Шатунная шейка коленчатого вала

Расчёт шатунной шейки коленчатого вала проводим в соответствии с методикой принятой на кафедре: «Тепловые двигатели и энергетические установки» Владимирского государственного университета.

Рассмотрим расчётную схему наиболее нагруженного кривошипа, которую определили по результатам динамического расчёта:[1]

Рис. 1. Расчетная схема

Длина коренных шеек коленчатого вала: левая lкш.L =28 мм; правая – lкш.P = 28 мм; диаметр коренной шейки dкш= 51 мм; толщина щек hL=hP = 15мм; ширина щек в районе перекрытия b= 70 мм; длина шатунной шейки lшш = 24 мм; диаметр ее dшш= 48 мм, радиус галтели в сопряжении шеек со щекой r = 2 мм, масса противовеса mпр=0,318 кг, приведенная масса щеки (mщ)r=0,04 кг, lкр=82 мм. В коренных и шатунных шейках имеются отверстия для подачи масла к вкладышам подшипников диаметром aкш = 6 мм и aшш = 6 мм. RyL,RyP, RxL, RxP- реакции на опорах от действия сил в плоскости кривошипа; KrщL=KrщP- центробежные силы инерции щеки; KrпрL= KrпрP-центробежные силы инерции неуравновешенных масс противовесов; Krшш- центробежная сила инерции массы шатунной шейки; Krш- центробежная сила инерции части массы шатуна, отнесенной к оси шатунной шейки; таким образом в центре шатунной шейки действует центробежная сила Krш+Krшш.

Запасы прочности шатунной шейки определим в месте сопряжения со щекой (сечение I-I). По результатам динамического расчета известно (расчет не приводится), что на режиме номинальной мощности наибольший крутящий момент равен 288,5 Н·м, при φ=3750ПКВ; минимальный – -169,5 Н·м при φ=450ПКВ [1].

Момент сопротивления при кручении шатунной шейки в сечении I-I равен ; dш.ш. = 48 мм – диаметр шатунной шейки в сопряжении со щекой; δ =0 мм, λ=1.

Момент сопротивления в сечении I-I равен:[2]

=21,7·10-6 м3.

Максимальное и минимальные касательные напряжения равны:

13,29 МПа;

-7,81 МПа.

Определим амплитудное и среднее напряжения:

10,55 МПа;

2,74 МПа.

При отношении радиуса галтели к диаметру шатунной шейки при переходе к щеке r/d= 2/48= 0,042 (Kτ)Д= 3,8; β = 0,89; ψτ = 0,464.[2] Таким образом, частный запас прочности шатунной шейки в сечении I-I (по галтели при переходе от шейки к щеке) при кручении равен [2]

4,27

Действительный запас прочности равен

Определим напряжения в сечениях I-I шатунной шейки от действия изгибающих моментов.

Для расчета шатунной шейки на изгиб из условий равновесия определим реакции на опоры А и В. (см. рис. 1) Изгибающий момент в сечении сопряжения шатунной шейки со щекой (сечение I-I) от сил, действующих в плоскости кривошипа (момент относительно оси x), равен:

от максимальных сил

от минимальных сил

В плоскости, перпендикулярной плоскости кривошипа, (положительный знак момента принимается, если верхние волокна вала, обращенные к положительному направлению оси x, находятся в сжатой зоне):

от максимальных сил

;

от минимальных сил

.

Шатунная шейка имеет круглое поперечное сечение, то определить напряжения от изгиба можно от суммарного изгибающего момента (косой изгиб не возникает). Поэтому напряжение может быть найдено по формуле

где MΣ – суммарный изгибающий момент; W= 2Ix/dш.ш. = 10,83·10-6 м3– момент сопротивления поперечного сечения при изгибе.

Осевой момент инерции шатунной шейки в сечении I-I .

Поскольку от максимальных сил максимальный изгибающий момент равен:

Н·м

От минимальных сил:

Н·м

Максимальное и минимальное напряжение в сечений I-I

МПа.

= 4МПа.

Вычислим амплитудное и среднее напряжения при изгибе в сечении I-I

σa = (26,3-4)/2=11,15 МПа; σm = (26,3+4)/2= 15,15МПа.

Запас прочности при изгибе в сечении I-I определяется по формуле

где, при r/h = 2/15= 0,133 эффективный коэффициент концентрации напряжений с учетом масштабного фактора (Kσ)Д=3,9, β=1,3 (обкатка роликами) ,ψσ=0,464[2]

Общий запас прочности шатунной шейки в сечении I-I равен

Когда я учился в автошколе, преподаватель в начале занятия, отправлял какого-нибудь «незнайку» к стеллажам, чтобы тот нашёл и принес изучаемую деталь. Независимо от названия детали, чтобы «помочь» незадачливому ученику, все показывали на него и конечно коленчатый вал это был.

То есть первая деталь, которую все научились узнавать с первого раза, был именно он коленчатый вал.

Вот и мы сегодня поговорим о назначении и конструктивных особенностях коленчатого вала, а также о материалах из которых его делают.

Назначение коленчатого вала

Коленчатый вал это, одна из важных деталей двигателя. Он преобразует поступательное движение поршня во вращательное, которое через трансмиссию передается к колесам.

Несмотря на относительную сложность устройства, его принцип работы достаточно простой. В камере сгорания сжигается топливо и выделяются газы, которые толкают поршни, и придают им поступательное движение.

Поршни через шатуны отдают механическую энергию на шейку коленвала, в результате поступательное движение преобразуется во вращательное. Как только вал поворачивается на 180˚, шатун начинает двигаться в обратном направлении, возвращая поршень в исходную позицию ‒ цикл повторяется.

Читайте также:  Продажа приора в новосибирске

Коленчатый вал это конструкция, короче много раз изогнутая железяка

Коленвал представляет собой расположенные на одной оси коренные шейки, соединенные щеками и шатунные шейки, количество которых определяется числом цилиндров. При помощи шатунов шейки коленвала соединены с поршнями.

В зависимости от того как расположены коренные шейки, коленвал бывает:

  • полноопорный – если коренные шейки располагаются по обе стороны от шатунной шейки;
  • неполноопорный – если коренные шейки располагаются только с одной стороны от шатунной шейки.

Большинство современных автомобильных двигателей оснащены полноопорными коленчатыми валами.

Основные элементы КВ

К основным элементам относятся:

  • Коренная шейка – это главная часть узла, которая находится на коренных подшипниках (вкладышах), расположенных в картере;
  • Шатунная шейка – соединяет коленчатый вал с шатунами. Смазываются шатунные механизмы через специальные масляные каналы. Шатунные шейки смещены в стороны;
  • Щеки коленвала – соединяют коренные и шатунные шейки;
  • Противовесы – уравновешивают вес поршней и шатунов;
  • Передняя, фронтальная часть или носок – элемент механизма, оснащенный зубчатым колесом (шкивом) и шестерней, а в отдельных случаях еще и гасителем колебаний. Он контролирует мощность привода газораспределительного механизма (ГРМ) и других устройств;
  • Задняя часть (хвостовик) – элемент механизма, соединенный с маховиком с помощью маслоотражающего гребня и маслосгонной резьбы, выполняет отбор мощности.

Тыльная и фронтальная стороны коленчатого вала уплотняются защитными сальниками, которые не допускают протекания масла в местах, где маховик выходит за пределы блока цилиндров.

Движение коленвала гарантируют подшипники скольжения, которые представляют собой тончайшие стальные вкладыши, со специальным антифрикционным слоем. Чтобы не допустить осевое смещение, существует упорный подшипник, устанавливаемый на коренную шейку (крайнюю или среднюю).

Материалы для изготовления

Коленчатый вал это трудяга, который подвергается действию сильных, быстроизменяющихся нагрузок. Показатели его надёжности определяются конструктивными особенностями и материалами, из которого он сделан.

У этого элемента двигателя, обычно, цельная структура. Так что материалы для его изготовления должны использоваться максимально прочные, потому что от этого зависит стабильная работа системы. Лучшие материалы ‒ углеродистая и легированная сталь и высокопрочный чугун.

Коленчатые валы изготавливают методом литья, ковки из стали, а затем их вытачивают. Заготовки производят горячей штамповкой или литьем.

Важный момент ‒ расположение волокон материалов в заготовке. Чтобы они не перерезались в процессе обработки, применяют гибочные ручьи. Когда заготовка изготовлена, её еще раз обрабатывают высокой температурой и освобождают от окалины.

Материал и технология производства зависит от класса и типа автомобиля.

  1. Для серийных моделей коленвалы производятся методом литья из чугуна. Это уменьшает себестоимость.
  2. Для дорогих спортивных моделей берут кованные стальные коленвалы. Такой вариант обладает рядом преимуществ по размерам, весу и показателям прочности, и все чаще используются в автомобилестроении.
  3. Для супердорогих двигателей изделие вытачивается из цельных стальных болванок. При этом приличная часть материала остается в отходах.

Конструктивные особенности

Теперь вы знаете, что кроме серийных, есть и спортивные коленвалы. Они дают возможность ускорить ход поршня в крайней точке сжатия, благодаря специальной форме шатунных шеек. У стандартного вала они круглые, а у спортивного ‒ немного вытянутые, за счет этого характеристики двигателя изменяются.

Многие автомобилисты считают, что по маркировке коленчатого вала можно узнать о его характеристиках. Это заблуждение – маркировка лишь номер в каталоге производителя, который используют для подбора запчасти. К свойствам изделия она не имеет отношения.

Поздравляю вас, господа. Теперь вы в курсе, что коленчатый вал это не только тяжелая железяка, но и незаменимая деталь, от которой зависит комфортная езда, ресурс двигателя и его узлов.

А ещё она обеспечивает многие устройств автомобиля крутящим моментом: трансмиссию, генератор, карданы, и так далее до колес.

Конечно рассказывать об этом своей любимой девушке не обязательно, а вот друзьям автомобилистам через социальные сети сообщите. Пусть тоже читают наш блог – будет много интересного.

Шатун преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала и шарнир-но соединен с этими деталями. При работе шатун совершает сложное движение в плоскости, перпендикулярной оси коленчатого вала, и подвергается воздействию высоких газовых и инерционных сил. Шатун должен обладать высокой прочностью, по возможности малой массой, но одновременно достаточной жесткостью, обеспечивающей стабильность формы и размеров, в частности отверстий под подшипники. В зависимости от типа кривошипно-шатунного механизма и расположения цилиндров можно выделить шатуны рядного типа двигателей с тронковым механизмом; шатуны прицепного типа многорядных двигателей (V-, W- и звездообразных); шатуны двигателей с крейцкопфным механизмом.

Читайте также:  Устройство печки заз 968м

На рис. 1, а показана конструкция шатуна двигателя рядного типа, применяемая также и в V-образных двигателях с установленными на одной шатунной шейке коленчатого вала шатунами. В последнем случае приходится смещать левый и правый ряды цилиндров между собой в направлении оси коленчатого вала, что усложняет конструкцию корпуса и механизма передач.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Основными элементами шатуна являются: верхняя (или поршневая) головка/с запрессованной втулкой, в которой перемещается палец; стержень, соединяющий верхнюю головку с нижней (или кривошипной) головкой. С помощью нижней головки и ее крышки шатун соединен с шатунной шейкой коленчатого вала.

Верхнюю головку шатуна делают обычно неразъемной цилиндрической формы. В нее запрессовывают бронзовую втулку; в некоторых конструкциях применяют игольчатые подшипники. Для более рационального распределения нагрузки между бобышками поршня и шатуном верхняя головка часто имеет коническую форму сечения в плоскости оси отверстия под палец, для смазывания которого предусмотрены отверстия 8. Верхнюю головку помимо круглой делают и овальной формы.

Стержень шатуна испытывает осевую и поперечную нагрузки и имеет обычно двутавровое поперечное сечение, хорошо работающее на изгиб в плоскости качания шатуна. Во многих случаях для подачи масла к подшипнику верхней (поршневой) головки шатуна и поршню в теле шатуна на всю длину стержня просверливают канал. В этом случае предусматривается утолщение стенки, соединяющей полки двутавра. Возможны и другие формы сечения стержня (в частности, круглая с отверстием).

Нижнюю головку шатуна делают разъемной; ее габариты должны позволять вынимать поршень с шатуном, как правило, через цилиндр, что определяется условиями сборки двигателя. После установки поршня с шатуном в двигатель к нижней головке крепят ее крышку с помощью шатунных болтов и гаек. По конструкции нижние (кривошипные) головки шатунов отличаются большим разнообразием. Наиболее проста показанная на рис. 1, а плоскосимметричная конструкция. Стремление увеличить диаметр коренных шеек коленчатого вала при форсировании двигателей приводит к уменьшению толщины нижней головки в месте разъема. В связи с этим, а также для обеспечения возможности выемки шатуна через цилиндр широкое распространение получили шатуны с косым разъемом нижней головки (рис. 1, б), у которых стык по условиям прочности расположен под углом 42…50° к оси стержня шатуна. Для восприятия срезывающих сил в плоскости стыка применяют зубчатое (шлицевое) соединение с заданной плотностью прилегания.

В большинстве современных двигателей внутреннего сгорания применяют подшипники скольжения (рис. 2), выполненные в виде разрезных стальных вкладышей, залитых по поверхности, обращенной к шейке коленчатого вала, слоем антифрикционного материала (баббитом, свинцовистой бронзой, сплавом на основе алюминия, кадмия и др.).

В автомобильных и тракторных двигателях применяют тонкостенные вкладыши, устанавливаемые с натягом в расточку нижней головки шатуна (в случае коренных подшипников коленчатого вала — в расточку коренных опор). От осевого смещения и проворачивания под действием сил трения вкладыши удерживаются усиками, входящими в пазы.

В многорядных и звездообразных двигателях применяют шатуны прицепного типа (рис. 3). В этом случае к главному шатуну шарнирно с помощью проушин и пальцев присоединяют соответствующее число (в зависимости от числа рядов цилиндров двигателя) прицепных шатунов. Шатун прицепного типа проще главного по конструкции. Смещение относительно шатунной шейки вала оси сочленения главного и прицепного шатунов делает кинематику поршней боковых цилиндров несколько отличной от кинематики поршня главного цилиндра (обычно в этом случае требуется обеспечение равенства степеней сжатия по всем цилиндрам).

Наибольшим разнообразием отличаются шатуны V-образных двигателей. Компактность двигателя по длине при обеспечении рациональных размеров вдоль образующей подшипников коленчатого вала обеспечивается применением конструкции с шатуном прицепного типа. На рис. 4 показан вариант соединения нижней крышки с кривошипной головкой главного шатуна шпильками-штифтами, работающими на срез. В головку шатуна прицепного типа вставлена втулка, образующая вместе с закрепленным в главном шатуне пальцем подшипник скольжения. Иногда для повышения несущей способности подшипника шатуна осуществляют жесткое соединение шатуна прицепного типа с пальцем, обеспечивая подвижность последнего в проушинах кривошипной головки главного шатуна.

Идентичность кинематики поршней обоих рядов цилиндров V-образного двигателя обеспечивается применением центрально-сочлененных шатунов. Недостатком такой конструкции является относительно низкая жесткость кривошипных головок. Раздвоенная головка вильчатого шатуна сложна по форме, а ее элементы подвержены повышенным изгибным нагрузкам. Вильчатые шатуны отличаются расположением полок стержня по отношению к головкам.

В отличие от тронковых двигателей шатуны крейцкопфных двигателей имеют разъемные верхнюю (крейцкопфную) и нижнюю, называемую в судовых дизелях мотылевой, головки.

На рис. 5 представлена конструкция шатуна и крейцкопфа с двусторонним и односторонним ползунами. Верхняя головка шатуна имеет вильчатую форму и соединена через поперечину с ползуном, опоры которого (башмаки), покрытые слоем баббита, перемещаются по специальным направляющим. Смазывание ползунов осуществляется через поперечины. Ползуны и поперечины изготовляют из стали, при этом на поперечины идет более качественная, легированная сталь.

Читайте также:  Как отмыть хрустальную вазу от белого налета

Стержни шатунов крейцкопфных двигателей стальные, точеные, круглого сечения. Для регулирования степени сжатия двигателя между стержнем шатуна и его отъемной нижней (мотылевой) головкой ставят прокладки.

Для соединения разъемных головок шатунов всех типов в подавляющем большинстве случаев применяют шатунные болты.

Сила предварительной затяжки болтов должна обеспечить плотность стыка при длительной работе соединения. Шатунные болты изготовляют из высококачественных сталей и тщательно обрабатывают.

Коленчатый вал является наиболее напряженной деталью, трудоемкой в изготовлении. При работе вал нагружается переменными силами и моментами, подвержен крутильным, изгибным и продольным колебаниям, которые при неблагоприятных условиях (резонансные и близкие к ним режимы работы) могут существенно увеличить напряжения в вале от основных газовых и инерционных усилий. Шейки вала под действием трения подвержены износу. Поэтому коленчатый вал должен обладать высокой прочностью, жесткостью и износостойкостью.

Основным элементом коленчатого вала является колено, состоящее из коренной, шатунной шеек и щек. Последние могут быть выполнены как одно целое с противовесами для уравновешивания моментов, центробежных и инерционных сил; часто противовесы выполняют отдельно и крепят к щекам болтами. Современные двигатели имеют, как правило, полноопорные коленчатые валы. Число и взаимное расположение колен зависят от числа цилиндров, их расположения и тактности двигателя.

При этом важны равномерность вспышек по цилиндрам двигателя, а также уравновешенность сил и моментов инерции. Так, вал V-образного восьмицилиндрового четырехтактного автомобильного дизеля (рис. 6) имеет крестообразную форму, что при угле развала цилиндров 90° обеспечивает равномерное чередование вспышек.

На переднем конце вала располагают шкив привода вентилятора и генератора, зубчатое колесо привода масляного насоса, масляный отражатель. Часто на переднем конце вала, совершающем наибольшие по амплитуде отклонения при крутильных колебаниях, устанавливают специальные гасители колебаний. Они поглощают энергию колебаний, подводимую к валу двигателя извне, благодаря трению между элементами гасителя и тем самым уменьшают амплитуду колебаний. На рис. 7 показаны различные конструкции гасителей колебаний.

В настоящее время наиболее широко применяют гасители колебаний жидкостного трения, у которых равномерно вращающийся при работе двигателя маховик помещен в герметичный корпус, заполненный кремнийорганической жидкостью (силиконом). При колебаниях стенки корпуса перемещаются относительно равномерно вращающегося маховика, вовлекая в движение слои силикона и совершая работу трения.

Уменьшить опасность крутильных колебаний можно также созданием инерционных реактивных моментов в определенном сечении вала. Для этого в соответствующем месте устанавливают гасители колебаний маятникового или упругомассового типа.

Передний конец коленчатого вала уплотняют резиновым сальником, располагая его в специальной крышке. Уплотнение заднего конца коленчатого вала осуществляется также с помощью маслоотражателя и сальника; иногда применяют маслосгонную резьбу по направлению, обратному вращению вала. Вал вращается в коренных подшипниках, состоящих из двух тонкостенных стальных разрезных вкладышей, залитых, как и шатунные вкладыши, антифрикционным сплавом. Вкладыши устанавливают в расточках картера и в специальных подвесках, соединенных с картером шпильками. От осевых перемещений, возникающих вследствие применения косозубых шестерен, усилий в сцеплении и т. д. вал удерживается кольцами вкладыша, поверхность которых, обращенная к опорному поясу щеки коленчатого вала, покрыта антифрикционным сплавом.

Место положения упорного подшипника по длине вала может быть различным и зависит от компоновки двигателя. Подшипники вала смазываются под давлением; при этом смазочный материал подводится к коренным опорам, а затем по масляным полостям в коленах подается на шатунные шейки. Специальные грязезащитные полости в шейках коленчатого вала служат для улавливания частиц металла, нагара и других механических примесей и тем самым улучшают условия работы подшипников.

В тепловозных и среднеоборотных судовых двигателях применяются также цельные коленчатые валы. В крупных малооборотных судовых дизелях вследствие чрезвычайно больших габаритов и массы применяют составные коленчатые валы, состоящие из отдельных шеек, и отлитых из стали щек, соединенных между собой запрессовкой с натягом.

Иногда шатунную шейку и щеки отливают как одно целое, и вал в этом случае называют полусоставным.

Коленчатые валы изготовляют ковкой и штамповкой из стали, а также литьем из специального высокопрочного чугуна. При получении литых валов существенно сокращаются затраты на механическую обработку при обеспечении рациональных геометрических форм элементов вала, но литые валы уступают по прочности штампованным.

WordPress › Ошибка

На сайте возникли временные проблемы технического характера.