Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания (1037884), страница 49
Текст из файла (страница 49)
В обоих случаях максимальные растягивающие напряжения возникают в зоне концентрации напряжений от маслоподводящего отверстия.Заключительным этапом расчетаявляется оценка прочности элементов шатуна, выполняемая в последовательности, изложенной ранее.Глава 6КОЛЕНЧАТЫЕ ВАЛЫ И МАХОВИКИ6.1. Основы конструированияколенчатых валовКоленчатый вал – одна из наиболее ответственных, напряженныхи дорогостоящих деталей двигателя.Вал воспринимает переменныепериодические нагрузки от сил давления газов и сил инерции поступательно движущихся масс, а также отсил инерции вращательно движущихся масс.Силы, действующие на вал,вызывают износ его шеек и подшипников, усталостные разрушения, как правило, в местах концентраций напряжений, а такжекрутильные, изгибные и осевыеколебания.Основные требования, предъявляемые к конструкции вала:• высокая прочностная надежность, жесткость и износостойкость при относительно небольшоймассе;• высокая точность изготовления шатунных и коренных шеек;• высокая твердость и степеньчистоты обработки поверхностишеек;• хорошая уравновешенность;• для быстроходных двигателей – разгруженность коренныхшеек от центробежных сил и местных изгибающих моментов.Рациональную схему коленчатого вала с определением расположения колен вала выбирают после эскизных разработок, связанных сназначением и размерами двигателя, и динамического расчета двигателя.
Взаимное расположение колен вала зависит от тактности двигателя, числа, расположения и порядка работы цилиндров.Колена вала располагают такимобразом, чтобы получить следующее:• равномерность чередованиявспышек для получения наибольшей равномерности хода;уравновешен• наилучшуюность двигателя;• равномерное нагружение элементов коленчатого вала (последовательно работающие цилиндры недолжны быть смежными, их следует располагать по возможности пообе стороны от среднего коренногоподшипника);• наименьшие напряжения открутильных и изгибных колебаний;• наилучшееиспользованиеэнергии отработавших газов приналичии газовой турбины.Размеры элементов колена валаопределяются в основном расстоянием между осями цилиндров, всвою очередь зависящим от диаметра цилиндра, толщины стенок гильзы и рубашки цилиндра, объема дляохлаждающей жидкости, а такжеканалов для продувочного воздуха иотработавших газов в двухтактномдвигателе.При уменьшении расстояниямежду осями цилиндров наряду суменьшением габаритных размеров двигателя увеличиваются жесткость и прочность вала, однакоухудшаются условия работы подшипников вследствие уменьшенияих длины.В зависимости от размера шеек ищек, а также от числа колен валы изготовляют цельными (рис.
6.1, а), ссоставными коленами (рис. 6.1, б, в)233Рис. 6.1. Схемы коленчатых валов:а – цельного; б, в – составногои составными из двух или более участков, соединяемых фланцами, откованными как одно целое с валом(рис. 6.1, г). Фланцы имеют центрирующие заточки или монтажныецентрирующие шайбы.Цельные валы применяют в двигателях внутреннего сгорания всехтипов.Валы с составными коленами устанавливают в малооборотных двухтактных двигателях, а также в звездообразных авиационных двигателях, вкоторых главный шатун выполнялсянередко с неразъемной кривошипнойголовкой, а части колена соединяютшлицами или болтом.Наиболее часто коленчатые валы имеют число опор, превышающее на единицу число колен (полноопорные валы).
В некоторыхслучаях (малофорсированные двигатели с принудительным воспламенением, а также при оппозитномрасположении цилиндров) числоопор может быть уменьшено. В таком случае с увеличением расстояния между опорами для получениянеобходимой жесткости размерыэлементов вала приходится увеличивать.Вал состоит из колен и концевых участков (со стороны отборамощности и свободного переднегоконца). В некоторых конструкцияхотбор мощности производится собоих концов вала. Типичная конструкция колена вала двигателя cразличной формой щек показанана рис.
6.2.Длина колена L, диаметры шатунной d и коренной d1 шеек зависятот диаметра цилиндра D и типа двигателя.Поскольку средние нагрузки накоренные шейки выше, чем нашатунные, диаметр d1 коренныхшеек обычно больше диаметра d234Рис. 6.2. Колена вала с различной формой щек:а – призматической; б – овальной; в – эллиптической; г – цилиндрическойшатунных шеек на 5–10 %. Как вкоренных, так и в шатунных шейках часто сверлят отверстия дляуменьшения массы (это особенноцелесообразно применять в шатунных шейках), что приводит куменьшению сил инерции вращающихся масс. Коренные шейкичаще, чем шатунные, выполняютбез полостей.При отношении S/D, незначительно превышающем 1, в сочетаниис увеличенными диаметрами шеекможно получить значительное перекрытие шеек D = 0,5(d + d1) - R.
Приэтом повышается прочность вала ипоявляется возможность уменьшения толщины b щеки без увеличенияее ширины h.Увеличение диаметра шатуннойшейки приводит к росту размеровкривошипной головки шатуна иразмеров картера. Кроме того, увеличиваются вращающиеся массы,силы инерции, а частота свободныхколебаний системы валопроводауменьшается. Для максимальногосокращения длины двигателя применяют коленчатые валы, у которых коренная шейка совмещена сощекой.
В данном случае применяют роликовые подшипники, картервыполняют неразъемным, а валмонтируют с торца (рис. 6.3).При выборе формы щеки учитывают прочность и технологичностьконструкции. Например, эллиптические щеки, приближающиеся ккруглым, имеют не меньшее посравнению с последними сопротивление усталости при несколькоменьшей массе. Овальная формащек оптимальна с точки зренияпрочности, но менее технологична235Рис. 6.3. Коленчатый вал с подшипником каченияпо сравнению с круглой.
Форма щеки должна способствовать уменьшению нагрузки на коренные шейки от действия центробежной силыинерции. Для этого на щеках в радиальном направлении делают скосы в области шатунной, а иногда икоренной шеек (см. рис. 6.2).Переходы от щек к шейкам следует осуществлять относительно большим радиусом закруглений (галтелей) для уменьшения концентрациинапряжений. Увеличению радиусагалтели препятствует уменьшение рабочей длины шейки.В быстроходных двигателях (чтобы избежать при шлифовании шеекзадевания шлифовальным кругомторцовых поверхностей) шейки сопрягают не непосредственно со щеками, а со специальными чисто обработанными кольцевыми буртиками, ограничивающими перемещение в осевом направлении кривошипной головки шатуна. Буртикисопрягаются со щеками галтелямирадиусом r ³ (0,05–0,08)d.
В результате сопряжения шейки со щекойдвумя радиусами уменьшается концентрация напряжений.В процессе работы двигателя коленчатый вал может совершать осевые перемещения относительнокорпуса двигателя. Одна из причин – различные тепловые деформации корпуса и вала, изготовляемыхиз различных материалов с разнымкоэффициентом линейного расширения. От осевых перемещений валфиксируют на средней или крайнейкоренных шейках с помощью специального упорного подшипника.Осевой зазор в упорном подшипнике составляет около 0,12–0,20 мм.В быстроходных двигателях щеки часто выполняют как одно целоес противовесами, уравновешивающими силы инерции вращающихсямасс и их моменты, а также разгружающими коренные опоры. Массыи размеры противовесов определяются при динамическом расчетедвигателя. Во многих случаях противовесы изготовляются отдельно.На рис. 6.4 даны различные способы крепления противовесов нащеках коленчатого вала.При креплении по схемам, показанным на рис.
6.4, а, б, не исключены случаи разрыва болтовпри частотах вращения коленчатого вала, превышающих расчетные.Крепления по схемам, показанным на рис. 6.4, в–д, более надежны, так как предусмотрена разгрузка болтов от сил инерции. Посхеме на рис. 6.4, в болты разгружаются шпонками, работающимина срез; по схемам рис. 6.4, г, д –зубцами противовеса. Болты вданном случае работают на растяжение от силы затяжки.В некоторых случаях противовесы приваривают к щекам коленчатого вала.
Недостатком такой конструкцииявляетсянарушениеструктуры материала вала, особенно при изготовлении вала из легированных сталей. В двигателях ав236Рис. 6.4. Крепление противовесов:а, б – болтовое; в–д – повышенной надежноститомобильного и тракторного типовнередко противовесы устанавливают не на всех щеках.В двигателях с кривошипнокамерной продувкой противовесы служат также для уменьшения подпоршневого пространства в кривошипной камере и получения требуемого давления продувочного воздуха.
Иногда противовесы крайнегоколена совмещают с устройствамидля гашения крутильных колебаний.Наряду с обеспечением прочностной надежности и высоких динамических характеристик коленчатого вала его конструкция должнасоздавать благоприятные условиясмазывания коренных и шатунныхподшипников. Существуют различные способы подвода смазочного материала к подшипниковымпарам коленчатых валов. При индивидуальном подводе масло поступает к каждой коренной опореиз общего коллектора (например,центральной масляной магистрали). При этом достигаются одинаковые условия смазывания всех коренных подшипников.
Из наименее нагруженных зон коренныхподшипников масло поступает длясмазывания шатунных подшипников. На рис. 6.5 показаны различные способы прохода масла к подРис. 6.5. Подвод масла в полости коленчатого вала:а, б – с помощью трубок; в–ж – по каналам в щеках (полости коленчатого вала закрыты заглушками)237шипникам коленчатого вала. Непосредственная подача масла между поверхностями коренных и шатунных шеек может осуществляться через косые отверстия (см.рис. 6.5, а, б), что обеспечивает ускоренную подачу масла в периодпуска.Поскольку в масле имеются примеси (частицы металла, кокса, грязи), следует применять устройства,препятствующие попаданию этихчастиц в масляный зазор подшипников.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
