Silniki spal.-wykł3.doc

61. Metodyka obliczania korbowodu tłokowego silnika spalinowego:

              Korbowód jest łącznikiem przenoszącym siłę wywieraną na tłok przez ciśnienie gazów ze sworznia tłokowego na wał korbowy. Poza tym korbowód przenosi siły wynikające z bezwładności elementów układu korbowego. Poszczególne elementy korbowodu pracują przy wysokich zmiennych naprężeniach, mogących doprowadzić do zmęczenia materiału. Właściwe określenie naprężeń przeprowadza się doświadczalnie na wykonanym już korbowodzie, stosując do togo celu pomiary tensometryczne. Jak wykazały pomiary tensometryczne uraz badania przy użyciu kruchych powłok największe naprężenia powstają w następujących fragmentach korbowodu:

- główka korbowodu w punkcie styczności się łuku łączącego główkę z trzonem korbowodu,

- trzon korbowodu w miejscu najmniejszego przekroju,

- przejście trzona w stopę korbowodu,

- środkowy przekrój pokrywy korbowodu.

Poza tym, niebezpiecznymi przekrojami są miejsca wycięć w stopie i po­krywie korbowodu na łby lub nakrętki śrub korbowodowych. Występują tu co prawda mniejsze naprężenia, ale znacznie większy współczynnik działania karbu.

Po doświadczalnym znalezieniu naprężeń maksymalnych i minimalnych, występujących w zakresie pracy silnika, przeprowadza się obliczenia zmęczeniowe. Ze względu na duże rozrzuty wymiarów korbowodów, wykonywanych jako odkuwki, rzeczywisty współczynnik bezpieczeństwa nie powinien być mniejszy od 1,5. W celu należytego wykorzystania materiału korbowodu, należy dążyć do możliwie jak najbardziej równomiernego rzeczywistego współczynnika bezpieczeństwa we wszyst­kich przekrojach korbowodu.

Przy obliczeniach zmęczeniowych główki korbowodu, poza naprężeniami znalezionymi za pomocą tensometrowania, należy uwzględnić także naprężenia wywołane wciskiem tulejki korbowodu. Zacisk tulejki w główce określa się, przyj­mując maksymalny wcisk, odpowiadający zastosowanemu pasowaniu między zew­nętrzną  średnicą tulejki a średnicą otworu w główce. Przybliżone obliczenia korbowodu przeprowadza się dla określenia jego wymiarów przy pierwszym projektowaniu. W obliczeniach tych przyjmuje się cały szereg założeń upraszczających oraz nie uwzględnia się zagadnień zmęczenia materiału. Z tego powodu obliczone i dopuszczalne naprężenia są bardzo dalekie od rzeczywiście występujących i należy je traktować jedynie jako współczynniki ułatwiające do­branie odpowiednich kształtów.

Przybliżony charakter obliczonych naprężeń najlepiej widać z tego, że pomimo iż dążymy do wyrównania naprężeń we wszystkich punktach korbowodu, to dopuszczalne naprężenia w każdej części korbowodu przyjmujemy różne. Wynika to z tego, że w obliczeniach zmuszeni jesteśmy stosować uproszczenia, różne dla każdej części korbowodu.

Obliczenia główki korbowodu przeprowadza się przyjmując, że jest ona obciążona siłą bezwładności Pts masy tłoka kompletnego z pierścieniami i sworz­niem.

Pts = mts* R*wr2 (1 +l)

gdzie: mts masa kompletnego tłoka z pierścieniami i sworzniem.

Naprężenia w główce oblicza się ze wzoru LAME, a mianowicie:

Wobec występowania we łbie korbowodu nie uwzględnionych naprężeń gnących, przejmuje się stosunkowo niewielkie naprężenia dopuszczalne:

Główkę korbowodu sprawdza się także na sztywność, która charaktery­zuje zmniejszenie d poprzecznej średnicy pod działaniem siły Pts. Wartość d  nie może przekraczać połowy luzu minimalnego między tulejką korbowodu a sworzniem tłokowym. Wielkość d  określa się z półempirycznego wzoru:

gdzie: j-połowa kąta główki nie podpartej przez trzon,

E - moduł sprężystości materiału główki,

- moment bezwładności poprzecznego przekroju ścianki główki. Obliczenia trzona korbowodu ze względu na jego małą smukłość, przeprowadza się tylko na ściskanie, ponieważ naprężenia ściskające zawsze znacznie przekraczają występujące w korbowodzie naprężenia rozciągające:

gdzie: s-naprężenia ściskające w najmniejszym przekroju trzonu,

Ps - maksymalna siła nacisku gazów,

At - pole najmniejszego przekroju poprzecznego trzonu.

Ze względu na występujące w korbowodach obciążenia okresowo zmienne, zarówno co do wiclkości jak i co do kierunku dopuszcza się naprężenia, niewiele przekraczające 0,25 Re stosowanego materiału, i tak:

-          dla stali węglowych 150 MPa

-         

dla stali stopowych 200 MPa.

Na rysunku widać, że korbowód powinien być sztywniejszy w sto­sunku do osi x-x, niż do osi y-y, gdyż w stosunku do osi x-x jest zamocowany przegubowo, a w stosunku do osi y-y zamocowanie jest zbliżone do stałego. W prak­tyce nie stwierdza się zjawiska wyboczenia korbowodów ze względu na ich małą smukłość. Pomimo to przyjęło się, że przeciętnie w korbowodzie, tak jak w pręcie podlegającym wyboczeniu, stosunek momentu bezwładności względem osi x-x do momentu względem osi y-y powinien wynosić ok. 4. Przepis ten nie jest jednak ściśle przestrzegany. Choć zawsze moment bezwładności względem osi x-x jest większy, to wyżej omówiony stosunek dla szybkoobrotowych silników przekracza nawet 10, a w wolnoobrotowych silnikach wysokoprężnych zbliża się do 1. Obliczanie pokrywy korbowodu przeprowadza się w identyczny sposób, jak podano w rozdziale 15 przy obliczaniu pokrywy łożysku głównego. Do wzorów zamiast siły Sg, obciążającej łożysko główne, wstawia się siłą Sk obciążającą pokrywę korbo­wodu, przy czym:

Podane w tym wzorze wartości omówiono w rozdziale 10.

Dopuszczalne naprężenia zastępcze w pokrywie korbowodu wynoszą:

- dla stali węglowych 150 MPa,

- dla stali stopowych 200 MPa.

Obliczanie stopy korbowodu w części przytrzonowej przeprowadza się przy podob­nych założeniach, jak przy obliczaniu pokrywy. Jako siłę ściskającą przyjmuje się maksymalną siłę P nacisku gazów. Znajdujemy odpowiednie wartości sił:

oraz moment gnący w punkcie A:

Dalszy ciąg obliczeń przebiega tak, jak dla pokrywy łożyska głównego aż do znalezienia naprężenia zastępczego. Dopuszczalne naprężenia zastępcze dla stopy korbowodu przyjmuje się takie same, jak dla pokrywy korbowodu.

62. Metodyka obliczania korbowodu tłokowego silnika spalinowego:

Średnica i długość czopów korbowych musi być dostatecznie duża, by umożliwić przejęcie obciążeń bez przekroczenia dopuszczalnego nacisku jednostkowego i szyb­kości obwodowej w łożysku oraz zapewnić dostateczną sztywność wału. Średnica czopa jest poza tym ograniczona względami montażowymi, gdyż zawsze pożądana jest możliwość wyjmowania tłoka z korbowodem przez tuleję cylindra.

Dano z praktyki wykazują, że średnica czopa korbowego dk i jego długość lk powinny być w przybliżeniu równe wartościom podanym w tablicy.

Stosowanie w silnikach widlastych stosunkowo mniejszych średnic czo­pów korbowych spowodowane jest występowaniem w tych silnikach mniejszego stosunku S/D. W wyniku tego bezwzględne wielkości średnic czopów są duże, a poza tym występuje większe zachodzenie na siebie czopów korbowych i głównych, co daje zawsze sztywniejszy i bardziej wytrzymały wał. Średnice czopów korbowych wykonuje się zwykle w klasie 6 dokładności, a chropowatość powierzchni 0,16-0,32.

              Powiększona długość czopów korbowych w silnikach widlastych spowo­dowana jest umieszczeniem obok siebie dwóch korbowodów na jednym czopie. Ze względu na działanie karbu, przejście czopa korbowego w ramię korby wykonuje się z możliwie dużym promieniem. Wielkość tego promienia powinna wynosić około r = 0,06 dk i nie może w żadnym przypadku, nawet dla naj­mniejszych silników być mniejsza niż 1,5 mm. W celu ułatwienia obróbki czopów korbowych, powierzchnie boczne czopów odsadzone są od obrabianych ramion wału przynajmniej o odległość k = 0,5 mm, a od ramion nie obrabianych przynaj­mniej o k = 2 mm. Średnica odsadzenia, poza wyżej wymienionym promieniem przejścia z czopa korbowego, obejmuje jeszcze pierścień płaski o szerokości s=0,06 dk potrzebny dla bocznego ustalenia korbowodu. Odległość odsadzeń ustalających lk wykonuje się zwykle w tolerancji H10, a chropowatość ich powierzchni 1,25=2,5.

63. Omówić konstrukcję, technologię i materiały stosowane przy wytwarzaniu wałów korbowych:

Wał korbowy umożliwia zamianę ruchu posuwisto-zwrotnego tłoków i wahadło­wego korbowodów na ruch obrotowy koła zamachowego. Na wał korbowy działają siły gazowe, występujące w cylindrach silnika, a przez tłoki i korbowody przenoszone na czopy korbowe wału, oraz siły bezwład­ności, powstające wskutek obracania się wału i ruchów posuwisto-zwrotnych tło­ków i korbowodów. Siły te wywołują w wale naprężenia zginające i skręcające. Dokładne obli­czenie tych naprężeń w wale korbowym silnika samochodowego jest praktycznie niemożliwe. Często stosowane przy obliczeniach umowne przecinanie wału na posz­czególne wykorbienia daje zbyt uproszczony schemat obciążeń. Wyniki doświadczeń wykazują, że nieuwzględnienie oddziaływania sąsiednich wykorbień, luzów w ło­żyskach oraz niedokładności wykonania wału i kadłuba podważają całkowicie sens prowadzenia takich uproszczonych obliczeń. Z tych względów w niniejszym opra­cowaniu takie uproszczone obliczenia nie będą przeprowadzone. Zresztą wymiary prawidłowo zaprojektowanego waha są tak duże, że maksymalne naprężenia, obli­czone od sił gazowych i sił bezwładności, są niewielkie w stosunku do wytrzymałości materiału wału. Zdarzające się niekiedy wypadki pękania wałów są zawsze spowodowane zmęczeniem materiału, wywołanym drganiami, które wynikają z działania zmien­nych sil gazowych i sił bezwładności. W celu zabezpieczenia się przeciw tym pęk­nięciom, należy wykonać wał dostatecznie sztywny, według wskazówek podanych w następnych podrozdziałach, opartych na wieloletnim doświadczeniu w konstrukcji silników. Obliczenie naprężeń wywołanych drganiami wału wykracza poza ramy tej książki. W razie potrzeby należy oprzeć się na wyczerpujących opracowaniach specjalnych.

Czopy korbowe – patrz wyżej.

Czopy główne:

Wielkość czopów głównych wynika z uwzględnienia tych samych parametrów, co przy określaniu wymiarów czopów korbowych, to znaczy: nacisku jednostkowego, szybkości obwodowej i sztywności wału. Ze względu na to, że sztywność wału zależy przede wszystkim od wielkości średnicy czopów głównych, średnicę tę wykonuje się możliwie dużą. Ograniczeniem dla wielkości tej średnicy jest nie przekraczanie prędkości obwodowej 13 m/s dla silników o ZS i 17 m/s dla silników o zapłonie iskrowym. Dane z praktyki wskazują, że średnica czopa głównego dg i jego długości lg (łącznie z zaokrągleniami) powinny być w przybliżeniu równe wartościom podanych w tablicy:

Średnice czopów głównych wykonuje się podobnie jak korbowych to znaczy w klasie 6 dokładności, a chropowatość powierzchni 0,16¸0,32. W celu uzyskania wału o największej sztywności, czopy główne wykonuje się możliwie krótkie (niekiedy nawet poniżej 0,5 dg). Daje to dodatkowe pogrubienia ramion, co jest korzystne ze względu na wytrzymałość wału i równomierniejsze roz­łożeniu jego materiału. Jednak przy grubszych ramionach powstaje większe niewy­równoważenie poszczególnych wykorbień, prowadzące do konieczności stosowania większych przeciwciężarów. Należy zwrócić uwagę, że w silnikach widlastych skrócenie czopów głów­nych może dać skrócenie silnika, ponieważ w tym przypadku o długości silnika decy­duje długość układu korbowego, podczas gdy w silnikach rzędowych decyduje śred­nica cylindra. Cecha ta, związana z ustawieniem w silnikach widlastych dwu korbo­wodów obok siebie na jednym czopie, jest powodom, że silniki widlaste buduje się z zasady jako krótkoskokowe, gdyż pozwala to na uzyskanie najmniejszego gabarytu i ciężaru. W szybkoobrotowych czterosuwowych silnikach 4- i 6-cylindrowych naj­bardziej obciążone jest środkowe łożysko główne, gdyż oba sąsiadujące z nim wy­korbienia zwrócone są w jedną strony, co powoduje powstawanie dużych sił bezwład­ności. Z tego powodu środkowe łożysko, a więc i czop wału, wykonuje się niekiedy dłuższe od pozostałych. Jednakże wprowadzenie do silnika jednego łożyska dłuższego od pozostałych nie jest korzystne ze względu na powiększenie asortymentu elemen­tów łożyskowania. Toteż najczęściej wykonuje się wszystkie łożyska i czopy główne jednakowej długości. Odciążenie łożyska środkowego można uzyskać również w ten sposób, że nie odprowadza się od niego oleju do łożysk korbowodów. Dzięki temu na łożysku tym nie trzeba wykonywać rowków olejowych, a to powiększa jego powierzchnię nośną. Przejście czopa głównego w korbę wykonuje się z dużym promieniem. Najczęściej, ze względu na kształt tarczy szlifierskiej, wykonuje się promień taki sam jak dla czopów korbowych. Również odsadzenia między czopem a ramieniem korby wykonuje się podobnie jak dla czopów korbowych. Szerokość płaskiego pierś­cienia tych odsadzeń nie musi być jednak duża i wynosi okuło połowy wielkości stosowanej dla czopów korbowych. Wyjątek stanowi jedynie czop oporowy, który ze względu na przejmowanie sił poosiowych powstających przy wyciskaniu sprzęgła, musi mieć płaski pierścień o szerokości około 0,08 dg przy współpracy z łożyskiem oporowym z brązu ołowiowego i około 0,1 dg dla łożyska oporowego z białego me­talu. Jako czopa oporowego używa się najczęściej ostatniego czopa przy kole zamachowym. W niektórych silnikach czop oporowy umieszczony jest w środku silnika, a nawet bliżej jego przodu, co jest szczególnie celowe przy napędzie rozrządu łańcuchem, gdyż łańcuch źle pracuje przy dużych przekoszeniach, wywołanych rozszerzaniem się wału. Odległość między płaszczyznami odsadzeń na końcach czopów głównych wykonuje się zwykle w 12 klasie dokładności, a chropowatość ich powierzchni 1,25¸5. Jedynie dla czopa oporowego, ze względu na współpracę z łożyskiem opo­rowym, wymagania są znacznie podwyższone i wynoszą odpowiednio 8-9 klasa dokładności i chropowatość 0,63¸1,25. Liczba łożysk głównych wału korbowego jest sprawy bardzo istotną. Do niedawna stosowano przeważnie zasady, że w silnikach o zapłonie iskrowym wał podpiera się łożyskiem głównym co dwa cylindry, a w silnikach wysokoprężnych - co każdy cylinder. Obecnie, ze względu na coraz większe wysilenie silników i coraz wyższą prędkość obrotową, podpieranie wału co każdy cylinder stosuje się w wszystkich nowoczesnych silnikach. Wały podparte co każdy cylinder są droższe w wykonaniu ze względu na większą liczbę czopów oraz konieczność obrabiania większych powierzchni ramion. Dodatkowe łożyska obniżają także sprawność mechaniczną silnika, ale daje to nie­wielkie straty, gdyż na sprawność mechaniczną decydujący wpływ ma tarcie tło­ków w tulejach, a nie tarcie w łożyskach. Poza tym dla większej liczby czopów po­trzebna jest większa liczba panewek oraz bardziej skomplikowany kadłub, co do­datkowo podnosi koszty. Jednak przy tego rodzaju konstrukcji uzyskuje się tak znaczne odciążenia łożysk i równomierniejsze obciążenie kadłuba, a dzięki temu podwyższenie trwałości silnika, że konstrukcja ta jest całkowicie opłacalna.

Ramiona wałów korbowych:

              W wałach podpartych co każdy cylinder ramiona są przeważnie całkowicie obrobione               na powierzchniach prostopadłych od osi wału, gdyż przy gęsto umieszczonych ramionach korb nie ma możliwości wykonania dostatecznie dokładnej od­kuwki. Również i odkucie przeciwciężarów na takich ramionach jest utrudnione i dlatego w wałach tych przeciwciężary są najczęściej przymocowywane do ramion. Czasami obrabiane są także zewnętrzne powierzchnie ramion, którym na­daje się wtedy kształt kołowy lub złożony z łuków kół. W wałach korbowych podpieranych co drugi cylinder ramiona mają kształty bardziej skomplikowane. Dotyczy to przede wszystkim ramion łączących dwa sąsiednie czopy korbowe nie rozdzielone łożyskiem głównym. Grubość ramion wału korbowego, podpartego co każdy cylinder, wynosi ok. 0,25 D, a ich szerokcść około 1,2 D co zapewnia zwykle dostateczną sztywność wału i równomierne rozłożenie jego materiału. W celu zmniejszenia mas pozostających w ruchu obrotowym, ramiona na największym promieniu przy czopach korbowych możliwie mało wystają poza czop. Powoduje to zmniejszenie się lub nawet całkowite zniknięcie odsa­dzenia powierzchni oporowej prowadzącej korbowód, a pozostaje jedynie promień przejścia czopa w ramię. Poza tym druga strona ramienia jest zwykle ścięta pod kątem (stożkowo), co również zmniejsza jego masę na największym promieniu.

W celu dalszego zmniejszenia masy wału korbowego w ramionach korb oraz w czopach korbowych przewierca się duże otwory. Otwory te w czopach kor­bowych umieszcza się na możliwie dużym promieniu, przesuwając je na zewnątrz poza oś czopa. Ograniczeniem tego przesunięcia jest konieczność pozostawienia ścianki o grubości co najmniej 10 mm między otworem a średnicą zewnętrzną czopa. W razie konieczności otwory te można wykonać skośnie. Powyższe otwory odciążające, szczególnie gdy przebiegają w pobliżu średnicy zewnętrznej szopów korbowych, należy wiercić dopiero po powierzchnio­wym zahartowaniu czopów wału. Niespełnienie tego warunku spowoduje, że nie uzyska się jednorodnej twardości powierzchni czopa, ze względu na występujące na obwodzie czopa niejednakowe grubości ścianki. Podobne otwory o nieco większych średnicach wykonuje się niekiedy także w czopach głównych wału korbowego. Otwory te wykonane w osi czopów nie tylko zmniejszają ciężar wału korbowego, ale tak jak otwory w czopach korbowych pro­wadzą do bardziej równomiernego rozłożenia materiału wału i korzystniejszego układu naprężeń. Z tego względu wały o drążonych czopach mają zwiększoną wy­trzymałość zmęczeniową, szczególnie w miejscach bardziej narażonych na pęknięcia zmęczeniowe, to jest przy przejściu czopów w ramię.

Otwory olejowe – patrz niżej.

Przeciwciężary:

W silnikach samochodowych przeciwciężary stosuje się dla częściowego wyrówno­ważenia sił odśrodkowych, występujących od mas obrotowych układu korbowego. Mimo, że silniki stosowane w samochodach są zwykle wielocylindrowe i mają wały korbowe wyrównoważone jako całość, tylko w nielicznych przypadkach stosuje się wały bez przeciwciężarów. Jest tak dlatego, że nawet wał wyrównoważony jako całość ma niewyró wnoważenia między poszczególnymi łożyskami głównymi, co powoduje silne obciążenie łożysk. Szczególnie pożądane jest stosowanie przeciwciężarów w szybkoobroto­wych silnikach rzędowych 4- i 6-cylindrowych dla odciążenia łożyska środkowego. Ze względów konstrukcyjnych i technologicznych stosuje się niepełne wyrównowa­...