Klikový hřídel: 9 důležitých faktů, které byste měli vědět

Obsah: Klikový hřídel

• Co je klikový hřídel?
• Materiál a výroba klikových hřídelí
• Diagram klikového hřídele
• Postup návrhu klikového hřídele
• Průhyb klikového hřídele
• Vynesení křivky vychýlení klikového hřídele
• Případová studie selhání lodního klikového hřídele
• Analýza poruch klikového hřídele nafty Boxer: případová studie
• Analýza selhání únavy klikového hřídele: recenze
• Porucha klikového hřídele vznětového motoru: Případová studie

Co je klikový hřídel?

"Klikový hřídel je hřídel poháněný klikovým mechanismem, který zahrnuje řadu klik a klikových čepů, ke kterým jsou připojeny ojnice motoru." Jedná se o mechanickou část schopnou provádět převod mezi vratným pohybem a rotačním pohybem. Pístový motor převádí vratný pohyb pístu na rotační formu, i když v pístovém kompresoru to převádí opačně, což znamená rotační na pístové formy. Během této změny mezi dvěma pohyby mají klikové hřídele „klikové hřídele“ nebo „klikové čepy“ další dosedací plochu, jejíž osa je přesazena od kliky, ke které je připevněn „velký konec“ ojnice od každého válce. “

Klikový hřídel lze popsat jako součást používanou k přeměně vratného pohybu pístu na hřídel na rotační pohyb nebo naopak. Jednoduše řečeno, je to hřídel s klikovým připevněním.

Typický klikový hřídel se skládá ze tří částí:

1. Část hřídele, která se otáčí uvnitř hlavních ložisek.
2. Klikové čepy
3. Kliky nebo ramena.

To je rozděleno do dvou typů podle polohy kliky:

1. Boční klikový hřídel
2. Středový klikový hřídel

Klikový hřídel lze dále rozdělit na klikové hřídele s jedním a více klikami v závislosti na počtu. klik na hřídeli. Klikový hřídel, který má pouze středovou kliku nebo jednostrannou kliku, je označován jako klikový hřídel s jedním házením. Klikový hřídel se 2 nebo více středovými klikami nebo '2' bočními klikami, '1' na každém konci, je rozpoznán jako „klikové hřídele s více vřeteny“. Konfigurace boční kliky zahrnuje geometrickou jednoduchost, je poměrně snadné je vyrobit a sestavit. Mohou být použity s jednoduchými kluznými ložisky a jsou relativně levnější než klikový hřídel Center.

Konfigurace středové kliky zajišťuje lepší stabilitu a vyvážení sil s nižšími indukovanými nižšími napětími. Jejich výrobní náklady jsou vysoké a pro montáž je zapotřebí dělené ojniční ložisko. U aplikací, které vyžadují více pístů pracujících ve fázi, lze klikový hřídel s více vrháním vyvinout umístěním několika středů kliky vedle sebe ve specifikovaném pořadí podél společné středové osy otáčení. Hody jsou rotačně indexovány, aby poskytly požadované fázování.

Víceválcové spalovací motory, jako jsou řadové motory a motory řady V, využívají vícenásobný klikový hřídel. Všechno typy klikových hřídelí Vyzkoušejte dynamické síly generované rotujícím excentrickým středem hmoty na každém klikovém čepu. Často je nutné použít protizávaží a dynamické vyvážení, aby se minimalizovaly otřesové síly, tažná síla a kyvné páry generované těmito setrvačnými silami.

Materiál a výroba klikových hřídelí:

Klikový hřídel často zažívá otřesy a únavu. Materiál klikového hřídele tedy musí mít větší houževnatost a lepší odolnost proti únavě. Obvykle jsou produktem uhlíkové oceli, určitých ocelí nebo litinových materiálů. U motorů používaných v průmyslu se klikové hřídele obvykle vyrábějí z uhlíkové oceli, jako jsou 40-C-8, 55-C-8 a 60-C-4.

V dopravním motoru se k přípravě klikových hřídelí běžně používá manganová ocel, tj. 20-Mn-2, 27-Mn-2 a 37-Mn-2. V leteckých motorech se pro výrobu klikového hřídele obvykle používá nikl-chromová ocel, jako je 35-Ni-1-Cr-60 a 40-Ni-2-Cr-1-Mo-28. 

Klikové hřídele se obvykle dokončují zápustkovým kováním nebo litím. Povrchové vytvrzení klikového čepu je dokončeno procesem nauhličování pouzdra, nitridováním nebo indukčním kalením. Vybrané materiály klikového hřídele musí splňovat jak požadavky na pevnost konstrukce, tak požadavky na opotřebení v místě uložení.

U typické aplikace klikového hřídele jsou k ojnici nebo rámu připevněna měkká, tvárná pouzdra, takže materiál klikového hřídele musí mít schopnost poskytovat tvrdý povrch v místech uložení. Mnoho materiálů může splňovat požadavky na konstrukční pevnost, ale zajištění odolnosti proti opotřebení v místech uložení zužuje seznam přijatelných kandidátů.

Kvůli asymetrické geometrii bylo mnoho klikových hřídelů vyrobeno odlitím nebo kováním „polotovaru“, který má být později opracován. V některých aplikacích se používají vestavěné svařence. Pro klikové hřídele se tradičně používá litina, litá ocel a tvářená ocel. Použití selektivně nauhličených a kalených nosných ploch je také každý den. 

Postup návrhu klikového hřídele

Při návrhu je třeba dodržet následující postup.

1. Vypočítejte velikost různých zatížení působících na klikový hřídel.
2. Podle zatížení vypočítejte vzdálenost mezi nosnými konstrukcemi a polohami.
3. Pro jednoduchou a bezpečnou konstrukci musí být hřídel podepřena ve středu ložiska a v těchto bodech musí být působeny všechny síly a reakce. Vzdálenost mezi podpěrami závisí na délce ložiska, která obvykle závisí na průměru hřídele od přípustných tlaků ložiska.
4. Očekává se, že tloušťka pásů bude od 0.4ds do 0.6ds, kdekoli „ds“ je průměr hřídele. Obvykle se považuje za 0.22 * D až 0.32 * D, kde D je průměr díry válce v mm.
5. Zde a teď odhadněte vzdálenost mezi nosnými strukturami.
6. Za předpokladu přijatelného ohybového a smykového napětí pro materiál klikové hřídele najděte rozměr klikového hřídele.

Průhyb klikového hřídele

Klikový hřídel se skládá z hlavních segmentů hřídele, jednotlivě vyztužených hlavním ložiskem, a poté z několika hřídelí pásu, na kterých se bude otáčet konkrétní pístní ojnice. Vrhací klika, kterou jsou čepy kliky a spojovací ramena, musí být čtvercová bez vychýlení. Pokud tomu tak není, způsobuje neobvyklé opotřebení hlavních ložisek. Úchylkoměr detekuje vychýlení klikového hřídele mezi klikami. Jedná se o nerovnoměrné opotřebení, ke kterému dochází mezi několika segmenty centrální osy klikového hřídele.

Vynesení křivky výchylky klikové hřídele

• Ze středové osy klikového hřídele je rovnoběžně s ní nakreslena přímka a poté jsou k této rovnoběžce nakresleny kolmé čáry z každé jednotky.
• Po zjištění vychýlení klikové hřídele každé jednotky jsou odvozené hodnoty zaznamenány nad každou jednotkou klikového pásu ve výše uvedeném grafu.
• Nakreslete vzdálenost -5.0 mm, což je první odečet odchylky, dolů (pro zápornou hodnotu a nahoru pro kladnou hodnotu) od referenční čáry na středovou čáru jednotky a čáru „ab“, která je v úhlu úměrném průhyb na „a“.
• Tato čára je prodloužena tak, aby protínala středovou čáru další jednotky. Dalším krokem je výpočet průhybu od tohoto bodu spoje a spojení bodu z předchozího bodu, který bude eskalovat k přímce „bc“. Kroky je třeba opakovat až do dokončení.
• Vyneste hladkou křivku mezi tyto body a porovnejte polohu této křivky s ohledem na základní linii XY. Ve výše uvedeném grafu je křivka čerpaná z hodnot jednotek 1 a 2 příliš daleko od základní linie ve srovnání se zbytkem křivky, a proto vyžaduje pozornost.

Případová studie poruchy klikového hřídele na moři

Provedená případová studie se týká tragického selhání lodního klikového hřídele. Kliková hřídel je vystavena vysokému ohybu a kroucení a je analyzován její kombinovaný účinek na poruchu klikové hřídele. Mikroskopické pozorování naznačovalo, že iniciace trhlin začala na klikovém filetu v důsledku rotačního ohýbání a šíření bylo kombinací cyklického ohýbání a stálého kroucení. Počet cyklů od zahájení trhlin po konečné selhání klikového hřídele byl zjištěn odečty hlavní činnosti motoru na palubě. Berou se v úvahu referenční hodnoty ponechané na povrchu únavové trhliny.

Použitím lineární pružné lomové mechaniky vypočítané cykly ukázaly, že šíření bylo rychlé. Ukazuje také, že úroveň napětí v ohybu byla poměrně vysoká ve srovnání s celkovými cykly hlavního motoru v provozu. Poruchy nebo inkluze mikrostruktury nebyly pozorovány; Znamená to tedy, že porucha byla způsobena vnější příčinou, a nikoli vnitřní vnitřní vadou.

Materiál klikové hřídele měl konfiguraci (42CrMo4 + Ni + V) (chemické složení,%: C = 0.39; Si = 0.27; Mn = 0.79; P = 0.015; S = 014; Cr = 1.14; Mo = 0.21; Ni = 0.45; V = 0.10). Kliková hřídel hlavního motoru je poškozená. Klika č. 4 se zlomil. Byl analyzován materiál v blízkosti iniciační oblasti praskliny a vykazoval bainitickou mikrostrukturu. Materiál měl tvrdost vickers285.

Únava vypadá, jako by na dvou různých površích, jedné svislé k klikovému hřídeli a druhé v horizontální rovině s klikovým hřídelem s přepínacími zónami mezi dvěma rovinami. Tragická porucha výše uvedené námořní klikové hřídele byla tedy způsobena únavou a kombinována s rotujícím ohybem se stálým kroucením. Probíhá výzkum, pozorování a vývoj nových klikových hřídelí, aby se zabránilo tomuto typu selhání.

Reference:

Fonte MA, Freitas MM. Analýza selhání klikového hřídele hlavního motoru: Případová studie, Engineering Failure Analysis 16 (2009) 1940–1947

Analýza poruch klikového hřídele nafty Boxer: případová studie

Zpráva se týká analýzy poruchového režimu klikové hřídele vznětového motoru boxer. Kliková hřídel je komponenta, u které dochází k vyššímu komplexnímu dynamickému zatížení díky rotačnímu ohybu doplněnému kroucením a ohybem na klikovém čepu. Klikové hřídele jsou vystaveny víceosému zatížení. Napětí v ohybu a smykové napětí v důsledku zkroucení a torzního zatížení v důsledku přenosů energie. Klikové hřídele jsou vyrobeny z kované oceli, tvárné litiny a temperované tvárné litiny.

Měly by mít přiměřenou pevnost, houževnatost, tvrdost a vysokou únavovou pevnost. Musí být snadno obrobitelné, tepelně ošetřitelné a tvarovatelné. Tepelné zpracování zvyšuje odolnost proti opotřebení; všechny klikové hřídele nafty jsou tedy tepelně zpracovány. Jsou povrchově tvrzené pro zvýšení únavové pevnosti. V kritických zónách, jako jsou filé pásu, jsou pozorována velká napětí a účinky odstředivé síly v důsledku přenosu energie a vibrací. Únavový lom v blízkosti oblasti zaoblení pásu je hlavní příčinou selhání klikového hřídele od vzniku trhliny a šíření probíhá touto zónou. 

Specifikace klikového hřídele motoru skříně jsou: zdvih = 2000 cu. cm, průměr válce = 100 mm, maximální výkon = 150 HP, maximální točivý moment = 350 N m. Bylo pozorováno, že po 95,000 2000 km v provozu dochází k poruše klikového hřídele. K únavovému selhání došlo u téměř XNUMX XNUMX vyrobených motorů. Po analýze bylo poznamenáno, že hlavní příčinou selhání klikového hřídele byla slabost dvou středových ocelových skořepin a výtěžek mostů základové desky v důsledku praskání.

Amplituda ohybu klikového hřídele se zvyšuje ze slabosti prasklých ocelových skořápek a můstků základové desky, které jsou pod nimi. Určitě nebyly žádné důkazy o materiálních vadách nebo vychýlení hlavních ložisek čepu. Ničivá porucha klikového hřídele byla způsobena chybnou konstrukcí ocelových nosných skořepin a mostů základové desky. Vylepšený design od výrobce tento problém vyřeší.

Reference:

M. Fonte a kol., Analýza selhání klikového hřídele dieselového motoru boxer, Analýza selhání techniky 56 (2015) 109–115.

Analýza selhání únavy klikového hřídele: recenze

V tomto článku je hlavní příčina zlomení klikové hřídele vzduchového kompresoru analyzována pomocí různých metod a parametrů, jako je chemické složení, mechanické vlastnosti, makroskopické, mikroskopické charakteristiky a teoretické výpočty. Tato práce se rovněž zaměřuje na zlepšení konstrukce, únavové pevnosti a spolehlivosti práce klikového hřídele. Klikovou hřídelí použitou v této studii je ocel 42CrMo, která je kovaná a tepelně zpracovaná a nitridovaná pro zvýšení únavové pevnosti klikového hřídele. Postup analýzy příčiny zlomení klikového hřídele se provádí ve třech částech:

• Experimentální analýza klikové hřídele
• Makroskopické vlastnosti a analýza mikrostruktury
• Teoretické výpočty

Analýza chemických prvků se provádí za účelem přesného určení chemického složení materiálu klikového hřídele a kontroly, zda jsou pod standardními přípustnými hodnotami. To se provádí pomocí spektrometru. Zlomené povrchy jsou rozděleny do tří oblastí: (1) oblast iniciace únavové trhliny, (2) oblast únavové expanze a (3) oblast statického lomu.

Během analýzy bylo zjištěno, že rychlost růstu únavových trhlin je vysoká v důsledku vysokého ohybu. Nesouosost hlavních čepů a malé zaoblení vůči mazacímu otvoru jsou hlavními příčinami vysokého ohybu. Únavová trhlina byla iniciována na okraji mazacího otvoru a vedla tak k lomu. Stopy po pláži způsobené malým přetížením v důsledku spouštění a zastavování kompresoru nebyly viditelné. V určitém rotačním cyklu po období standardní práce dochází k mikrotrhlinám v důsledku vysoké ohybové napětí na zaoblení mazacího otvoru se objevila koncentrace. Klikový hřídel se však stále může blížit normálnímu provoznímu stavu.

Jak se doba provozu neustále zvyšovala, fluktuace se také zvyšovala, což vedlo k šíření trhlin do oblasti statického lomu, což vedlo k úplnému selhání. Mikroskopické pozorování povrchu lomu bylo měřeno pomocí skenovací elektronové mikroskopie (SEM), která ukázala, že prasklina na okraji mazacího otvoru byla důvodem k rozbití klikového hřídele. Podle teoretického výpočtu se získá křivka bezpečnosti pro oblast mazacího otvoru a zaoblení, která pomáhá identifikovat nejslabší úseky.

Zlepšením kvality povrchu a snížením drsnosti povrchu lze zvýšit spolehlivost klikového hřídele. Správné vyrovnání hlavních čepů sníží vyvolané napětí v ohybu a zvýší únavovou životnost klikového hřídele.

Reference:

W.Li et al., Analýza únavového selhání klikového hřídele, Analýza technického selhání 55 (2015) 139–147.

Porucha klikového hřídele vznětového motoru: Případová studie

V tomto článku je provedena analýza poruch, modální a napěťová analýza klikového hřídele dieselového motoru. K vyhodnocení lomu materiálu klikového hřídele byla provedena vizuální kontrola i vyšetřování. Použitým motorem byl S-4003 a jeho kliková hřídel byla prasklá poblíž klikového čepu čtyři po 5500 hodinách provozu. Klikový hřídel byl rozbit po asi 30 až 700 hodinách provozu motoru. Další analýza ukázala přítomnost mikrotrhlin v blízkosti 2. klikového čepu a 2. čepu. Studie ukázala, že hlavním důvodem selhání byl vadný proces broušení.

Pro další experimentální analýzu byl vzorek vyříznut z poškozené části. K identifikaci příčin náhlého selhání klikového hřídele byla použita nelineární analýza konečných prvků. Analýza byla provedena pro stanovení napětí vyvolaných v hřídeli v důsledku podmínek cyklického zatížení, když motor běží na maximální výkon.

Numerická analýza slouží k nalezení vztahu mezi ojnicí a klikovým hřídelem pomocí složitých okrajových podmínek. Pro stanovení režimů a frekvence volných vibrací byla provedena numerická modální analýza klikového hřídele.

Po analýze bylo pozorováno, že hodnota napětí v zaoblení klikového čepu č. 4 byla asi 6% meze kluzu materiálu klikového hřídele. Modální analýza poskytla výsledek, že během druhého režimu volných vibrací byla nalezena oblast s vysokým napětím v oblasti, kde došlo ke generování trhlin (kritická zóna).

Při dalším pozorování bylo zjištěno, že k selhání klikového hřídele došlo rezonančními vibracemi generovanými v důsledku nevyvážených hmot na hřídeli, což vyvolalo podmínky vysokého cyklického namáhání, což způsobilo snížení únavové životnosti klikového hřídele.

Reference:

Lucjan Witek a kol., Vyšetřování poruch klikového hřídele vznětového motoru, Procedia Structural Integrity 5 (2017) 369–376

Vědět o pevnosti materiálu klikněte zde

Hakimuddin Bawangaonwala

Jsem Hakimuddin Bawangaonwala, strojní inženýr s odbornými znalostmi v oblasti mechanického návrhu a vývoje. Dokončil jsem M. Tech v konstrukčním inženýrství a mám 2.5 roku zkušeností s výzkumem. Dosud byly publikovány dva výzkumné články o tvrdém soustružení a analýze konečných prvků u zařízení pro tepelné zpracování. Mou oblastí zájmu je konstrukce strojů, pevnost materiálu, přenos tepla, tepelné inženýrství atd. Zběhlý v CATIA a ANSYS softwaru pro CAD a CAE. Kromě výzkumu.