Обоснование выбора конструкционных материалов и режимов их термической обработки для изготовления деталей машин

Введение
Цель данной работы - выбрать материалы (марку стали) для изготовления вала двигателя в соответствии с условиями задания, разработать технологический процесс термической  обработки детаи.
Вал двигателя (коленвал или коленчатый вал) – это стальная деталь, которая помогает преобразовывать тепловую энергию сгораемого горючего в механическую, которая нужна для вращения колес. Коленчатые валы относятся к числу наиболее ответственных деталей двигателя внутреннего сгорания, работающих в условиях знакопеременных динамических нагрузок. 
Назначение коленчатого вала заключается в восприятии усилия от поршней через шатуны и преобразует их в крутящий момент, который затем передается через маховик на трансмиссию. Кроме этого, коленчатый вал обеспечивает движение поршней во время вспомогательных тактов и пуска двигателя, а также приводит в действие вспомогательные механизмы и приборы двигателя и его систем. Эскиз коленчатого вала приведен на рисунке 1.
Рассмотрим основные элементы коленвала. Коренная шейка – основная часть вала, которая размещается на коренных вкладышах (подшипниках), находящихся в картере.
Шатунная шейка – деталь, соединяющая коленвал с шатунами. При этом смазка шатунных механизмов осуществляется благодаря наличию специальных масляных каналов. Шатунные шейки в отличие от коренных шеек всегда смещены в стороны.
Щеки – детали, соединяющие два типа шеек – коренные и шатунные.
Противовесы – детали, которые предназначены для уравновешивания веса поршней и шатунов.
Фронтальная (передняя) часть или носок – часть механизма, оснащенная колесом с зубцами (шкивом) и шестерней, в некоторых случаях гасителем крутильных колебаний, который осуществляет контроль над мощностью привода ГРМ (газораспределительного механизма), а также других механизмов устройства.
Тыльная (задняя) часть или хвостовик – часть механизма, соединенная с маховиком при помощи маслоотражающего гребня и маслосгонной резьбы, осуществляет отбор мощности вала.
Коленчатые валы бывают составные, кованные, литые, цельные и в соответствии с требованиями ГОСТ 53444-2009 для их изготовления рекомендованы углеродистые, легированные стали, и чугун. Материал и технология изготовления коленвала тесно увязаны между собой. Для коленчатых валов средних размеров, изготовленных из стали в крупносерийном и массовом производстве в основном используется 

ковка в закрытых штампах на молотах или прессах, при этом процесс получения заготовки проходит несколько операций. После предварительной и окончательной ковки коленчатого вала в штампах производят обрезку слоя на обрезном прессе и горячую правку в штампе под молотом. Целью данного способа – является получение структуры с наивысшей прочностью и вязкостью. Чугунные коленчатые валы получаются методом литья. Известно, что чугун в связи с повышенной хрупкостью ковке не поддается. Преимущество стальных валов – это наивысшая прочность, возможность получения высокой твёрдости шеек, особенно благодаря азотированию.

Принцип работы коленчатого вала следующий. В камерах сгорания происходит процесс сжигания поступившего туда топлива и выделения газов. Расширяясь, газы воздействуют на поршни, совершающие поступательные движения. Поршни передают механическую энергию шатунам, соединенным с ними втулкой или поршневым пальцем.

Шатун в свою очередь соединен с шейкой коленвала подшипником, вследствие чего каждое поступательное поршневое движение преобразуется во вращательное движение вала. После того как происходит разворот на 180˚, шатунная шейка движется уже в обратном направлении, обеспечивая возвратное движение поршня. Затем циклы повторяются.

Усилия со стороны газов и сил инерции при большой длине коленчатого вала вызывают заметные продольные и угловые деформации, причиной которых являются динамические (переменные) нагрузки, способные при продолжительных воздействиях привести к усталостным разрушениям.
Шейки коленчатого вала работают при больших окружных скоростях и испытывают значительные тепловые и механические напряжения. При этом шатунные шейки совершают сложные перемещения, вызывающие комплексные инерционные нагрузки.
Коленчатый вал во время работы испытывает переменные динамические нагрузки, поэтому он должен быть достаточно жестким, чтобы под действием рабочих нагрузок обеспечивать необходимую точность движения перемещающихся частей, обладать высоким сопротивлением усталости. Трущиеся поверхности коленчатого вала должны иметь высокую износостойкость.
Коленчатый вал испытывает большие нагрузки и подвергается скручиванию, изгибу и механическому изнашиванию Крутящий момент, развиваемый на коленчатом валу, передается на трансмиссию автомобиля, а также используется для привода в действие различных механизмов двигателя. Силы, действующие на коленчатый вал, складываются из сил давления газов и инерционных сил движущихся масс. Особенно большие силы возникают в момент выключения сцепления. Основными неисправностями валов являются износ опорных шеек из-за повреждения вкладышей или деформация – искривление вала из-за перегрева. В результате этого увеличиваются зазоры в подшипниках, в то время как условия смазки ухудшаются, естественный износ шеек наблюдается при больших нагрузках на двигатель автомобиля. Все эти нагрузки и силы, действующие, на коленчатый вал приводят к проявлению дефектов и возникновению изнашивания.
Исходя из перечисленных условий, в которых работает коленчатый вал, к его конструкции предъявляют следующие требования:
    •    форма коленчатого вала должна обеспечивать уравновешенность двигателя во время работы;
    •    высокая жесткость, исключающая недопустимые деформации;
    •    высокая усталостная прочность и способность противостоять динамическим нагрузкам;
    •    высокая износостойкость трущихся поверхностей;
    •    минимальная масса, позволяющая снизить возникающие во время вращения вала инерционные силы и моменты.
Основными критериями работоспособности валов является жесткость, объемная прочность и износостойкость.

Список использованной литературы
    1.    Арзамасов В.Б., Черепахин А.А. Материаловедение. Учебник. – М.: Экзамен, 2009. – 352 с.: ил.  
    2.    Морозова Е. А., Долгов Н. В. Анализ основных металлов и сплавов, применяемых при производстве коленчатых валов // Актуальные исследования. 2022. №6 (85).  С. 10-12. URL: https://apni.ru/article/3732-analiz-osnovnikh-metallov-i-splavov-primenyae
    3.    Солнцев Ю.П. Материаловедение / Ю.П. Солнцев, С.А. Вологжанина, А.Ф. Иголкин. – 8-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2013. – 496 с.
    4.    Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.
    5.    Основы материаловедения / Под редакцией И.И. Сидорина – М.: Машиностроение, 1976. – 436 с.
    6.    Самохоцкий А.И. Технология термической обработки металлов / А.И. Самохоцкий, Н.Г.Парфеновская – М.: Машиностроение, 1976. – 311 с.