5. Прочностные расчёты основных деталей двигателя

5.1. Расчёт коленчатого вала на усталостную прочность

Рис.23 Расчётная схема коленчатого вала

Материал коленчатого вала – сталь 18Х2Н4МА

Характеристики материала:

1. Расчёт запасов прочности коренных шеек

Расчёту подвергают наиболее нагруженную коренную шейку, имеющую наибольшую разность максимального и минимального набегающих крутящих моментов. В нашем случае наиболее нагруженной является 2-я коренная шейка.

Т.к. коренная шейка обычно выполняется короткой, то величина изгибающего момента у галтели на плече 0,5l_кш небольшая, а в месте расположения масляного отверстия равна нулю. Поэтому расчёт коренной шейки можно выполнять только по напряжениям кручения.

Минимальные и максимальные касательные напряжения

где

Определяем амплитуду напряжений и среднее напряжение

Запас прочности коренной шейки по касательным напряжениям

где - отношение коэффициента концентрации напряжений на краю масляного отверстия к масштабному фактору;

- предел усталости материала на кручение при симметричном цикле нагружения;

- коэффициент, учитывающий асимметрию цикла нагружения.

Запас прочности с учётом коэффициента динамического усиления

, где - коэффициент динамического усиления для 6^х коленного вала.

Допускаемые значения для автотракторных двигателей находятся в пределах 2,5 – 4,0.

2. Расчёт запасов прочности шатунных шеек

На шатунные шейки одновременно действуют изгибающие и крутящие моменты, максимальные значения которых не совпадают по времени.

Расчёт ведётся отдельно по запасам прочности на изгиб и на кручение, а потом определяется общий запас прочности.

Наиболее нагруженной является 2-я шатунная шейка.

Касательные напряжения

где

Амплитуда напряжений и средне напряжение

Запас прочности шатунной шейки по касательным напряжениям

Допустимый коэффициент запаса прочности n_шш = 2 – 4

Расчёт прочности шатунной шейки на изгиб выполняется для сечения, в котором расположено масляное отверстие. При горизонтальном расположении отверстия расчетной нагрузкой будут экстремальные значения тангенциальной силы и соответствующие моменты.

Наиболее нагруженной является 2-я шатунная шейка, у которой

Моменты, создаваемее этими силами на плече l₀ = 0,0805 м

Соответствующие напряжения изгиба

,

где - момент сопротивления изгибу шейки.

Амплитудные и средние нормальные напряжения

Запас прочности на изгиб по нормальным напряжениям при асимметричном цикле нагружения

, где - справочные коэффициенты

Допустимый запас прочности

Общий запас прочности

Допустимые значения суммарного запаса прочности для форсированных высокооборотных дизельных двигателей

3. Расчёт запасов прочности щеки

Определим запас прочности по касательным напряжениям и для наиболее нагруженных коренных и шатунных шеек.

Для точки 1

Для точки 2

Воспользовавшись выражением для расчёта запаса прочности на кручение коренной шейки и подставив туда значение , найдём коэффициент запаса прочности по касательным напряжениям для щеки.

Далее определим запас прочности щеки по нормальным напряжениям.

Экстремальные значения радиального усилия

Для точки 1:

Амплитуда нормальных напряжений:

Среднее нормальное напряжение:

Запас прочности по нормальным напряжениям:

.

Для точки 2:

Амплитуда нормальных напряжений:

Среднее нормальное напряжение:

Запас прочности по нормальным напряжениям:

.

в) определение общих запасов прочности щеки.

В точке 1.

Общий запас прочности:

В точке 2.

Общий запас прочности:

Общий запас прочности в точке 1 (наименьший) с учетом динамического усиления: , что является допустимым.