Конструкция и прочностной расчет коленчатого вала

Коленчатый вал - наиболее сложная в конструктивном отношении и наиболее напряженная деталь двигателя, воспринимающая периодические нагрузки от сил давления газов, сил инерции и их моментов. Действие этих сил и моментов приводит к возникновению в материале коленчатого вала значительных напряжений скручивания, изгиба и растяжения — сжатия. Кроме того, периодически изменяющиеся моменты вызывают крутильные колебания вала, которые создают дополнительные напряжения кручения.

Таким образом, из-за исключительно сложных и тяжелых условий работы коленчатого вала предъявляются высокие и разнообразные требования к механическим свойствам материалов, применяемых для их изготовления. Материал коленчатого вала должен обладать высокой прочностью и вязкостью, большой сопротивляемостью износу и усталостным напряжениям, сопротивлением действию ударных нагрузок и твердостью.

Используют различные приближенные методы расчета на прочность, позволяющие получить условные напряжения и запасы прочности в отдельных элементах коленчатого вала. Общепринятой расчетной схемой коленчатого вала является схема разрезной двухопорной балки с одним (рис. 3,) или двумя пролетами между опорами.

Коленчатый вал обычно рассчитывают для номинального режима (n=nN) с учетом одновременного действия следующих сил и моментов:

1) КPK=К+КR=К+КRш+КRк - силы, действующие на колено вала по кривошипу, без учета противовесов, где К - суммарная сила, направленная по радиусу кривошипа; КR - центробежная сила инерции вращающихся масс; КRш - сила инерции вращающихся масс шатуна; КRк - сила инерции вращающихся масс кривошипа;

2) ZΣ=КPK+2РПР - суммарной силы, действующей в плоскости кривошипа, где РПР - центробежная сила инерции противовеса, расположенного на продолжении щеки;

3) Т — тангенциальной силы, действующей перпендикулярно плоскости кривошипа;

4) Z/Σ=К/PK+2Р/ПР - реакции опоры от суммарных сил, действующих в плоскости кривошипа, где К/PK = - 0,5 КPK и Р/ПР = - РПР;

5) Т/ = -0,5Т— реакции опоры от тангенциальной силы, действующей в плоскости, перпендикулярной кривошипу;

6) МКШi - набегающего крутящего момента, передаваемого расчетному колену со стороны передней части вала;

7) МКР.Ц = TR - крутящего момента, создаваемого тангенциальной силой;

8) МКШ(i+1) = МКШi + МКР.Ц - сбегающего крутящего момента, передаваемого расчетным коленом следующему колену.

Коренные шейки рассчитываются только на кручение.

Шатунные шейки рассчитываются на кручение и изгиб.

Щеки коленчатого вала воспринимают сложные переменные напряжения: касательные от кручения и нормальные от изгиба и растяжения-сжатия. Наибольшие напряжения возникают в местах перехода шейки в щеку в галтелях.