SU1751486A1 - Коленчатый вал - Google Patents

Abstract

Использование: в машиностроении дл  конструировани  коленчатых валов. Сущность изобретени : дл  повышени  надежности за счет повышени  сопротивлени  усталости сопр жение щек и шеек выполнено с внутренним углом, вершина которого расположена в шейке. 1 ил., 2 табл.

Description

Изобретение относитс  к машиностроению , в частности к конструкции коленчатых валов двигателей внутреннего сгорани  и компрессорных установок.

Коленчатый вал  вл етс  одной из самых массовых деталей, в значительной степени определ ющей удельные массо-габаритные показатели, ресурс, надежность и в конечном счете стоимость, двигател  внутреннего сгорани , который в насто щее врем   вл етс  основным источником энергии. Однако несмотр  на достаточность запасов прочности при расчете по общеприн тым методикам, случаи поломок коленчатых валов присущи в большей или меньшей мере всем, по крайней мере автотракторным двигател м.

Дл  обеспечени  необходимой прочности участки перехода шеек в щеки обычно стрем тс  выполн ть по увеличенным радиусам , описывают их несколькими радиусами , шлифуют, полируют и подвергают другим видам обработки и упрочнени . Однако в последнее врем  по вились и другие подходы в решении задачи о повышении сопротивлени  усталости коленчатых валов. Так американскими инженерами предложен и запатентован коленчатый вал с зонами увеличенной податливости, см гчающими передачу усилий при совершении поршнем рабочего хода. Эти зоны образованы щеками вала, жесткость которых уменьшена путем выполнени  в них специальных вырезов - клиноподобных и трещиноподобных сквозных прорезей, т.е. резких концентра- торов (Acute angle crankarm transmitting reciprocating motion In a rotary fashion).

Известна конструкци  коленчатого вала , состо ща  из коренных и шатунных шеек , отсто щих друг от друга на радиус кривошипа, щек, переходов коренных и шатунных шеек в щеки, причем последние выполнены в виде внутреннего угла, один из лучей которого  вл етс  образующей цилиндрической поверхности, а другой расположен на образующей к шейке поверхности щеки перпендикул рно образующей. Данна  конструкци  обладает недостатками, в частности тем, что технологически трудно выполнить сопр жение двух поверхностей без по влени  дополнительного микроконцентратора .

Целью изобретени   вл етс  повышение сопротивлени  усталости коленчатых валов за счет устранени  возникающих в шейках микроконцентраторов, а также уво (Л

ч4 СП

Ј 00 CN

да зарождающихс  в процессе эксплуатации трещин в элементы коленчатого вала с большим запасом прочности.

Указанна  цель достигаетс  тем, что переходы к каждой плоскости, проход щей че- рез ось каждой шейки, выполнены в виде внутреннего угла, один из лучей которого расположен на обращенной к шейке поверхности щеки, а второй под углом а к поверхности щеки с углублением в шейку. Сопоставительный анализе прототипом показывает , что при этом уменьшаютс  максимальные напр жени  в опасных местах, а также наблюдаетс  изменение направлени  развити  усталосшых трещин и повы- шаетс  эффективность методов упрочнени .

При этом напр женное состо ние в области перекрыти  определ етс  двум  факторами: с одной стороны увеличением податливости шеек и щеки, обусловленным конструктивным исполнением перехода, и с другой стороны вли нием концентрации напр жений .

С помощью метода конечных элементов установлены границы изменени  параметров , описывающих геометрию перехода от щек к шейкам, при соблюдении которых наблюдаетс  оптимальное соотношение упом нутых двух факторов:

d ,А

10,8 h

d.A 9,4 h

1,9 arcsln ,2arcsin (1)

На чертеже показан кривошип коленчатого вала предлагаемой конструкции.Устройство содержит коренную шейку 1, шатунную шейку 2, щеки 3 коленчатого вала.

Конструкци  была проверена на примере коленчатого вала двигател  Д-240 Минского моторного завода. Исследовани  проводились с помощью метода конечных элементов с уточнением результатов по данным эксперимента (пол ризационно-оп- тического метода), испытани  моделей коленчатого вала на усталость. Расчет с помощью метода конечных элементов был осуществлен в плоскости действи  максимальных напр жений, возникающих при изгибе кривошипа моментом так, чтобы в переходе щеки в шатунную шейку возникали напр жени  раст жени , а в коренную - сжати . Такое распределение напр жений соответствует наиболее характерным услови м нагружени  кривошипа при работе двигател . За базу прин ты конструктивно- технологические параметры серийного коленчатого вала Д-240 Минского моторною завода, где радиус кривошипа, мм: R - 62.5, диаметр коренных шеек d 75,0, ширина щеки с 116,0, толщина щеки h 25,0, перекрытие шеек Д 7,0. материал - сталь 45Х, 207-255 НВ.

В ходе исследований установлено, что снижение максимальных нормальных напр жений в предлагаемой конструкции  вл етс  более существенным (см. табл.1), что обусловлено увеличением податливости шеек в плоскости опасного сечени . Кроме того , наблюдаетс  перераспределение напр жений, заключающеес  в том, что изо- хромы смещались в область шеек, разгружа  таким образом наиболее опасное место - перекрытие, что создает предпосылки дл  увода образующихс  в процессе многоциклового нагружени  трещин в элементы коленчатого вала с большим запасом прочности.

Однако следует отметить, что сопротивление усталости и, в частности коленчатых валов, не всегда определ етс  только максимальными нормальными напр жени ми в концентраторах. Поэтому данные по изменению величин максимальных нормальных напр жений, полученные с помощью метода конечных элементов, были дополнены результатами сравнительных испытаний на усталость. Испытани  проводились на стендах , обеспечивающих нагружение полноразмерных моДелей, Задаваема  при испытани х нагрузка (величина изгибающего момента) устанавливалась по статическим тарировочным зависимост м перемещение рычага - нагрузка. Перемещение рычага определ лось с помощью микроскопа, нагрузка - по динамометру. Экспериментальна  оценка усталостной прочности моделей коленчатых валов Д-240 осуществл лась по известным методикам. В ходе исследований были испытаны полноразмерные модели коленчатого вала двигател  Д-240, подвергшиес  одинаковой термической обработке. При этом установлено , что в случае переходов от щек к шейкам согласно ограничени м (1) наблюдалось повышение предельного изгибающего момента на 13,8% (табл.2) по сравнению с модел ми , имеющими переходы от щек к шейкам.

Анализ усталостных поломок показывает , что при многоцикловом нагружении трещины зарождались как в перекрытии шеек, так и у торцов модели. Однако вследствие того, что напр женное состо ние щеки коленчатого вала, выполненной согласно предлагаемому изобретению аналогично напр женному состо нию пластины, областыо концентрации напр жений которой  вл ютс  ребра, преимущественно развиваютс  именно трещины от ребер щеки. В случае, когда длина усталостной трещины, развивающейс  от ребра щеки, составит 1Тр. 1/8 С, где С - ширина щеки, наблюдаетс  распространение трещины в перекрытии шеек по направлению, определ емому параметрами концентратора в области перехода щек в шейку. Полученный усталостный излом свидетельствует о сложной траектории развити  трещины. Следует отметить , что усталостные поломки прототипа происходили при меньшей нагрузке (величина изгибающего момента ), причем экспериментально установлено , что врем  развити  трещины до опасных размеров в прототипе меньше вследствие того, что услови  работы, аналогичные пластине, в предлагаемом решении реализуютс  с большей полнотой.

Таким образом, вы влены новые возможности управлени  концентрацией напр жений в опасных местах коленчатого вала путем соответствующего выбора параметров перехода щек в шейки, а также применени  существующих методов упрочнени .

0

Claims (1)

1. Формула изобретени  Коленчатый вал, состо щий из корен ных и шатунных шеек, отсто щих одна от другой на радиус кривошипа, щек, переходов коренных и шатунных шеек в щеки, выполненных в виде внутреннего угла, один из лучей которого расположен на обращенной к шейке поверхности щеки, отличающийс  тем, что, с целью повышени  надежности и долговечности за счет повышени  сопротивлени  усталости путем увода зарождающихс  в процессе эксплуатации трещин в шейки, второй луч внутреннего угла переходов коренных и шатунных шеек в щеки расположен по 5 образующей поверхности, выполненной под углом к поверхности щеки с углублением в шейку, причем параметры, описывающие геометрию переходов шеек в щеки, определ ют из соотношений: d Д ., . d A. h

   0

   10,8

   $

   9,4

   1,9 arcsin Ј ,2arcsin Ј пn

   25 где d - диаметр коренных шеек;

   Д- перекрытие шеек:

   h - толщина щеки;

   I - глубина надреза;

   а - угол надреза 30Таблица1

   Таблица2

   A

   -8