Коленчатый вал

Коленчатый вал

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: в конструкциях коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания и компрессорных установок Сущность изобретения1 в предлагаемой конструкции диаметр масляного канала в зоне перекрытия шеек и его длина определяются в зависимости от оптимальной величины податливости конструкции. При этом уменьшаются максимальные напряжения в опасных местах и повышается сопротивление усталости конструкции 6 ил

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУбЛИК ((9) (! !) (5!)5 F 16 С 3/14

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4916554/27 (22) 05,03.91 (46) 30.07,92. Бюл. ЬВ 28 (71) Институт проблем надежности и долговечноСти машин АН БССР (72) К.И.Шавловский, Н,С,Янкевич и

А.А. Бесман, (56) Заявка ФРГ М 3727075, кл. F 16 С 3/14, 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 стоимость двигателя 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 автотракторным двигателям.

Снижение напряжений в концентраторе, вызванным различным соотношением параметров кривошипа, достигается за счет создания переходов путем удаления материала, мало участвующего в работе, выбора форм, расположения и размера щек, коренных и шатунных шеек, масляных каналов в них, а также облегчающих полостей и др.

Например, сочетание полых шеек с широкой щекой, особенно, когда полость в шейке (54) КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ (57) Использование: в конструкциях коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания и компрессорных установок. Сущность изобретения: в предлагаемой конструкции диаметр масляного канала в зоне перекрытия шеек и его длина определяются в зависимости от оптимальной величины податливости конструкции. При этом уменьшаются максимаЛьные напряжения в опасных местах и повышается сопротивление усталости конструкции, 6 ил, имеет бочкообразную форму, приводит к повышению прочности коленчатого вала, Смещение полости в шатунной шейке от оси кривошипа также увеличивает предел выносливости конструкции. Однако обладает сравнительно невысокой надежностью, .

Целью изобретения является повышение сопротивления усталости коленчатых валов за счет оптимизации конструктивного исполнения масляных каналов.

Указанная цель достигается тем, что масляные каналы в щеках предлагается выполнять в виде соосных отверстий, описываемых двумя радиусами, при этом за счет выбора величины диаметра канала в области перекрытия уменьшаются максимальные напряжения в опасных местах, а также повышается сопротивление усталости коленчатого вала, увеличивается износостойкость инструмента при его изготовлении.

Следует отметить, что напряженное состояние кривошипа при наличии масляного канала определяется с одной стороны влиянием концентрации напряжений, а с другой — увеличением податливости щеки, что положительно сказывается на сопротивлении усталости конструкции. При этом степень

1751487

i CC i = г Ь + д

n=1,4- 1,5;

15 }кан

l

Учитывая, что

Л

p = arctg —

h получим

+соза

Бг жътт гг<г дг (

Окан

Л sin а+ h сов а бкан или влияния масляного канала на напряженное состояние и сопротивление усталости коленчатых валов будет определяться величиной проекции отверстия на отрезок С-С, определяющий усталостные поломки констP}I KÖ . 8еличина отрезка С-С проекция dKav. на отрезок С вЂ” С опреде ляется равенством

<1кан, 1кан. 1кан, <<г ... <„0 „,,} sl<

Тогда г с С h+гг гь(а +у}

Л sin а+ h cos а .

KBH.

С помощью тензометрирования моделей коленчатого вала с масляными каналами различного диаметра экспериментально установлено, что при

Л sin а + h cos а кдн.

k 1

n1 h.

cos a где a — угол наклона масляного канала в плоскости опасного сечения; h — толщина щеки; k1 = 4,3-4,4; п1 = 1,4-1,5 — коэффициенты, определяемые экспериментально, наблюдается снижение максимальных напряжений. Дополнительные исследования, проведенные с помощью метода конечн ых элементов, свидетельствуют о снижении напряжений при

h cos а+ Л sin а

K 8k.

"2 Ф

П2 П

cos а где k2 = 4,3-4,4; n2 = 1,1-1,6 — расчетные коэффициенты.

Поскольку наблюдается некоторый разброс границ, целесообразно ограничения выбирать как пересечение области значений соответствующих расчетных и экспериментальных величин, т,е, =4 3-44

Окан.

На фиг, 1 показан кривошип коленчатоro вала предлагаемой конструкции, на фиг.

2 — график вывода заявляемых ограничений; на фиг. 3 — график зависимости максимальных нормальных напряжений в галтели от

20 величины диаметра канала Окан„полученный с помощью метода коленчатых элементов; на фиг. 4 — графики зависимости максимальных нормальных напряжений в галтелях от величины расстояния 1, полученные с помощью метода конечных элементов; на фиг. 5 — графики зависимости максимальных нормальных напряжений от диаметра канала, полученные с помощью тензометрирования: 1) модель с Окан = 0,0 мм; 2) модель с бкан. = 8,0 или 11,0 мм, 3) модель с бкан. = 5,0 мм; на фиг. 6 — график зависимости предельного изгибающего мо. мента отдиаметра канала бк н„полученный при усталостных испытаниях моделей ко35 ленчатых валов.

Конструкция была проверена на примере коленчатого вала двигателя Д-240 Минского моторного завода. Исследования проводились с помощью конечно-элемент40 ных моделей кривошипа, допускающих уточнение результатов по данным эксперимента (поляризационно-оптического метода), сравнительных усталостных испытаний моделей коленчатого вала с различными ди45 аметрами масляных каналов, а также испытаний серийной и предлагаемой конструкции коленчатого вала в условиях стендового нагружения, Расчет с помощью метода конечных эле50 ментов был осуществлен в плоскости действия максимальных напряжений, возникающих при изгибе кривошипа моментом так, чтобы в переходе щеки в шатунную шейку возникали нап ряжения

55 растяжения, а в коренную — сжатия. Такое распределение напряжений соответствует наиболее характерным условиям нагруже-. ния кривошипа при работе двигателя. За базу приняты конструктивно-технологиче1751487 ские параметры серийного коленчатого вала Д-240 Минского моторного завода, где радиус кривошипа R .= 62,5 мм, диаметр коренных шеек бк = 75,0 мм, ширина щеки с

= 116,0 мм, толщина щеки h =- 25,0 мм, пере- 5 крытие шеек Л =- 7,0 мм, материал сталь

45Х, 207-255 НВ, дкан = 11,0 мм.

В ходе исследований установлено, что снижение максимальных нормальных напряжений в предлагаемой конструкции на- 10 блюдается при Окан, = 4,0-5,0 мм (на 8,7% по сравнению с г1кан, = 8,0 мм и на 7,3% по сравнению с бкан. = 0,0 мм), Дальнейшее увеличение диаметра канала приведет к значительному ослаблению опасного сече- 15 ния, поэтому расчеты в этой области значительного практического интереса не представляют (фиг.3).

При исследовании влияния глубины сверления установлена и величина! = 70-75 20 мм, при которой влияние отверстия с большим диаметром D на напряженное состояние в гаптелях не сказывается (фиг.4), Таким образом, с помощью метода конечных элементов установлены границы па- 25 раметров, описывающих конструктивное исполнение масляных каналов, при котором наблюдается повышение сопротивления усталости бкан. = 4,8 5,2 мм; 30

l 60мм, Проведенное тензометрирование моделей коленчатого вала с различными диаметрами масляных каналов экспериментально подтвердило установленную расчетную за- 35 висимость (фиг.5), Однако так как сопротивление усталости деталей не всегда определяется только максимальными нормальными напряжениями в концентраторах, то расчетные зависи- 40 мости были дополнены результатами сравнительных испытаний на усталость, Испытания проводились на стендах, обеспечивающих нагружение полноразмерных моделей, Задаваемая при испытаниях на- 45 грузка (величина изгибающего момента) устанавливалась по статическим тарировочным зависимостям "перемещение рычага — нагрузка". Перемещение рычага определялось с помощью микроскопа. нагрузка — no динамометру. Экспериментальная оценка уста лостной прочности коленчатых валов Д-240 осуществлялась по известным методикам. В ходе исследований были испытаны полномерные модели коленчатого вала двигателя

Д-240, подвергшиеся одинаковой термической обработке. Установлено повышение предела выносливости моделей с диаметром канала dKaH. = 5 мм (на 10.9% по сравнению с Окан. = 8 и 11 мм, фиг, 6).

Проведены сравнительные испытания на усталость серийной и разработанной конструкции коленчатого вала. Установлено, что предельный изгибающий момент разработанной конструкции превышает предельный изгибающий момент серийного коленчатого вала двигателя Д-240 на 15,2%, Все это позволяет заключить, что выявлены новые возможности совершенствования конструкции коленчатых валов путем оптимального выбора параметров, определяющих геометрию масляных каналов:

Формула изобретения

Коленчатый вал, состоящий из коренных и шатунных шеек, отстоящих друг от друга на радиус кривошипа, щек, а также наклонных масляных каналов, проходящих через область перекрытия шеек, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения сопротивления усталости путем выбора оптимальной величины податливости конструкции, размеры масляного канала в области перекрытия шеек находятся из выражений

— A $! и а+ Ь со$ а . 1 4 3 окан.

k1

; 1=4 3-4,4

n -h п=1,4-1,5, где бкан, — диаметр масляного канала;

1 — глубина сверления, dKàH., h — толщина щеки; а — угол наклона масляного канала;

К n — расчетно-экспериментальныа коэффициенты;

Л- величина перекрытия шеек.. f751487, ЮЪ

ЗРЮ

1751487

Ю,О

delhió Pf Pf

1751487

H ww, /юу

8,D

ПР

Составитель К.Шавловский

Техред М,Моргентал Корректор Э,Лончакова

Редактор Ю.Середа

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

Заказ 2679 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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