Розрахунок колінчастого валу двигуна

Колінчатий вал – найбільш складна конструктивно і найбільш навантажена деталь двигуна, яка сприймає періодичні навантаження від сил тиску газів, сил інерції і їх моментів. Дія цих сил і моментів спричинює виникнення значних напружень кручення, згину і розтягу-стиску; знакозмінні моменти викликають обертові коливання вала, які підсилюють напруження кручення.

Матеріал колінчатого валу повинен мати наступні властивості: високу міцність і в’язкість, великий опір зносу і напруженням втоми, опір дії ударним навантаженням і твердість. Ці властивості притаманні термічно обробленим вуглецевим і легованим сталям, а також високоякісним чавунам.

Колінчаті вали вітчизняних автомобільних і тракторних двигунів виготовляють із сталей 40, 45, 45Г2, 50Г, спеціального чавуну, а форсованих двигунів – із високолегованих сталей 18ХНВА, 18ХНМА, 40ХНМА та ін. Після кування колінчаті вали зазнають термічної обробки: відпалу або нормалізації. Другу термічну обробку, а саме – гартування та відпуск, виконують після механічної обробки. Поряд із кованими застосовують литі колінчаті вали, які виготовляють із чавуну, вуглецевої та легованої сталі.

Складна форма колінчатого вала, різноманіття сил і моментів, що діють на нього, характер зміни яких залежить від твердості вала і його опор, а також низка інших чинників не дозволяють точно розрахувати колінчатий вал на міцність. Тому використовують різні наближені методи розрахунку, які дозволяють отримати умовні напруження і запаси міцності окремих елементів колінчатого валу.

Загальноприйнятою схемою колінчатого валу є схема розрізної двохопорної балки з одним (рис. 5.1, а) чи двома (рис. 5.1, б і в) прогонами між опорами.

Під час розрахунку колінчатого вала вважають, що:

а) коліно (одне чи два) вільно лежить на опорах;

б) опори і точки прикладання сил проходять через середні площини шийок;

в) весь прогін (один чи два) між опорами є абсолютно жорсткою балкою.

Розрахунок колінчатого вала зазвичай здійснюють для номінального режиму (n=n_N) з врахуванням одночасної дії наступних сил і моментів (рис.5.1,б):

1) – сили, яка діє вздовж коліна, без врахування противаг, де (див. § 27-29 [11]):

Рис. 5.1. Розрахункові схеми колінчатого валу:

а – з одним прогоном; б, в – з двома прогонами

– сумарна сила, що направлена вздовж коліна; – доцентрова сила інерції мас, що обертаються; – сила інерції мас хитня, що обертаються; – сила інерції мас коліна, що обертаються;

2) – сумарної сили, яка діє в площині коліна, де – доцентрова сила інерції противаги, що знаходиться на продовженні щоки;

3) F_Т – тангенціальної сили, яка діє перпендикулярно площині коліна [1];

4) – реакції опори від сумарних сил, що діють в площині коліна, де і ;

5) – реакції опори від тангенціальної сили, що діє в площині, перпендикулярній до коліна;

6) T_оші – набігаючого обертового моменту, який передається розрахунковому коліну з боку передньої частини валу;

7) – обертового моменту, що створюється тангенціальною силою;

8) T_ош(і+1)= T_оші + T_ц – збігаючого обертового моменту, що передається розрахунковим коліном наступному коліну.

Основні конструктивні співвідношення елементів колінчатого валу, необхідні для розрахунку, наведені в табл. 5.1.

Таблиця 5.1