Компьютерное моделирование процесса коробления пространственных коленчатых валов с пятью шатунными шейками Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.92

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОРОБЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ С ПЯТЬЮ ШАТУННЫМИ ШЕЙКАМИ

В.Н.Емельянов, П.В.Костин

COMPUTER MODELLING OF HOGGING OF DIMENSIONED CRANKSHAFTS

WITH FIVE CRANKPINS

V.N.Emel'yanov, P.V.Kostin*

Политехнический институт НовГУ, [email protected] *ЗАО «ДСКонтролз», [email protected]

Приведены результаты экспериментального и компьютерного исследования процесса коробления пространственных коленчатых валов с пятью шатунными шейками при упрочнении их галтелей чеканкой. Описана компьютерная программа, с помощью которой возможно производить компьютерное исследование влияния различных факторов на величину коробления коленчатых валов, рассчитать ожидаемые величину и направление коробления, а также подобрать такую комбинацию режимов упрочняемых галтелей, при которой величина суммарного коробления коленчатого вала будет минимальна. Ключевые слова: коленчатый вал, галтели, чеканка, коробление, компьютерная программа

The paper presents the results of the experimental and computer study of the process of hogging of dimensioned crankshafts with five crankpins at hardening their fillets by stamping. We describe a computer program enabling to conduct a computer study of various factors' influence on the magnitude of hogging and to calculate the expected magnitude and direction of hogging, as well as to choose a combination of strengthened fillets modes where the total magnitude of hogging is minimal. Keywords: crankshaft, fillets, stamping, hogging, computer program

Введение

Коленчатые валы (КВ) широко применяются в современном машиностроении. Однако, несмотря на большой опыт, накопленный специалистами в конструировании, изготовлении и эксплуатации КВ, они нередко разрушаются в эксплуатации из-за недостаточного запаса сопротивления усталости. По данным В.П.Ускова, такое разрушение наблюдается у 28% двигателей, поступающих в ремонт [1]. Разрушение происходит, главным образом, по галтелям. Наиболее эффективна и просто осуществима с точки зрения повышения сопротивления усталости КВ операция упрочнения их галтелей поверхностным пластическим деформированием (ППД): накатыванием роликами, чеканкой и др. [2]. Однако, как показывает практика и многочисленные эксперименты, обработка галтелей КВ ППД приводит к короблению КВ [3]. Причем, чем эффективнее способ с точки зрения повышения сопротивления усталости, тем к большему короблению коленчатого вала он приводит. С интенсификацией режимов упрочнения увеличивается сопротивление усталости коленчатого вала, однако вместе с тем увеличивается и величина его коробления.

На кафедре технологии машиностроения ИПТ НовГУ разработаны основные положения теории коробления КВ при упрочнении их галтелей ППД [4]. В частности, проведено экспериментальное и компьютерное исследование процесса коробления пространственных коленчатых валов с шестью шатунными шейками, которые попарно расположены под углами 120° [5]. Целью настоящей работы является исследование и описание закономерностей про-

цесса коробления пространственных коленчатых валов с пятью шатунными шейками, которое ранее не изучалось.

Результаты эксперимента и моделирования

В качестве объекта исследования выбран КВ двигателя WH, расчетная схема которого представлена на рис.1. Этот КВ имеет пять шатунных шеек (111111) расположенных под углом 72° по отношению друг к другу. Диаметр коренных шеек (КШ) равен 58 мм, диаметр ТТТТТТ равен 48 мм. Радиус кривошипа

— 38,7 мм. Щеки вала имеют одинаковую толщину

— 19,6 мм. Радиус галтелей КШ равен 3,2 мм, радиус галтелей ТТТТТТ — 2,5 мм. Длина вала I = 396 мм.

Эксперименты проводились при последовательной чеканке галтелей. Галтели обрабатывались вручную с помощью бойка со сферической головкой и молотка в такой последовательности: галтель №10, 11, 12, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 13, 14, 15, 16, 17, 18 ,19. Энергия удара составляла примерно Эу = 18,5 Дж.

По результатам эксперимента была построена экспериментальная эпюра коробления КВ двигателя WH, которая показана на рис.2. Анализ данной эпюры показал, что векторы коробления КВ от упрочнения единичных галтелей лежат в плоскости кривошипов с погрешностью, не превышающей 10% (за исключением векторов от чеканки галтелей 4, 8, 13 и 17, так как эти векторы являются переходными при переходе от обработки галтелей одного кривошипа к другому). Суммарная величина коробления КВ после чеканки 19 галтелей составила 5 = 0,55 мм, вектор коробления направлен под углом а = 261°.

А-А Г-Г

Рис.1. Расчетная схема КВ двигателя WH

Рис. 2. Экспериментальная эпюра коробления КВ двигателя WH

Рис. 3. Блок-схема алгоритма

На основе теоретических представлений о процессе коробления КВ [4] и с учетом полученных экспериментальных данных разработана компьютерная программа на языке C# (C Sharp) с использованием среды программирования Microsoft Visual C# 2010 Express. Блок-схема алгоритма расчета величины и направления вектора коробления пространственных КВ при чеканке галтелей представлена на рис.3.

Блок 1 отвечает за ввод всех требуемых для расчета данных, таких как механические характеристики материала, геометрические параметры вала, режимы процесса чеканки.

В блоке 2 осуществляется проверка условия: автоматический расчет коэффициента у или ручной ввод.

В блоке 3 осуществляется проверка условия: если r>(Di+D2)/2+rgi+rg2, то далее программа переходит к выполнению цикла расчета коэффициента у,-, если нет, то необходимо скорректировать исходные данные.

В блоке 4 организуется цикл для расчета коэффициента у,-. Он состоит из блоков 4а, 4б, 4в, 4г. Блок 4а состоит из ряда формул для расчета величины -Foym. и F^. Блок 4б осуществляет деление всех галтелей на галтели коренных и шатунных шеек. В блоках 4в и 4г выполняется вычисление коэффициентов У1 и У2.

В блоке 5 организуется проверка наличия введенных коэффициентов у1 и у2 при включении функции ручного ввода этих коэффициентов.

В блоке 6 организуется цикл для расчета величины суммарного коробления КВ. Он состоит из бло-

ков 6а, 6б, 6в. В блоке 6а осуществляется расчет величины коробления КВ при чеканке единичной галтели. Также в данном блоке осуществляется расчет координат Хы и для каждого найденного вектора коробления КВ. В блоке 6б происходит проверка условия необходимости включения 1-й галтели в суммарный вектор коробления КВ. Блок 6в отвечает за расчет величины вектора суммарного коробления КВ.

В блоке 7 осуществляется расчет направления вектора суммарного коробления КВ.

Блок 8 отвечает за вывод результатов: величины коробления КВ от чеканки каждой единичной галтели, величины суммарного коробления КВ, направление вектора суммарного коробления КВ.

Рабочее окно программы представлено на

рис.4.

В программе приняты следующие обозначения:

НВ — твердость материала по Бринеллю;

V — коэффициент Пуассона;

Е — модуль Юнга, МПа;

г — радиус кривошипа, мм;

h — толщина щеки, мм;

Ь — расстояние от левой опоры до сечения в котором измеряется коробление вала, мм;

L — расстояние между опорами, мм;

С1.1-1.Ш — расстояние от левой опоры до обрабатываемой галтели, мм;

с2.1-2.10 — расстояние от правой опоры до обрабатываемой галтели, мм;

bsh — ширина щеки, мм;

Dsh1 — диаметр коренных шеек, мм;

Коробление КВ

Расчет короблении КВ Расчетная схема КВ

Механические характеристики материала: Твердость по Еринеллю НВ: Коэффициент Пуассона V Модуль упругости 1-го рода Е: Геометрические характеристики вала: Радиус кривошипа г:

38,7

Толщина щеки h: hi h2 15.6 15.6

Н6 _h7

13,6 15.6

Hh1-...-h1D 13,6

из И4 Н5

15.6 15,6 15.6

ИЗ И9 МО

15.6 15,6 15.6

Расстояние от левой опоры ш изм. сечения b Расстояние между опорами L:

Расстояние от левой опоры w упрочняемой галтели cl: с1.1 с12 с1 3 с1.4 cl-5 12 31.6 50.6 70 2 95.2 <=16 с!.7 о1 8 с1.9 с1-10 114.8 133.8 153.4 178.4 "¡98

Расстояние от правой опоры до упрочняемой галтели с2

с220 с2.15 c2.1I 02.17 с2.16

12 31.6 5D.6 70,2 55.2

с2 15 с2 14 с2 13 с2 12 c2.11

114,8 133,3 153.4 178,4 198

Ширина щеки ЬзИ: Диаметр коренной шейки 0зИ1: Диаметр коренной шейки 0зЬ2: Радиус галтели КШ гд1: Радиус галтеты ШШгд2:

76

57.S8 47.78 3.25 2.5

Характеристики Энергия удара EY:

процесса обработки: El EY1 =_

EY1 25

EY2 25

EY3 25

EY4 26

EY5 !»

ЕУв 25 EY7 25 ЕГ8 25 EY5 25 EY10 25

EY11 25 EY12 25 EY13 25 EY14 25 EY15 25

Диаметр бойка D: D1 5 D2

КоэФФ. полноты обр. щеки psy:

Автоматический расчет psy J | psyl.4,5,8,9,

(») Ручной ввод рзу [7 psy2.3.6.7,1(

psyl рзуб 02

psy2 02 psy7 0.2

psy3 02 psyS 0.3

psy4 13 рзуЭ

рзу5 °.3 psylO 0.2

= EY20 25

EY16 25 EY17 25

EY18 25

EY19 25

EY20 25

[3 psyl.4.5.S,9.12.13.16.17.2D U ps/2.3.6.7,10.11.14.15,18.19 psyl 1 0.2 psy16 psyl2 C''" psyl 7 psy13 0.3 psy18 E.2 psy14 02 psy19 02 psy15 02 psy20

0.3 0.2

Коэффициент К. определяемый экспериментально:

171 Ш = = К20

Kl 0.01

K2 °.D1 КЗ 101 К4 1D1 К5 0.01

Кб 0Я1

К7 ОЙ

KS C..D1

К9 C..D1

К10 0.01

0 К1 = К11 0ÏT К12 0D1

К13 ÔÏT

К14 мГ К15 0.01

0.01 К16 Ml К17 Ш K1S m K1S М1 К20 0.01

& 1 & 2

& 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & В & 5

Коробление

мм. град.

0.021 0

0.037 180

0.059 130

0.123 0

0.166 144

0.134 324

0.156 324

0.268 144

0.311 216

Ш 10 0.23 36

и 11 0.23 36

ш 12 0.311 216

И 13 0.268 288

И 14 0.156 108

И 15 0.134 108

Щ 16 0.166 288

Щ 17 0.123 72

Е2 18 0.059 252

Ш 19 0.037 252

Ц 20 0.021 72

Расчет

Суммарное коробление: 0.174 216

Рис. 4. Рабочее окно программы

Dsh2 — диаметр шатунных шеек, мм;

^ — радиус галтелей коренных шеек, мм;

^2 — радиус галтелей шатунных шеек, мм;

Эу — энергия удара бойка, Дж;

D1 — диаметр сферического участка бойка при чеканке галтелей КТ, мм;

D2 — диаметр сферического участка бойка при чеканке галтелей ТТ, мм;

psy — коэффициент, зависящий от полноты обработки щеки (возможен как автоматический расчет, так и ручной ввод коэффициентов у. Для ручного ввода необходимо отметить галочкой «Ручной ввод» и ввести значения коэффициентов у);

К — коэффициент, зависящий от особенностей конструкции КВ, определяется экспериментально.

Для того чтобы произвести расчет величины и направления вектора коробления, необходимо нажать кнопку «Расчет».

В результате в блоке «Коробление» выводится величина и направление вектора коробления вала после обработки каждой единичной галтели. В нижней части этого блока выводится суммарное коробление вала и направление вектора суммарного коробления. Величина и направление суммарного коробления получаются при суммировании величин коробления от тех галтелей, номера которых отмечены галочкой.

В рабочее окно программы были введены данные КВ двигателя WH, а также режимы ручной чеканки. В результате теоретическая (расчетная) суммарная величина коробления КВ после чеканки 19 галтелей составила 5 = 0,498 мм, вектор коробления направлен под углом а = 219°. Отклонение расчетной величины суммарного коробления КВ от экспериментальной составило 10,4%, отклонение направления вектора коробления — 19,2%.

Были построены экспериментальная и теоретическая (расчетная) кривые величины коробления КВ двигателя WH в зависимости от расстояния галтелей до опор, т. е. от номера галтели (рис.5). Кривые носят волнообразный характер. Несовпадение экспериментальных и теоретических точек составляет в среднем 43,3%. Результат можно признать удовлетворительным с учетом того, что чеканка галтелей осуществлялась вручную. При ручной чеканке выдержать ее режим неизменным (энергию удара, шаг пластических отпечатков) при обработке различных галтелей практически невозможно. Следовательно, разработанная программа удовлетворительно описывает процесс коробления КВ.

С помощью данной программы было исследовано влияние различных факторов на величину коробления коленчатого вала. За основу был принят «идеальный» коленчатый вал, который симметричен относительно середины средней ТТ (не считая крайних коренных шеек), диаметры КТ и ТТ равны между собой (54 мм), радиусы галтелей коренных и шатунных шеек равны меж собой (3 мм), а толщина щек одинакова (19,6 мм). Радиус кривошипа — 38,7 мм.

На рис.6 приведены кривые зависимости величины коробления КВ от энергии удара при чеканке различных галтелей. Из рис.6 следует, что с увеличением энергии удара Эу при обработке одиночных галтелей величина коробления КВ растет. Причем чем ближе к середине КВ расположена обрабатываемая галтель, тем сильнее влияние энергии удара на величину коробления. Однако суммарное коробление от обработки галтелей 1-20 растет незначительно, так как векторы коробления от упрочнения одиночных галтелей в значительной мере компенсируют друг друга.

£

СО 1,6

1,4

■Экспер. кривая

■Теор. кривая, К=0,0б

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 № галт.

Рис.5. Экспериментальная и теоретическая зависимости величины коробления КВ от расстояния галтелей до опор (от номера галтели)

Рис.6. Кривые зависимости величины коробления КВ от энергии удара: 1 — при чеканке галтели 1; 5 — при чеканке галтели 5; 10 — при чеканке галтели 10; cумма 1 -20 — при чеканке галтелей 1 -20

«з

0,16

0.14

ОД 2

ОД

о.оа

О .Об

0.04

0.02

"Л--*

Е- ;

--- » »-- --- 1-*

-Ж-5

-10

Сумма 1-20

48

51

54

57

60

63

66

69

72

Бь мм

Рис.7. Кривые зависимости величины коробления КВ от диаметра КШ: 1 — при чеканке галтели 1; 5 — при чеканке галтели 5; 10 — при чеканке галтели 10; cумма 1 -20 — при чеканке галтелей 1 -20

На рис.7 приведены кривые зависимости величины коробления КВ от диаметра коренных шеек. Видно, что с увеличением диаметра КТ при обработке одиночных галтелей величина коробления КВ растет. Как и в предыдущем случае, чем ближе к середине КВ расположена обрабатываемая галтель, тем сильнее влияние диаметра КТ на величину коробления. Суммарное коробление от обработки галтелей 120 растет более заметно, чем в предыдущем случае.

На рис.8 приведены кривые зависимости величины коробления КВ от радиуса галтели КТ.

Из рис.8 следует, что с увеличением радиуса галтели КТ при обработке одиночных галтелей величина коробления КВ растет. Причем чем ближе к середине КВ расположена обрабатываемая галтель, тем сильнее влияние радиуса галтели на величину коробления. Обращает на себя внимание соизмери-

мость величины коробления КВ от диаметра КТ и от радиуса галтели КТ. Причем, в отличие от предыдущих случаев, суммарная величина коробления от упрочнения галтелей 1,4,5,8,9,12,13,16,17,20 значительно превышает величину коробления КВ от упрочнения одиночных галтелей.

На рис.9 приведены кривые зависимости величины коробления КВ от толщины щек.

Из рис.9 следует, что с увеличением толщины щек величина коробления КВ резко уменьшается. Эта зависимость усиливается с приближением обрабатываемой галтели к середине вала. При совместной обработке галтелей 1-20 эта зависимость уменьшается.

С помощью данной программы была рассчитана величина суммарного коробления при чеканке всех галтелей «идеального» КВ. Она составляет 0,133 мм, вектор коробления направлен под углом а = 36°.

Рис. 8. Кривые зависимости величины коробления КВ от радиуса галтели КШ: 4 — при чеканке галтели 4; 5 — при чеканке галтели 5; 9 — при чеканке галтели 9; cумма 1,4,5,8,9,12,13,16,17,20 — при чеканке галтелей 1,4,5,8,9,12,13,16,17,20

Рис.9. Кривые зависимости величины коробления КВ от толщины щек: 1 — при чеканке галтели 1; 5 — при чеканке галтели 5; 10 — при чеканке галтели 10; сумма 1 -20 — при чеканке галтелей 1 -20

При чеканке всех галтелей КВ двигателя WH расчетная величина коробления составляет 0,461 мм, угол а = 216°.

Так как даже при чеканке галтелей «идеального» КВ возникает значительное (недопустимое) коробление, то встает задача разработки операции чеканки галтелей КВ таким образом, чтобы свести величину коробления к

допустимой. Для решения этой задачи следует обрабатывать различные галтели КВ с различной энергией удара. В таблице представлена такая комбинация различных энергий удара Эу для различных галтелей КВ двигателя WH, которая позволила свести величину коробления КВ до величины 5 = 0,002 мм при направлении вектора коробления а = 36°.

Энергия удара для чеканки галтелей КВ двигателя WH

№ галт. Эу, Дж

1 22

2,3 22

4,5 20

6,7 20

8,9 23

10,11 16

12,13 23

14,15 20

16,17 20

18,19 22

20 22

Заключение

Таким образом, компьютерное исследование процесса коробления пространственных коленчатых валов с пятью шатунными шейками показало следующее:

— основное влияние на величину коробления КВ оказывает силовой фактор — энергия удара Эу, а также особенности геометрии КВ и схема взаимного расположения опор КВ, упрочняемой галтели и сечения, где измеряется величина коробления;

— даже при чеканке галтелей «идеального» пространственного КВ возникает значительное (недопустимое) коробление КВ.

С помощью разработанной компьютерной программы возможно:

а) производить компьютерное исследование влияния различных факторов на величину коробления пространственных КВ с пятью шатунными шейками с любой комбинацией размеров их конструктивных элементов и из любого металла, что в принципе невозможно исследовать экспериментально;

б) еще на стадии проектирования операции упрочнения галтелей ППД рассчитать ожидаемые величину коробления и направление коробления, а также подобрать такую комбинацию режимов упрочняемых галтелей, когда величина суммарного коробления будет минимальна.

1. Усков В.П. Справочник по ремонту базовых деталей двигателей. Брянск, 1998. 589 с.

2. Емельянов В.Н., Ефремов С.А. Экономическая эффективность упрочнения галтелей коленчатых валов ППД // Автомобильная промышленность. 2003. №4. C.28-31.

3. Емельянов В.Н. Коробление коленчатых валов при упрочнении галтелей и способы их правки // Автомобильная промышленность. 1998. №1. С.25-27.

4. Емельянов В.Н. Основные положения теории коробления коленчатых валов при упрочнении их галтелей и правке поверхностным пластическим деформированием // Вестник НовГУ. Сер.: Естеств. и техн. науки. 1997. №5. С.29-34.

5. Емельянов В.Н., Романов И.В. Коробление пространственных коленчатых валов при чеканке галтелей // Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня: Мат. 13-й Междунар. науч.-практ. конф. В 2 ч. Ч.2. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. C.118-121.

Bibliography (Transliterated)

1. Uskov V.P. Spravochnik po remontu bazovykh detalei dvi-gatelei. Briansk, 1998. 589 s.

2. Emel'ianov V.N., Efremov S.A. Ekonomicheskaia effek-tivnost' uprochneniia galtelei kolenchatykh valov PPD // Avtomobil'naia promyshlennost'. 2003. №4. C.28-31.

3. Emel'ianov V.N. Koroblenie kolenchatykh valov pri up-rochnenii galtelei i sposoby ikh pravki // Avtomobil'naia promyshlennost'. 1998. №1. S.25-27.

4. Emel'ianov V.N. Osnovnye polozheniia teorii korobleniia kolenchatykh valov pri uprochnenii ikh galtelei i pravke poverkhnostnym plasticheskim deformirovaniem // Vestnik NovGU. Ser.: Estestv. i tekhn. nauki. 1997. №5. S.29-34.

5. Emel'ianov V.N., Romanov I.V. Koroblenie prostranst-vennykh kolenchatykh valov pri chekanke galtelei // Tekhno-logii remonta, vosstanovleniia i uprochneniia detalei mashin, mekhanizmov, oborudovaniia, instrumenta i tekh-nologicheskoi osnastki ot nano- do makrourovnia: Mat. 13-i Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. V 2 ch. Ch.2. SPb.: Izd-vo Politekhn. un-ta, 2011. S.118-121.