Что такое коленчатый вал?
Термином «коленчатый вал» называют деталь двигателя, который работает за счет поршневой группы. Воспламенившаяся в камере сгорания топливно-воздушная смесь при увеличении в объеме толкает поршень из цилиндра. Для движения транспортного средства необходимо преобразовать поступательное движение поршня во вращательное. Это вращательное движение далее передается в коробку передач, конечной целью передачи механической энергии служат полуоси или карданный вал. Таким образом, коленчатый вал нуден для преобразования поступательного механического движения во вращательное.
При изготовлении коленчатого вала производитель должен изготовить его так, чтобы избежать при движении появления вибраций или минимизировать их.
Разновидности коленчатых валов
- Полноопорные. Коренные шейки находятся по обе стороны от шатунной. Так как опоры, располагающиеся по сторонам каждой шатунной шейки, выступают в качестве основной оси кривошипно-шатунного механизма, количество коренных шеек на один больше шатунов. Этот вариант коленвала благодаря облегченному весу считается самым распространенным, что непосредственно влияет на КПД двигателя.
- Неполноопорные. Коренные шейки располагаются с одной стороны. Такая конструкция имеет свои преимущества и недостатки. К достоинствам относится предупреждение поломок и деформаций при эксплуатации автомобиля благодаря изготовлению из высокопрочных сплавов. Однако такой подход к конструкции элемента приводит к увеличению массы коленвала. Этим объясняется отношение к данной разновидности вала, как устаревшей. Популярностью неполноопорные коленвалы пользовались в прошлом веке для установки на автомобили с низкооборотными двигателями.
Для изготовления коленчатых валов используют различные материалы. Выбор зависит от типа автомобиля:
- легированную сталь или сплавы чугуна – для ТС с двигателями небольшой мощности;
- углеродистую сталь – для двигателей большой мощности.
Примечание: углеродистую сталь используют высокой износостойкости.
Надо отметить на дизельные двигатели устанавливаются коленвалы особой прочности с дополнительной закалкой высокочастотным током. Причина в тех огромных нагрузках, под которыми работает коленчатый вал.
Расположение коленчатого вала зависит от типа двигателя. Размещение в нижней части двигателя характерно для стандартных ДВС, а в оппозитных моторах коленвал размещается в центрально части. Защита коленвала осуществляется с помощью закрепленного в подшипниках картера, что позволяет избежать смещения вала. В некоторых конструкциях используются дополнительные упоры.
Функция коленвала
Основная функция коленчатого вала состоит в преобразовании поступательное движение поршней ДВС во вращательные и затем в крутящий момент, который трансмиссия передает на оси и колеса автомобиля.
Основная техническая характеристика коленвала – радиус кривошипа, под которым понимается расстояние между осями коренных шеек и шатунных. Обычно в конструкциях коленвалов используются 4 коренные шейки, которые выступают в роли опор, но есть с 3 коренными шейками, а в двигателях V6 используются 7.
Существует зависимость между объемом цилиндров и удвоенным радиусом, т.е. длиной движения поршня. Если диаметр стабилен, а радиус кривошипа меняется, происходит изменение объема цилиндра. Данная зависимость позволяет проводить регулировку для изменения технических характеристик двигателя для достижения определенных параметров работы.
Знание соотношения между длиной хода поршня и диаметром цилиндра позволяет изменить параметры двигателя:
- длинноходный – экономичен и позволяет получить повышенный крутящий момент на небольших оборота;
- короткоходный – обеспечивает повышение мощности за счет увеличения числа оборотов.
Конструкция коленчатого вала
Конструктивно деталь состоит из следующих элементов:
- Коренная шейка, выступающая в роли опорной части механизма (ось вращения). Она устанавливается в подшипнике, находящемся в картере ДВС.
- Шатунная шейка, представляющая собой опоры для шатунов. При вращении коленчатого вала происходит смещение шатунных шеек по отношении к оси – шейки описывают круг.
- Носок, на котором зафиксирован шкив или зубчатое колесо газораспределительного механизма. На нем, как на выходной части коленвала, могут быть зафиксированы дополнительные механизмы. Носок используется для передачи энергии приводу ГРМ.
- Щека – представляют собой толстостенные пластины, применяются для соединения шатунных и коренных шеек. Среди функций «щек» – защита коленвала при максимальных нагрузках.
- Противовесы для сохранения баланса при возвратно-поступательных движениях элементов поршневой группы. Они нейтрализуют нагрузку центробежной силы и уравновешивают вес шатунов и поршней.
- Хвостовик – это задняя часть механизма с прикрепленным маховиком, который приводит в движение шестерни КПП.
- Кривошип состоит из одной шатунной шейки и двух «щек».
- Сальники, расположенные в передней и задней частях коленвала, защищают от протечек моторного масла.
- Подшипники скольжения представлены в виде тонких стальных листов со слоем смазки. Они обеспечивают вращение всех деталей механизма.
- Упорный подшипник необходим для избежания осевого смещения. Он располагается на коренной средней или крайней шейке.
- Фланцы, вкладыши, упорные полукольца, шестерни и шкив.
Количество коренных и шатунных шеек определяется количеством цилиндров двигателя, их расположением и порядка работы.
В настоящее время двигатели оснащают цельными элементами в отличие от моделей прошлых лет со сборными кривошипами. Изготавливаются из высокопрочной стали методом ковки с последующей обработкой на токарном станке. Существует технология изготовления более дорогих элементов из чугуна с помощью литья.
Принцип работы коленчатого вала
Принцип работы коленвала можно сравнить с работой педалей велосипеда. Отличие состоит в количестве шатунов коленчатого вала.
Сгорание топливно-воздушной смеси приводит к выделению газов, оказывающих давление на поршни. Поршень начинает двигаться и совершает поступательное движение. Механическая энергия от элементов передается поршням. За счет соединения шатуна с шейкой коленчатого вала и подшипником поступательное движение поршня преобразуется во вращение коленвала. Возвратное движение поршня начинается после поворота на 180 градусов, когда шатунная шейка движется в обратном направлении. Эти циклы повторяются непрерывно, и вырабатываемая вращательная энергия заставляет колеса двигаться.
Что такое коленвал в автомобиле?
Двигатель внутреннего сгорания — 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 крутящий момент. 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.
- 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 Vodi.su. 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 Vodi.su. 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.
Вы же продлить срок службы коленчатого вала можете путем применения качественного моторного масла и своевременной его замены.
Что такое коленчатый вал двигателя в автомобиле
Коленчатый вал или, как его называют опытные водители и автослесари, коленвал – важная функциональная деталь автомобильного двигателя, которая имеет строгую индивидуальную форму в зависимости от модели. В данной статье мы рассмотрим, что такое коленчатый вал двигателя, какие функции он выполняет и к чему приводит эксплуатация машины с неисправным валом.
Что такое коленвал
Коленчатый вал – это механическая деталь автомобильного двигателя, которая является промежуточным звеном-преобразователем тепловой энергии сгораемого топлива в механическую энергию вращения колёс. По внешнему виду он представляет собой вал из стального сплава со множеством шатунных шеек, которые между собой соединены коленной шейкой. Число шеек-колен соответствует числу цилиндров в двигателе, их расположению, форме. Шейки соединены с поршнями через шатуны, которые, двигаясь возвратно-поступательно, приводят вал в движение.
Если в коленчатом вале шатунные шейки находятся с двух сторон от коленной шейки, он называется полноопорным. Если же они расположены только с одной стороны – неполноопорным.
Коленвал производится из углеродистой или легированной стали с повышенной износостойкостью (для спорткаров, люкс-моделей и автомобилей с повышенной мощностью) или модифицированного чугуна (для стандартных серийных моделей) с помощью литья или прессования. Для легирования стали применяются молибден, хром и иные металлы, существенное увеличивающие прочность сплава.
В большинстве двигателей коленчатый вал располагается в нижней части, над картером, в оппозитных – выше, по центру мотора.
Для чего нужен коленчатый вал
Двигатели внутреннего сгорания работают за счёт функционирования поршневого блока. Его принцип действия заключается в следующем:
- во время сгорания топливной смеси в цилиндре воздух расширяется с создаёт давление;
- под действие давления поршень выталкивается, совершая поступательное движение;
- благодаря соединению с шатунными шейками поступательное движение превращается во вращательное;
- энергия вращения, переданная на коленчатый вал, передаётся колёсам автомобиля, и он приводится в движение.
Таким образом, коленвал – это преобразователь одного вида механического движения в другой. Как известно, поршни в ДВС двигаются несимметрично. В то время, как одни из них совершают поступательные движения (выталкиваются из цилиндра), другие – возвратное (затягиваются обратно). Конструкция коленчатых валов разрабатывается с предельной точностью, поэтому во время работы все цилиндры сохраняют общее вращение вала. Поэтому коленца имеют разные оси вращения.
Из чего состоит коленчатый вал
Конструкция коленчатого вала: 1. Носок коленчатого вала; 2. Посадочное место звездочки (шестерни) привода распределительного вала; 3. Отверстие подвода масла к коренной шейке; 4. Противовес; 5. Щека; 6. Шатунные шейки; 7. Фланец маховика; 8. Отверстие подвода масла к шатунной шейке; 9. Противовесы; 10. Коренные шейки; 11. Коренная шейка упорного подшипника.
Рабочие компоненты коленвала:
- Коренная шейка – валовая опора, которая служит осью вращения самого вала. Она лежит в подшипнике, который встроен в картер.
- Шатунные шейки – опоры, связанные с поршневыми шатунами. Во время работы они смещаются относительно оси вала по круговой траектории.
- Щёки – вспомогательные детали, связывающие шатунные и коренные шейки. Они также предотвращают разрушение вала из-за резонансной нагрузки.
- Хвостовик – задняя часть, соединённая с шестерной отбора или маховиком для передачи мощности на движение.
- Носок – передняя часть вала, которая посредством шкива или зубчатого колеса передаёт мощность приводу газораспределительного блока и других вспомогательных механизмов.
- Противовесы – детали, необходимые для распределения нагрузки и уравновешивания массы шатунов и поршней.
Для уплотнения носка и хвостовика используются защитные сальники. Это предотвращает просачивание масла в местах выхода частей маховика за границы блока цилиндров. Вращательное движение обеспечивается тонкими стальными подшипниками скольжения. Чтобы ось вращения вала не смещалась, на одну из коренных шеек ставится упорный подшипник.
Во время работы самые большие напряжения концентрируются в месте соединения шеек и щёк. Для разгрузки его делают с галтелью – полукруглым переходом с промежуточным технологическим поясом. По причине экстремальных нагрузок в месте перехода щёк в шейки в своё время производители отказались от составных коленвалов, детали которых соединялись крепежом.
Читайте также: Что такое маховик в автомобиле и для чего он нужен.
Для чего нужен датчик коленвала
Датчик положения коленчатого вала (ДПКВ) используется в автомобилях, которые оборудованы системами электронного управления мотором. Поскольку вращение вала сказывается на работе многих функциональных блоков и систем, своевременная подача топлива в цилиндры ДВС может улучшить ездовые характеристики. Датчик коленвала как раз отвечает за синхронизацию рабочих процессов. В различных моделях автомобилей его использование улучшает синхронизацию зажигания или топливных форсунок. Прибор передаёт на электронный блок управления данные о положении коленвала, направлении и частоте вращения.
Встречаются датчики следующих видов:
- Магнитные (индуктивного типа). Сигнал на ЭБУ формируется в момент прохождения синхронизационной метки через магнитное поле, которое формируется вокруг датчика. Система не требует отдельного питания, и может параллельно работать как датчик скорости.
- Датчики Холла (работают на эффекте Холла). Ток в приборе начинает движение при приближении изменяющегося магнитного поля. Перекрытие магнитного поля реализуется специальным синхронизирующим диском, зубья которого взаимодействуют с магнитным полем ДПКВ. Дополнительная функция – датчик распределения зажигания.
- Оптические. В данном случае для синхронизации также используется зубчатый диск. Он перекрывает оптический поток, проходящий между приёмником и светодиодом. Приёмник фиксирует прерывания светового потока и передаёт в электронный блок управления импульс напряжения, соответствующий параметрам вращения вала.
Датчик коленвала устанавливается внутри корпуса двигателя, как и прочие датчики управления. Для его встраивания используется специальный кронштейн, расположенный возле приводного шкива генератора. Внешне он отличается от датчиков другого назначения наличием проводка длиной 55-70 см с особым разъёмом, который соединяет устройство с системой электронного управления.
Читайте также: Признаки неисправности датчика положения коленвала.
Видео на тему
Коленчатый вал
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.