Из какого металла коленчатый вал
Обновлено: 30.06.2024
В двигателе нет «главных» и «неглавных» деталей — все части мотора одинаково важны, и выход из строя любой из них сразу сказывается на работоспособности силовой установки. Но есть одна деталь, которая делает двигатель двигателем — это коленчатый вал, преобразующий возвратно-поступательное движение поршней и шатунов во вращательное движение. О коленчатом вале, его устройстве и роли в двигателе читайте в этой статье.
Одна из самых серьезных проблем техники — преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное, и наоборот. Человек решил эту проблему еще 2,5 тысячи лет назад, и созданное тогда решение практически в неизменном виде используется и по сей день. Это — кривошип.
В современных двигателях внутреннего сгорания также необходимо преобразование возвратно-поступательного движения поршней и шатунов во вращательное движение вала, маховика и, в конечном итоге — колес. С этой задачей справляется все тот же кривошип, а точнее — кривошипно-шатунный механизм, главной деталью которого является коленчатый вал.
Устройство коленчатого вала
Коленвал имеет довольно-таки простое устройство: он состоит из колен, содержащих коренные и шатунные шейки, разделенные щеками. Коренные шейки — это ось коленвала, поэтому они проходят точно по его центру. Шатунные шейки, как понятно из названия, служат для крепления и приема усилий от шатунов. Так как коленчатый вал — это кривошип, то шатунные шейки смещены относительно оси вала и удерживаются с помощью щек.
Количество шатунных шеек равно количеству цилиндров, однако в большинстве V-образных двигателей на одну шейку опираются сразу два цилиндра. С другой стороны, на современных V-образных двигателях можно встретить коленвалы, в которых на каждый шатун приходится одна шейка, но спаренные шейки при этом сдвинуты относительно друг друга на 18 градусов. Коренные шейки имеют больший диаметр, чем шатунные.
Щеки выполняют несколько функций. Они не только соединяют шейки в единую конструкцию, но также играют роль противовесов для уравновешивания шатунных шеек и шатунов. Отсутствие противовесов грозит возникновением значительных вибраций, что в высокооборотных двигателях может привести к разрушению двигателя.
Наибольшие нагрузки в коленвале приходятся на места соединения шеек и щек, поэтому для равномерно распределения нагрузок на эти участки они выполняются галтелью, то есть — переход от шейки к щеке выполнен с радиусом закругления.
В целом, положение шеек и щек в коленчатом валу должно обеспечивать наиболее эффективное преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное, предотвращать возникновение вибрации и колебаний, уравновешивать двигатель и, наконец, надежно противостоять изгибающим нагрузкам.
Полноопорные и неполноопорные коленчатые валы
Коренные шейки коленвала служат не только осью, но также и опорой всего кривошипно-шатунного механизма. Нагрузки от коленчатого вала передаются двигателю через коренные шейки, которые опираются на коренные подшипники, заделанные в картер мотора.
Существует два вида коленчатых валов, отличающихся по типу опоры:
- Полноопорные. В таких валах коренных шеек больше, чем шатунных, при этом коренные шейки расположены по обеим сторонам шатунных шеек, чередуясь с ними (и коренных шеек на одну больше, чем шатунных);
- Неполноопорные. В таких коленчатых валах коренных шеек меньше, чем шатунных, при этом с обеих сторон щеки может быть две смещенных на определенный угол шатунных шейки.
Неполноопорные коленвалы имеют более простую конструкцию, однако они из-за меньшего количества точек опоры на картер двигателя должны быть более жесткими и прочными, а значит — и более тяжелыми. Поэтому сегодня большее распространение получили полноопорные коленчатые валы, которые при более сложном производстве получаются более легкими и надежными.
Подшипники
Коленчатый вал опирается на подшипники скольжения (также называемые вкладышами), заделанные в картер двигателя. Также подшипники скольжения предусмотрены для опоры шатунов на коленчатый вал. Эти подшипники выполнены из стальной ленты, покрытой специальным антифрикционным сплавом, снижающим силы трения между подшипником и валом.
Смазка коленвала и деталей КШМ
Особый вопрос — смазка частей коленчатого вала и всего кривошипно-шатунного механизма. Вопрос этот действительно очень важен, так как для опоры коренных шеек на картер и шатунов на шатунные шейки используются подшипники скольжения, которые могут нормально работать только при постоянном наличии смазки.
Для подачи масла к трущимся частям и деталям внутри коленвала во всех его шейках и щеках предусмотрены каналы. А чтобы обеспечить надежное поступление масла к подшипникам, его подача осуществляется под давлением.
Взаимодействие коленчатого вала с другими деталями
Как было сказано, коленвал принимает нагрузки от шатунов, преобразуя их в крутящий момент. Этот момент передается через хвостовик (заднюю выходную часть вала) маховику и далее — трансмиссии. Через другую часть вала — переднюю, или носок — крутящий момент передается на вал газораспределительного механизма и вспомогательные системы двигателя.
Также на носке часто монтируется гаситель крутильных колебаний — несложное устройство из двух дисков, соединенных через пружины, резиновую прокладку, силиконовую жидкость или иной упругий материал. Гаситель сводит к минимуму возникающие во время работы двигателя крутильные колебания вала, снижая риск его повреждения.
Производство коленчатых валов
Коленчатый вал во время работы испытывает большие нагрузки, поэтому данная деталь даже для мощных дизельных двигателей изготавливается цельной. Сборные коленвалы показали свою несостоятельность в высокооборотных двигателях, и в автомобильных моторах сейчас они практически не используются.
Для изготовления валов применяются сталь или чугун. Коленчатые валы из чугуна производятся методом отливки, валы из стали — ковкой или штамповкой. В дальнейшем оба вида коленвалов подвергаются разнообразной механической обработке для достижения необходимых параметров — чистоты поверхности шеек, балансировки и т.д.
Другие статьи
Ходовая часть многих японских автомобилей Nissan оснащается стабилизатором поперечной устойчивости раздельного типа, соединенным с деталями подвески двумя отдельными стойками (тягами). Все о стойках стабилизатора Nissan, их типах и конструкции, а также о подборе и ремонте — читайте в данной статье.
Для привода агрегатов двигателя и в трансмиссиях различного оборудования широко применяются передачи на основе резиновых клиновых ремней. Все о приводных клиновых ремнях, их существующих типах, особенностях конструкции и характеристиках, а также о правильном выборе и замене ремней — читайте в статье.
Тормозные системы большинства ранних и актуальных моделей автомобилей ГАЗ оснащаются колесными механизмами барабанного типа. Все о тормозных барабанах ГАЗ, их существующих типах, конструктивных особенностях и характеристиках, а также о выборе, замене и обслуживании данных деталей — читайте в статье.
В любом поршневом двигателе внутреннего сгорания присутствует деталь, соединяющая поршень с верхней головкой шатуна — поршневой палец. Все о поршневых пальцах, их конструктивных особенностях и способах установки, а также о верном подборе и замене пальцев различных типов подробно рассказано в статье.
Коленчатый вал или просто "колено"
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).
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
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.©
Коленвал – что это такое и как он работает?
Двигатель – сложный агрегат, в котором нет незначительных деталей. Одна из таких его составляющих – коленвал. С одной стороны, это не сложное устройство, а простая деталь, с другой, коленчатый вал – одна из основных деталей двигателя.
Для чего нужен коленвал?
Любой автомобильный двигатель является поршневым. Принцип его работы прост: в цилиндр подается топливно-воздушная смесь, которая воспламеняется и увеличивается в объеме. Возникает избыточное давление, которое выталкивает поршень из цилиндра. Поршень при этом совершает поступательное движение, которое нужно преобразовать во вращательное, чтобы передать его в коробку передач, а дальше – на полуоси или карданный вал.
Вот именно эту функцию и выполняет коленчатый вал – преобразовывает один тип механического движения в другой, а именно: поступательное во вращательное.
Материал, из которого изготавливаются коленчатые валы, это не простая сталь, поэтому и стоимость изделия так высока, по сравнению с ценой простой металлической болванки. Сталь, из которой изготавливается вал, легируется хромом, молибденом и другими металлами, что придает изделию особую прочность. Кроме того, немаловажен сам процесс изготовления, начиная от того, как расположены волокна заготовки, заканчивая методикой изготовления – прессованием или ковкой.
С тем, что делает вал, мы разобрались, но остался вопрос – где находится коленвал? Коленчатый вал расположен в нижней части двигателя, снизу он прикрыт картером, заполненным моторным маслом. Вал закреплен в подшипниках, которые удерживают его и не дают смещаться, иногда для его усиления используются дополнительные упоры. Но есть исключение – в оппозитных двигателях коленчатый вал располагается выше, по центру ДВС.
Что собой представляет и как работает коленчатый вал?
Поршня в двигателе перемещаются неравномерно – пока дни опускаются, другие поднимаются – это обеспечивает плавность хода, и равномерное распределение нагрузки по времени. Коленчатый вал сдерживает ход поршней после сгорания топлива и возвращает их в исходное положение для сжатия смеси. С одной стороны он связан с газораспределительным механизмом, с другой – передает вращательный момент в трансмиссию.
Коленчатый вал состоит из нескольких шеек:
Основные находятся точно по центральной оси вала и в процессе вращения не смещаются.
Между ними находятся шатунные шейки, которые смещены относительно оси под разными, строго определенными углами, и при вращении описывают круг. Именно они обеспечивают взаимодействие вала и поршня.
Между собой шейки соединены «щеками» – пластинами из толстого металла. Щеки кроме крепежной, выполняют антирезонансную функцию – во время вращения вал может войти в резонанс и разрушиться, но щеки не позволяют этому произойти.
Словами трудно описать внешний вид этой детали, если вы хотите точно представить коленвал, фото или схематическое изображение – наилучший вариант.
Принцип действия коленчатого вала:
В момент, когда в камере воспламеняется воздушно-топливная смесь, поршень, а соответственно и связанная с ним шейка, находятся в крайнем нижнем положении.
При воспламенении смеси поршень выталкивает шейку, которая смещается и тем самым проворачивает вал.
В свою очередь, другая шейка, смещенная относительно описанной, под действием вращательного момента проворачивается и вдавливает сопряженный с ней поршень в цилиндр, сжимая топливно-воздушную смесь.
Дальше все продолжается аналогично. Это простой примет, не стоит забывать, что автомобильный двигатель – четырехтактный, поэтому в определенный момент поршень находится в одном из следующих положений:''
Рабочий ход поршня.
Выпуск отработанных газов.
Поэтому каждая из шатунных шеек расположена под углом 90 градусов по сравнению с рядом стоящими.
Немного интересной информации о коленвалах.
Кроме обычных серийных, существуют спортивные коленчатые валы. Они обеспечивают более быстрый ход поршня в крайней точке сжатия за счет особой формы шатунных шеек. Если у обычного вала они имеют круглую форму, то у спортивного они слегка вытянутые, за счет чего общие характеристики работы двигателя изменяются.
Среди автомобилистов бытует мнение, что маркировка коленвала может рассказать о его характеристиках. На самом деле это не так – маркировка это всего лишь каталожный номер производителя или оригинальный номер. Она ничего общего не имеет со свойствами изделия, а используется для простоты подбора запчасти.
По сути, коленчатый вал это простой кусок обработанного должным образом качественного металла или сплава. С точки зрения функциональности, это незаменимая деталь, которая испытывает огромные нагрузки, от работы которой зависит не только качество езды, но и ресурс двигателя и его деталей. По сути же, это просто передаточное звено, которое обеспечивает работу других узлов автомобиля – генератора, трансмиссии, полуосей, карданного вала и так далее.
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.
Читайте также: