Расчёт шатунной шейки коленчатого вала проводим в соответствии с методикой принятой на кафедре: «Тепловые двигатели и энергетические установки» Владимирского государственного университета.
Рассмотрим расчётную схему наиболее нагруженного кривошипа, которую определили по результатам динамического расчёта:[1]
|
|
|
Рис. 1. Расчетная схема |
Длина коренных шеек коленчатого вала: левая lкш.L =28 мм; правая – lкш.P = 28 мм; диаметр коренной шейки dкш= 51 мм; толщина щек hL=hP = 15мм; ширина щек в районе перекрытия b= 70 мм; длина шатунной шейки lшш = 24 мм; диаметр ее dшш= 48 мм, радиус галтели в сопряжении шеек со щекой r = 2 мм, масса противовеса mпр=0,318 кг, приведенная масса щеки (mщ)r=0,04 кг, lкр=82 мм. В коренных и шатунных шейках имеются отверстия для подачи масла к вкладышам подшипников диаметром aкш = 6 мм и aшш = 6 мм. RyL,RyP, RxL, RxP- реакции на опорах от действия сил в плоскости кривошипа; KrщL=KrщP- центробежные силы инерции щеки; KrпрL= KrпрP-центробежные силы инерции неуравновешенных масс противовесов; Krшш- центробежная сила инерции массы шатунной шейки; Krш- центробежная сила инерции части массы шатуна, отнесенной к оси шатунной шейки; таким образом в центре шатунной шейки действует центробежная сила Krш+Krшш.
Запасы прочности шатунной шейки определим в месте сопряжения со щекой (сечение I-I). По результатам динамического расчета известно (расчет не приводится), что на режиме номинальной мощности наибольший крутящий момент равен 
288,5 Н·м, при φ=3750ПКВ; минимальный –
-169,5 Н·м при φ=450ПКВ [1].
Момент сопротивления при кручении шатунной шейки в сечении I-I равен 
; dш.ш. = 48 мм – диаметр шатунной шейки в сопряжении со щекой; δ =0 мм, λ=1.
Момент сопротивления в сечении I-I равен:[2]
=21,7·10-6 м3.
Максимальное и минимальные касательные напряжения равны:
13,29 МПа;
-7,81 МПа.
Определим амплитудное и среднее напряжения:
10,55 МПа;
2,74 МПа.
При отношении радиуса галтели к диаметру шатунной шейки при переходе к щеке r/d= 2/48= 0,042 (Kτ)Д= 3,8; β = 0,89; ψτ = 0,464.[2] Таким образом, частный запас прочности шатунной шейки в сечении I-I (по галтели при переходе от шейки к щеке) при кручении равен [2]
4,27
Действительный запас прочности равен
Определим напряжения в сечениях I-I шатунной шейки от действия изгибающих моментов.
Для расчета шатунной шейки на изгиб из условий равновесия определим реакции на опоры А и В. (см. рис. 1) Изгибающий момент в сечении сопряжения шатунной шейки со щекой (сечение I-I) от сил, действующих в плоскости кривошипа (момент относительно оси x), равен:
от максимальных сил
от минимальных сил
В плоскости, перпендикулярной плоскости кривошипа, (положительный знак момента принимается, если верхние волокна вала, обращенные к положительному направлению оси x, находятся в сжатой зоне):
от максимальных сил
;
от минимальных сил
.
Шатунная шейка имеет круглое поперечное сечение, то определить напряжения от изгиба можно от суммарного изгибающего момента (косой изгиб не возникает). Поэтому напряжение может быть найдено по формуле
где MΣ – суммарный изгибающий момент; W= 2Ix/dш.ш. = 10,83·10-6 м3– момент сопротивления поперечного сечения при изгибе.
Осевой момент инерции шатунной шейки в сечении I-I 
.
Поскольку от максимальных сил максимальный изгибающий момент равен:
Н·м
От минимальных сил:
Н·м
Максимальное и минимальное напряжение в сечений I-I
МПа.
= 4МПа.
Вычислим амплитудное и среднее напряжения при изгибе в сечении I-I
σa = (26,3-4)/2=11,15 МПа; σm = (26,3+4)/2= 15,15МПа.
Запас прочности при изгибе в сечении I-I определяется по формуле
где, при r/h = 2/15= 0,133 эффективный коэффициент концентрации напряжений с учетом масштабного фактора (Kσ)Д=3,9, β=1,3 (обкатка роликами) ,ψσ=0,464[2]
Общий запас прочности шатунной шейки в сечении I-I равен
