Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания (1037884), страница 52
Текст из файла (страница 52)
Распределение касательных напряжений по сечению шатунной шейки при кручении246ного сечения в цилиндрическое рационально располагать по возможности в одном поперечном сечении.Для получения необходимойпрочности коленчатого вала должны быть выдержаны соответствующие режим и способ ковки, обеспечивающие правильную макроструктуру, а также проведены термическая и механическая обработки для получения требуемых механических свойств, качества поверхности и геометрических размеровэлементов вала.Хотя прочность кованых стальных коленчатых валов выше, чемлитых чугунных, по мнению некоторых специалистов, при отливкеколенчатых валов из чугуна с шаровидным графитом можно создатьконструкцию с достаточно высокими характеристиками при практически одинаковых геометрическихпараметрах колена.На рис.
6.20 приведены примеры конструкций кованого и литыхвалов с прямыми щеками.Из литых конструкций наиболеевысокое сопротивление усталостиимеет вал, выполненный по схеме,данной на рис. 6.20, в, вследствиеувеличенного радиуса галтелей.В поковках вала направление волокон должно соответствовать конфигурации колен. Поковки подвергают отжигу для устранения внутренних напряжений и облегченияпредварительной обработки. Нередко для повышения прочности валов,кроме закалки и отпуска, применяют специальные термохимическиеспособы обработки, вследствие чегоувеличивается твердость поверхностного слоя и появляются остаточные сжимающие напряжения.К основным методам поверхностного упрочнения следует отнестихимикотермические, наклеп поверхностного слоя, поверхностнуюзакалку ТВЧ.Одним из наиболее эффективных, но вместе с тем дорогостоящихсредств повышения сопротивленияусталости коленчатых валов является азотирование.
При этом ослабляется влияние концентрации напряжений и качества поверхности напрочность, а также влияние волосовин, неметаллических включений,что позволяет применять более грубую механическую предварительную обработку.Как показывают экспериментальные исследования, у валов, изготовленных из легированных сталей, при азотировании повышаетсяпредел выносливости при кручениина 30–40 % и при изгибе на 30–60 %. После азотирования деталинеобходимо подвергать механичеРис. 6.20. Кованые и литые колена валов:а – кованый стальной; б – литой, радиус галтели r = 2,5 мм; в – литой, радиус галтели r == 3,5 мм; А – места усталостных разрушений247ской обработке с большой осторожностью. Шлифованием на глубинуне более 10–15 % общей глубиныслоя можно несколько повысить сопротивление циклическим нагрузкам.
Однако вследствие появлениямикроскопических трещин пришлифовании галтелей сопротивление усталости снижается. Еслисверлить отверстие для подачи масла после азотирования, то можнозначительно понизить сопротивляемость знакопеременному кручению.Азотирование поверхности шеекспособствует уменьшению их износа; то же относится и к хромированию. Однако насыщение азотом поверхностных слоев деталей сопровождается увеличением объема, появлением напряжений и деформаций. Последнее зависит и от положения вала в печи в процессе азотирования.При использовании наклепа поверхностей шеек создается поверхностный слой, характеризующийсяостаточными сжимающими напряжениями, а также могут быть ликвидированымикроскопическиетрещины, нередко являющиесяпричиной возникновения усталостных трещин.При накатке галтелей роликом иобдувке дробью, а также при обжатиикраев масляного отверстия стальнымшариком предел выносливости поверхностей повышается на 20–30 %при изгибе и несколько менее прикручении.
При наклепе стальнойдробью предел выносливости сталейповышается на 10–20 %.Сопротивление усталости можно повысить также цементацией ицианированием. Как показываютопыты с образцами из легированных сталей, эффективные коэффициенты концентрации в зоне отверстий при цементации снижаются на 30–40 %.6.1.3. Материалы коленчатых валовКонструкция, материал, а такжеспособ изготовления коленчатоговала должны быть согласованы между собой. Для вала необходимо выбирать материал с высокими прочностными показателями.Из качественных углеродистыхсталей изготовляются коленчатые валы мало и среднеоборотных двигателей с невысоким уровнем форсирования. Причем чаще применяют стали 35, 40, 50, 35Г, 40Г, 45Г, 50Г и др.Валы автомобильных и тракторных двигателей выполняют из сталей45, 45Г, 50Г, а также сталей 40Х,40ХН, 45Г2, 38ХГН, 40Х2Н2МА и др.Термообработка стали после закалкии низкого отпуска должна обеспечивать мартенситную структуру.Хромованадиевые, хромомолибденовые, хромоникелевые и хромоникельмолибденовые стали (30XMA,20ХН3А, 40Х2Н2МА, 25Х2Н4МА,38ХН3МА и др.) служат для изготовления коленчатых валов быстроходных дизелей повышенной мощностиразличного назначения.В стационарных, тепловозных иавтотракторных двигателях нередкоприменяют литые коленчатые валыиз специального модифицированного чугуна с шаровидным графитом (ВЧ30, ВЧ35 и др.) перлитноферритной структуры и из углеродистой и легированной сталей.Изготовление литых чугунныхвалов проще и экономичнее, приэтом расходуется меньше металла именьше времени затрачивается наобработку, чем при изготовлениистальных штампованных или кованых валов.
Причем экономия металла увеличивается по мере усложнения конструкции вала, износостойкость шеек вследствие наличияв чугуне графита возрастает, надежность работы вала благодаря боль248шой циклической вязкости чугунаповышается. В то же время следуетотметить, что механические качества чугунных коленчатых валов ниже, чем стальных кованых.При применении твердых сплавов для подшипников, в частностисвинцовистой бронзы, шейкам придают высокую твердость термообработкой.
Термообработку применяют для повышения износостойкости также и в случаях заливки подшипников баббитом.Механические свойства наиболее распространенных материаловколенчатых валов представлены втабл. 6.3.6.2. Моделированиенапряженнодеформированногосостояния коленчатого вала.Оценка циклической прочностиАнализ поломок коленчатых валов показывает, что разрушения побольшей части носят усталостныйхарактер. Разрушение начинаетсяот зон наибольших концентрацийнапряжений, расположенных украев отверстий для смазывания вшейках или (чаще) в галтелях сопряжения щек с шейками. У валовс пустотелыми шейками при необработанных внутренних поверхностях шеек разрушения иногда на6.3. Механические свойства материалов коленчатых валовМаркасталиПредел прочно Предел теку Предел выносливости Предел выносливостисти sв, МПачести sт, МПа при изгибе s-1, МПа при кручении t-1, МПаУглеродистые стали30480260200110456003202501505063034027016040Г59035033020045Г65039033020050Г63039034021045Г2800480380230Легированные стали20Х80064028016040Х98078035022540ХН98078540024035ХМ93083535022520ХН3А93073043024540Х2Н2МА108093052024038ХН3МА1080980430290ВЧ3535022015080ВЧ4040025018085ВЧ4545031021090ВЧ50500320240105Высокопрочные чугуны249чинаются с внутренних полостей,несмотря на более низкий уровеньноминальных напряжений по сравнению с наружной поверхностью.В течение рабочего цикла двигателя система нагружающих коленчатый вал усилий непрерывно меняется по углу поворота вала.Для оценки прочности коленчатый вал, так же как и шатун, следует рассчитывать при всей совокупности положений за рабочий циклпри соответствующих величинах инаправлениях действующих на валусилий.6.2.1.
Многоуровневая системаматематических моделейколенчатого валаКоленчатый вал представляетсобой пространственную статически неопределимую систему на упругих опорах с переменной жесткостью по его длине.Традиционные методы расчетаколенчатого вала делятся на двегруппы. В одной из них коленчатыйвал многоцилиндрового двигателярассматривается как разрезная система. Вал представляется наборомколен, нагруженных соответствующими усилиями. Влияние соседнихколен учитывается только через набегающий крутящий момент.
Данный метод достаточно прост, так какрасчетная схема статически определима, но не учитывает действие нагрузок на смежные с рассматриваемым колена и влияние надопорныхизгибающих моментов, действующих в различных плоскостях, что вряде случаев существенно завышаетуровень получаемых при расчете напряжений по сравнению с экспериментальными данными, полученными в результате тензометрированиявалов на работающих двигателях.Метод расчета вала как неразрезной системы, когда рассматриваетсяцеликом весь вал с нагрузками, приложенными ко всем коленам, и приразличных положениях вала является более "строгим" и в то же времяболее трудоемким.
Для того чтобызаложенные в методе возможностибыли реализованы в должной степени, при расчете необходимо учитывать податливость опор коленчатоговала, которая в свою очередь связанас деформацией картера, подвесок ивкладышей подшипников, гидродинамикой масляного слоя и др. Кроме того, следует отметить, что жесткость при изгибе коленчатых валовразлична в зависимости от угла наклона плоскости, проходящей черезось вращения, в которой рассматривается изгиб.
Учет перечисленныхфакторов требует предварительногоанализа конструкции вала, предшествующего непосредственно расчету.Поэтому часто расчет целесообразноначинать применительно к разрезной схеме, особенно при предварительной оценке различных вариантов конструкции, с переходом к неразрезной схеме на следующем этаперазработки коленчатого вала.6.2.2. Расчет коленчатого валапо разрезной схемеРасчет коленчатого вала по разрезной схеме равнозначен расчетуотдельного колена, рассматриваемого как двухопорная рама. Нарис.
6.21 представлено iе коленовала и расчетная схема с приложенными силами и моментами. Приведенная модель может быть отнесена к моделям первого уровня.Со стороны соседних колен передаются только крутящие моментыM ki = M k ( i -1 ) +TR .(6.1)Силы T и Z определяются поформулам (3.43) и (3.42) соответственно.250Рис. 6.21. Схема нагружения колена вала:Сш, Сщ, Спр и С2 – центробежные силы шатунной шейки, щеки, противовеса и массы шатуна,отнесенной к шатунной шейкеОпорные реакции левой и правойопор колена валасательных напряжений, а также амплитуда определяются по формулам:L2ü(Z - C ш - C 2 - 2C щ + 2C пр ); ïLïL2ï¢T = T;ïLýLZ ¢¢ = 1 (Z - C ш - C 2 - 2C щ + 2C пр );ïïLïLT ¢¢ = 1 T .ïLþ(6.2)üïïït ш minïïýtшm =;ïï2ït ш max - t ш min ï,tшa =ïþ2Z¢ =Расчет шатунных шеек.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
