Коленвал в двигателе — самый главный из валов. А почему он в таком случае весь кривой, разберемся по порядку. В технике вал — это деталь, воспринимающая механическую энергию от других составляющих механизма и передающая мощность и крутящий момент остальным компонентам системы. Его не следует путать с осью, которая предназначена для поддержания статического положения деталей и обеспечения их правильной кинематики. Так, например, в механизме газораспределения существует вал ГРМ и ось коромысел. Вал давит кулачками на клапаны и сжимает их пружины. Ось коромысел — точка опоры клапанных рычагов.
Назначение и принцип работы коленвала
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.
Коленчатый вал бывает цельным и составным. Для автомобильных двигателей характерно применение цельных валов. Составные применяются только на очень больших силовых установках по технологическим причинам или при использовании подшипников качения в качестве опорных.
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».
Легко заметить, что опорные (коренные) шейки КВ нагружены неодинаково. Вся производимая мощность передается через заднюю. Передняя — приводит в действие газораспределительный механизм и навесное оборудование двигателя. К вопросу неравномерной загрузки КВ мы вернемся позже.
Устройство коленчатого вала
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».
Fiat-500 Topolino.
Из чего состоит коленвал
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.
На современных двигателях фланец КВ по цилиндрической части уплотняется сальником.
Комментарий эксперта
Много лет назад применялась сальниковая набивка — нечто вроде шнура квадратного сечения, который обрезался по размеру и вставлялся при сборке в специальные пазы (они располагались в поддоне и блоке цилиндров). После монтажа поддона материал плотно охватывал коленчатый вал. Другая допотопная конструкция — маслосгонная резьба: она располагалась на выходе вала и при вращении постоянно сгоняла обратно в поддон смазку, норовящую выплеснуться наружу.
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.
Неравномерность хода
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.
Чем меньше у двигателя внутреннего сгорания цилиндров, тем больше нужно устанавливать маховик, а на многоцилиндровых моторах он может не ставиться.
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.
Народная мудрость
Давным-давно, когда все цены были одинаковые, самая популярная водка (0,5 л) стоила 3 рубля 62 копейки и все знали, что такое 3,62. И заметили тогда башковитые механики, что и в порядке работы мотора это же сочетание прослеживается. И вывели они правило, как такую сложную цепочку цифр на всю жизнь запомнить. Просто оказалось: 15 бутылок водки по 3,62 на четверых. Так водка помогала науку ДВС осваивать.
Система смазки коленчатого вала
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).
Если подача смазки прекратится, например, при перегрузке или во время пуска, масляный клин может прерваться. Если он не установится быстро, пара перегреется и выйдет из строя. Это крупная авария: ремонт вала может стать невозможным, а восстановление двигателя — нерентабельным.
На коренные шейки КВ масло подается по каналам из главной масляной магистрали и через отверстия в них попадает в его внутренние каналы. Смазка выходит на поверхность каждой шатунной шейки через отверстие подвода масла, образуя в паре трения масляный клин. Прерывание масляной пленки, прямой контакт деталей и масляное голодание приводят к ускоренному износу. Рано или поздно, коленчатый вал приходится ремонтировать или менять.
Основные неисправности
В ремонт коленвал попадает чаще всего по следующим причинам:
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.
С каждым ремонтом диаметр шейки уменьшается и нужно устанавливать соответствующие, более толстые ремонтные вкладыши.
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.
