Materiały konstrukcyjne – projekt cześć II.
II. Materiał – wał korbowy.
1.Wstęp.
Przystępując do projektowania materiałów, z których zostanie wykonany wał korbowy silnika spalinowego, należy najpierw przeanalizować budowę, zakres zadań oraz lokalizację tego elementu silnika. Należy zadać sobie szereg pytań na temat tego, co dzieję się z naszą częścią w momencie pracy bądź spoczynku. Źle przemyślany dobór materiału do wału może doprowadzić do szeregu komplikacji zaczynając od szybkiego zużycia, a kończąc na poważnych uszkodzeniach mechanizmu silnika. O czym należy głównie pamiętać przy ogólnym rzucie na ten element silnika? Przede wszystkim wał korbowy silnika spalinowego jest elementem czynnym pracującym na bardzo dużych prędkościach obrotowych, a co za tym idzie towarzyszy mu szereg różnorakich oddziaływań, które postaram się omówić w dalszej części projektu.
2. Analiza ogólna.
I. Budowa tego elementu została rozważona w części pierwszej projektu.
II. Zakres zadań.
Wał korbowy jest ostatnim elementem układu tłokowo-korbowego biorącym udział w zamianie ruchu posuwisto-zwrotnego na ruch obrotowy. Obciążony jest siłami pochodzącymi od ciśnień w komorze spalania oraz od bezwładności elementów biorących udział w ruchu posuwisto-zwrotny i obrotowym. W efekcie elementy wału podlegają ściskaniu, rozciąganiu, skręcaniu. Ponadto bardzo istotnymi obciążeniami wału są naprężenia, wynikające z odkształceń sprężystych wywołanych drganiami głównie skrętnymi.
Punktując:
v Zamiana ruchu posuwisto zwrotnego na obrotowy
v Przyjmowanie obciążeń ciśnień komory spalania
v Przyjmowanie obciążeń bezwładnościowych elementów
Otrzymujemy:
ü Ściskanie
ü Rozciąganie
ü Skręcanie
ü Naprężenia i drgania skrętne i gięte
III. Lokalizacja
Nasz element jest jedną z dynamicznych części układu korbowego silnika a co za tym musi pracować nie tylko w wysokich prędkościach obrotowych. Ze względu na lokalizacje należy wyróżnić:
o Wysoką temperaturę i prace w szerokim zakresie temperaturowym
o Praca w atmosferze korozyjnej
o Zmienne obciążenia
o Duże siły tarcia
3.Właściwości materiałów inżynierskich uwzględniane w procesie projektowania i doboru materiałów.
Po analizie ogólnej elementu i zestawieniu wniosków z tabela właściwości dochodzimy do wniosku, że najbardziej interesują nas właściwości mechaniczne oraz cieplne, jakie ma wytrzymać nasz element. Cena gra role drugorzędną z uwagi na odpowiedzialność, jaką pełni ta cześć, oczywiście wszystko w granicach rozsądku.
4. Materiały najczęściej stosowane na wały korbowe.
Co wybrać i dlaczego?
Podstawowym materiałem na wały kute jest stal węglowa wyższej jakości lub stale stopowe. W tabeli poniżej podano skład chemiczny niektórych stali, żeliwa i staliwa na wały korbowe oraz osiągana twardość stali
Użycie stali stopowych na wał korbowy jest uzasadnione przede wszystkim wtedy, gdy chodzi o uzyskanie większej wytrzymałości zmęczeniowej lub większej twardości czopów po obróbce cieplnej. Sztywność wałów wykonanych ze stali stopowej i stali węglowej jest taka sama, ponieważ zależy ona przede wszystkim od modułu sprężystości E który dla stali każdego gatunku wynosi ok. 2,1x10^5. MPa.
Materiał wału korbowego powinien odznaczać się odpowiednią wytrzymałością i udarnością, odpornością na zmęczenie oraz zdolnością do tłumienia drgań. Poza tym wał powinien wykazywać możliwie dużą odpornością na zużycie powierzchni współpracujących z innymi elementami silnika tj. powierzchni czopów głównych i korbowych.
Najczęściej stosowane są wały korbowe kute, a tylko w pewnych rozwiązaniach spotyka się wały odlewane. Zasadniczą zaletą lanych wałów korbowych w stosunku do wałów kutych jest możliwość uzyskania półfabrykatu o kształtach bardziej zbliżonych do gotowego wyrobu, a co za tym idzie ograniczenie do minimum zużycia materiału i uproszczenie obróbki mechanicznej, a ponadto możliwość uniknięcia technologicznego zabiegu utwardzania czopów.
Jednak ze względu na wyższy koszt materiału stosowanego na wały lane, zwłaszcza żeliwa sferoidalnego, oraz dość znaczne ilości braków, jak również z uwagi na ograniczenie obróbki wałów kutych w foremnikach do czopów ( ramiona i ewentualnie przeciwciężary pozostają nieobrobione), kalkulacja kosztów wypada na korzyść wałów kutych. Natomiast mniejsza na ogół wytrzymałość wału lanego niż kutego wału stalowego nie ma zasadniczego znaczenia wobec przyjmowania i tak niewielkich naprężeń dopuszczalnych. Mniejszy moduł sprężystości E jest nawet korzystny, ponieważ materiał odznacza się zwiększona zdolnością tłumienia drgań!
Wykres Moduł Younga – Gęstość jest pomocny w doborze materiałów na elementy i konstrukcje o możliwie najmniejszej masie. Znajdują się na nim linie przewodnie odpowiadające trzem rodzajom obciążenia. – na wykresie poszukujemy materiałów o możliwie niskiej masie ponieważ wpływa to znacząco na efektywność pracy wału przy dużych prędkościach.
Wykres Wytrzymałość – Gęstość przedstawia przyczynę dominacji roli metali w technice – prawie wszystkie z nich charakteryzują się wytrzymałością 20 MPa lub więcej
W wielu konstrukcjach, szczególnie mających ruchome części, konieczna jest duża sztywność elementów, a jednocześnie minimalna ich masa. W celu ułatwienia materiałów w takich przypadkach dane z wykresu 4 zostały podzielone przez gęstość poszczególnych elementów – na wykresie przedstawiono, więc sztywność właściwą E/ρ w zestawieniu z wytrzymałością właściwą σ f/ρ.
Wykres wytrzymałości materiałów w temperaturze jest istotny, jeżeli nie chcemy pominąć temperatur, na jakie skazany jest wał korbowy w czasie pracy.
Mimo stale zmieniających się cen materiałów wykres Modułu Younga do ceny jednostki objętości materiału jest istotny w doborze materiału za zasadzie kosztów poniesionych względem odpowiednio dużej dla naszych wymagań wytrzymałości materiału.
Wykres ten podobnie jak poprzedni pomaga nam w wyborze tanich materiałów o dużej wytrzymałości. Oba wykresy pokazują ze cena jest jedynym z dominujących czynników, którymi kieruje się inżynier przy projektowaniu struktury materiałowej do produkcji rożnych części, ale również konstrukcji.
Zestawienie materiałów i ich podatność korozyjna w określonych środowiskach także jest istotna dla zachowania dłuższej żywotności elementu w jego naturalnych środowisku pracy.
5.Podsumowanie i wybranie końcowego składu materiału
Podsumowując zestawienia tabel i wnioski z analizy materiał, który wybierzemy musi mieć przede wszystkim odpowiednia wytrzymałość, udarność, odporność na zmęczenie oraz zdolność tłumienia drgań, a przy tym mieścić się w rozsądnych granicach cenowych. Ponadto czopy główne i korbowodowe muszą się wykazywać duża odpornością na ścieranie! Należy wziąć pod uwagę, że nasz wał musi mieć także odporność korozyjna i może być bardziej obciążony zatem rozsądne wydaje się wybranie materiału zawierającego dodatki stopowe chromu, niklu, molibdenu. Same czopy zostaną potem poddane odpowiedniej obróbce technologicznej.
Materiał, który zostanie użyty do produkcji mojego wału korbowego to stal do ulepszania pozycja 4 powyższej tabeli zawierająca 60,2HRC.
Osashel