АВТОМОБИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НА КАТЕРЕ

Раздел: Техника

Валопровод служит для передачи крутящего момента от двигателя к винту. В элементах валопровода помимо постоянных напряжений., возникающих от передачи крутящего момента двигателя, возникают знакопеременные напряжения, связанные с неравномерностью работы двягателя, неравномерностью крутящего момента, поглощаемого винтом, и т. д. (см. § 20). Весьма опасными являются резонансные режимы, которые возникают прн крутильных резонансных колебаниях. Если гребной вннт установлен в соответствии с рекомендациями (§ 21) и на рабочих режимах отсутствуют резонансные крутильные колебания, знакопеременные напряжения будут значительно меньше напряжений от крутящего момента. В этом Случае диаметр вала определяют по напряжениям от крутящего момента; все остальные факторы учитываются введением коэффициента запаса К = 2,5-г- 3,0.

При механической обработке малую шероховатость поверхности (1,25—0,63) необходимо обеспечить не только для шеек, но и для промежуточного участка вала. Это уменьшает вероятность появления •усталостных трещин н повышает коррозионную стойкость (особенно для сталей 2X13 в морской воде). Длина вала обычно ограничивается опасностью воз- -йнкновения резонансных нзгибных колебаний.

Следует иметь в виду, что даже прн меньшей на  10—20% частоте вращения или меньшей на 5—10% '„ длине вала под действием таких возмущающих фак- г торов, как массовая н гидродинамическая неуравновешенность винта, неравномерность распределения нагрузки в упругих муфтах, небольшой изгиб вала и т. д., при работе возникает заметная вибрация вала. Это также приводит к увеличению вибрации 'ч катера и нарушает нормальную работу сальникового I устройства.

Рассмотрим простейшую схему валопровода, когда гребной вал непосредственно крепится к маховику двигателя. Еслн на неработающем двигателе приложить к маховику и винту противоположно направленные крутящие моменты, за счет которых произойдет некоторое скручивание гребного вала, а затем резко убрать их, то элементы валопровода начнут колебаться с определенной частотой — собственной частотой крутильных колебаний.

Более сложная картина колебаний возникает при установке отдельного редуктора. В этом случае помимо выше рассмотренных, так называемых одно- узловых, колебаний могут возникнуть двухузловые колебания, имеющие более высокую частоту. Зажмем маховик двигателя и винт, а к фланцу редуктора приложим крутящий момент, который скрутит как гребной, так н промежуточный вал. Затем резко отпустим фланец редуктора, двигатель нвннт. В этом случае винт с маховиком будет колебаться в одну сторону, а шестерни редуктора — в другую, причем как на промежуточном, так и на гребном валу можно выделить по неподвижному сечению (узлу), относительно которого происходят колебания (отсюда двухузловые колебания).

При резонансе амплитуда знакопеременных напряжений возрастает в зависимости от способности конструкции демпфировать крутильные колебания (за счет сопротивления трения). Наибольшей демпфирующей способностью обладает валопровод, имеющий упругие муфты с резиновыми элементами или штатными гасителями колебаний, которые используются в сцеплениях автомобильных двигателей. Гребной вннт, поскольку он вращается в вязкой жидкости, также является демпфером колебаний.

В случае применения демпфирующих муфт в сочетании с гребным винтом увеличение амплитуды напряжений при резонансе будет небольшим (в 3— б раз), в то время как для участков валопровода, где отсутствуют демпфирующие элементы (например, для промежуточного вала), увеличение напряжений может быть значительным (в десять н более раз).

Уменьшить возмущающие моменты за счет неравномерности работы двигателя прн эксплуатации его на номинальной мощности без переделки двигателя, естественно, невозможно. Однако если уменьшить частоту вращения двигателя (при винте постоянного шага), то уменьшится передаваемая мощность и ва- лопровод будет работать с большим коэффициентом запаса прочности. Одновременно уменьшатся и возмущающие нагрузки, а следовательно, если возникнет резонанс, то напряжения в валах будут меньше.

В гл. IV будет показано, что для двигателя в спектре возмущающих моментов находятся четные гармоники — 2, 4, б, 8-я и т. д. (т. е. частоты возмущающих моментов, в 2, 4, б и т. д. раз превышающие частоту вращения двигателя). При этом резонанс от восьмой гармоники оказывается безопасным вследствие того, что амплитуда ее невелика и демпфирование высокочастотных колебаний более интенсивно, чем демпфирование низкочастотных. В отличие от этого, вторая гармоника имеет значительную амплитуду, поэтому нежелательно, чтобы резонанс от нее происходил на частоте вращения, превышающей 50% пном при жестком соединении двигателя с винтом п 65% — при наличии демпфирующей муфты. Для 4-й н б-й гармоник эти цифры будут соответственно 60, 80 и 70, 90%.

Прн рациональной форме вннторулевого комплекса (см. § 21) возмущающие моменты от винта, как правило, невелики и их можно не учитывать. Если это не соблюдается, то нежелательно, чтобы 3-я и 6-я винтовые гармоники (для трехлопастного винта) попадали в диапазон оборотов 0,8Яцом <С /г <С nB0*t. Эти весьма ориентировочные рекомендации справедливы для одноузловых колебаний. Для двух узловых колебаний весьма неудачным оказывается вариант без применения демпфирующих муфт, так как демпфирующее свойство винта для таких колебаний проявляется слабо. В этом случае частота вращения двигателя при резонансе от 2, 4 и 6-й гармоник ке должна превышать соответственно 40, 50 н 70%' геко«. В случае устанонки демпфирующих муфт максимальную частоту вращения при резонансе можно повысить до 60, 75, 90% п„ои соответственно. Более точные данные могут быть получены по рекомендациям работ [1, 19, 21, 32].

При установке гребного вала, диаметр которого выбран большим, чем требуется для передачи крутящего момента двигателя, безопасные значения частоты вращения можно увеличить. Однако в этом случае работа валопровода в условиях крутильных колебаний при п « пяом будет сопровождаться усиленным износом шпоночных шлнцевых или зубчатых соединений н вызывать значительный нагрев' упругих муфт, что может привести к их разрушению. Заметим также, что резкое увеличение шума в шли- цевых п зубчатых соединениях на определенных частотах" вращения может служить косвенным признаком возникновения резонансных крутильных колебаний. Частоту собственных колебаний f, кол/мин, одноуз- ловой формы прн прямом соединении гребного вала с двигателем можно определить по формуле

Попытаемся вывести резонансные колебания нз опасных зон только за счет изменения моментов инерции и жесткости элементов валопровода. Для этого повысим жесткость промежуточного вала, выполнив его из трубы 0 70Х 3,5, а жесткость гребного вала понизим, уменьшим его диаметр до 28 мм. Увеличив массу и диаметр винта (до 400мм), увеличим его момент инерции до. 0,3 кг» см «с2. При- этом собственная частота одноузловых колебаний уменьшится до 2900 кол/мин, а двухузловых, наоборот, возрастет до 22 000 кол/мин. В этом случае резонансы возникают уже в безопасном диапазоне частоты вращения.

Исключить влияние резонансных колебаний для шестнцилиндрового двигателя значительно легче, чем для четырехцнлиндрового, так как необходимо учитывать только 3 и 6-ю гармоники. Особенно благоприятными с этой точки зрения являются V-образ- ные восьмицилиндровые двигатели, в спектре возмущающих гармоник которых необходимо учитывать только 4-ю гармонику. Следует еще раз подчеркнуть, что приведенные ограничения по частоте вращения являются ориентировочными [1, 32].

Один из простых способов, повышающих надежность работы валопровода как при крутильных колебаниях, так и при ударе винта о подводное препятствие,— применение предохранительных срезных элементов ( 19, 20). Такие элементы выполняются с меньшим коэффициентом запаса прочности, чем гребной вал (К « 1-,5—2), и при ударе срезаются, предохраняя тем самым валопровод от поломок. Если в валопроводе одновременно возникнут значительные знакопеременные напряжения, то сначала разрушится предохранительный элемент, как бы сигнализируя о грозящей валопроводу опасности. Такое разрушение, как правило, происходит неожиданно, в обычных условиях эксплуатации. Если рассмотреть получившееся место среза, оно оказывается состоящим из двух зон: более светлой, имеющей продольные риски,— это собственно зона среза, и более темной, имеющей характерную кристаллическую струк- туру,— это остаток усталостной трещины. Если такие поломки происходят регулярно, через несколько

 десятков часов эксплуатации, это говорит о больших знакопеременных напряжениях, возникающих в конструкциях валопровода, а следовательно, о малой его надежности. Заметим, что усталостные разрушения валов, как правило, также происходят без видимых причин, а поверхность излома обычно располагается под углом 45° к оси вала и также состоит из двух зон, причем темная зона начинается в районе шпоночного паза нлн других мест резкого изменения размеров вала. Обычно срезной элемент вводят в конструкцию муфты, соединяющей вал с редуктором; в угловых колонках с его помощью крепят винт. Диаметр проточки d, см, срезного элемента, выполненного из латуни (его обычно располагают параллельно оси вала), определяют по формуле

Диаметр шеек срезного элемента выбирают на 2—3 мм больше. Несмотря на то что замена срезного элемента занимает не .более 2—Змии, катер в это время теряет ход, что также может повлечь за собой новые осложнения. За счет некоторого усложнения конструкции муфты можно сделать так, что после срезания предохранительного элемента катер будет иметь возможность продолжать движение малым ходом. Крутящий момент в этом случае передается небольшой конической муфтой (см. рнс. 19). При прямом соединении гребного вала со сцеплением двигателя роль предохранительной муфты в какой-то мере выполняет сцепление. В тех случаях, когда имеется реверсредуктор, сцепление уже не может играть роль предохранительной муфты в связи с большими динамическими воздействиями на гребной вал шестерен реверсредуктора (имеющих большой момент ннерцнн) в момент удара о подводное препятствие.

Упорный подшипник смазывают густой тугоплавкой смазкой. Для предотвращения вытекания смазки с обеих сторон устанавливают резиновые манжеты. В тех случаях, когда угол перекоса валов меньше 8—9°, можно ограничиться установкой только В^його шарнира (без автономного упорного подшипника.).

соединение реверсредуктором прн использовании одного карданного шарнира, передающего упор на реверсрздук- тор. Следует иметь в виду, что дополнительное усилие от упора винта, действующее на внлку кардана, даже в худшем случае не превышает 15—25% усилий, связанных с передачей крутящего момента. Однако по возможности лучше установить карданный шарнир от двигателя большей мощности, так как штатный шарнир рассчитан на длительную работу с крутящим моментом, составляющим 50% максимального.

Как известно, работа карданного шарнира с перекосом приводит к появлению переменной составляющей частоты вращения, которая дважды за один оборот изменяет свой знак. Максимальная величина этой дополнительной скорости увеличивается пропорционально квадрату угла перекоса валов. Наличие этой скорости вызывает появление знакопеременных нагрузок в деталях реверса и валопровода. При углах перекоса до 4° дополнительные напряжения, как правило, невелики. При большем угле перекоса знакопеременные напряжения резко увеличиваются. Это может привести к поломке деталей валопровода из-за усталостных напряжений, особенно прн возникновении резонансных крутильных колебаний гребного вала.

При работе с карданным шарниром полумуфты все время проворачиваются относительно друг друга па 20—30'. Чтобы исключить износ цилиндрического сопряжения деталей 15 и 24, применяется втулка 18, вырезанная на токарном станке из листовой резины. (В другом варианте вместо резиновой втулки на деталь 24 насаживают капроновую втулку, но при этом сопрягающаяся с ней поверхность отверстия детали 15 должна быть термообработана с HRC^45.) Полумуфта 24 соединена с валом при помощи латунного срезного болта. Так как болт срезается по проточке, обломки его легко удаляются нз полумуфт. Упор на переднем ходу передается от вала на детали 23, 24, 14, 15, 28, а на заднем — на детали 18, 24, 16, 27, 15, 28.

Наиболее целесообразно применять кардан, состоящий из двух вилок с фланцами. Возможен также другой вариант (см.  20,) с использованием шарнира заднего конца карданного вала без разборки крестовины. Для этого вначале ножовкой отпиливают вилку кардана с приваренным куском трубы длиной 4—5 см. За эту трубу кардан зажимают в токарном станке и на малых оборотах протачивают канавку по сварочному шву, соединяющему трубу с вилкой; диаметр канавки и а 2 мм меиыие внутреннего диаметра трубы. Затем ножовкой пропиливают продольный паз в трубе и отделяют ее от вилки. Отверстие в полумуфте 15 растачивают по тугой посадке относительно вилки (для ГАЗ-21 — 71,2 П); вилку 33 запрессовывают в полумуфту до упора. Перед приваркой целесообразно полностью собрать муфту с валом и укрепить шарнир на фланце редуктора, а конец вала положить на призму. Биеиие вала в районе муфты не должно превышать 0,2 мм. Причиной повышенного биения может быть не только неравномерная деформация резины, но н неправильная сборка самого кардана (разная глубина запрессовки 1фышек крестовии или перекос при запрессовке). Окончательную приварку можно производить без разборки кардана, накладывая попеременно короткие швы и охлаждая вилку так, чтобы температура ее в районе крестовин не превышала 100—120°.

В качестве промежуточного вала чаще всего используютси укороченные кардаииые валы. Однако 80 в связи с тем, что выполнить не только динамическую, но п статическую балансировку такого вала не удается, уровни вибраций на катере, особенно на большой частоте вращения двигателя, будут повышенными. В случае, когда ось двигателя параллельна оси первичного вала реверсредуктора, можно применять упругие карданы. Такой карданный вал имеет иа концах упругие муфты типа изображенных на  20 или типа применяемых на двигателе ВАЗ. Можно использонать две муфты с кольцами, вырезанными из прорезиненной транспортерной ленты ( 21). При суммарной толщине ленты 12—18 мм диаметр окружности болтов D, см, определяется по формуле D = (0,006 — 0,007) М. При уменьшении числа болтов до двух диаметр увеличивают на 40%.

Промежуточный вал центрируется по сферическим поверхностям, образованным в корпусе полумуфт, либо с помощью сферических шариковых подшипников или шаровых шарниров (типа ШС). Прн штатном сцеплении в качестве первой муфты промежуточного вала можно использовать зубчатую муфту, причем роль внутренней полумуфты будет играть фланец зубьев синхронизатора первичного вала коробки передач. Установка первичного вала показана иа  22. Напомним также, что иа выбор конструкции промежуточного вала существеииое влияние оказывают опасность возникновения резонансных крутильных колебаний.

эластичное крепление дейдвудного сальника, позволяющее снять радиальные нагрузки на манжеты. Такое крепление уменьшает передачу вибрации от гребиого вала иа корпус, облегчает центровку валопровода и повышает надежность уплотнения. Корпус сальника изготовлен из текстолита, и при смазке водой он очень износостоек. С учетом набухания текстолита необходимо предусмотреть зазор между втулкой вала и корпусом ие менее 0,30 мм. В корпусе должно быть выполнено несколько продольных грязеулавлнвающих кааавок, предназначенных для отвода смазывающей воды (см.  20,а). Чтобы уменьшить износ сопряжения, рекомендуется смазывать его отфильтрованной водой, подводя ее из системы охлаждения двигателя по трубке 8.

В некоторых случаях у катеров, эксплуатируемых на быстрых реках (с большим содержанием песчинок в воде), посадочное отверстие в корпусе располагают после сальников и смазывают густой смазкой через колпачковую масленку. Для удержания смазки на противоположном конце устанавливают дополнительный сальник.

Резинометаллический подшипник, на который обычно опирается задний конец вала, в большинстве случаев изготовляют методом вулканизации [22]. Однако не всегда удается осуществить качественную вулканизацию резины; кроме того, разброс диаметров отверстий получается недопустимо большой. Изготовить такой подшипник можно другим способом. В бронзовую втулку подшипника на эпоксидном клее вставляют необходимое число колец нз листовой резины, наружный диаметр которых на 0,5—1,0 мм больше внутреннего диаметра втулки, а внутренний — меньше диаметра вала. После полимеризации клея внутренний размер отверстия растачивают до необходимого (зазор между валом и резиновой втулкой должен быть 0,2 мм) иа виутришлпфовальном станке. Расточку можно произвести и на обычном токарном станке, если закрепить в суппорт высокооборотную сверлилку с насаженным на оправку абразивным кругом диаметром 25—20 мм. После расточки необходимо ножом прорезать четыре—шесть треугольных винтовых канавок глубиной не менее 2 мм.

На гребной вал в районе дсйдвудного сальника и резинометаллического подшипника устанавливаются втулки из нержавеющей стали (3X13, термообра- ботанная до HRC 30 или хромированная). Срок работы таких втулок значительно выше, чем бронзовых. Втулки укрепляют на эпоксидной смоле по посадкам А3/С3. При необходимости замены на втулке отрезным кругом или ножозкой прорезают продольный паз, после чего втулка легко отделяется.