Коленчатый вал является наиболее ответственной дорогостоящей деталью дизеля. Он воспринимает усилия через шатуны от поршней и передает эти усилия потребителю (гребному винту).
На коленчатый вал при работе двигателя действуют скручивающие и изгибающие усилия, меняющиеся по величине и направлению.
В результате этого его приходится отливать, отковывать или отштамповывать из специальных сортов стали.
Для изготовления коленчатых валов используют высокосортные углеродистые стали. У среднеоборотных напряженных двигателей коленчатые валы изготовляют из легированных (никелевых или хромникелевых) сталей. Иногда их выполняют из высокопрочного или модифицированного чугуна.
В зависимости от мощности и размеров двигателей коленчатые валы бывают цельноковаными или составными . Цельнокованый коленчатый вал восьмицилиндрового двигателя состоит из рамовых шеек 2, расположенных на одной оси, шатунных шеек 4 и щек 3. Рамовые шейки уложены в рамовые подшипники, на шатунные шейки навешены нижние головки-шатунов (рис. 1, а).
Рис. 1. Коленчатые валы: а — составной вал восьмицилиндрового дизеля, б — общий вид вала шестицилиндрового дизеля
Для того чтобы повысить прочность коленчатого вала, его шейки подвергают поверхностной закалке и азотированию. Поверхность шеек после токарной обработки тщательно шлифуют. На кормовом конце коленчатого вала установлен фланец 1 для крепления маховика. Носовой конец вала используют для монтажа шестерни привода навешенных на дизель насосов (масляного, водяного, топливоподкачивающего) и других вспомогательных механизмов.
Количество шатунных шеек коленчатого вала всегда равно числу цилиндров двигателя. Количество рамовых шеек обычно на 3 — 2 больше, чем цилиндров двигателя. Все рамовые шейки лежат на оси коленчатого вала. От этой оси на одинаковом расстоянии (радиус кривошипа) располагаются шатунные шейки.
Составной коленчатый вал дизеля 8ДР 43/61 состоит из двух четырехколенчатых валов 1 и 2 и упорного вала 3. Отдельные части коленчатого вала соединены между собой при помощи фланцев 6 калиброванными болтами (рис. 1, б).
На шейке вала у кормового фланца устанавливается на шпонке 7 шестерня привода распределительного вала. К носовому фланцу вала крепятся успокоитель крутильных колебаний и ведущая часть упругой муфты привода воздуходувки. Кормовой фланец упорного вала 3 соединен с гребным валопроводом. Усилие упора гребного винта передается через гребень 5 упорного вала на упорный подшипник. На шейке у кормового фланца упорного вала проточены маслоотбойные гребни 4. Эти гребни совместно с сальниковым уплотнением в торцевой крышке корпуса упорного подшипника препятствуют утечке масла.
Конструкция коленчатого вала должна предусматривать возможность подачи масла для смазки рамовых и шатунных подшипников. Несмотря на различное конструктивное выполнение системы смазки коленчатых валов, эта схема у судовых дизелей построена по одинаковому принципу.
Масло из системы смазки дизеля по ответвлениям подается к рамовым подшипникам и смазывает их поверхность. Часть масла от рамовых шеек 8 через наклонные сверления «А» в шейках и щеках 9 подается к шатунным шейкам 10. Причем к каждой шатунной шейке подведены сверления от двух соседних рамовых шеек. В крайней носовой шейке коленчатого вала выполнено продольное сверление, по которому подводится масло к успокоителю крутильных колебаний и к упругой муфте привода воздухонагнетателя.
В тихоходных судовых двигателях, у которых радиус кривошипа более 500 мм, колена вала могут быть полусоставными или составными.
Стальные щеки полусоставного колена отковывают заодно с шатунной шейкой, а рамовые шейки изготовляют отдельно (рис. 2, а). Соединение щек с рамовыми шейками выполняется горячей посадкой. Составное колено двигателя «Бурмейстер и Вайн» получается, когда отдельно изготовленные рамовые и шатунные шейки запрессовываются в отверстия щек (рис. 2, б). В данной конструкции рамовые и шатунные шейки выполнены полыми. Полости в шейках закрыты заглушками 2 и заполнены маслом, которое в полость рамовой шейки поступает по радиальным сверлениям 1, откуда по сверлению 3 в щеке попадает в полость шатунной шейки. На смазку кривошипного подшипника масло подается через отверстие 4.
Читайте также: Подшипник вала руля ваз 2109
Рис. 2. Элементы коленчатых валов: а — полусоставное колено, б — составное колено, в, г, д — прямоугольная, овальная и круглая форма щёк.
Во время работы двигателя в результате вращения кривошипа и нижней головки шатуна возникает центробежная сила инерции FM, направленная всегда от центра вращения, стремящаяся оторвать кривошип и, следовательно, действующая на рамовые подшипники, увеличивая их износ.
В шести- и восьмицилиндровых двигателях эти силы оказываются уравновешенными, т. е. в любой момент на коленчатый вал действуют две силы FM (от разных кривошипов), но направлены они в противоположные стороны.
Если двигатель имеет нечетное число цилиндров или менее четырех, то центробежные силы инерции взаимно не уравновешиваются. В этом случае коленчатые валы снабжаются противовесами — массами, закрепленными на щеках колена со стороны, противоположной шатунной шейке. У двигателей «Бурмейстер и Вайн» противовесы 5 отковываются заодно со щеками колена. При вращении противовеса возникает центробежная сила Fпр которая равна по величине силе FM, но направлена в обратную сторону. В результате сила FM уравновешивается и ее влияние нейтрализуется.
Щеки кривошипа могут иметь различную конструктивную форму. Прямоугольные щеки просты в изготовлении, однако нерациональное использование материала увеличивает центробежные силы, которые дополнительно нагружают рамовые подшипники (рис. 20, в). Для устранения этого недостатка и уменьшения общей массы вала углы щек часто срезают.
Овальные щеки являются наиболее рациональными в отношении прочности и массы, но сложны в изготовлении (рис. 2, г). Круглые щеки менее рациональны по сравнению с овальными, но проще в изготовлении (рис. 2, д).
Фигурные щеки применяют в полусоставных и составных кривошипах. Их форма обусловлена необходимостью создания кольца для надежного обжатия шеек (см. рис. 2, а, б).
В многоцилиндровом двигателе для повышения равномерности работы необходимо, чтобы рабочие ходы поршней в отдельных цилиндрах чередовались через равные углы поворота вала или через равные промежутки времени. Чередование рабочих ходов в определенной последовательности называется порядком работы цилиндров двигателя. Порядок работы цилиндров зависит от расположения кривошипов коленчатого вала один относительно другого. Угол установки соседних кривошипов определяют числом тактов двигателя и количеством его цилиндров, который равен углу поворота вала за весь цикл, разделенному на число цилиндров.
Следовательно, кривошипы двигателя должны быть повернуты друг относительно друга на угол α=360:z — у двухтактного двигателя и α=720:z — у четырехтактного (z — число цилиндров). Так, у восьмицилиндрового двухтактного двигателя кривошипы располагаются через 360°: 8 = 45°.
Последовательность (порядок) работы цилиндров бывает различной. При ее выборе по возможности стремятся облегчить работу рамовых подшипников. Для этого нужно, чтобы рабочие ходы в стоящих рядом цилиндрах не следовали друг за другом. Это может быть, например, у двухтактного восьмицилиндрового двигателя с порядком работы 1—8—3—5—2—7—4—6 или у четырехтактного шестицилиндрового с очень распространенной последовательностью 1—5—3—6—2—4.
При выборе порядка работы цилиндров стремятся достичь наиболее полной уравновешенности сил инерции деталей кривошипно-шатунного механизма.
Шлифовка коленчатого вала
Коленчатый вал – деталь непростая
Коленчатые валы поражают обилием форм и размеров: плоские и пространственные, длинные и короткие, разные по размерам, весу, жесткости, и, конечно же, по числу коренных и шатунных шеек.
Коленчатый вал часто называют не просто деталью, а системой. И вполне оправданно – любое сколь-нибудь существенное воздействие (механическое или термическое) на шейку, щёку, галтель или любой другой участок вызывает реакцию всей детали, отклик. И выражается он в виде деформации тех или иных зон, грозящей вызывать биение и дисбаланс.
Поэтому ремонтировать коленчатый вал необходимо только профессионально, руководствуясь принципом «не навреди». Иначе – выбраковка дорогой детали.
Когда требуется шлифовка
Первый признак необходимости ремонта коленчатого вала замечает водитель – это падение давления масла. Значит, подшипники скольжения скорее всего изношены и масляный клин между шейкой и стенкой вкладыша недостаточно плотный и надежный.
Читайте также: Как называются муфты для управляемого соединения или разъединения валов
Помогает и взятие пробы масла из картера. Существуют методики, основанные на спектральном анализе таких проб. Если прибор показывает в масле следы меди и некоторых других цветных металлов, можно говорить о вероятном износе вкладышей.
Но окончательный диагноз ставится лишь после разборки двигателя и замеров геометрии коленчатого вала. И тогда выносится вердикт: вал требует шлифовки в ремонтный размер. Именно шлифовки в отличие от расточки блока – ведь шейки имеют закаленный слой, а такая поверхность не для резца. Приносим извинения за столь банальное уточнение, но вдруг кто-то из читателей не знаком с технологией коленчатого вала и металловедением. Знаете, в интернете всякое встречается…
В цехах «Механики». Диагностика
(фото: диагностика состояния коленчатого вала)
Дальнейший разговор поведем, опираясь на опыт компании «Механика». Здесь принимают в ремонт любые коленчатые валы – от автомобильных (бензиновый ДВС, дизель) до громадных тепловозных.
Вал прибывает в ремонт в составе двигателя либо отдельно, если мотор уже разобран самим заказчиком. И сразу попадает на проверку. Первое, что с ним делают – замеряют износ шеек.
Вал устанавливается крайними коренными шейками на призмы. Далее мастер микрометром замеряет диаметры всех шеек в нескольких плоскостях, чтобы проверить – есть ли «эллипс»? До величины 0,01 мм его можно вытерпеть, больше – нет.
Про замеры шеек, как правило, клиенты знают. Это делают во всех мастерских. Но «Механика» выполняет еще один замер – прогиб (биение) вала. К центральной коренной шейке подводят часовой индикатор и вращают вал на призмах. Если стрелка отклоняется в пределах 0,01 мм – прекрасно. Эту «сотку» можно списать на погрешность измерений. Также необходимо проверить биение хвостовика и поверхностей сальников.
А если биение центральной коренной шейки больше «сотки»? По опыту компании, биение до 0,1 (а иногда до 0,2 мм) исправляется шлифовкой. Разумеется, с учетом особенностей данного вала.
В цехах «Механики». Шлифовка
(фото: шлифовка коленчатого вала)
Итак, вал замерен. Принято решение шлифовать шейки – в какой именно размер, зависит от их износа и наличия в каталогах производителя соответствующих вкладышей.
Правда, ухо здесь надо держать востро. В разных каталогах разных производителей вкладышей встречается различные ряды ремонтных размеров. Например, у официалов только 0,25 мм, у Кольбеншмидт (Kolbenschmidt) – 0,25 и 0,5, а у американского Глико (Glyco ) еще и 0,75 мм. Еще нюанс: присутствие вкладышей в каталоге еще не означает, что они есть в природе. Поэтому важно уточнить их фактическое наличие и лишь тогда приступать к работе.
Для шлифовки применяются специализированные шлифовальные станки. Главная их «изюминка» – приспособления, позволяющие смещать зажимные кулачки относительно оси станка. Это позволяет шлифовать шатунные шейки. Точность станков – 5 мкм.
Как закрепляется вал? В «Механике» рассказали, что при шлифовке коренных шеек валов легковых двигателей деталь закрепляется в центрах. При этом необходима подготовка внутренних фасок – их предварительно протачивают на токарном станке.
Когда подпираешь деталь центром, очень важно «не пережать», иначе вал в станке может деформироваться – вспомните, с чего мы начали эту статью.
Если вал «грузовой», тяжелый, его зажимают в патроне по поверхности заднего сальника, а передняя часть подпирается центром. Здесь тоже требуется подготовка фаски на токарном станке.
Что касается шатунных шеек, при их обработке вал фиксируется в патронах с обеих сторон. Разумеется, со смещением на радиус кривошипа и тщательным выставлением оси каждой шатунной шейки в ось вращения станка с помощью индикаторной стойки.
Шлифовка каждой шейки осуществляется, как правило, в два прохода. Например, если вал шлифуется в ремонтный размер 0,25 мм, то сначала снимается слой 0,15 – 0,2 мм. А потом, уже с меньшей подачей, шейка выводится в окончательный размер. Подача смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) обязательна – иначе шейка перегреется.
Читайте также: Артикул подшипника компрессора кондиционера форд фокус 2
Долго ли длится сам процесс, включая переналадку под коренные или шатунные шейки? По опыту компании, на шлифовку вала четырехцилиндрового двигателя легкового автомобиля уходит порядка 40 мин.
Но это время можно и сократить – например, если обрабатывать партию однотипных валов. В этом случае задействуются два станка – на одном шлифуют коренные шейки, на другом шатунные.
Нельзя не сказать и об инструменте – шлифовальных кругах. К ним тоже есть свои требования, и довольно жесткие. Например, биение круга должно быть менее 3-4 мкм, иначе шейка из круглой может превратиться в граненую. Этот дефект называется дроблением.
И еще. Если шейка имеет канавку для выхода круга, никакой особой подготовки инструмента не потребуется. А если ее нет? Тогда галтель будет подрезана, что недопустимо. Ведь в вале появится опасный концентратор напряжений, резко снижающий усталостную прочность детали.
В этом случае шлифовальный круг заправляется специальным алмазным инструментом таки образом, чтобы радиус закругления края был равен радиусу галтели. И тогда шлифовка станет для вала безопасной.
И завершает процесс ремонта полировка шеек. Она не только убирает микронеровности, повышая качество поверхности, но и уничтожает заусенцы в на масляных отверстиях на шейках.
После работ необходимо очистить все масляные каналы от технологической грязи после шлифовки и полировки.
В цехах «Механики». Несколько подробностей
Выходной контроль при передаче отремонтированного вала заказчику – процедура обязательная. Проверка размеров и формы шлифованных шеек – это само собой. А еще вал устанавливается на призмы и проверяется с помощью индикатора на биение. Если уложились в «сотку», прекрасно, деталь можно смело ставить в двигатель.
Правда, и здесь есть свои нюансы. Вал по разным плоскостям имеет не равную жесткость. Тяжелый вал может прогнуться и от собственного веса. Поэтому в ряде случаев допускается прогиб равный монтажному зазору.
Есть еще один подводный камень – состояние посадочного места для подшипника первичного вала коробки. Многие мастерские пренебрегают его проверкой и получают претензии: вы сделали мотор, сделали коробку, почему же коробка выходит из строя?
Загадка в следующем. Гнездо для подшипника может иметь биение. Вина ли это завода или предыдущего некачественного ремонта, неважно. Важно этот дефект устранить. Мастер разворачивает индикаторную стойку, упирает щуп во внутреннюю стенку гнезда и вращает вал. Ага, биение есть.
Вал ставят в токарный станок, базируясь по коренной шейке, и протачивают бьющее отверстие на 2 мм «в плюс». Затем запрессовывают в него стальную втулку и протачивают посадочное место под подшипник первичного вала. Все – теперь подшипник сосен с шейкой, и приключений с коробкой не будет.
Подробности можно приводить еще и еще, но, как говорил Козьма Прутков, нельзя объять необъятное. Поэтому резюмируем: используя отличное знание коленчатых валов, применяя индивидуальный подход к каждому случаю, базируясь на современных технологиях и станочном парке, компания неизменно обеспечивает высокое качество ремонта.
И еще. Качество и опыт – вещи неразделимые. Об опыте «Механики» свидетельствует такая история. Однажды, еще в 90-х (так ли уж важна точная дата?) компанию посетили представители известной фирмы Кольбеншмидт. И среди прочего поинтересовались: а сколько валов вы делаете в своем цехе? Где-то штук пятнадцать, ответили в «Механике». В неделю, уточнили немцы? В день, пояснили в «Механике». Надо было видеть глаза гостей.
И в заключение рекомендуем к просмотру ролики. В них руководитель «Механики» Д.Н. Даньшов рассказывает о тонкостях шлифовальных технологий.
Автор: Юрий Буцкий, к.т.н.