Vilebrequin | C'est un aperçu complet et des relations importantes

Contenu: vilebrequin

  • Qu'est-ce que le vilebrequin?
  • Matériel et fabrication des vilebrequins
  • Schéma du vilebrequin
  • Procédure de conception du vilebrequin
  • Déflexion du vilebrequin
  • Tracé de la courbe de déflexion du vilebrequin
  • Étude de cas de défaillance du vilebrequin marin
  • Analyse des défaillances du vilebrequin diesel Boxer: étude de cas
  • Analyse des défaillances dues à la fatigue du vilebrequin: un examen
  • Panne du vilebrequin de moteur diesel: une étude de cas

Qu'est-ce que le vilebrequin?

«Un vilebrequin est un arbre entraîné par un mécanisme à manivelle, impliquant une série de manivelles et de manetons auxquels sont fixées les bielles d'un moteur. C'est une pièce mécanique capable d'effectuer une conversion entre mouvement alternatif et mouvement de rotation. Un moteur à va-et-vient convertit le mouvement de va-et-vient d'un piston en forme de rotation, bien que dans un compresseur à va-et-vient, il transforme les moyens de manière opposée en rotation en formes de va-et-vient. Lors de ce changement entre deux mouvements, les vilebrequins ont une surface d'appui supplémentaire de type «manivelle» ou «maneton» dont l'axe est décalé par rapport à la manivelle, à laquelle la «grande extrémité» de la bielle de chaque cylindre est fixée. »

Un vilebrequin peut être décrit comme un composant utilisé pour convertir le mouvement de va-et-vient du piston vers l'arbre en mouvement de rotation ou vice versa. En termes simples, il s'agit d'un arbre avec une fixation de manivelle.

Un vilebrequin typique comprend trois sections:

  1. La section d'arbre qui tourne à l'intérieur des roulements principaux.
  2. Les manetons
  3. Les bras de manivelle ou les toiles.
https://en.wikipedia.org/wiki/Crankshaft

Ceci est classé en deux types selon la position de la manivelle:

  1. Vilebrequin latéral
  2. Vilebrequin central

Le vilebrequin peut être davantage classé dans les vilebrequins à une seule course et les vilebrequins à plusieurs débattements en fonction du no. de manivelles dans l'arbre. Un vilebrequin qui ne possède qu'une manivelle centrale ou une manivelle unilatérale a droit à un vilebrequin à une seule course. Un vilebrequin avec 2 ou plusieurs manivelles centrales ou «2» manivelles latérales, «1» à chaque extrémité est reconnu comme «vilebrequins multi-débattements». La configuration de la manivelle latérale comprend une simplicité géométrique, est comparativement simple à fabriquer et à assembler. Ils peuvent être utilisés avec de simples roulements à glissière et sont relativement moins chers que le vilebrequin central.

La configuration de la manivelle centrale offre une meilleure stabilité et un meilleur équilibre des forces avec des contraintes plus faibles induites. Leur coût de fabrication est élevé et un palier de bielle fendue est nécessaire pour l'assemblage. Pour les applications qui nécessitent plusieurs pistons fonctionnant en phase, un vilebrequin multitours peut être développé en plaçant plusieurs manivelles centrales côte à côte, dans une séquence spécifiée, le long d'une ligne médiane commune de rotation. Les lancers sont indexés par rotation pour fournir le phasage souhaité.

Les moteurs à combustion interne multicylindres tels que les moteurs en ligne et de la série V utilisent un vilebrequin à plusieurs débits. Tous les types de vilebrequins Faites l'expérience des forces dynamiques générées par le centre de masse excentrique rotatif au niveau de chaque maneton. Il est souvent nécessaire d'utiliser des contrepoids et un équilibrage dynamique pour minimiser les forces de tremblement, l'effort de traction et les couples de balancement générés par ces forces d'inertie.

Matériel et fabrication des vilebrequins:

Le vilebrequin subit souvent des chocs et des fatigues en condition de chargement. Ainsi, le matériau du vilebrequin doit posséder plus de ténacité et une meilleure résistance à la fatigue. Ils sont généralement produits en acier au carbone, certains matériaux en acier ou en fonte. Pour les moteurs utilisés dans l'industrie, les vilebrequins sont généralement générés à partir d'acier au carbone tel que 40-C-8, 55-C-8 et 60-C-4.

Dans les moteurs de transport, l'acier au manganèse, c'est-à-dire 20-Mn-2, 27-Mn-2 et 37-Mn-2, est couramment utilisé pour préparer les vilebrequins. Dans les moteurs aéronautiques, l'acier au nickel-chrome tel que 35-Ni-1-Cr-60 et 40-Ni-2-Cr-1-Mo-28 est généralement utilisé pour la fabrication du vilebrequin. 

Les vilebrequins sont généralement finis par un processus de forgeage ou de coulée. Le durcissement de la surface du maneton est terminé par le processus de carburation du carter, de nitruration ou de durcissement par induction. Les matériaux de vilebrequin sélectionnés doivent répondre à la fois aux exigences de résistance structurelle et aux exigences d'usure sur le site du roulement.

Dans l'application typique de vilebrequin, des manchons souples et ductiles sont fixés à la bielle ou au cadre, de sorte que le matériau du vilebrequin doit avoir la capacité de fournir une surface dure aux emplacements des roulements. De nombreux matériaux peuvent répondre aux exigences de résistance structurelle, mais fournir une résistance à l'usure sur les sites de roulement réduit la liste des candidats acceptables.

En raison de la géométrie asymétrique, de nombreux vilebrequins ont été fabriqués en coulant ou en forgeant une «ébauche», pour être finie par la suite. Les constructions soudées sont utilisées dans certaines applications. Traditionnellement, la fonte, l'acier moulé et l'acier forgé ont été utilisés pour les vilebrequins. L'utilisation de surfaces de palier cémentées et trempées sélectivement est également quotidienne. 

Procédure de conception du vilebrequin

La procédure suivante doit être suivie pour la conception.

  1. Calculez l'amplitude des différentes charges exercées sur le vilebrequin.
  2. En fonction des charges, calculez la distance entre les structures de support et les positions.
  3. Pour une conception simpliste et sûre, l'arbre doit être supporté au centre des roulements et toutes les forces et réactions doivent être appliquées à ces points. La distance entre les supports dépend de la longueur du roulement, qui dépend généralement du diamètre de l'arbre et des pressions de roulement tolérables.
  4. L'épaisseur des âmes devrait être de 0.4 d à 0.6 d, où «ds» est le diamètre de l'arbre. Il considère généralement 0.22 * D à 0.32 * D, où D est le diamètre d'alésage du cylindre en mm.
  5. Estimez ici et maintenant la distance entre les structures de support.
  6. En supposant les contraintes de flexion et de cisaillement acceptables pour le matériau du vilebrequin, trouvez la dimension du vilebrequin.

Déflexion du vilebrequin

Le vilebrequin se compose des segments d'arbre principaux, individuellement renforcés par le palier principal, puis de plusieurs arbres à âme sur lesquels la bielle de piston spécifique tournera. La manivelle de projection, c'est-à-dire les manivelles et les bras de liaison, doit être carrée sans déformation. Si ce n'est pas le cas, cela provoque une usure inhabituelle des roulements principaux. Un comparateur à cadran détecte le désalignement du vilebrequin entre les bras de manivelle. C'est l'usure inégale qui se produit entre les différents segments de l'axe central du vilebrequin.

Tracé de la courbe de déflexion des vilebrequins

  • À partir de la ligne médiane du vilebrequin, une ligne droite est tracée parallèlement à celui-ci, puis des lignes perpendiculaires de chaque unité sont dessinées vers cette ligne parallèle.
  • Après avoir pris la déflexion du vilebrequin de chaque unité, les valeurs dérivées sont notées au-dessus de chaque unité de l'âme de manivelle dans le graphique ci-dessus.
  • Tracez la distance -5.0 mm, qui est la première lecture de déviation, vers le bas (pour une valeur négative et vers le haut pour une valeur positive) à partir de la ligne de référence sur la ligne centrale de l'unité et ayez la ligne «ab» qui est à un angle proportionnel à la déviation en «a».
  • Cette ligne est prolongée pour couper la ligne centrale de l'unité suivante. L'étape suivante consiste à calculer la déviation à partir de ce point de joint et à joindre le point à partir du point précédent, qui montera jusqu'à la ligne «bc». Les étapes doivent être répétées jusqu'à la fin.
  • Tracez une courbe lisse entre ces points et comparez la position de cette courbe par rapport à la ligne de base XY. Dans le graphique ci-dessus, la courbe tirée des lectures des unités 1 et 2 est trop éloignée de la ligne de base par rapport au reste de la courbe et nécessite donc une attention particulière.
Courbe de déflexion du vilebrequin
Courbe de déflexion du vilebrequin

Étude de cas de défaillance du vilebrequin marin

L'étude de cas réalisée concerne la défaillance tragique d'un vilebrequin marin à bande. Le vilebrequin est soumis à une flexion et une torsion élevées, et son effet combiné sur la défaillance du vilebrequin est analysé. L'observation microscopique a suggéré que l'initiation de la fissure a commencé sur le filet du maneton en raison de la flexion rotative, et la propagation était une combinaison de flexion cyclique et de torsion régulière. Le nombre de cycles entre le début de la fissure et la défaillance finale du vilebrequin a été déterminé par des lectures du fonctionnement du moteur principal à bord. Les repères laissés sur la surface de la fissure de fatigue sont pris en compte.

En utilisant la mécanique linéaire de la rupture élastique, les cycles calculés ont montré que la propagation était rapide. Il montre également que le niveau de contrainte de flexion était assez élevé par rapport aux cycles totaux du moteur principal en service. Aucun défaut ou inclusion de microstructure n'a été observé; ainsi, cela indique que la défaillance était due à une cause externe et non au défaut intrinsèque interne.

Le matériau du vilebrequin avait une configuration (42CrMo4 + Ni + V) (composition chimique,%: 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). Le vilebrequin du moteur principal est endommagé. Le crank-web no. 4 s'est cassé. Le matériau près de la région d'initiation de la fissure a été analysé et il a montré une microstructure bainitique. Le matériau avait une dureté vickers285.

La fatigue ressemble à deux surfaces différentes, l'une verticale au vilebrequin et l'autre dans le plan horizontal avec le vilebrequin avec des zones de commutation entre deux plans. Ainsi, la défaillance tragique du vilebrequin marin ci-dessus était due à la fatigue et combinée à la rotation-flexion avec la torsion constante. La recherche et l'observation et le développement de nouveaux vilebrequins sont en cours pour éviter ce type de défaillance.

Référence:

Fonte MA, Freitas MM. Analyse des défaillances du vilebrequin du moteur principal marin: étude de cas, Engineering Failure Analysis 16 (2009) 1940–1947

Analyse des défaillances du vilebrequin diesel Boxer: étude de cas

Le rapport porte sur l'analyse du mode de défaillance du vilebrequin du moteur diesel Boxer. Le vilebrequin est le composant qui subit une charge dynamique complexe plus élevée en raison de la flexion en rotation complétée par la torsion et la flexion sur le maneton. Les vilebrequins sont soumis à une charge multiaxiale. Contrainte de flexion et contrainte de cisaillement dues à la torsion et à la charge de torsion dues aux transmissions de puissance. Les vilebrequins sont fabriqués en acier forgé, en fonte nodulaire et en fonte ductile trempée.

Ils doivent posséder une résistance, une ténacité, une dureté et une résistance à la fatigue élevées. Ils doivent être faciles à usiner, à traiter thermiquement et à façonner. Le traitement thermique augmente la résistance à l'usure; ainsi, tous les vilebrequins diesel sont traités thermiquement. Ils sont durcis en surface pour améliorer la résistance à la fatigue. Des contraintes de haut niveau sont observées sur des zones critiques comme les filets de bande et les effets de la force centrifuge due à la transmission de puissance et aux vibrations. La fracture de fatigue près de la région du congé de l'âme est la principale cause de défaillance du vilebrequin depuis la génération de fissures, et la propagation se produit à travers cette zone. 

Les spécifications du vilebrequin d'un moteur à boîte sont: cylindrée = 2000 cu. cm, diamètre du cylindre = 100 mm, puissance max = 150 CV, couple max = 350 N m. Il a été constaté qu'après 95,000 2000 km en service, la défaillance du vilebrequin a lieu. Une défaillance par fatigue s'est produite sur près de XNUMX moteurs fabriqués. Après analyse, il a été noté que la faiblesse de deux coques centrales en acier et la déformation des ponts de plaque d'assise due à la fissuration étaient les principaux responsables de la défaillance du vilebrequin.

L'amplitude de flexion du vilebrequin augmente en raison de la faiblesse des coques en acier fissurées et des ponts de la plaque d'assise, qui se trouvent en dessous. Il n'y avait certainement aucune preuve de défauts matériels ou de mauvais alignement des paliers lisses principaux. La défaillance dévastatrice du vilebrequin était due à une conception défectueuse des coques de support en acier et des ponts de plaque d'assise. La conception améliorée du fabricant résoudra ce problème.

Référence:

M. Fonte et al., Analyse de la défaillance du vilebrequin d'un moteur diesel Boxer, Engineering Failure Analysis 56 (2015) 109–115.

Analyse des défaillances dues à la fatigue du vilebrequin: un examen

Dans cet article, la cause fondamentale de la fracture du vilebrequin du compresseur d'air est analysée à l'aide de diverses méthodes et paramètres tels que la composition chimique, les propriétés mécaniques, les caractéristiques macroscopiques, microscopiques et les calculs théoriques. Cet article vise également à améliorer la conception, la résistance à la fatigue et la fiabilité de travail du vilebrequin. Le vilebrequin utilisé dans cette étude est en acier 42CrMo qui est forgé et traité thermiquement et nitruré pour augmenter la résistance à la fatigue du vilebrequin. La procédure d'analyse de la cause de la fracture du vilebrequin se déroule en trois parties:

  • Analyse expérimentale du vilebrequin
  • Caractéristiques macroscopiques et analyse de la microstructure
  • Calculs théoriques

L'analyse des éléments chimiques est effectuée pour déterminer avec précision la composition chimique du matériau du vilebrequin et vérifier si elles sont inférieures aux valeurs standard admissibles. Cela se fait à l'aide d'un spectromètre. Les surfaces fracturées sont classées en trois régions: (1) région d'initiation de fissure de fatigue, (2) région d'expansion de fatigue et (3) région de fracture statique.

Au cours de l'analyse, il a constaté que le taux de croissance des fissures de fatigue est élevé en raison d'une forte flexion. Le défaut d'alignement des tourillons principaux et le petit congé par rapport au trou de lubrification sont les principales causes de flexion élevée. La fissure de fatigue s'est amorcée sur le bord du trou de lubrification et a donc conduit à la fracture. Les marques de plage produites en raison de petites surcharges dues au démarrage et à l'arrêt du compresseur n'étaient pas visibles. Dans un cycle de rotation particulier après une période de travail standard, des micro-fissures dues à une concentration élevée de contraintes de flexion sont apparues sur le congé du trou de lubrification. Cependant, le vilebrequin peut toujours se rapprocher de l'état de fonctionnement normal.

Au fur et à mesure que le temps de fonctionnement augmentait, la fluctuation augmentait également, conduisant les fissures à se propager vers la région de fracture statique, conduisant à une défaillance complète. L'observation microscopique de la surface de fracture mesurée à l'aide de la microscopie électronique à balayage (MEB), qui a montré que la fissure au bord du trou de lubrification était la raison de la fracture du vilebrequin. Selon le calcul théorique, la courbe de sécurité pour le trou de lubrification et la zone de congé est obtenue, ce qui permet d'identifier les sections les plus faibles.

En améliorant la qualité de surface et en réduisant la rugosité de surface, la fiabilité du vilebrequin peut être augmentée. Un alignement correct des tourillons principaux réduira la contrainte de flexion induite et augmentera la durée de vie en fatigue du vilebrequin.

Référence:

W.Li et al., Analysis of Crankshaft fatigue failure, Engineering Failure Analysis 55 (2015) 139-147.

Panne du vilebrequin de moteur diesel: une étude de cas

Dans cet article, l'analyse des défaillances, l'analyse modale et des contraintes du vilebrequin d'un moteur diesel sont effectuées. Pour évaluer la fracture du matériau du vilebrequin, une inspection visuelle et une enquête ont été effectuées. Le moteur utilisé était le S-4003 et son vilebrequin s'est rompu près du maneton quatre après 5500 30 heures de fonctionnement. Le vilebrequin a été cassé après environ 700 h à 2 h de fonctionnement du moteur. L'analyse supplémentaire a montré la présence de micro-fissures à proximité du 2ème maneton et du XNUMXème tourillon. L'étude a montré que la principale raison de l'échec était un processus de broyage défectueux.

Pour une analyse expérimentale plus poussée, l'échantillon a été découpé dans la partie endommagée. Une analyse par éléments finis non linéaire a été utilisée pour identifier les raisons de la rupture brutale du vilebrequin. L'analyse a été réalisée pour déterminer les contraintes induites dans l'arbre en raison des conditions de charge cyclique lorsque le moteur tourne à la puissance maximale.

L'analyse numérique est utilisée pour trouver la relation entre la bielle et le vilebrequin en appliquant des conditions aux limites complexes. Pour la détermination des modes et de la fréquence des vibrations libres, une analyse modale numérique du vilebrequin a été réalisée.

Après l'analyse, on a observé que la valeur de contrainte dans le congé du maneton n ° 4 était d'environ 6% de la limite d'élasticité du matériau du vilebrequin. L'analyse modale a donné le résultat que pendant le deuxième mode de vibration libre, la zone de forte contrainte a été trouvée dans la zone où la formation de fissure a eu lieu (zone critique).

Lors d'une observation plus approfondie, il a été découvert que la défaillance du vilebrequin était due à des vibrations résonnantes générées en raison de masses déséquilibrées sur l'arbre, ce qui induisait des conditions de contrainte cyclique élevées, ce qui entraînait une diminution de la durée de vie en fatigue du vilebrequin.

Référence:

Lucjan Witek et al., Enquête de défaillance d'un vilebrequin de moteur diesel, Procedia Structural Integrity 5 (2017) 369–376

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À propos de Hakimuddin Bawangaonwala

Je suis Hakimuddin Bawangaonwala, un ingénieur en conception mécanique avec une expertise en conception et développement mécanique. J'ai terminé M. Tech en ingénierie de conception et j'ai 2.5 ans d'expérience en recherche. Jusqu'à maintenant publié Deux documents de recherche sur le tournage dur et l'analyse par éléments finis des appareils de traitement thermique. Mon domaine d'intérêt est la conception de machines, la résistance des matériaux, le transfert de chaleur, l'ingénierie thermique, etc. En dehors de la recherche.
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