галтель коленчатого вала что это
Коленчатый вал от А до Я
Здравствуйте уважаемые читатели моего блога!
Данная статья показалась мне интересной в плане общего развития.
• Коленчатый вал – один из наиболее ответственных и дорогостоящих конструктивных элементов двигателя внутреннего сгорания. Он преобразует возвратно-поступательное движение поршней в крутящий момент. Коленчатый вал воспринимает периодические переменные нагрузки от сил давления газов, а также сил инерции движущихся и вращающихся масс.
• Коленчатый вал двигателя, как правило, цельный конструктивный элемент, поэтому правильно его называть деталью. Вал изготавливается из стали с помощью ковки или чугуна путем литья. На дизельных и турбированных двигателях устанавливаются более прочные стальные коленчатые валы.
— Схема коленчатого вала:
1 носок коленчатого вала;
2 посадочное место звездочки (шестерни) привода распределительного вала;
3 отверстие подвода масла к 4 коренной шейке;
5 противовес;
6 щека;
7 шатунные шейки;
8 фланец маховика;
9 отверстие подвода масла к шатунной шейке;
10 противовесы;
11 коренные шейки;
коренная шейка упорного подшипника.
• Конструктивно коленчатый вал объединяет несколько коренных и шатунных шеек, соединенных между собой щеками. Коренных шеек, как правило, на одну больше, а вал с такой компоновкой называется полноопорным. Коренные шейки имеют больший диаметр, чем шатунные шейки. Продолжением щеки в противоположном от шатунной шейки направлении является противовес. Противовесы уравновешивают вес шатунов и поршней, тем самым обеспечивают плавную работу двигателя.
• Шатунная шейка, расположенная между двумя щеками, называется коленом. Колена располагаются в зависимости от числа, расположения и порядка работы цилиндров, тактности двигателя. Положение колен должно обеспечивать уравновешенность двигателя, равномерность воспламенения, минимальные крутильные колебания и изгибающие моменты.
• Шатунная шейка служит опорной поверхностью для конкретного шатуна. Коленчатый вал V-образного двигателя выполняется с удлинёнными шатунными шейками, на которых базируется два шатуна левого и правого рядов цилиндров. На некоторых валах V-образных двигателей спаренные шатунные шейки сдвинуты относительно друг друга на угол 18°, что обеспечивает равномерность воспламенения (технология носит название Split-pin).
• Наиболее нагруженным в конструкции коленчатого вала является место перехода от шейки (коренной, шатунной) к щеке. Для снижения концентрации напряжений переход от шейки к щеке выполняется с радиусом закругления (галтелью). Галтели в совокупности увеличивают длину коленчатого вала, для уменьшения длины их выполняют с углублением в щеку или шейку.
• Вращение коленчатого вала в опорах, а шатунов в шатунных шейках обеспечивается подшипниками скольжения. В качестве подшипников применяются разъемные тонкостенные вкладыши, которые изготавливаются из стальной ленты с нанесенным антифрикционным слоем. Проворачиванию вкладышей вокруг шейки препятствует выступ, которым они фиксируются в опоре. Для предотвращения осевых перемещений коленчатого вала используется упорный подшипник скольжения, который устанавливается на средней или крайней коренной шейке.
— Схема системы смазки:
1 масляный поддон
2 датчик уровня и температуры масла
3 масляный насос
4 редукционный клапан
5 масляный радиатор
6 масляный фильтр
7 перепускной клапан
8 обратный клапан
9 датчик давления масла
10 коленчатый вал
11 форсунки
12 распределительный вал выпускных клапанов
13 распределительный вал впускных клапанов
14 вакуумный насос
15 турбонагнетатель
16 стекание масла
17 сетчатый фильтр
18 дроссель.
• Коренные и шатунные шейки включены в систему смазки двигателя. Они смазываются под давлением. К каждой опоре коренной шейки обеспечивается индивидуальный подвод масла от общей магистрали. Далее масло по каналам в щеках подается к шатунным шейкам.
• Отбор мощности с коленчатого вала производится с заднего конца (хвостовика), к которому крепится маховик. На переднем конце (носке) коленчатого вала располагаются посадочные места, на которых крепятся шестерня (звездочка) привода распределительного вала, шкив привода вспомогательных агрегатов, а также в ряде конструкций – гаситель крутильных колебаний. По конструкции это два диска и соединяющий их упругий материал (резина, силиконовая жидкость, пружина), который поглощает вибрации вала за счет внутреннего трения.
Устройство коленвала и его принцип работы.
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.
Чтобы вал не уставал
От автора
Вал, упомянутый в заголовке – это коленчатый вал. Надеюсь, что читателям блога «Механики» будет интересно узнать о секретах заводских технологий этой детали. Потому что в «Механике» знают о деталях двигателя всё. И на ее интернет-площадках будет уместной информация о любых технологиях, связанных с профилем компании.
А коленчатый вал – это целая система. Все в нем взаимосвязано. И как автор, я надеюсь, что читатели вспомнят эту публикацию, когда привезут в «Механику» двигатель для ремонта. И при измерении биения вала на призмах вспомнят. И при шлифовании шеек вспомнят. И при покупке в «Механике» оборудования для ремонта в своем сервисе – тоже вспомнят. А теперь к теме.
Он очень непрост
В свое время я занимался технологией коленчатого вала – пусть не слишком долго, зато обстоятельно. Часто ездил в командировки на Минский моторный и Алтайский моторный заводы, на Челябинский тракторный… Именно тогда у меня родилось трепетное уважение к этой детали двигателя – родилось, чтобы с годами расти и укрепляться.
Действительно, смотришь на коленчатый вал – вроде прост, а на деле сложен и многообразен. Бывает тяжелым и легким, коротким и длинным, жестким и не слишком, «плоским» или пространственным с кривошипами под 120 о или 90 о – словом, любым.
С точки зрения механики, поведение коленчатого вала при внешних воздействиях трудно предсказуемо, особенно если вал имеет пространственную форму. Если он близок к идеальному, то исправно принимает возвратно-поступательное движение поршня, чтобы передать вращение дальше в трансмиссию. Но стоит возникнуть несоосности, кривизне, биению, вообще любой остаточной деформации – жди беды. Тут он капризен, как женщина.
Переменные напряжения
По первичной технологии изготовления коленчатый вал является одной из самых консервативных деталей. На многих заводах его до сих пор куют на молотах, меняя ручьи, либо изготавливают на мощных прессах методом горячей объемной штамповки.
Такая технология не стареет веками, поскольку именно горячая пластическая деформация металла обеспечивает правильную структуру будущей детали – оптимальный размер зерна, его ориентацию при воздействии кузнечного инструмента, отсутствие внутренних раковин. То есть прочность и выносливость закладываются в «колено» уже с рождения.
Потом коленчатый вал проходит множество операций термической, механической и финишной обработки – и все они направлены на повышение его точности, надежности и долговечности. Но жизнь есть жизнь – иногда коленчатые валы ломаются, разрушаются физически прямо в моторе. Причина звучит совершенно по-человечески – усталость…
Давайте, не особо углубляясь в физику, сопромат и металловедение, вспомним – почему происходит усталостный излом детали?
Рассмотрим, например, нагруженный вал, показанный на рис. 1. Не коленчатый, а обычный цилиндрический. При изгибе верхняя часть его поверхности (слой А), обозначенная зеленым цветом, находится под действием сжимающих напряжений, а нижняя часть поверхности (слой Б), обозначенная красным — под действием растягивающих напряжений.
Чтобы было уж совсем понятно, приведем простейший бытовой пример. Согнем обычный прут дерева. Снаружи изгиба кора натянется – там возникнут растягивающие напряжения. Внутри изгиба она соберется складками, сморщится – там возникнут сжимающие напряжения. Согнем сильнее – снаружи кора вообще лопнет, а на противоположной стороне только сильнее сморщится.
А теперь вернемся к нашему цилиндрическому валу. Вот он провернулся на 180 о, и картина изменилась: слой А получил растягивающие напряжения, а слой Б — сжимающие. Потом вал опять повернулся… и так далее. Словом, поверхностный слой все время получает знакопеременные напряжения: сжался-растянулся, сжался-растянулся…
То же происходит с другим валом – коленчатым. Но только у него есть заведомо слабые места – галтели коренных и шатунных шеек, зоны перехода от шейки вала к щеке. В технике такие участки называют концентраторами напряжений.
При работе в двигателе коленчатый вал под нагрузкой стремится изогнуться. Поэтому в галтелях попеременно возникают то растягивающие, то сжимающие напряжения, уже знакомые нам по примеру с простым цилиндрическим собратом. При работе вала в двигателе так происходит миллионы раз подряд: сжимающие – растягивающие, сжимающие – растягивающие (рис. 2).
А теперь вспомним, что на поверхности галтели есть микроскопические дефекты – шероховатости, трещины, раковины. А они есть обязательно, даже после шлифования – весь вопрос только в их размерах, то есть в классе чистоте поверхности.
Напряжения сжатия этим дефектам не страшны, а вот напряжения растяжения как раз наоборот… В каждом цикле они буквально атакуют микродефекты, будто вбивая клин в растущие трещинки (рис. 3). Дефект растет, растет! растет! и в один далеко не прекрасный момент происходит разрушение детали. И тогда механики скорбно вздыхают, закуривают и говорят, что вал «устал». Еще раз подчеркнем: такие изломы особенно характерны для участков с концентраторами напряжений – канавками, галтелями и т.д. (рис. 4)
Предупреждать усталость можно специальной термообработкой, высокоточными финишными операциями – и все это (как и многое другое) успешно делается, но есть способ и поинтереснее.
Пластика для галтелей — теория
Прежде чем раскрыть его, зададимся вопросом: если уж цикличные растягивающие напряжения играют такую роковую роль, нельзя ли их нейтрализовать — например, заложить в деталь напряжения сжатия?
Что же, логично. Напряжения сжатия будут складываться с опасными напряжениями растяжения, давая в результате ноль (или величину близкую к нему), и трещина расти не будет!
Да, но заложенные нами напряжения будут складываться не только с циклическим растяжением, но и с циклическим сжатием! А вот это как раз не страшно – как уже говорилось, поверхностное сжатие, даже усиленное остаточными напряжениями, на рост трещин никак не влияет.
А как создать в поверхностном слое сжимающие напряжения? Тут-то и придет на помощь метод поверхностного пластического деформирования – сокращенно ППД.
Упрочнение деталей методом ППД применяется практически во всех отраслях машиностроения уже давно. Для различных деталей созданы довольно хитроумные приспособления и станки. Мы же, следуя уговору, продолжим рассмотрение процесса в упрощенном варианте.
Как это работает? Представим, что на токарном станке только что выточили галтель на простеньком цилиндрическом вале. Просто галтель на ступеньке от одного диаметра к другому.
А теперь следите за руками. Вместо резца устанавливаем в суппорт специальную оправку с твердосплавным роликом на конце, который может вращаться (рис. 5). Запускаем станок, подводим к детали оправку с роликом, но не просто касаемся вращающейся поверхности галтели, а вдавливаем ролик на определенное число делений лимба поперечной подачи. На поверхности галтели возникает блестящая, будто из олова, кольцевая полоска. Красивая такая, зеркальная полоска…
Что при этом происходит с поверхностью галтели в пределах полоски? Изначально она имеет шероховатости. Изобразим их на рис 6. условно в виде волны. Обозначим площадь этой поверхности S.
И вот ролик с усилием прокатал эту поверхность. Что же произошло с волнами? Они не завалились, не завальцевались, как можно было бы предположить – все гораздо интереснее! Поверхностный слой пластически деформировался следующим образом: он как бы «ожил», впадинки приподнялись, волны опустились, поверхность галтели разгладилась.
Как изменилась площадь полоски? Естественно, она уменьшилась. Если обозначить новую площадь S1, то можно написать, что S1 
Обрабатываемый вал подается в зев станка, автоматически укладывается в постели «клешней», после чего «клешни» смыкаются на коренных и шатунных шейках, а ролики оказываются на галтелях. После укладки «клешни» смыкаются и поджимаются гидравликой, позволяющей регулировать усилие.
После зажима «клешней» мастер-вал начинает вращаться, «клешни» на коренных шейках, естественно, стоят на месте, а на шатунных – копируют движения шеек мастер-вала. Таким образом, галтели всех шеек накатываются и упрочняются одновременно. Весь процесс занимает менее одной минуты. Затем происходит выгрузка вала, загрузка очередного и т.д. (рис. 8 и 9).
А теперь посмотрим на фото обработанной галтели (рис. 10). Да, она зеркальная, как мы и обещали. Но главное, теперь в ней заложены остаточные напряжения сжатия. И при знакопеременных нагрузках на вал, напряжения теперь будут чередоваться не как раньше «сжимающие-растягивающие, сжимающие-растягивающие», а более благоприятным образом: «сжимающие-нулевые, сжимающие-нулевые». Благодаря этому усталостная прочность коленчатого вала возрастет многократно. И еще: класс чистоты галтелей повышается, им не потребуется финишная обработка.
Специалистами давно установлена связь между упрочняющим усилием, геометрией и материалом инструмента и величиной остаточных напряжений. Для упрочнения различных деталей созданы хитроумные приспособления и оснастка. Упрочняюще станки могут развивать пульсирующее давление, повышающее эффективность обработки. Существует оборудование с микропроцессорным управлением – оно не только упрочняет, но и позволяет закладывать остаточные напряжения и деформации, исправляющие кривизну, устраняющие биения.
Много есть интересного – хватит на десятки публикаций о коленчатом вале. Мы же просто рассказали о старой, доброй, надежной, работающей технологи упрочнения галтелей. Рассказали в намеренно популярной форме. Если вы знали об этой технологии – извините; не знали – значит, теперь будет знать. Как принято говорить в таких случаях, спасибо за внимание и до новых встреч.
(Продолжение. Начало в № 6/2001)
АЛЕКСАНДР ХРУЛЕВ, кандидат технических наук
В предыдущей статье мы рассмотрели подготовительный этап работы, предшествующий шлифовке коленчатого вала. Он включает в себя проверку станка и вала. Только после этих операций можно приступить к шлифовке.
С чего все-таки начнем?
Исключить подрез можно, если «заправить» на краях шлифловального круга радиусы, соответствующие радиусам галтелей. Такая операция необходима для тех валов, у которых на краях шеек нет канавок для выхода шлифовального круга. Но и там, где такие канавки есть, аккуратность тоже не помешает.
Анализ излома разрушенных коленчатых валов показывает, что трещина обычно начинает развиваться от места перехода шлифованной поверхности к не тронутой шлифовальным кругом. А такое место обычно и приходится на галтель, приобретающую после неквалифицированного ремонта вала неправильную форму. Особенно опасна недооценка получающейся при ремонте формы галтелей для коленчатых валов современных высокофорсированных двигателей.
Осторожно, шатунные шейки!
Если подготовка к работе завершена, можно приступать к шлифованию шатунных шеек. Для этого коленвал устанавливается в патроны станка так, чтобы его ось вращения проходила через одну из шатунных шеек.
Исключить или, по крайней мере, значительно уменьшить дисбаланс вала позволяют специальные грузы, закрепляемые на планшайбах напротив патронов станка. Масса и расположение балансировочных грузов подбирается в зависимости от массы коленвалов и радиуса кривошипа.
Итак, только теперь можем начинать шлифовку. Включаем вращение вала, подачу СОЖ (смазывающе-охлаждающей жидкости), подводим шлифовальный круг до касания шейки. Далее следует сделать подачу в пределах 0,05 мм «на врезание», короткую остановку и снова подачу. И так до заданного размера шейки, разумеется, с промежуточным контролем получающегося размера.
Многолетняя практика шлифования коленчатых валов большого числа различных двигателей позволяет указать оптимальный способ установки коленвала. Но прежде рассмотрим варианты.
Некоторые шлифовщики зажимают вал в патронах точно так же, как и при шлифовке шатунных шеек, только патроны сводят к оси вращения планшайб станка. Считается, что при хорошей выверке положения вала по минимальному биению хвостовика (или й коренной шейки) и поверхности заднего сальника (или последней коренной шейки) шейки можно шлифовать и таким способом.
Правда, описанный способ проще: он не требует демонтажа планшайб с патронами (это не слишком приятная и легкая процедура), но такое «слабое» его преимущество меркнет перед серьезными недостатками.
Очень важно, чтобы усилие сжатия вала центрами было минимальным, в противном случае вал в станке деформируется. Если затем коренные шейки прошлифовать, то после снятия со станка коленчатый вал разогнется и сразу окажется кривым.
Разумеется, при установке вала в центрах необходимо контролировать биение различных поверхностей (хвостовик, шейки, задний сальник). Повышенное биение может свидетельствовать не только о необходимости правки центровых фасок, но и о повреждении или износе посадочной поверхности центров в станке (см. № 6/2001).
Балансировочные грузы подбираются для каждого коленввала
Чтобы точно попасть в заданный размер, каждую шейку приходится контролировать несколько раз
Обращаем ваше внимание на то, что данный интернет-сайт носит исключительно информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 Гражданского кодекса Российской Федерации. Для получения подробной информации пожалуйста, обращайтесь по телефону 812-3880855 или другими способами указанными вконтактах.
Коленчатый вал — что это такое и принцип работы
Принцип работы коленвала автомобиля — его устройство и система смазки.
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:
Принцип работы коленчатого вала
В момент максимального удаления поршня щеки и шатун коленвала вытягиваются в одну линию. В это время в цилиндрах начинает гореть топливо, и, соответственно, выделяются горючие газы, которые перемещают поршень по направлению к коленвалу. Вместе с ним также перемещается и шатун, нижняя головка которого поворачивает относительно своей оси коленчатый вал. Как только он развернется на 180°, шатунная шейка начинает движение в обратном направлении, таким образом, перемещается и поршень.
Получается следующая картина: поршень равномерно то удаляется, то приближается к детали, крайние точки поршня называются «мертвыми», так как в этих положениях его скорость равна нулю. Таким образом, мы разобрались, как работает коленчатый вал.
Устройство 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.
Видео про принцип работы коленчатого вала: