Коленчатый вал

Коленчатый вал — это деталь кривошипно-шатунного механизма (КШМ) поршневого двигателя внутреннего сгорания, компрессора или насоса, преобразующая возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение выходного вала. Коленчатый вал воспринимает усилия от шатунов и передаёт крутящий момент на маховик и трансмиссию, а также обеспечивает приведение в действие газораспределительного механизма и вспомогательных агрегатов.

История

Первые прототипы коленчатых валов появились ещё в античности. В римской империи использовались ручные мельницы с кривошипными рукоятками, однако полноценный коленчатый вал, как элемент механизма, преобразующего поступательное движение во вращательное, был описан и применён в Китае в I веке н. э. (в ручных мельницах и кузнечных мехах). В Европе коленчатый вал начал активно применяться в XV–XVI веках в водяных насосах и токарных станках.

Современный облик коленчатый вал приобрёл с развитием паровых машин и двигателей внутреннего сгорания. В 1876 году немецкий инженер Николаус Отто применил коленчатый вал в своём четырёхтактном газовом двигателе. В 1885 году Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах установили коленчатый вал в первом бензиновом двигателе для автомобиля. С тех пор конструкция вала постоянно совершенствовалась: увеличивалась прочность, снижалась масса, внедрялись технологии балансировки и гашения крутильных колебаний.

Конструкция и основные элементы

Коленчатый вал представляет собой сложную деталь, состоящую из нескольких функциональных участков:

• Коренные шейки — опорные поверхности, вращающиеся в подшипниках скольжения (вкладышах), установленных в блоке цилиндров. Количество коренных шеек обычно на одну больше, чем количество шатунных шеек (для рядных двигателей) или равно числу шатунных (для V-образных двигателей с «шатунными» шейками общего назначения).
• Шатунные шейки — поверхности, к которым крепятся нижние головки шатунов. Число шатунных шеек соответствует числу цилиндров (для рядных двигателей) или половине числа цилиндров (для V-образных двигателей).
• Щёки (противовесы) — массивные элементы, соединяющие коренные и шатунные шейки. Служат для уравновешивания сил инерции и моментов, возникающих при работе двигателя. Противовесы могут быть отлиты заодно с валом или выполнены отдельно и закреплены болтами.
• Носок (передний конец) — участок вала, на котором устанавливается шкив привода навесного оборудования (генератор, водяной насос, компрессор кондиционера) и шестерня или звёздочка привода газораспределительного механизма.
• Хвостовик (задний конец) — фланец для крепления маховика, через который крутящий момент передаётся на сцепление и коробку передач.

Материалы и технологии изготовления

Коленчатые валы изготавливаются из высокопрочных материалов, способных выдерживать знакопеременные нагрузки, изгиб и кручение:

• Сталь — легированные стали (40Х, 40ХН, 18ХГТ, 40ХФА) с последующей закалкой и отпуском. Применяются в форсированных двигателях, дизелях, спортивных моторах. Обеспечивают высокую усталостную прочность.
• Чугун — высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ). Используется в большинстве серийных бензиновых и дизельных двигателей. Дешевле стали, хорошо гасит вибрации, но менее прочен.
• Ковка — штамповка из стальной заготовки. Обеспечивает оптимальную структуру металла и высокую прочность. Применяется для дизельных и турбированных двигателей.
• Литьё — отливка из чугуна или стали. Менее прочный, но более дешёвый способ. Используется в двигателях малой и средней мощности.

После механической обработки шейки вала подвергаются закалке токами высокой частоты (ТВЧ) или цементации, а затем шлифуются до требуемой шероховатости (Ra 0,16–0,32 мкм). Для снижения трения и износа на поверхности шеек наносят износостойкие покрытия (например, нитрирование, хромирование, напыление молибдена).

Классификация

Коленчатые валы классифицируются по нескольким признакам:

По числу опор (коренных шеек)

• Полноопорные — каждая шатунная шейка расположена между двумя коренными. Обеспечивают высокую жёсткость и долговечность. Используются в большинстве современных двигателей.
• Неполноопорные — шатунные шейки расположены между коренными шейками через одну. Применяются в двигателях малой мощности (например, в мотоциклах, газонокосилках).

По расположению шатунных шеек

• Рядные — шатунные шейки расположены в одной плоскости. Характерны для рядных двигателей.
• V-образные — шатунные шейки сдвинуты под углом 90° или 120° относительно друг друга. Используются в V-образных и оппозитных двигателях.
• Смещённые — шатунные шейки имеют определённый угол между собой, определяющий порядок работы цилиндров.

По способу изготовления

• Цельные — вал изготавливается из одной заготовки (литьё, ковка). Наиболее распространённый тип.
• Составные — вал собирается из отдельных частей (коренных и шатунных шеек, щёк), соединяемых прессовой посадкой или болтами. Применяются в крупных судовых и стационарных двигателях для облегчения ремонта.

Балансировка и крутильные колебания

Коленчатый вал является быстро вращающейся деталью, поэтому его балансировка критически важна для снижения вибраций и шума. Различают статическую и динамическую балансировку. При статической балансировке выравнивается центр масс вала, при динамической — устраняются моменты неуравновешенных сил, возникающие при вращении.

Крутильные колебания — явление, при котором вал закручивается и раскручивается под действием переменных крутящих моментов. Для их гашения на носке вала устанавливают гаситель крутильных колебаний (демпфер) — резиновый или вязкостный элемент, поглощающий энергию колебаний. Без гасителя возможна поломка вала от усталостных напряжений.

Применение

Коленчатые валы используются в широком спектре машин и механизмов:

• Двигатели внутреннего сгорания — автомобильные, мотоциклетные, судовые, авиационные, тепловозные, стационарные (генераторы, компрессоры).
• Поршневые компрессоры — для преобразования вращения электродвигателя в возвратно-поступательное движение поршней.
• Насосы — в поршневых и плунжерных насосах.
• Паровые машины — исторически, в стационарных и транспортных установках.
• Металлорежущие станки — в кривошипно-шатунных механизмах приводов подачи.

Типичные неисправности и обслуживание

Наиболее частые дефекты коленчатых валов:

• Износ шеек — уменьшение диаметра, овальность, конусность. Возникает из-за недостаточной смазки, абразивного износа, перегрева.
• Задиры и забоины — результат попадания твёрдых частиц (стружка, нагар) в зазор между шейкой и вкладышем.
• Трещины — усталостные трещины в галтелях (переходах от шейки к щеке) из-за перегрузок, дефектов материала или неправильной балансировки.
• Проворачивание вкладышей — возникает при заклинивании шатуна или поршня, приводит к повреждению коренных и шатунных шеек.
• Износ шпоночного паза или шлицев на носке — из-за ослабления крепления шкива или шестерни.

При капитальном ремонте двигателя коленчатый вал подвергают дефектовке: измеряют геометрию шеек, проверяют на наличие трещин (магнитопорошковым или ультразвуковым методом), при необходимости шлифуют шейки до ремонтного размера (с уменьшением диаметра на 0,25–1,0 мм) и устанавливают вкладыши соответствующего размера. Валы с трещинами или значительным износом подлежат замене.

Интересные факты

• Самый длинный коленчатый вал в мире (около 20 метров) используется в судовых дизельных двигателях марки Wärtsilä-Sulzer RTA96-C. Его масса превышает 300 тонн.
• В двигателях Формулы-1 коленчатые валы изготавливаются из высоколегированной стали методом точной ковки и весят менее 10 кг при длине около 50 см.
• В некоторых двухтактных двигателях (например, в мотоциклах) коленчатый вал является одновременно и элементом системы газораспределения — через него осуществляется продувка цилиндров.
• В двигателях с «сухим картером» коленчатый вал вращается в масляном тумане, а не в масляной ванне, что снижает потери на трение и позволяет использовать более высокие обороты.

Источники

• Двигатели внутреннего сгорания. Конструкция и расчёт. Под ред. А. С. Орлина. — М.: Машиностроение, 1985.
• Колчин А. И., Демидов В. П. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей. — М.: Высшая школа, 2002.
• Bosch Automotive Handbook. — 9th ed. — Robert Bosch GmbH, 2014.
• Техническая энциклопедия. Том 10. — М.: Советская энциклопедия, 1930.
• ГОСТ 23637-90. Валы коленчатые и шатуны. Технические условия.