Підвищення витривалості хрестовини пружної муфти колінчастого валу

Abstract

В статті представлені результати експериментального дослідження напруженого стану тіла хрестовини пружної муфти колінчастого валу транспортного дизеля, встановлено причини порушення номінальної роботи механічного з'єднання, надані відповідні рекомендації. Експлуатаційні випробування дизеля виявили недостатню надійність пружної муфти. В тілі хрестовини на поверхні гнізда під пружні елементи, розташованого над лисками, була виявлена втомлена тріщина. Напружений стан хрестовини обумовлено її напресовкою на хвостовик колінчастого валу та передачею через муфту крутного динамічного моменту. В роботі визначені та проаналізовані напруження від напресовки та від навантаження крутним моментом. Встановлено, що максимальні напруження від напресовки з’являються вздовж навантаженої поверхні виникнення в зоні появи тріщини, однак їх величина 260 МПа значно меньша за границю тимчасової витривалості 1100 МПа матеріалу хрестовини (сталь 18Х2Н4МА). Таким чином, напресовка хрестовини на хвостовик колінчастого валу не приводить до появи тріщини. Крутний момент на колінчастих валах з’являвся при нагнічені у циліндр під великим тиском мастила. Тиску мастила 15 МПа відповідає крутний момент 100 кНм. Аналізи результатів дозволяють відмітити, що напруження по зовнішній поверхні хрестовини досягають свого максимуму в зоні появи тріщини, яка відповідає навантаженому краю лиски. Надлишковий момент, що дорівнює різниці крутного моменту та моменту тертя, починає сприйматися тільки лисками, в наслідок чого напруження в зоні появи тріщини різко зростають. Внаслідок цього, у сполученні з’являється підвищений рівень відносної рухомості поверхонь, що сопрягаються і зростає динамічне навантаження лисок, це і приводить до появи тріщини. Обґрунтовано, що різниця у значеннях напружень в діаметрально протилежних зонах тіла хрестовини є наслідком нерівномірного проковзання циліндричних поверхонь. Проаналізовані різни варіанти навантаження муфти та розроблені рекомендації по можливому зміненню конструкції вузла Збільшення габаритів хрестовини в напрямку продольної осі на 10 мм (ширина) та довжини кожної лиски на 7 мм, виключили першопричини виникнення тріщини, тобто, змяття та знос лисок.

В статье представлены результаты экспериментального исследования напряженного состояния тела крестовины упругой муфты коленчатого вала транспортного дизеля, установлены причины нарушения номинальной работы механического соединения, даны соответствующие рекомендации. Эксплуатационные испытания дизеля обнаружили недостаточную надежность упругой муфты. В теле крестовины на поверхности гнезда под упругие элементы, расположенного над лисками, была обнаружена усталостная. Напряженное состояние крестовины обусловлено ее напресовкою на хвостовик коленчатого вала и передачей через муфту крутящего динамического момента. В работе определены и проанализированы напряжение от напрессовки и от нагрузки крутящим моментом. Установлено, что максимальные напряжения от напрессовки появляются вдоль нагруженной поверхности в зоне появления трещины, однако их величина 260 МПа значительно меньше максимальной временной выносливости 1100 МПа материала крестовины (сталь 18Х2Н4МА). Таким образом, напрессовка крестовины на хвостовик коленчатого вала не приводит к появлению трещины. Крутящий момент на коленчатых валах появлялся при нагнетании в цилиндр под большим давлением масла. Давлению масла 15 МПа соответствует крутящий момент 100 кНм. Анализы результатов позволяют отметить, что напряжения по наружной поверхности крестовины достигают своего максимума в зоне появления трещины, которая соответствует нагруженном краю лыски. Избыточный момент, равный разнице крутящего момента и момента трения покоя, начинает восприниматься только лысками, в результате чего напряжения в зоне появления трещины резко возрастают. В результате, в соединении появляется повышенный уровень относительной подвижности сопрягающихся поверхностей и растет динамическая нагрузка лысок, что и приводит к появлению трещины. Обосновано, что разница в значениях напряжений в диаметрально противоположных зонах тела крестовины, является следствием неравномерного проскальзывания цилиндрических поверхностей. Проанализированы различные варианты нагрузки муфты и разработаны рекомендации по возможному изменению конструкции узла. Увеличение габаритов крестовины в направлении продольной оси на 10 мм (ширина) и длины каждой лыски на 7 мм, исключили первопричины возникновения трещины, то есть, смятие и износ лысок.

The article presents the results of an experimental study of the stress state of the body of the crosspiece of an elastic coupling of a crankshaft of a transport diesel engine, establishes the reasons for the violation of the nominal operation of the mechanical connection, gives appropriate recommendations. Operational tests of the diesel engine revealed insufficient reliability of the elastic coupling. Fatigue was detected in the body of the cross on the surface of the nest for elastic elements located above the scaffolds. The stress state of the cross is due to its pressing on the shank of the crankshaft and transmission through the clutch of dynamic moment. In the work, the stress from pressing in and from the load by torque is determined and analyzed. It was established that the maximum stresses from pressing appear along the loaded surface in the zone of crack appearance, however, their value of 260 MPa is much less than the maximum temporary endurance of 1100 MPa of the material of the cross (18KH2N4MA steel). Thus, pressing the crosspiece onto the shank of the crankshaft does not lead to a crack. Moment on the crankshafts appeared during injection into the cylinder under high oil pressure. An oil pressure of 15 MPa corresponds to a moment of 100 kNm. Analysis of the results allows us to note that the stresses on the outer surface of the crosspiece reach their maximum in the zone of crack appearance, which corresponds to the loaded edge of the flat. An excess moment equal to the difference between the moment and the moment of rest friction begins to be perceived only by flats, as a result of which the stresses in the crack appearance zone increase sharply. Various options for the coupling load are analyzed and recommendations are developed for a possible change in the design of the assembly. An increase in the dimensions of the cross in the direction of the longitudinal axis by 10 mm (width) and the length of each flat by 7 mm, eliminated the root causes of the crack, that is, wrinkling and wear are flatter.