I. Влияние конструктивных форм коленчатых валов на прочность и долговечность

1. Общие сведения

Создание модифицированных чугунов, которые используют для изготовления коленчатых валов двигателей средней мощ­ности, а также средней частоты вращения, позволило в боль­шинстве случаев отказаться от применения стальных кованых валов. Особенностью этого чугуна является сравнительно высо­кий предел прочности его на растяжение 390—510 МПа, а после термической обработки этот показатель достигает 540—690 МПа. Наиболее положительным фактором, способствующим приме­нению чугуна для изготовления таких коленчатых валов явля­ется возможность придать валу при его изготовлении (отливке) наиболее рациональную конструкцию для обеспечения равно- прочности по всем его сечениям.

В переходных поверхностях шатунных и коренных шеек ва­ла возникают большие концентрации напряжений и снижение их может быть достигнуто изменением конструкции, т. е. равно­мерным распределением этих напряжений. Резкое изменение сечения приводит также к трудностям при термообработке ва­ла и снижению механических свойств из-за наличия остаточных напряжений в этих сечениях.

Форма элементов вала, шероховатость обрабатываемой по­верхности имеют большее влияние на предел выносливости, чем его материал [5]. Кроме того, малый расход металла, неболь­шие трудоемкость и затраты на обработку вала позволяют ма­лыми капитальными вложениями организовать крупносерийное производство таких валов.

По данным Всесоюзного научно-исследовательского тепло­возного института, приведенным ниже, чугунные валы в 4—6 раз менее трудоемки, чем стальные:

Материал Высокопроч- Сталь

ный чугуи

Отходы в стружку, кг 330 4 200

Общий расход металла на изготов­ление коленчатого вала, кг 2186 10 000

Чугунные коленчатые валы имеют полые шатунные и корен­ные шейки (рис. 1, а), позволяющие равномерно распределять металл в процессе его отливки между щеками и шейками. Вследствие этого уменьшается концентрация напряжений в со­

пряжениях (особенно в сече­ниях, проходящих через пере­ходные поверхности шеек).Ва­лы со сплошными шейками (рис. 1, б) отличаются низким пределом выносливости, так как концентрация напряжений, возникающая вследствие не­равномерного распределения напряжений в сопряжениях щек с шейками и по объему щеки, достигает недопустимых зна­чений. В свою очередь, резкое изменение сечений приводит к некачественной термообработке и снижению механической проч­ности вала из-за наличия остаточных напряжений в его элемен­тах. Коленчатые валы со сплошными шатунными и коренными шейками используются только тогда, когда масса и особенно стоимость изготовления вала не имеют первостепенного значе­ния.