Kurbelwelle: 9 wichtige Fakten, die Sie kennen sollten

Inhalt: Kurbelwelle

• Was ist Kurbelwelle?
• Material und Herstellung von Kurbelwellen
• Kurbelwellendiagramm
• Konstruktionsverfahren für die Kurbelwelle
• Kurbelwellenauslenkung
• Darstellung der Kurbelwellen-Durchbiegungskurve
• Fallstudie zum Ausfall einer Schiffskurbelwelle
• Fehleranalyse der Boxer Diesel Kurbelwelle: Fallstudie
• Analyse des Kurbelwellen-Ermüdungsfehlers: Ein Rückblick
• Ausfall der Kurbelwelle des Dieselmotors: Eine Fallstudie

Was ist Kurbelwelle?

„Eine Kurbelwelle ist eine Welle, die von einem Kurbelmechanismus angetrieben wird und aus einer Reihe von Kurbeln und Kurbelzapfen besteht, an denen die Pleuel eines Motors befestigt sind. Es ist ein mechanisches Teil, das eine Umwandlung zwischen Hin- und Herbewegung und Drehbewegung durchführen kann. Ein Hubkolbenmotor wandelt die Hin- und Herbewegung eines Kolbens in die Drehform um, obwohl er in einem Hubkolbenkompressor die entgegengesetzte Art der Drehung in Hin- und Herbewegung umwandelt. Während dieses Wechsels zwischen zwei Bewegungen haben die Kurbelwellen eine zusätzliche Lagerfläche mit „Kurbelwürfen“ oder „Kurbelzapfen“, deren Achse von der Kurbel versetzt ist, an der das „große Ende“ der Pleuelstange von jedem Zylinder befestigt ist. “

Eine Kurbelwelle kann als eine Komponente beschrieben werden, die verwendet wird, um die Hin- und Herbewegung des Kolbens zur Welle in eine Drehbewegung umzuwandeln oder umgekehrt. Mit einfachen Worten, es ist eine Welle mit einem Kurbelaufsatz.

Eine typische Kurbelwelle besteht aus drei Abschnitten:

1. Der Wellenabschnitt, der sich innerhalb der Hauptlager dreht.
2. Die Kurbelzapfen
3. Die Kurbelarme oder Stege.

Dies wird je nach Position der Kurbel in zwei Typen eingeteilt:

1. Seitliche Kurbelwelle
2. Kurbelwelle zentrieren

Die Kurbelwelle kann je nach Nr. Weiter in Einweg-Kurbelwellen und Mehrfach-Kurbelwellen unterteilt werden. von Kurbeln in der Welle. Eine Kurbelwelle, die nur eine Mittelkurbel oder eine einseitige Kurbel besitzt, wird als Einwegkurbelwelle bezeichnet. Eine Kurbelwelle mit 2 oder mehreren Mittelkurbeln oder '2' Seitenkurbeln, '1' an jedem Ende, wird als "Mehrfach-Kurbelwellen" erkannt. Die Seitenkurbelkonfiguration umfasst geometrische Einfachheit, ist vergleichsweise einfach herzustellen und zu montieren. Sie können mit einfachen Aufstecklagern verwendet werden und sind relativ billiger als die mittlere Kurbelwelle.

Die Mittelkurbelkonfiguration bietet eine bessere Stabilität und einen besseren Kräfteausgleich bei geringeren induzierten geringeren Spannungen. Ihre Herstellungskosten sind hoch und für die Montage ist ein geteiltes Pleuellager erforderlich. Bei Anwendungen, bei denen mehrere Kolben in Phase arbeiten müssen, kann eine Mehrfach-Kurbelwelle entwickelt werden, indem mehrere Mittelkurbeln nebeneinander in einer bestimmten Reihenfolge entlang einer gemeinsamen Rotationsmittellinie angeordnet werden. Die Würfe werden rotationsindiziert, um die gewünschte Phasenlage bereitzustellen.

Mehrzylinder-Verbrennungsmotoren wie Reihenmotoren und V-Motoren nutzen eine Mehrhub-Kurbelwelle. Alle Arten von Kurbelwellen Erleben Sie dynamische Kräfte, die durch den rotierenden exzentrischen Massenschwerpunkt an jedem Kurbelzapfen erzeugt werden. Es ist oft notwendig, Gegengewichte und dynamisches Auswuchten zu verwenden, um die durch diese Trägheitskräfte erzeugten Rüttelkräfte, Zugkräfte und Schwankungspaare zu minimieren.

Material und Herstellung von Kurbelwellen:

Die Kurbelwelle ist häufig Stößen und Ermüdungszuständen ausgesetzt. Daher muss das Material der Kurbelwelle eine höhere Zähigkeit und eine bessere Ermüdungsbeständigkeit aufweisen. Sie bestehen normalerweise aus Kohlenstoffstahl, bestimmten Stahl- oder Gusseisenmaterialien. Bei in der Industrie verwendeten Motoren werden die Kurbelwellen im Allgemeinen aus Kohlenstoffstahl wie 40-C-8, 55-C-8 und 60-C-4 hergestellt.

In Transportmotoren werden üblicherweise Manganstahl, dh 20-Mn-2, 27-Mn-2 und 37-Mn-2, zur Herstellung der Kurbelwellen verwendet. In Triebwerken werden im Allgemeinen Nickel-Chrom-Stahl wie 35-Ni-1-Cr-60 und 40-Ni-2-Cr-1-Mo-28 zur Herstellung der Kurbelwelle verwendet. 

Die Kurbelwellen werden üblicherweise durch Gesenkschmieden oder Gießen fertiggestellt. Die Oberflächenhärtung des Kurbelzapfens wird durch den Aufkohlungsprozess, das Nitrieren oder den Induktionshärtungsprozess abgeschlossen. Die ausgewählten Kurbelwellenmaterialien müssen sowohl die Anforderungen an die strukturelle Festigkeit als auch die Anforderungen an den Verschleiß an der Lagerstelle erfüllen.

Bei der typischen Kurbelwellenanwendung sind weiche, duktile Hülsen an der Pleuelstange oder am Rahmen angebracht, sodass das Kurbelwellenmaterial die Fähigkeit haben muss, an den Lagerstellen eine harte Oberfläche bereitzustellen. Viele Materialien erfüllen möglicherweise die Anforderungen an die strukturelle Festigkeit, aber die Bereitstellung von Verschleißfestigkeit an den Lagerstellen schränkt die Liste der akzeptablen Kandidaten ein.

Aufgrund der asymmetrischen Geometrie wurden viele Kurbelwellen durch Gießen oder Schmieden eines „Rohlings“ hergestellt, um später bearbeitet zu werden. In einigen Anwendungen werden aufgebaute Schweißteile verwendet. Traditionell wurden Gusseisen, Stahlguss und Schmiedestahl für Kurbelwellen verwendet. Die Verwendung von selektiv aufgekohlten und gehärteten Lagerflächen ist ebenfalls täglich. 

Konstruktionsverfahren für die Kurbelwelle

Das nachfolgende Verfahren muss für das Design befolgt werden.

1. Berechnen Sie die Größe der verschiedenen Lasten, die auf die Kurbelwelle wirken.
2. Berechnen Sie anhand der Belastungen den Abstand zwischen den Tragstrukturen und Positionen.
3. Für eine vereinfachte und sichere Konstruktion muss die Welle in der Mitte der Lager abgestützt sein und an diesen Stellen müssen alle Kräfte und Reaktionen einwirken. Der Abstand zwischen den Stützen hängt von der Länge des Lagers ab, die üblicherweise vom Wellendurchmesser ab den tolerierbaren Lagerdrücken abhängt.
4. Die Dicke der Bahnen wird voraussichtlich zwischen 0.4 und 0.6 d liegen, wobei "ds" der Wellendurchmesser ist. Es wird normalerweise als 0.22 * D bis 0.32 * D betrachtet, wobei D der Bohrungsdurchmesser des Zylinders in mm ist.
5. Schätzen Sie hier und jetzt den Abstand zwischen den Stützstrukturen.
6. Unter der Annahme der akzeptablen Biege- und Schubspannungen für das Kurbelwellenmaterial ermitteln Sie die Abmessung der Kurbelwelle.

Kurbelwellenauslenkung

Die Kurbelwelle besteht aus den Hauptwellensegmenten, die einzeln durch das Hauptlager verstärkt werden, und mehreren Stegwellen, auf denen sich die spezifische Kolbenverbindungsstange dreht. Die Wurfkurbel, bei der es sich um die Kurbelzapfen und die Verbindungsarme handelt, muss quadratisch und ohne Durchbiegung sein. Ist dies nicht der Fall, führt dies zu ungewöhnlichem Verschleiß der Hauptlager. Eine Messuhr erkennt die Fehlausrichtung der Kurbelwelle zwischen den Kurbelarmen. Es ist der ungleichmäßige Verschleiß, der zwischen den verschiedenen Segmenten der Mittelachse der Kurbelwelle auftritt.

Darstellung der Durchbiegungskurve der Kurbelwellen

• Von der Mittellinie der Kurbelwelle wird eine gerade Linie parallel dazu gezogen, und dann werden senkrechte Linien von jeder Einheit zu dieser parallelen Linie gezogen.
• Nach der Messung der Kurbelwellenauslenkung jeder Einheit werden die abgeleiteten Werte über jeder Einheit der Kurbelbahn in der obigen Grafik notiert.
• Zeichnen Sie den Abstand -5.0 mm, der die erste Auslenkungsmessung darstellt, von der Referenzlinie auf der Mittellinie des Geräts nach unten (für einen negativen Wert und nach oben für einen positiven Wert) und lassen Sie die Linie „ab“ in einem Winkel proportional zu die Auslenkung bei 'a'.
• Diese Linie wird verlängert, um die Mittellinie der nächsten Einheit zu schneiden. Der folgende Schritt besteht darin, die Durchbiegung von diesem Verbindungspunkt zu berechnen und den Punkt vom vorhergehenden Punkt zu verbinden, der zur Linie „bc“ eskaliert. Die Schritte müssen bis zum Abschluss erneut wiederholt werden.
• Zeichnen Sie eine glatte Kurve zwischen diesen Punkten und vergleichen Sie die Position dieser Kurve in Bezug auf die Grundlinie XY. In der obigen Grafik ist die aus den Messwerten von Einheit 1 und 2 gezeichnete Kurve im Vergleich zum Rest der Kurve zu weit von der Grundlinie entfernt und muss daher beachtet werden.

Fallstudie zum Ausfall der Schiffskurbelwelle

In der Fallstudie geht es um das tragische Versagen einer Schiffskurbelwelle. Die Kurbelwelle ist einer hohen Biegung und Torsion ausgesetzt, und ihre kombinierte Wirkung auf das Versagen der Kurbelwelle wird analysiert. Die mikroskopische Beobachtung legte nahe, dass die Rissinitiierung am Filet des Kurbelzapfens aufgrund von Rotationsbiegung begann und die Ausbreitung eine Kombination aus zyklischer Biegung und stetiger Torsion war. Die Anzahl der Zyklen von der Rissauslösung bis zum endgültigen Ausfall der Kurbelwelle wurde durch Ablesen des Hauptbetriebs des Motors an Bord ermittelt. Auf der Ermüdungsrissoberfläche verbleibende Benchmarks werden berücksichtigt.

Unter Verwendung der linearen elastischen Bruchmechanik zeigten die berechneten Zyklen, dass die Ausbreitung schnell war. Es zeigt sich auch, dass die Biegebeanspruchung im Vergleich zu den Gesamtzyklen des Hauptmotors im Betrieb ziemlich hoch war. Mikrostrukturdefekte oder Einschlüsse wurden nicht beobachtet; Dies zeigt an, dass der Fehler auf eine externe Ursache und nicht auf den internen intrinsischen Defekt zurückzuführen ist.

Das Kurbelwellenmaterial hatte eine Konfiguration (42CrMo4 + Ni + V) (chemische Zusammensetzung,%: 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). Die Kurbelwelle des Hauptmotors ist beschädigt. Die Kurbelbahn Nr. 4 ist gebrochen. Material in der Nähe des Rissinitiationsbereichs wurde analysiert und zeigte eine bainitische Mikrostruktur. Das Material hatte Härte vickers285.

Die Ermüdung sieht aus wie auf zwei verschiedenen Oberflächen, eine vertikal zur Kurbelwelle und die andere in der horizontalen Ebene mit der Kurbelwelle mit Umschaltzonen zwischen zwei Ebenen. Somit war das tragische Versagen der obigen Schiffskurbelwelle durch Ermüdung und eine Kombination mit dem rotierenden Biegen mit der stetigen Torsion verbunden. Die Forschung, Beobachtung und Entwicklung neuer Kurbelwellen ist im Gange, um diese Art von Ausfall zu vermeiden.

Referenz:

Fonte MA, Freitas MM. Analyse des Ausfalls der Kurbelwelle des Hauptmotors des Schiffs: Eine Fallstudie, Engineering Failure Analysis 16 (2009) 1940–1947

Fehleranalyse der Boxer Diesel Kurbelwelle: Fallstudie

Der Bericht befasst sich mit der Fehlermodusanalyse der Kurbelwelle eines Boxerdieselmotors. Die Kurbelwelle ist die Komponente, die aufgrund der rotierenden Biegung, die durch Torsion und Biegung am Kurbelzapfen ergänzt wird, eine höhere komplexe dynamische Belastung erfährt. Kurbelwellen sind mehrachsig belastet. Biegespannung und Scherbeanspruchung durch Verdrehung und Torsionsbelastung durch Kraftübertragung. Kurbelwellen werden aus geschmiedetem Stahl, Sphäroguss und gehärtetem duktilem Eisen hergestellt.

Sie sollten eine ausreichende Festigkeit, Zähigkeit, Härte und hohe Dauerfestigkeit besitzen. Sie müssen leicht zu bearbeiten und wärmebehandelt und geformt sein. Wärmebehandlung erhöht die Verschleißfestigkeit; Somit werden alle Dieselkurbelwellen wärmebehandelt. Sie sind oberflächengehärtet, um die Dauerfestigkeit zu verbessern. An kritischen Zonen wie Bahnfilets und den Auswirkungen der Zentrifugalkraft aufgrund von Kraftübertragung und Vibrationen werden starke Spannungen beobachtet. Der Ermüdungsbruch in der Nähe des Stegfiletbereichs ist die Hauptursache für das Versagen der Kurbelwelle seit der Risserzeugung, und die Ausbreitung erfolgt durch diese Zone. 

Die Spezifikationen der Kurbelwelle eines Kastenmotors sind: Hubraum = 2000 cu. cm, Zylinderdurchmesser = 100 mm, maximale Leistung = 150 PS, maximales Drehmoment = 350 Nm. Es wurde beobachtet, dass nach 95,000 km im Betrieb der Ausfall der Kurbelwelle auftritt. Bei fast 2000 hergestellten Motoren ist ein Ermüdungsversagen aufgetreten. Nach der Analyse wurde festgestellt, dass die Schwäche von zwei zentralen Stahlschalen und das Nachgeben von Grundplattenbrücken aufgrund von Rissen die Hauptursachen für das Versagen der Kurbelwelle waren.

Die Biegeamplitude der Kurbelwelle nimmt aufgrund der Schwäche der gerissenen Stahlschalen und der darunter liegenden Brücken der Grundplatte zu. Es gab sicherlich keine Hinweise auf Materialfehler oder eine Fehlausrichtung der Hauptzapfenlager. Der verheerende Ausfall der Kurbelwelle war auf die fehlerhafte Konstruktion von Stahlstützschalen und Grundplattenbrücken zurückzuführen. Das verbesserte Design des Herstellers wird dieses Problem lösen.

Referenz:

M. Fonte et al., Kurbelwellenversagensanalyse eines Boxerdieselmotors, Engineering Failure Analysis 56 (2015) 109–115.

Analyse des Kurbelwellen-Ermüdungsfehlers: Ein Rückblick

In diesem Artikel wird die Grundursache für einen Bruch der Kurbelwelle des Luftkompressors mit verschiedenen Methoden und Parametern wie chemischer Zusammensetzung, mechanischen Eigenschaften, makroskopischen, mikroskopischen Eigenschaften und theoretischen Berechnungen analysiert. Dieses Papier zielt auch darauf ab, das Design, die Dauerfestigkeit und die Arbeitssicherheit der Kurbelwelle zu verbessern. Die in dieser Studie verwendete Kurbelwelle besteht aus 42CrMo-Stahl, der geschmiedet, wärmebehandelt und nitriert ist, um die Dauerfestigkeit der Kurbelwelle zu erhöhen. Das Analyseverfahren für die Ursache des Kurbelwellenbruchs besteht aus drei Teilen:

• Experimentelle Analyse der Kurbelwelle
• Makroskopische Merkmale und Mikrostrukturanalyse
• Theoretische Berechnungen

Die Analyse der chemischen Elemente wird durchgeführt, um die chemische Zusammensetzung des Kurbelwellenmaterials genau zu bestimmen und zu überprüfen, ob sie unter den zulässigen Standardwerten liegen. Dies geschieht mit Hilfe eines Spektrometers. Die gebrochenen Oberflächen werden in drei Bereiche eingeteilt: (1) Ermüdungsrissinitiationsbereich, (2) Ermüdungsausdehnungsbereich und (3) statischer Bruchbereich.

Bei der Analyse wurde festgestellt, dass die Wachstumsrate von Ermüdungsrissen aufgrund der starken Biegung hoch ist. Die Fehlausrichtung der Hauptlagerzapfen und die kleine Aussparung zur Schmierbohrung sind die Hauptursachen für starke Biegung. Der Ermüdungsriss entstand am Rand der Schmierbohrung und führte so zum Bruch. Die durch kleine Überlastungen beim Starten und Stoppen des Kompressors entstandenen Strandspuren waren nicht sichtbar. In einem bestimmten Rotationszyklus entstehen nach einer Zeitspanne normaler Arbeit Mikrorisse aufgrund hoher Biegespannung An der Kehle des Schmierlochs trat eine Konzentration auf. Die Kurbelwelle kann jedoch immer noch in einem nahezu normalen Betriebszustand sein.

Mit zunehmender Betriebszeit nahm auch die Fluktuation zu, was dazu führte, dass sich die Risse in den statischen Bruchbereich ausbreiteten, was zu einem vollständigen Versagen führte. Die mikroskopische Beobachtung der Bruchfläche, gemessen unter Verwendung der Rasterelektronenmikroskopie (REM), zeigte, dass ein Riss am Rand des Schmierlochs der Grund für den Bruch der Kurbelwelle war. Nach der theoretischen Berechnung wird die Sicherheitskurve für das Schmierloch und den Filetbereich erhalten, mit deren Hilfe die schwächsten Abschnitte identifiziert werden können.

Durch die Verbesserung der Oberflächenqualität und die Verringerung der Oberflächenrauheit kann die Zuverlässigkeit der Kurbelwelle erhöht werden. Durch die richtige Ausrichtung der Hauptzapfen wird die induzierte Biegespannung verringert und die Lebensdauer der Kurbelwelle verlängert.

Referenz:

W. Li et al., Analyse des Kurbelwellenermüdungsversagens, Engineering Failure Analysis 55 (2015) 139–147.

Ausfall der Kurbelwelle des Dieselmotors: Eine Fallstudie

In diesem Artikel wird die Fehleranalyse, Modal- und Spannungsanalyse der Kurbelwelle eines Dieselmotors durchgeführt. Um den Bruch des Kurbelwellenmaterials zu bewerten, wurden sowohl die Sichtprüfung als auch die Untersuchung durchgeführt. Der verwendete Motor war S-4003, und seine Kurbelwelle war nach 5500 Betriebsstunden in der Nähe des Kurbelzapfens vier gerissen. Die Kurbelwelle war nach ca. 30h bis 700h Motorbetrieb gebrochen. Die zusätzliche Analyse zeigte das Vorhandensein von Mikrorissen in der Nähe des 2. Kurbelzapfens und des 2. Zapfens. Die Studie zeigte, dass der Hauptgrund für das Versagen ein fehlerhafter Schleifprozess war.

Zur weiteren experimentellen Analyse wurde die Probe aus dem beschädigten Teil herausgeschnitten. Die nichtlineare Finite-Elemente-Analyse wurde verwendet, um die Gründe für den plötzlichen Ausfall der Kurbelwelle zu ermitteln. Die Analyse wurde durchgeführt, um die Spannungen zu bestimmen, die in der Welle aufgrund zyklischer Belastungsbedingungen induziert werden, wenn der Motor mit maximaler Leistung läuft.

Die numerische Analyse wird verwendet, um die Beziehung zwischen der Pleuelstange und der Kurbelwelle durch Anwenden komplexer Randbedingungen zu ermitteln. Zur Bestimmung der Moden und der Frequenz der freien Schwingung wurde eine numerische Modalanalyse der Kurbelwelle durchgeführt.

Nach der Analyse wurde beobachtet, dass der Spannungswert in der Verrundung des Kurbelzapfens Nr. 4 etwa 6% der Streckgrenze des Kurbelwellenmaterials betrug. Die Modalanalyse ergab das Ergebnis, dass während des zweiten Modus der freien Vibration der Bereich mit hoher Spannung in dem Bereich gefunden wurde, in dem die Risserzeugung stattfand (kritische Zone).

Bei weiterer Beobachtung wurde festgestellt, dass ein Versagen der Kurbelwelle durch Resonanzschwingungen auftrat, die aufgrund von unausgeglichenen Massen auf der Welle erzeugt wurden, was zu Bedingungen mit hoher zyklischer Beanspruchung führte und die Lebensdauer der Kurbelwelle verringerte.

Referenz:

Lucjan Witek et al., Fehleruntersuchung einer Kurbelwelle eines Dieselmotors, Procedia Structural Integrity 5 (2017) 369–376

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Hakimuddin Bawangaonwala

Ich bin Hakimuddin Bawangaonwala, ein Maschinenbauingenieur mit Fachkenntnissen in mechanischem Design und Entwicklung. Ich habe einen M. Tech in Design Engineering abgeschlossen und verfüge über 2.5 Jahre Forschungserfahrung. Bisher wurden zwei Forschungsarbeiten zum Thema Hartdrehen und Finite-Elemente-Analyse von Vorrichtungen zur Wärmebehandlung veröffentlicht. Mein Interessengebiet ist Maschinendesign, Materialfestigkeit, Wärmeübertragung, Wärmetechnik usw. Ich beherrsche CATIA- und ANSYS-Software für CAD und CAE. Abgesehen von der Forschung.