Contenuto: albero motore
- Cos'è l'albero motore?
- Materiale e produzione di alberi motore
- Schema dell'albero motore
- Procedura di progettazione dell'albero motore
- Flessione dell'albero motore
- Grafico della curva di deflessione dell'albero motore
- Case study sui guasti dell'albero motore marino
- Analisi dei guasti dell'albero motore diesel Boxer: caso di studio
- Analisi dei guasti per fatica dell'albero motore: una revisione
- Guasto dell'albero motore del motore diesel: un caso di studio
Cos'è l'albero motore?
Un albero motore può essere descritto come un componente utilizzato per convertire il movimento alternativo del pistone all'albero in movimento rotatorio o viceversa. In parole semplici, è un albero con un attacco a manovella.
Un tipico albero motore è composto da tre sezioni:
- La sezione dell'albero che ruota all'interno dei cuscinetti di banco.
- I perni di manovella
- Le pedivelle o le ragnatele.
Questo è classificato in due tipi in base alla posizione della manovella:
- Albero motore laterale
- Albero motore centrale
L'albero a gomiti può essere ulteriormente classificato in alberi a gomiti a mandata singola e alberi a gomiti a mandata multipla a seconda del n. di manovelle nell'albero. Un albero a gomiti che possiede solo la manovella centrale o una manovella unilaterale ha diritto come albero a gomiti a mandata singola. Un albero motore con 2 o più manovelle centrali o manovelle laterali "2", "1" su ciascuna estremità è riconosciuto come "alberi a gomiti a più giri". La configurazione della manovella laterale include semplicità geometrica, sono relativamente semplici da produrre e assemblare. Possono essere utilizzati con semplici cuscinetti scorrevoli e sono relativamente più economici dell'albero motore centrale.
La configurazione della pedivella centrale fornisce una migliore stabilità e bilanciamento delle forze con minori sollecitazioni indotte. Il loro costo di produzione è elevato e per il montaggio è necessario un cuscinetto di biella diviso. Applicazioni che richiedono più pistoni che lavorano in fase, un albero motore a più mandate può essere sviluppato posizionando diverse manovelle centrali una accanto all'altra, in una sequenza specifica, lungo una linea centrale di rotazione comune. I lanci sono indicizzati in modo rotazionale per fornire la fasatura desiderata.
I motori a combustione interna multicilindrici come quelli in linea e quelli della serie V utilizzano un albero motore a corsa multipla. Tutto tipologie di alberi motore Sperimenta le forze dinamiche generate dal centro di massa eccentrico rotante su ciascun perno di pedivella. Spesso è necessario utilizzare contrappesi e bilanciamenti dinamici per ridurre al minimo le forze di scuotimento, lo sforzo di trazione e le coppie oscillanti generate da queste forze di inerzia.
Materiale e fabbricazione degli alberi motore:
L'albero motore spesso subisce urti e condizioni di carico di fatica. Pertanto, il materiale dell'albero motore deve possedere una maggiore tenacità e una migliore resistenza alla fatica. Di solito sono prodotti in acciaio al carbonio, alcuni materiali in acciaio o ghisa. Per i motori utilizzati nell'industria, gli alberi motore sono generalmente generati da acciaio al carbonio come 40-C-8, 55-C- 8 e 60-C-4.
Nel motore di trasporto, l'acciaio al manganese cioè 20-Mn-2, 27-Mn-2 e 37-Mn-2 sono comunemente utilizzati per preparare gli alberi a gomito. Nei motori aeronautici, l'acciaio al nichel-cromo come 35-Ni-1-Cr-60 e 40-Ni-2-Cr-1-Mo-28 viene generalmente utilizzato per la produzione dell'albero motore.
Gli alberi a manovella sono comunemente finiti mediante stampaggio a goccia o processo di fusione. L'indurimento superficiale del perno di manovella viene completato attraverso il processo di cementazione della cassa, nitrurazione o processo di tempra a induzione. I materiali selezionati per l'albero a gomiti devono soddisfare sia i requisiti di resistenza strutturale sia i requisiti di usura del sito del cuscinetto.
Nella tipica applicazione dell'albero motore, manicotti morbidi e duttili sono attaccati alla biella o al telaio, quindi il materiale dell'albero motore deve avere la capacità di fornire una superficie dura nei siti dei cuscinetti. Molti materiali possono soddisfare i requisiti di resistenza strutturale, ma fornire resistenza all'usura nei siti dei cuscinetti restringe l'elenco dei candidati accettabili.
A causa della geometria asimmetrica, molti alberi a gomiti sono stati prodotti mediante fusione o forgiatura di un "pezzo grezzo", da lavorare successivamente. Le saldature incorporate sono utilizzate in alcune applicazioni. Tradizionalmente, ghisa, acciaio fuso e acciaio battuto sono stati utilizzati per gli alberi a gomito. Anche l'uso di superfici dei cuscinetti cementate e temprate selettivamente è quotidiano.
Procedura di progettazione dell'albero motore
La procedura successiva deve essere seguita per la progettazione.
- Calcola l'entità dei diversi carichi che agiscono sull'albero motore.
- In base ai carichi, calcolare la distanza tra le strutture di supporto e le posizioni.
- Per un design semplicistico e sicuro, l'albero deve essere supportato al centro dei cuscinetti e tutte le forze e le reazioni devono essere applicate in quei punti. La distanza tra i supporti è subordinata alla lunghezza del cuscinetto, che normalmente dipende dal diametro dell'albero e dalle pressioni tollerabili del cuscinetto.
- Lo spessore delle anime dovrebbe essere compreso tra 0.4ds e 0.6ds, ovunque "ds" sia il diametro dell'albero. Di solito considera da 0.22 * D a 0.32 * D, dove D è il diametro del foro del cilindro in mm.
- Qui e ora stimare la distanza tra le strutture di supporto.
- Supponendo le sollecitazioni di flessione e taglio accettabili per il materiale dell'albero motore, trovare la dimensione dell'albero motore.
Flessione dell'albero motore
L'albero motore è costituito dai segmenti dell'albero principale, rinforzati singolarmente dal cuscinetto di banco, e quindi da più alberi di trasmissione sui quali ruoterà la biella specifica del pistone. La manovella di lancio che è i perni della manovella e i bracci di collegamento devono essere quadrati senza flessione. Se questo non è il caso, provoca un'usura insolita dei cuscinetti di banco. Un comparatore rileva il disallineamento dell'albero motore tra le pedivelle. È l'usura irregolare che si verifica tra i diversi segmenti dell'asse centrale dell'albero motore.
Grafico della curva di deflessione degli alberi motore
- Dalla linea centrale dell'albero a manovella, viene tracciata una linea retta parallela ad essa, quindi le linee perpendicolari da ciascuna unità vengono disegnate verso questa linea parallela.
- Dopo aver rilevato la deflessione dell'albero motore di ciascuna unità, i valori derivati sono annotati sopra ogni unità del nastro della manovella nel grafico sopra.
- Tracciare la distanza -5.0 mm, che è la prima lettura di deflessione, verso il basso (per valore negativo e verso l'alto per valore positivo) dalla linea di riferimento sulla linea centrale dell'unità e avere la linea "ab" che è ad un angolo proporzionato a la deflessione in "a".
- Questa linea viene estesa per intersecare la linea centrale dell'unità successiva. Il passaggio successivo consiste nel calcolare la deflessione da questo punto di giunzione e unire il punto dal punto precedente, che aumenterà fino alla linea "bc". I passaggi devono essere ripetuti di nuovo fino al completamento.
- Traccia una curva morbida tra questi punti e confronta la posizione di questa curva rispetto alla linea di base XY. Nel grafico sopra, la curva disegnata dalle letture delle unità 1 e 2 è troppo lontana dalla linea di base rispetto al resto della curva e quindi richiede attenzione.
Caso di studio guasto dell'albero motore marino
Il caso di studio svolto riguarda il tragico fallimento di un albero motore web marine. L'albero a gomiti è soggetto a flessioni e torsioni elevate e viene analizzato il suo effetto combinato sul cedimento dell'albero a gomiti. L'osservazione microscopica ha suggerito che l'inizio della fessura è iniziata sul filetto del perno di manovella a causa della flessione rotatoria e la propagazione era una combinazione di flessione ciclica e torsione costante. Il numero di cicli dall'innesco della cricca al guasto finale dell'albero motore è stato rilevato dalle letture del funzionamento del motore principale a bordo. Vengono presi in considerazione i benchmark lasciati sulla superficie della fessura da fatica.
Utilizzando la meccanica della frattura elastica lineare, i cicli calcolati hanno mostrato che la propagazione era rapida. Mostra anche che il livello di sollecitazione alla flessione era piuttosto elevato rispetto ai cicli totali del motore principale in servizio. Non sono stati osservati difetti o inclusioni della microstruttura; quindi, indica che il guasto era dovuto a causa esterna e non al difetto intrinseco interno.
Il materiale dell'albero motore aveva una configurazione (42CrMo4 + Ni + V) (composizione chimica,%: 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). L'albero motore del motore principale è danneggiato. La manovella n. 4 si è rotto. Il materiale vicino alla regione di inizio della cricca è stato analizzato e ha mostrato una microstruttura bainitica. Il materiale aveva una durezza vickers285.
La fatica si presenta come su due superfici diverse, una verticale all'albero motore e l'altra nel piano orizzontale con l'albero motore con zone di cambio tra due piani. Pertanto, il tragico cedimento del suddetto albero a gomiti marino è stato causato dalla fatica e da una combinazione con la rotazione-flessione con la torsione costante. Sono in corso la ricerca, l'osservazione e lo sviluppo di nuovi alberi motore per evitare questo tipo di guasto.
Riferimento:
Fonte MA, Freitas MM. Analisi dei guasti all'albero motore del motore principale marino: un caso di studio, Engineering Failure Analysis 16 (2009) 1940-1947
Analisi dei guasti dell'albero motore diesel Boxer: caso di studio
Il rapporto riguarda l'analisi della modalità di guasto dell'albero motore del motore diesel boxer. L'albero motore è il componente che subisce un carico dinamico più complesso a causa della flessione rotante integrata con la torsione e la flessione sul perno di manovella. Gli alberi a gomito sono soggetti a carico multiassiale. Sollecitazione di flessione e sollecitazione di taglio dovuta a torsione e carico di torsione a causa delle trasmissioni di potenza. Gli alberi a manovella sono realizzati in acciaio forgiato, ghisa nodulare e ghisa sferoidale temprata.
Dovrebbero possedere forza, tenacità, durezza e resistenza alla fatica adeguate. Devono essere facili da lavorare, trattare termicamente e modellare. Il trattamento termico aumenta la resistenza all'usura; quindi, tutti gli alberi motore diesel sono trattati termicamente. Sono induriti in superficie per migliorare la resistenza alla fatica. Si osservano sollecitazioni di alto livello su zone critiche come i filetti di nastro e gli effetti della forza centrifuga dovuta alla trasmissione di potenza e alle vibrazioni. La frattura per fatica vicino alla regione del raccordo del nastro è la causa principale del cedimento dell'albero a gomiti dalla generazione della cricca e la propagazione avviene attraverso questa zona.
Le specifiche dell'albero motore di un motore box sono: cilindrata = 2000 cu. cm, diametro cilindro = 100 mm, potenza max = 150 HP, coppia max = 350 N m. È stato osservato che dopo 95,000 km in servizio, si verifica il guasto dell'albero motore. Il guasto per fatica si è verificato in quasi 2000 motori prodotti. Dopo l'analisi, è stato notato che la debolezza dei due gusci centrali in acciaio e il cedimento dei ponti del basamento dovuto a fessurazioni erano i principali responsabili del guasto dell'albero a gomiti.
L'ampiezza di flessione dell'albero a gomiti aumenta a causa della debolezza dei gusci di acciaio incrinati e dei ponti del basamento, che si trovano sotto di essi. Certamente non c'erano prove di difetti materiali o disallineamento dei cuscinetti portanti principali. Il devastante guasto dell'albero a gomiti era dovuto al design imperfetto dei gusci di supporto in acciaio e dei ponti del basamento. Il design migliorato del produttore risolverà questo problema.
Riferimento:
M. Fonte et al., Crankshaft failure analysis of a boxer diesel motor, Engineering Failure Analysis 56 (2015) 109-115.
Analisi dei guasti per fatica dell'albero motore: una revisione
In questo documento, la causa principale della frattura dell'albero a gomiti del compressore d'aria viene analizzata utilizzando vari metodi e parametri come composizione chimica, proprietà meccaniche, caratteristiche macroscopiche e microscopiche e calcoli teorici. Questo documento mira anche a migliorare il design, la resistenza alla fatica e l'affidabilità del lavoro dell'albero motore. L'albero motore utilizzato in questo studio è in acciaio 42CrMo, forgiato, trattato termicamente e nitrurato per aumentare la resistenza alla fatica dell'albero motore. La procedura di analisi per la causa della frattura dell'albero motore viene eseguita in tre parti:
- Analisi sperimentale dell'albero motore
- Caratteristiche macroscopiche e analisi della microstruttura
- Calcoli teorici
L'analisi degli elementi chimici viene eseguita per determinare con precisione la composizione chimica del materiale dell'albero motore e verificare se sono inferiori ai valori consentiti standard. È fatto con l'aiuto dello spettrometro. Le superfici fratturate sono classificate in tre regioni: (1) regione di inizio della cricca da fatica, (2) regione di espansione della fatica e (3) regione di frattura statica.
Durante l'analisi, è stato riscontrato che il tasso di crescita delle cricche da fatica è elevato a causa dell'elevata flessione. Il disallineamento dei perni principali e il piccolo raccordo rispetto al foro di lubrificazione sono le principali cause di flessione elevata. La cricca da fatica ha avuto inizio sul bordo del foro di lubrificazione e ha quindi portato alla frattura. I segni della spiaggia prodotti a causa di piccoli sovraccarichi dovuti all'avvio e all'arresto del compressore non erano visibili. In un particolare ciclo rotante dopo un periodo di lavoro standard si possono verificare microfessurazioni dovute ad alta sollecitazione di flessione concentrazione è apparsa sul raccordo del foro di lubrificazione. Tuttavia, l'albero motore può ancora avvicinarsi alle normali condizioni di funzionamento.
Con l'aumentare del tempo di funzionamento, aumentava anche la fluttuazione, portando le fessure a propagarsi nella regione di frattura statica, portando al completo fallimento. L'osservazione microscopica della superficie di frattura misurata utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM), che ha mostrato che la crepa sul bordo del foro di lubrificazione era la ragione della frattura dell'albero a gomiti. Secondo il calcolo teorico, si ottiene la curva di sicurezza per il foro di lubrificazione e la regione di raccordo, che aiuta a identificare le sezioni più deboli.
Migliorando la qualità della superficie e riducendo la rugosità superficiale, è possibile aumentare l'affidabilità dell'albero motore. Il corretto allineamento dei perni principali ridurrà lo stress di flessione indotto e aumenterà la durata a fatica dell'albero a gomiti.
Riferimento:
W.Li et al., Analysis of Crankshaft fatigue failure, Engineering Failure Analysis 55 (2015) 139-147.
Guasto dell'albero motore del motore diesel: un caso di studio
In questo documento viene condotta l'analisi dei guasti, l'analisi modale e delle sollecitazioni dell'albero motore di un motore diesel. Per valutare la frattura del materiale dell'albero motore, sono state eseguite sia l'ispezione visiva che l'indagine. Il motore utilizzato era S-4003 e il suo albero a gomiti si è rotto vicino al perno di manovella quattro dopo 5500 ore di funzionamento. L'albero motore si è rotto dopo circa 30-700 ore di funzionamento del motore. L'analisi aggiuntiva ha mostrato la presenza di micro-crepe vicino al 2 ° perno di manovella e al 2 ° perno. Lo studio ha dimostrato che la ragione principale del fallimento era un processo di molatura difettoso.
Per ulteriori analisi sperimentali, il campione è stato tagliato dalla parte danneggiata. L'analisi agli elementi finiti non lineare è stata utilizzata per identificare i motivi del guasto improvviso dell'albero motore. L'analisi è stata eseguita per determinare le sollecitazioni indotte sull'albero a causa delle condizioni di carico ciclico quando il motore gira alla massima potenza.
L'analisi numerica viene utilizzata per trovare la relazione tra la biella e l'albero motore applicando condizioni al contorno complesse. Per la determinazione delle modalità e della frequenza delle vibrazioni libere, è stata eseguita l'analisi numerica modale dell'albero motore.
Dopo l'analisi, è stato osservato che il valore di sollecitazione nel raccordo del perno di manovella n. 4 era circa il 6% dello sforzo di snervamento del materiale dell'albero motore. L'analisi modale ha dato come risultato che durante la seconda modalità di vibrazione libera, l'area ad alto stress è stata trovata nell'area in cui è avvenuta la generazione della cricca (zona critica).
In un'ulteriore osservazione, è stato scoperto che il guasto dell'albero motore si verificava a causa di vibrazioni risonanti generate a causa di masse sbilanciate sull'albero, che inducevano condizioni di sollecitazione ciclica elevata, causando una diminuzione della vita a fatica dell'albero motore.
Riferimento:
Lucjan Witek et al., Failure research of a crankshaft of diesel engine, Procedia Structural Integrity 5 (2017) 369-376
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Sono Hakimuddin Bawangaonwala, un ingegnere di progettazione meccanica con esperienza in progettazione e sviluppo meccanico. Ho completato M. Tech in Ingegneria della progettazione e ho 2.5 anni di esperienza di ricerca. Fino ad ora pubblicati Due articoli di ricerca sulla tornitura di metalli duri e sull'analisi degli elementi finiti delle attrezzature per il trattamento termico. La mia area di interesse è la progettazione di macchine, la resistenza dei materiali, il trasferimento di calore, l'ingegneria termica, ecc. Competente nei software CATIA e ANSYS per CAD e CAE. Altro che Ricerca.