Расчет коленчатого вала в судовом двигателе внутреннего сгорания

Расчет коленчатого вала во 2-м расчетном положении

2-е расчетное положение коленчатого вала определяется на основе расчета сил динамики (Таблица №1. Расчет сил динамики в кривошипно-шатунном механизме). Угол положения коленчатого вала, при котором в цилиндре достигается максимальное касательное усилие Т₁^мах, обычно наблюдается при повороте кривошипа на 20-30⁰ после ВМТ (Рис. 2).

Рис. 2 Схема действия сил во 2-м расчетном положении

Расчетным считается то колено, к которому в положении Т₁^мах подводится максимальное суммарное касательное усилие от выше расположенных цилиндров. Для определения расчетного колена строится таблица (Табл. 3), аналогичная предыдущему случаю. В 1-й строке таблицы записывается значение Т₁ начиная с Т₁^мах, через угол заклинки кривошипов Ψ. В последующих строках эти записи повторяются со сдвигом по фазе с учетом порядка работы цилиндров. Просуммировав в каждой графе усилия T₁ от выше расположенных цилиндров, определяют ΣT и выбирают ΣТ^мах. Для приведенного в таблице примера максимальное усилие ΣТ^мах получено в 4-м цилиндре. Это колено является расчетным.

Таблица 3 Определение расчетного колена во 2-м положении коленчатого вала

No Цикл.	20	80	140	200	260	320
1	T1=1.80 ΣT=0	1.48	0.713	-0.348	-0.86	0.297
2	0.713	-0.348	-0.86	0.297	T1=1.80 ΣT=-0.86	1.48
3	-0.86	0.297	T1=1.80 ΣT=0.147	1.48	0.713	-0.348
4	-0.348	-0.86	0.297	T1=1.80 ΣT=1.429	1.48	0.713
5	0.297	T1=1.80 ΣT=0.569	1.48	0.713	-0.348	-0.86
6	1.48	0.713	-0.348	-0.86	0.297	T1=1.80 ΣT=1.282

Крутящий момент на расчетном колене равен:

В кормовой рамовой шейке М_кр = (T₁^мах + ΣТ^мах ) F_п R;
В мотылевой шейке М_кр = (0.5 Т₁^мах + ΣТ^мах) F_п R.

Напряжение кручения в шейках рассчитывается по формуле (№4.). Кроме того, напряжение кручения возникает и в щеках колена под действием силы T₁^мах, которая создает крутящий момент, равный:

М_кщ = 0.5 Т₁^мах F_пc

Напряжение кручения будет разным для широкой и узкой стороны щеки, имеющих разный полярный момент сопротивления, равный:

На середине широкой стороны щеки W’ = k b h^2;
На середине узкой стороны щеки W» =k b² h.

Коэффициент К определяется соотношением размеров щеки b/h (обозначение смотри Рис. №1. Схема колена кривошипа в 1-м расчетном положении ), может быть найден из табл. 4.

Таблица 4 Значение коэффициента К

b/n	1	1.5	1.75	2.0	2.5
K	0.208	0.231	0.239	0.246	0.258

Напряжение изгиба в шейках коленчатого вала во 2-м расчетном положении определяется силой S_φ, равной:

М_кщ = 0.5 Т₁^мах F_пc

где R_φ, — радиальная сила кривошипа при угле φ, соответствующем силе T₁^мах.
Сила R_φ, определяется по данным расчета сил динамики.

Величина изгибающего момента на шейках и в щеках определяется равенствами:

На рамовой шейке М_кр = 0.5 S_φ F_п а;
На мотылевой шейке М_км = 0.5 S_φ, F_п 0.5 А;
На щеке колена (от реакции R_φ /2 ) М_ищ = 0.5 R_φ F_п с.

Напряжения изгиба в этих элементах определяются по тем же расчетным формулам, что и для 1-го расчетного положения коленчатого вала (зависимости (10-8) — (10-11)). Напряжения сжатия в щеке определяются воздействием радиальной силы R_φ:

σ_сж = 0.5 R_φ F_п / bh

Сложные напряжения рассчитываются по формулам:

В рамовой и мотылевой шейках: σ_pm = √σ_и² +4t_k²

В щеке на середине широкой стороны: σ_щ = √(σ_из+σ_сж)²+4_tщ²

В щеке на середине узкой стороны: σ_щ =√(σ_из+σ_сж)² +4_tщ²

Сложные напряжения для углеродистой стали должны находится в пределах:

Для рамовой шейки — 40 — 80 МПа;
Для мотылевой шейки — 60 — 100 МПа;
Для щеки колена — 80 — 120 МПа.