Что делает классический коленчатый вал, вероятно, не стоит рассказывать. Он преобразует поступательное движение поршней во вращательное, которое затем приводит в движение колеса. Однако есть у него свои недостатки. Избавиться от них предлагает Дэн Герни, 84-летний бывший гонщик Формулы-1, запатентовав конструкцию двухцилиндрового двигателя с двумя коленчатыми валами.
Каждый поршень вращает «свой» вал, однако вращаются они в разные стороны. Их хвостовики соединены через шестерню, а дальше как обычно. Цилиндры расположены друг относительно друга под углом 90 градусов.
Двигатель Герни имеет 1 800 кубических сантиметров объема, диаметр поршня 127 мм и ход поршня 71 мм. Эти параметры позволяют развить высокую скорость, но, так как Герни разрабатывал его с учетом надежности и долговечности, скорость ограничена 9 000 об/мин. Такой агрегат обещает высокую мощность. Конструктор говорит о 265 л.с., полученных без турбонаддува.
Впечатляющая производительность является следствием особой конструкции головки цилиндров. Разработчик изучил более 200 вариантов расположения клапанов и нашел самое оптимальное. Седло выпускного клапана сужается, что приводит к ускорению потока воздуха. Впускной же клапан расположен ближе к центру цилиндра, благодаря чему топливная смесь лучше смешивается и более равномерно распределяется по камере сгорания. К слову, используя стандартную головку цилиндров, двигатель развил лишь 191 л.с.
На самом же деле, производительность не являлась приоритетом. Герни ставил целью создание надежного двигателя с максимальным временем работы без ремонта. Надежность должна быть обеспечена плавностью работы и отсутствием вибрации, за счет чего уменьшается изнашиваемость деталей.
Герни собирается построить пять прототипов. Первый должен пойти на тестирование в июле этого года. Затем автор патента собирается обговорить использование изобретения с одним из автопроизводителей, ведь такая компоновка может быть применена как к четырехцилиндровому, так и 6- и 8-цилиндровым V-образным блокам.
avtomaniya.com
ТЕХНИКА
В ОДНОМ МОТОРЕ — ДВА КОЛЕНВАЛА
Швейцарский плотник и баварский механик решили проверить теорию практикой...
Вилли Рюффенахта и Руперта Байндла объединяло хобби: оба — страстные любители мотогонок и известны среди единомышленников своими двигателями для супербайков. В 1997 году они встретились и решили осуществить идею Руперта — создать хитрый двухвальный мотор. Теоретически такая конструкция была известна еще в тридцатые годы, но почему-то (как, впрочем, и многие другие) осталась невостребованной.
Преимущества симметричного построения очевидны. Уравновешиваются инерционные силы первого порядка, притом без балансирных валов. А значит, нет больше столь неприятной вибрации. Два вала, вращаясь в противоположных направлениях, компенсируют гироскопический момент, что особенно важно для мотоциклов. Наконец, поршень теперь не прижимается к стенкам цилиндров и потому его можно сделать гораздо короче, легче; износ колец и гильз резко сокращается, как и потери на трение. Такова теория.
Другое дело, что появляются потери в шестернях, связывающих оба кривошипа, да и число подшипников удваивается. Интересно, однако, что перевесит? Друзья-изобретатели разъехались по домам и засели в своих мастерских, чтобы в канун миллениума явить публике два двухвальных мотора, бодро тарахтящих на испытательных стендах. Швейцарский плотник Вилли после долгих раздумий и прикидок всего за три недели построил одноцилиндровый агрегат рабочим объемом 125 смз. Коленчатые валы и поршень выточил сам, блок заказал в литейной мастерской по собственному эскизу, цилиндр и головку позаимствовал у «Хонды-XL 125». Получившийся мотор в первой же попытке раскрутился до... 16 000 об/мин и работал, работал, работал... Удача окрылила Вилли — теперь в его планах двухцилиндровый литровый агрегат мощностью не менее 200 л. с.
Механик из Баварии Руперт подошел к делу основательнее. С самого начала он вознамерился выйти со своим изделием на рынок, а не только проверить теоретические постулаты. Потому пришлось заказывать расчеты специальному КБ, а затем, получив конкретные цифры, искать спонсора для постройки двигателя. Им стал риэлтор Петер Пельц, выложивший 150 000 марок за право коммерческого использования изобретения. Постройка 750-кубового одноцилиндрового двигателя заняла почти полгода, но результат стоил того. Экспериментальный образец развивает максимальную мощность 97 л. с. при 9500 об/мин и крутящий момент 77 Н.м при 8200 об/мин. Хотя потери в шестернях и подшипниках съели до 10% мощности, итогом стал все-таки пятипроцентный выигрыш по сравнению с аналогом традиционной конструкции сразу «в трех номинациях»: расходе топлива, мощности и моменте. Кстати, в этой модели цилиндр и головка полностью самодельные и тоже весьма оригинальные. Четыре клапана расположены радиально, а впускные каналы, наоборот, проходят вертикально между распределительными валами.
Заинтересуются ли новинками солидные моторостроители? Этот вопрос пока остается открытым. Но то, что уже первые блины не стали комом, внушает оптимизм.
Начинка баварского двигателя, увы, скрыта от глаз: видны лишь два коленчатых вала.
На фото справа валы (вверху) и поршень (внизу) рядового «Сузуки» в сравнении с аналогичными деталями «К2». Последние в сумме значительно легче.
Ошибка в тексте? Выделите её мышкой! И нажмите: Ctrl + Enter
www.zr.ru
Коленчатый вал – это одна из самых важных деталей любого двигателя. Она строго индивидуальна для каждой модели автомобиля и в процессе работы притирается к конкретному двигателю.
Коленчатый вал (коленвал) – это главный элемент двигателя автомобиля, являющийся частью кривошипно-шатунного механизма, который преобразует энергию сгорающих в цилиндрах двигателя газов в механическую энергию.
Главная задача коленчатого вала – преобразовать возвратно-поступательные движения поршней двигателя в крутящий момент, который через трансмиссию передаётся на колёса автомобиля. Одной из основных технических характеристик коленчатого вала, как и всего двигателя, является радиус кривошипа. Это расстояние от осей коренных шеек (шейки, в которых вращается коленвал в цилиндровом блоке) к осям шатунных шеек (шейки, которые вращаются внутри большой головки шатуна). Удвоенный радиус кривошипа являет собой длину хода поршня, которая определяет объём цилиндров. Если изменить длину радиуса кривошипа при неизменном диаметре цилиндра, это приведёт к изменению объёма цилиндров. Эту зависимость часто используют, чтобы менять технические характеристики всего двигателя в определённом направлении.
Подбирая соотношение длины хода поршня и диаметра цилиндра, двигатель можно сделать длиноходным (ход поршня превышает диаметр цилиндра) или короткоходным (диаметр цилиндра больше, чем ход поршня). Короткоходные двигатели дают возможность повысить мощность за счёт увеличения скорости вращения. А длиноходные двигатели более экономичны и обеспечивают высокий крутящий момент на низких оборотах.
При изменении параметров коленчатого вала происходит изменение всех параметров двигателя, поэтому нужно быть предельно осторожным, тюнингуя свой автомобиль, так как технические характеристики часто меняются не в лучшую сторону.
Когда двигатель работает, на коленчатый вал действую сильные нагрузки. Его надёжность определяется конструкцией и материалом, из которого он изготовлен. Этот элемент двигателя, как правило, имеет цельную структуру. А потому материалы для него должны быть максимально прочными, потому что от прочности коленчатого вала будет зависеть работа всей системы.
В качестве материалов для изготовления коленвалов используют углеродистую и легированную сталь либо чугун высокой прочности. Коленвал можно изготовить методом литья, методом ковки из стали или методом точения. Заготовки получают способом горячей штамповки или способом литья. Очень важно, как расположены волокна материалов в заготовках. Чтобы не допустить их перерезания в дальнейшей обработке, применяются гибочные ручьи. Когда заготовка готова, её дополнительно обрабатывают под высокой температурой и очищают от окалины (дробомётной машиной или методом травления).
Материал и способ производства коленвала подбирается в зависимости от типа и класса автомобиля.
1. В серийных моделях коленвал производят из чугуна методом литья. Это даёт возможность уменьшить себестоимость производства и уложиться в указанные расчёты.
2. Более дорогие спортивные модели оснащают кованным стальным коленвалом. Подобные детали имеют множество преимуществ над литыми по габаритам, весу и прочности, а потому всё чаще применяются в автомобилестроении.
3. Для самых дорогих двигателей коленвал вытачивают из цельного стального куска. При этом значительная часть материала попросту становится отходами.
Конструкция коленчатого вала определяются количеством цилиндров, их конфигурацией и порядком работы, от чего зависит расположение и количество коренных и шатунных шеек. Например, в двигателях V6 присутствует небольшое угловое смещение шатунных шеек по длине вала. В американской версии двигателя V8 коленвал напоминает крест, а в европейской версии V8 для спортивных автомобилей коленвал плоский. Несмотря на всё это, конструкция разных коленчатых валов очень похожа. Конструктивно коленчатый вал состоит из таких основных элементов:
1. Коренные шейки – опорная шейка, которая находится в коренном подшипнике (располагается в картере двигателя).
2. Шатунные шейки – опорные шейки, которые связывают коленвал с шатунами (в них проходят масленые каналы для смазки) и служат опорой для шатунов.
3. Щёки вала – элемент, который связывает между собой коренные и шатунные шейки.
4. Носок (выходная передняя часть вала) – часть, на которую крепится зубчатое колесо либо шкив отбора мощности, соединяющиеся с газораспределительным механизмом, распределительным валом, гасителем крутильных колебаний, вспомогательными узлами и элементами.
5. Хвостик (выходная задняя часть вала) – часть, которая соединяется с маховиком или шестернёй отбора мощности.
6. Противовесы – элемент коленвала (по сути, продолжение щеки в противоположную сторону от шатунных шеек), который отвечает за разгрузку коренных шеек от сил инерции нижних частей шатунов и неуравновешенных масс кривошипа и обусловливают плавную работу двигателя.
7. Подшипники скольжения – обеспечивают вращение коленчатого вала на опорах. Подшипники являют собой тонкостенные вкладыши, изготовлены из стальной ленты с антифрикционным слоем. Вкладыши фиксируются в опоре выступом, который не позволяет им перекручиваться или за счёт тугой посадки. Наличие смазки обеспечивает простое вращение в подшипниках на протяжении долгого времени.
8. Упорный подшипник скольжение – элемент, который не допускает осевых перемещений коленчатого вала. Он устанавливается на крайнюю коренную шейку или на среднюю коренную шейку. Количество коренных шеек, обычно, превышает количество шатунных на единицу (такой коленвал называют полноопорным) и они имеют больший диаметр.
Коленом называют шатунную шейку, которая располагается между двумя щеками. Положение колен определяется особенностями работы двигателя, положением его цилиндров и должно обеспечивать его уравновешенность, минимальные колебания и минимальные крутильные моменты.
Место перехода шейки к щеке – это самое нагруженное место в конструкции коленвала. Для того, чтобы снизить напряжение на это место, переход делают с галтелью (радиусом закругления). Галтели увеличивают длину вала и для снижения этого значения их углубляют в шейку или щеку. Все коренные и шатунные шейки интегрированы в смазочную систему двигателя. Эти элементы смазываются под давлением. Подвод масла организован к каждой из коренных шеек от общей магистрали в индивидуальном порядке. А к шатунным шейкам масло попадает по каналам в щеках.
Коленчатый вал, как и любая деталь автомобиля требует периодического обслуживания. Для этого нужно уметь его снимать и устанавливать обратно.
Снятие коленчатого вала производится в такой последовательности:
1. Демонтируется двигатель из автомобиля, а потом из него снимаются все элементы.
2. Двигатель переворачивается коленвалом к верху. Крышки коренных подшипников отличаются, поэтому необходимо запомнить их положение.
3. Снимаются крышки коренных подшипников.
4. Поднимается коленвал, а заднее уплотнительное кольцо снимается.
5. Снимаются коренные вкладыши с крышек коренных подшипников и блока цилиндров.
После снятия производится проверка коленчатого вала.
Алгоритм проверки коленчатого вала:
1. Промыть бензином все составляющие и просушить деталь.
2. Тщательно осмотреть коленвал на наличие негативных следов от использования (трещины, сколы, сильный износ). Если же коленвал признан непригодным для дальнейшей эксплуатации, то придётся приобрести новый.
3. Прочистить, промыть и продуть сжатым воздухом все каналы для масла, предварительно открутив пробки.
4. Если на шатунных шейках обнаружены задиры или царапины, то их необходимо отшлифовать и отполировать. После этого опять следует продуть воздухом масляные каналы.
5. Осмотреть вкладыши коренных подшипников. Если на них есть дефекты, то их необходимо заменить на новые.
6. Осмотреть маховик и при обнаружении на нём дефектов, маховик стоит заменить.
7. Осмотреть подшипник носка и, если на нём есть негативные следы эксплуатации, то его нужно выпрессовать и запрессовать новый.
8. Осмотреть сальник, который находится в крышке распределительных звёздочек и при необходимости заменить эту деталь. При большом пробеге автомобиля сальник меняют в обязательном порядке.
9. Сменить и обжать набивку заднего уплотнения коленвала.
10. Проверить резиновые уплотнители, которые расположены в держателе набивки. Если они непригодны для дальнейшего использования, то их нужно заменить.
После проверки коленчатый вал необходимо установить обратно. Установка коленчатого вала производится в обратной последовательности к его снятию. Перед установкой нужно обязательно смазать все шейки и другие элементы коленвала моторным маслом. После установки следует проверить, что коленчатый вал вращается легко и плавно. В противном случае придётся его опять снять и установить заново, добиваясь плавности хода.
Подписывайтесь на наши ленты в Facebook, Вконтакте и Instagram: все самые интересные автомобильные события в одном месте.
Была ли эта статья полезна?Да Нет
auto.today
Коленвал принимает на себя энергию от движущегося поршня через шатун. Собственно, к коленвалу крепится нижняя (кривошипная) головка шатуна, а к поршню – верхняя. Благодаря своей форме коленвал преобразует возвратно-поступательные движения шатуна во вращательные, и затем передает крутящий момент на трансмиссию.
Основная рабочая часть коленвала – это ряд коренных и шатунных шеек, соединенных между собой щеками.
Расстояние между осями коренных и шатунных шеек называется радиусом кривошипа. Этот параметр определяет длину хода поршня в цилиндре.
Коренные шейки вращаются только в одном измерении – они закреплены внутри подшипников скольжения в специальных постелях, выточенных в корпусе блока цилиндров или картера двигателя. С другой стороны подшипники коренных шеек фиксируются крышками коренных подшипников, которые крепятся к блоку цилиндров болтами.
Шатунные шейки также снабжены подшипниками скольжения и соединены с шатунами. Они вращаются как внутри головки шатуна вокруг своей оси, так и по большой окружности вокруг оси, на которой расположены коренные шейки.
Когда каждая шатунная шейка коленвала с двух сторон окружена коренными шейками, такие коленвалы называются полноопорными.
Если же некоторые шатунные шейки идут подряд, то такой коленвал – неполноопорный.
Между собой шатунные и коренные шейки соединены с помощью щёк – толстых и крепких металлических пластин сложной формы. Место, где шейка коленвала переходит в щёку называется галтель, и для того, чтобы не создавать точек концентрации нагрузки, этот переход выполнен плавно, с закруглением.
Щёки коленвала, помимо соединения шеек, выполняют также функцию противовесов. Если быть точным, то вес поршня и шатуна уравновешивает продолжение щеки в направлении от шатунной шейки к коренной. Иногда противовесы являются не литыми/коваными продолжениями щёк, а прикручиваются болтами. Противовесы избавляют двигатель от лишних колебаний.
На четырехцилиндровых рядных двигателях шатунные шейки расположены в ряд.
На V-образных моторах щеки коленвала направлены в разные стороны под углом, который зависит от угла развала цилиндров. Также на V-образных двигателях некоторые шатуны работают на общей шатунной шейке. На оппозитных двигателях шатунные шейки находятся друг напротив друга, т.е. «развалены» на 180 градусов.
Нагрузки на коленвал очень велики, поэтому он массивен и монолитен. Для бюджетных машин с не сильно нагруженными двигателями коленвалы льют из чугуна, так как эта технология относительно недорогая. Двигатели, которые испытывают более высокие нагрузки, оснащаются стальными коленвалами, которые не льют, а куют. Ну и, наконец, коленвалы для наиболее дорогих и мощных двигателей вытачивают из цельных кусков стали.
Внутри коленвала находятся масляные каналы для подачи масла на коренные и шатунные подшипники. Из шатунных подшипников через каналы внутри шатунов подается смазка на поршневые пальцы.
Задняя часть коленвала - хвостовик - передает крутящий момент на трансмиссию с помощью маховика для автомобилей с МКПП или с помощью гидротрансформатора для классических АКПП.
Передняя часть коленвала называется носком. Если задняя часть коленвала передает крутящий момент на трансмиссию, то передняя – на распредвалы, масляный насос, помпу системы охлаждения, генератор и компрессор кондиционера. Соответственно, на переднем конце коленвала расположены зубчатый шкив ремня ГРМ (или шестеренка ГРМ для двигателей с цепным приводом), а также шкив ремня масляного насоса и шкив привода вспомогательных агрегатов.
Обычно в шкив вспомогательных агрегатов интегрирован гаситель крутильных колебаний коленвала. На большинстве автомобилей он представляет собой резиновый демпфер. Реже используются сложные гасители – маятниковые или масляные. Шкив демпфера часто работает в роли ротора датчика положения коленвала.
На переднем и заднем концах коленвала, точнее – в том месте где он соприкасается с внешними стенками блока цилиндров, располагаются сальники коленвала. Они герметизируют блок цилиндров и не дают моторному маслу вытекать наружу.
Со временем сальники коленвала изнашиваются и начинают пропускать масло – тогда их необходимо заменить. Как правило, передний сальник коленвала служит меньше, чем задний.
knowcar.ru
Коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания, он же коленвал — это однородная деталь (если состоит она из нескольких частей, то это составной вал) сложной формы в виде стержня с коленами, функция которой является преобразование возвратно-поступательного движения в крутящее.
Содержание статьи:
Коленчатый вал ДВС воспринимает большие нагрузки, поэтому он изготавливается с большим запасом прочности. Материалы для изготовления коленвала следующие:
Если в шифре сплава металла содержится более, чем 2,14% углерода (С), то — это чугун.
Коленчатый вал (коленвал) ДВС состоит из:
Коренная шейка вала коленчатого вала — это специальное посадочное место для коренного подшипника, на котором сидит и вращается коленвал.
Обозначения рисунка «Коленчатый вал ДВС»:
В строении коленвала ДВС имеются коренные шейки, соединяющиеся с шатунныйми шейками посредством щёк. Помимо соединительной функции щек, они еще являются балансирами кривошипно-шатунного механизма, то есть выравнивают вес поршней и шатунов. Благодаря сбалансированному вращению коленвалу, двигатель работает плавно, без рывков.
На коренные и шатунные шейки надеваются подшипники скольжения, называемые вкладышами. Вкладыши тонкостенные располовинчатые из стальной ленты с антифрикционным слоем (то есть, устойчивым к трению).
Шатунная шейка является опорой для шатуна. Самой большой нагрузке в строении коленвала ДВС подвергаются места перехода от шеек к щекам.
Чтобы весь коленчатый вал двигателя не перемещался по оси, не имел осевой люфт, используется упорный подшипник скольжения. Подшипник скольжения удерживающий от перемещения по оси коленвала устанавливается на крайней или средней коренных шейках.
В конструкции шеек и щек коленвала конструкторами предусмотрены специальные отверстия для смазки. Через эти отверстия под давлением подается моторное масло к каждой шейке вала. Коренные шейки обеспечены такой индивидуальной смазкой. Через каналы в щеках, масло подается на шатунные шейки.
Задняя часть коленвала — это хвостовик, обеспечивающий передачу крутящего момента маховику, который закрепляется на хвостовике, а маховик, в свою очередь, передает вращение на коробку переключения передач.
Передняя часть коленвала — это носок. На носке монтируются такие детали:
На носке также монтируется, так называемый гаситель крутящих колебаний. Так как коленвал ДВС постоянно испытывает огромные нагрузки на кручение и излом, на носке необходимо подавлять вибрацию (колебания).
Гаситель вибраций коленвала состоит из двух дисков и растягивающегося элемента (резина, силикон, масляная жидкость, пружина). Вибрация на носке вала уменьшается благодаря гасителю крутильных колебаний.
Во всех сложно-технических устройствах происходит возникновение одной одного вида энергии, которая кинематическими схемами преобразуется в другую, например, вращательное — в поступательное, и т.д.
В двигателе ДВС коленчатый вал — это сердце двигателя. Принцип работы коленвала следующий: когда поршень удалился на самое максимальное расстояние — щёки и шатун вытягиваются в одну линию. Далее, в рабочей камере сгорания цилиндра происходит взрыв топливно-воздушной смеси, из-за чего поршень опускается вниз с шатуном. Основание шатуна проворачивается вокруг оси шатунной шейки коленвала, так как шатун сидит на ней. После достижения поворота на 180 градусов, шатун начинает движение вверх и поднимает поршень. Таким образом происходит цикл вращения деталей цилиндро-поршневой группы.
Максимально удаленное и максимально приближенное расстояния от коленвала до поршней называются мертвыми точками, в мертвых точках скорость движения равна нолю.
Коленвалы ДВС в процессе изготовления подвергаются механической и химико-термической обработкам. Так как коленчатый вал двигателей — это сложное устройство с высокой точностью, оно делается с высокими квалитетами только на заводах. Механобработка вала, в основном, понятна многим — это изменение формы по заданным параметрам.
Химическая обработка коленвалов — это закалка током высокой частоты (ТВЧ), азотирование, закалка поверхностного слоя. Изношенные азотированные валы не шлифуют, они подлежат замене. Благодаря всем этим хим и термическим обработкам повышается прочность и износоустойчивость.
autostuk.ru
Продолжим рассматривать конструкции коленчатых валов. Начало данной статьи смотрите здесь.
На четырехцилиндровом двигателе угол между парами шатунных шеек составляет 180 градусов, у шестицилиндрового пары развернуты на 120 градусов. При этом вал остается симметричным по средней шейке, так же как у четырехцилиндрового двигателя, такие валы можно назвать “симметричными”. Такие валы не создают лишних вибраций даже при отсутствии противовесов. То есть для уравновешенности двигателя с “симметричными” валами достаточно подобрать одинаковую массу шатунов. В других системах масса шатунов должна строго соответствовать противовесам. Здесь рассматривается масса только нижней части шатуна, так как именно она совершает вращательные движения и только эта масса должна быть уравновешена противовесом. Как определить массу нижней головки шатуна, об этом мы поговорим подробнее в теме про шатуны.
Если сравнивать коленчатый вал рядного четырехцилиндрового и шестицилиндрового двигателя, то принято считать что вал шестицилиндрового двигателя является полностью уравновешенным. Именно это послужило причиной установки его на автомобилях высокого класса. Рядные шестицилиндровые двигатели можно встретить на автомобилях следующих фирм: MERCEDES-BENZ,BMW,VOLKSWAGEN,OPEL,VOLVO,NISSAN,TOYOTA .
На рядных шестицилиндровых двигателях используют семиопорные коленчатые валы, четырехопорные валы из-за недостаточной прочности используются гораздо реже.
Иногда из-за компоновки вспомогательных агрегатов, на рядном шестицилиндровом двигателе можно встретить коленчатый вал, у которого один из противовесов имеет уменьшенный радиус. Чтобы получить необходимую массу противовеса, к нему приклепан дополнительный противовес необходимой массы.
Некоторые фирмы, в частности HONDA,VOLVO,MERCEDESBENZ,AUDI на своих автомобилях устанавливают рядные пятицилиндровые двигатели. Если рассматривать коленчатый вал, установленный на пятицилиндровом двигателе в плане уравновешенности, то он занимает среднее место, между валом четырех и шести цилиндрового двигателя. Опять же если его сравнивать с 4 и 6 цилиндровыми моторами вал 5 цилиндрового двигателя является более сложным в ремонте. Он имеет шесть опор, все шатунные шейки развернуты друг от друга на угол 72 градуса и симметрия у него уже отсутствует.
Рядные шестицилиндровые двигатели имеют большую длину, поэтому были придуманы V-образные двигатели, которые с тем же числом цилиндров были короче в два раза. Коленчатый вал у шестицилиндрового V-образного двигателя имеет сложную конфигурацию, где шатунные шейки смещены друг от друга обычно на 60 градусов. Он имеет 4 опоры и также как у пятицилиндрового коленчатого вала у него отсутствует симметрия, что также вызывает сложность при его ремонте.
Валы шестицилиндровых V-образных двигателей прекрасно сбалансируются подбором масс шатунов и противовесов. Но на больших объемах (выше 3.5 литров), появляется неуравновешенность, и там уже приходится ставить балансирный вал.
Для автомобилей высокого класса фирмы MERCEDES-BENZ, FORD, GM, CHRYSLER, позже к ним подключились BMW, AUDI,NISSAN,TOYOTA устанавливают V-образные восьмицилиндровые двигатели. Особенностью коленчатого вала восьмицилиндрового V-образного двигателя является то, что на одной шатунной шейке располагаются сразу два шатуна, а сами шатунные шейки сдвинуты друг относительно друга на 90 градусов. В итоге получилось, что вал восьмицилиндрового двигателя в ремонте получился проще, чем шестицилиндрового V-образного двигателя или рядного пятицилиндрового.
Что касается неуравновешенных сил коленчатого вала восьмицилиндрового двигателя, то здесь дела обстоят так же как и с V- образной шестеркой. То есть массы шатунов должны соответствовать массе противовесов.
В настоящее время на автомобилях высшего класса стали устанавливаться V-образные 12-цилиндровые двигатели. Коленчатый вал V - образного 12-цилндрового двигателя очень похож на V- образный вал шестицилиндрового, но у него, так, же как и у 8-цилиндрового на одной шатунной шейке располагаются по два шатуна. Однако 12-цилиндровый коленчатый вал V- образного двигателя считается полностью уравновешенным, как и вал рядной шестерки.
Фирмы SUBARU, ALFA ROMEO и PORSCHE на своих автомобилях используют оппозитную схему расположения цилиндров. Вал четырехцилиндрового оппозитного двигателя практически ничем не отличается от коленчатого вала рядного с тем же числом цилиндров, за исключением того, что в оппозитном варианте он будет лучше уравновешен. Если же сравнить коленчатые валы шестицилиндрового V- образного двигателя и шестицилиндрового оппозитного двигателя, то, так же как и в предыдущем случае, они будут очень похожи друг на друга. Однако вал шестицилиндрового оппозитного двигателя будет также хорошо уравновешен, как и у рядной шестерки, чего не скажешь о вале V – образного шестицилиндрового двигателя.
На автомобилях малого класса используются трех и двухцилиндровые двигатели. У трехцилиндровых коленчатых валов шатунные шейки смещены на 120 градусов. Двигатель обладает неуравновешенностью от сил инерции, которые довольно часто уравновешиваются балансирным валом.
Что касается двухцилиндровых моторов, то на них ставится вал, у которого шейки не имеют углового смещения. Рядный двухцилиндровый двигатель считается более или менее уравновешенным только при наличии балансирного вала, поэтому эти двигатели обязательно должны быть им оборудованы.
avto-master.info
Одной из наиболее ответственных и трудоемких в изготовлении деталей судового дизеля является коленчатый вал. Посредством его осуществляется связь всех кривошипно-шатунных механизмов. Назначение коленчатого вала-суммирование набегающих моментов и передача их результирующего значения потребителю энергии.
Конструкция коленчатого вала дизельного двигателя, во многом, определяется размерами дизеля и зависит от числа и расположения цилиндров, порядка вспышек и уровня неуравновешенности. В многоцилиндровом дизельном двигателе коленчатый вал состоит из колен. Дополнительно в группу коленчатого вала входят: маховик, ведущая шестерня (звездочка) привода распределительного вала, демпфер, гребень упорного подшипника, фланец отбора мощности, а также ряд мелких деталей. В свою очередь элементами колена являются: шатунная шейка, две щеки, половины соседних рамовых (коренных) шеек, противовесы. В судовых дизелях применяются исключительно полноопорные валы. Для таких валов число рамовых шеек на единицу больше числа кривошипных механизмов.
При назначении геометрических параметров элементов колена исходят из того, что они должны обеспечивать прочность, жесткость и износостойкость коленчатого вала. Последнее обстоятельство вынуждает увеличить диаметр и уменьшать длину шеек. В новых судовых дизельный двигателях диаметр шеек приближается к диаметру цилиндра, а отношение длины шейки к ее диаметру составляет 0,3-0,5. Для шатунной шейки в V — образных двигателях с рядомстоящими шатунами это отношение лежит в пределах 0,5-0,6. Рамовые и шатунные шейки обычно делают одного диаметра. С целью уменьшения центробежных сил, облегчения вала и повышения его выносливости шейки часто выполняют полыми. В результате этого снижаются напряжения в местах сопряжения шеек и щек. Если полости шеек используются в качестве магистрали подачи масла к подшипникам коленчатого вала, то они должны быть закрыты заглушками. Конструкции заглушек весьма разнообразны. Иногда полости шеек выполняют роль сепараторов масла.
В тронковых и реже в крейцкопфных дизельных двигателях масло для смазки подшипников коленчатого вала подается через сверления в шейках. Отношение диаметра смазочного отверстия к диаметру шейки составляет 0,05-0,11. Из конструктивных соображений масляный канал сверлят, как правило, под углом к оси шейки, что приводит к увеличению концентрации напряжений. По этой причине не рекомендуется делать угол наклона сверления более 30 градусов. Выходы масляных отверстий обязательно закругляют радиусом не менее 0,25 диаметра сверления и тщательно шлифуют.
Щеки коленчатого вала двигателя отличаются многообразием конструктивных форм. Наибольшее распространение получили прямоугольные, трапецеидальные, круглые щеки. Последние находят применение главным образом в валах ВОД дизельного двигателя. Часть материала щек в районе шатунной шейки обычно срезают. Благодаря этому уменьшаются неуравновешенно вращающаяся масса колена. На стадии эскизного проектирования толщиной и шириной щеки задаются. У коленчатых валов судовых дизелей ширина щеки b=(0,9-1,5)D, а толщина зависит от отношения S/D. Для длинноходных дизелях h=(0.3-0.65)D и h=(0.16-0.3)D в случае короткоходных двигателей, как правило, имеющих перекрытие шеек. Перекрытие шеек повышает жесткость коленчатого вала, а поэтому толщину щеки можно уменьшить. Здесь и ниже D- диаметр цилиндра, S — ход поршня.
Галтели (места сопряжения шеек со щеками) являются ярко выраженными концентраторами напряжений. Их следует выполнять с возможно большим радиусом закругления R. Экспериментально установлено, что при увеличении R с 5 до 7 мм предел выносливости возрастает на 30%. В судовых дизельных двигателях R=(0,05-0,1)d, где d — диаметр шейки. Вместе с тем, увеличение радиуса галтели неизбежно вызывает рост длины шейки. Сохранить длину шейки и одновременно уменьшить концентрацию напряжений можно за счет конструктивного совершенствования галтели. Рекомендуется выполнять галтели с поднутрением в шейку и щеку. Однако такие галтели ослабляют сечение в месте концентрации напряжений, в результате повысить прочность в целом не удается. Целесообразно выполнять галтель дугами нескольких радиусов. При этом длина шейки не возрастает, если большим радиусом описывать части галтели, непосредственно примыкающие щеке. Находят применение также эллиптические и параболические галтели.
Противовесы устанавливаются для разгрузки рамовых подшипников от действия центробежных сил, уравновешивания моментов сил инерции вращающихся и поступательно движущихся масс, а также для уменьшения внутренних перерезывающих сил и изгибающих моментов в остове двигателя. Чаще всего противовесы изготавливают в виде цилиндрических сегментов. Объясняется это тем, что такая форма дает наибольшее удаление центра массы противовеса от оси коленчатого вала, а поэтому требует меньшей массы. Противовесы крепят к щекам при помощи шпилек, которые растягиваются центробежной силой. Иногда для разгрузки шпилек делают зубчатое соединение противовеса со щекой. Относительное расположение колен выбирают таким образом, чтобы обеспечить равномерное чередование вспышек, естественное уравновешивание двигателя, минимальную нагрузку рамовых подшипников и умеренные амплитуды колебаний коленчатого вала. Удовлетворить перечисленным требованиям полностью не удается, поэтому задача выбора рациональной схемы заклинки коленчатого вала требует оптимизационного решения. В частности, выполнение условия равномерного чередования вспышек рядного двигателя дает угол между соседними коленами ß =720/I в четырехтактном и ß = 360/I в двухтактном судовом дизельном двигателе, здесь I — число цилиндров. Требование минимизации нагрузки рамовых подшипников вынуждает назначать такую заклинку вала, при которой вспышки следуют в цилиндрах, как можно дальше удаленных друг от друга.
В зависимости от числа колен и их размеров коленчатые валы судовых дизелей изготавливают цельными или состоящими из двух частей, которые стыкуются между собой при помощи фланцевого соединения. Заготовки валов получают ковкой или штамповкой. Так как трудоемкость этих методов прогрессирует по мере увеличения размеров поковки, в последнее время взамен их используют гибку с высадкой. При такой обработке цилиндрический вал подвергается пластической деформации изгибу и осевому сжатию в месте формирования колена. В ряде случаев гибка с высадкой отличается высокой производительностью и дает повышение прочности коленчатого вала. Перед механической обработкой поковки коленчатых валов подвергают низкому отжигу или нормализации. Цель термической обработки — устранение внутренних напряжений и уменьшение твердости стального вала для улучшения его обрабатываемости.
Коленчатые валы больших размеров чаще всего собирают из полусоставных или составных колен. В валах с полусоставными коленами шатунные шейки отковываются вместе со щеками, в которые запрессовываются рамовые шейки. В составных коленах как рамовые, так и шатунные шейки соединяют посредством запресовки. Запресовку осуществляют с натягом и предварительным нагревом соединяемых деталей до 200-300 градусов. Установка шпонок и штифтов не допускается.
Как известно, несущая способность прессового соединения определяется величиной натяга, т.е. значениями контактных напряжений. Вследствие неизбежной релаксации материалов коленчатого вала контактные напряжения уменьшаются. Этот процесс приводит к ослаблению натяга, появлению фретинг-коррозии на сопрягаемых поверхностях и, как следствие, к повышению вероятности проворачивания шеек. Уменьшение скорости релаксации достигается увеличением массы щеки в районе ее сопряжения с шейкой и в конечном итоге определяется радиальной и осевой толщиной щеки.
Для снижения массы щек прессовое соединение деталей коленчатого вала дизельных двигателей иногда заменяют сваркой. В результате такой замены удается уменьшить металлоемкость коленчатого вала на 25-30% и собирать валы с перекрытием шеек. В настоящее время существует два варианта изготовления сварных валов. По первому варианту щеки вместе с половинками шеек отковываются, нормализуются и соединяются сваркой по стыкам половины каждой шейки. Второй вариант предусматривает изготовление ковкой отдельных колен, которые затем соединяются между собой сваркой по стыкам половин рамовых шеек. В обоих вариантах сварные швы располагаются в середине шеек.
Технология сварки элементов коленчатого вала дизеля предусматривает следующие операции. Перед сваркой производится механическая обработка торцов свариваемых половин шеек для обеспечения их параллельности. Свариваемые детали устанавливаются на манипулятор таким образом, чтобы расстояние между торцами составляло 15-20 мм, и подогреваются до температуры 200 градусов. После этого соединяемые детали приводятся во вращение манипулятором с частотой 10-20 об/мин и начинается автоматический процесс электродуговой сварки под флюсом. Круговые сварные швы поочередно наносятся друг на друга, постепенно заполняя металлом торцевой зазор. После сварки производится отжиг коленчатого вала и проверка качества сварных швов. Качество сварки ультразвуковым дефектоскопом.
Коленчатые валы судовых дизельных двигателей стальные. Они изготавливаются из сталей, легированных хромом, никелем, марганцем, молибденом и алюминием. Чаще других применяются, стали 40Х, 35Г, 40Г, 40ХН2МЮА, 38Х2МЮА. Первые три марки обычно служат материалом для валов МОД.
Повышение износостойкости шеек и долговечности коленчатого вала дизельного двигателя в целом достигается поверхностным упрочнением. Благодаря ему в поверхностном слое создаются остаточные сжимающие напряжения, которые в значительной степени препятствуют зарождению усталостных трещин. Среди методов поверхностного упрочнения в судовом дизелестроении наиболее распространены: закалка током высокой частоты, азотирование и обкатка роликами. Высокочастотная закалка относится к производительному и прогрессивному способу повышения поверхностной твердости стали. Однако по причине громоздкости электрического индуктора этот метод применяется пока лишь для упрочнения валов небольших размеров. Более эффективным средством получения высокой твердости является азотирование. Процесс насыщения поверхностного слоя азотом протекает чрезвычайно медленно (примерно около 10 ч для получения слоя глубиной 0,15 мм). Обычно азотирование производят на глубину 0,3-0,6 мм и оно относится к завершающей стадии обработки коленчатого вала. После азотирования подвергают шлифованию только шейки вала. Предел выносливости коленчатого вала двигателя можно еще больше повысить, если подвергать его поверхности механическому наклепу. Весьма успешно эта цель достигается при обкатке роликами галтелей и обжатии шариком краев масляных отверстий. Шейки валов больших размеров также обкатываются роликами. При такой обработке упрочненный слой может достигать нескольких миллиметров, что способствует заметному снижению напряжений в местах их концентрации. Помимо упомянутых известны комбинированные методы поверхностного упрочнения коленчатых валов. Например, шейки и щеки вала азотируют, а галтели либо обкатывают фасонными роликами, либо подвергают обдувке дробью.
psk-spb.com
