Коленчатый вал

(57) Использование; в маши конструирования коленчат лго- ность изобретения: для пов ности эа счет повышения.Ян- усталости сопряжение щек и но с внутренним углом, ве расположена в шейке, 1 илностроении ых валов. С ышения над сопротивле шеек выпо ршина кото 2 табл л ущ- ежния не- ого ежности и лавский, Н во ССС, 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 стоимостьдвигателя внутреннего сгорания, который в настоящее время является основным источ- ником энергии. Однако несмотря на достаточность запасов прочности при расчете по общепринятым методикам, случаи поломок коленчатых валов присущи в большей или меньшей мере всем, по крайней мере авто- тракторным двигателям.Для обеспечения необходимой прочности участки перехода шеек в щеки обычно стремятся выполнять по увеличенным радиусам, описывают их несколькими радиусами, шлифуют, полируют и подвергают другим видам обработки и упрочнения. Однако в последнее время появились и другие подходы в решении задачи о повышении сопротивления усталости коленчатых валов. Так американскими инженерами предложен и запатентован коленчатый вал с зонаОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ РИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗО АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС(71) Институт проблем надвечности машин АН БССР(56) Авторское свидетельсЬ 1672025, кл. Е 16 С 3/О ми увеличенной податливости, смягчающими передачу усилий при совершении поршнем рабочего хода, Эти зоны образованы щеками вала, жесткость которых уменьшена путем выполнения в них специальных вырезов - клиноподобных и трещиноподобных (. сквозных прорезей; т.е, резких концентраторов (Асие апде: сгапКапп тгапзтттпд гесргоса 1 пд потоп и а гонгу 1 азЫоп).Известна конструкция коленчатого вала, состоящая иэ коренных-и шатунных шеек, отстоящих друготдруга на- радиус кривошипа, щек, переходов коренных и шатуннйх Шеек в щеки жпричелмл последние выполнены в виде внутреннвго угла, Один иэ Ьб лучей которого является образующей ци- ОЭ лийдрической поверхности, а другой распо- Ос ложен на образующей к шейке позе ркнооти щеки перпендикулярно образующеи, Данная конструкция обладает недостатками, в частности тем, что техийкоюложгпичкески трудно выполнить сопряжениедвух поверхностей без появления дополнительного микроконцентратора,Целью изобретения является повышение сопротивления усталости коленчатых валов за счет устрайейия 60 зниккаюзщих в шейках микроконцентраторов, а также увода зарождающихся в процессе эксплуатации трещин в элементы коленчатого вала с большим запасом прочности.Указанная цель достигается тем, что переходы к каждой плоскости, проходящей через ось каждой шейки, выполнены в виде внутреннего угла, один из лучей которого расположен на обращенной к шейке поверхности щеки, а второй под углом а к поверхности щеки с углублением в шейку. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что при этом уменьшаются максимальные напряжения в опасных местах, а также наблюдается изменение направления развития усталосгных трещин и повышается эффективность методов упрочнения,При этом напряженное состояние в области перекрытия определяется двумя факторами: с одной стороны увеличением податливости шеек и щеки, обусловленным конструктивным исполнением перехода, и с другой стороны влиянием концентрации напряжений,С помощью метода конечных элементов установлены границы изменения параметров, описывающих геометрию перехода от щек к шейкам, при соблюдении которых наблюдается оптимальное соотношение упомянутых двух факторов:б Л д Ь .10,8 К 9,4 К1,9 агсзи - а 2,2 агсзи - (1)Л Л Ь. ЬНа чертеже показан кривошип коленчатого вала предлагаемой конструкции.Устройство содержит коренную шейку 1, шатунную шейку 2, щеки 3 коленчатого вала,Конструкция была проверена на примере коленчатого вала двигателя ДМинского моторного завода, Исследования проводились с помощью метода конечных элементов с уточнением результатов по данным эксперимента (поля ризацион но-оптического метода), испытания моделей коленчатого вала на усталость. Расчет с помощью метода конечных элементов был осуществлен в плоскости действия максимальных напряжений, возникающих при изгибе кривошипа моментом так, чтобы в переходе щеки в шатунную шейку возникали напряжения растяжения, а в коренную - сжатия, Такое распределение напряжений соответствует наиболее характерным условиям нагружения кривошипа при работе двигателя. За базу приняты конструктивно- технологические параметры серийного ко кам согласно ограничениям 1) наблюдалось повышение предельного изгибающего мо мента на 13,8 О, (табл,2) по сравнению с моделями, имеющими переходы от щек кшейкам,Анализ усталостных поломок показывает, что при многоцикловом нагружении трещины зарождались как в перекрытии шеек, так и у торцов модели, Однако вследствие того, что напряженное состояние щеки коленчатого вала, выполненной согласнопредлагаемому изобретению аналогично напряженному состоянию пластины, обла 5 10 1520253040 ленчатого вала ДМинского моторного завода, где радиус кривошипа, мм; В = 62,5,диаметр коренных шеек д = 75,0, ширинащеки с = 116,0, толщина щеки и = 25,0, перекрытие шеек Ь=. 7,0, материал - сталь 45 Х, 207-255 НВ.В ходе исследований установлено, что снижение максимальных нормальных напряжений в предлагаемой конструкции является более существенным (см, табл.1), что обусловлено увеличением податливости шеек в плоскости опасного сечения, Кроме того, наблюдается перераспределение напряжений, заключающееся в том, что изохромы смещались в область шеек, разгружая таким образом наиболее опасное место- перекрытие, что создает предпосылки для увода образующихся в процессе многоциклового нагружения трещин в элементы коленчатого вала с большим запасомпрочности.Однако следует отметить, что сопротивление усталости и, в частности коленчатыхвалов, не всегда определяется только максимальными нормальными напряжениями в концентраторах. Поэтому данные по изменению величин максимальных нормальных напряжений, полученные с помощью метода конечных элементов, были дополнены результатами сравнительных испытаний на усталость. Испытания проводились на стендах, обеспечивающих нагружение полноразмерных моделей, Задаваемая при испытаниях нагрузка (величина изгибающего момента) устанавливалась по статическим тарировочным зависимостям"перемещение рычага - нагрузка", Перемещение рычага определялось с помощью микроскопа, нагрузка - по динамометру,Зкспериментальная оценка усталостной прочности моделей коленчатых валов Досуществлялась по известным методикам. Входе исследований были испытаны полноразмерные модели коленчатого вала двигателя Д, подвергшиеся одинаковойтермической обработке, При этом установлено, что в случае переходов от щек к шейстью концентрации напряжений которой являются ребра преимущественно развива- ются именно трещины от ребер щеки, В случае. когда длина усталостной трещины, развивающейся от ребра щеки. составит 1 тр. 5 = 1/8 С, где С - ширина щеки, наблюдается распространение трещины в перекрытии шеек по направлению, определяемому параметрами концентратора в области перехода щек в шейку. Полученный усталостный 10 излом свидетельствует о сложной траектории развития трещины. Следует отметить, что усталостные поломки прототипа происходили при меньшей нагрузке (величина изгибающего мо мента), причем экспериментально установлено, что время развития трещины до опасных размеров в прототипе меньше вследствие того, что условия работы, аналогичные пластине, в пред лагаемом решении реализуются с большей полнотой,Таким образом, выявлены новые возможности управления концентрацией на пряжений в опасных местах коленчатого вала путем соответствующего выбора параметров перехода щек в шейки, а также применения существующих методов упрочнения, 30 1Формула изобретения Коленчатый вал, состоящий из коренных и шатунных шеек, отстоящих одна от другой на радиус кривошипа, щек, переходов коренных и шатунных шеек в щеки, выполненных в виде внутреннего угла, один иэ лучей которого расположен на обращенной к шейке поверхности щеки, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности и долговечности за счет повышения сопротивления усталости путем увода зарождающихся в процессе эксплуатации трещин в шейки, второй луч внутреннего угла переходов коренных и шатунных шеек в щеки расположен по образующей поверхности, выполненной под углом к поверхности щеки с углублением в шейку, причем параметры, описывающие геометрию переходов шеек в щеки, определяют иэ соотношений;б Ь б Ь,10,8 К 9,4 К1,9 агсэп -а2,2 агсэп -Ь, ЬЬЬгде б - диаметр коренных шеек;Ь - перекрытие шеек;й - толщина щеки;- глубина надреза;а - угол.надреза,Таблица 1751486 Таблица 2 Составитель Н,ЯнкевиТехред М,Моргентал ректор Э.Лончакова актор Ю,Сере бинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина, 10 эводственно-иэдательск аказ 2679 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5.