Chainov_Ivashenko_Konstr_dvs_1 / Чайнов Иващенко - Конструирование ДВС

Рис. 6.10. Колено вала со смещенными шатун ными шейками

Вколенчатых валах некоторых быстроходных двигателей для привода вспомогательных вали ков, уравновешивающих силы инерции 2 го порядка, использу ется одна из щек вала, несущая зубчатый венец.

Втабл. 6.1 приведены соотноше ния между основными геометриче скими размерами коленчатых валов различных двигателей.

Вбольшинстве автотракторных двигателей применяются подшип ники скольжения. Для надежной ра боты вала и подшипников биение коренных шеек не должно превы шать 0,005–0,008 мм.

Размеры шеек коленчатых валов транспортных дизелей специально го назначения близки к размерам валов автомобильных дизелей: d = = (0,6 – 0,8)D; d1 = (0,65 – 0,85)D; b = (0,25 – 0,3)D; = (0,2 – 0,25)d; радиус галтелей не менее 3 мм. Не которые, главным образом, V об разные быстроходные транспорт ные дизели имеют коленчатые ва лы на подшипниках качения (см. рис. 6.3). В данном случае умень шается длина вала.

Коленчатые валы тепловозных, среднеоборотных стационарных и судовых двигателей (СОД) выполня ются, главным образом, кованными из легированной стали, хотя встре чаются и литые валы из высоко прочного чугуна. По мере роста фор сирования среднеоборотных двига телей по давлению наддува и с уве личением максимального давления цикла предпочтение отдается валам, выполненным из стали.

Конструкция и формы элемен тов коленчатых валов СОД зависят от материала, технологических воз можностей получения заготовки (ковка, штамповка, литье), выпол нения отверстий в шейках вала. Причем одна из задач конструиро вания – уменьшение массы и сил

Рис. 6.11. Колено литого чугунного вала теп ловозного двигателя

инерции вращающихся масс при обеспечении необходимой прочно сти и жесткости вала.

В стальных коленчатых валах внутренние полости получают вы сверливанием материала в шейках вала. В литых валах имеется воз можность придать внутренним по лостям более рациональную кон фигурацию. На рис. 6.11 приведено колено литого чугунного вала теп ловозного двигателя.

При этом расход металла в струж ку при обработке литых коленчатых валов снижается в 3 раза и более по сравнению с кованым валом, суще ственно снижается и время изготов ления вала. В литых коленчатых ва лах противовесы могут отливаться вместе с валом.

На рис. 6.12 представлен сталь ной коленчатый вал форсирован ного тепловозного двигателя.

В стальных коленчатых валах противовесы устанавливаются на шпильках. Переход на стальные ва лы с установкой противовесов на каждой щеке обеспечивает полное уравновешивание сил инерции вращательных масс, их общих и местных моментов, что уменьшает нагрузки на коренные шейки и подшипники. Для снижения удель ных нагрузок на подшипники уве личивают их диаметр и длину. Пер вое предпочтительнее, так как не повышаются напряжения при изги бе, и возрастает перекрытие шеек, что повышает выносливость колен чатого вала. На прочность коленча тых валов существенное влияние оказывает несоосность коренных опор. Так, ступенчатость расточки смежных коренных опор тепловоз ных двигателей 0,14 мм снижает за пас прочности чугунного коленча того вала на 25 %. Различная сте пень изнашивания вкладышей при водит к росту нагрузок и преждевре менному усталостному разрушению валов. Конструкторские мероприя тия должны быть направлены на уменьшение концентрации напря жений (увеличение радиусов галте лей, расположение смазывающих отверстий в ненапряженных зонах вала). Существенно повысить проч ность можно с помощью упрочне ния поверхностей галтелей обкат кой роликом, а также азотировани ем поверхности вала. Азотирование коленчатых валов тепловозных дви гателей повышает их выносливость

на 20–25 % и износостойкость шеек в 2–3 раза. Эффективна и менее длительная изотермическая закал ка в жидких средах или закалка то ками высокой частоты. В табл. 6.2 приведены соотношения между ос новными геометрическими разме рами коленчатых валов СОД.

Сохранение прочности коленча того вала в течение длительной эксплуатации тепловозного двига теля связано с обеспечением высо кой работоспособности подшипни ков, чему способствует применение износостойких покрытий и устра нение причин, вызывающих несо осность опор вала.

Коленчатые валы более крупных СОД с форсированием по давлению наддува и максимальному давлению pz цикла изготавливаются из стали. От валов из низколегированной ста

ли переходят к валам, выполнен ным из высоколегированной стали. С целью улучшения уравновешен ности и работоспособности под шипников валы подвесного типа имеют противовесы, как правило, на всех щеках коленчатого вала.

Коленчатые валы малооборот ных судовых двигателей (МОД) из готавливаются из стали. Новые по коления малооборотных двухтакт ных двигателей относятся к длин ноходным, что оказывает влияние на конструкцию их коленчатых ва лов. В крупных МОД применяются составные валы, состоящие из двух и более частей, соединяемых жест кими фланцами. Составные колен чатые валы (рис. 6.13, а) состоят из отдельных стальных шеек и отлитых из стали щек, соединенных запрес совкой. Запрессовку осуществляют

Рис. 6.14. Коленчатый вал малооборотного двух тактного двигателя (масса кривошипа 4365 кг)

с помощью нагрева (200–250 С) и

чивает необходимую плотность со единения.

Иногда шатунную шейку и ще ки отливают как одно целое. В этом случае вал называют полусостав ным (рис. 6.13, б).

При изготовлении коленчатых валов отечественных МОД приме няется метод электрошлакового ли тья. На рис. 6.14 показан фрагмент коленчатого вала МОД, изготовлен ного на Брянском машинострои тельном заводе с помощью электро шлакового переплава.

Соотношения между основными геометрическими размерами колен чатых валов малооборотных двух тактных рядных судовых двигателей следующие.

6.1.2. Способы повышения прочности коленчатых валов

Форма колена должна обеспе чивать возможно более равномер ное распределение напряжений по сечениям его отдельных эле ментов.

Щека может быть разгружена от повышенных напряжений в месте сопряжения с шейкой.

Прочность коленчатых валов может быть повышена оптимиза цией геометрии элементов колена с улучшением распределения напря жений в сечениях вала, а также применением материалов и спосо бов обработки, способствующих повышению предела выносливо сти. Особенно важно снижение на пряжений в зонах концентрации (в местах расположения отверстий для смазывания и в местах сопря жений щек и шеек).

Одной из причин неравномер ного распределения напряжений по частям колена является резкое изменение направления нейтраль ной оси при переходе от шеек к щекам (рис. 6.15).

Смещение нейтральной оси обу словливает увеличение напряжения при сгущении линий силового по ля, что аналогично изгибу кривого бруса, когда при уменьшении внут реннего радиуса кривизны повыша

Диаметр отверстий в шатунных шейках составляет (0,4–0,5)d, в ко ренных шейках – около 0,2d. Сис тема сверлений служит для подачи масла к мотылевым (шатунным) подшипникам. Внутренние полос ти в коренных и шатунных шейках закрываются заглушками.

ются напряжения на внутренней стороне бруса. При изгибе колена также повышаются напряжения при кручении.

При одинаковых радиусах гал тели предел выносливости для сопряжения шейки со щекой на 20–25 % меньше, чем для такого

Рис. 6.18. Влияние перекрытия шеек на проч ность при изгибе коленчатого вала

шейке имеет бочкообразную фор му. В данном случае уменьшается концентрация напряжений около галтели.

Большое перекрытие шеек (см. рис. 6.8) в значительной степе ни повышает предел выносливости при изгибе.

Однако влияние перекрытия на прочность заметно только после оп ределенного предела, как это видно из зависимости на рис. 6.18, постро енной на основе эксперименталь ных исследований валов форсиро ванных быстроходных двигателей.

Большое влияние на прочность вала оказывает расположение в ша тунной шейке масляного канала. Эпюра действительных касатель ных напряжений ( кручения имеет овальную форму с максимумом в плоскости колена (рис. 6.19) в от личие от эпюры номинальных на пряжений .

Вследствие этого отверстие для подачи масла рационально распола гать под углом, близким к 90 (или 270 ) к оси щеки. Как показали проведенные эксперименты, предел выносливости при кручении колен чатого вала в случае расположения

масляного канала под углом = 90 повысился на 11 % по сравнению с пределом выносливости при = 30 и на 15 % по сравнению с пределом выносливости при = 0 .

Рассмотренные выше меры по повышению прочности значитель но проще реализовать на литых ва лах. Литому валу (см. рис. 6.11) мо жет быть придана рациональная форма в отношении равномерного распределения напряжений и по вышения выносливости.

Положительный результат, как указывалось выше, получается при уменьшении толщины щеки в сред ней части и при удалении материала

вместах наибольшей напряженно сти, в результате чего внутренние силы передаются в основном через боковые части щек. В случае приме нения полых шеек улучшается рас пределение напряжений по ширине щеки. В сплошных шейках макси мальные напряжения в галтели воз никают в средней плоскости коле на. При рассверливании отверстий

вшейках максимумы напряжений в щеке смещаются. В данном случае получаются два максимума в точ ках, расположенных симметрично относительно оси щеки.

Внешнюю галтель во входящем угле и место перехода бочкообраз

Рис. 6.19. Распределение касательных напряже ний по сечению шатунной шейки при кручении

ного сечения в цилиндрическое ра ционально располагать по возмож ности в одном поперечном сечении.

Для получения необходимой прочности коленчатого вала долж ны быть выдержаны соответствую щие режим и способ ковки, обеспе чивающие правильную макро структуру, а также проведены тер мическая и механическая обработ ки для получения требуемых меха нических свойств, качества поверх ности и геометрических размеров элементов вала.

Хотя прочность кованых сталь ных коленчатых валов выше, чем литых чугунных, по мнению неко торых специалистов, при отливке коленчатых валов из чугуна с шаро видным графитом можно создать конструкцию с достаточно высоки ми характеристиками при практи чески одинаковых геометрических параметрах колена.

На рис. 6.20 приведены приме ры конструкций кованого и литых валов с прямыми щеками.

Из литых конструкций наиболее высокое сопротивление усталости имеет вал, выполненный по схеме, данной на рис. 6.20, в, вследствие увеличенного радиуса галтелей.

В поковках вала направление во локон должно соответствовать кон фигурации колен. Поковки подвер

гают отжигу для устранения внут ренних напряжений и облегчения предварительной обработки. Неред ко для повышения прочности валов, кроме закалки и отпуска, применя ют специальные термохимические способы обработки, вследствие чего увеличивается твердость поверхно стного слоя и появляются остаточ ные сжимающие напряжения.

К основным методам поверхно стного упрочнения следует отнести химико термические, наклеп по верхностного слоя, поверхностную закалку ТВЧ.

Одним из наиболее эффектив ных, но вместе с тем дорогостоящих средств повышения сопротивления усталости коленчатых валов являет ся азотирование. При этом ослабля ется влияние концентрации напря жений и качества поверхности на прочность, а также влияние волосо вин, неметаллических включений, что позволяет применять более гру бую механическую предваритель ную обработку.

Как показывают эксперимен тальные исследования, у валов, из готовленных из легированных ста лей, при азотировании повышается предел выносливости при кручении на 30–40 % и при изгибе на 30– 60 %. После азотирования детали необходимо подвергать механиче

ской обработке с большой осторож ностью. Шлифованием на глубину не более 10–15 % общей глубины слоя можно несколько повысить со противление циклическим нагруз кам. Однако вследствие появления микроскопических трещин при шлифовании галтелей сопротивле ние усталости снижается. Если сверлить отверстие для подачи мас ла после азотирования, то можно значительно понизить сопротивляе мость знакопеременному кручению.

Азотирование поверхности шеек способствует уменьшению их изно са; то же относится и к хромирова нию. Однако насыщение азотом по верхностных слоев деталей сопро вождается увеличением объема, по явлением напряжений и деформа ций. Последнее зависит и от поло жения вала в печи в процессе азоти рования.

При использовании наклепа по верхностей шеек создается поверх ностный слой, характеризующийся остаточными сжимающими напря жениями, а также могут быть лик видированы микроскопические трещины, нередко являющиеся причиной возникновения устало стных трещин.

При накатке галтелей роликом и обдувке дробью, а также при обжатии краев масляного отверстия стальным шариком предел выносливости по верхностей повышается на 20–30 % при изгибе и несколько менее при кручении. При наклепе стальной дробью предел выносливости сталей повышается на 10–20 %.

Сопротивление усталости мож но повысить также цементацией и цианированием. Как показывают опыты с образцами из легирован ных сталей, эффективные коэффи циенты концентрации в зоне от верстий при цементации снижают ся на 30–40 %.

6.1.3. Материалы коленчатых валов

Конструкция, материал, а также способ изготовления коленчатого вала должны быть согласованы меж ду собой. Для вала необходимо вы бирать материал с высокими проч ностными показателями.

Из качественных углеродистых сталей изготовляются коленчатые ва лы мало и среднеоборотных двига телей с невысоким уровнем форсиро вания. Причем чаще применяют ста ли 35, 40, 50, 35Г, 40Г, 45Г, 50Г и др.

Валы автомобильных и трактор ных двигателей выполняют из сталей 45, 45Г, 50Г, а также сталей 40Х, 40ХН, 45Г2, 38ХГН, 40Х2Н2МА и др. Термообработка стали после закалки и низкого отпуска должна обеспечи вать мартенситную структуру.

Хромованадиевые, хромомолиб деновые, хромоникелевые и хромо никельмолибденовые стали (30XMA, 20ХН3А, 40Х2Н2МА, 25Х2Н4МА, 38ХН3МА и др.) служат для изготов ления коленчатых валов быстроход ных дизелей повышенной мощности различного назначения.

В стационарных, тепловозных и автотракторных двигателях нередко применяют литые коленчатые валы из специального модифицирован ного чугуна с шаровидным графи том (ВЧ30, ВЧ35 и др.) перлитно ферритной структуры и из углеро дистой 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 кова ных валов. Причем экономия ме талла увеличивается по мере услож нения конструкции вала, износо стойкость шеек вследствие наличия в чугуне графита возрастает, надеж ность работы вала благодаря боль

шой циклической вязкости чугуна повышается. В то же время следует отметить, что механические качест ва чугунных коленчатых валов ни же, чем стальных кованых.

При применении твердых спла вов для подшипников, в частности свинцовистой бронзы, шейкам при дают высокую твердость термообра боткой. Термообработку применя ют для повышения износостойко сти также и в случаях заливки под шипников баббитом.

Механические свойства наибо лее распространенных материалов коленчатых валов представлены в табл. 6.3.

6.2. Моделирование напряженно деформированного состояния коленчатого вала. Оценка циклической прочности

Анализ поломок коленчатых ва лов показывает, что разрушения по большей части носят усталостный характер. Разрушение начинается от зон наибольших концентраций напряжений, расположенных у краев отверстий для смазывания в шейках или (чаще) в галтелях со пряжения щек с шейками. У валов с пустотелыми шейками при необ работанных внутренних поверхно стях шеек разрушения иногда на

чинаются с внутренних полостей, несмотря на более низкий уровень номинальных напряжений по срав нению с наружной поверхностью. В течение рабочего цикла двигате ля система нагружающих коленча тый вал усилий непрерывно меня ется по углу поворота вала.

Для оценки прочности коленча тый вал, так же как и шатун, следу ет рассчитывать при всей совокуп ности положений за рабочий цикл при соответствующих величинах и направлениях действующих на вал усилий.

6.2.1. Многоуровневая система математических моделей коленчатого вала

Коленчатый вал представляет собой пространственную статиче ски неопределимую систему на уп ругих опорах с переменной жестко стью по его длине.

Традиционные методы расчета коленчатого вала делятся на две группы. В одной из них коленчатый вал многоцилиндрового двигателя рассматривается как разрезная сис тема. Вал представляется набором колен, нагруженных соответствую щими усилиями. Влияние соседних колен учитывается только через на бегающий крутящий момент. Дан ный метод достаточно прост, так как расчетная схема статически опреде лима, но не учитывает действие на грузок на смежные с рассматривае мым колена и влияние надопорных изгибающих моментов, действую щих в различных плоскостях, что в ряде случаев существенно завышает уровень получаемых при расчете на пряжений по сравнению с экспери ментальными данными, полученны ми в результате тензометрирования валов на работающих двигателях.

Метод расчета вала как неразрез ной системы, когда рассматривается

целиком весь вал с нагрузками, при ложенными ко всем коленам, и при различных положениях вала являет ся более "строгим" и в то же время более трудоемким. Для того чтобы заложенные в методе возможности были реализованы в должной степе ни, при расчете необходимо учиты вать податливость опор коленчатого вала, которая в свою очередь связана с деформацией картера, подвесок и вкладышей подшипников, гидроди намикой масляного слоя и др. Кро ме того, следует отметить, что жест кость при изгибе коленчатых валов различна в зависимости от угла на клона плоскости, проходящей через ось вращения, в которой рассматри вается изгиб. Учет перечисленных факторов требует предварительного анализа конструкции вала, предше ствующего непосредственно расчету. Поэтому часто расчет целесообразно начинать применительно к разрез ной схеме, особенно при предвари тельной оценке различных вариан тов конструкции, с переходом к не разрезной схеме на следующем этапе разработки коленчатого вала.

6.2.2. Расчет коленчатого вала по разрезной схеме

Расчет коленчатого вала по раз резной схеме равнозначен расчету отдельного колена, рассматривае мого как двухопорная рама. На рис. 6.21 представлено i е колено вала и расчетная схема с приложен ными силами и моментами. Приве денная модель может быть отнесе на к моделям первого уровня.

Со стороны соседних колен пе редаются только крутящие моменты

M ki M k( i 1) TR. (6.1)

Силы T и Z определяются по формулам (3.43) и (3.42) соответст венно.