Коленчатый вал

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУбЛИК 1751487 А 51)5 Р 16 С 3/14 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ(71) Институт проблем надвечноСти машин АН БССР(54) КОЛЕНЧАТЫЙ ВА (57) Использование: в чатых валов двигателе ния и компрессорных изобретения: в предл диаметр масляного ка тия шеек и его длина симости от оптим податливости констру шаются максимаЛьны ных местах и повыш усталости конструкции Лконструкциях коленй внутреннего сгораустановок. Сущность агаемой конструкции нала в зоне перекрыопределяются в завиальной величины кции. При этом уменье напряжения в опасается сопротивление ,6 ил,ежности и долго- Н,С,Янкевич и шиностроеоленчатых горания и АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ Изобретение относится к манию, в частности к конструкции квалов двигателей внутреннего скомпрессорных установок,Коленчатый вал является одной из самых массовых деталей, в значительной степени определяющей удельные массо-габаритные показатели, ресурс, надежность и в конечном счете стоимость двигателя внутреннего сгорания, который в настоящее время является основным источником энергии. Однако несмотря на достаточность запасов прочности при расчете по общепринятым методикам, случаи поломок коленчатых валов присущи в большей или меньшей мере всем автотракторным двигателям.Снижение напряжений в концентраторе, вызванным различным соотношением параметров кривошипа, достигается засчет создания переходов путем удаления материала, мало участвующего в работе, выбора форм, расположения и размера щек, коренных и шатунных шеек, масляных каналов в них, а также облегчающих полостей и др. Например, сочетание полых шеек с широкой щекой, особенно, когда полость в шейке имеет бочкообразную форму, приводит к повышению прочности коленчатого вала, Смещение полости в шатунной шейке от оси у кривошипа также увеличивает предел выносливости конструкции. Однако обладает . С. сравнительно невысокой надежностью, .Целью изобретения является повышение сопротивления усталости коленчатых валов за счет оптимизации конструктивного а исполнения масляных каналов.Указанная цель достигается тем, что (Л масляные каналы в щеках предлагается выполнять в виде соосных отверстий, описываемых двумя радиусами, при этом за счет выбора величины диаметра канала в области перекрытия уменьшаются максималь ные напряжения в опасных местах, а также повышается сопротивление усталости коленчатого вала, увеличивается износостойкость инструмента при его изготовлении.Следует отметить, что напряженное состояние кривошипа при наличии масляного канала определяется с одной стороны влиянием концентрации напряжений, а с другой - увеличением податливости щеки, что положительно сказывается на сопротивлении усталости конструкции. При этом степень+совадс Г 1 дг ( вп а окан Л в 1 п а+ Ь сова окан или влияния масляного канала на напряженное состояние и сопротивление усталости коленчатых валов будет определяться величиной проекции отверстия на отрезок С-С, определяющий усталостные поломки конструкции.Величина отрезка С-С Проекция Окан, на отрезок С - С определяется равенством дкан, окан. окан, сов ( 0 ,) мптяФт Тогдасс сь+д вь(а+у Ь з 1 п а+ 6 соз а,бкан,С помощью тензометрирования моделей коленчатого вала с масляными каналами различного диаметра экспериментально установлено, что при Ь з 1 п а+ и соз абкан,У п 1 Ьсоз агде а - угол наклона масляного канала в плоскости опасного сечения; Ь - толщина щеки, К 1 = 4,3-4,4; п 1 = 1,4-1,5 - коэффициенты, определяемые экспериментально, наблюдается снижение максимальных напряжений. Дополнительные исследования, проведенные с помощью метода конечных элементов, свидетельствуют о снижении напряжений при 6 соза+Л з 1 пабкан.1(2 п 2 11соз агде 12 = 4,3-4,4; п 2 = 1,1-1,6 - расчетные коэффициенты.Поскольку наблюдается некоторый разброс границ, целесообразно ограничения выбирать как пересечение области значений соответствующих расчетных и экспериментальных величин, т,е,И соза+Л з 1 паОкан. На фиг, 1 показан кривошип коленчатого вала предлагаемой конструкции, на фиг.2 - график вывода заявляемых ограничений;на фиг. 3 - график зависимости максимальных нормальных напряжений в галтели от20 величины диаметра канала Оканполученный с помощью метода коленчатых элементов; на фиг. 4 - графики зависимостимаксимальных нормальных напряжений вгалтелях от величины расстояния 1, получен 25 ные с помощью метода конечных элементов; на фиг. 5 - графики зависимостимаксимальных нормальных напряжений отдиаметра канала, полученные с помощьютензометрирования: 1) модель с Окан = 0,030 мм; 2) модель с Окан. = 8,0 или 11,0 мм, 3)модель с бкан = 5,0 мм; на фиг. 6 - графикзависимости предельного изгибающего мо, мента отдиаметраканала бканполученныйпри усталостных испытаниях моделей ко 35 ленчатых валов.Конструкция была проверена на примере коленчатого вала двигателя ДМинского моторного завода. Исследованияпроводились с помощью конечно-элемент 40 ных моделей кривошипа, допускающихуточнение результатов по данным эксперимента (поляризационно-оптического метода), сравнительных усталостных испытаниймоделей коленчатого вала с различными ди 45 аметрами масляных каналов, а также испытаний серийной и предлагаемойконструкции коленчатого вала в условияхстендового нагружения,Расчет с помощью метода конечных эле 50 ментов был осуществлен в плоскости действия максимальных напряжений,возникающих при изгибе кривошипа моментом так, чтобы в переходе щеки в шатунную шейку возникали напряжения55 растяжения, а в коренную - сжатия. Такоераспределение напряжений соответствуетнаиболее характерным условиям нагруже-.ния кривошипа при работе двигателя, Забазу приняты конструктивно-технологические параметры серийного коленчатого вала ДМинского моторного завода, гдерадиус кривошипа Р .= 62,5 мм, диаметркоренных шеек ск = 75,0 мм, ширина щеки с= 116,0 мм, толщина щеки Ь =. 25,0 мм, перекрытие шеек Л =. 7,0 мм, материал сталь45 Х, 207-255 Н В, Окан. = 11,0 мм,В ходе исследований установлено, чтоснижение максимальных нормальных напряжений в предлагаемой конструкции наблюдается при скан, = 4,0-5,0 мм (на 8,7% посравнению с скан. = 8,0 мм и на 7,3% посравнению с бкан, = 0,0 мм), Дальнейшееувеличение диаметра канала приведет кзначительному ослаблению опасного сечения, поэтому расчеты в этой области значительного практического интереса непредставляют (фиг,3).При исследовании влияния глубинысверления установлена и величина= 70-75 20мм, при которой влияние отверстия с большим диаметром О на напряженное состояние в гаптелях не сказывается (фиг,4),Таким образом, с помощью метода конечных элементов установлены границы параметров, описывающих конструктивноеисполнение масляных каналов, при которомнаблюдается повышение сопротивления усталостиОкан, = 4,8-5,2 мм; 3060 мм,Проведенное тензометрирование моделей коленчатого вала с различными диаметрами масляных каналов экспериментальноподтвердило установленную расчетную зависимость (фиг.5),Однако так как сопротивление усталости деталей не всегда определяется толькомаксимальными нормальными напряжениями в концентраторах, то расчетные зависимости были дополнены результатамисравнительных испытаний на усталость, Испытания проводились на стендах, обеспечивающих нагружение полноразмерныхмоделей, Задаваемая при испытаниях нагрузка (величина изгибающего момента) устанавливалась по статическим тарировочнымзависимостям "перемещение рычага - нагрузка", Перемещение рычага определялось с помощью микроскопа, нагрузка - по динамометру. Экспериментальная оценка уста- лостной прочности коленчатых валов Досуществлялась по известным методикам. В ходе исследований были испытаны полномерные модели коленчатого вала двигателя Д, подвергшиеся одинаковой термической обработке. Установлено повышение предела выносливости моделей с диаметром канала скан. = 5 мм (на 10.9% по сравнению с Окан. =8 и 11 мм, фиг, 6).Проведены сравнительные испытания на усталость серийной и разработанной конструкции коленчатого вала. Установлено, что предельный изгибающий момент разработанной конструкции превышает предельный изгибающий момент серийного коленчатого вала двигателя Дна 15,2%,Все это позволяет заключить, что выявлены новые возможности совершенствования конструкции коленчатых валов путем оптимального выбора параметров, определяющих геометрию масляных каналов:Формула изобретения Коленчатый вал, состоящий из коренных и шатунных шеек, отстоящих друг от друга на радиус кривошипа, щек, а также наклонных масляных каналов, проходящих через область перекрытия шеек, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения сопротивления усталости путем выбора оптимальной величины податливости конструкции, размеры масляного канала в области перекрытия шеек находятся из выраженийа 3 Па+ Соза ., 43окан. ; 1=43-44 иЬи=1,4-1,5, где Окан. - диаметр масляного канала;- глубина сверления, Окан.,6 - толщина щеки;а - угол наклона масляного канала; К и - расчетно-экспериментальные коэффициенты;Л- величина перекрытия шеек.Составитель К.ШавловскийТехред М,Моргентал Корректор Э,Лончакова Тираж Подписноесударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5