Коленчатый вал — Crankshaft
A коленчатый вал представляет собой вращающийся вал, который (вместе с шатунами) преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение. Коленчатые валы обычно используются в двигателях внутреннего сгорания и состоят из серии кривошипов и кривошипов, к которым прикреплены шатуны.
Коленчатый вал вращается внутри блока цилиндров с помощью коренных подшипников, а кривошипные шейки вращаются внутри шатунов с помощью подшипников штока. Коленчатые валы обычно изготавливаются из металла, при этом большинство современных коленчатых валов изготавливается из кованой стали.
- 1 История
- 1.1 Западный мир
- 1.1.1 Классическая античность
- 1.1.2 Средние века
- 1.1.3 Ренессанс
- 2.1 Подшипники
- 2.2 Крестовина или плоскость
- 2.3 Баланс двигателя
- 2.4 Подвижные рычаги
- 2.5 Ход поршня
- 2.6 Противовесы
- 2.7 Коленчатые валы, вращающиеся в противоположных направлениях
- 2.8 Полный кривошип по сравнению с половинным кривошипом
- 3.1 Ковка, литье и механическая обработка
- 3.2 Усталостная прочность
- 3.3 Опорные поверхности
История
Западный мир
Классическая древность
Римский коленвал, датируемый II веком нашей эры. Правая ручка утеряна.
A Римский железный коленчатый вал неизвестного назначения, датируемый II веком нашей эры, был обнаружен при раскопках в Августе Раурика, Швейцария. Кусок длиной 82,5 см имел на одном конце бронзовую ручку длиной 15 см, а другой — утерян.
Римская лесопилка в Иераполе 3-го века нашей эры, самая ранняя из известных машин, сочетающая кривошип с шатун.
Самые ранние свидетельства наличия кривошипа и шатуна в машине относятся к позднеримской лесопилке в Иераполе III века нашей эры и двух римских камнях лесопилки в Герасе, Римской Сирии и Эфесе, Малой Азии (оба VI века нашей эры). На фронтоне мельницы Hierapolis показано водяное колесо, питаемое дорожкой мельницы, передающее мощность через зубчатую передачу на два рамные пилы, которые режут прямоугольные блоки с помощью шатунов и, в случае механической необходимости, кривошипов. Сопроводительная надпись сделана на греческом языке.
. Кривошипные и шатунные механизмы двух других лесопилок, подтвержденных археологами, работали без зубчатой передачи. В древней литературе мы находим упоминание о работе поэта конца IV века с водяной пилой мрамора близ Трира, ныне Германия Авзоний ; Примерно в то же время на эти типы мельниц указывает также христианский святой Григорий Нисский из Анатолии, демонстрирующий разнообразное использование гидроэнергии в многие части Римской империи. Эти три находки отодвигают дату изобретения кривошипа и шатуна на целое тысячелетие; впервые все основные компоненты гораздо более поздней паровой машины были собраны в рамках одной технологической культуры:
с системой кривошипа и шатуна, все элементы для создания паровой машины (изобретен в 1712 году) — Герой эолипил (генерирующий паровую энергию), цилиндр и поршень (в металлических силовых насосах), невозвратный клапаны (в водяных насосах), зубчатые передачи (в водяных мельницах и часах) — были известны еще в римские времена.
Средние века
Военная повозка Виджевано
Итальянский врач Гвидо да Виджевано (ок. 1280–1349), планируя новый крестовый поход, сделал иллюстрации для весельной лодки и боевых экипажей, которые приводились в движение вручную поворачиваемым составом. кривошипы и шестерни (центр изображения). Псалтырь Латтрелла, датируемый примерно 1340 годом, описывает точильный камень, вращаемый двумя кривошипами, по одному на каждом конце его оси; ручная мельница с приводом от одного или двух кривошипов появилась позже в 15 веке;
Ренессанс
гребная лодка 15 века, лопасти которой вращаются одноходовыми коленчатыми валами (анонимный из Гуситские войны )
Первые изображения составного кривошипа в скобе плотника появляются между 1420 и 1430 годами в различных северноевропейских произведениях искусства. Быстрое внедрение составного кривошипа можно проследить в работах неизвестный немецкий инженер, писавший о состоянии военной техники своего времени: во-первых, снова появился шатун, применяемый к кривошипам, во-вторых, шатуны с двойным составом также стали оснащаться шатунами, и в-третьих, маховик
В Италии эпохи Возрождения самые ранние свидетельства соединения кривошипа и шатуна можно найти в альбомах с эскизами Taccola, но устройство все еще механически неправильно понято. Слышен звук рукоятки. вовлеченное движение демонстрируется немного позже Пизанелло, который нарисовал поршневой насос, приводимый в движение водяным колесом и управляемый двумя простыми кривошипами и двумя шатунами.
Водоподъемный насос, приводимый в действие кривошипом и шатуном. механизм (Георг Андреас Бёклер, 1661)
На одном из рисунков Анонимных гуситских войн изображена лодка с парой гребных колес на каждом конце, вращаемыми людьми, работающими с составными кривошипами (см. выше). Эта концепция была значительно улучшена итальянцем Роберто Валтурио в 1463 году, который изобрел лодку с пятью наборами, в которой все параллельные кривошипы соединены с одним источником энергии одним шатуном, идея также была поддержана. его соотечественник Франческо ди Джорджо.
Коленчатые валы были также описаны Конрадом Кезером (ум. 1405), Леонардо да Винчи (1452–1519) и голландским фермером «по имени Корнелис Корнелисзун ван Юитгест в 1592 году. Его ветряная лесопилка использовала коленчатый вал для преобразования кругового движения ветряной мельницы в движение вперед-назад, приводящее в действие пилу. Корнелисзун получил патент на коленчатый вал в 1597 году.
Начиная с XVI века, свидетельства использования кривошипов и шатунов, интегрированных в конструкцию машин, становятся многочисленными в технологических трактатах того периода: Одна только книга Агостино Рамелли «Разнообразные и искусственные машины 1588 года» описывает восемнадцать примеров, число, которое поднимается в Theatrum Machinarum Novum Георгом Андреасом Бёклером до 45 различных машин, что составляет одну треть от общего числа..
Средний и Дальний Восток
Аль-Джазари (1136–1206) описал кривошипно-шатунную систему вращающейся машины в двух своих водоподъемных машинах. Его двухцилиндровый насос включал коленчатый вал, но устройство было излишне сложным, что указывало на то, что он до сих пор не полностью понимал концепцию преобразования энергии. В Китае потенциал кривошипа для преобразования кругового движения в возвратно-поступательное движение, кажется, никогда не был полностью реализован, и кривошип, как правило, отсутствовал в таких машинах до начала 20-го века.
Конструкция
Поршни (вверху), шатуны (посередине) и коленчатый вал (внизу) поршневого двигателя Схема работы коленчатого вала, шатуна и поршня 
Коленчатый вал двигателяКоленчатый вал поддерживается блок цилиндров, с коренными подшипниками двигателя, позволяющими коленчатому валу вращаться внутри блока. Движение вверх-вниз каждого поршня передается на коленчатый вал через шатуны. маховик часто прикреплен к одному концу коленчатого вала, чтобы сохранять энергию вращения и поддерживать более постоянную скорость вращения, поскольку коленчатый вал получал энергию от шатунов в виде серии импульсов. Это помогает сгладить подачу мощности и часто в сочетании с демпфером гармоник, прикрепленным к другому концу коленчатого вала, снижает крутильные колебания.
Коленчатый вал подвергается огромным нагрузкам, в некоторых случаях более 8,6 тонн (19 000 фунтов) на цилиндр. Коленчатые валы для одноцилиндровых двигателей обычно имеют более простую конструкцию, чем для двигателей с несколькими цилиндрами.
Коленчатые валы могут быть либо цельными поковками, либо спрессованными из отдельных отдельных шатунов, валов и штифтов, иногда называемых «сборным коленчатым валом». В большинстве автомобильных приложений (четырехтактных двигателей ) цельная поковка используется в сочетании с подшипниками скольжения / вкладыша, которые рассчитаны на постоянную подачу моторного масла под давлением. Это масло под давлением заполняет зазор между подшипниками и шейками коленчатого вала и создает тонкий гидродинамический слой масла, который «всплывает» между металлическими поверхностями, поэтому при вращении деталей не происходит контакта металла с металлом. Эта масляная пленка имеет очень низкое трение и, пока сохраняется давление масла, может легко справляться с силами, создаваемыми ускорением, замедлением, реверсированием и качанием больших концов шатуна.
В двухтактных двигателях используется герметичный картер как часть подачи свежего топлива / воздуха в цилиндр. Это исключает использование подшипников скольжения и кривошипно-шатунных подшипников под давлением. Вместо этого используются шариковые и игольчатые роликоподшипники, а коленчатый вал состоит из нескольких частей, запрессованных вместе с использованием цельных шатунов, а не двухэлементной конструкции шатуна, обычно применяемой в подшипниках скольжения 4. -тактный двигатель. Смазка двухтактного коленчатого вала осуществляется маслом, смешанным с топливом, либо в топливном баке (предварительная смесь), либо через отдельную систему смазки, которая подает масло в картер для смешивания с топливом в зависимости от частоты вращения и нагрузки. Хотя в основном они используются в двухтактных двигателях (от бензопил до больших многоцилиндровых подвесных моторов), в некоторых более старых четырехтактных двигателях (в основном мотоциклах) используются сборные роликовые коленчатые валы.
Подшипники
Коленчатый вал может вращаться в блоке двигателя благодаря коренным подшипникам. Поскольку на коленчатый вал действуют большие боковые силы со стороны каждого цилиндра, подшипники расположены в разных точках вдоль коленчатого вала, а не только по одному на каждом конце. Это было одним из факторов, вызвавших замену двигателей V8 на рядных восьмицилиндровых двигателей в 1950-х годах. Длинные коленчатые валы последних страдали от недопустимой степени прогиба, когда конструкторы двигателей начали использовать более высокие степени сжатия и более высокие обороты двигателя (об / мин). По этой причине двигатели с высокими характеристиками часто имеют больше коренных подшипников, чем их собратья с более низкими характеристиками.
Кросс-плоскость и плоскостность
В большинстве серийных двигателей V8 используются кривошипы, разнесенные на 90 ° друг от друга, что называется конфигурацией «поперечной плоскости» (например, Ford Modular двигатель и двигатель General Motors LS ). В некоторых высокопроизводительных двигателях V8 (например, Ferrari 355 ) вместо этого используется коленчатый вал с плоской плоскостью, разнесенный на 180 °, что по существу приводит к работе двух рядных четырех двигателей. в общем картере.
Двигатели с плоским двигателем обычно могут иметь более высокие обороты, однако у них больше вибрации. Плоские коленчатые валы использовались на нескольких ранних двигателях V8. См. Основную статью о коленчатых валах crossplane.
Балансировка двигателя
Для некоторых двигателей необходимо предусмотреть противовесы для возвратно-поступательного движения каждого поршня и шатуна, чтобы улучшить балансировку двигателя. Обычно они отливаются как часть коленчатого вала, но иногда это детали на болтах.
В 1916 году Hudson Motor Car Company начала производство первых двигателей, в которых использовались сбалансированные коленчатые валы, что позволило двигателю работать на более высоких скоростях (об / мин), чем современные двигатели.
Подвижные рычаги
Коленчатый вал с подвижными рычагами (звено бумеранга между пальцами кривошипа)
В некоторых двигателях коленчатый вал содержит прямые связи между соседними пальцами кривошипа без обычного промежуточного коренного подшипника. Эти звенья называются летающими руками. Такое расположение иногда используется в двигателях V6 и V8, поскольку оно позволяет проектировать двигатель с углами V, отличными от тех, которые в противном случае потребовались бы для создания равномерного интервала зажигания, при этом использование меньшего количества коренных подшипников, чем обычно требуется с одним поршнем на кривошипно-шатунный ход. Такое расположение снижает вес и длину двигателя за счет уменьшения жесткости коленчатого вала.
Ход поршня
Расстояние, на которое ось кривошипа отклоняется от оси коленчатого вала, определяет длину хода двигателя.
Большинство современных автомобильных двигателей классифицируются как «более квадратные» или короткоходные, в которых ход меньше диаметра отверстия цилиндра. Распространенный способ увеличить крутящий момент двигателя на низких оборотах — увеличить ход, иногда известный как «ход» двигателя. Традиционно для длинноходных двигателей компромиссом было снижение мощности и повышенная вибрация при высоких оборотах.
Противовесы
Некоторые высокопроизводительные коленчатые валы также используют противовесы из тяжелого металла, чтобы сделать коленчатый вал более компактным. В качестве тяжелого металла чаще всего используется сплав вольфрама, но также использовался обедненный уран. Более дешевый вариант — использовать свинец, но по сравнению с вольфрамом его плотность намного ниже.
Коленчатые валы, вращающиеся в противоположных направлениях
В обычной конструкции поршневых двигателей каждый шатун прикреплен к одному коленчатому валу, причем угол шатуна изменяется по мере того, как поршень перемещается по ходу своего хода. Это изменение угла приводит к появлению боковых сил на поршнях, которые толкают поршни к стенке цилиндра. Эта боковая сила вызывает дополнительное трение между поршнем и стенкой цилиндра и может вызвать дополнительный износ стенки цилиндра.
Чтобы избежать этих боковых сил, каждый поршень может быть соединен с двумя коленчатыми валами, которые вращаются в противоположных направлениях, что компенсирует боковые силы. Такое расположение также снижает потребность в противовесах, уменьшая массу коленчатого вала. Ранним примером механизма встречного вращения коленчатого вала являются плоско-сдвоенные двигатели 1900–1904 Lanchester Engine Company.
Полный кривошип по сравнению с половинным кривошипом
На небольших одноцилиндровых двигателях для снижения стоимости и веса иногда не используется один из подшипников коленчатого вала. Полностью кривошипные конструкции считаются более плавными и служат дольше.
Конструкция
Ковка, литье и механическая обработка
Двигатель Continental судовые коленчатые валы, 1942 г. 
Кованый коленчатый валСамыми распространенными методами изготовления коленчатых валов являются ковка (обычно через валковая ковка) или литье. Большинство коленчатых валов выполнено в виде единой детали; однако в некоторых двигателях меньшего и большего размера используются коленчатые валы, собранные из нескольких частей.
В последнее время ковка стала наиболее распространенным методом изготовления коленчатых валов из-за их меньшего веса, более компактных размеров и лучшего внутреннего демпфирования. В кованых коленчатых валах в основном используются микролегированные стали ванадий, поскольку эти стали можно охлаждать на воздухе после достижения высокой прочности без дополнительной термической обработки (кроме упрочнения поверхности шейки подшипников). Низкое содержание сплава также делает этот материал дешевле, чем высоколегированные стали.
Отливка (с использованием чугуна ) сегодня в основном используется для коленчатых валов в более дешевых двигателях с меньшей производительностью.
Коленчатые валы также могут быть механически обработаны из стальной заготовки . Эти коленчатые валы, как правило, дороги из-за большого количества материала, который необходимо удалить с помощью токарных и фрезерных станков, высокой стоимости материала и необходимой дополнительной термообработки. Поскольку не требуется дорогостоящих инструментов, этот метод производства в основном используется для двигателей малого объема. В обработанных коленчатых валах поток волокон (локальные неоднородности материала, вызванные процессом литья) не повторяет форму коленчатого вала, однако это редко является проблемой, поскольку в обработанных коленчатых валах часто используется сталь более высокого качества, чем в кованых.
Усталостная прочность
Для повышения усталостной прочности на концах каждого коренного подшипника и шатунного подшипника часто прокатывают радиус. Сам радиус снижает напряжение в этих критических областях, но, поскольку радиус в большинстве случаев прокатывается, это также оставляет некоторое остаточное напряжение сжатия на поверхности, что предотвращает образование трещин.
Микрофинишная обработка — это процесс шлифования для получения гладкой поверхности металлического предмета, который также используется для предотвращения образования трещин в результате усталостного напряжения.
Опорные поверхности
В большинстве серийных коленчатых валов используется индукционная закалка для опорных поверхностей. Некоторые высокопроизводительные коленчатые валы, в частности коленчатые валы с заготовками, вместо этого используют нитридизацию. Для коленчатых валов, работающих на роликовых подшипниках, использование науглероживания, как правило, предпочтительнее из-за высоких контактных напряжений в таких ситуациях.
См. Также
На Викискладе есть материалы, связанные с Коленчатым валом. - Распредвалом
- Картером
- Крутильными колебаниями коленчатого вала
- Уравнениями движения поршня
- Туннельный картер
Что такое коленвал и почему он может сломаться
Классический двигатель внутреннего сгорания способен какое-то время проработать без фильтров и даже с минимумом масла, но без коленчатого вала он просто не может существовать! Этот базовый элемент конструкции мотора является к тому же одним из самых дорогих в автомобиле.
Что такое коленвал
Коленвал — это расположенный в блоке двигателя внутреннего сгорания (ДВС) элемент сложной формы, преобразующий возвратно-поступательное движение поршней во вращательное, которое через маховик и трансмиссию передается на колеса.
Слово «коленвал» является сокращением от термина «коленчатый вал». Употребляется и жаргонное обозначение элемента, «колено». Коленом также называют сегменты вала, смещенные относительно его оси вращения. Количество колен зависит от числа цилиндров.
В серийных ДВС имеется один коленвал, но создавались опытные образцы с двумя «коленами». Коленчатые валы изготавливают из литого высокопрочного чугуна и различных видов стали (для моторов с наддувом и дизелей). В ДВС малой и средней мощности для сокращения стоимости производства могут применяться стальные коленчатые валы, полученные методом горячей штамповки, а наилучшими характеристиками обладают кованые стальные элементы. В автомобильных ДВС, в отличие устанавливаемых на мототехнике, используют неразборные коленвалы.
Основные компоненты коленвала
В коленчатом вале любого ДВС выделяют следующие основные компоненты:
- Коренные шейки — сегменты вала, находящиеся на его оси вращения.
- Шатунные шейки — сегменты вала, смещенные относительно его оси вращения и коренных шеек. Служат для крепления шатунов с поршнями и воспринимают передаваемое от них усилие. Диаметр шатунных шеек меньше, чем у коренных.
- Щеки — как правило, округлые или эллиптические диски, служащие для соединения коренных и шатунных шеек. В щеки также интегрированы противовесы, предназначенные для снижения уровня вибраций ДВС.
- Носок — передняя часть коленвала, к которой крепится звездочка / шкив привода газораспределительного механизма и вспомогательных систем.
- Хвостовик (фланец маховика) — задняя выходная часть коленвала, соединенная с маховиком, а через него — с трансмиссией.
- Масляные каналы — система полостей во всех шейках и щеках вала для подачи масла к трущимся частям.
Из чего состоит коленчатый вал (Фото: globaldrive-shop.ru)
По типу опоры различают две разновидности коленвалов:
- Полноопорные. У таких валов коренные шейки располагаются по обеим сторонам от шатунных и их на одну больше. Сложны в изготовлении, но позволяют сочетать легкость и надежность конструкции. Сегодня являются самым распространенным видом коленвалов.
- Неполноопорные. В таких валах коренных шеек меньше, чем шатунных, а с обеих сторон щеки могут располагаться смещенные относительно друг друга шатунные шейки. Проще в производстве, но из-за меньшего числа точек опор (коренных шеек) для получения приемлемого уровня надежности должны быть более тяжелыми.
Датчик коленвала
Бензиновые и дизельные двигатели с электронной системой управления имеют датчик коленвала или датчик положения коленвала (ДПКВ). Он необходим для синхронизации систем зажигания и впрыска топлива. Рассогласованность в их работе, вызванная неисправностью ДПКВ, может привести к тому, что двигатель не заведется или заглохнет.
ДПКВ могут устанавливаться:
- У шкива коленвала.
- В блоке ДВС.
- В корпусе коробки передач.
По принципу действия различают следующие виды ДПКВ:
- Магнитные — основаны на эффекте электромагнитной индукции, не требуют источника питания.
- Датчики Холла — измеряют напряженность магнитного поля. Точнее магнитных, но требуют подключения к источнику питания.
- Оптические — срабатывают при затенении светодиодного источника света специальным устройством.
ДПКВ, как и любое устройство, может выйти из строя. Причины этого следующие:
- Механические повреждения при выполнении ремонтных работ в моторном отсеке.
- «Затенение» датчика посторонними предметами.
- Окисление недостаточно загерметизированных контактов датчика.
Фото: Shutterstock
Как проявляется неисправность ДПКВ?
- Затрудненный пуск двигателя, особенно в сырую погоду.
- Плавающие обороты двигателя как при остановке, так и в движении.
- Детонация в цилиндрах при высоких нагрузках, проявляющаяся в повышенной вибрации двигателя.
- Явное снижение мощности.
- При работающем стартере двигатель не заводится, а стрелка тахометра при этом неподвижна.
- Двигатель внезапно глохнет.
- На панели приборов загорается индикатор Check engine.
К счастью, ДПКВ не «умирает» скоропостижно, поэтому при появлении таких симптомов, как правило, есть возможность добраться до сервиса. Самостоятельно поменять ДПКВ на дороге у большинства современных автомобилей крайне сложно, поскольку их моторные отсеки плотно нафаршированы различным оборудованием.
Неисправности коленвала
Коленвал — вещь массивная и «железная», но и нагрузки он испытывает серьезные, а потому «колено» тоже может заболеть. Чем?
Задиры шатунных шеек
Главная причина — недостаточная смазка элемента, испытывающего сильные нагрузки. Что к этому привело — плохое качество масла, забитый масляный фильтр или конструктивный просчет, — дело второе. Задиры не позволяют коленвалу свободно вращаться в подшипниках (вкладышах), из-за чего возникает перегрев, чреватый деформацией коленвала. Если своевременно принять меры, можно ограничиться шлифовкой шатунных шеек и подбором более толстых ремонтных вкладышей.
Коленвал — вещь массивная и «железная», но и нагрузки он испытывает серьезные (Фото: cool-shina.ru)
Срез шпонки коленвала
Шпонка — вставляющийся в пазы миниатюрный металлический клин, который в данном случае позволяет закрепить на носовой части коленвала звездочку / шкив привода газораспределительного механизма и вспомогательного оборудования. Некачественный металл становится причиной среза шпонки. Поврежденный паз в коленвале можно попытаться восстановить сваркой с последующей фрезеровкой.
Износ отверстий фланца коленвала
Этот дефект, вызванный усталостью металла, можно устранить, рассверлив отверстия под бóльший диаметр болтов.
Течь масла из-под сальников
Со временем сальники, установленные на задней и носовой части коленвала, изнашиваются и начинают пропускать масло, которое может попасть на сцепление и/или ремень ГРМ, что чревато отказом первого и обрывом второго. В таком случае дорогостоящий ремонт обеспечен.
Как продлить срок службы коленвала
Коленвал не та деталь двигателя, к которой можно легко добраться, а любая неисправность элемента может больно ударить по карману. Чтобы не нарваться на крупные неприятности, лучше выполнять элементарные меры профилактики:
- Своевременно менять масло в двигателе на рекомендованное производителем.
- Выбирать качественные масляные фильтры и менять их одновременно с заменой масла.
- Периодически проводить визуальный осмотр на предмет утечки моторного масла из-под сальников.
- Не допускать перегрева двигателя.
- Следить за состоянием прокладки головки блока цилиндров, чтобы не допустить попадания в моторное масло охлаждающей жидкости и топлива.
Коленвал не та деталь двигателя, к которой можно легко добраться, а любая неисправность элемента может больно ударить по карману (Фото: Shutterstock)
что такое коленчатый вал в мотоцикле
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.
Коленчатый вал
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
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 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
В зависимости от количества цилиндров, находящихся в двигателе авто, напрямую зависит форма колена. Колневал является составляющей кривошипно-шатунного механизма и предназначен для преобразования возвратно-поступательные поршневые движения в их вращение. Его поршни подвергаются силе давления газа, инерционной силе и движущихся масс КШМ. Изготовлено колено, как правило, из стали методом ковки. В большинстве случаев, на двигатели дизельного типа устанавливают самые прочные коленвалы.
Основное предназначение детали
По своей конструкции коленвал имеет предназначение соединять между собой шатунные и коренные шейки, которые соединены при помощи щек. В связи с тем, что коренных шеек всегда на одну больше, то вал в этом случае имеет определение, как полноопорный. Коренные шейки изготавливаются с довольно большим диаметром, намного большим, чем у шатунных шеек. Щека имеет продолжение, которое расположено в направлении, которое полностью противоположно от шейки шатуна. Продолжение щеки является противовесом, который балансирует поршневой и шатунный вес. Концы, которые расположены на передней и задней части детали должны надежно уплотнятся, чтобы избежать вытекания смазки.
Устройство коленчатого вала
Неисправности коленвала и как их решить?
Работа коленчатого вала устроена таким образом, что чаще всего он ломается, поскольку современен ухудшается смазывание деталей из за увеличения зазоров между вкладышем. Также проблемы а работой коленвала могут возникать по причине недостаточного давления в системе смазки или использование масла низкого качества.
Основные дефекты коленвала:
Главной проблемой коленчатого вала является задир шейки.
Такие неисправности могут привести к очень серьезным дефектам, вплоть до появления трещин на детали.
Чтобы устранить износ и задиры коленвала, потребуется отшлифовать шейки и довести их до состояния исправности. При этом может возникнуть следующая проблема: задир будет способствовать нагреву всей поверхности шейки, как правило, температура поднимается до сотни градусов. Та сторона шейки, которая воспринимает самую большую нагрузку, соответственно, разогреется до максимальной температуры, а это значит, что колено будет подвергаться деформации и кривошипные щеки окажутся сведенными. Вращательная ось и колено будет изгибаться, вследствие чего нарушится ось коренных шеек и деталь искривится. В этом случае, чтобы отремонтировать коленвал, потребуется использовать ряд дополнительных процедур для исправления неполадок. Росточка коленчатого вала под следующий размер и установка новых вкладышей.
Итак, видим, что коленвал автомобиля является внутренней частью «сердца» и качество детали, а также должный уход значительно влияют на строк службы. Длительная работа коленчатого вала напрямую зависит от состояния коренных и шатунных шеек, вкладышей и качеством системы смазки.
Подпишись на наш канал в Я ндекс.Дзене
Еще больше полезных советов в удобном формате
Коленчатый вал двигателя
Важнейшей деталью каждого транспортного средства, оснащенного двигателем внутреннего сгорания, является коленвал. Главная его задача состоит в передаче крутящего момента вначале на маховик, затем на трансмиссию, а уже потом – на полуоси колес. Примечательно то, что деталь изготавливается под конкретную марку силовой установки, а не под модель авто, как это бывает с другими комплектующими.
В ходе эксплуатации коленвал двигателя притирается к нему, к его особенностям, поэтому, когда возникает необходимость в ремонте или замене, мастера максимум внимания уделяют износу подвижных элементов и стараются ответить на вопрос о том, что стало его причиной.
Коленчатый вал: что это, каковы его задачи
Коленчатый вал направляет крутящий момент на маховик, откуда тот поступает на шестеренки трансмиссии, затем – на колеса (ведущие). Сам вал начинает вращаться под влиянием поршневой группы.
Большинство классических ДВС работают по одинаковой схеме. Внутри таких установок возвратно-поступательные движения преобразовываются во вращательные. Блок цилиндров включает поршни с шатунами, и в момент, когда воздушно-топливная смесь направляется в цилиндр, где она возгорается от искры, освобождается большое количество энергии. Газы, которые под воздействием тепла расширяются, оказывают давление на поршень, и он начинает перемещаться вниз.
Цилиндры устанавливаются на шатунах, закрепленных на шатунных шейках коленвала. Так как каждый цилиндр срабатывает в конкретный момент времени, воздействие, оказываемое на кривошипно-шатунный механизм, получается равномерным, поэтому коленчатый вал двигается постоянно. Движение переходит на маховик, а уже от него посредством сцепления переходит на КП и на колеса.
Коленвал необходим для того, чтобы преобразовывать движения различного рода. Отсюда предельная точность, с которой она создается, ведь от симметричности, а также от того, как точно друг относительно друга выверен каждый угол, зависит частота вращения коленчатого вала.
Внешне этот элемент представляет собой сочетание большого количества шатунных шеек, сочетающихся друг с дружкой коленной шейкой. Число таких колен-шеек зависит от числа цилиндров, а также полностью соответствует их форме и местонахождению. С поршнями шейки соединяются посредством шатунов, которые приводят коленвал в движение.
Есть несколько разновидностей коленчатого вала двигателя. Когда шатунные шейки расположены симметрично от шейки коленной, это полноопорный коленвал. Когда шатунные шейки установлены лишь с одной стороны, говорят, что вал неполноопорный.
Материалы изготовления коленвала. Технология производства
В процессе производства коленчатых валов применяют разные материалы. Для спорткаров или автомобилей люкс-класса валы выпускают из легированной либо углеродистой стали, характеризующейся повышенной прочностью и износостойкостью.
Для серийных авто используется модифицированный чугун, который обрабатывается путем прессования либо литья. В качестве элементов, необходимых для легирования стали, используется хром и молибден, реже могут быть примеси других металлов, которые работают на увеличение прочности.
Чаще всего устанавливается деталь внизу, над кратером, но если ДВС оппозитный, то данный конструктивный элемент находится выше, в центральной части двигателя, что упрощает процесс замены коленвала при необходимости.
Технология изготовления
Выпускаются заготовки валов путем штамповки и литья. Кованые модели более прочны, их делают, как уже говорилось выше, из легированной или углеродистой стали. Изделия массового производства, которыми комплектуются в основном серийные модели автомобилей, выпускают из высокопрочного чугуна, используется при этом метод литья.
Выливают материал в оболочковые или земляные формы, причем, применение именно оболочковых форм является более прогрессивным методом, так как изделие получается более точным, припуски на механическую обработку оказываются минимальными, а порой они и вовсе отсутствуют.
Если речь идет о методе горячей штамповки, это уже массовое производство, так как технология изготовления позволяет получить готовую деталь, которая практически не требует обработки.
Отсюда – более точные размеры коленвала, идеальная форма, а также доступная цена, продиктованная минимальными отходами металла. К тому же волокна в готовой детали размещены оптимальным образом, что заметно улучшает показатели прочности, как следствие – износостойкость детали.
Стальные валы
Коленчатые валы для спорткаров, автомобилей повышенной мощности и высокой проходимости изготавливают из стали путем ковки либо горячего штампования. Чаще всего для этого используют сталь 35, 50, 45Г и 50 Г. Производство деталей быстроходных механизмов осуществляется из упомянутых выше сталей, в которые добавляют хром и никель, хром и молибден.
Легированные стали характеризуются повышенной пластичностью, твердостью, продолжительным сроком службы, поэтому из них выпускают коленчатые валы для мощных дизельных и бензиновых силовых установок.
Чугунные валы
В серийных моделях не только автомобильного транспорта, но и других ТС, оснащенных двигателями внутреннего сгорания, устанавливают коленвалы из чугуна с графитом, изготовленные методом литья. Технология известна давно, но в последнее время она была усовершенствована, что позволило удешевить процесс производства и повысить качество деталей, минимизировать процесс образования брака.
Примечательно то, что благодаря использованию новейшего оборудования удалось значительно уменьшить потери металла, и чем сложнее конструкция комплектующего, тем эта экономия заметнее. Наличие в составе графита повышает износостойкость и надежность вала, но ключевую роль играет качество литья, отсутствие так называемых литейных пороков.
Прочность изделия зависит от свойств материала. Если вал выпущен из модифицированного либо высокопрочного чугуна, отпадает необходимость в его дальнейшей термической обработке. Литая деталь характеризуется одинаковой твердостью по всей площади, которая не уменьшается даже после шлифования.
Из чего состоит коленвал
Ключевыми составными элементами коленвала можно считать следующее:
Роль уплотнителя для хвостовика и носка играют сальники коленвала, которые предотвращают протекание масла на стыках там, где маховик выходит за границы цилиндров. За способность детали двигаться вращательно отвечают подшипники скольжения, изготовленные из стали. Для исключения риска смещения оси вращения устанавливается упорный подшипник.
Механизм работы
Работоспособность всех без исключения ДВС обеспечивается поршневым блоком, который приводит в действие коленвал. Работает механизм следующим образом:
Датчик коленвала
Датчик коленчатого вала используется лишь в транспортных средствах, оснащенных системами электронного управления двигателя. От вращения вала зависит работа нескольких деталей и даже целых систем, благодаря своевременной подачи топливной смеси становится возможным улучшение ездовых характеристик.
Для синхронизации рабочих процессов как раз и придумали специальный датчик, способствующий синхронизации зажигания. Он передает данные о положении коленчатого вала на блок управления и тем самым оптимизирует работу множества механизмов. Датчики коленвала бывают нескольких видов:
У каждого из них – свои особенности и преимущества, но все они устанавливаются в корпусе силового агрегата на специальном кронштейне.
Неисправности и их устранение
К наиболее распространенным неисправностям коленвала относится:
Коленчатый вал машины – деталь, отвечающая за способность транспортного средства двигаться, поэтому роль ее в конструкции машины невозможно переоценить. Чтобы коленвал успешно справлялся с возложенными на него функциями и служил годами, необходимо регулярно проводить ТО и выполнять ремонт детали, как только возникнет такая необходимость.
Как делают коленвал
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:
Словами трудно описать внешний вид этой детали, если вы хотите точно представить коленвал, фото или схематическое изображение – наилучший вариант.
Принцип действия коленчатого вала:
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:
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.
Источник https://ru.wikibrief.org/wiki/Crankshaft
Источник https://www.autonews.ru/news/62fb7a909a79475153db3873
Источник https://wheelnews.ru/chto-takoe-kolenchatyy-val-v-mototsikle/
- 1.1 Западный мир