Расчёт коленчатого вала на выносливость

Расчёт коленчатого вала на выносливость

Особенности конструкции

 

Коленчатый вал двигателя 6 ДКРН 60/202 составной, один фланец отбора мощности. Коленчатый вал собирается из кривошипов в цельную конструкцию горячим прессовым соединением рамовых шеек со щекой. Заклинка кривошипа имеет угол 60°. Смазка рамовых и шатунных подшипников осуществляется независимо друг от друга.

Коленчатый вал сделан из стали 40ХН с обкаткой шеек роликами для увеличения долговечности, коэффициент усиления =1,3. Характеристики стали 40ХН: предел прочности при растяжении, ; предел тякучести, ; предел выносливости при изгибе, ; предел выносливости при кручении, .

 

Условие нагружение и расчёта коленчатого вала

 

Коленчатый вал во время работы двигателя подвергается изгибу в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, от радиальной и тангенциальной сил, . Характер изменения этих сил, в функции угла поворота коленчатого вала, показанной на рисунках 1 и 2.

Шейки коленчатого вала дополнительно скручиваются от набегающих тангенциальных сил. Расчёт этих сил, осуществляется с учётом начальных фаз всех колен. Анализ тангенциальных моментов показывает, что не все шейки нагружены одинаково. Расчёту подвергаются только наиболее нагруженные шейки.

Коленчатый вал испытывает напряжение от крутильных, осевых и изгибных колебаний, степень опасности их зависит от близости к резонансу. Учитывать эти напряжения можно только после установления резонансных частот вращения.

Рисунок 1 - Эскиз полуостовного колена двигателя 6 ДКРН 60/202.

 

Рисунок 2 - Диаграмма радиальной силы.

 

Рисунок 3 - Диаграмма тангенциальной силы.

 

Рассмотренные нагрузки периодически меняются, в результате чего в материале вала возникают переменные напряжения. Под действием переменных напряжений в материале вала зарождаются и развиваются усталостные трещины.

Механизм усталостного разрушения коленчатого вала весьма сложен и зависит от множества факторов. По этой причине расчет принято сводить к определению коэффициента запаса прочности на выносливость, с помощью которого косвенно судят о ресурсе.

Расчетная модель, принятая в данной работе, идеализирует коленчатый вал в виде разрезной балки. В этой модели рамная конструкция (Рисунок 3) покоится на жестких точечных опорах. В качестве внешних нагрузок рассматриваются силы z и t, приложенные в середине шатунной шейки, а также моменты, скручивающие рамовые шейки.

 

Рисунок 4 - Расчётная схема коленчатого вала.

Расчёт коленчатого вала на выносливость

Вывод

 

В результате расчёта выявлены самые нагруженные рамовые шейки: пятая и шестая. Для них подсчитаны коэффициенты запаса прочности с учётом дополнительных напряжений от крутильных колебаний, удовлетворяющие требованиям работоспособности деталей коренных шеек ( и шатунных шеек

 

 

Детали шатунной группы

Условия нагружение

При работе дизеля детали шатунной группы совершают качательное движение и подвергаются действию нагрузок, основными из которых являются силы давления газов и инерции движущихся масс. Результирующей указанных сил будет сила, действующая по оси шатуна. Так как проектируемый нами двигатель является двухтактным, то нагрузка на шатун – знакопостоянная.

 

Рисунок 9. Сила, действующая по оси шатуна.

 

 

Расчёт стержня шатуна

 

В двухтактных двигателях характер нагружение шатуна определяется знаком силы действующей по оси шатуна. Если знак положительный, то сила сжимающая, если знак отрицательный, то растягивающая. В данном случае и , больше нуля, следовательно стержень рассчитывается на сжатие.

Стержень шатуна имеет круглое сечение. Основные размеры круга в среднем сечении стержня: , . Геометрические характеристики сечения

 

Из чертежа (Рисунок 8) шатунной группы двигателя 6ДКРН60/202 имеем:

Определим напряжения сжатия в среднем сечении стержня:

- в плоскости качения шатуна

где - модуль упругости,

 

- в плоскости перпендикулярной к плоскости качения

Характер изменения напряжения в стержне шатуна знакопостоянный. Для данного цикла амплитудное и среднее напряжения в плоскости качения шатуна

Соответствующие значения напряжений для плоскости, перпендикулярной плоскости качения шатуна

Для рассматриваемого цикла коэффициенты запаса прочности вычисляем по пределу выносливости. Коэффициент запаса прочности:

- в плоскости качения шатуна

где - масштабный фактор, для заданных размеров верхней головки

- в плоскости, перпендикулярной плоскости качения шатуна

 

 

Расчёт шатунных шпилек.

Шатунные шпильки относятся к наиболее ответственным деталям шатунной группы. Разрыв шпильки приводит, как правило, к аварии двигателя со всеми вытекающими отсюда последствиями:

-недостаточное усилие предварительной затяжки, что вызывает раскрытие стыка и образование

-наклёпа на контактируемых поверхностях;

-перетяжка шпилек, превышающая предел текучести материала последующим ослаблением затяжки;

-чрезмерные динамические нагрузки, которые обусловливают усталостные трещины.

 

 

Вывод

В данном разделе был выполнен расчёт прочности шатуна. Коэффициент запаса прочности для наружной поверхности верхней головки шатуна – 4,64, для внутренней поверхности верхней головки – 30,6.

Коэффициент запаса прочности для сечения стержня шатуна в плоскости качания шатуна – 2,12, в плоскости перпендикулярной плоскости качания – 3,26.

Расчёт кривошипной головки шатуна показал запас прочности на выносливость равный 4,07.

На разрабатываемом шатуне на верхней головки стоят 4 шпильки М45×3 c запасом прочности – 2,39, и на нижней головки шатуна стоят две шпильки с запасом прочности -4,8.

Список используемой литературы

 

 

1. Румб В.К., Медведев В.В. Прочность судового оборудования Часть 1. Конструирование и расчёты на прочности судовых двигателей внутреннего сгорания. - СПб.: СПбГМТУ, 2006. – 534 с.

 

 

 

 

Расчёт коленчатого вала на выносливость

Особенности конструкции

 

Коленчатый вал двигателя 6 ДКРН 60/202 составной, один фланец отбора мощности. Коленчатый вал собирается из кривошипов в цельную конструкцию горячим прессовым соединением рамовых шеек со щекой. Заклинка кривошипа имеет угол 60°. Смазка рамовых и шатунных подшипников осуществляется независимо друг от друга.

Коленчатый вал сделан из стали 40ХН с обкаткой шеек роликами для увеличения долговечности, коэффициент усиления =1,3. Характеристики стали 40ХН: предел прочности при растяжении, ; предел тякучести, ; предел выносливости при изгибе, ; предел выносливости при кручении, .