Кривошип: устройство и применение¶

Кривошип — звено кривошипно-шатунного механизма, представляющее собой деталь с одним или несколькими коленами (эксцентрично расположенными шейками), предназначенную для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот. Вместе с шатуном кривошип образует простейший механизм, широко применяемый в поршневых машинах, станках, насосах и компрессорах. Кривошип является составной частью коленчатого вала либо выполняется как отдельная деталь, закрепляемая на валу.

¶Общее описание и принцип действия

Кривошип состоит из двух основных элементов: коренной шейки, ось которой совпадает с осью вращения вала, и шатунной (кривошипной) шейки, смещённой относительно неё на расстояние, называемое радиусом кривошипа. Величина этого радиуса определяет ход поршня или ползуна: ход равен удвоенному радиусу кривошипа.

При вращении вала шатунная шейка описывает окружность, а связанный с ней шатун совершает сложное движение, преобразуя вращение в возвратно-поступательное перемещение поршня. Обратное преобразование — от поступательного движения поршня к вращению вала — лежит в основе работы двигателей внутреннего сгорания, паровых машин и поршневых насосов.

Кривошип относится к числу так называемых эксцентриковых механизмов; при малом радиусе (меньше высоты шейки) его часто называют эксцентриком.

¶История

Идея преобразования вращательного движения в поступательное известна с античности. Прообразы кривошипа встречаются в римских механизмах, в частности в устройствах для подъёма грузов и в водяных мельницах. В средние века кривошип применялся в точильных станках, ручных мельницах и пилах с возвратно-поступательным движением полотна.

Существенный вклад в развитие кривошипных механизмов внесло появление паровой машины. В конце XVIII века Джеймс Уатт запатентовал ряд усовершенствований парового двигателя, а его современники разрабатывали способы преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращение вала. Именно кривошипно-шатунный механизм стал основой универсального парового двигателя, пригодного для привода фабричных машин и транспортных средств.

В России кривошипно-шатунные механизмы получили распространение вместе с развитием машиностроения в XIX веке — на паровых заводах, железных дорогах и позднее в двигателях внутреннего сгорания. В XX веке кривошип стал массовой деталью автомобильных, тракторных, судовых и авиационных двигателей, а также компрессоров и насосов.

¶Классификация

Кривошипы различают по ряду признаков.

• По конструкции: цельные (изготовленные заодно с валом), сборные (насадные, закрепляемые на валу шпонкой или прессовой посадкой) и разъёмные.
• По числу колен: одноколенные, двухколенные, многоколенные. Многоцилиндровые двигатели имеют коленчатые валы с несколькими кривошипами, расположенными под определёнными углами друг к другу.
• По расположению: прямые и обратные (реверсивные), а также с противовесами, уравновешивающими силы инерции.
• По назначению: кривошипы главного движения (двигатели, компрессоры) и вспомогательные (приводы станков, насосов, прессов).

¶Устройство и материалы

Типовой кривошип включает коренную шейку, две щёки и шатунную шейку. Щёки соединяют шейки и воспринимают изгибающие и крутящие нагрузки. В шатунной шейке часто выполняют каналы для подвода смазки к подшипникам.

Материалы для изготовления кривошипов выбираются исходя из нагрузок. Для ответственных деталей применяют легированные стали (например, 40Х, 45, 18ХГТ), которые подвергают ковке, штамповке и последующей термической обработке — закалке и отпуску. Поверхности шеек шлифуют и полируют для снижения трения и повышения износостойкости. В лёгких конструкциях используют высокопрочный чугун и алюминиевые сплавы.

¶Применение

Кривошип — один из наиболее распространённых механических элементов. Основные области применения:

В кривошипных прессах вращение маховика через кривошип преобразуется в возвратно-поступательное движение ползуна, развивающего значительное усилие. Такие прессы применяются в кузнечно-штамповочном производстве.

¶Расчёт и характеристики

Основные параметры кривошипа — радиус (кривошип), длина шатуна, ход поршня, угловая скорость вращения. Ход поршня S связан с радиусом кривошипа r соотношением S = 2r. Отношение длины шатуна к радиусу кривошипа влияет на кинематику механизма и величину боковых усилий, действующих на поршень.

При работе кривошипно-шатунного механизма возникают силы инерции возвратно-поступательно движущихся и вращающихся масс, а также центробежные силы. Для их уравновешивания применяют противовесы, устанавливаемые на щёках коленчатого вала, и специальные балансирные валы. Неуравновешенность приводит к вибрациям, повышенному износу подшипников и снижению надёжности.

Прочность кривошипа рассчитывают на сложное напряжённое состояние — совместное действие изгиба и кручения. Наиболее нагруженными являются переходы от шеек к щёкам, где возникают концентраторы напряжений; их выполняют с плавными галтелями.

¶Критика и ограничения

Кривошипно-шатунный механизм имеет ограничения: неравномерность вращения, наличие боковых сил, прижимающих поршень к стенке цилиндра, и сложность полного уравновешивания. В высокооборотных машинах эти недостатки частично компенсируются применением многоколенных валов, противовесов и балансирных устройств. В ряде областей кривошип вытесняется более компактными механизмами — кулачковыми, эксцентриковыми и роторными, однако в поршневых двигателях он остаётся основным решением.

¶Источники

• Большая советская энциклопедия, статьи «Кривошип», «Кривошипно-шатунный механизм».
• Справочник машиностроителя под редакцией Н. С. Ачеркана.
• Учебники по теории механизмов и машин (И. И. Артоболевский).
• Технические справочники по двигателестроению.