Коленчатый вал Советский патент 1991 года по МПК F16C3/06 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению.

Целью изобретения является повышение надежности путем снижения напряжений в галтелях коленчатого вала.

На фиг. 1 изображено устройство, общий вид; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - схема для расчета параметров расположения лысок на шейках и щеках коленчатого вала.

Коленчатый вал содержит коренные 1 и шатунные 2 с перекрытием шейки и щеки 3, сопряженные между собой галтелями 4, а

также выполненные на шейках лыски 5 с цилиндрической поверхностью, расположенные перпендикулярно плоскости 6 (фиг. 3) кривошипа. Параллельно образующим лысок 5 на щеках 3 выполнены дополнительные лыски 7 с цилиндрической поверхностью. Каждая лыска 5 на шейке соединена с лыской 7 на щеке плоскостью 8, касательной к их цилиндрическим поверхностям и расположенной под углом а к щеке 3:

А+ 2 гр

a arct9T+2lo

где Д- величина перекрытия шеек; t - толщина щеки 3; Го - радиус галтели 4.

(

О 00

ю о

Глубина hi (hi ) лыски на коренной (ша тунной) шейке равна 0,04...0,12 диаметра d (d) коренной (шатунной) шейки.

Ось 9 лыски 5 на коренной (шатунной) шейке лежит на расстоянии И (Н ) or щеки 3:

поверхностям и расположенной под углом о. к щеке

А + 2 г0 а arctg r+j- .

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению. Цель изобретения - повышение надежности (сопротивления усталости) коленчатых валов, например, двигателей внутреннего сгорания за счет снижения напряжений в местах сопряжения коренных 1 и шатунных 2 шеек со щеками 3 (в галтелях 4). На коренных и шатунных шейках и щеках выполнены лыски 5 и 7 с цилиндрической поверхностью, расположенные перпендикулярно плоскости кривошипа. Каждая лыска на шейке соединена с лыской на щеке плоскостью 8, касательной к их цилиндрическим поверхностям. Плоскость 8 расположена под углом α к щеке: α = ARCTG ( Δ+2R₀) / T + 2R₀, где 98Д - величина перекрытия шеек

T - толщина щеки

R₀ - радиус галтели. Глубина лыски на коренной (шатунной) шейке равна 0,04...0,12 диаметра коренной (шатунной) шейки, глубина лыски 7 на щеке - 0,12...0,36 толщины щеки. На щеке края продольного сечения дна лыски 7 выполнены дугообразными, выпуклыми в сторону щеки, радиусом, меньшим половины длины шейки. Длина лыски на щеке равна 0,3...0,8 ширины щеки. 3 табл. 4 ил.

И г„ +(п

г0 ) cos a +

+ hi - ( м - г0 ) ( 1 - sin «) tg a .

И г0 +(п -r0)cosa-f + hi - ( п - г0 ) ( 1 - sin а ) tg a ,

где п и п - радиусы лысок на коренной и шатунной шейках;

hi и hi - глубины лыСок на коренной и шатунной шейках.

Глубина hi2 лыски 7 на щеке 3 равна 0,12...0,36 толщины t щеки 3, а ось 10 лыски на щеке лежит на расстоянии h от шейки:

2 П2 - ( П2 - го ) ( 1 - cos а.) } sin 2 а

+ r0(1 - sin а),

+

где Г2 - радиус лыски на щеке;

hi2 - глубина лыски на щеке.

На щеке 3 края 11 продольного сечения дна лыски 7 выполнены дугообразными, выпуклыми в сторону щеки, радиусом R, меньшим половины длины шейки. Длина L лыски 7 на щеке равна 0.3...0,8 ширины b щеки.

Радиусы м , п и Г2 цилиндрических поверхностей лысок выполнены не меньшими, чем радиус г0 галтели 4,,

, -При работе коленчатого вала, например в двигателе внутреннего сгорания, он изгибается под действием рабочих нагрузок в плоскости 6 кривошипа. Наиболее нагруженными (опасными) сечениями вала являются сечения высотой V. Лыски 7 на щеках уменьшают жесткость вала в средней части вблизи плоскости 6 кривошипа за счет увеличения длины f участка вала с высотой V, где в основном сосредотачивается деформация при изгибе. Жесткость участка длиной f приближается к жесткости краев 12 щеки 3. При этом края 12 воспринимают большую, чем в прототипе, часть нагрузки н.з вал, разгружая середину. Это выравнивает распределение напряжений по ширине b щеки и снижает их максимальные значения в опасных сечениях (в сечениях с высотой V на участке длиной f в средней части вала).

Выполнение каждой лыски 5 на шейке, соединенной с лыской 7 на щеке плоскостью 8, касательной к их цилиндрическим

где Д- величина перекрытия шеек;

t -- толщина щеки 3;

г0 радиус галтели 4. при параметрах И ,

h и 12 расположения осей лысок на шейках

и щеках, определенных согласно формулам:

11 г0 + ( п - г0 ) cos « + + hi -(г,1 -г0)( 1 -slna)tga.

М г0 +(п -r0)cos« + + гм -(п -г0)(1 -slna)tga.

i - JJ12 (Г2 r°) ( 1 -coscr) 12

t- r0 (1 - sin a),

5

0

5

0

5

0

5

где п и п - радиусы лысок на коренной и шатунной шейках;

hi и hi - глубины лысок на коренной и шатунной шейках;

Г2 радиус лыски на щеке;

П2 - глубина лыски на щеке, обеспечивает в наибольшей степени снижение жесткости в средней части вала при том условии, что высота V опасного сечения выполнена максимально возможной, равной расстоянию между галтелями по обеим сторонам щеки, т.е. выполнение лысок 5 и 7 согласно изобретению не уменьшает в отличие от прототипа высоты V опасного сечения. Это повышает момент сопротивления сечения при изгибе и снижает напряжения.

Увеличение момента сопротивления сечений в средней части вала покажем на примере образцов двигателя Д-240. Высота опасного сечения прототипа при выполнении лысок на шейке радиусом п п 4 мм и глубиной hi hi 4 мм равна Vnp 26,2 мм. Высота опасного сечения по изобретению Уиз 29,12 мм. Коэффициент увеличения момента сопротивления

k (Упр/Уиз)2 (29,12/26,2)2 1,23. т.е. момент сопротивления опасного сечения изобретения увеличивается на 23%.

Выполнение на щеке краев 12 продольного сечения дна лыски дугообразными, выпуклыми в сторону щеки, радиусом R, меньшим половины длины шейки, учитывает наиболее технологичный способ выполнения лыски фрезерованием, контур 13 фрезы показам на фиг. 1. Наибольший диаметр фрезы ограничен расстоянием между соседними щеками, т.е. длиной шейки.

Выполнение лысок с радиусами ri, п, Г2 цилиндрических поверхностей не меньшими, чем радиус г0 галтелей 4, необходимо, чтобы лыски не оказались концентраторами более значительными, чем галтели.

Приведенные формулы для определения параметров расположения лысок на шейках и щеках (а. И, (2) получены согласно расчетной схеме (фиг. 4).

Параметры лысок (hi1, hi, h2, L) подобраны экспериментально по результатам испытания образцов, выполненных на базе коленчатых валов двигателя Д-240 на сопротивление усталости при циклическом изгибе в плоскости кривошипа. Цикл нагружения симметричный, база испытаний 10 циклов. Испытания проводились на стендах конструкции ИНДМАШ АН БССР.

Результаты испытаний представлены в табл. 1-3. Сопротивление усталости коленчатых валов характеризуется величиной предельного изгибающего момента при циклическом изгибе. Предельный изгибающий момент - это максимальная нагрузка, которую вал выдерживает без разрушения.

Принятые обозначения соответствуют приведенным на фиг. 1-3. Радиусы лысок (п . П . Q) при испытаниях приняты равными радиусу галтелей серийного вала Д-240 и составили 4 мм,

Диаметры коренных шеек образцов d 75 мм, шатунных d 68 мм, толщина щек t 25 мм, ширина щеки b 110 мм.

Предельный изгибающий момент для серийного вала двигателя Д-240 равен 1600 Нм.

Из таблиц 1-3 видно, что оптимальными являютс : глубина лысок на шейках 0,04...0,12 диаметра соответствующей шейки; глубина лысок на щеках 0,12...0,36 толщины щеки; длина лысок на щеках 0,3...0,8 ширины щеки. При этом предел выносливости предложенного коленчатого вала возрастает по сравнению с серийным валом двигателя Д-240 и прототипом на 19...25%, следовательно, возрастает и надежность.

Формула изобретения

Коленчатый вал, содержащий коренные шейки, расположенные с перекрытием относительно последних шатунные шейки и щеки, сопряженные между собой галтелями, на шейках выполнены лыски с цилиндрической поверхностью, расположенные

перпендикулярно плоскости кривошипа, о т- личающийся тем, что, с целью повышения надежности путем снижения напряжений в галтелях, на щеках параллельно образующим указанных лысок выполнены

дополнительные лыски с цилиндрической поверхностью, каждая лыска на шейке соединена с лыской на щеке участком поверхности, лежащим в плоскости, касательной к цилиндрическим поверхностям лысок и расположенной под углом а к щеке, равным

а arctg (Д + 2 г0 )/(t + 2 г0 ),

где Д- величина перекрытия шеек;

t - толщина щеки;

г0 - радиус галтети.

глубина лыски на шатунной шейке равна 0,04-0,12 диаметра шатунной шейки, а ось лыски на шатунной шейке расположена на

расстоянии h от щеки, равном

И г0 + ( п - г0 ) cos a + + hi - ( п - г0 ) ( 1 - sin а ) tg a,

где ri - радиус лыски на шатунной шейке;

hi -- глубина лыски на шатунной шейке, глубина лыски на щеке равна 0,12-0,36 толщины щеки, при этом ось лыски на щеке расположена на расстоянии 2 от шейки,

равном

«2

{ 2 h2 - (г2 - г0 ) (1 - cos a) /sln 2 + r0(1 - sin а).

где Г2 - радиус лыски на щеке;

h2 - глубина лыски на щеке, причем края лыски на щеке в продольном сечении выполнены выпуклыми в сторону щеки и скругленными с радиусом, меньшим . половины длины шейки, длина лыски на щеке равна 0.3-0,8 ширины щеки, а радиус цилиндрической поверхности лысок не

меньше радиуса галтели.

Предельный изгибающий момент, Нм, для коленчатого вала - прототипа . при различных глубинах hi и hi лысок на шейках

Таблица 2 Предельный изгибающий момент, Нм, для коленчатого вала по изобретению при различ.1 wJI

ных глубинах hi, hr и hz лысок на шейках и щеках и постоянной длине L лысок на щеках

Таблица 3

Предельный игзгибающий момент, Нм, для коленчатого вала по изобретению при различной длине L лысок на щеках и постоянных глубинах hi1, hi, ha лысок на шейках и щеках

2 4

Таблица 1

V

//

ггцр

иI Мф

0289991

Фиг