Технические характеристики коленчатого вала (6 видео)

Коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания: устройство, назначение, принцип работы

Коленчатый вал (коленвал) двигателя – это одна из важных деталей КШМ, расположенная в цилиндровом блоке. Вал преобразует поступательные движения поршней во вращательный момент, который через трансмиссию передается на колеса автомобиля.

Содержание

Устройство коленчатого вала
Принцип действия коленчатого вала
Процесс смазки коленчатого вала
Эксплуатационно-техническая характеристика коленчатого вала
Вал коленчатый
Материалы, из которых изготовлен коленчатый вал
Конструкция коленчатого вала
📽️ Видео

Видео:Как устроен коленвал двигателя и для чего он нуженСкачать

Устройство коленчатого вала

Сложная конструкция коленвала представлена в виде расположенных по одной оси колен – шатунных шеек, соединенных специальными щеками. При этом количество колен зависит от числа, формы и месторасположения цилиндров, а также тактности двигателя автомобиля. С помощью шатунов шейки соединяются с поршнями, совершающими поступательно-возвратные движения.

В зависимости от расположения коренных шеек коленвал может быть:

полноопорным – когда коренные шейки расположены по две стороны от шатунной шейки;
неполноопорным – когда коренные шейки расположены только по одну из сторон от шатунной шейки.

В большинстве современных автомобильных двигателей применяются полноопорные коленвалы.

Итак, основными элементами коленвала являются:

Коренная шейка – основная часть вала, которая размещается на коренных вкладышах (подшипниках), находящихся в картере.
Шатунная шейка – деталь, соединяющая коленвал с шатунами. При этом смазка шатунных механизмов осуществляется благодаря наличию специальных масляных каналов. Шатунные шейки в отличие от коренных шеек всегда смещены в стороны.
Щеки – детали, соединяющие два типа шеек – коренные и шатунные.
Противовесы – детали, которые предназначены для уравновешивания веса поршней и шатунов.
Фронтальная (передняя) часть или носок – часть механизма, оснащенная колесом с зубцами (шкивом) и шестерней, в некоторых случаях гасителем крутильных колебаний, который осуществляет контроль над мощностью привода ГРМ (газораспределительного механизма), а также других механизмов устройства.
Тыльная (задняя) часть или хвостовик – часть механизма, соединенная с маховиком при помощи маслоотражающего гребня и маслосгонной резьбы, осуществляет отбор мощности вала.

Фронтальная и тыльная сторона коленчатого вала уплотняется защитными сальниками, которые препятствуют протеканию масла там, где выступающие части маховика выходят за пределы блока цилиндров.

Вращательные движения всего механизма коленвала обеспечивают подшипники скольжения – тонкие стальные вкладыши, с защитным слоем антифрикционного вещества. Для предотвращения осевого смещения вала, применяется упорный подшипник, установленный на коренной шейке (крайней или средней).

Коленвал двигателя изготавливается из износостойкой стали (легированной или углеродистой) или модифицированного чугуна, методом штамповки или литья.

Видео:Строение и функция коленчатого вала (3D анимация) - Motorservice GroupСкачать

Принцип действия коленчатого вала

Несмотря на сложность самого устройства, принцип работы коленвала достаточно прост.

В камерах сгорания происходит процесс сжигания поступившего туда топлива и выделения газов. Расширяясь, газы воздействуют на поршни, совершающие поступательные движения. Поршни передают механическую энергию шатунам, соединенным с ними втулкой или поршневым пальцем.

Шатун в свою очередь соединен с шейкой коленвала подшипником, вследствие чего каждое поступательное поршневое движение преобразуется во вращательное движение вала. После того как происходит разворот на 180˚, шатунная шейка движется уже в обратном направлении, обеспечивая возвратное движение поршня. Затем циклы повторяются.

Видео:А вы знали как делают коленвал ? Изготовление коленвала в ГерманииСкачать

Процесс смазки коленчатого вала

Смазка коленвала обеспечивается за счет шатунных и коренных шеек. Важно помнить, что смазка коленчатого вала всегда происходит под давлением. Каждая коренная шейка обеспечена индивидуальным подводом масла от общей смазочной системы. Поступившее масло попадает на шатунные шейки по специальным каналам, расположенным в коренных шейках.

Видео:Балансировка коленчатого вала КАМАЗ. Балансировка коленчатого вала V-образного двигателяСкачать

Эксплуатационно-техническая характеристика коленчатого вала

Факторы, влияющие на работу коленчатого вала.

Вал нагружается силами давления газа и силами инерции поступательно движущихся и вращающихся масс, и подвергаются одновременному действию знакопеременных изгибающих и крутящих моментов. В результате воздействия этих сил и моментов материал работает на усталость. Усталость металла объясняется возникновением в наиболее слабом месте микроскопической трещины, которая под влиянием знакопеременной нагрузки растет, уменьшая расчетное сечение и вызывая рост напряжений. В итоге напряжения превышается предел прочности материала, вызывая быстрое разрушение детали [23].

Износы и повреждения коленчатых валов. В результате изнашивания уменьшаются диаметры рамовых и мотылевых шеек коленчатых валов, они приобретают эллиптическую, бочкообразную или конусную форму; на шейках валов образуются наработки. К повреждениям коленчатых ваплов относят царапины, задиры на шейках, изгиб, ослабление посадки шеек в щеках у составных валов, деформацию отверстий во фланцах соединений у валов, состоящих из секций, трещины в щеках и шейках, поломку.

В поперечном сечении в результате изнашивания шейки приобретают эллиптическую форму. При этом больший износ наблюдается у мотылевых шеек вследствие работы их в условиях неравномерной нагрузки. Верхняя часть мотылевой шейки испытывает большую нагрузку чем нижняя, поэтому износ верхней части больше чем нижней.

Конусная форма может быть следствием неудовлетворительной пригонки подшипника, когда контакт его с шейкой происходит не по всей длине. Это вызывает износ шейки в каком-либо одном ее конце. При некачественном изготовлении или ремонте, когда при проточке шейки ввиду неточности обработки остается конусность, она увеличивается при эксплуатации.

При перекосе шатунно-поршневой группы по отношению к коленчатому валу и удлиненных подшипниках может возникнуть бочкообразная форма шеек коленчатого вала. В этих случаях больший износ происходит у галтелей в первом случае из-за перекоса, во втором — из-за деформации шейки при работе.

Корсетная форма шеек может возникнуть из-за плохой пригонки подшипников. Однако такой дефект бывает редко. Появление наработков связано с разницей длин шейки и подшипника. Царапины могут возникнуть при попадании на поверхность трения твердых частиц и нарушения режима смазки. Задиры на шейках возможны при проплавлении подшипников.

Поломка коленчатого вала — одна из самых тяжелых аварий двигателя. Причинами усталостных разрушений могут быть: недостаточный запас прочности вала, особенно в местах концентрации напряжений ( в районе галтелей, по краям смазочных отверстий); технологические пороки, низкие механические свойства материала, неоднородная структура, микротрещины, образовавшиеся при термической обработке, неметаллические включения; случайные повреждения появившиеся на поверхности вала в процессе его обработки или эксплуатации (всевозможные риски, царапины, борозды и задиры) являющиеся сильными концентраторами напряжений [15].

Основные технические требования к коленчатому валу компрессора:

Мотылевые и рамовые шейки h 2,5+ 0,5 мм, 56…60 HRC кроме галтелей.

Нецилиндричность рамовых и мотылевых шеек не более 0,01 мм.

Биение рамовых шеек относительно оси вала не более 0,02 мм.

Биение конуса по отношению к оси рамовых шеек не более 0,02 мм.

Не параллельность мотылевых шеек относительно оси вала не более 0,02 мм. Проверку шеек на параллельность производить в четырех положениях кривошипа при полном его обороте.

Смещение осей шатунных шеек по окружности радиуса кривошипа не более +30.

Смазочный канал проверяется на герметичность пробным гидравлическим давлением Pпр = 0,2 МПа.

Технологический маршрут ремонта компрессора включает следующие основные операции: демонтаж и разборку, подготовку к дефектации и дефектацию, ремонт деталей и узлов, сборку, монтаж. (Табл. 4.1.)

Общие требования по разборке.

Перед разборкой необходимо [16]:

— проинструктировать обслуживающий персонал и оснастить его средствами индивидуальной защиты;
— оборудовать стационарное и переносное освещение;
— осушить полости корпуса компрессора от масла;
— разработать схему размещения крупногабаритных деталей, так чтобы был обеспечен доступ к ремонтируемому объекту;
— разработать правила техники безопасности.

Разборка компрессора выполняется стандартными и специальными фирменными инструментами, и приспособлениями. Работы по разборке, дефектации, ремонте и сборке компрессора проводятся в присутствии механика, в чьем заведовании находится компрессор или лица, ответственного за ремонт [54].

Подготовка к дефектации деталей компрессора.

Очистка и промывка составных частей компрессора проводится после его разборки. После промывки все детали обдувают чистым сухим сжатым воздухом и направляют на дефектацию.

Дефектации деталей компрессора.

Дефектация — это оценка технического состояния и выявление различных дефектов с применением методов дефектоскопии.

Задачи дефектации, выполняемой при сдаче компрессора на ремонт, следующие [54]:

— в зависимости от условий работы для основных элементов компрессора установить соответствие фактической величины и характера, износа или разрушения ожидаемой величине, заданной при проектировании;
— выявить изнашивание, разрушение, которое может привести к внезапным отказам и являющееся результатом нарушений правил эксплуатации, технологии изготовления или ошибок при конструировании;
— уточнить объем работ, предусмотренных ведомостью ремонтных работ, номенклатуру и количество узлов, сменных деталей и других материалов;
— установить необходимость выполнения ремонтных работ, при этом определить их срочность (необходимо их выполнять немедленно или можно ожидать очередного ремонта).

В зависимости от характера возможных дефектов и от конструкции проверяемой детали при ремонте компрессора применяются три основных вида дефектации [15]:

1) Наружный или визуальный осмотр — при помощи лупы 5-10 кратного увеличения, мелокеросиновой или цветной пробы, дополнительного обстукивания. Более эффективным методом является люминесцентная дефектоскопия;
2) Выявление скрытых дефектов — проверка с использованием методов дефектоскопии: гидравлической, магнитной, рентгеновской, звуковой (в том числе ультразвуковой);
3) Определение конструктивных дефектов и отклонений от правильной геометрической формы — производят различным контрольно-измерительными инструментоми, приборами и оборудованием.

В процессе дефектации детали по своему техническому состоянию разделяются на три группы:

1) годные;
2) требующие ремонта;
3) негодные.

По результатам дефектации составных частей и деталей компрессора составляются ремонтные ведомости, являющиеся в дальнейшем руководящим документом для ремонта деталей компрессора.

Дефектация коленчатого вала компрессора.

Определение износа рамовых и мотылевых шеек коленчатого вала.

Диаметры шеек измеряют микрометрической скобой в трех поперечных сечениях по длине шейки и двух диаметрально противоположных плоскостях в каждом сечении. Крайние замеры выполняют в сечениях на расстоянии 15-20 мм от шеек. Наибольший допустимый износ рамовых и мотылевых шеек коленчатого вала, выражается в образовании эллиптической и конусной форм, может быть установлен из выражения:

где d — диаметр шейки вала, мм;

K=0,03 мм для рамовых и 0,05 для мотылевых шеек.

Существуют специальные скобы, приспособления и способы определения износа рамовых шеек без подъема вала с подшипников.

Измерение микрометрической скобой малого сечения позволяет ввести ее в пространство между шейкой и гнездом после выкатывания вкладыша рамового подшипника. После измерения данной рамовой шейки вкладыш заводят на место и приступают к измерению следующей шейки.

Читайте также: Иж планета замена вала переключения передач

Измерение с помощью специального приспособления, состоящего из двух ножек, жестко соединенных двумя валиками с правой и левой резьбой. При вращении гайки ножки смещаются по размеру шейки вала. Стержень, по которому ножки перемещаются, предназначены для придания устойчивости приспособлению. В валиках имеются призматические шпонки, предотвращающие проворачивание на валике державки [15].

Видео:Раскеп 2.0 или зачем мы все это делаем. Для чего нужно следить за состоянием коленвала.Скачать

Вал коленчатый

Коленчатый вал предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение.

Шейки подшипников, в которых коленчатый вал вращается в блоке цилиндров, называютсякоренными шейками. Шейки подшипников, вращающиеся внутри нижней (большой) головки шатуна, называются шатунными шейками.

Именно коленчатый вал превращает возвратно-поступательное движение поршня в круговое вращение. Расстояние между осями коренных и шатунных шеек, называемое радиусом кривошипа (R), является одним из основных технических показателей коленчатого вала и всего двигателя. Длина хода поршня в цилиндре, равная удвоенной величине радиуса кривошипа, зависит только от этого показателя. А от длины хода поршня зависит объём цилиндра двигателя. Изменяя длину радиуса кривошипа, при неизменном диаметре цилиндра, можно изменять объём цилиндров двигателя. При этом, правда, изменяются некоторые технические характеристики двигателя, изменение которых можно использовать в необходимом направлении. При конструировании двигателя, для достижения желаемых технических характеристик, очень тщательно подбирается соотношение между длиной хода поршня и диаметром цилиндра. Двигатели, в которых ход поршня больше диаметра цилиндра, называются длиноходными. Двигатели, у которых ход поршня меньше диаметра цилиндра, называютсякороткоходными. Короткоходные двигатели позволяют поднять скорость вращения двигателя и благодаря этому увеличить максимальную мощность двигателя, но длиноходные двигатели имеют больший крутящий момент в диапазоне низких оборотов и они более экономичны. Это ещё один из примеров, что конструкторская работа это постоянное нахождение компромиссов в технике.

Изменение одного параметра двигателя (и автомобиля) почти всегда приводит к изменению других его параметров, причём, чаще всего, не в лучшую сторону, что довольно часто не учитывают специалисты по тюнингу.

Во время работы двигателя на коленчатый вал воздействуют очень большие изгибающие и закручивающие нагрузки, поэтому вал должен быть очень прочным. Способность вала сопротивляться нагрузкам зависит от материала, из которого сделан вал и от его конструкции, при этом стоимость изготовления вала тоже имеет большое значение в конкурентной борьбе.

Если с каждой стороны шатунной шейки находится коренная шейка, такой вал называетсяполноопорным. Ясно, что он будет лучше противостоять изгибающим нагрузкам. Коленчатый вал двигателя V8 значительно короче коленчатого вала рядного 8-ми цилиндрового двигателя, поэтому его способность сопротивляться закручивающим нагрузкам будет значительно выше. Для исключения концентрации напряжений, способных разрушить вал, переход каждой поверхности вала в другую (галтели) осуществляется под некоторым радиусом.

Видео:Коленчатые валы Камаз. Характеристика, Применение. Виктор ИлюшкинСкачать

Материалы, из которых изготовлен коленчатый вал

Прочность коленчатого вала зависит не только от его конструкции, но и от материалов, из которых изготовлен коленчатый вал. Подбор необходимого материала ещё один из примеров компромисса. Чаше всего возникает компромисс между ценой и прочностью, но при этом, для обеспечения необходимой надёжности, необходимо учитывать степень форсированности двигателя, весовые и геометрические характеристики вала. Коленчатый вал двигателей серийных автомобилей, в целях обеспечения расчётной себестоимости производства, изготавливается из литого чугуна. Двигатели более форсированных спортивных автомобилей имеют коленчатый вал, изготовленный методом ковки из низколегированной стали. Кованные коленчатые валы имеют явное преимущество по весовым, габаритным и прочностным характеристикам перед валами, изготовленными методом литья, поэтому эти валы, в последнее время, находят большее применение. Иногда, когда цена не имеет доминирующего значения, коленчатый вал может быть изготовлен методом точения и другой механической обработки, из целого куска высококачественной стали. При этом большая часть дорогого материала идёт в отходы, но так создаются дорогие валы для дорогих двигателей.

Как коренные, так и шатунные шейки коленчатого вала, вращаются в подшипниках скольжения. Есть очень небольшое количество коленчатых валов, вращающихся в подшипниках качения, но широкого распространения такие конструкции не имеют. Коленчатый вал, предназначенный для установки в подшипники качения должен быть разборным и поэтому иметь довольно сложную и не совсем надёжную конструкцию. Вращающиеся в подшипниках скольжения, шейки коленчатого вала должны иметь поверхность, имеющую очень высокую способность сопротивления износу. Поэтому эти поверхность, как и поверхности, контактирующие с сальниками, подвергаются различным способам поверхностного упрочнения, чаше всего закалкой при помощи токов высокой частоты, азотированием и качественной механической обработкой.

Видео:Как проводится дефектовка коленчатых валовСкачать

Конструкция коленчатого вала

Конструкция коленчатого вала очень сильно зависит от количества цилиндров двигателя и их конфигурации. От этого зависит количество и расположение коренных и шатунных шеек, а, например, в двигателях V6, в которых поршни двух рядов цилиндров подсоединены к общему коленчатому валу, в зависимости от угла развала блока цилиндров, имеется угловое смещение шатунных шеек по окружности вала. Расположение шатунных шеек также зависит от порядка работы цилиндров двигателя. В американских двигателях V8 применяется коленчатый вал, напоминающий крест, в то время как на европейских двигателях V8 спортивных автомобиле применяется плоский коленчатый вал.

Но в конструкции всех коленчатых валов есть много общего. Подшипники качения коренных и шатунных шеек имеют вкладыши, изготовленные из стальной ленты с внутренней поверхностью из износостойкого материала с низким коэффициентом трения. При наличии необходимой смазки, вкладыши обеспечивают легкое вращение вала в подшипниках продолжительное время. Для предотвращения проворачивания вкладышей подшипников вкладыши имеют специальные выступы, которые устанавливаются в выемки корпуса подшипников, но на некоторых современных двигателях применяются вкладыши, фиксируемые только за счёт тугой посадки. Во время ремонта, при необходимости, сильно изношенные вкладыши можно заменить. Более того, выпускаются специальные ремонтные вкладыши нескольких ремонтных размеров увеличенной толщины, которые позволяют проводить перешлифовку шеек коленчатого вала, что значительно снижает стоимость ремонта, поскольку новый коленчатый вал стоит достаточно дорого.

Вкладыши коренных подшипников имеют масляные канавки, по которым масло от коренных подшипников, через каналы в коленчатом валу, поступает к шатунным подшипникам. В последнее время канавку стали делать только в одном нижнем вкладыше. Это делается для снижения удельного давления на нижний, более нагруженный вкладыш, поскольку отсутствие масляной канавки увеличивает площадь поверхности вкладыша, контактирующей с поверхностью шейки вала. При установке вкладышей вкладыш без масляной канавки устанавливается в крышку коренного подшипника.

Специальные упорные полукольца (вкладыши) предотвращают осевое перемещение коленчатого вала. Эти упорные полукольца так же выпускаются увеличенной ремонтной толщины.

Коренные подшипники вала устанавливаются в постели, изготовленные непосредственно в блоке цилиндров. Сверху коренная шейка вала крепится крышкой коренного подшипника. При производстве базовые отверстия всех коренных подшипников обрабатывается одновременно, за один проход режущего инструмента. Поэтому не допускается замена крышек коренных подшипников, их перестановка в одном комплекте и установка их другой стороной. Перед снятием крышек коленчатого вала убедитесь, что на крышках имеются соответствующие установочные метки, однозначно определяющие место и направление установки каждой крышки. При отсутствии таких меток нанесите соответствующие метки самостоятельно, используя методы, описанные в специальной литературе. Предпочтительно не использовать метод кернения для нанесения меток на крышки коренных или шатунных подшипников. Лучше использовать специальные фломастеры, краску или алмазные надфили, но при этом необходимо учитывать, что перед сборкой все детали двигателя промываются в растворителях, в результате чего фломастер может быть смыт.

Нелишне напомнить, что затягиваются болты крепления крышек строго установленным моментом затяжки при помощи динамометрического ключа. Всё сказанное относится также и к крышкам шатунов.

Ранее было сказано, что вкладыши подшипников надёжно работают только при обеспечении необходимой смазки. Поэтому все коленчатые валы имеют внутренние масляные каналы, по которым масло под давлением подаётся от шейки коренного подшипника к шейке шатунного подшипника, а, иногда, по внутренним каналам шатунов подводится к верхней головке шатуна для смазывания поршневого пальца. К постелям коренных подшипников масло подаётся по масляным каналам блока цилиндров.

Во время работы двигателя поршень, с сопутствующими деталями совершает возвратно-поступательное движения. Для уравновешивания сил инерции этих деталей в вертикальном направлении, коленчатый вал изготавливается со специальными противовесами. Правда, при этом возникают горизонтальные колебания, но об этом будем говорить позже. К торцу заднего конца коленчатого вала крепится маховик или пластина крепления гидротрансформатора, при наличии автоматической коробки передач, с которых снимается полезная мощность двигателя. Если автомобиль укомплектован ручной коробкой передач и, соответственно маховиком, в торец заднего конца коленчатого вала вставляется передний подшипник первичного вала коробки передач. Спереди и сзади коленчатого вала имеются цилиндрические поверхности, контактирующие с уплотняющими кромками сальников, исключающих утечку масла из картера двигателя. Эти поверхности должны быть отполированы, и не иметь даже мельчайших неровностей или царапин. Кроме того, они должны быть строго параллельны центральной оси коленчатого вала. При наличии радиального биения этих поверхностей сальники быстро разбиваются, в результате чего появляется течь масла

Во время работы многоцилиндрового двигателя рабочий такт в разных цилиндрах происходит поочерёдно в соответствии с порядком работы цилиндров. При этом возникают переменные усилия, старающиеся закрутить коленчатый вал, в результате этих усилий в валу возникают крутильные колебания.

Для противодействия крутильным колебаниям, на передний конец вала устанавливается гаситель крутильных колебаний, представляющий собой две массивные детали, соединённые упругим (резиновым) элементом. Чаще всего гаситель крутильных колебаний встроен в шкив привода вспомогательных агрегатов. Одновременно шкив служит задающим ротором датчика положения коленчатого вала.

В последнее время появились двигатели, в которых гаситель крутильных колебаний расположен внутри картера двигателя. В этом случае в виде упруго элемента применяется не резиновая вставка и цилиндрические пружины, установленные между внутренней и наружной частью гасителя. Гаситель крутильных колебаний, поглощая большое количество энергии, нагревается, поэтому гаситель, установленный внутри блока цилиндров, часто охлаждается струёй масла.

На передний конец коленчатого вала устанавливаются ведущие элементы привода газораспределительного механизма (зубчатые шкивы или звёздочки) и насоса системы смазки двигателя, также на передний конец коленчатого вала устанавливается шкив ремня привода вспомогательных агрегатов.

источники:

https://evakuatorinfo.ru/tehnicheskie-harakteristiki-kolenchatogo-vala