Mio-tech-service.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Основные элементы коленчатого вала

Устройство коленвала

Коленчатый вал — ключевой узел кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания. Благодаря коленвалу возвратно-поступательные движения поршней преобразуются в механическое вращение. Суть коленвала — это кривошип, который совершает вращательные движения вокруг одной неподвижной оси. Удвоенный радиус кривошипа равен длине хода поршня. Шатунные шейки расположены под такими углами, что цилиндры работают попарно, но немного опережают друг друга. По такому принципу устроен коленчатый вал.

Кривошипно-шатунный механизм

Изготавливают коленвалы из высокопрочных сталей или чугуна методом литья, ковки, механической обработки. По причине высокой степени сжатия к коленвалу дизельного двигателя предъявляют более высокие требования по прочности. В остальном коленвал дизеля по строению не отличается от вала бензинового двигателя. Коленчатый вал из стали, особенно выточенный на станке, имеет высокую стоимость, поэтому чугунные коленвалы получили более широкое распространение.

Изготовление коленвала из стали на токарно-фрейзерном станке

Коленчатый вал состоит из плоских проточенных пластин с противовесами (так называемых «щек»), которые соединены между собой «шейками». Противовесы необходимы, чтобы гасить возвратно-поступательные движения поршней и стабилизировать вращение вала.

На некоторых современных двигателях для дополнительной стабилизации применяются балансирные валы со смещенным центром тяжести и приводом от коленчатого вала. Они вращаются в разные стороны, помогая уравновешивать движения поршней.

Кривошипно-шатунный механизм с дополнительным блоком балансиров

В V-образных и W-образных двигателях шатуны из противоположных цилиндров давят на соединенные между собой шейки. Это позволяет обеспечить более равномерную работу двигателя, уменьшить его габариты. В рядных двигателях каждый шатун закреплен на отдельной шейке с балансирами.

Кривошипно-шатунный механизм рядного четырехцилиндрового двигателя со стандартными шейками и балансирамиКоленчатый вал двигателя V6 c раздвоенной смежной шатунной шейкой

Шейки коленвала имеют цилиндрическую форму с шлифованной поверхностью. По оси вала располагаются коренные шейки, по оси шатунов — «шатунные шейки». Трущиеся пары коленвала, как правило, устанавливаются на подшипниках скольжения. Для предотвращения продольных смещений вала предусмотрены опорные подшипники, их также называют полукольца коленвала.

Коленчатый вал расположен в блоке цилиндров в ответных посадочных местах «постели коленвала». На коленчатом валу расположен хвостовик для крепежа звездочки привода ГРМ, шкива генератора и водяной помпы. На обратной части вала закреплен фланец для крепежа маховика. Во фланце устанавливается подшипник качения, в него заходит первичный вал КПП. Внутри коленчатых валов расположены каналы для принудительной смазки вкладышей шеек, шатунов и цилиндропоршневой группы. Конструктивное исполнение коленчатых валов зависит от компоновки цилиндров, их количества. На коленвал могут устанавливаться ведущие шестерни для различного оборудования, например, маслонасоса.

Устройство коленвала

Определяются как результат расчётов, причём часть размеров задаётся исходя из выбранной компоновки. Например, количество шатунных шеек определяется в зависимости от числа цилиндров. В многорядных двигателях (V, W, X-образных, звездообразных) одна шатунная шейка воспринимает нагрузки сразу нескольких шатунов (или одного центрального, соединённого с прицепными). Коленчатый вал воспринимает крутящий момент, имеющий переменное значение, а следовательно, работает на скручивание и должен иметь достаточный запас прочности по усталостному напряжению на сдвиг. Прочность коленчатого вала зависит от соосности его опор, смещение вызывает значительный рост с возможностью разрушения по щёкам [1] .

Читать еще:  Чугунные коленчатые валы: особенности

Стальные валы (чаще всего) имеют невысокое внутреннее демпфирование крутильных колебаний, что в некоторых случаях угрожает валу разрушением из-за резонанса при прохождении опасной зоны по числу оборотов. Поэтому валы такие снабжают демпферами крутильных колебаний, расположенными на переднем носке вала [1] .

Кроме усталостной прочности, коленвалы должны иметь определённую площадь шеек, задающую контактное давление подшипников скольжения или качения. Максимальное контактное давление и скорость скольжения для антифрикционных материалов может быть несколько повышено при высокой твёрдости шеек и высококачественной смазке. Превышение их выше допустимых ведёт к выплавке/растрескиванию антифрикционного слоя или питтингу роликов (подшипники качения) [1] .

Диаметр шатунных шеек (исходя из упомянутых соображений) может быть увеличен косым разъёмом шатуна (что увеличивает его трудоёмкость и стоимость), длину же можно увеличить либо за счёт коренных шеек (что увеличивает контактное давление), либо увеличением расстояния между цилиндрами (что ведёт к увеличению габаритов и массы двигателя). В последние десятилетия, в связи с появлением новых высокопрочных антифрикционных сплавов и высококачественных масел, длину шеек валов (а вместе с ним — и межцилиндровое расстояние) конструкторы сокращают [1] .

Коленчатый вал и виды его конструкций (Часть 1).

Коленчатый вал на двигателе является одной из самых дорогостоящих и ответственных в работе двигателя деталей. Его столь высокая цена обоснована тем, что к коленчатому валу предъявляются большие требования:

  • во-первых, это высокая точность и качество всех рабочих поверхностей (небольшая погрешность и срок службы подшипников будет резко снижен и потребуется ремонт двигателя);
  • высокая износостойкость, что само по себе означает при производстве применение дорогостоящих материалов и сложную технологию обработки;
  • небольшая масса и высокая усталостная прочность;
  • уравновешенность.

На большинстве автомобилей коленчатые валы изготавливают отливкой из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, на некоторых двигателях применяют кованые валы из легированной стали.

Коленчатый вал представляет собой несколько колен связанных вместе, отсюда и название коленвал (вал, состоящий из колен). Колено представляет собой шейку, по бокам которой располагаются 2 щеки. Шейки бывают коренные и шатунные. Коренными шейками через подшипник коленчатый вал опирается на блок цилиндров. На шатунных шейках располагаются шатуны.

Диаметр коренных шеек, как правило, больше чем шатунных и обычно лежит в пределах от 50 до 70 мм, у шатунных 40-55мм. Меньший диметр обычно составляют валы малолитражек с небольшим объемом, больший для бензиновых двигателей большого объема и дизелей. Ну, опять же если сравнивать диаметры шеек коленчатых валов японских автомобилей с другими производителями, то на японских валах будут наименьшие размеры.

На практике могут встречаться такие случаи, что некоторые шейки могут иметь меньший диаметр на 1-2 сотки относительно других шеек, это связано с тем, что некоторые шейки из-за специфической конструкции двигателя могут получать меньшее количество смазки. Так вот что бы на этих шейках не происходило подклинивания и задиров, зазор в этих подшипниках специально увеличивают. Поверхности шеек должны быть очень гладкими. После шлифовки такой эффект достигается их полированием. За счет сглаживания микронеровностей на рабочей поверхности уменьшается износ во время первоначальной приработки деталей.

Как мы уже говорили, что коленчатый вал является очень точной деталью, поэтому к нему предъявляются высокие требования:

  • диаметры шеек вала и хвостовика должны быть выдержаны с точностью 0.015 мм;
  • биение коренных шаек, у нового вала не должны превышать 0.005 – 0.008 мм, проверка производится на призмах;
  • перекос осей коренных и шатунных шеек не должен превышать 0.03-0.05 на всей длине вала. Это служит критерием нормальной работы шатунных подшипников;
  • овальность и конусность коренных и шатунных шеек не должна превышать 0.005 мм;
  • для правильной работы упорного подшипника, биение торцевых поверхностей вала должно быть не более 0.01 мм, а сам зазор должен лежать в пределах 0.015-0.025.
Читать еще:  Коленвал: главные элементы детали

При работе двигателя на коленвал действуют силы и моменты, которые через коренные подшипники передаются на сам двигатель, а затем и на кузов автомобиля. Если на двигатель действуют постоянно неизменные силы и моменты, то такой двигатель можно назвать уравновешенным. Если же силы будут переменны, то это вызовет вибрацию двигателя, которую мы также ощутим и на кузове авто. Вибрация двигателя может быть вызвана не только не уравновешенными массами его деталей, но и от не правильной работы других систем: топливоподачи, зажигания.

Часть вибрации двигателя на кузов снижается за счет опор двигателя, которые в большинстве случаев выполнены из резины. Иногда на автомобилях можно встретить жидкостные демпферы, которые значительно лучше поглощают вибрации, чем обыкновенные резиновые подушки.

При проектировании двигателя, в нем пытаются свести к минимуму все силы инерции и моментов от них. Этого можно достигнуть путем уравновешивания самого коленчатого вала и подбора необходимых масс шатунов и поршней. Что бы полностью минимизировать все неуравновешенности дополнительно могут быть установлены балансирные валы. Но так как это очень сильно усложняет конструкцию, то на практике их применяют далеко не часто.

Далее мы с вами рассмотрим, какие конструкции, и типы коленчатых валов используются на двигателях. В статье про блоки цилиндров мы с вами обсуждали, что самым распространенным двигателем, который используется в каждой линейке фирм производителей, является четырехцилиндровый рядный двигатель. Так вот на таких двигателях мы с вами увидим пятиопорный коленчатый вал с противовесами. Из-за недостаточной прочности конструкции с тремя опорами встретить сейчас будет довольно сложно.

На двигателях с небольшой литровой мощностью, у которых маленький вес шатунов обычно достаточно одного противовеса примыкающего к стенке каждой шатунной шейки на коленчатом валу.

Если масса шатунов и поршней большая, то одного противовеса может быть недостаточно. При недостаточной массе противовесов возникают повышенные нагрузки на коленчатый вал, которые могут привести его к изгибу и увеличению нагрузки на подшипники. Поэтому что бы избежать этого на коленчатом валу применяют двойные противовесы.

Но при увеличении объема четырехцилиндрового двигателя выше 1.8 – 2.0 литра для уравновешивания двигателя классических способов становится не достаточно и производители стали устанавливать на двигатель дополнительно балансирные валы. Начиная с 70-х годов, японская фирма MITSUBISHI стала использовать на своих двигателях (у которых литровая мощность превосходила 1.6 литра), дополнительно по два балансирных вала, которые вращаются в разные стороны. Далее такой вариант уравновешивания своих двигателей применили и такие марки как: VOLVO, HONDA, GM и другие.

Читать еще:  Особенности стальных коленвалов

Но, несмотря на практически свою полную уравновешенность, такие двигатели остаются довольно не надежными. Это все связано с высокой скоростью вращения балансирных валов и их нагрузкой на подшипники.

Во второй части статьи мы рассмотрим конструкции коленчатых валов пятицилиндрового, шестицилиндрового и других двигателей.

Устройство системы смазки коленчатого вала

Система смазки ДВЗ включает и шатунные и коренные шейки. Их смазка осуществляется под давлением. Общая магистраль снабжения маслом элементов двигателя производит его подвод к каждой опоре шейки. После этого происходит подача масла к шатунным шейкам.

Мощность с коленчатого вала отбирается с его хвостовика (заднего хода). На конце передней части вала устанавливаются места, на которых укрепляется шестерня привода вала, шкив и гаситель крутильных колебаний. В общем виде они представляют собой два диска, соединенными материалом с высокой степенью упругости (резина, пружинная часть, жидкий силикон). Эти вещества способны поглощать вибрации вала, осуществляя трение внутри него.

Видео про принцип работы коленчатого вала:

Обработка готовых заготовок механическим способом на станках состоит из ряда операций: черновая, получистовая, чистовая и доводочная. При этом точность механической обработки увеличивается благодаря применению холодной правки вала в процессе его механической обработки.

В связи со сложной конфигурацией коленчатого вала ряд операций выполняется на отдельных автоматических участках, на специальных станках. Это выполнение центровки и подрезки торцов, сверление отверстий, обработка коренных и шатунных шеек, шлифование, динамическая балансировка.

Из чего состоит коленвал – вспомогательные механизмы

Выяснив, для чего служит коленчатый вал и какие силы на него действуют, становится понятным, почему сопряжения между щеками и шатунными шейками делаются немного закругленными, это предотвращает преждевременное разрушение. Между двумя щеками располагается шатунная шейка, которая называется коленом, ее предназначение – обеспечивать равномерность воспламенения, уравновешенность движка, минимальные изгибающие моменты и крутильные колебания.

Подшипники скольжения обеспечивают вращение шатунов и коленвала в опорах. На крайней или же средней коренной шейке устанавливается упорный подшипник скольжения, в его задачи входит предотвращение осевых перемещений детали. Учитывая количество деталей, которые должны четко работать все вместе, нетрудно догадаться, как тщательно балансируется эта деталь в процессе изготовления, но все равно иногда обнаруживается дисбаланс, правда, происходит это еще на этапе испытаний, и в продажу такой агрегат не попадет.


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.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector