М.у. по расчету коленвала на прочность v4 (Раздаточные материалы)

Введение

Коленчатый вал является одной из наиболее ответственных, напряженных и дорогостоящих деталей двигателя. Под влиянием одновременно действия сил инерции и газовых сил, а также моментов в коленвалу возникают знакопеременные напряжения.

При проектировании вала можно пользоваться значительными статистическими данными, имеющимися по ряду существующих конструкций:

1. Для бензиновых однорядных двигателей:

1. Для V-образных бензиновых двигателей с последовательным размещением шатунов на одной шейке:

при относительной длине одного вкладыша:

1. Для рядных дизелей:

условие обязательного прохождения шатуна через цилиндр при демонтаже:

и выше, вызывает необходимость устанавливать шатуны с косой плоскостью разъема.

1. Для V-образных дизелей большой мощности:

При увеличении диаметра шатунной шейки повышается крутильная жесткость вала. Однако увеличение размеров шейки приводит к увеличению головки шатуна и сопровождается заметным увеличением вращающихся масс.

Размеры коренных шеек выбирают с условием получения необходимой прочности вала. Увеличение диаметра приводит к возникновения «перекрытия шеек», что увеличивает жесткость вала и незначительно сказывается на увеличение массы коленвала (- рекомендуется).

Щеки чаще всего делают эллиптической формы, обеспечивающей высокую жесткость при изгибе и кручении. Согласно статистическим данным:

а) у бензиновых двигателей

ширина щеки изменяется в пределах (1,0-1,25)D;

толщина щек составляет (0,2-0,22)D.

б) у дизелей

ширина щеки изменяется в пределах (1,05-1,30)D;

толщина щек составляет (0,24-0,27)D.

Галтели от щек к коренной и шатунной шейкам выполняют переменным радиусом около [0,035-0,05(0,8)]d (d – диаметр шейки).

Часть 1. Методика расчета напряженного состояния в ANSYS

Итак, коленвал в сборе нарисован.

Рис. 1. общий вид КВ.

Для расчета нам достаточно одного колена. Используя симметрию, получаем:

Рис. 2. Разрез КВ для расчета.

Обратите внимание на то, что коленвал и шатунная шейка на сборке - это 2 разные детали. Это сделано для дальнейшего упрощения расчетной схемы (см. далее).

Сохраним эту сборку в формате Parasolid.

Постановка задачи

Как уже говорилось ранее, коленвал одна из самых дорогостоящих деталей двигателя. Стоимость детали определяется из совокупности затрат на материал и технологический процесс обработки. В большинстве случаев вал стремятся сделать наиболее легким, т.к. это приводит к снижению затрат на материал, а также к повышению динамических качеств двигателя. Однако не надо забывать, что снижение массы коленвала (при прочих равных условиях) неизбежно приводит к снижению жесткости и повышению напряжений коленвала. Для решения этой задачи конструктору необходимо придти к компромиссу между затратами на материал, затратами на технологическую обработку и степенью совершенства самого изделия.

При проектировании коленвала необходимо обеспечить наиболее благоприятную работу подшипников скольжения, а она, в свою очередь, зависит и от перекоса осей и от деформирования сопрягаемых поверхностей подшипника. Эти явления значительным образом начинают себя проявлять при снижении жесткости коленвала и (или) пастели.

Коленвал вращается в коренных опорах, которые жестко связаны с блоком цилиндров. На коленвал действуют нагрузки от газовых сил, крутящего момента и от сил инерции поступательно движущих масс шатунно-поршневой группы ДВС, которые приводят к возникновению разного рода колебаний коленвала.

В данном примере будем рассматривать напряженное состояние коленвала в в.м.т. в момент воспламенения горючей смеси и в н.м.т. Как правило именно в этих положениях возникают «пиковые» напряжения. На основании этих результатов можно будет произвести приблизительный расчет коленвала на усталостную прочность.

Замечание: Современные персональные ЭВМ позволяют решать задачи с количеством элементов не более 60-80 тыс. (рекомендуется не более 60 тыс.). В связи с этим, приходится каждый расчет разбивать на два этапа: расчет коленвала с галтелями, но без маслоподводящего отверстия и расчет коленвала с маслоподводящим отверстием и с грубой разбивкой галтелей. Такой подход позволяет уменьшить количество элементов до десяти раз.

Дано: Коленвал авиационного бензинового двигателя 2ДН86/86;

Материалы шатуна, коленвала и постели;

Давление в цилиндре в в.м.т.;

Крутящий момент.

Рис. 3. Геометрические характеристики и ГУ.

P_k – давление на срезе шатуна от газовых сил и от сил инерции.

Оценить усталостную прочность коленвала.

Ход решения задачи:

1. Расчет коленвала с галтелями, но без маслоподводящего отверстия.

2. Расчет коленвала с маслоподводящим отверстием и с грубой разбивкой галтелей.

3. Сравнение результатов расчета и определение опасных концентраций напряжений.

4. Расчет опасных зон на усталостную прочность.

5. Вывод.

Далее будем работать в AnSys.

1. При запуске программы обратите внимание на Working directory путь не должен содержать кириллицу.

Рис. 4. Запуск программы.

1. Импортируем нашу сборку из формата Parasolid:

FileImportPARA…

В всплывшем меню выберите файл, в который вы сохранили сборку.

1. Для разбивки детали на конечные элементы, необходимо предварительно выбрать тип элемента. Для этого:

ANSYS Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAdd…

Появится окошко, где необходимо выбрать тип объемного элемента в соответствии с показанным ниже рисунком.

Рис. 5. Выбор элементов разбивки.

Далее выберите Apply и аналогично выберите тип поверхностного элемента:

Shell8node 93

Нажмите ОК и закройте окно Element Types.

1. Выбираем материалы для наших деталей.

Табл.1. Физические характеристики материалов.

Материал	Модуль Юнга, 109 Па	Коэффициент Пуассона	Плотность, 103 кг/м3
Алюминий	63-70	0.32-0.36	2.7
Сталь	195-205	0.25-0.30	7.7-7.9
Титан	105	0.32	4.5
Чугун	100-150	0.23-0.27	7.8

В данном случае а) коленвал и крышка коренного подшипника из стали

б) шатун из титана

Для стали (EX – Модуль Юнга; PRXY - Коэффициент Пуассона):

Рис. 6а. Ввод физических характеристик.

Зададим плотность:

Рис. 6б. Ввод физических характеристик.

Далее MaterialNew Model

Аналогично задаем свойства для титана (особенность: плотность выбираем равной нулю).

Теперь необходимо задать свойства для шатунной шейки. В расчетной модели мы принимаем, что шатун у нас невесомый, соответственно, чтобы учесть центробежную силу от вращательной части шатуна М₂, необходимо увеличить плотность шатунной шейки на величину:

Объем шатунной шейки можно определить с помощью SolidWorks. Остальные параметры (модуль Юнга, коэффициент Пуассона) оставляем без изменений.

Итак, имеем:

Табл. 2.

Деталь	Порядковый номер свойства
Коленвал без шш	1
Шатунная шейка	2
Шатун	3
Крышка кор. подш.	1

Осталось только назначить эти свойства деталям:

PreprocessorMeshingMesh AttributesPicked Volumes

…курсором выбираем коленвал без шатунной шейки и крышку коренного подшипника. Нажимаем ОК. В пункте Material number выбираем порядковый номер ранее заданных свойств.

Рис. 7. Выбор материала для деталей.

В данном случае оставляем 1 и нажимаем Apply.

Аналогичным образом выбираем оставшиеся детали и устанавливаем значение пункта Material number в соответствии с Таблицей 2.

1. Склеивание шатунной шейки со щекой коленвала.

ModelingOperateBooleansGlueVolumes

1. Создание конечно-элементной модели:

ANSYS Main MenuPreprocessorMeshingMesh Tool

Рис. 8. Меню “Mesh Tool”.

Простыми методами конечно-элементная модель коленвала получается слишком громоздкая (большое количество элементов), что приводит к значительному увеличению расчетного времени. Выходом из данного положения может быть лишь местное измельчение сетки в местах возможных концентраций напряжений. Во всех остальных же местах сетку можно укрупнить.

Как известно, для коленвала местами концентрации напряжения могут являться галтели перехода КШ и ШШ в щеку, а также области прилегающие к маслоподводящему каналу.

Создадим поверхностную сетку в области галтелей.

Для удобства, можно воспользоваться командой Select, которая позволяет выделять из множества объектов сборки нужные. Как правило, это ускоряет работу с программой.

SelectEntities

О ткроется одноименное меню. Выберите параметры в соответствии с ниже приведенным рисунком. Нажмите ОК. Далее курсором выберите коленвал и нажмите ОК. Для того, чтобы программа работала корректно необходимо сделать следующий шаг:

SelectEverything BelowSelected Volumes

Теперь необходимо обновить.

PlotReplot

На экране останется только коленвал.