Выбор размеров и расчет на прочность коленчатого вала

Коленчатый вал является одной из наиболее ответственных и дорогих деталей двигателя. До 30-40% стоимости двигателя приходится на коленчатый вал. Коленчатый вал нагружается силами давления газов, силами инерции поступательно вращающихся шеек. Эти силы вызывают значительные знакопеременные, скручивающие и изгибающие моменты. Периодически изменяющийся крутящий момент кроме того вызывает крутильные и продольные колебания вала, которые при резонансе вызывают в сечении вала значительные напряжения кручения и вызывают поломку коленчатого вала.

В результате воздействия указанных выше сил и моментов, материал вала работает на усталость, сплошная же конфигурация коленчатого вала приводит к появлению концентрации напряжений в отдельных местах (точках) вала, например в галтелях, выходах сверлений для смазки.

Условия работы подшипников коленчатого вала зависят от ряда факторов: величина и характер удельных давлений на шейке, жесткость вала и опор подшипников; выбор антифрикционных материалов, смазочного масла; качество технологии изготовления и монтажа вала. Коренные (рамовые) подшипники являются наиболее ответственными и уязвимыми местами, определяющими надежность работы всего двигателя.

Выбранная конструктивная форма вала должна обеспечить:

- наибольшую равномерность вращения, т.е. равномерность изменения крутящего момента по времени;

- наилучшую уравновешенность оси инерции и создаваемых ими моментов;

- равномерное нагружение частей коленчатого вала при работе двигателя;

- наименьшие напряжения от крутильных и изгибающих колебаний.

Изготавливаются коленчатые валы из стали ковкой и штамповкой или отливкой из чугуна. Размеры элементов коленчатого вала зависят от диаметра цилиндра и хода поршня и выбираются по обобщенным конструктивным соотношениям выполненных двигателей. Основные размеры стальных коленчатых валов судовых дизелей должны удовлетворять Правилам Регистра, чугунные коленчатые валы могут быть допущены к установке в двигатель только по особому согласованию с Регистром. После выбора основных размеров и проверки соответствия их требованиям Регистра производится проверочный расчет на прочность.

Нагрузки на элементы коленчатого вала, МПа.

Радиус кривошипа коленчатого вала:

Для обеспечения равномерности хода двигателя вспышки в рабочих цилиндрах должны чередоваться через одинаковые углы поворота коленчатого вала a:

i – число цилиндров.

Расстояния между цилиндрами:

м

Коренные шейки:

м м

Шатунные шейки:

м м

Щеки колена:

Предназначены для уменьшения масс неуравновешаных частей колена щеки имеют скосы в местах, где материал не участвует в передаче усилий от коренной к шатунной шейке.

Ширина м

Толщина м

Переходные галтели:

Радиусы закруглений между шейками и щеками:

где d¢ - диаметр шейки

м м

Смазка шеек коленчатого вала – циркуляционная, под давлением. Масло подводится через штуцер к кольцевой канавке коренного подшипника. В шатунный подшипник масло подается посредством диагональных сверлений. На конце вала со стороны отбора мощности устанавливается маховик, валоповоротное устройство, привод механизма газораспределения. На другом конце коленчатого вала устанавливаются шестерни привода масляного насоса, водяного насоса, насоса топливоподкачки. Принимая во внимание, что вал является наиболее сложной, напряженной и ответственной деталью двигателя, работающей на усталость, выбираем в качестве материала качественную углеродистую сталь – 40. Коленчатый вал изготавливается ковкой.

Повышение усталостной прочности коленчатых валов достигается конструктивными и технологическими методами.

Поверхностное упрочнение коленчатого вала достигается азотированием. Как показывают эксплуатационные исследования с коленчатыми валами азотирование повышает предел усталости на 30-40%, а предел выносливости 30-60%. При азотировании ослабляется также влияние концентраций напряжений на усталостную прочность поверхностного слоя. После азотирования не рекомендуется проводить какую-либо механическую обработку.

Напряжение от изгиба, МПа

Шатунная шейка:

МПа

коренная шейка:

МПа

где: P_max – максимальное давление цикла, МПа;

d_шш=0,22 – диаметр шатунной шейки, см;

d_кш=0,25 – диаметр коренной шейки, см;

L_кш=0,24 – длина коренной шейки, см;

L=0,35 – расстояние между серединами коренных шеек, см

a=0 – отношение диаметра сверления, к диаметру шейки.

Напряжение от скручивания в шатунной шейке, МПа:

МПа

где: tS=0,3327 МПа – суммарное набегающее тангенциальное усилие

R=15,9 см – радиус кривошипа

Напряжение от скручивания в коренной шейке, МПа:

МПа

Сложное напряжение от изгиба и кручения:

Шатунная шейка:

s_сшш= МПа

Коренная шейка:

s_сшк= МПа

Полученные значения сравниваем с допустимыми напряжениями в соответствии с выбранным материалом вала (сталь 40, s_т=334 МПа)

s_сшш=103,696 МПа< [s_т]=334 МПа s_сшк=22,438 МПа<[s_т]=334 МПа

Проверка рамовых и шатунных подшипников.

Подшипники коленчатого вала проверяются на удельное давление, расчет производится только в первом положении при максимальном радиальном усилии z_max=P_max:

Для шатунной шейки:

МПа

Для коренной шейки:

МПа

По полученным величинам давлений выбираем антифрикционные материалы для подшипников вала – сплав БрС30 ГОСТ 493-79.