Назначение и устройство коленчатого вала – понятными словами о детали. Коленвал – это что? Устройство, назначение, принцип работы

Содержание статьи:

Каждый элемент, входящий в состав двигателя внутреннего сгорания, является неотъемлемой частью системы, от которой зависит качество работы целого механизма. Одним из самых дорогих и значимых элементов конструкции ДВЗ является коленчатый вал. Он выполнят важнейшую функцию, которая заключается в содействии превращению поступательно-возвратной динамики поршней в крутящий момент. Кроме того, данный механизм реагирует на переменные воздействия газового давления, возникающие время от времени, и на воздействие инерционных сил находящихся в движении масс.

Автомобильный коленчатый вал представляет собой целостную систему, поэтому его можно назвать деталью. Производится данная деталь из высококачественной прочной стали. Способ производства - ковка. Иногда в качестве основного материала производства выступает чугун, в данном случае изготовление осуществляется методом литья. На дизельных, а также турбированных ДВЗ используют самые стойкие и прочные коленчатые валы из стали.

Видео о том, как делают коленвал:

Устройство коленчатого вала

На фотографии показана схема коленчатого вала

В состав системы рассматриваемой детали двигателя входят коренные и шатунные шейки, которые объединены друг с другом щеками. Что касается количества шеек, то число коренных, как правило, превышает шатунные на одну единицу. Такие валы имеют название полноопорные. Шатунные шейки отличаются меньшим диаметром по сравнению с коренными. В направлении, обратном расположению шатунной шейки, устанавливается противовес. Этот элемент способствует равновесию поршней и шатунов. Его функционирование очень важно, так как оно гарантирует плавность работу всего двигателя.

Шатунные шейки располагаются между двумя щеками. Их наименование - колено. Колена устанавливаются исходя из количества, способа работы и места расположения цилиндров, а также от динамики двигателя. Главная задача колен - поддержка равновесия ДВЗ, равномерное воспламенение, сведение к минимуму колебаний и изгибающих моментов. Кроме того, важной функцией шатунной шейки является опора для шатуна.

В системе устройства коленвала самую большую степень загруженности имеет участок, где шейка вала переходит к щеке. Для того, чтобы концентрация напряжения находилась на низком уровне, данный переход устанавливается с галтелью (радиус закругления). Система галтелей способствует удлинению коленчатого вала.

Подшипники скольжения, являющиеся составной частью вала, способствуют вращательным движениям вала в опорах и шатунов в шейках. Подшипники представляют собой вкладыши с тонкими стенками. Их производят из высококачественной стальной ленты, на поверхность которой наносят антифрикционный раствор.

Чтобы не происходило вращение вкладышей около шейки, устанавливается выступ, фиксирующий их расположение в опоре. А для того, чтобы избежать осевой динамики коленчатого вала, применяется подшипник скольжения. Его устанавливают на коренной шейке (крайней или внутренней средней).

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.

На фотографии схема системы смазки коленвала

Видео про принцип работы коленчатого вала:

Коленчатый вал – это важная часть , потому как он преобразует возвратно-поступательные движения поршней в крутящий момент. Устройство коленчатого вала следующее: щёки, шатунные и коренные шейки, противовесы, хвостовик, фланец.

Опора – коренные шейки. В классических четырехцилиндровых двигателях коленвалы с пятью опорами. Конструкция из трех опор применяется редко, потому как не такая прочная. Семиопорные валы имеют шестицилиндровые двигатели. Обычно в блоках цилиндров с небольшим диаметром цилиндра применяют коленвалы с одинарным противовесом. Во время изготовления и ремонта поверхность коренных и шатунных шеек тщательно полируется.

Виды коленвалов

Различают коленвалы с двойными противовесами и без них . Коленвал должен быть износостойким, иметь низкую массу, уравновешен, иметь точную обработку. Изготавливаются коленчатые валы из высокопрочной легированной стали. Также бывают литые коленвалы из высокопрочного чугуна, которые закаляются токами высокой частоты. Также бывают полые коленвалы .

Как работает коленчатый вал?

На коленвал воздействуют изгибающие и скручивающие силы в процессе работы. Чтобы не было преждевременного разрушения сопряжение между шатунными шейками и щеками делают слегка закругленным. Если двигатель работает нормально, то коренные и шатунные шейки коленчатого вала постепенно изнашиваются, как и при скольжении подшипников.

Создается тонкая масляная пленка, благодаря подачи масла под давлением. Через некоторое время зазор между вкладышем и шейкой станет больше, уменьшится давление и снизится качество масляной пленки. Износ увеличивается, шейка с большим усилием задевает вкладыш, давление уменьшается снова и теперь работа невозможна, потому что из-за излишнего трения повышается температура, шейка сцепляется с вкладышем и он проворачивается.

Проверить, износились ли шейки коленчатого вала можно благодаря давлению масла в масляной магистрали на максимальных и минимальных оборотах прогретого двигателя. Между шейками и вкладышами на разобранном двигателе с помощью пластмассовой проволоки можно измерить зазор. Чем меньше зазор, тем деформация больше. В зависимости от конструкции двигателя на хвостовик коленвала устанавливается шкив, демпфер крутильных колебаний, звёздочка привода распредвала, вспомогательных и балансирных валов.

Устройство коленвала и его принцип работы.

Задача коленвала преобразовать возвратно-поступательное движение поршней ДВС в крутящий момент. Коленчатый вал принимает периодические переменные нагрузки от сил давления газов и сил инерции движущихся и вращающихся масс. Является составной частью кривошипно-шатунного механизма (КШМ) и одним из наиболее дорогостоящих и важных конструктивных элементов двигателя.

Чаще всего коленвал представляет собой цельный конструктивный элемент – являются неразборными. Есть и исключения - разборные коленчатые валы, которые используются на мототехнике, мотоциклах, квадроциклах и т.д. На автомобили устанавливают неразборные коленвалы, которые после возникновения трещин или поломки не восстанавливаются.

По этой причине высока популярность контрактных (б.у.) коленвалов из Японии, Европы, Америки. При покупке коленчатого вала с авторазборки, он как правило, поставляется со вкладышами, снятыми непосредственно с разбираемого автомобиля. В этом случае вопрос «подойдет-не подойдет» не ставится, также немаловажно, что приобретая б.у. запчасть, вы покупаете 100% оригинал. Можно, конечно, приобрести и оригинальный новый коленвал, но цена его будет в разы выше, чем у контрактного. Так, например, б.у. коленвал на Хонду Цивик можно купить за 2 000 рублей, а стоимость нового начинается от 15 000 рублей.

Однако распространены такие виды ремонта коленвала, как балансировка, рихтовка, восстановление механически деформированной поверхности шеек (восстановление задранных шеек коленвала).

Рассмотрим, как устроен коленвал. Он состоит из ряда шатунных и коренных шеек, связаных щеками. Наиболее популярный тип коленвала – полноопорный, в нем коренных шеек на одну больше. Шатунные шейки имеют меньший диаметр, чем коренные. Противовес в коленвале гарантирует плавную работу мотора, поскольку уравновешивает вес поршней и шатунов. Коленом именуют шатунную шейку, расположенную между двумя щеками. Сколько колен в коленвале и как они размещены, зависит от принципа работы цилиндров двигателя, а также его тактности. Шатунная шейка выполняет роль опоры для шатунов.

Поскольку место перехода от шейки к щеке нагружено, для уменьшения нагрузки переход от шейки к щеке выполняется с радиусом закругления. Такой радиус именуют галтелью. Так как галтели существенно удлиняют коленвал, их производят с углублением в шейку или щеку.

Для обеспечения вращения шатунов в шатунных шейках и коленчатого вала в опорах применяются подшипники скольжения. К каждой из опор коренных шеек существует индивидуальный подвод масла, затем масло по каналам в щеках подается к шатунным шейкам.

Отбор мощности с коленчатого вала осуществляется с хвостовика, на который устанавливается маховик. На переднем конце коленвала размещены посадочные места. На них крепятся: шкив привода вспомогательных агрегатов, шестерня привода распределительного вала, а также гаситель крутильных колебаний. Традиционно коленвал производится из стали (для дизельных и турбированных моторов) или чугуна.

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.

Это сердце любого современного автомобиля.

Этот агрегат состоит из нескольких основных элементов:

цилиндров;
поршней;
коленчатого вала;
маховика.

Все вместе они образуют кривошипно-шатунный механизм. Кривошип, он же коленчатый вал (Crank Shaft) или попросту - коленвал, выполняет весьма важную функцию - преобразует поступательное движение, создаваемое поршнями, в . Когда на тахометре стрелка приближается к 2000 оборотов в минуту, это говорит о том, что коленвал совершает именно такое количество оборотов. Ну а дальше этот момент передается через сцепление на трансмиссию, а от нее на колеса.

Устройство

Как известно, поршни в двигателе перемещаются неравномерно - одни находятся в верхней мертвой точке, другие в нижней. Поршни связаны с коленвалом с помощью шатунов. Чтобы обеспечить такое неравномерное перемещение поршней коленвал, в отличие от всех других валов в автомобиле - первичного, вторичного, рулевого, газораспределительного, - имеет особую искривленную форму. Поэтому он и назван кривошипом.

Основные элементы:

коренные шейки - расположены по оси вала, они при вращении не смещаются и находятся в картере двигателя;
шатунные шейки - смещены от центральной оси и во время вращения описывают круг, именно к ним на шатунных подшипниках крепятся шатуны;
хвостовик - на нем закреплен маховик;
носок - на нем крепится храповик, которым прикручен шкив привода ГРМ - на шкив надевают ремень генератора, он же, в зависимости от модели, приводит во вращение лопасти насоса ГУРа, вентилятора кондиционера.

Также важную роль выполняют противовесы - благодаря им вал может по инерции вращаться. Кроме того, в шатунных шейках просверлены масленки - масляные каналы, по которым поступает моторное масло для смазки подшипников. В блоке мотора коленвал крепится с помощью коренных подшипников.

Раньше часто применялись сборные коленвалы, однако от них отказались, так как из-за интенсивного вращения в местах соединения составных частей возникают огромные нагрузки и ни один крепеж не может их выдержать. Поэтому сегодня применяют в основном полноопорные варианты, то есть вырезанные из одного куска металла.

Процесс их производства довольно сложный, ведь нужно обеспечить микроскопическую точность, от которой будет зависеть работоспособность двигателя. При производстве используют сложные компьютерные программы и лазерное измерительное оборудование, способное определить отклонение буквально на уровне сотых частей миллиметра. Также огромное значение имеет точный расчет массы коленвала - ее вымеряют до последнего миллиграмма.

Если описывать принцип действия коленвала, то он полностью соответствует фазам газораспределения и тактам работы 4-тактного ДВС, о которых мы уже ранее рассказывали на сайт. То есть, когда поршень находится в верхней точке, сочлененная с ним шатунная шейка тоже находится над центральной осью вала, и по мере вращения вала перемещаются все 3-4, а то и 16 поршней. Соответственно, чем больше цилиндров в двигателе, тем более замысловатую форму имеет кривошип.

Сложно представить себе, какой размер имеет коленчатый вал в двигателе карьерных самосвалов, о которых мы тоже рассказывали на нашем сайте сайт. Например на БелАЗе 75600 установлен двигатель объемом 77 литров и мощностью 3500 л.с. Мощный коленвал приводит в движение 18 поршней.

Шлифовка коленвала

Коленвал - вещь очень дорогая, тем не менее из-за трения он со временем приходит в негодность. Чтобы не покупать новый, его шлифуют. Работу эту могут выполнять только высококлассные токари, у которых есть соответствующее оборудование.

Вам же нужно будет приобрести комплект ремонтных шатунных и коренных вкладышей. Вкладыши продаются практически в любом магазине запчастей и идут под обозначениями:

Н (номинальный размер) - соответствуют параметрам нового кривошипа;
Р (Р1, Р2, Р3) - ремонтные вкладыши их диаметр на несколько миллиметров больше.

Исходя из размера ремонтных вкладышей, токарь-моторист точно измеряет диаметр шеек и подгоняет их под новые вкладыши. Для каждой модели определен шаг ремонтных вкладышей.