Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

В шатунах с прямым разъемом кривошипной головки крышки фиксируют от смещений в поперечном направлении шатунными болтами, на которых имеются призонные участки – участок стержня болта с увеличением диаметра, чтобы происходило центрирование крышки и кривошипной головки. Поскольку такие болты устанавливаются в отверстие кривошипной головки, а плотность стыка обеспечивается затяжкой шатунных болтов гайками, то такие болты называют закладными. Поэтому если жесткость кривошипной головки недостаточна, то деформация ее может вызывать изгибные напряжения в шатунных болтах. Это было показано в работах [1–3], однако причины появления изгибных напряжений в этих работах не были указаны. Заметим, что при исследовании напряжений в шатунных болтах можно найти коэффициент основной нагрузки резьбового соединения, который необходим для расчета шатунных болтов при действии переменной нагрузки.

Цель исследования

Исследовать напряженное состояние закладных шатунных болтов при затяжке (в процессе сборки) и при нагружении шатуна продольными силами.

Определить напряжения в закладных шатунных болтах шатунов с прямым разъемом кривошипной головки при затяжке болтов для обеспечения плотности стыка, а также коэффициент основной нагрузки резьбового соединения.

Материалы и методы исследования

Исследование будем проводить, опираясь на методику, приведенную в работах [1, 2]. Для пояснения сути исследования вкратце приведем порядок выполнения работы.

На внешней стороне стержня шатунных болтов наклеиваются тензорезисторы. Поскольку для расчета необходимы координаты точек измерения напряжений, то обычно их наклеивают в трех точках, расположенных по окружности через 120 ° (рис. 1). Если представить, что напряжения в поперечном сечении распределяются линейно, значения их в каждой точке можно представить в виде некоторых векторов, которые опираются на плоскость. Поэтому по оси z, направленной перпендикулярно плоскости, координаты трех точек A1, B1 и C1 (см. рис. 1) будут равны величине напряжений в этих точках . Если радиус участка болта, где наклеены тензорезисторы, равен r, то учитывая, что точки располагаются под углом 120 ° друг относительно друга, координаты их в осях x и y будут равны: A1(r; 0);

A1(r; 0), B1(-r/2; r); C1(-r/2, -r). Для произвольной точки: M(rcosj, rsinj, s) (см. рис. 1).

Рис. 1. Шатунный болт с тремя призонными участками: 1-1 и 2-2 – участки, на которых наклеиваются тензорезисторы

Уравнение плоскости, проходящей через три различные точки A1, B1 и C1, не лежащие на одной прямой, имеет вид [3]:

= 0. (1)

Уравнение (1) дает необходимое и достаточное условие принадлежности точки M(rcosα, rsinα, σ) этой плоскости.

Раскрыв определитель (1), получим уравнение для определения напряжения σ в произвольной точке. Исследуя это уравнение на экстремум, получим напряжение, равномерно распределенное по сечению (от растягивающей силы) равно среднему значению в точках A1, B1 и C1:

(2)

а максимальное или минимальное напряжения изгиба (изменяющиеся по линейному закону) имеют вид

(3)

Угол α₀, при котором напряжения достигают максимального или минимального значение, определяется по формулам [2, 3]:

(4)

Заметим, что напряжение изгиба определяется относительно плоскости, определяемой напряжениями растяжения по формуле (2). Поэтому минимальное напряжение вычисляется с отрицательным знаком. Ввиду этого максимальные и минимальные напряжения в поперечном сечении болта равны

(5)

Если после затяжки шатунных болтов усилием Qz к шатуну приложить внешнюю растягивающую нагрузку P, то общая нагрузка на один болт P_Σ будет равна

, (6)

где χ – коэффициент основной нагрузки резьбового соединения; коэффициент 0,5, так как разъем прямой и нагрузка воспринимается двумя болтами.

Разделив составляющие в зависимости (6) на площадь поперечного сечения стержня болта Fb, определим напряжение в сечении от действия усилия затяжки и приложенной к шатуну внешней нагрузки:

. (7)

Из зависимости (7) можно определить коэффициент основной нагрузки, если сначала замерить напряжения при затяжке шатунных болтов, а затем – отдельно при нагружении шатуна внешней силой P. Просуммировав напряжения от этих двух отдельных нагружений – сначала от усилия затяжки Qz, а затем от половины нагрузки на шатун 0,5P, определим σ_Σ. В этом случае χ равно

(8)

где Q_b = 0,5P/F_b.

Результаты исследования и их обсуждение

Для калибровки ключа предельного момента для затяжки шатунных болтов в начале испытаний болты вворачивались в резьбовое на пластине, а между пластиной и опорной поверхностью болта устанавливалась цилиндрическая втулка с наклеенными тензорезисторами [4, 5]. В результате калибровки была получена зависимость между моментом затяжки Mz = f(Qz).

В сечениях 1-1 и 2-2 (см. рис. 1), расположенных от опорной поверхности головки болта на расстояниях 50 мм и 100 мм, были наклеены тензорезисторы на внешней поверхности болта через 120 ° с базой 5 мм. Для измерения относительных деформаций использовался измеритель деформаций с погрешностью измерений единицы относительной деформации 20 ЕОД (1 ЕОД = 1·10^-6 относительной деформации ε). Площадь поперечного сечения болта в сечениях 1-1 и 2-2 равна Fb = 213,72·10^-6 м2.

В табл. 1 приведены результаты экспериментальных исследований по определению напряжений в сечении 1-1 стержня болта в точках A1, B1 и C1 (см. рис. 1), а также результаты расчетов по определению максимальных σ_max, минимальных σ_min напряжений и положения площадки, определяемого углом α₀, где они действуют (в расчетах использовался sinα₀), с использованием зависимостей (2)–(5). Кроме того, определены напряжения от растягивающей нагрузки σ_ras и напряжения изгиба σ_izg, а также соотношение их σ_izg/ σ_ras в процентах.

Результаты аналогичных экспериментальных исследований и расчетов распределения напряжений в нижнем сечении 2-2 при затяжке шатунных болтов приведены в табл. 2.

После окончательной затяжки шатунных болтов усилием 93500 Н, шатуны были установлены в испытательную машину, а шатун нагружался внешней продольной силой 20 кН; 30 кН и 40 кН. Результаты распределения напряжений в сечении 1-1 и 2-2 приведены в табл. 3 и 4.

Для того, чтобы определить, как повлияло внешнее нагружение на шатун на распределение напряжений в сечениях 1-1 и 2-2, просуммируем показания тензорезисторов при полной затяжке болтов усилием 93500 Н (последняя строка табл. 1 и 2) и при нагружении шатуна усилиями 20, 30 и 40 кН (табл. 3 и 4).

Таблица 1

Напряжения в шатунном болте при затяжке в сечении 1-1

Таблица 2

Напряжения в шатунном болте при их затяжке в сечении 2-2