В автомобильном двигателе внутреннего сгорания основное назначение коленчатого вала заключается в передаче мощности мотора к трансмиссии: она вращает колеса, и происходит движение автомобиля. У теплохода коленвал работает на гребной винт, а у самолета — на пропеллер.
Коленчатый вал — это деталь кривошипно-шатунного механизма, который преобразует поступательное движение поршней во вращательное движение коленчатого вала. С поршнями коленвал соединен посредством шатунов. Они давят на кривошипы коленчатого вала, как велосипедист на педали. (Велосипедисты, кстати называют шатунами рычаги педалей, это неправильно: по сути они кривошипы и движутся вокруг опор коленвала). Шатун же совершает как вращательное, так и в поступательное движение, шатается из стороны в сторону, за что и получил свое название.
Для простоты рассмотрим, как выглядит коленвал одноцилиндрового двигателя, чтобы лучше понять принцип работы коленчатого вала:
• Деталь имеет две соосные шейки, которые удерживаются соответствующими опорами.
• Между ними, под воздействием шатуна, крутится шатунная шейка (движение происходит по окружности, измеряемой радиусом кривошипа).
• С задней стороны двигателя находится фланец, к которому привинчен маховик. Отсюда и снимается мощность мотора. Принято говорить, например: «с фланца двигателя удалось снять 100 кВт».
В современных автомобильных двигателях цилиндров обычно больше одного, и для непосвященных коленвал представляет собой сборочную единицу весьма замысловатой конструкции. В традиционном ДВС коленчатый вал имеет на одну больше опорных шеек, чем шатунных. Однако, бывают исключения.
Знаменитый Fiat-500 Topolino, изготовленный в 1936 году, имел двухопорный коленвал на рядном четырехцилиндровом моторе. Такая конструкция была применена ради сокращения габаритов микролитражки по прозвищу «Мышонок».
Изготавливают элемент из чугуна или стали, конструкция коленчатого вала включает в себя:
• Коренные (опорные) шейки, которые вращаются в подшипниках скольжения (коренных вкладышах). Шлифованные поверхности обладают высокой твердостью и износостойкостью.
• Шатунные шейки — самые нагруженные. Тоже шлифованные и закаленные. Вращаются в нижних головках шатунов в шатунных вкладышах.
• Щеки коленвала — соединяют коренные и шатунные шейки. Переход от щеки к шейке обычно делается галтельным (по радиусу, плавным), для снижения концентрации напряжений. Щеки могут иметь съемные и несъемные противовесы. Они служат для балансировки вала.
• От осевого перемещения коленвал удерживается упорными полукольцами, зафиксированными, как правило, в одной опоре.
Передняя часть детали называется носок коленвала. Спереди на коленчатый вал двигателя надевается звездочка, которая движет цепь, зубчатый ремень, либо шестерни (это зависит от привода остальных механизмов). А масляный насос часто надевается прямо на коленвал (например, на ВАЗ 2108). Так или иначе, передний конец вала тоже уплотняется сальником: либо по самому валу, либо по шкиву — это колесо, приводящее в действие навесное оборудование посредством клиновых, или поликлиновых ремней (ремня).
Шкив также применяется в сборе с демпфером крутильных колебаний. Это тяжелый диск особого устройства, который помогает с этими колебаниями справляться.
Устройство коленчатого вала, да и всего двигателя автомобиля, таково, что коленчатый вал испытывает знакопеременные нагрузки. В результате происходит скручивание участков коленчатого вала. Ограничить опасную деформацию и призван демпфер крутильных колебаний.
Также, по причине цикличности нагружения, вал вращается неравномерно. Для уменьшения степени неравномерности вращения на заднем фланце двигателя установлен маховик — тяжелое колесо, с большим маховым моментом.
Шейки коленчатого вала нагружены неравномерно. Нажимая на одно колено, шатун влияет и на усилие, возникающее на других участках вала. Взаимодействие цилиндров получается сложным, и равномерно распределить нагрузку между шейками невозможно.
Самое нагруженное колено во многом и определяет прочностные расчеты вала. Но можно выбрать наиболее щадящий порядок работы цилиндров. Так, у рядной шестерки наибольшее распространение получила последовательность 1-5-3-6-2-4. А порядок это примечательный.
Шейки коленчатого вала автомобильного двигателя работают в паре с подшипниками скольжения, выдерживая огромные нагрузки.
Необходимым условием функционирования узла является наличие масляного клина. Он обеспечивается давлением масла, а также зазором между сопрягаемыми поверхностями. Благодаря этому клину шейка и вкладыш не взаимодействуют напрямую (говорят, что шейка «всплывает» в масле).
В ремонт коленвал попадает чаще всего по следующим причинам:
• износ коренных и шатунных шеек;
• увеличенное биение коленчатого вала;
• засорение масляных каналов.
Шатунные шейки измеряются в соответствии с техническими условиями изготовителя. Основными параметрами замера являются диаметры шейки в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, эллипсность, и биение вала. Кроме уменьшения размера, на валу встречаются и местные дефекты (задиры, царапины).
Если шлифовка необходима, шейки шлифуются на определенную нормативами величину. Новый размер жестко прописан и называется ремонтным. Вал может не подлежать шлифовке, а может иметь и четыре ремонтных размера. По результатам дефектации принимается решение о дальнейшем ремонте или выбраковке коленчатого вала.
Принимая решение о шлифовке, следует помнить, что твердость материала (а значит и его ресурс) снижается при снятии верхнего слоя металла. Вот почему мелкие дефекты по возможности лучше удалять полировкой. После ремонта твердость проверяют твердомером. Это ручной инструмент, несложный в обращении.
В этой статье мы лишь подошли к теме ремонта коленчатого вала, зато разобрались, для чего нужен коленвал и какова его конструкция. И мы обязательно продолжим.
