2.4 Вывод по разделу

В этом разделе была рассмотрена конструкция остова и деталей движения двигателя типа 6ЧН 15/18. Остов двигателя обладает достаточной жесткостью при небольшой массе. Жесткость коленчатого вала обеспечивается за счет перекрытия шеек. Конструкция шатуна, с двутавровым сечением стержня, является более жесткой по сравнению с круглым сечением стержня. Для увеличения мощности двигателя до показателей современных двигателей можно увеличить диаметр цилиндра, за счет этого произойдет увеличение частоты вращения коленчатого вала.

3 Специальный анализ конструкции коленчатого вала

3.1 Выполняемые функции, условия работы и требования к конструкции коленчатого вала двигателя

Коленчатый вал – одна из наиболее ответственных деталей двигателя. Его стоимость может достигать 30% стоимости двигателя, масса – до 15% массы двигателя. Коленчатый вал (в составе КШМ) предназначен для преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение вала [2].

Условия работы коленчатого вала весьма сложные: - высокие механические знакопеременные нагрузки от давления газов и сил инерции масс движущихся деталей, которые вызывают: сжатие, растяжение, изгиб, кручение, а также крутильные, осевые, поперечные колебания вала и его элементов; - шейки вала подвергаются изнашиванию. [2]

Требования к конструкции коленчатого вала

- Достаточно высокие прочность и жёсткость при возможно минимальной массе;

- Износостойкость поверхности шеек вала;

- Допустимые удельные нагрузки в подшипниках вала и другие [2]. Вид коленчатого вала двигателя 6 ЧН 15/18 представлен на рисунке 2.3.

3.2 Материалы и способы изготовления конструкции коленчатого вала двигателя

1  Углеродистая или легированная стали. Крупные валы отковывают, валы небольших двигателей штампуют. [2]

2  Чугун повышенной прочности (высокопрочный, со сфероидальным графитом), который получают модификацией серого чугуна за счёт легирования добавками Si, Mn, Ni, Cr, Mo и т.д.

Рассматриваемый двигатель имеет стальной коленчатый вал. Преимущества чугунных валов: меньшая стоимость изготовления; возможность использования более рациональных конструктивных форм (с точки зрения снижения концентрации напряжений); меньшая чувствительность к концентраторам напряжений (рискам, царапинам и т.п.); повышенная износостойкость шеек (за счет наличия в чугуне графита и хорошей смачиваемости шеек маслом) [7].

Недостатки чугунных валов: пониженная жесткость и прочность и трудность обнаружения внутренних литейных пороков

Легированная сталь не увеличивает жесткости вала, но повышает его усталостную прочность и износостойкость [7].

3.3 Анализ (сравнение) вариантов конструкции коленчатого вала двигателя

Особое место в нагружении вала и его поломках вызывают крутильные и осевые колебания вала, создаваемые переменным крутящим моментом. Наиболее опасную величину напряжения кручения приобретают при резонансе вынужденных и собственных колебаний вала (работа двигателя в зоне критических оборотов). Опасными местами, где чаще всего действуют концентраторы напряжения, являются галтели перехода шеек к щекам (рисунок 3.1), испытывающие попеременные напряжения сжатия и расширения. Концентраторами напряжений могут быть также глубокие царапины и надрезы на шейках вала, а также дефекты материала, наличие в нем посторонних включений, нарушения технологии ковки и термической обработки.

Учитывая циклический характер всех рассмотренных сил и моментов, поломки вала обычно носят усталостный характер.

Рисунок 3.1

Изготовление литых чугунных валов технологически проще и существенно дешевле. Причем экономия металла увеличивается по мере усложнения конструкции вала, износостойкойсть шеек вследствие большего наличия в чугуне графита возрастает, надежность работы вала благодаря большой циклической вязкости чугуна повышается. Однако при изготовлении чугунных коленвалов особую роль играет качественное литье на современном оборудовании с целью исключения литейных пороков. Также прочностные свойства литого коленчатого вала полностью зависят от свойств используемого материала. В случае использования высокопрочных марок чугуна ВЧ или специального модифицированного чугуна марок СЧ коленчатый вал имеет достаточные характеристики прочности и не нуждается в дальнейшей термообработке. Литой коленчатый вал имеет равномерную твердость по всему сечению и она не снижается после шлифовки. Литые коленчатые валы из чугуна обладают лучшей способностью гашения крутильных колебаний. Литые чугунные валы обладают меньшей прочностью (особенно на изгиб), чем штампованные стальные валы. Поэтому у чугунных валов увеличивают диаметры шатунных и коренных шеек, толщину щек и радиусы галтелей. Чугунные коленчатые валы изготовляют полноопорными. Шейки чугунных валов имеют высокую износостойкость, что позволяет применять подшипники из свинцовистой бронзы. Применение углеродистой стали для изготовления коленчатых валов для двигателей малой и средней напряженности объясняется низкой стоимостью теромобработки и хорошими механическими свойствами этих сталей [9].