При испытаниях коленчатых валов на усталость определяют предел выносливости. Причем предел выносливости на изгиб и кручение определяется раздельно. Пределы выносливости определяют по моментам на изгиб и кручение. Усталостные испытания проводятся по методу Велера. Определяется предел выносливости на базе 10⁷ циклов нагружения.

Схема стенда испытания валов на изгиб изображена на рис. 3.29. Полноразмерный коленчатый вал 1 коренными шейками закрепляют в опорах специального приспособления. За шатунную шейку крепится ярмо 4. Нагружение производится через ярмо.

Рис. 3.29. Схема стенда испытания коленчатых валов на изгиб:

1 – опора-захват; 2 – коленчатый вал; 3 – захват шатунной шейки; 4 – ярмо; 5 – акселерометр; 6 – дебалансный возбудитель; 7 – электродвигатель

Таким образом, испытанию подвергается щека, расположенная между коренной и шатунной шейками. На ярме закреплен дебалансный вибровозбудитель 6, который снабжен двумя валами с дебалансами. Вектор дебаланса валов направлен так, что при положении дебалансов в верхнем или нижнем крайнем положении их дебалансы складываются. В горизонтальном положении дебалансы взаимно сокращаются на нуль. Таким образом, создается синусоидальная нагрузка на шатунную шейку в вертикальном направлении. Вдоль оси вала стенд не раскачивается. Привод валов дебалансного вибровозбудителя осуществляется от электродвигателя постоянного тока 7. С помощью системы управления частотой вращения двигателя колебательная система вводится в резонанс. Колебательная система является одномассовой системой с жесткостью. В качестве массы выступает масса ярма, вибровозбудителя и шатунной шейки с вынесенной щекой. В качестве пружины выступает испытуемая щека. Жесткость ярма должна быть, как минимум на порядок выше жесткости испытываемой щеки с тем, чтобы не ввести в резонанс ярмо. Частота возбуждения находится в диапазоне 50÷100 Гц. Для определения предела выносливости одного варианта коленчатого вала необходимо испытать от 8 до 12 щек. Время испытаний одного варианта коленчатого вала при 3-х сменной работе составляет один месяц.

Контроль нагрузки на щеку производится с помощью пьезоэлектрического акселерометра 5, установленного на ярмо. Сигнал с акселерометра подается на виброизмеритель, снабженный интегратором. После двойного интегрирования контроль нагрузки осуществляется по виброперемещению ярма.

При тарировке стенда определяется зависимость изгибающего момента от перемещения ярма. Тарировка производится при помощи тензодатчиков, наклеенных на щеку коленчатого вала. При этом измеряется изгибающий момент и перемещение ярма в месте установки акселерометра.

При резонансном методе возбуждения можно определить момент начала появления трещины. При появлении трещины жесткость колена уменьшается и изменяется резонансная частота и величина виброперемещения ярма. По мере развития трещины требуется вмешательство оператора для поднастройки стенда. Таким образом, можно определить наработку до момента появления трещины и наработку по мере развития трещины. Полностью доломать щеку при этом не удается.

При испытаниях на кручение используется та же методика, что и на изгиб. Стенд отличается приспособлением для зажима коленчатого вала (рис. 3.30). Коренные шейки коленчатого вала закрепляются в зажимах опоры стенда 2 неподвижно. На шатунную шейку закрепляется рычаг 3. Рычаг является симметричным относительно оси вала. Рычаг под действием дебалансного вибровозбудителя совершает угловые колебания.

Рис. 3.26.  Схема испытаний коленчатого вала на кручение:

Рис. 3.30. Схема испытаний коленчатого вала на кручение:

1 – коленчатый вал; 2 – опора-захват; 3 – рычаг; 4 - акселерометр;

5 – дебалансный возбудитель; 6 - электродвигатель

Система работает в резонансе, как одномассовая. Массой является рычаг с вибровозбудителем. Крутильной жесткостью (пружиной) является шатунная шейка. Таким образом, при испытаниях на кручение определяется предел выносливости на кручение шатунной шейки. Предел выносливости на кручение определяется по результатам испытаний 8÷12 шатунных шеек. Время испытаний тоже, что и при испытаниях на изгиб. Испытания проводили совместно с ВНИИТУВИД «Ремдеталь» [37, 38, 266, 313]