Заняття 6 Розрахунок деталей колінчатого валу

1. Основні параметри колінчатого валу двигуна.

2. Розрахунок колінчатого вала двигуна.

3. Поняття про коливання колінчатого валу.

1. Колінчасті вали ДВС перетворять зворотно-поступальний рух поршня в обертання з певною круговою частотою і обертовим моментом. При цьому вони піддаються деформації згину та кручення, а також згинальних Для колінчастих валів ДсІЗ широко використовують сірі і ковкі чавуни, при цьому знижуються припуски на обробку, економиться метал, знижується вартість. Для дизелів застосовують сталі 45, 45Х, 40ХФА, 42ХМФА, 18Х2Н4ВА, так як межа втоми чавуну значно менше, ніж сталі. і крутних коливань навантаження. Тому вони розраховуються на втому. Кривошипний вал складається з декількох кривошипів (по числу поршнів) і двох хвостовиків, на одному з яких кріпиться маховик, а на іншому зірочка або шків приводу розподільних валів клапанного механізму. Кількість корінних шийок одно i +1, де i - число кривошипів або поршнів. Це забезпечує більшу жорсткість валу. У двигунів КамАЗ і ЯМЗ з двома сполученими шатунами на поршневий шийці всього п'ять корінних, але вісім поршневих шийок. Особливе значення має не співвісність корінних опор, при ексцентриситеті 0,1... 0,15 мм запас міцності вала зменшується на 30... 50%. Дослідження НАТІ показали, що при нерівномірності зношування підшипників 0,05... 0,06 мм виникає небезпека поломки колінчастого валу. У сучасних ДВС корінні й шатунні шийки роблять пустими із збільшенням посадкового діаметра, що призводить до перекриття шийок. Це підвищує згинальну міцність вала та знижує вагу. Порожнини шатунних шийок використовують для подачі масла до підшипникам і для уловлювання металевих продуктів зносу в маслі.

Переходи від щік до шийок виконуються плавними радіусами 0,05...0,07 dш. Іноді їх роблять двома радіусами або з поднутреніем (рис. 11.4).

Для зниження динамічних навантажень велике значення має вибір розташування кривошипів і їх відносного зсуву в площинах обертання, а також вибір кількості, розмірів і розміщення противаг (рис. 11.5).

У ЯМЗ - КАЗ 642 це V - подібний 6-цилінд кільцями, бортами вкладишів або наполегливим підшипником (рис. 11.6). Завзяті кільця виготовляють з бронзи, сталі або металокераміки. Сталеві кільця і борти вкладишів покривають антифрикційними сплавами і від провертання утримують штифтами, осьові зазори 0,05... 0,15 мм.

Масло в підшипники підводиться до корінних шийок від головної магістралі в мало навантажених зону і потім через отвори в щоках до шатунної шийці або через стрижень шатуна.ровий двигун, шатунні шийки зміщені на 30 °.

2. Розрахунок колінчастого валу на міцність

Колінчастий вал є складною багато опорною статично невизначної конструкцією, навантаженої просторової системою змінних сил.

Розглянемо спочатку розрізну схему, для якого вирізується кривошип по серединам корінних шийок і розглядається як двохопорна балка. Розглянемо спочатку розрізну схему, для якого вирізується кривошип по серединам корінних шийок і розглядається як двохопорна балка.

Кінасошвілі встановив, що при розрахунку вала на міцність не має істотного значення результат, отриманий по розрізної схемою і по нерозрізний. Необхідний розрахунковий запас міцності корінних шийок виходить практично однаковим, а для шатунних шийок на 5... 10% менше, ніж при розрізної схемою

Таблиця 1

Співвідношення розмірів колінчастого валу до діаметру D поршня (рис.1)

Однак врахувати всі концентратори напружень, місцеве зраді-ние характеристик матеріалу s _-1, t _-1, s _т и t _т та ін залежно від технологічних методів зміцнення, неспіввісність опор і корінних шийок, нерівномірність зносу і деформацій опор неможливо. По цьому розглянемо розрахунок по розрізної схемою. Розміри елементів ко-ленвала можна приймати з співвідношень табл. 11.1 по діаметру поршня або за розмірами вала двигуна прототипу.

Розрахунок корінних шийок

Корінні шийки навантажуються головним чином крутним моментом через малу їх довжини, тому оцінюються по дотичним напруженням. Отже:

Перший крок. За даними динамічного розрахунку складають таблицю або будують графіки набігаючих моментів крутіння валу і вибирають найбільшу амплітуду.

Другий крок. Визначають максимальне і мінімальне значення дотичних напружень (МПа) при моменті опору W (м2):

; ,

де .

Третій крок. Визначають амплітудне і середнє напруження циклу навантаження (МПа).

; .

Четвертий крок. Визначають запас міцності n _т. Для цього знайдемо відношення ефективного коефіцієнта концентрації напружень К _t до твору e масштабного e _м і технологічного факторів до К ¢_t= = к _t/ e _t e _м.

Потім знаходять запас міцності h _Т

п .

t _-1 беруть з табл. П.5, K_t – з табл.П.2, П.7, e _м e _п – з табл. 2.3 і табл. 2.1, y – з табл. 2.2.

Отримані за (11.3) значення порівнюються з мінімальними допустимими значеннями, прийнятими в машинобудуванні. Необхідно, щоб .

Для розрахунків Р.С. Кінасошвілі рекомендує приймати К ¢_t= 2,5

З досвіду експлуатації приймають: для автомобільних двигунів [ n _т] =3...4, тракторних [ n _т] = 4...5.

3. Крутний момент Мкр періодично змінює свою величину (рис. 13.1) відповідно до тактами ДВС.

Ступінь нерівномірності є відношення максимального значення крутного моменту до його середньому значенню. Зі збільшенням числа циліндрів K зменшується приблизно від 7,74 у одноциліндрового ДВС до 1,16 у дванадцятициліндрового. Для зниження нерівномірності обертання застосовують маховик у вигляді диска, посадженого на один з кінців колінчастого валу. На зовнішньому ободі маховика часто розташований зубчастий вінець приводу пуску двигуна і для відбору потужності агрегатам. На ряді двигунів, на маховику наносять мітки установки фаз газорозподілу, запалення, паливоподачі і ін Іноді в двигунах з повітряним охолодженням маховик використовується як вентилятор, для чого маточина маховика з'єднана лопатками із зовнішнім ободом. Для забезпечення необхідного моменту інерції обертання зовнішній обід маховика роблять більш масивним. В автомобільних і тракторних двигунах часто на маховик встановлюють муфту тертя (зчеплення).

Розміри маховика встановлюють залежно від необхідного моменту інерції, який залежить від ступеня нерівномірності обертання K, і визначають за формулою

де i - число циліндрів; I _мм - приведений момент інерції моторної маси; I _Д - приведений момент агрегатів двигуна; I _п - приведений момент споживача потужності; d - ступінь нерівномірності обертання; w - кутова швидкість обертання; j ₁ і j ₂ - кути повороту колінчастого валу при максимальній кутовій швидкості обертання і при мі-мінімальної відповідно.

По знайденому моменту інерції маховика визначають його раз-заходи зі співвідношення.

де m - маса маховика; D ₀ - діаметр окружності центру ваги маховика. Рівномірність обертання підвищується із збільшенням числа циліндрів двигуна. Вплив числа циліндрів і Тактність двигунів-ля на момент інерції маховика у відсотках від моменту інерції маховика I _М одноциліндрового чотиритактного двигуна при М _С = const наведено в табл. 13.1.

Таблиця 1

Зменшення нерівномірності обертання залежно від числа циліндрів

Крім того, для тракторних двигунів величину моменту інерції маховика коригують з урахуванням рушання з місця і розгону транспортного засобу до певної швидкості. При цьому рахують, що ці параметри залежать від кінетичної енергії маховика W _М, яка визначається як різниця кінетичних енергій при вихідній частоті обертання n і початковій частоті обертання n і при якій робота двигуна стійка.

Значення n ₁ зазвичай приймають 500…1000 мин^-1, а n = (1,5…2,5) n ₁.

З іншого боку, придбана транспортним засобом енергія дорівнює

де m _ТС - маса транспортного засобу; V _ТС - швидкість транспортно-го засобу. Тоді

де h _М і h _ТС - механічні ККД двигуна і трансмісії транспортного засобу (h _М × h _ТС = 0,75…0,9).

Швидкість транспортного засобу V _ТС пов'язана з частотою обертання n₁ залежністю

де D _К - діаметр колеса (з урахуванням деформації шин) або початковий діаметр зірочки гусеничного рушія; i ¢ - передавальне число трансмісії. Тоді

Маховики відливають з сірих (СЧ18-СЧ30... СЧ35-СЧ45) і спеціальних чавунів, бажано перлітною структури. При окружних швидкостях на зовнішньому радіусі, що перевищують 100 м / с, застосовують штамповані маховики з мало вуглецевої сталі.

Розрахунок на міцність проводиться визначенням нормальних на-напружень від відцентрових сил інерції при обертанні колінчастого валу

де r - щільність матеріалу маховика; D _М - зовнішній діаметр маховика. Враховуючи складну геометрію маховика, розрахунки на міцність рекомендують виконувати МКЕ. Допустимі напруги [ s _М]= 110 МПа для чавунних і 200 МПа для сталевих маховиків.

Маховики двигунів масового виробництва за міжнародними стандартами піддають вибірково перевірці розгінними випробуваннями на розрив при частоті обертання n _р = (1,8…2,8) n _е

На рис. 2, а представлений маховик швидкохідного автомобільного двигуна. На обід маховика напресовують зубчастий вінець, призначений для обертання колінчастого вала стартером під час пуску двигуна. Колінчастий вал в зборі з маховиком і зчепленням піддають балансуванню. Маховик кріпиться до фланця колінчастого вала болтами, при цьому одне з кріпильних отворів зміщується по окружності, що забезпечує однозначне положення маховика щодо колінчастого валу. У деяких випадках болти кріпильні ввертають безпосередньо в колінчастий вал, при цьому маховик фіксується щодо колінчастого вала двома штифтами. Елементи кріплення маховика піддають термічній обробці і шліфуванню. На рис. 13.2, б показаний маховик двигуна повітряного охолодження, використовуваний в якості вентилятора. Для цього маховик має спеціальні лопатки, що нагнітають при обертанні повітря для охолодження циліндрів і головок циліндрів двигуна.