Как делают коленчатые валы. Коленчатый вал двигателя: его строение и назначение

Cтраница 1

Шатунные шейки коленчатого вала этого дизеля закалены токами высокой частоты. Вкладыши нижней головки шатуна стальные, залиты свинцовистой бронзой.

Шатунная шейка коленчатого вала подвергается закалке с последующим отпуском.

Шатунные шейки коленчатого вала подвергаются закалке с последующим отпуском.

Шатунные шейки коленчатых валов обычно имеют устройства для центробежной очистки масла от механических примесей (грязеуловители), которые значительно улучшают очистку масла, поступающего к шатунным подшипникам.

Шатунные шейки коленчатых валов расположены попарно с разворотом на 180 с одной общей щекой. В первых трех ступенях цилиндры 2 и их крышки чугунные литые с рубашками для водяного охлаждения. В следующих ступенях устанавливаются стальные кованые цилиндры с разъемными кожухами для охлаждения. В зависимости от числа цилиндров в ряду и их размеров предусматривается для них одна или две качающиеся опоры. Клапаны в основном кольцевые и дисковые. Для первых двух ступеней скользящие поршни двойного действия, для последующих ступеней - дифференциальные. Уплотнение штоков осуществляется сальниками обычных конструкций. Система смазки механизма движения циркуляционная. К цилиндрам и сальниками масло подается лубрикатором.

Шатунные шейки коленчатого вала посредством тяг соединяются со сбегающими концами тормозных лент. Обойма тяги надевается на вал и устанавливается на полувтулках из антифрикционных материалов.

Шатунные шейки коленчатого вала, эксцентрик плунжера масляного насоса (в компрессоре 1КТ) с овальностью и конусностью более допустимой шлифуют. Разрешается оставлять после шлифовки на шатунной шейке вмятины в количестве не более двух общей площадью до 20 мм2 и глубиной до 0 2 мм. Изношенные поверхности вала в местах посадки колец шарикоподшипников и сальника разрешается восстанавливать цинкованием или вибродуговой наплавкой под слоем флюса. Коническую поверхность вала проверяют калибром по краске. Шарикоподшипники заменяют при наличии выкрашивания металла на поверхности шариков, трещин в кольцах, излома сепаратора или износа беговых дорожек. Новые шарикоподшипники надевают на шейки вала с предварительным подогревом в масле до 100 - 120 С.

Шатунные шейки коленчатого вала имеют внутренние полости 6 закрытые заглушками, где масло подвергается дополнительной центробежной очистке.

Шатунные шейки коленчатого вала сделаны пустотелыми, а их внутренняя поверхность используется для дополнительной (центробежной) очистки масла. Для подвода масла от коренных шеек к шатунным просверлены каналы.

Шатунные шейки коленчатого вала компрессора могут иметь номинальный или ремонтные размеры.

Шатунные шейки коленчатого вала ЗИС-120 полые (высверлены), что обеспечивает снижение веса противовесов и всего вала в целом.

Шатунные шейки большого коленчатого вала обычно обрабатываются на крупных специальных станках, а шатунные щейки вала компрессора при том же выпуске обрабатываются на обычных одно - и многорезцовых токарных и круглошлифовальных станках, но в приспособлениях со смещением оси вращения на величину эксцентрицитета.

Шатунные шейки коленчатых валов больших компрессоров обрабатываются на специализированных станках, предназначенных для этой цели. Обрабатываемый коленчатый вал не вращается, а закрепляется неподвижно в специальных центросместительных стойках (фиг. Стойки состоят из чугунных корпусов /, крышек 2 и вкладышей 3, в которые устанавливаются коренные шейки вала. Стойки крепятся к столу станка болтами.

> Кривошипно-шатунный механизм

Двигатель

Кривошипно-шатунный механизм

Блок и головка цилиндров

Наиболее крупными и сложными деталями кривошипно-шатунного механизма являются блок цилиндров и его головка (или головки). Как показано на рисунке блок цилиндров 5 и головка цилиндров 1 имеют сложную форму, поэтому их изготовляют литьем. Между ними для герметизации стыка установлена прокладка 9. Спереди (а иногда и сзади) также через прокладку 6 к блоку крепится крышка распределительных шестерен. Все остальные детали кривошипно-шатунного механизма расположены в блоке цилиндров, их обычно объединяют в несколько групп.

Головка и блок цилиндров V-образного восьмицилиндрового двигателя ЗМЗ-53:
1 - головка правого ряда цилиндров, 2 - гильза цилиндра, 3 - прокладка гильзы,
4 - направляющий поясок для гильзы, 5 - блок цилиндров, 6 - прокладка крышки
распределительных шестерен, 7 - сальник переднего конца коленчатого вала,
8 - крышка распределительных шестерен, 9 - прокладка головки цилиндров.

Блок цилиндров. Его отливают из чугуна (СЧ 21, СЧ 15) или из алюминиевых (например, АЛ4) сплавов. Соотношение масс чугунных и алюминиевых блок-картеров составляет примерно 4:1. За одно целое с блоком отлита верхняя часть картера.

В отливке блока цилиндров выполнены рубашка охлаждения, окружающая цилиндры, постели для коренных подшипников коленчатого вала и подшипников распределительного вала, а также места для установки других узлов и приборов. Чугунные блок-картеры изготовляют или вместе с цилиндрами или со вставными цилиндрами - гильзами, а алюминиевые только со вставными гильзами. Уплотнение гильз в блоке осуществляется с помощью резиновых колец или прокладок 3. Тщательно обработанная внутренняя поверхность гильз (или цилиндров) называется зеркалом.

Детали кривошипно-шатунного механизма двигателя ЗИЛ-130:
1 - поршень, 2 - вкладыши коренных подшипников коленчатого вала, 3 - маховик,
4- коренная шейка коленчатого вала, 5 - крышка заднего коренного подшипника,
6 - пробка, 7 - противовес, 8 - щека, 9 - крышка среднего коренного подшипника,
10 - передняя шейка коленчатого вала, 11 - крышка переднего коренного подшипника,
12 - шестерня, 13 - носок коленчатого вала, 14 - шкив, 15 - храповик, 16 - упорная шайба,
17 - биметаллические шайбы, 18-шатунные шейки коленчатого вала, 19 - вкладыши шатунного
подшипника, 20 - стопорное кольцо, 21 - поршневой палец, 22 - втулка верхней головки шатуна,
23 - шатун, 24 - крышка шатуна, 25 - сальник, 26 - маслоотгонная канавка,
27 - маслосбрасывающий гребень, 28 - дренажная канавка.

Головка цилиндров. Головка закрывает цилиндры сверху; в ней размещены клапаны, камеры сгорания, свечи, форсунки. В головку цилиндров запрессованы направляющие втулки и седла клапанов. Плоскость разъема между головками и блоком цилиндров уплотнена сталеасбестовыми прокладками. Между головкой цилиндров и крышкой клапанов установлены пробковые или резиновые прокладки.

Головки отлиты из алюминиевого сплава или чугуна. Двигатели с рядным расположением цилиндров имеют одну головку цилиндров, двигатели с V-образным расположением - две головки на каждый ряд (двигатель ЗИЛ-130), четыре - на каждые три цилиндра (двигатель ЯМЗ-240), восемь - на каждый цилиндр (двигатель КамАЗ-740).

Поршневая группа

В поршневую группу входят поршни, поршневые кольца и поршневые пальцы. Поршень представляет собой металлический стакан, днищем обращенный вверх. Он воспринимает давление газов и передает его через поршневой палец и шатун на коленчатый вал. Отлиты поршни из алюминиевого сплава.

Поршень имеет днище, уплотняющую и направляющую (юбку) части. Днище и уплотняющая часть составляют головку поршня. Днище поршня вместе с головкой цилиндра ограничивают объем камеры сгорания. В головке поршня проточены канавки для колец. При работе двигателя на поршень действуют большие механические и тепловые нагрузки от давления горячих газов.

Конструкция поршня должна обеспечивать такой зазор между поршнем и цилиндром, который исключал бы стуки поршня после запуска двигателя и заклинивание его в результате теплового расширения при работе двигателя под нагрузкой.

На юбке поршня делают разрезы, придают ему овальную форму в поперечном сечении и коническую - по высоте, производят заделку в поршень специальных компенсационных пластин из металла с малым коэффициентом теплового расширения. Например, в поршнях некоторых двигателей с зажиганием от искры юбку выполняют с косым разрезом, что делает ее более упругой и позволяет устанавливать поршень с минимальным зазором, не опасаясь заклинивания.

При шлифовании поршню придают овальную форму (большая ось овала должна быть перпендикулярна оси поршневого пальца), чтобы под действием боковых усилий и нагрева юбка поршня в рабочем состоянии принимала цилиндрическую форму.

Так как температура головки поршня примерно на 100-150°С выше, чем нижней части юбки, то наружный диаметр юбки делают больше, чем диаметр головки.

Большую опасность представляет собой перегрев поршня из-за недостаточного его охлаждения. При перегреве прогорает днище поршня, происходит задир рабочей поверхности цилиндра, залегание колец и даже заклинивание поршня. Иногда для улучшения охлаждения поршня на его внутреннюю поверхность направляют струю масла.

1 - поршень, 2 - поршневой палец, 3 - стопорные кольца, 4, 5 - компрессионные кольца,
6 - маслосъемное кольцо.

Поршень дизеля КамАЗ-740 отлит из высококремнистого алюминиевого сплава со вставкой из специального чугуна под верхнее компрессионное кольцо. На юбку поршня нанесено коллоидно-графитовое покрытие для улучшения приработки и предохранения от задиров. В головке поршня расположена тороидальная камера сгорания, а сбоку от нее в днище - две; выемки для предотвращения касания его с клапанами. Под бобышками в нижней части юбки сделаны выемки для прохода противовесов коленчатого вала в НМТ.

С шатуном поршень соединен пальцем 2 плавающего типа, стопорные кольца 3 вставляются в канавки, проточенные в бобышках, кольца ограничивают осевое смещение пальца в поршне. Палец имеет форму пустотелого цилиндрического стержня, он сделан из хромоникелевой стали, упрочнен цементацией и термообработан закалкой.

На поршне выполнены канавки для двух компрессионных 4, 5 и одного маслосъемного 6 кольца. Компрессионные кольца уплотняют поршень в гильзе цилиндров и предотвращают прорыв газов через зазор между юбкой поршня и стенкой гильзы. Маслосъемные кольца снимают излишки масла со стенок гильз и не допускают попадания его в камеры сгорания.

Поршневые кольца изготовлены из чугуна. Иногда маслосъемные кольца делают из стали. Для установки на поршень кольца имеют разрез, называемый замком.

После установки в цилиндр зазор в замке должен быть в пределах 0,3-0,5 мм, чтобы кольцо не заклинивало при нагревании. Замки на поршне должны располагаться на равных расстояниях друг от друга по окружности, что уменьшает прорыв газов из цилиндра.

Компрессионные кольца и особенно первое (верхнее) из них работают в тяжелых условиях. Из-за соприкосновения с горячими газами и большой работы трения, производимой первым кольцом, оно сильно нагревается (до 225-275°С), что осложняет его смазку и вызывает увеличенный износ как самого кольца, так и верхнего пояса цилиндра.

Для повышения износостойкости поверхность верхнего компрессионного кольца подвергают пористому хромированию. Остальные кольца для ускорения приработки покрывают тонким слоем олова или молибдена (двигатель КамАЗ-740).

Поршневые кольца разрезные, в свободном состоянии их диаметр несколько больше диаметра цилиндра. Поэтому в цилиндре кольцо плотно прижимается к его стенкам. В канавках поршня кольца образуют лабиринт с малыми зазорами, в котором газы, прорывающиеся из надпоршневого пространства, с одной стороны, теряют давление и скорость, а с другой - прижимают кольца к стенке цилиндра.

Поршневые кольца: а - внешний вид, б - расположение колец на поршне (двигателя ЗИЛ-130), в - составное маслосъемное кольцо; 1 - компрессионное кольцо, 2 - маслосъемное кольцо, 3 - плоские стальные диски, 4 - осевой расширитель, 5 - радиальный расширитель.

Компрессионные кольца имеют разную форму поперечного сечения. Компрессионное кольцо 1 с прямоугольным сечением (а) прилегает к цилиндру по всей наружной поверхности. Для увеличения удельного давления кольца на зеркало цилиндра и более быстрой приработки наружной поверхности кольцу придается коническая форма или делается на верхней внутренней кромке кольца 1 специальная выточка (6).

Маслосъемные кольца также имеют различную форму: коническую, скребковую, пластинчатую с осевым и радиальным расширителями (в). При движении вверх маслосъемное кольцо как бы «всплывает» в масляном слое, а при движении вниз острая кромка кольца соскабливает масло.

Маслосъемное кольцо отличается от компрессионных сквозными прорезями для прохода масла. В канавке поршня для маслосъемного кольца сверлят один или два ряда отверстий для отвода масла внутрь поршня.

Маслосъемное кольцо двигателей ЗМЗ и ЗИЛ состоит из двух стальных кольцевых дисков, осевого 4 и радиального 5 расширителей. Вследствие быстрой прирабатываемости и упругости стальные маслосъемные кольца хорошо прилегают к гильзе цилиндра.

Шатуны и коленчатый вал.

Соединяет поршень с коленчатым валом. Он состоит из верхней головки 5, стержня 6 двутаврового сечения и разъемной нижней головки 3, закрепляемой на шатунной шейке коленчатого вала. Шатун и его крышка 1 изготовлены из легированной или углеродистой стали. В верхнюю головку шатуна запрессованы одна или две втулки 4 из оловянистой бронзы, а в нижнюю вставлены тонкостенные стальные вкладыши 8, залитые слоем антифрикционного сплава.

Крышка 1 обрабатывается в сборе с шатуном, их нумеруют порядковым номером цилиндра. Ширина нижней головки такова, что позволяет вынимать поршень с шатуном вверх через цилиндр. Нижняя головка 3 шатуна и крышка 1 соединяются двумя болтами 7 или шпильками. Под головки болтов кладут специальные стопорные шайбы с усиками, а гайки имеют резьбу, несколько отличающуюся от резьбы на шпильках или болтах, в результате чего гайки самостопорятся, На двигателях старых конструкций они иногда шплинтовались.

Вкладыши двигателя КамАЗ-740 изготовлены из стальной ленты, покрытой слоем свинцовистой бронзы и тонким слоем свинцовистого сплава. Вкладыши шатунных подшипников двигателей. ЗМЗ-24,. ЗМЗ-53 и ЗИЛ-130 выполнены из сталеалюминиевой ленты антифрикционный слой которой представляет собой алюминиевый сплав АМО-1-20.

От проворачивания в нижней головке шатуна вкладыши удерживаются выступами (усиками 2), которые входят в канавки, выфрезерованные в шатуне и его крышке.

1 - крышка нижней головки, 2 - усики, фиксирующие вкладыши от проворачивания,
3 - нижняя головка, 4 - втулка верхней головки, 5-верхняя головка, 6- стержень шатуна,
7 - болт с гайкой для крепления крышки нижней головки, 8 - вкладыши нижней головки.

Воспринимает усилия, передаваемые от поршней шатунами, и преобразует их в крутящий момент. Он имеет коренные и шатунные шейки, щеки, соединяющие коренные и шатунные шейки, фланец для крепления маховика, носок, в котором имеется отверстие для установки храповика пусковой рукоятки. Шатунная шейка с щеками образует колено (или кривошип) вала. Расположение колен на валу обеспечивает равномерное чередование рабочих ходов.

Коленчатый вал штампуют из стали или отливают из магниевого чугуна. Стальные валы при одинаковых с литыми чугунными валами размерах шеек и щек имеют большую прочность, а к преимуществам литых валов следует отнести их меньшую стоимость, меньший расход металла при изготовлении, сокращение числа операций механической обработки, а также возможность придания оптимальных форм отдельным элементам кривошипа, например внутренним полостям шатунных и коренных шеек.

Литье позволяет выполнить все шейки вала полыми. Шейки стальных коленчатых валов закаливают токами высокой частоты. Все шейки коленчатых валов тщательно шлифуют и полируют. Переходы (галтели) от шеек к щекам выполняют плавными.

Количество шатунных шеек в двигателе, имеющем однорядное расположение цилиндров, равно числу цилиндров, а в V-образном двигателе - их в два раза меньше числа цилиндров, так как на каждую шатунную шейку устанавливают по два шатуна.

Количество коренных шеек четырехцилиндровых двигателей с рядным расположением цилиндров три или пять, в шестицилиндровых - четыре или семь, а V-образных восьмицилиндровых - пять.

Если шатунная шейка с двух сторон имеет коренную шейку, то такой коленчатый вал называют полноопорным. Полноопорный вал меньше прогибается и обеспечивает лучшие условия работы подшипников и больший срок их службы.

В современных автомобильных двигателях частота вращения коленчатого вала достигает 3ccc-4ccc мин -1 (грузовые автомобили) и 4500-6ccc мин -1 (легковые). Поэтому возникают большие силы инерции, действующие на шатунные шейки, щеки и нижние головки шатунов. Эти силы нагружают подшипники, вызывая их ускоренное изнашивание. Для разгрузки коренных подшипников от центробежных сил служат противовесы, расположенные на щеках против шатунных шеек коленчатого вала.

Коренные и шатунные шейки вала соединены наклонными каналами, просверленными в щеках и служащими для подвода масла от коренных к шатунным подшипникам. Шатунные шейки выполняют полыми или высверливают в них полости грязеуловители. В этих полостях под действием центробежных сил отлагаются тяжелые частицы и продукты изнашивания, содержащиеся в масле. Грязеуловители очищают при разборке двигателя, вывертывания пробки.

Коленчатый вал V - образного 8-цилиндрового двигателя ЗИЛ-130:
1 - противовес, 2 - заглушка, 3 - полость, 4 - отверстие для крепления маховика,
5 - сверления для подачи масла к шейке.

Маховик и поддон картера. Подвеска двигателя.

Маховик представляет собой массивный диск, отливаемый из чугуна. Он повышает равномерность вращения коленчатого вала, что особенно важно при малой частоте вращения, и передает крутящий момент трансмиссии автомобиля. Изготовлен маховик из чугуна. На обод маховика напрессован стальной зубчатый венец, предназначенный для вращения коленчатого вала стартером при пуске двигателя.

На некоторых двигателях на маховик наносят метки или запрессовывают в него стальной шарик, по которому устанавливают поршень первого цилиндра в ВМТ и проверяют установку зажигания.

Поддон , или нижняя часть картера, предохраняет от попадания в него пыли и грязи и служит резервуаром для масла. Его штампуют из листовой стали или отливают из легкого сплава. Поддон крепится болтами или шпильками, плоскость разъема уплотняется пробковой прокладкой и располагается ниже оси коленчатого вала, что повышает жесткость картера.

Подвеску двигателя к раме делают в трех или четырех точках. В качестве опор к блоку двигателя приворачивают специальные кронштейны (лапы). Задними опорами иногда служат лапы картера сцепления или удлинитель коробки передач. Под опоры устанавливают резиновые подушки или пружины. Это уменьшает вибрации двигателя из-за неравномерности крутящего момента и неполной уравновешенности вращающихся масс, смягчает удары, передаваемые от рамы к двигателю при движении автомобиля по неровной дороге.

Подвеска двигателя на эластичных опорах имеет ограничители продольного перемещения, их выполняют в виде тяги или скобы. Часто для фиксации двигателя относительно рамы используют реактивные тяги.

- в начало -

Расположенная в цилиндровом блоке. Вал преобразует поступательные движения поршней во вращательный момент, который через трансмиссию передается на колеса автомобиля.

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.

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.

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.

Рис. Коленчатый вал двигателя V6

Коленчатый вал воспринимает усилия, передаваемые от поршней шатуном , и преобразует их в крутящий момент . Поэтому коленчатый вал должен быть прочным и жестким.
В качестве материала для коленчатого вала используют высокопрочный чугун и сталь. Чугунные валы изготавливают методом литья, а стальные - методом ковки. Рабочие поверхности коренных и шатунных шеек коленчатого вала подвергают упрочнению с помощью термической обработки и последующей шлифовке.
Коленчатый вал состоит из нескольких коренных шеек, соединенных щеками с шатунными шейками. Щеки коленчатого вала продолжаются в противоположном от шейки направлении, образуя противовесы . В некоторых двигателях грузовых автомобилей используют съемные противовесы, которые крепятся к коленчатому валу болтами. Коренные шейки всегда больше в диаметре, чем шатунные. Коленчатый вал будет более жестким, если коренные и шатунные шейки перекрывают друг друга при взгляде с торца вала. Очевидно, что намного легче добиться перекрытия шеек в [[Короткоходный двигатель |короткоходном двигателе]]. Если по обеим сторонам от шатунной шейки расположены коренные шейки, коленчатый вал является полноопорным . В противном случае он неполноопорный и поэтому должен быть более жестким, а следовательно, более массивным, чтобы воспринимать значительные изгибающие и закручивающие усилия. Поэтому в современных двигателях в основном применяются полноопорные валы. В настоящее время редко применяют разборные коленчатые валы, хотя такая конструкция вала дает возможность применять шатуны с неразъемной нижней головкой. Переход от шейки к щеке является опасным с точки зрения концентрации напряжений, и поэтому его выполняют по радиусу. Такая конструкция уменьшает возможность появления трещин и последующего усталостного излома.
В качестве коренных и шатунных подшипников скольжения в настоящее время применяют разъемные, тонкостенные вкладыши . Вкладыши изготавливают из стальной ленты с нанесенным на нее слоем антифрикционного сплава. Для того чтобы установленные вкладыши не проворачивались в опорах коленчатого вала и головках шатунов, они имеют выступ, с помощью которого фиксируются в соответствующих канавках. Для предохранения коленчатого вала от осевых перемещений используются упорные подшипники скольжения.
Внутри коленчатого вала, в щеках и шейках коленчатого вала просверлены отверстия для прохода масла. Подшипники коленчатого вала подвергаются значительным нагрузкам, и даже кратковременная работа двигателя без масла приводит к его выходу из строя, поэтому к шейкам коленчатого вала масло подается постоянно под давлением.
К заднему концу коленчатого вала крепится маховик . Маховик служит для уменьшения неравномерности работы двигателя, запасая энергию при рабочем ходе и отдавая ее при других тактах, а также выводит КШМ из мертвых точек. Маховик представляет собой массивный диск, выполненный из чугуна. На внешнюю цилиндрическую поверхность маховика напрессован зубчатый венец, обеспечивающий проворачивание коленчатого вала при пуске двигателя с помощью электрического стартера. У многоцилиндровых двигателей рабочий ход происходит одновременно в нескольких цилиндрах. У таких двигателей крутящий момент более равномерный и масса маховика может быть уменьшена.

Рис. Двухмассовый маховик двигателя

Каким бы жестким ни был коленчатый вал, он подвергается крутильным колебаниям. Крутильные колебания можно представить как постоянное закручивание с последующим раскручиванием вала, что происходит при работе двигателя с определенной частотой. При совпадении частоты крутильных колебаний с частотой внешних сил может наступить резонанс, который приведет к резкому увеличению нагрузок, действующих на коленчатый вал, и, как следствие, к его поломке. Излом коленчатых валов (обычно в месте соединения щеки с коренной шейкой) был частой причиной выхода из строя двигателей старых конструкций. Современные коленчатые валы имеют высокую жесткость, и резонансные частоты находятся за пределами возможных частот вращения валов этих двигателей. Тем не менее в конструкции двигателей часто применяют гасители крутильных колебаний , которые снижают до нужного уровня виброактивность коленчатого вала. Наиболее распространенный способ: разделить шкив или диск, установленный на коленчатом вале, на внутреннюю и наружную части и соединить их упругим материалом, который поглощает вибрации за счет внутреннего трения.
Сейчас все большее распространение получают двухмассовые маховики, которые успешно выполняют функцию гасителя крутильных колебаний.
Прогресс в системах управления может внести дополнительные изменения в конструкцию двигателей. Сегодня разработаны новые тороидные стартер-генераторы, которые не только мгновенно и бесшумно пускают двигатель, но и дают возможность за счет электронного управления гасить всевозможные колебания и вибрации, а также обеспечивают возможность работы двигателя при экстремальных нагрузках.

Коленчатый вал находится в блоке цилиндров двигателя и позволяет преобразовать возвратно-поступательное движение поршней с шатунами во вращение. Это вращение посредством трансмиссии передаётся на ведущие колёса автомобиля.
Изготавливается коленвал ковкой из высоколегированной стали, либо отливкой из высокопрочного чугуна, с последующим упрочнением и механической обработкой. Поскольку моменты он передаёт не шуточные, то требования к прочности на изгиб и кручение коленчатого вала очень высоки.

Как устроен коленвал

Коленчатый вал, это кривошип. Отсюда и название «кривошипно–шатунный механизм». В него входит коленчатый вал вместе с поршнями, их кольцами, пальцами и шатунами. А также маховик с венцом и шкив привода вспомогательных механизмов.
Из названия ясно, что вал не прямой, а имеет такие элементы конструкции, как колена. Называются они шатунными шейками.

В рядных моторах, их количество равно количеству цилиндров – каждый поршень с шатуном воздействует на свою шейку.
У V-образных и оппозитных двигателей, одна шатунная шейка может быть предназначена для восприятия нагрузки от двух шатунов с поршнями из соседних рядов цилиндров.

Центром вращения коленвала являются коренные шейки. Между коренными и шатунными шейками находятся щёки, на которых выполнены элементы, называемые противовесами. Переход от каждой шейки на щеку выполнен не под прямым углом, а имеет радиус — галтель. Галтель нужна для предотвращения появления усталостных трещин, так как в этом месте вала наибольшая концентрация напряжения металла.

Коренные шейки имеют диаметр больший чем шатунные. Шатунные шейки чередуются с коренными и количество последних больше — полноопорный коленвал.
Коленчатые валы, у которых нет коренных шеек с обеих сторон шатунных – неполноопорные, в последнее время почти не применяются. Связано это с увеличением требований к жёсткости коленвалов из-за возросшей степени сжатия современных двигателей.

В качестве подшипников в которых вращаются шейки коленчатого вала, используются вкладыши. Вкладыши, это подшипники скольжения. Они изготавливаются из стальной полосы, согнутой по радиусу шейки коленчатого вала и покрытой тонким слоем сплава алюминия, или бронзы, имеющим низкий коэффициент трения. На вкладышах имеются замки, предотвращающие их проворачивание в своих пастелях.

Между шейкой коленвала и поверхностью вкладыша предусмотрен зазор. При работе двигателя в этом зазоре всё время находится масляная плёнка — масляный клин. По сути, коленчатый вал вращается на этом масляном клине, а не на вкладыше.

Для подвода масла в места контакта шеек и вкладышей, в коленчатом вале имеются масляные каналы, соединённые с главной масляной магистралью и масляным насосом.

У мотоциклетных двухтактных моторов, а также промышленных и сельскохозяйственных дизелей с большим рабочим объёмом цилиндров, в качестве подшипников для коленвалов могут применяться:

шариковые подшипники качения;
роликовые подшипники качения;
игольчатые подшипники качения.

Для передачи крутящего момента на трансмиссию, на заднем конце коленчатого вала болтами крепится маховик. За счёт своего большого веса и инерции, он сглаживает толчки от поршней при их рабочем ходе.

В последнее время получают распространение двухмассовые маховики, выполняющие ещё и роль демпфера крутильных колебаний.

В трансмиссиях с механическими коробками передач, маховик является ведущим диском сцепления. В трансмиссиях с автоматическими коробками передач на маховике крепится корпус насосного колеса гидротрансформатора.

На переднем конце коленчатого вала, как правило, на шпоночном соединении, крепятся шестерня – зубчатый шкив привода ГРМ и шкив привода вспомогательных механизмов.

Из-за мировой тенденции моторостроения к уменьшению веса и размеров деталей кривошипно–шатунного механизма, а также увеличению номинальных оборотов и степени сжатия двигателей, появилась проблема возникновения резонансных колебаний, приводящих к поломке коленчатых валов. Для её устранения, в шкивы коленвалов стали встраивать демпферы, гасящие крутильные колебания. Как уже отмечалось, на это же нацелены двухмассовые маховики.

Неисправности коленвала

К основным неисправностям коленчатых валов относятся:

износ шеек, их сплавление с антифрикционным покрытием вкладышей;
трещины в шейках;
изгиб коленвала;
поломки щёк.

Самой распространённой неисправностью, является износ шеек. Признаком предельного износа шатунных шеек коленчатого вала и их вкладышей, является металлический стук, частота которого вдвое меньше частоты вращения коленвала. После прогрева мотора и под нагрузкой стук усиливается. Если отключить форсунку, или подачу напряжения на свечу зажигания в цилиндре, шатун которого взаимодействует с изношенной шейкой, стук значительно уменьшается, или совсем пропадает.

Глухой металлический стук, равный частоте вращения коленчатого вала, усиливающийся под нагрузкой и после прогрева двигателя, является признаком аварийного износа коренных шеек и их вкладышей. Такой стук может говорить и о деформации коленвала из-за перегрева шеек при разрушении вкладышей.

Пониженное давление в системе смазки, особенно на холостом ходу прогретого мотора, и быстро пропадающий стук после запуска двигателя, тоже являются косвенными признаками износа вкладышей и шеек коленчатого вала. При поломке щеки коленчатого вала рядом с коренной шейкой, также будет слышен металлический стук, кратный оборотам вала.

Трещины на шейках выявляются на снятом с мотора коленвале.

Последствия использования неисправного коленвала

Если продолжать эксплуатировать двигатель с явными признаками сильного износа коленчатого вала, то последствиями такой эксплуатации может быть:

срыв масляного клина в паре вкладыш-шейка;
сухое трение;
перегрев и сплавление шейки с алюминиевым покрытием вкладышей и последующим заклиниванием коленвала.

Если всё это происходит на больших оборотах, то проворот вкладышей в своих пастелях, с последующим дорогостоящим ремонтом этих пастелей, или заменой блока цилиндров и шатунов, также весьма вероятны.

Последствиями эксплуатации мотора, коленвал которого имеет трещины, также может быть его поломка и деформация пастелей вкладышей в блоке.

После заклинивания застучавшего двигателя, не нужно пытаться провернуть его коленчатый вал большим воротком, или с буксира. Последствием этого обязательно будет проворот вкладышей, приварившихся к шейкам КВ, в своих пастелях.

Как правильно установить коленвал

При самостоятельной «укладке» коленчатого вала в мотор своего автомобиля, нужно помнить простые правила:

между поверхностями шеек коленчатого вала и вкладышей обязательно должен быть зазор для масляного клина. Величину этого зазора устанавливает производитель конкретного мотора. Зазор не должен выходить за эти допуски;
коленвал, его каналы, блок цилиндров, вкладыши и руки сборщика должны быть идеально чистыми;
диаметр шеек коленвала должен соответствовать заводским допускам и размерам вкладышей. Нельзя с шейками номинального размера применять вкладыши ремонтных размеров и наоборот. С коленвалом номинального размера использовать только номинальные вкладыши. Если шейки коленчатого вала прошлифованы под ремонтный размер, то и вкладыши надо использовать соответствующего ремонта.
перед укладкой коленвала в блок цилиндров нужно убедиться в качестве шатунных вкладышей и самих шатунов. Если перед ремонтом, в каком то из шатунов были разрушены, или провёрнуты вкладыши, нужно затянуть крышку шатуна моментом, предписанным изготовителем и проверить внутренний диаметр нижней головки шатуна на соответствие заводским размерам. При несоответствии этим размерам шатун заменить.

Если с шатуном всё в порядке, надо вставить вкладыши в шатуны, смазать их маслом, лучше трансмиссионным, и затянуть положенным моментом. Каждый на своей шатунной шейке. Провернув шатун на несколько оборотов вокруг шейки, снимаем его и проверяем поверхность вкладышей. На них не должно быть никаких следов от контакта с шатунной шейкой. Если есть следы касания, а шатун тяжело проворачивается вокруг шейки, вкладыш придётся заменить.

Нужно помнить, что крышка на заводе растачивалась заодно со своим шатуном, в положении, когда пазы под замки вкладышей находятся с одной стороны. Поэтому путать между собой крышки и шатуны нельзя. При установке крышки на шатун, замки вкладышей должны находиться с одной стороны.

Проверив шатуны и их вкладыши, приступаем к укладке коленчатого вала в блок цилиндров. Требования к пастелям коренных вкладышей в блоке цилиндров такие же, как у шатунов. Кроме того, пастели в блока цилиндров должны быть строго сосны. Несоосностью и износом пастелей особенно подвержены блоки цилиндров из лёгких сплавов.

Если с размерами и соосностью пастелей всё в порядке, вставляем в них вкладыши. Как правило, коренные вкладыши, вставляемые в блок цилиндров, имеют проточку посредине для лучшего подвода масла, а вкладыши в крышках, на которые приходится основная нагрузка при работе двигателя – сплошные. Путать их при сборке нельзя.

Установив в свои пастели упорные кольца, смазываем вкладыши маслом и укладываем в них коленчатый вал. Устанавливаем на свои места крышки коренных подшипников и затягиваем их положенным моментом. Затяжку начинаем от средней крышки к крайним, в шахматном порядке.

Крышки нельзя путать между собой, так как отверстия под коленвал в блоке цилиндров растачивают за один проход, с затянутыми болтами крепления крышек. При этом пазы под замки вкладышей в пастели блока цилиндров и её крышке, находятся с одной стороны. В таком положении их и нужно устанавливать при сборке коленчатого вала с блоком.

После затяжки всех крышек, проворачиваем коленвал на несколько оборотов. Он должен свободно, без заеданий проворачиваться от руки. Замеряем осевой зазор между упорными полукольцами и щекой и снимаем коленвал.

Осматриваем все вкладыши. На них не должно быть следов касания с шейками. Если это так и замеренный осевой зазор упорных полуколец соответствует норме, окончательно укладываем коленчатый вал в блок цилиндров и затягиваем его крышки от центральной к крайним положенным моментом.

Если какие то вкладыши зажимает, а с геометрией коленвала и пастелей блока цилиндров всё в порядке, такие вкладыши придётся заменить.

Вот собственно и всё о коленчатом вале.

Возможно, будет полезно почитать: