Коленчатый вал

Коленчатый вал

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: в машиностроении для конструирования коленчатых валов. Сущность изобретения: для повышения надежности за счет повышения сопротивления усталости сопряжение щек и шеек выполнено с внутренним углом, вершина которого расположена в шейке. 1 ил., 2 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51)5 F 16 С 3/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4881687/27 (22) 27,08.90 (46) 30.07,92. Бюл М 28 (71) Институт проблем надежности и долговечности машин АН БССР (72) С.П.Кравчук, К,И.Шавловский, Н.С.Янкевич и А.А,Бесман (56) Авторское свидетельство СССР

М 1672025, кл. F 16 С 3/04, 1988.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкции коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания и компрессорных установок, Коленчатый вал является одной из самых массовых деталей, в значительной степени определяющей удельные массо-габаритные показатели, ресурс, надежность и в конечном счете стоимостьдвигателя внутреннего сгорания, который в настоящее время является основным источником энергии. Однако несмотря на достаточность запасов прочности при расчете по общепринятым методикам, случаи поломок .коленчатых валов присущи в большей или меньшей мере всем, по крайней мере автотракторным двигателям.

Для обеспечения необходимой прочности участки перехода шеек в щеки обычно стремятся выполнять по увеличенным радиусам, описывают их несколькими радиусами, шлифуют, полируют и подвергают другим видам обработки и упрочнения. Однако в последнее время появились и другие подходы в решении задачи о повышении сопротивления усталости коленчатых валов.

Так американскими инженерами предложен и запатентован коленчатый вал с зона2 (54) КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ (57) Использование: в машиностроении для конструирования коленчатых валов. Сущность изобретения: для повышения надежности за счет повышения сопротивления усталости сопряжение щек и шеек выполнено с внутренним углом, вершина которого расположена в шейке, 1 ил., 2 табл. ми увеличенной податливости, смягчающими передачу усилий при совершении поршнем рабочего хода, Эти зоны образованы щеками вала, жесткость которых-уменьшена путем выполнения 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 конструкция коленчатого вала, состоящая иэ коренных и шатунных шеек, отстоящих друг от друга на- радиус кривошипа, щек, переходов коренных и шатуннйх Шеек в щекй причем по»следние выполнены в виде внутреннего угла, один из лучей которого является образующей цилийдрической поверхности, а другой расположен на образующей к шейке поверхности щеки перпендикулярно образующей. Данная конструкция обладает недостатками, в частности тем, что rexi76i+orически трудно выполнить сопряжение двух поверхностей без появления дополнительного микроконцентратора, Целью изобретения является повышение сопротивления усталости коленчатых валов за счет устраТ»ейия йОзникающих в шейках микроконцентраторов, а также уво1751486 да зарождающихся в процессе эксплуатации трещин в элементы коленчатого вала с большим запасом прочности.

Указанная цель достигается тем, что переходы к каждой плоскости, проходящей через 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 анализ с прототипом показывает, что при этом уменьшаются максимальные напряжения в опасных местах, а также наблюдается изменение направления развития усталосгных трещин и повышается эффективность методов упрочнения, При этом напряженное состояние в области перекрытия определяется двумя факторами: с одной стороны увеличением податливости шеек и щеки, обусловленным конструктивным исполнением перехода, и с другой стороны влиянием концентрации напряжений.

С помощью метода конечных элементов установлены границы изменения параметров, описывающих геометрию перехода от щек к шейкам, при соблюдении которых наблюдается оптимальное соотношение упомянутых двух факторов:

° (t < °вЂ”

d Л d Л.

10,8 К 9,4 К

1,9 arcsln — а <2,2 arcsin — - (1)

Л Л

h. h

На чертеже показан кривошип коленчатого вала предлагаемой конструкции.Устройство содержит коренную шейку 1, шатунную шейку 2, щеки 3 коленчатого вала, Конструкция была проверена на примере коленчатого вала двигателя Д-240 Минского моторного завода. Исследования проводились с помощью метода конечных элементов с уточнением результатов по дан н ым эксперимента (поля ризацио н но-оптического метода), испытания моделей коленчатого вала на усталость. Расчет с помощью метода конечных элементов был осуществлен в плоскости действия максимальных напряжений, возникающих при изгибе кривошипа моментом так, чтобы в переходе щеки в шатунную шейку возникали напряжения растяжения, а в коренную— сжатия, Такое распределение напряжений соответствует наиболее характерным условиям нагружения кривошипа при работе двигателя. За базу приняты конструктивнотехнологические параметры серийного кокам согласно ограничениям {1) наблюдалось повышение предельного изгибающего Мо50 мента на 13,8, (табл,2) по сравнению с моделями, 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 напряженное состояние щеки коленчатого вала, выполненной согласно предлагаемому изобретению аналогично напряженному состоянию пластины, обла5

45 ленчатого вала Д-240 Минского моторного 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 Ь= 7,0, материал — сталь 45Х, 207-255 НВ.

В ходе исследований установлено, что снижение максимальных нормальных напряжений в предлагаемой конструкции является более существенным (см, табл.1), что обусловлено увеличением податливости шеек в плоскости опасного сечения, Кроме того, наблюдается перераспределение напряжений, заключающееся в том, что изохромы смещались B область шеек, разгружая таким образом наиболее опасное место — перекрытие, что создает предпосылки для увода образующихся в процессе многоциклового нагружения трещин в элементы коленчатого вала с большим запасом прочности.

Однако следует отметить, что сопротивление усталости и, в частности коленчатых валов, не всегда определяется только максимальными нормальными напряжениями в концентраторах. Поэтому данные по изменению величин максимальных нормальных напряжений, полученные с помощью метода конечных элементов, были дополнены результатами сравнительных испытаний на усталость. Испытания проводились на стендах, обеспечивающих нагружение полноразмерных моКелей, Задаваемая при испытаниях нагрузка (величина изгибающего момента) устанавливалась по статическим тарировочным зависимостям

"перемещение рычага — нагрузка", Перемещение рычага определялось с помощью микроскопа, нагрузка — по динамометру.

Зкспериментальная оценка усталостной прочности моделей коленчатых валов Д-240 осуществлялась по известным методикам. В ходе исследований были испытаны полноразмерные модели коленчатого вала двигателя Д-240, подвергшиеся одинаковой термической обработке, При этом установлено, что в случае переходов от щек к шей1751486 стью концентрации напряжений которой являются ребра преимущественно развива- ются именно трещины от ребер щеки, В случае. когда длина усталостной трещины, развивающейся от ребра щеки. составит1тр. 5

= 1/8 С, где С - ширина щеки, наблюдается распространение трещины в перекрытии шеек по направлению, определяемому параметрами концентратора в области перехода щек в шейку. Полученный усталостный 10 излом свидетельствует о сложной траектории развития трещины. Следует отметить, что усталостные поломки прототипа происходили при меньшей нагрузке (величина изгибающего мо- 15 мента), причем экспериментально установлено, что время развития трещины до опасных размеров в прототипе меньше вследствие того, что условия работы, аналогичные пластине, в пред- 20 лагаемом решении реализуются с большей полнотой.

Таким образом, выявлены новые возможности управления концентрацией на- 25 пряжений в опасных местах коленчатого вала путем соответствующего выбора параметров перехода щек в шейки, а также применения существующих методов упрочнения, 30

Формула изобретения

Коленчатый вал, состоящий из коренных и шатунных шеек, отстоящих одна от другой на радиус кривошипа, щек, переходов коренных и шатунных шеек в щеки, выполненных в виде внутреннего угла, один иэ лучей которого расположен на обращенной к шейке поверхности щеки, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и долговечности за счет повышения сопротивления усталости путем увода зарождающихся в процессе эксплуатации трещин в шейки, второй луч внутреннего угла переходов коренных и шатунных шеек в щеки расположен по образующей поверхности, выполненной под углом к поверхности щеки с углублением в шейку, причем параметры, описывающие геометрию переходов шеек в щеки, определяют иэ соотношений:

d Л d Л.

10,8 и 9,4 и

1,9 arcsin — < а < 2,2 arcsin —

Л . Л

h h где d — диаметр коренных шеек;

Л вЂ” перекрытие шеек;

h — толщина щеки;

I — глубина надреза; а — угол .надреза.

Таблица1

)751486

Таблица2

Составитель Н,Янкевич

Редактор Ю,Середа Техред M,Mîðråíòàë Корректор Э.Лончакова

Заказ 2619 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5.

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101