d = 1,6 и dBJd = 0, определяемый в зависимости от г/Ь по диаграмме, приведенной на рис. 161, а; (рс)й, (РаЬ -коэффициенты, учитывающие при изгибе влияние ширины" щеки и диаметра облегчающего отверстия в шатунной

шейке на концентрацию напряжений в галтели, определяемые по графикам рис. 161,6, в; (Ка)е - коэффициент, учитывающий эксцентричное расположение облегчающего отверстия в зависимости от e/d и dBBJd, определяемый по диаграммам, приведенным на рис. 162; (ра)д, (Рс)е- коэффициенты, учитывающие влияние перекрытия шеек и удаленность облегчающего отверстия (в смежной щеке) (ра)д = 1 - (£«,)„[1 - (PJJ; (РаХд-коэффициент (р0)д для аналогичного кривошипа с h/d = Щ 1,6, определяемый по диаграммам рис. 163, а; Ко)й~ поправочный множитель, зависящий от отношения h/d и определяемый по диаграммам рис. 163,6.
При изгибе шейки вала в плоскости, перпендикулярной к плоскости долена, концентрация напряжений меньше, чем при изгибе в плоскости колена. Коэффициент концентрации напряжений в этом случае значение (Ка)0 определяют, учитывая материал вала по диаграммам (рис. 164, а), а влияние поправочного коэффициента v на отношение ширины щеки к диаметру шатунной шейки - по диаграмме рис. 164,6.
Коэффициент концентрации напряжений при кручении где (Кт)0- коэффициент концентрации напряжений в галтели ступенчатого осесимметричного вала с теми же отношениями r/d и dBJd, что и у рассматриваемого колена при отношении сопрягаемых диаметров D/d = 2 (рис. 165).
Влияние ширины и толщины щеки учитывают коэффициентами (РТ)А и (рт)ь (рис. 166, а, б), перекрытие шеек-коэффициентом (Рт)д (рис. 166, в). Коэффициент (Кт)в учитывает эксцентриситет отверстия в шейке, с которым нередко выполняют колено.
Ориентировочные значения коэффициентов концентрации напряжений на краях отверстий для смазывания приведены ниже (d-диаметр шатунной шейки, d0- диаметр отверстия для подачи масла, d0/d = 0,05-f-0,15):

Пользуясь табл. 20, можно определить приближенно масштабные факторы е0 и ет.
Наибольшее число расчетов выполнено для быстроходных форсированных двигателей. Результаты расчетов показывают, что запасы прочности коренных шеек различаются мало при расчете как по разрезной, так и по неразрезной схеме. Запасы прочности шатунных шеек также сравнительно незначительно зависят от схемы расчетов. По исследованиям Р. С. Кинасош-вили, для двигателей указанного типа запасы прочности шатунных шеек при расчете вала как разрезной системы получаются на 5-8% меньше, чем при расчете вала как неразрезной системы. Значительная разница получается в запасах прочности в галтелях щек и шеек: для крайних щек запасы прочности при расчете вала по разрезной схеме получаются на 30-40% меньше, чем запасы прочности при расчете по неразрезной схеме; для промежуточных щек разница получается гораздо большей главным образом вследствие того, что при расчете не учитывается разгружающее действие опорных моментов.
Расчет запаса прочности по нормальным напряжениям шеек и щек проводят по формуле (80), а запаса прочности по тангенциальным напряжениям-по формуле (81).
При расчетах коленчатых валов из легированной стали, применяемой для валов форсированных быстроходных двигателей, нередко принимают ст_ 1 = 550 МПа; т_ 1 = 300 МПа.
При проведении расчета на прочность определяют максимальное и минимальное номинальные напряжения в опасных точках сечения шеек и щек. Для этого подсчитывают номинальные напряжения при разных положениях коленчатого вала через 15-20° угла поворота коленчатого вала за полный
цикл работы двигателя и находят экстремальные значения напряжений. 13 большинстве случаев положения вала, соответствующие экстремальным напряжениям, берутся из таблиц для сил и моментов, нагружающих вал. По этим таблицам определяют максимальные и минимальные напряжения, амплитуду и среднее напряжение цикла.
пасы прочности в галтелях) также лежат в широком диапазоне значений: пт я 1,2—г-2,0.
В приведенном расчете, называемом иногда квазистатическим, учтены переменные по времени нагрузки и грубо ориентировочно нагрузки от крутильных колебаний. Определить дополнительные напряжения в валу от этих нагрузок расчетом затруднительно. Обычно при проектировании коленчатого вала расчет проводят, как указано выше. Вследствие этого приведенные величины запасов прочности повышены.
Расчеты высоконапряженных коленчатых валов форсированных двигателей проводят и по неразрезной схеме. В настоящее время существует несколько методов, учитывающих жесткость картера, податливость опор, наличие слоя масла. В одном из методов многоопорный коленчатый вал рассматривают как балку переменно-ступенчатого сечения приведенной жесткости с учетом ее изменения по длине и углу поворота вала. При этом учитывают упругость и несоосность опор вала, заклинивание отдельных кривошипов, распределение внешних нагрузок по длине шатунной шейки, нагружение шатунной шейки двумя рядом расположенными шатунами. Приведенную жесткость каждого пролета прямой балки в расчете определяют из условия равенства угла поворота опорного сечения колена и заменяющей его балки под действием всех нагрузок-внешних сил и надопорных изгибающих моментов. Ввиду того, что значение приведенной жесткости зависит от нагрузок на колено и различно при действии внешних сил на шатунную шейку и надопорных моментов, то определение ее ведут методом последовательных приближений. В первом приближении находят приведенную жесткость под действием только внешних сил на шатунную шейку, которую после раскрытия статической неопределимости системы и определения надопорных моментов уточняют, а затем проводят окончательный расчет вала. Дополнительные деформации кривошипа, возникающие при нагружении колена в плоскости, перпендикулярной плоскости кривошипа, учитывают в виде появляющейся при этом несоосности смежных коренных шеек.
Запасы прочности шатунных шеек выполненных конструкций валов быстроходных двигателей находятся в пределах 1,7-3.

1 2 3 4 5 6

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 



  Разработано специально для liciss.ru, все права защищены.
Копирование материалов сайта разрешается только с указанием прямой индексируемой ссылки на источник.