Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ОСНОВНОЙ НАГРУЗКИ РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ КРИВОШИПНОЙ ГОЛОВКИ ШАТУНА С КОСЫМ РАЗЪЕМОМ

Гоц А.Н. 1
1 ФГБОУ ВО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
Предложена методика экспериментального определения коэффициента основной нагрузки резьбового соединения крышки и кривошипной головки шатуна с косым разъемом. Шатунные болты нагружаются силой затяжки, которая обеспечивает плотность стыка между крышкой и кривошипной головкой. Во время работы двигателя шатунный болт нагружается дополнительной циклической силой от сил инерции деталей, совершающих возвратно-поступательное движение. На болт передается только часть этой силы, которая равна произведению силы на коэффициент основной нагрузки. Поскольку этот коэффициент в литературных источниках рекомендуется выбирать в пределах 0,15…0,25, то для конкретной конструкции шатуна правильный выбор этого коэффициента позволит обоснованно выбрать силу затяжки шатунных болтов, а также обеспечить надежность шатуна при действии циклической нагрузки. Приведены результаты экспериментальных исследований распределения напряжений в шатунных болтах шатунов с косым разъемом при сборке и затяжке болта, а также при нагружении шатуна внешней продольной нагрузкой. Если определить нагрузку, которую испытывает шатунный болт при действии на шатун внешней силы, то это позволит определить коэффициент основной нагрузки резьбового соединения. Приведены результаты экспериментальных исследований по определению силы в шатунных болтах и значения коэффициента основной нагрузки.
шатун
болт
кривошипная головка
косой разъем
напряжения растяжения
коэффициент основной нагрузки
1. Чайнов Н.Д., Иващенко Н.А. и др. Конструирование двигателей внутреннего сгорания. Под ред. Н.Д. Чайнова. – М.: Машиностроение, 2010. – 496 с.
2. Иосилевич Г.Б., Лебедев П.А., Стреляев В.С. Прикладная механика. – М.: Машиностроение, 2013. – 576 с.
3. Сыромятников В.С., Гарсия М.Х.М. и др. Оптимальная затяжка резьбового соединения от раскрытия стыка // Известия вузов. серия Машиностроение. – 2016. – № 12. – С. 45–50.
4. Иванов М.Н., Финогенов В.А. Детали машин. – М.: Высшая школа, 2008. – 408 с.
5. Гоц А.Н. Исследование напряженного состояния шатунных болтов при их затяжке // Успехи современной науки. – 2017. – Т. 2, № 8. – С. 88–93.
6. Гоц А.Н. Расчет шатунных болтов с учетом изгиба // Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей: материалы XII Международной научно-практической конференции. Под ред. В.В. Эфроса, А.Н. Гоца. – Владимир: Владим. гос. ун-т, 2010. – С. 307–311.
7. Budynas R., Nisbett K. Shigley’s mechanical engineering design. McGraw-Hill. – 2008. – 1059 p.
8. Douglas C. Montgomery. Design and Analysis of Experiments // John Wiley & Sons. – 2012. – 752 p.

Как известно, в шатунах поршневых двигателей кривошипная головка разъемная, а крышка к головке приворачивается болтами, поэтому это соединение будем рассматривать как обычное резьбовое соединение [1, 2]. Если в шатунах с прямым разъемом соединение крышки и головки производится закладными болтами и болт затягивается гайкой, то в шатунах с косым разъемом кривошипной головки шатунные болты ввертывают в тело шатуна. Шатунные болты затягивают некоторым усилием, при котором обеспечивается плотность стыка между крышкой и кривошипной головкой [3]. При работе поршневого двигателя на шатун действует переменная циклическая сила Pj – сила инерции деталей, совершающих возвратно-поступательное движение, а также силы инерции вращающейся массы кривошипной головки шатуна без массы нижней крышки. Однако на шатунный болт дополнительно (кроме силы затяжки) действует только часть этой силы ≈ 0,5χPj, где χ – коэффициент основной нагрузки резьбового соединения [4]. В работе [1] предлагается выбирать χ = 0,15…0,25. Выходит, если Pj = 75000 Н, то на шатунный болт в затянутом состоянии будет действовать сила Pb = 0,5χPj = 5625…9375 Н, то есть силы отличаются на 67 %.

В теории резьбовых соединений χ определяют из условия совместности деформаций болта и стягиваемых болтом деталей. Однако для кривошипной головки шатуна применить этот расчетный метод не представляется возможным ввиду того, что используемый при этом так называемый конус давления выходит за пределы стягиваемых деталей. Наружный диаметр dkd конуса давления равен [2]:

dkd = a + l1tgα, (1)

где a – внешний диаметр опорной поверхности болта или гайки; l1 – толщина стягиваемых деталей; tgα = 0,4…0,5.

goch1.tif

Шатун дизеля 4 ЧН 13/14: I-I – линия разъема; 1– длинный шатунный болт; 2 – короткий шатунный болт

Так, например, для шатунов дизеля 4 ЧН 13/14 (Д-440) (рисунок) толщина кривошипной головки в сечении разъема ≈ 24 мм. Если подсчитать диаметр основания конуса давления, у которого a = 21 мм, а l1 = 71 мм, то согласно (1) dkd = 49,4 мм, т.е. почти в два раза больше толщины кривошипной головки. Кроме того, некорректность расчетного определения коэффициента χ состоит в том, что по теории ведут расчет стягиваемых свободных деталей [2, 3, 4], а в нашем случае крышка шатуна связана с остальной частью, т.е. стягиваются статически неопределимые системы. Наша попытка провести расчет коэффициента χ для шатунов дизеля 4 ЧН 13/14 (Д-440) привела к числу χ = 0,14…0,15. В связи с этим было предложено экспериментально определить коэффициент основной нагрузки χ. Трудность в его определении заключалась в том, что продольная нагрузка приложенная к шатуну распределяется неравномерно по поверхностям стыка между крышкой и кривошипной головкой для шатунов с косым разъемом.

Цель исследования

Определить экспериментально коэффициент основной нагрузки резьбового соединения шатуна – соединение крышки и кривошипной головки.

Материалы и методы исследования

Для экспериментального определения усилий в шатунных болтах при нагружении шатуна продольной силой использовалась методика, рассмотренная в работах [5, 6]. На стержень шатунного болта были наклеены по его окружности тензорезисторы в точках A1, B1 и C1 через 120 ° друг от друга. Выводы от тензорезисторов проходили через боковое и осевое сверление шатунных болтов, а также через головку. Поскольку нас интересовали напряжения растяжения, то среднее значение этих напряжений в трех точках goc01.wmf определяет напряжение растяжения σr:

goc02.wmf (2)

Напряжение растяжения определяли при затяжке болтов ключом предельного момента, что позволило определить также приведенный коэффициент трения на опорной поверхности головки болта и в резьбе для контроля в дальнейшем возникающей силы при затяжке болта по приближенной зависимости [4, 7, 8]:

Mk = kQd, (3)

где Mk – момент на ключе, k – приведенный коэффициент трения на опорной поверхности головки болта и в резьбе; d – наружный диаметр резьбы шатунного болта.

После затяжки шатунных болтов моментом затяжки, определенным в технической документации на двигатель, шатун нагружался ступенчато продольными силами. Напряжение в трех точках goc03.wmf определялось, по которым можно было по формуле (2) найти среднее напряжение и усилие в каждом болте:

Pb = σrFb, (4)

где Fb – площадь поперечного сечения болта с наклеенными тензорезисторами.

Поскольку при экспериментальных исследованиях определяются силы, действующие вдоль оси шатунных болтов (продольные силы), то для шатунов с косым разъемом суммарная сила, действующая на оба стыка кривошипной головки Pst, равна проекции продольной силы P вдоль стержня шатуна линию, перпендикулярную линии разъема, или

Pst = PCos(90 ° – φ) = PSinφ, (5)

где φ – угол плоскости разъема кривошипной головки к продольной оси шатуна.

Так как распределение усилий по стыкам пока неизвестно, то по формулам (4) и (5) найти коэффициент χ не представляется возможным (в одном уравнении две неизвестные), то определив по формуле (4) усилие в каждом из болтов Qb1 и Qb2 (то есть усилия, которые приходятся на каждый из шатунных болтов при действии на шатун продольной силы), можно найти суммарное усилие на оба болта. Тогда приведенный коэффициент основной нагрузки равен

goc04.wmf (6)

Результаты исследования и их обсуждение

Рассмотрим результаты расчетно-экспериментальных исследований по определению коэффициента основной нагрузки резьбового соединения кривошипной головки шатуна χ и приведенного коэффициента трения на опорной поверхности головки болта и в резьбе k дизеля 4Ч 13/14 (Д-440) при затяжке болтов в кривошипную головку шатуна, а также при нагружении шатуна продольной растягивающей силой. Испытывались серийные шатуны с косым разъемом и ввертными болтами (рисунок) (короткий длиной lb = 71 мм, длинный – lb = 84 мм, диаметр стержня болта d0 = 13,6 мм; площадь поперечного сечения стержня болта Fb = 0,145×10-3 м2, резьба 16х1,5). Заметим, что внутреннее сверление для проводов, соединяющих тензорезисторы, было выполнено ближе к головке болта, поэтому поперечное сечение стержня болта определялось по d0 = 13,6 мм.

Плоскость разъема нижней головки шатуна выполнена под углом 55 ° к оси стержня (см. рисунок). Крышка соединяется с головкой шатуна по разъему при помощи треугольных шлицов. Для измерения напряжений на стержне болта были наклеены через 120 ° по окружности в соответствии с описанной выше методикой тензорезисторы с базой 5×10-3 м. Шатунные болты затягиваются, начиная с длинного болта, момент их затяжки – 220…240 Н·м.

В табл. 1 приведены результаты экспериментальных исследований по определению напряжений в длинном болте при его затяжке в шатун. Далее определялись сила затяжки Qb1, Н по формуле (4) и приведенный коэффициент трения на опорной поверхности головки болта и в резьбе k по формуле (3).

В табл. 2 приведены аналогичные результаты экспериментальных и расчетных исследований, но только для короткого болта.

Затяжка болтов производилась в следующей последовательности. Сначала затягивался длинный болт, а затем короткий (в соответствии с инструкцией по эксплуатации) моментом затяжки 220 Н•м. После этого шатун устанавливался в испытательную машину и нагружался продольной растягивающей силой 30, 40, 60 кН. Результаты экспериментального определения напряжений и расчетные значения усилий, воспринимающих каждым из болтов при таком нагружении, приведено в табл. 3 и 4.

Далее шатуны снимались с испытательной машины и болты дополнительно затягивались до момента затяжки Mz = 240 Н•м. В этом случае проводилась проверка, как влияет дополнительная затяжка, а значит, и деформация кривошипной головки на соотношения податливостей крышки и болта, а значит, и на коэффициент основной нагрузки. Результаты экспериментального определения напряжений и расчетные значения усилий, воспринимающих каждым из болтов при моменте затяжки Mz = 240 Н•м и таком нагружении, приведены в табл. 5 и 6.

Для расчета коэффициента основной нагрузки χ резьбового соединения кривошипной головки и крышки шатуна дизеля 4Ч 13/14 (Д-440) сведем в табл. 7 результаты экспериментальных и расчетных исследований из табл. 3 и 4. Момент затяжки шатунных болтов составлял Mz = 220 Н·м. В столбце 6 приведены результаты расчета коэффициента χ по формуле (6) по данным в столбцах 2 и 5.

Таблица 1

Напряжения и сила затяжки в длинном шатунном болте

Момент

затяжки,

Н·м

Напряжения в трех точках на наружной поверхности болта, МПа

Напряжение растяжения

σr, МПа

Сила

затяжки

Qb1, Н

Приведенный коэффициент трения на опорной поверхности головки болта и в резьбе k

σА1

σВ1

σС1

40

–14

291,5

–18

86,5

12559

0,19906

80

139

242,8

152,8

178,2

25873

0,19325

120

188,5

342,8

252,2

261,2

37919

0,19779

160

254,3

432,5

378,2

355

51542

0,19402

180

340

432

412,5

394,8

57325

0,19624

220

398

459

445

434

63012

0,19837

240

450

505

494

483

70127

0,19607

Среднее значение

0,1967

 

Таблица 2

Напряжения и сила затяжки в коротком шатунном болте

Момент

затяга,

Н

Напряженное состояние в трех точках на наружной поверхности болта, МПа

Напряжение растяжения

σr, МПа

Усилие в шатунном болте

Qb2, Н

Приведенный коэффициент трения на опорной поверхности головки болта и в резьбе k

σА1

σВ1

σС1

40

–18,6

294,2

–17,8

85,9

12477

0,2004

80

122,2

288,3

106,4

172,3

25016

0,1999

120

182,4

406,3

186,9

258,5

37536

0,1998

160

223,1

412,9

399

345

50091

0,1996

180

269,5

448,6

449

389

56484

0,1992

220

328,2

486,1

476,6

430

62475

0,2000

240

359,6

576,9

592,7

472,1

68539

0,2006

Среднее значение

0,2003

 

Таблица 3

Напряжения и усилия в длинном шатунном болте после затяжки моментом 220 Н·м и при нагружении шатуна продольной силой

Усилие

в шатуне,

P, Н

Напряженное состояние в трех точках на наружной поверхности болта, МПа

Напряжение растяжения

σr, МПа

Усилие в шатунном болте

Qb1, Н

σА1

σВ1

σС1

1

2

3

4

5

6

30000

14,1

22,2

18,5

18,3

2652

40000

20,2

32,2

22,3

24,9

3615

60000

28,3

52,2

32,3

37,6

5459

 

Таблица 4

Напряжения и усилия в коротком шатунном болте после затяжки моментом 220 Н·м и при нагружении шатуна продольной силой

Продольное усилие

в шатуне,

P, Н

Напряженное состояние в трех точках на наружной поверхности болта, МПа

Напряжение растяжения

σr, МПа

Усилие в шатунном болте

Qb1, Н

σА1

σВ1

σС1

1

2

3

4

5

6

30000

6,5

20,3

11,8

12,9

1868

40000

14,5

21,3

17,5

17,8

2579

60000

20,6

33,4

24,5

26,2

3799

 

Таблица 5

Напряжения и усилия в длинном шатунном болте после затяжки моментом 240 Н·м и при нагружении шатуна продольной силой

Усилие

в шатуне,

P, Н

Напряженное состояние в трех точках на наружной поверхности болта, МПа

Напряжение растяжения

σr, МПа

Усилие в шатунном болте

Qb1, Н

σА1

σВ1

σС1

1

2

3

4

5

6

30000

13,2

21,7

19,5

18,3

2633

40000

16,8

32,5

21,8

23,7

3441

60000

30,8

47,2

31,5

36,5

5299

 

Таблица 6

Напряжения и усилия в коротком шатунном болте после затяжки моментом 240 Н·м и при нагружении шатуна продольной силой

Продольное усилие

в шатуне,

P, Н

Напряженное состояние в трех точках на наружной поверхности болта, МПа

Напряжение растяжения

σr, МПа

Усилие в шатунном болте

Qb2, Н

σА1

σВ1

σС1

1

2

3

4

5

6

30000

6,2

19,2

11,5

12,3

1791

40000

15,2

20,5

14,8

16,8

2444

60000

20,2

30,4

21,2

23,9

3475

 

Таблица 7

Расчет коэффициента основной нагрузки в резьбовом соединении шатуна при затяжке болтов моментом 220 Н·м

Продольное усилие

в шатуне,

P, Н

Нагрузка

на стык кривошипной головки,

Qst, Н

Нагрузка на болты после их затяжки моментом 220 Н·м

Суммарная нагрузка на болты

Qb1+ Qb2, Н

Коэффициент основной нагрузки –

резьбового соединения кривошипной головки шатуна χ

Нагрузка на длинный болт Qb1, Н

Нагрузка на короткий болт Qb2, Н

1

2

3

4

5

6

30000

24576

2652

1868

4520

0,1839

40000

32768

3615

2579

6194

0,1890

60000

49152

5459

3799

9258

0,1884

Среднее значение

0,1871

 

Таблица 8

Расчет коэффициента основной нагрузки в резьбовом соединении шатуна при затяжке болтов моментом 240 Н·м

Продольное усилие

в шатуне

P, Н

Нагрузка

на стык кривошипной головки Qst, Н

Нагрузка на болты после их затяжки моментом 240 Н·м

Суммарная нагрузка на болты

Qb1+ Qb2, Н

Коэффициент основной нагрузки – резьбового соединения кривошипной головки шатуна χ

Нагрузка на длинный болт Qb1, Н

Нагрузка на короткий болт Qb2, Н

1

2

3

4

5

6

30000

24576

2633

1791

4424

0,1800

40000

32768

3441

2444

5885

0,1796

60000

49152

5299

3475

8774

0,1785

Среднее значение

0,1794

 

Аналогично, для расчета коэффициента основной нагрузки χ резьбового соединения кривошипной головки и крышки шатуна дизеля 4Ч 13/14 (Д-440) при моменте затяжки шатунных болтов Mz = 240 Н·м сведем в табл. 8 результаты экспериментальных и расчетных исследований из табл. 5 и 6. В столбце 6 приведены результаты расчета коэффициента χ по формуле (6) по данным в столбцах 2 и 5.

Анализ результатов расчетно-экспериментальных исследований

Анализ результатов расчетно-экспериментальных исследований (см. табл. 1 и 2) показывает, что приближенная зависимость (3) выполнялась при затяжке длинного и короткого шатунных болтов. Следует при этом заметить, что для этого перед испытаниями было проведено поверхностным пластическим деформированием опорной поверхности крышек шатунов [7, 8], а кроме того, при сборке опорные поверхности крышки и болта, а также резьбы смазывались.

Момент затяжки шатунных болтов не повлиял на величину коэффициента χ, так как среднее значение его по результатам двух измерений находится в пределах погрешности.

Выводы

Проведенные расчетно-экспериментальные исследования показали, что для определения действительной силы, которую воспринимает затянутый шатунный болт при нагружении шатуна продольной силой, коэффициент основной нагрузки резьбового соединения можно предварительно определить достаточно простым экспериментом. Для выпускаемых в настоящее время автомобильных и тракторных двигателей его можно принять 0,18…0,20.


Библиографическая ссылка

Гоц А.Н. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ОСНОВНОЙ НАГРУЗКИ РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ КРИВОШИПНОЙ ГОЛОВКИ ШАТУНА С КОСЫМ РАЗЪЕМОМ // Фундаментальные исследования. – 2017. – № 12-1. – С. 38-43;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41976 (дата обращения: 17.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074