Глава 7 коленчатый бал

1. КОНСТРУКТИВНЫЙ ОБЗОР

Коленчатый вал, воспринимая переменные по величине и на влешно газовые и инерционные силы и их моменты, подверга деформациям изгиба и кручения, а также деформациям от изгиС и крутильных колебаний, неизбежно имеющим место при ра двигателя. Все это может приводить к усталостным разрушен элементов коленчатого вала.

По этим причинам коленчатый вал современного форсирс ного двигателя является одной из наиболее часто повреждае деталей.

В качестве материалов для изготовления коленчатых валов гателей автомобилей и тракторов используют стали 45, 40ХФА, 42ХМФА, 18Х2Н4ВА. .Для коленчатых валов двигат с искровым зажиганием достаточно широко используют а а ковкие чугуны. Преимуществами чугунных валов являются м шая стоимость, снижение припусков на механическую обраб и экономия стального проката.

Однако в дизелях они в настоящее время не получили щиро] распространения, потому что предел выносливости чугуна суи венно ниже, чем стали, поэтому при ограниченных размерах эле] тов вала сложно обеспечить в дизеле требуемый запас прочное

При конструировании вала широко используют статистиче данные по относительным размерам элементов вала для различ категорий двигателей. В табл. 7.1 приведены такие статистиче данные для автотракторных двигателей.

На рис. 7.1 в качестве примера рассмотрен стальной коленчэ вал четырехцилиндрового четырехтактного двигателя, а на 7.2 — чугунный литой коленчатый вал. Как видно из рис. в литом вале можно придать более рациональную форму внут ним полостям шеек и щек, обеспечивающих повышение усталоа прочности.

136

* В знаменателе приведены длины крайних коренных шеек.

Ряс. 7.1. Стальной коленчатый вал

Рис. 7.2. Чугунный колевчатнй Бал

Валы устанавливают обычно на подшипники скольжения. При­менение подшипников качения возможно в конструкциях колен* чатых валов как составных (рнс. 7.3, а), так и монолитных (рис.

3. б).

Коленчатые валы современных двигателей в большинстве случа­ев выполняют полноопорными, т. е. с количеством коренных шеек, равным i+ I, где i — количество кривошипов вала. Такая конструк­ция вала обеспечивает большую жесткость, а тем самым и более благоприятные условия работы блок-картера, коренных подшип­ников и самого коленчатого вала.

В ряде зарубежных и отечественных V-образных двигателей шатунные шейки одноименных цилиндров левого и правого рядов делают автономными со сдвигами друг относительно друга на угол 5 (см. гл. 2) для того, чтобы обеспечить равномерное чередование рабочих ходов. На рис. 7.4 показан такой кривошип шестицилинд­рового V-образного двигателя ЯМЗ-КАЗ-642.

Огромное влияние на надежность работы коленчатого вала ока­зывают несоосность коренных опор блока и биение коренных шеек вала.

Исследованиями НАТИ установлено, что при несоосности ко-

л;:-,

Рис. 7,3. Установка составного (а) в монолитного (б) коленчатого вала на

подшипнике качения

138

Рис. 7.4. Кривошип со смешенной шатун- Рис. 7.5. Подвод масла к шатунным ной шейкой подшипникам

ренных опор блока, не выходящей за пределы, оговоренные тех­ническими условиями, запас прочности вала уменьшается не более чем на 13%. При несоосности, превосходящей эти пределы, запас прочности резко уменьшается, достигая 30.-50% при эксцентриси­тете 0,1...ОД5 мм. Аналогичный эффект наблюдается и при нерав­номерном износе пары шейка вала — подшипник. При этом боль­шее влияние на прочность коленчатого вала оказывает несоосность коренных опор, чем коренных шеек. Так, исследования КАТИ пока­зали, что при неравномерности износа подшипников 0,05...0,06 мм возникает реальная опасность поломки коленчатого вала.

Особенностью конструкции коленчатых в ал он сл времени;. . цш- гателей является относительно большой диаметр коренных и ша­тунных шеек, что приводит к перекрытию шеек (см. табл. .7.1) и способствует повышению изгибной жесткости коленчатого вала. В шатунных шейках делают полости — уловители механических частиц (рис. 7.5). Эти полости уменьшают неуравновешенную массу кривошипа, что позволяет несколько снизить и массу противовесов.

Щеки вала выполняют эллиптическими, прямоугольными или круглыми. Геометрические параметры щек современных автотрак­торных двигателей приведены в табл. 7.1.

При выборе формы щеки особое внимание должно быть уделено тому, чтобы максимально рационально использовать металл за счет элементов щеки, не передающих усилий сопряженным шейкам. В этом случае удается уменьшить массу коленчатого вала автомо­бильного двигателя на 7...8% без снижения его прочности.

Переходы (галтели) от щек к шейкам выполняются плавными с радиусами (0,05—0,07) d.

В некоторых конструкциях галтели выполняют по двум или трем радиусам или с поднутрением (рис. 7.6), что снижает

139

Рис. 7.6. Формы галтелей: о — мвогорадвугаая, б — с подиутревпсм в щеку, * — с оодвугревнем я шейгу; J — щеса, 2 — шейка

концентрацию нзгибных напряжений прн сохранении опорной дли­ны вкладыша.

Одним из наиболее принципиальных вопросов прн конструиро­вании коленчатого вала является выбор схемы расположения кри­вошипов. От этого конструктивного параметра решающим образом зависят уравновешенность двигателя, равномерность его хода, па­раметры крутильных колебаний коленчатого вала.

Как правило, приоритет прн решении данного вопроса распреде­ляется следующим образом:

• обеспечение равномерности чередования рабочих ходов и вы­бор рационального порядка работы двигателя;

• степень внешней уравновешенности двигателя по силам инер­ции и моментам от них;

• возможность сравнительно простыми методами в максималь­ной степени достигать внутренней уравновешенности двигателя;

• возможность перемещения главных и сильных гармоник кру­тящих моментов за пределы диапазона, где находятся частоты низших форм колебаний крутильной системы.

При проектировании двигателя очень важным является вопрос о выборе количества, размеров и размещении противовесов, кото­рое должно при минимальной металлоемкости обеспечивать внещ-

140

Рис. 7.7. Формы щек в противовесов коленчатого вала

нюю и минимизировать внутреннюю неуравновешенность двига­теля.

Конструктивно противовесы выполняют либо как единое целое с валом, либо устанавливают на продолжении щек в виде автоном­ных элементов. Некоторые их конструкции показаны на рис. 7.7.

Осевая фиксация коленчатого вала относительно картера обес­печивается упорными кольцами (рис. 7.8, б), бортами вкладышей (рис. 7.8, а) или упорным подшипником (рис. 7.8, в).

Упорные кольца изготовляют из бронзы, стали или металлоке­рамики. Стальные кольца и упорные борты вкладышей заливают антифрикционным сплавом. От проворачивания кольца удержива­ются штифтами. Осевые зазоры устанавливают в пределах 0,05... ...0,15 кем.

Масло к коренным подшипникам подводится от главной мас­ляной магистрали в малонагруженную зону их наружной поверх­ности.

К шатунным подшипникам масло подводится по просверлен­ным отверстиям в щеках и по радиальным отверстиям в шатунной шейке (см. рис. 7.5).

2. РАСЧЕТ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА НА ПРОЧНОСТЬ

Коленчатый вал представляет собой многоопорную статически неопределимую конструкцию, имеющую сложную форму и загру­женную пространственной системой переменных сил.

В настоящее время при расчетах на прочность наиболее широкое распространение получила так называемая разрезная схема, в соот­ветствии с которой из коленчатого вала по серединам коренных

142

где

• момент сопротивления шейки кру-

чению, м³;

• определяют амплитудное и среднее напряжения в цикле (МПа):

*шах ^—+ fjniij

0. и и = —-—; (7.2)

• определяют запас прочности при асимметричном цикле на­гружения для I области диаграммы предельных амплитуд:

л,= - . (7.3)

^+0ц-с„

Для определения п_х необходимо знать ЛГ,/е, — отношение эффек­тивного коэффициента концентрации напряжений к произведению масштабного и технологических факторов. Величина этого отноше­ния зависят от многих факторов, прежде всего от конструктивных особенностей вала. При ориентировочных расчетах Р С. Кинасош- вили рекомендует принимать ~ 2,5.

Значения п, для коренных шеек валов двигателей, хорошо заре­комендовавших себя в эксплуатации, находятся в пределах: автомо­бильные двигатели — л_х=3...4, тракторные — л,=4...5,

д Расчет шатунных шеек. На шатунные шейки действуют одно­временно переменные крутящие и изгибающие моменты. Вследст­вие того что экстремальные значения этих моментов не совпадают по времени, принято определять раздельно запасы прочности по касательным и нормальным напряжениям, а затем находить резуль­тирующий запас прочности.

При этом расчет запаса прочности по касательным напряжениям ведут в той же последовательности, что и запас прочности коренных шеек, только значения скручивающих моментов определяются по таблицам или графикам набегающих крутящих моментов на шатун­ные шейки.

Расчетная схема, используемая при определении запаса прочно­сти по нормальным напряжениям, приведена на рис. 7.9. Для упро­щения здесь принято, что кривошип симметричный и центробежные силы щек и противовесов лежат на одной линии.

143

M_T siny'

Рас. 7.9. Расчетная стема кривошипа

Последовательность расчета такая:

• определяем изгибающие моменты в сечении маслоподводяще го канала в плоскости кривошипа А/, и в плоскости М_Т, перпен дихулярной плоскости кривошипа:

В этих выражениях: К — сила, действующая вдоль по кривоиш пу; К_гшх — центробежная снла инерции массы шатуна, отнесение! к кривошипу; К_гшш — центробежная сила инерции шатунной шейки Кгщ — центробежная сила инерции щеки; К_гщ, — центробежная сил: инерции противовеса; по^2,10“⁶ — центробежная си

ла инерции вращающихся масс, МН; Т — тангенциальная сила.

Значения сил К и Т и. их изменения по углу поворота коленчатой вала берутся из таблиц или графиков динамического расчета.

Модуль суммарного изгибающего момента будет равен М=

М\+М\. Плоскость его действия и величина при вращенш вала будут меняться. Так как минимальная концентрация напряже ннй на шейке имеет место на кромках маслоподводящего отверстия то усталостное разрушение шатунной шейки наиболее вероятш в указанной зоне.

0.4

К Kfjb+Kr шш+2^ ->г

(7.5

144

Таблица '

2. с помощью полярной диаграммы (рис. 7.10), откуда (МН' n

К т ;> (7.8)

2 2

(7.9)

где т_г — масштаб сил диаграм- мы (см. динамический расчет, МН/мм); I — расстояние между осями цилиндров, м;

• определив А/,,-щи и на-

ходят максимальное и минималь- ное напряжения изгиба шатунной шейки:

j. j. Л/p'min

^ гп й й ■ И ,

W,

где W,

лП-

момент сопротивления изгибу ша­тунной шейки, м³;

• по известным а_тю и Ию,_п опреде­ляют амплитуду, среднее напряже­ние и запас прочности:

Ри<;. 7.10. К расчету шатунной шей на изгиб

(Ar,-ei)<r_a+*i tf_m

Значения K„ и JC_T можно определить по табл. 7,3 (при o/tf* =0,05. ..0,15), а масштабный и технологический факторы —■ по табл. 7.4.

7.J

Таблица 7.4

• определив л_т и п„ находят общий запас прочности шатунной шейки:

А.Л.

(7.11)

Запасы прочности шатунных шеек валов автомобильных двига­телей находятся в пределах 2,5...3,0 и тракторных — в пределах

З...ЗД У форсированных современных двигателей л=2,0,.,2,5.

д Расчет щек. Щеки подвергаются изгибу в двух плоскостях, растяжению, сжатию и кручению, т. е. они являются наиболее сложно нагруженными элементами коленчатого вала. Запасы про­чности определяют в местах наибольшей концентрации напряже­ний — в галтелях.

9 Запас прочности по нормальным напряжениям.

Изгибающий момент в плоскости кривошипа равен

(7.12)

где

С7..3)

146

где W_em=bh²16 — момент сопротивления щеки изгибу, м³; /_ш = —bh — площадь расчетного сечения щеки, м². Размер b принимают по сечению галтели шатунной шейки.

Напряжения от изгиба щеки в плоскости, перпендикулярной плоскости кривошипа, в расчет не принимаются, так как они малы вследствие большой величины момента сопротивления W=hb²j6.

Запас прочности щеки по нормальным напряжениям будет равен

Максимальное и минимальное значения тангенциальной силы Т определяются по данным динамического расчета.

Момент сопротивления щеки кручению

где а — коэффициент, зависящий от отношения b/h. С достаточной степенью точности его можно определить из выражения

(7.14)

Максимальное напряжение (МПа)

Минимальное напряжение (МПа)

Амплитуда напряжений (МПа)

(7.15)

Среднее напряжение не учитывается, так как оно мало. Отношение KJe „ можно принимать равным 2,0...2,5.

• Запас прочности по касательным напряжениям. Кручение щеки вызывается моментом

‘^^xp.in -Л_ТД — .

2

(7.16)

W^_m=abh²,

(7.17)

Амплитуда касательных напряжении при кручении хцеки бу^ет равна

^жрдитм ^жрлпвкп

2W,

(i, 19)

жр.щ

Запас прочности

Ояв —

т-1

{Кт! 6 j) Тщд

Ktjt, рекомендуется принимать равным 2,0.

Общий запас прочности щеки определяют по формуле (7Л1). У современных автотракторных двигателей запас прочности щек лежит в пределах 1,5...3,0.

д Расчет коленчатого вала V-образного двигателя. В большинст­ве конструкций V-образных двигателей автотракторного типа на шатунной шейке последовательно размещены два шатуна, вследст­вие чего кривошип воспринимает нагрузки от двух цилиндров.

Запасы прочности коренных и шатунных шеек по касательным напряжениям определяют в той же последовательности, что и для однорядного двигателя, своеобразие расчета заключается лини. в методике определения набегающих моментов, действующих на шейки К-образного двигателя.

148

Таблица 7.5

149

По экстремальным значениям До- определяют напряжения и и за- пас прочности по нормальным напря- жениям, а затем по формуле (7.11) — общий запас прочности.

В том случае, если V-образный дви- гатель имеет обычный кривошип (5=0; Кац — 0) с двумя последовательно рас- положенными шатунами (рис. 7Л2), ре- акции на опорах будут равны

(7.24)

Rr = T,+(T_i—T_l) -. (7.25)

Рис. 7.12. Схема нагружения крн- Изгибающий момент в сечении мас- вошапа V-образного двигателя _v

лоподводящего канала в плоскости К

К, (Hc)+(VК_гщ) 0с+Ь-а)-(К, -К_гаа) с + К_гшл^С- (7.26)

и в плоскости Т

M?=R_rl (b+c)~Tic. (7.27)

Далее расчет выполняют в изложенном выше порядке.

Напряжения и запасы прочности щек определяют так же, как и в однорядном двигателе, но с учетом новых реакций /?, _t и R_k2.

3. МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ

Повышение усталостной прочности коленчатого вала может быть достигнуто как конструктивными, так и технологическими мероприятиями.

К конструктивным мероприятиям относятся следующие:

• создание валов с перекрытием шеек (размер Л на эскизе табл. 7.1); ф увеличение радиуса галтели или выполнение многорадиусной галтели с целью уменьшения концентрации напряжений при со­хранении неизменной опорной длины подшипника; ф увеличение толщины h и ширины Ь щеки; • бочкообразная форма полостей в шейках; ф расположение маслоподводящего канала в шатунной шейке под углом <р' —90°.

К технологическим мероприятиям, широко применяемым в настоящее время, следует отнести закалку шеек и галтелей вала ТВЧ при быстровращающемся вале с охлаждением под слоем жидкости с последующим низкотемпературным отпуском. При ис­пользовании среднеуглеродистых сталей и при закалке ТВЧ эффек­

150