Из какого металла делают коленвалы

Обновлено: 17.05.2024

Коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания, он же коленвал — это однородная деталь (если состоит она из нескольких частей, то это составной вал) сложной формы в виде стержня с коленами, функция которой является преобразование возвратно-поступательного движения в крутящее.

Металл коленвала

Коленчатый вал ДВС воспринимает большие нагрузки, поэтому он изготавливается с большим запасом прочности. Материалы для изготовления коленвала следующие:

углеродистая сталь;
хромомарганцевая сталь;
хромоникельмолибденовая сталь;
высокопрочный чугун.

Марки стали состава коленвала в порядке распространенности:

Сталь 45. Означает, что в сплаве металла содержится от 0,42 до 0,5 % углерода (С).
Сталь 45Х. Это конструкционный легированный сплав, в котором содержится хром в количестве 1%. Из справочников по ГОСТу хрома содержится в этой марке от 0,8 до 1,1 %.
Сталь 45Г2. Буква Г в шифре стали означает, что содержится марганец (Mn) в количестве 2%.
Сталь 50Г. Этот шифр обозначает, что это марганцевая сталь с содержанием 1% марганца (Mn) и 0,5% углерода (С).

Если в шифре сплава металла содержится более, чем 2,14% углерода (С), то — это чугун.

Марки стали коленвалов дизельных двигателей:

Элементы коленвала

Коленчатый вал (коленвал) ДВС состоит из:

Коренная шейка.
Шатунная шейка.
Щёки.
Передняя выходная часть вала или, по-другому — носок.
Задняя выходная часть вала, или, по-другому — хвостовик.
Противовесы.

Коренная шейка вала коленчатого вала — это специальное посадочное место для коренного подшипника, на котором сидит и вращается коленвал.

Обозначения рисунка «Коленчатый вал ДВС»:

Фланец маховика.
Противовесы.
Шатунные шейки.
Коренные шейки.
Щека.
Отверстия подвода масла к шейкам.
Противовесы.
Коренная шейка упорного подшипника.
Посадочное место звездочки (шестерни) привода распределительного вала.
Носок коленчатого вала.

В строении коленвала ДВС имеются коренные шейки, соединяющиеся с шатунныйми шейками посредством щёк. Помимо соединительной функции щек, они еще являются балансирами кривошипно-шатунного механизма, то есть выравнивают вес поршней и шатунов. Благодаря сбалансированному вращению коленвалу, двигатель работает плавно, без рывков.

На коренные и шатунные шейки надеваются подшипники скольжения, называемые вкладышами. Вкладыши тонкостенные располовинчатые из стальной ленты с антифрикционным слоем (то есть, устойчивым к трению).

Шатунная шейка является опорой для шатуна. Самой большой нагрузке в строении коленвала ДВС подвергаются места перехода от шеек к щекам.

Чтобы весь коленчатый вал двигателя не перемещался по оси, не имел осевой люфт, используется упорный подшипник скольжения. Подшипник скольжения удерживающий от перемещения по оси коленвала устанавливается на крайней или средней коренных шейках.

В конструкции шеек и щек коленвала конструкторами предусмотрены специальные отверстия для смазки. Через эти отверстия под давлением подается моторное масло к каждой шейке вала. Коренные шейки обеспечены такой индивидуальной смазкой. Через каналы в щеках, масло подается на шатунные шейки.

Задняя часть коленвала — это хвостовик, обеспечивающий передачу крутящего момента маховику, который закрепляется на хвостовике, а маховик, в свою очередь, передает вращение на коробку переключения передач.

Передняя часть коленвала — это носок. На носке монтируются такие детали:

шестерня или звездочка привода распределительного вала (распредвала) газораспределительного механизма (ГРМ);
шкив привода навесного оборудования. Кстати, как снять шкив коленвала, мы рассматривали подробно. Есть несколько способов.

На носке также монтируется, так называемый гаситель крутящих колебаний. Так как коленвал ДВС постоянно испытывает огромные нагрузки на кручение и излом, на носке необходимо подавлять вибрацию (колебания).

Гаситель вибраций коленвала состоит из двух дисков и растягивающегося элемента (резина, силикон, масляная жидкость, пружина). Вибрация на носке вала уменьшается благодаря гасителю крутильных колебаний.

Во всех сложно-технических устройствах происходит возникновение одной одного вида энергии, которая кинематическими схемами преобразуется в другую, например, вращательное — в поступательное, и т.д.

В двигателе ДВС коленчатый вал — это сердце двигателя. Принцип работы коленвала следующий: когда поршень удалился на самое максимальное расстояние — щёки и шатун вытягиваются в одну линию. Далее, в рабочей камере сгорания цилиндра происходит взрыв топливно-воздушной смеси, из-за чего поршень опускается вниз с шатуном. Основание шатуна проворачивается вокруг оси шатунной шейки коленвала, так как шатун сидит на ней. После достижения поворота на 180 градусов, шатун начинает движение вверх и поднимает поршень. Таким образом происходит цикл вращения деталей цилиндро-поршневой группы.

Максимально удаленное и максимально приближенное расстояния от коленвала до поршней называются мертвыми точками, в мертвых точках скорость движения равна нолю.

Обработка коленвала.

Коленвалы ДВС в процессе изготовления подвергаются механической и химико-термической обработкам. Так как коленчатый вал двигателей — это сложное устройство с высокой точностью, оно делается с высокими квалитетами только на заводах. Механобработка вала, в основном, понятна многим — это изменение формы по заданным параметрам.

Химическая обработка коленвалов — это закалка током высокой частоты (ТВЧ), азотирование, закалка поверхностного слоя. Изношенные азотированные валы не шлифуют, они подлежат замене. Благодаря всем этим хим и термическим обработкам повышается прочность и износоустойчивость.

Из какого металла сделан коленвал

Для изготовления коленчатых валов применяются стали 45, 45А, 40Х, 20Г2 и 50Г. В дизелях, работающих с давлением наддува рк ^ 0,15 Мн/м2 (1,5 кГ/см2), для коленчатых валов используют высоколегированные стали 18ХНМА, 18ХНВА и 40ХНМА с повышенными пределами текучести и прочности.

Обычно коленчатые валы изготовляют ковкой. В последнее время стали применять литые коленчатые валы из высокопрочного чугуна, модифицированного магнием, перлитного ковкого чугуна, легированного никельмолибдено-вого чугуна.

Наибольшее применение для литых коленчатых валов получил высокопрочный ВЧ 50-1,5 (НВ 187—255) и перлитовый чугун.

Литые коленчатые валы имеют следующие преимущества по сравнению с коваными: меньший расходметалла,сокращениечисла операцийпримеханическойобработке,возможность придания оптимальных форм в отношении распределения металла и повышения усталостной прочности.

Литые коленчатые валы из чугуна обладают лучшей способностью гашения крутильных колебаний.

Литые чугунные валы обладают меньшей прочностью (особенно на изгиб), чем штампованные стальные валы. Поэтому у чугунных валов увеличивают диаметры шатунных и коренных шеек, толщину щек и радиусы галтелей. Чугунные коленчатые валы изготовляют полноопорными. Шейки чугунных валов имеют высокую износостойкость, что позволяет применять подшипники из свинцовистой бронзы.

Масса обработанного литого коленчатого вала на 10—15% меньше массы кованого.

После ковки коленчатые валы отжигают или нормализуют для снятия внутренних напряжений и понижения твердости до НВ 163—269,чтобы облегчитьмеханическую обработку.После механической обработки коленчатые валы перед шлифованием подвергают вторичной термической обработке (закалка и отпуск), что значительно улучшает их механические свойства и повышает поверхностную твердость шеек. Обычно вторичная термическая обработка производится с нагревом т. в. ч. (токами высокой частоты).

Глубина закаленного слоя должна быть не менее 3—4 м.и, чтобы после перешлифования шеек коленчатого вала под ремонтные размеры толщина закаленного слоя была не менее 1 мм. Твердость шеек коленчатого вала из стали 50Г HRC52—62, а из стали 45Г2 — HRC48—50.

Коленчатый вал — деталь (или узел деталей в случае составного вала) сложной формы, имеющая шейки для крепления шатунов, от которых воспринимает усилия и преобразует их в крутящий момент. Составная часть кривошипно-шатунного механизма (КШМ).

Содержание

Впервые столь важную механическую деталь как коленчатый вал описал и сконструировал средневековый учёный Аль-Джазари в Османской империи в 13 веке. В 1206 году в трактате «Китаб фи марифат аль-хиял аль-хандасийя» (Книга знаний об остроумных механических устройствах) описан механизм вала.

Коренная шейка — опора вала, лежащая в коренном подшипнике, размещённом в картере двигателя.
Шатунная шейка — опора, при помощи которой вал связывается с шатунами (для смазки шатунных подшипников имеются масляные каналы).
Щёки — связывают коренные и шатунные шейки.
Передняя выходная часть вала (носок) — часть вала на которой крепится зубчатое колесо или шкив отбора мощности для привода газораспределительного механизма (ГРМ) и различных вспомогательных узлов, систем и агрегатов.
Задняя выходная часть вала (хвостовик) — часть вала соединяющаяся с маховиком или массивной шестернёй отбора основной части мощности.
Противовесы — обеспечивают разгрузку коренных подшипников от центробежных сил инерции первого порядка неуравновешенных масс кривошипа и нижней части шатуна.

Определяются как результат расчётов, причём часть размеров задаётся исходя из выбранной компоновки. Например, количество шатунных шеек определяется в зависимости от числа цилиндров. В многорядных двигателях (V, W, X-образных, звездообразных) одна шатунная шейка воспринимает нагрузки сразу нескольких шатунов (или одного центрального, соединённого с прицепными). Коленчатый вал воспринимает крутящий момент, имеющий переменное значение, а следовательно, работает на скручивание и должен иметь достаточный запас прочности (обычно 2,5) по усталостному напряжению на сдвиг.

Стальные валы (чаще всего) имеют невысокое внутреннее демпфирование крутильных колебаний, что в некоторых случаях угрожает валу разрушением из-за резонанса при прохождении опасной зоны по числу оборотов. Поэтому валы такие снабжают демпферами крутильных колебаний, расположенными на переднем носке вала.

Кроме усталостной прочности, коленвалы должны иметь определённую площадь шеек, задающую контактное давление подшипников скольжения или качения. Максимальное контактное давление и скорость скольжения для антифрикционных материалов может быть несколько повышено при высокой твёрдости шеек и высококачественной смазке. Превышение их выше допустимых ведёт к выплавке/растрескиванию антифрикционного слоя или питтингу роликов (подшипники качения).

Диаметр шатунных шеек (исходя из упомянутых соображений) может быть увеличен косым разъёмом шатуна (что увеличивает его трудоёмкость и стоимость), длину же можно увеличить либо за счёт коренных шеек (что увеличивает контактное давление), либо увеличением расстояния между цилиндрами (что ведёт к увеличению габаритов и массы двигателя). В последние десятилетия, в связи с появлением новых высопрочных антифрикционных сплавов и высококачественных масел, длину шеек валов (а вместе с ним — и межцилиндровое расстояние) конструкторы сокращают.

Материал и технология изготовления зачастую тесно увязаны между собой. В данном случае, стальные валы (с целью достижения наивысшей прочности и вязкости) получают ковкой, чугунные (материал ковке не поддаётся) — литьём.

Выбор стали определяется поверхностной твёрдостью шеек, которую нужно получить. Твёрдость около 60 HRC (необходимая для применения роликовых подшипников) может быть получена, как правило, только химико-термической обработкой (цементация, азотирование, цианирование). Для этих целей годятся, как правило, малоуглеродистые хромоникелевые или хромоникельмолибденовые стали (12ХН3А, 18ХНВА, 20ХНМА, причём для валов средних и крупных размеров требуется большее легирование дорогостоящим молибденом. Однако в последнее время для этого стали употреблять дешёвые стали регламентированной прокаливаемости, позволяющие получить высокую твёрдость при сохранении вязкости сердцевины. Меньшая твёрдость, достаточная для надёжной работы подшипников скольжения, может быть получена закалкой ТВЧ как среднеуглеродистых сталей, так и серого или высокпрочного чугуна (45..55 HRC).

Заготовки стальных коленчатых валов средних размеров в крупносерийном и массовом производстве изготовляют ковкой 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 облоя на обрезном прессе и горячую правку в штампе под молотом.

В связи с высокими требованиями механической прочности вала большое значение имеет расположение волокон материала при получении заготовки во избежание их перерезания при последующей механической обработке. Для этого применяют штампы со специальными гибочными ручьями. После штамповки перед механической обработкой, заготовки валов подвергают термической обработке — нормализация — и затем очистке от окалины травлением или обработкой на дробеметной машине.

Крупноразмерные коленчатые валы, такие как судовые, а также коленвалы двигателей с туннельным картером являются разборными, и соединяются на болтах. Коленвалы могут устанавливаться не только на подшипниках скольжения, но и на роликовых (шатунные и коренные), шариковых (коренные в маломощных моторах). В этих случаях и к точности изготовления, и к твёрдости предъявляются более высокие требования. Такие валы поэтому всегда изготовляют стальными.

Литые коленчатые валы изготовляют обычно из высокопрочного чугуна, модифицированного магнием. Полученные методом прецизионного литья (в оболочковых формах) валы по сравнению со «штампованными» имеют ряд преимуществ, в том числе высокий коэффициент использования металла и хорошее демпфирование крутильных колебаний, позволяющее часто отказаться от внешнего демпфера на переднем носке вала. В литых заготовках можно получить и ряд внутренних полостей при отливке [2] .

Припуск на обработку шеек чугунных валов составляет не более 2,5 мм на сторону при отклонениях по 5-7-му классам точности. Меньшее колебание припуска и меньшая начальная неуравновешенность благоприятно сказываются на эксплуатации инструмента и «оборудования», особенно в автоматизированном производстве.

Правку валов производят после нормализации в горячем состоянии в штампе на прессе после выемки заготовки из печи без дополнительного подогрева.

Масляные отверстия в коленвалах соединяют обычно соседние коренную и шатунную шейку, и выполняются сверлением. Отверстия в щёках при этом зачеканиваются либо закрываются пробками на резьбе.

Сложность конструктивной формы коленчатого вала, его недостаточная жесткость, высокие требования к точности обрабатываемых поверхностей вызывают особые требования к выбору методов базирования, закрепления и обработки вала, а также последовательности, сочетания операций и выбору оборудования. Основными базами коленчатого вала являются опорные поверхности коренных шеек. Однако далеко не на всех операциях обработки можно использовать их в качестве технологических. Поэтому в некоторых случаях технологическими базами выбирают поверхности центровых отверстий. В связи со сравнительно небольшой жесткостью вала на ряде операций при обработке его в центрах в качестве дополнительных технологических баз используют наружные поверхности предварительно обработанных шеек.

При обработке шатунных шеек, которые в соответствии с требованиями технических условий должны иметь необходимую угловую координацию, опорной технологической базой являются специально фрезерованные площадки на щеках [3] . По окончании изготовления коленчатые валы обычно подвергают динамической балансировке в сборе с маховиком (автомобильные двигатели).

В большинстве случаев коленчатые валы предусматривают возможность их перешлифовки на ремонтный размер (обычно 4-6 размеров, ранее было до 8). В этом случае коленвалы шлифуют вращающимся наждачным кругом, причём вал проворачивается вокруг осей базирования. Конечно, эти оси для коренных и шатунных шеек не совпадают, что требует перестановки. При перешлифовке требуется соблюсти межцентровое состояние, и согласно инструкции, валы после шлифовки подлежат повторной динамической балансировке. Чаще всего это не выполняют, потому отремонтированные двигатели часто дают большую вибрацию. При шлифовании важно соблюсти форму галтелей, и ни в коем случае не прижечь их. Неправильная обработка галтелей часто приводит к разрушению коленчатого вала.

Коленчатые валы для увеличения прочности и износостойкости шеек подвергают термической, а иногда и химико-термической обработке: закалка ТВЧ, азотирование, закалка поверхностного слоя (стали регламентируемой прокаливаемости 55ПП, 60ПП). Получаемая твёрдость зависит от количества углерода (закалка ТВЧ, обычно не более 50..55 HRC), либо вида ХТО (азотирование даёт твёрдость 60 HRC и выше) [1] . Глубина закалённого слоя шеек позволяет обычно использовать 4-6 промежуточных ремонтных размеров шеек вала, азотированные валы не шлифуют. Вероятность задира шейки с ростом твёрдости значительно снижается.

При ремонте коленчатых валов используются также методы напыления, в том числе — плазменного. При этом твёрдость поверхностного слоя может повышаться даже выше заводских значений (для закалки ТВЧ), а заводские диаметры шеек восстанавливают до нулевого размера.

При эксплуатации из-за разных причин могут наблюдаться такие неисправности:

износ вала по коренным или шатунным шейкам;
изгиб;
разрушение вала [4] ;
износ посадочных поверхностей под маховик, сальник (сальники), переднюю шестерню.

При износе шеек выше допустимого или незначительном изгибе, устранимом перешлифовкой, коленчатый вал обрабатывают под следующий ремонтный размер. Однако при больших задирах (например, при выплавлении вкладышей с проворотом) иногда перешлифовывают "через размер", т.е. сразу на 2 размера. Все коренные шейки, а также все шатунные шлифуют в один размер – например, коренные могут быть 2-го ремонтного размера, а шатунные 3-го, в любой комбинации размеров. Коленчатые валы с подшипниками качения и азотированные перешлифовке не подлежат.

Однако руководства по армейскому полевому ремонту (двигатели боевых машин) обычно предписывают индивидуальный ремонт, поэтому шатунные/коренные шейки могут иметь разный диаметр после шлифовки, и даже не иметь стандартного ремонтного размера(!). Вкладыши при этом растачиваются парами, используются заготовки с минимальным внутренним диаметром. Плюсом является наивысшая скорость починки и унификация запчастей (вкладыши).

Разрушение вала происходит от усталостных трещин [4] , возникающих иногда из-за прижога галтелей при шлифовке. Трещины развиваются в некачественном материале (волосовины, неметаллические включения, флокены, отпускная хрупкость) либо при превышении расчётных величин крутильных колебаний (ошибки при проектировании, самостоятельная форсировка по числу оборотов дизеля). Возможна поломка по причине превышения числа оборотов, отказе демпфера, заклинивания поршня [5] . Сломанный вал ремонту не подлежит. При износе посадочных поверхностей могут применяться электрохимическая обработка, плазменная или электродуговая наплавка поверхностей, а также другие решения.

собственно вопрос в названии темы)

Смотрите также

Метки: коленвал, материал

Комментарии 18

Из пластика ё-моё!

в любом случае это не просто кусок металла причудливой формы, проще говоря внутри коленвала метал более мягкий чем снаружи, для того чтобы он выдерживал нагрузки и биения при работе, он как бы не много изгибается. клапана также сделаны из окалиностойкой стали, а внутри залит жидкий натрий, для того чтобы выдерживать высокие температуры и резкие перепады.

Там не два материала. Весь коленвал из одногодного материала, из чугуна. Но поверхность подвергнута термической обработке.

Уже давно не закаливают поверхность вала. Это был удел совдепа. Сейчас наши бравые ЗМЗшники заявляют, что это приводит к необоснованному удорожанию детали.

я не говорил, что там два металла.

какой какой там натрий? оО =)

Внутри клапана имеется полость, заполненная на 50…60% натрием. Полость закрыта заглушкой, приваренной к тарелке клапана. Во время работы двигателя натрий плавится и, переливаясь при встряхивании, интенсивно переносит тепло от головки к стержню, а от стержня тепло передается втулке клапана. Благодаря этому температура тарелки клапана снижается.

нет там ничего подобного. но должно быть. но нету:)

если память мне не изменят то есть два двигателя умз 417 и змз 402. так вот распредвалы у них одинаковые. У умз сделан из чугуна, а у змз из стали .

Есть еще УМЗ 421 и на всех заводской распредвал, как и коленвал из одного и того же материала сделан.

Анализ основных металлов и сплавов, применяемых при производстве коленчатых валов

В статье рассматривается конструкция коленчатого вала, принцип работы, а также проводится анализ основных материалов, применяемых при производстве коленчатых валов.

Один из наиболее ответственных и дорогостоящих конструктивных элементов двигателя внутреннего сгорания – это коленчатый вал (коленвал), расположенный в цилиндровом блоке. Его основное назначение – преобразовать возвратно-поступательное движение поршней в крутящий момент.

Сложная конструкция коленвала показана на рисунке и представлена в виде шатунных шеек, расположенных по одной оси колен и соединенных специальными щеками. При этом число, формы и месторасположения цилиндров влияют на количество колен. С помощью шатунов шейки соединяются с поршнями, совершающими поступательно-возвратные движения. Коленчатый вал воспринимает периодические переменные нагрузки от сил давления газов, а также сил инерции движущихся и вращающихся масс.

Рис. Конструкция коленчатого вала

Основными элементами коленчатого вала являются:

Коренная шейка – основная часть вала, опора вала, размещающаяся на коренных вкладышах (подшипниках), находящихся в картере двигателя.

Шатунная шейка – деталь- опора, соединяющая коленвал с шатунами. При этом смазка шатунных подшипников осуществляется благодаря наличию специальных масляных каналов. Шатунные шейки в отличие от коренных шеек всегда смещены в стороны.

Щеки – детали, соединяющие коренные и шатунные шейки.
Противовесы – детали, которые предназначены для уравновешивания веса поршней и шатунов. Они обеспечивают разгрузку коренных подшипников от центробежных сил энергии первого порядка неуравновешенных масс кривошипа и нижней части шатуна.
Передняя (фронтальная) часть вала или носок – часть механизма, оснащенная колесом с зубцами (шкивом) и шестерней, в некоторых случаях гасителем крутильных колебаний. Основное назначение этой части вала - осуществлять контроль над мощностью привода ГРМ (газораспределительного механизма), а также других вспомогательных узлов, систем и агрегатов.
Задняя (тыльная) часть или хвостовик – часть механизма, соединяющаяся с маховиком при помощи маслоотражающего гребня и маслосгонной резьбы. Ее основное назначение - осуществлять отбор части мощности вала.

Коленчатые валы, как отмечает автор [1] бывают составные, кованные, литые, цельные и в соответствии с требованиями ГОСТ 53444-2009 [2] 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.

Для изготовления коленчатых валов для двигателей малой и средней напряженности в основном используются углеродистые стали 35, 40, 50. Применение сталей таких марок объясняется низкой стоимостью термообработки и хорошими механическими свойствами этих сталей. Для подавляющего большинства коленчатых валов стационарных, судовых и тепловозных дизелей чаще всего применяют низколегированные стали 35Г, 40Г, 45Г, 50Г и др. Хромовые, хромоникелевые, хромомолибденовые стали (40Х, 40ХН, 35ХМ, 30ХН2МА, 18Х2Н4МА и др.) в основном применяются для изготовления валов быстроходных двигателей. Наибольший интерес вызывают коленчатые валы автомобильных и тракторных двигателей. Здесь наиболее широко применяют стали 45, 50Г, 40Х, 45Г2, 38ХГН, 40ХН2МА. Стали, легированные ванадием, хромом, молибденом, никелем (30ХМА, 20ХН3А, 38Х2МЮА, 40Х2Н2МА, 25Х2Н4МА, 38Х2МЮА и др.), имеющие повышенную твердость, пластичность, износостойкость в основном служат для изготовления коленчатых валов дизелей повышенной мощности.

Стальные коленчатые валы для увеличения прочности и износостойкости шеек всегда подвергают термической, реже химико-термической обработке: закалка токами высокой частоты, закалка поверхностного слоя, азотирование. Твёрдость, получаемая при этом, зависит от количества углерода. Так, твердость при закалке ТВЧ находится в диапазоне 50..55 HRC, при азотировании она увеличивается до 60 HRC и выше.

Литые коленчатые валы изготовляют обычно из высокопрочных чугунов с шаровидным графитом, модифицированного магнием перлитного класса (ВЧ 45; ВЧ-50, ВЧ-60, ВЧ-70), ферритного класса ВЧ-40 или ковкого перлитного с хлопьевидными включениями графита КЧ 60-3, КЧ 70-2, реже из легированного никель-молибденового чугуна. В основном используется метод прецизионного литья, т.е. в оболочковых формах. Литые коленчатые валы по сравнению со «штампованными» также имеют ряд преимуществ: дешевизна, высокий коэффициент использования металла, хорошее демпфирование крутильных колебаний, позволяющее часто отказаться от внешнего демпфера на переднем носке вала. В литых заготовках можно получить и ряд внутренних полостей при отливке. Изготовление литых чугунных валов технологически проще и существенно дешевле. Эта технология, известная еще с советских времен (так чугунные коленчатые валы в автомобильных двигателях стали применять с 1960 года), с учетом ряда преимуществ становится очень популярной для двигателей тракторной и автомобильной техники в настоящее время. Безусловно, при изготовлении чугунных коленвалов особую роль играет качественное литье на современном оборудовании с целью исключения литейных пороков. В случае использования высокопрочных марок чугуна коленчатый вал имеет достаточные характеристики прочности и не нуждается в дальнейшей термообработке. Литой коленчатый вал имеет равномерную твердость по всему сечению и она не снижается после шлифовки. Масса обработанного литого коленчатого вала на 10-15% меньше массы кованого.

Таким образом, в статье рассмотрена конструкция коленчатого вала, дана его классификация, принцип работы, а также проводится анализ основных материалов, применяемых при его производстве и их сравнительная характеристика.

Коленчатый вал или просто "колено"

Основные элементы коленчатого вала

Коренная шейка — опора вала, лежащая в коренном подшипнике, размещённом в картере двигателя.
Шатунная шейка — опора, при помощи которой вал связывается с шатунами (для смазки шатунных подшипников имеются масляные каналы).
Щёки — связывают коренные и шатунные шейки.
Передняя выходная часть вала (носок) — часть вала на которой крепится зубчатое колесо или шкив отбора мощности для привода газораспределительного механизма (ГРМ) и различных вспомогательных узлов, систем и агрегатов.
Задняя выходная часть вала (хвостовик) — часть вала соединяющаяся с маховиком или массивной шестернёй отбора основной части мощности.
Противовесы — обеспечивают разгрузку коренных подшипников от центробежных сил инерции первого порядка неуравновешенных масс кривошипа и нижней части шатуна.

Материал и способы получения заготовок для коленчатых валов

Коленчатые валы изготовляют из углеродистых, хромомарганцевых, хромоникельмолибденовых, и других сталей, а также из специальных высокопрочных чугунов. Наибольшее применение находят, стали марок 45, 45Х, 45Г2, 50Г, а для тяжело нагруженных коленчатых валов дизелей — 40ХНМА, 18ХНВА и др.
Заготовки стальных коленчатых валов средних размеров в крупносерийном и массовом производстве изготовляют ковкой 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 облоя на обрезном прессе и горячую правку в штампе под молотом.
В связи с высокими требованиями механической прочности вала большое значение имеет расположение волокон материала при получении заготовки во избежание их перерезания при последующей механической обработке. Для этого применяют штампы со специальными гибочными ручьями. После штамповки перед механической обработкой, заготовки валов подвергают термической обработке — нормализация — и затем очистке от окалины травлением или обработкой на дробеметной машине.
Литые заготовки коленчатых валов изготовляют обычно из высокопрочного чугуна, модифицированного магнием. Полученные методом прецизионного литья (в оболочковых формах) валы по сравнению со «штампованными» имеют ряд преимуществ, в том числе высокий коэффициент использования металла. В литых заготовках можно получить ряд вк.ком/карс.бест внутренних полостей при отливке.
Припуск на обработку шеек чугунных валов составляет не более 2,5 мм на сторону при отклонениях по 5-7-му классам точности. Меньшее колебание припуска и меньшая начальная неуравновешенность благоприятно сказываются на эксплуатации инструмента и «оборудования» особенно в автоматизированном производстве.
Правку валов производят после нормализации в горячем состоянии в штампе на прессе после выемки заготовки из печи без дополнительного подогрева.

Механическая обработка коленчатых валов

Коленчатый вал от А до Я

• Коленчатый вал – один из наиболее ответственных и дорогостоящих конструктивных элементов двигателя внутреннего сгорания. Он преобразует возвратно-поступательное движение поршней в крутящий момент. Коленчатый вал воспринимает периодические переменные нагрузки от сил давления газов, а также сил инерции движущихся и вращающихся масс.

• Коленчатый вал двигателя, как правило, цельный конструктивный элемент, поэтому правильно его называть деталью. Вал изготавливается из стали с помощью ковки или чугуна путем литья. На дизельных и турбированных двигателях устанавливаются более прочные стальные коленчатые валы.

— Схема коленчатого вала:

1 носок коленчатого вала;
2 посадочное место звездочки (шестерни) привода распределительного вала;
3 отверстие подвода масла к 4 коренной шейке;
5 противовес;
6 щека;
7 шатунные шейки;
8 фланец маховика;
9 отверстие подвода масла к шатунной шейке;
10 противовесы;
11 коренные шейки;
коренная шейка упорного подшипника.

• Конструктивно коленчатый вал объединяет несколько коренных и шатунных шеек, соединенных между собой щеками. Коренных шеек, как правило, на одну больше, а вал с такой компоновкой называется полноопорным. Коренные шейки имеют больший диаметр, чем шатунные шейки. Продолжением щеки в противоположном от шатунной шейки направлении является противовес. Противовесы уравновешивают вес шатунов и поршней, тем самым обеспечивают плавную работу двигателя.

• Шатунная шейка, расположенная между двумя щеками, называется коленом. Колена располагаются в зависимости от числа, расположения и порядка работы цилиндров, тактности двигателя. Положение колен должно обеспечивать уравновешенность двигателя, равномерность воспламенения, минимальные крутильные колебания и изгибающие моменты.

• Шатунная шейка служит опорной поверхностью для конкретного шатуна. Коленчатый вал V-образного двигателя выполняется с удлинёнными шатунными шейками, на которых базируется два шатуна левого и правого рядов цилиндров. На некоторых валах V-образных двигателей спаренные шатунные шейки сдвинуты относительно друг друга на угол 18°, что обеспечивает равномерность воспламенения (технология носит название Split-pin).

• Наиболее нагруженным в конструкции коленчатого вала является место перехода от шейки (коренной, шатунной) к щеке. Для снижения концентрации напряжений переход от шейки к щеке выполняется с радиусом закругления (галтелью). Галтели в совокупности увеличивают длину коленчатого вала, для уменьшения длины их выполняют с углублением в щеку или шейку.

• Вращение коленчатого вала в опорах, а шатунов в шатунных шейках обеспечивается подшипниками скольжения. В качестве подшипников применяются разъемные тонкостенные вкладыши, которые изготавливаются из стальной ленты с нанесенным антифрикционным слоем. Проворачиванию вкладышей вокруг шейки препятствует выступ, которым они фиксируются в опоре. Для предотвращения осевых перемещений коленчатого вала используется упорный подшипник скольжения, который устанавливается на средней или крайней коренной шейке.

— Схема системы смазки:

1 масляный поддон
2 датчик уровня и температуры масла
3 масляный насос
4 редукционный клапан
5 масляный радиатор
6 масляный фильтр
7 перепускной клапан
8 обратный клапан
9 датчик давления масла
10 коленчатый вал
11 форсунки
12 распределительный вал выпускных клапанов
13 распределительный вал впускных клапанов
14 вакуумный насос
15 турбонагнетатель
16 стекание масла
17 сетчатый фильтр
18 дроссель.

• Коренные и шатунные шейки включены в систему смазки двигателя. Они смазываются под давлением. К каждой опоре коренной шейки обеспечивается индивидуальный подвод масла от общей магистрали. Далее масло по каналам в щеках подается к шатунным шейкам.

• Отбор мощности с коленчатого вала производится с заднего конца (хвостовика), к которому крепится маховик. На переднем конце (носке) коленчатого вала располагаются посадочные места, на которых крепятся шестерня (звездочка) привода распределительного вала, шкив привода вспомогательных агрегатов, а также в ряде конструкций – гаситель крутильных колебаний. По конструкции это два диска и соединяющий их упругий материал (резина, силиконовая жидкость, пружина), который поглощает вибрации вала за счет внутреннего трения.

Читайте также: