Krumtapaksel: 9 vigtige fakta, du bør vide

Indhold: Krumtapaksel

  • Hvad er krumtapaksel?
  • Materiale og fremstilling af krumtapaksler
  • Krumtapdiagram
  • Procedure til krumtapdesign
  • Afbøjning af krumtapaksel
  • Afbøjning af krumtapakselplanlægning
  • Marine undersøgelse af krumtapakselfejl
  • Fejlanalyse af Boxer Diesel krumtapaksel: Case Study
  • Krumtapaksel Træthedsfejlanalyse: En gennemgang
  • Fejl i dieselmotorens krumtapaksel: En casestudie

Hvad er krumtapaksel?

”En krumtapaksel er en aksel, der drives af en krumtapmekanisme, der involverer en række krumtap og krumtapstifter, hvortil motorens forbindelsesstænger er fastgjort. Det er en mekanisk del, der er i stand til at udføre en konvertering mellem frem- og tilbagegående bevægelse og rotationsbevægelse. En frem- og tilbagegående motor konverterer stempelets frem- og tilbagegående bevægelse til den roterende form, skønt den i en stempelkompressor oversætter den modsatte måde betyder roterende til stempelform. Under denne ændring mellem to bevægelser har krumtapakslerne "krumtapkaster" eller "krumtapstifter" yderligere lejeoverflade, hvilken akse er forskudt fra krumtappen, hvortil den "store ende" af forbindelsesstangen fra hver cylinder er fastgjort. "

En krumtapaksel kan beskrives som en komponent, der bruges til at konvertere stemplets frem- og tilbagegående bevægelse til akslen til roterende bevægelse eller omvendt. Med enkle ord er det en skaft med en krumtapfastgørelse.

En typisk krumtapaksel består af tre sektioner:

  1. Akselsektionen, der drejer inde i hovedlejerne.
  2. Krumtapnålene
  3. Svingarmene eller vævene.
Slide2
https://en.wikipedia.org/wiki/Crankshaft

Dette er kategoriseret i to typer efter krumtaposition:

  1. Side krumtapaksel
  2. Center krumtapaksel

Krumtapakslen kan yderligere kategoriseres i enkeltkast-krumtapaksler og multikast-krumtapaksler afhængigt af nej. krumtap i akslen. En krumtapaksel, der kun har center krumtap eller ensidig krumtap, er berettiget til krumtap med enkeltkast. En krumtapaksel med 2 eller flere center krumtap eller '2' side krumtap, '1' i hver ende anerkendes som "multi-throw krumtapaksler". Side-krumtapkonfigurationen inkluderer geometrisk enkelhed, er forholdsvis enkle at fremstille og samle. De kan bruges med enkle glidelejer og er relativt billigere end Center krumtapaksel.

Center krumtapkonfigurationen giver bedre stabilitet og afbalancering af kræfter med lavere inducerede lavere belastninger. Deres produktionsomkostninger er høje, og der kræves et delt forbindelsesstangeleje til montering. Anvendelser, der kræver flere stempler, der arbejder i fase, en multikast-krumtapaksel kan udvikles ved at placere flere centre krumtap side om side i en specificeret rækkefølge langs en fælles rotationslinje. Kastene er roteret indekseret for at give den ønskede fasning.

Multicylindrede forbrændingsmotorer som f.eks. Inline- og V-seriemotorer bruger multi-throw krumtapaksel. Alle typer krumtapaksler Oplev dynamiske kræfter genereret af det roterende excentriske massecenter ved hver krumtapstift. Det er ofte nødvendigt at bruge modvægte og dynamisk balancering for at minimere rystekræfter, trækkraft og svajende par genereret af disse inertikræfter.

Materiale og fremstilling af krumtapaksler:

Krumtapakslen oplever ofte stød og trættende belastningstilstand. Således skal krumtapakslens materiale have mere sejhed og bedre modstandsdygtighed over for træthed. De er normalt produkter af kulstofstål, visse stål- eller støbejernmaterialer. For motorer, der anvendes i industrien, genereres krumtapakslerne generelt af kulstofstål såsom 40-C-8, 55-C- 8 og 60-C-4.

I transportmotor anvendes manganstål, dvs. 20-Mn-2, 27-Mn-2 og 37-Mn-2, almindeligvis til at forberede krumtapakslerne. I flymotorer anvendes nikkel-chromstål såsom 35-Ni-1-Cr-60 og 40-Ni-2-Cr-1-Mo-28 generelt til fremstilling af krumtapakslen. 

Krumtapakslerne færdiggøres almindeligvis ved smedning eller støbning. Overfladehærdningen af ​​krumtappestiften afsluttes gennem sagen karburiseringsproces, nitrering eller induktions hærdningsproces. De valgte krumtapaksmaterialer skal opfylde både kravene til strukturel styrke og slidkrav på lejepladsen.

I den typiske anvendelse af krumtapakslen er bløde, duktile hylstre fastgjort til forbindelsesstangen eller rammen, så krumtapakselmaterialet skal have evnen til at tilvejebringe en hård overflade på lejestederne. Mange materialer kan opfylde kravene til strukturel styrke, men at give slidstyrke på lejestederne indsnævrer listen over acceptable kandidater.

På grund af den asymmetriske geometri er mange krumtapaksler blevet fremstillet ved støbning eller smedning af en "blank", der skal bearbejdes senere. Opbyggede svejsninger bruges i nogle applikationer. Traditionelt er støbejern, støbt stål og smedet stål blevet brugt til krumtapaksler. Brugen af ​​selektivt karburiserede og hærdede lejeoverflader er også hver dag. 

Procedure til krumtapdesign

Den efterfølgende procedure skal følges for design.

  1. Beregn størrelsen af ​​de forskellige belastninger, der virker på krumtapakslen.
  2. Beregn afstanden mellem støttestrukturer og positioner i henhold til belastningerne.
  3. For forenklet og sikkert design skal akslen understøttes i lejernes centrum, og alle kræfter og reaktioner skal påvirkes på disse punkter. Afstanden mellem understøtningerne er afhængig af længden af ​​lejet, som normalt afhænger af akselens dia i forhold til det tålelige lejetryk.
  4. Webets tykkelse forventes at være fra 0.4ds til 0.6ds, hvor "ds" er skaftets diameter. Det betragtes normalt som 0.22 * D til 0.32 * D, hvor D er cylinderens boringsdiameter i mm.
  5. Her og nu estimer afstanden mellem støttestrukturer.
  6. Antag de acceptable bøjnings- og forskydningsspændinger for krumtapakslemateriale, find dimensionen på krumtapakslen.

Afbøjning af krumtapaksel

Krumtapakslen består af de vigtigste akselsegmenter, individuelt forstærket af hovedlejet, og derefter adskillige webaksler, hvorpå den specifikke stempelforbindelsesstang vil dreje. Krumtappen, der er krumtapstifterne og forbindelsesarmene, skal være firkantede uden afbøjning. Hvis dette ikke er tilfældet, forårsager det usædvanligt slid på hovedlejerne. En måleur registrerer forkert justering af krumtapakslen mellem krumtaparmene. Det er den ujævne slitage, der opstår mellem de forskellige segmenter af krumtapakslens centrale akse.

Afbøjning af krumtapaksler

  • Fra krumtapakslens midterlinje trækkes en lige linje parallelt med den, og derefter trækkes vinkelrette linjer fra hver enhed mod denne parallelle linje.
  • Efter at have taget krumtapakslens afbøjning, noteres de afledte værdier over hver enhed på krumtapbanen i ovenstående graf.
  • Plot afstanden -5.0 mm, som er den første afbøjningslæsning, nedad (for negativ værdi og opad for positiv værdi) fra referencelinjen på enhedens midterlinje og få linjen "ab", der er i en vinkel, der er proportional med afbøjningen ved 'a'.
  • Denne linje udvides til at krydse centrumlinjen for den næste enhed. Det efterfølgende trin er at beregne afbøjningen fra dette ledpunkt og sammenføje punktet fra det foregående punkt, som vil eskalere til linjen "bc". Trinene skal gentages igen, indtil de er færdige.
  • Plot en glat kurve mellem disse punkter, og sammenlign denne kurves position i forhold til basislinjen XY. I ovenstående graf er kurven trukket fra aflæsningerne af enhed 1 og 2 for langt væk fra basislinjen sammenlignet med resten af ​​kurven og har derfor brug for opmærksomhed.
Krumtapakselbøjningskurve
Krumtapakselbøjningskurve

Marine krumtapaktionsfejl Casestudie

Den udførte casestudie handler om den tragiske fiasko af en web marine krumtapaksel. Krumtapakslen udsættes for høj bøjning og vridning, og dens kombinerede virkning på svigt på krumtapakslen analyseres. Den mikroskopiske observation foreslog, at revnedannelsen begyndte på krumtappens filet på grund af roterende bøjning, og udbredelsen var en kombination af cyklisk bøjning og stabil torsion. Antallet af cyklusser fra revnedannelse til krumtapakslens sidste fiasko blev fundet ved aflæsninger af hovedmotordriften om bord. Der tages højde for benchmarks, der er tilbage på overfladen af ​​træthedsrevner.

Ved at bruge den lineære elastiske brudmekanik afbildede de beregnede cyklusser, at udbredelsen var hurtig. Det viser også, at niveauet for bøjningsspænding var ret højt sammenlignet med de samlede cyklusser for hovedmotoren i drift. Fejl eller indeslutninger i mikrostrukturen blev ikke observeret; det indikerer således, at fejlen skyldtes ekstern årsag og ikke den indre indre defekt.

Krumtapakslens materiale havde konfiguration (42CrMo4 + Ni + V) (kemisk sammensætning,%: 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). Hovedmotorens krumtapaksel er beskadiget. Vej-web-nr. 4 er brudt. Materiale nær crack-initieringsområdet blev analyseret, og det viste bainitisk mikrostruktur. Materialet havde hårdhed vickers285.

Trætheden ser ud som i to forskellige overflader, den ene lodret til krumtapakslen og den anden i vandret plan med krumtapakslen med skiftezoner mellem to plan. Således var den tragiske svigt i ovennævnte marine krumtapaksel ved træthed og kombineret med den roterende bøjning med den stabile vridning. Forskning og observation og udvikling af nye krumtapaksler er i gang for at undgå denne type fiasko.

Reference:

Fonte MA, Freitas MM. Marine hovedmotor krumtapakselfejlanalyse: En casestudie, Engineering Failure Analysis 16 (2009) 1940–1947

Fejlanalyse af Boxer Diesel krumtapaksel: Case Study

Rapporten handler om fejltilstandsanalyse af krumtapaksel i bokser dieselmotor. Krumtapaksel er den komponent, der oplever en højere kompleks dynamisk belastning på grund af roterende bøjning suppleret med vridning og bøjning på krumtapbolten. Krumtapaksler udsættes for multiaxial belastning. Bøjningsspænding og forskydningsspænding på grund af vridning og torsionsbelastning på grund af kraftoverførsler. Krumtapaksler er fremstillet af smedet stål, nodulært støbejern og aus-hærdet duktilt jern.

De skal have tilstrækkelig styrke, sejhed, hårdhed og høj træthedsstyrke. De skal være lette at bearbejde og varmebehandle og formes. Varmebehandling øger slidstyrken; således er alle diesel krumtapaksler varmebehandlet. De er overfladehærdet for at øge træthedsstyrken. Spændinger på højt niveau observeres i kritiske zoner som webfileter og virkningerne af centrifugalkraft på grund af kraftoverførsel og vibrationer. Træthedsbruddet nær webfiletregionen er den væsentligste årsag til krumtapakselfejl siden genereringen af ​​revner, og udbredelse finder sted gennem denne zone. 

Specifikationerne for krumtapakslen på en kassemotor er: forskydning = 2000 cu. cm, diameter cylinder = 100 mm, maks. effekt = 150 HK, maksimalt drejningsmoment = 350 N m. Det er blevet observeret, at svigt i krumtapakslen efter 95,000 km i drift finder sted. Træthedsfejl har fundet sted i næsten 2000 producerede motorer. Efter analyse er det blevet bemærket, at svagheden ved to centrale stålskaller og udbyttet af sengepladebroer på grund af revnedannelse var de vigtigste synder på svigt i krumtapakslen.

Krumtapakslens bøjningsamplitude øges fra revnede stålskallers svaghed og broerne på sengepladen, der er under dem. Der var bestemt ingen beviser for væsentlige mangler eller forkert justering af de vigtigste journallejer. Den ødelæggende svigt i krumtapakslen skyldtes mangelfuld konstruktion af stålstøtteskaller og sengepladebroer. Det forbedrede design fra producenten vil løse dette problem.

Reference:

M. Fonte et al., Krumtapakslagsanalyse af en bokser-dieselmotor, Engineering Failure Analysis 56 (2015) 109–115.

Krumtapaksel Træthedsfejlanalyse: En gennemgang

I dette papir analyseres grundårsagen til brud på luftkompressorens krumtapaksel ved hjælp af forskellige metoder og parametre som kemisk sammensætning, mekanisk egenskab, makroskopiske, mikroskopiske egenskaber og teoretiske beregninger. Dette papir sigter også mod at forbedre krumtapakslens design, træthedsstyrke og arbejdspålidelighed. Den krumtapaksel, der blev brugt i denne undersøgelse, er 42CrMo stål, der er smedet og varmebehandlet og nitrideret for at øge krumtapakslens træthed. Analyseproceduren for årsagen til krumtapakselbrud udføres i tre dele:

  • Eksperimentel analyse af krumtapaksel
  • Makroskopiske funktioner og mikrostrukturanalyse
  • Teoretiske beregninger

Den kemiske grundstofanalyse udføres for nøjagtigt at bestemme krumtapakselmaterialets kemiske sammensætning og kontrollere, om de er under de tilladte standardværdier. Det gøres ved hjælp af spektrometer. De brækkede overflader klassificeres i tre regioner: (1) træthed revnedannelse region, (2) træthed ekspansion region og (3) statisk brud region.

Under analysen fandt det ud af, at træthedsrevnevæksten er høj på grund af høj bøjning. Forskydningen af ​​hovedtapperne og den lille filet til smørehul er de førende årsager til høj bøjning. Udmattelsesrevnen blev påbegyndt på kanten af ​​smørehullet og førte dermed til bruddet. Strandmærkerne som følge af små overbelastninger på grund af start og stop af kompressoren var ikke synlige. I en bestemt roterende cyklus efter en periode med standardarbejde, mikrorevner på grund af høj bøjningsspænding koncentration viste sig på smørehullets filet. Krumtapakslen kan dog stadig nærme sig normal arbejdstilstand.

Efterhånden som driftstiden fortsatte med at stige, steg udsvinget også, hvilket førte til, at revnerne spredte sig til det statiske brudområde, hvilket førte til fuldstændig fiasko. Den mikroskopiske observation af brudoverfladen målt ved hjælp af Scanning Electron Microscopy (SEM), som viste, at revne ved kanten af ​​smørehullet var grunden til at brække krumtapakslen. Ifølge den teoretiske beregning opnås kurven for sikkerhed for smørehullet og filetområdet, hvilket hjælper med at identificere de svageste sektioner.

Ved at forbedre overfladekvaliteten og reducere overfladens ruhed kan krumtapakslens pålidelighed øges. Korrekt justering af hovedtidsskrifter reducerer induceret bøjningsspænding og øger krumtapakslens træthed.

Reference:

W.Li et al., Analyse af træthedsfejl i krumtapaksel, Engineering Failure Analysis 55 (2015) 139–147.

Fejl i dieselmotorens krumtapaksel: En casestudie

I dette papir udføres fejlanalyse, modal og stressanalyse af en dieselmotors krumtapaksel. For at evaluere brud på krumtapakslemateriale blev både den visuelle inspektion og undersøgelsen udført. Den anvendte motor var S-4003, og krumtapakslen brækkede nær krumtapbolten fire efter 5500 timers drift. Krumtapakslen blev brudt efter cirka 30 til 700 timers motordrift. Den yderligere analyse viste tilstedeværelsen af ​​mikro-revner i nærheden af ​​2. krumtapstift og 2. journal. Undersøgelsen viste, at den primære årsag til fejlen var en defekt slibeproces.

Til yderligere eksperimentel analyse blev prøven skåret fra den beskadigede del. Ikke-lineær endelig elementanalyse blev brugt til at identificere årsagerne til den pludselige svigt i krumtapakslen. Analysen blev udført til bestemmelse af spændinger induceret i akslen på grund af cykliske belastningsforhold, når motoren kører med maksimal effekt.

Numerisk analyse bruges til at finde forholdet mellem forbindelsesstangen og krumtapakslen ved at anvende komplekse randbetingelser. Til bestemmelse af tilstande og frekvens af fri vibration blev der foretaget numerisk modal analyse af krumtapakslen.

Efter analysen blev det observeret, at spændingsværdien i fileten af ​​krumtapnål nr. 4 var ca. 6% af flydespændingen for krumtapakselmateriale. Modalanalysen gav resultatet, at højspændingsområdet under den anden tilstand med fri vibration blev fundet i det område, hvor revnedannelsen fandt sted (kritisk zone).

Efter yderligere observation blev det opdaget, at krumtapakselfejl opstod ved resonansvibrationer, der blev genereret på grund af ubalancerede masser på akslen, hvilket inducerede høje cykliske stressforhold, hvilket fik det til at nedsætte krumtapakslens træthedstid.

Reference:

Lucjan Witek et al., Fejlundersøgelse af en krumtapaksel af dieselmotor, Procedia Structural Integrity 5 (2017) 369–376

At vide om materialets styrke Klik her

Efterlad en kommentar