Коленчатый вал двигателя
|
Технология восстановления коленвала
|
Коленчатый вал двигателя воспринимает действия расширяющихся газов при рабочем ходе поршней, передаваемые шатунами, и преобразуем их в крутяший момент. Кроме того, коленчатый вал обеспечивает движение поршней во время вспомогательных тактов и пуска двигателя.
Коленчатые валы двигателя изготовляются штамповкой из средне углеродистых легированных сталей и литьем из модифицированного магнием чугуна в зависимости от конструктивных и технологических особенностей коленчатых валов.
Устройство коленчатого вала
Коленчатый вал состоит из коренных и шатунных шеек, соединенных щеками, к которым крепятся противовесы (могут быть отлитыми как одно целое с налом) переднего конца коленчатого вала, на котором имеются посадочный поясок крепления газораспределительного зубчатого колеса и шкива.
Форма коленчатого вала определяется числом и расположением цилиндров, порядком работы и тактностъю двигателя. В большинстве случаев применяют полноопорные коленчатые валы, т.к. каждая шатунная шейка расположена между коренными. Для повышения износостойкости поверхностный слой коренных и шатунных шеек подвергают закалке на глубину 3—4 мм с нагревом ТВЧ. После термической обработки шейки валов, проводят шлифование шеек и полируют. Для повышения жесткости и надежности коленчатых валов применяют перекрытие шеек. Перед капитальным ремонтом двигателя проводят исследование дефектов коленчатого вала.
|
Ограничитель максимальной частоты вращения коленчатого вала
|
Коленчатые валы двигателя:
а — двигателя автомобиля ЗИЛ-130; б — двигателя ЯМЗ — 236; в — КамАЗ-740; 1 — передний конец вала; 2 — грязеуловитель; 3 — шатунная шейка; 4 — противовесы; 5— масло отражатель; 6 — фланец для крепления маховика; 7 — коренная шейка; 8 — щека; 9 — гайка; 10 и 15 — съемные противовесы; 11 — распрелелтельное зубчатое колесо; 12— установочный штифт; 13 — зубчатое колесо привода масляного насоса; 14 — винт: 16 — шпонка; А — величина перекрытия шеек.
Коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания: устройство, назначение, принцип работы — Autodromo
Без рубрикиАвтор admin На чтение 3 мин Просмотров 8.6к. Опубликовано
Коленчатый вал (коленвал) двигателя – это одна из важных деталей КШМ, расположенная в цилиндровом блоке. Вал преобразует поступательные движения поршней во вращательный момент, который через трансмиссию передается на колеса автомобиля.
Содержание
Устройство коленчатого вала
Сложная конструкция коленвала представлена в виде расположенных по одной оси колен – шатунных шеек, соединенных специальными щеками. При этом количество колен зависит от числа, формы и месторасположения цилиндров, а также тактности двигателя автомобиля. С помощью шатунов шейки соединяются с поршнями, совершающими поступательно-возвратные движения.
В зависимости от расположения коренных шеек коленвал может быть:
- полноопорным – когда коренные шейки расположены по две стороны от шатунной шейки;
- неполноопорным – когда коренные шейки расположены только по одну из сторон от шатунной шейки.
В большинстве современных автомобильных двигателей применяются полноопорные коленвалы.
Итак, основными элементами коленвала являются:
- Коренная шейка – основная часть вала, которая размещается на коренных вкладышах (подшипниках), находящихся в картере.
- Шатунная шейка – деталь, соединяющая коленвал с шатунами. При этом смазка шатунных механизмов осуществляется благодаря наличию специальных масляных каналов. Шатунные шейки в отличие от коренных шеек всегда смещены в стороны.
- Щеки – детали, соединяющие два типа шеек – коренные и шатунные.
- Противовесы – детали, которые предназначены для уравновешивания веса поршней и шатунов.
- Фронтальная (передняя) часть или носок – часть механизма, оснащенная колесом с зубцами (шкивом) и шестерней, в некоторых случаях гасителем крутильных колебаний, который осуществляет контроль над мощностью привода ГРМ (газораспределительного механизма), а также других механизмов устройства.
- Тыльная (задняя) часть или хвостовик – часть механизма, соединенная с маховиком при помощи маслоотражающего гребня и маслосгонной резьбы, осуществляет отбор мощности вала.
Фронтальная и тыльная сторона коленчатого вала уплотняется защитными сальниками, которые препятствуют протеканию масла там, где выступающие части маховика выходят за пределы блока цилиндров.
Вращательные движения всего механизма коленвала обеспечивают подшипники скольжения – тонкие стальные вкладыши, с защитным слоем антифрикционного вещества. Для предотвращения осевого смещения вала, применяется упорный подшипник, установленный на коренной шейке (крайней или средней).
Коленвал двигателя изготавливается из износостойкой стали (легированной или углеродистой) или модифицированного чугуна, методом штамповки или литья.
Принцип действия коленчатого вала
Несмотря на сложность самого устройства, принцип работы коленвала достаточно прост.
В камерах сгорания происходит процесс сжигания поступившего туда топлива и выделения газов. Расширяясь, газы воздействуют на поршни, совершающие поступательные движения. Поршни передают механическую энергию шатунам, соединенным с ними втулкой или поршневым пальцем.
Шатун в свою очередь соединен с шейкой коленвала подшипником, вследствие чего каждое поступательное поршневое движение преобразуется во вращательное движение вала. После того как происходит разворот на 180˚, шатунная шейка движется уже в обратном направлении, обеспечивая возвратное движение поршня. Затем циклы повторяются.
Процесс смазки коленчатого вала
Смазка коленвала обеспечивается за счет шатунных и коренных шеек. Важно помнить, что смазка коленчатого вала всегда происходит под давлением. Каждая коренная шейка обеспечена индивидуальным подводом масла от общей смазочной системы. Поступившее масло попадает на шатунные шейки по специальным каналам, расположенным в коренных шейках.
Что такое коленчатый вал и для чего он нужен?
Вы здесь
Главная | Что такое коленчатый вал и для чего он нужен?
Что делает коленчатый вал?
Коленчатый вал двигателя проходит внутри нижней части двигателя автомобиля и преобразует вертикальное движение поршней в горизонтальное вращательное движение, которое в конечном итоге приводит в движение колеса через коробку передач.
Коленчатые валы существуют сотни лет, они использовались на водяных мельницах и лесопилках. В конечном итоге они стали заметными в гребных лодках, превращая энергию паровых поршней во вращательную энергию для гребных колес.
В современных автомобилях коленчатый вал состоит из равномерно расположенных «бросков» (их четыре в четырехцилиндровом двигателе, , как показано ниже ), которые прикреплены к днищу поршней с помощью шатунов. Эти «броски» смещены от оси коленчатого вала, что и создает энергию вращения.
Коленчатый вал прикреплен к двигателю большими подшипниками на обоих концах. Он соединяется с маховиком, а через него и со сцеплением.
При включенном сцеплении энергия вращения коленчатого вала передается через коробку передач и далее через дифференциал на карданные валы, прикрепленные к колесам, что создает возможность движения автомобиля.
Распределительный вал и коленчатый вал
Распределительный вал расположен в верхней части двигателя и приводится в движение коленчатым валом через зубчатую цепь или зубчатый ремень.
Распределительный вал (их может быть до четырех на двигатель, , хотя на приведенной ниже схеме коленчатого вала показаны два ) имеет кулачки по всей длине, которые взаимодействуют с клапанным механизмом (который состоит из толкателя, толкателя клапана, пружины клапана, клапана и толкатель или коромысло) для облегчения поступления воздуха и топлива в камеру сгорания и выхода выхлопных газов после части рабочего такта цикла двигателя внутреннего сгорания.
Вращающиеся кулачки распределительного вала открывают и закрывают клапаны двигателя. Лепестки различаются по размеру и форме от двигателя к двигателю, чтобы управлять продолжительностью открытия клапана и насколько. Чем больше клапанов, тем больше воздуха и топлива можно всосать и тем больше выхлопных газов может выйти, что увеличивает мощность двигателя.
Коленчатый вал двигателя расположен в нижней части двигателя (как показано на схеме ниже) и прикреплен к поршням соединительными путями – движение поршней вниз в результате процесса сгорания приводит к вращению коленчатого вала вращать.
Что не так с коленчатыми валами?
Коленчатый вал – чрезвычайно сложная и тщательно отточенная конструкция, состоящая не только из шатунов. Ключевые детали включают шатунные шейки, масляные каналы, шпоночный паз, коренные шейки и монтажный фланец маховика.
Кривошип двигателя также содержит множество встроенных грузов и противовесов, которые предназначены для сведения к минимуму вибрации при вращении.
Любая такая вибрация может усилиться и вызвать повреждение подшипников, в которых установлен коленчатый вал, а также шатунов и поршней.
Прежде чем это произойдет, устройство, называемое датчиком положения коленчатого вала, должно обнаруживать неисправности.
Датчик положения коленчатого вала (показан ниже) установлен на блоке цилиндров и определяет скорость вращения и положение коленчатого вала. Датчик коленчатого вала отправляет эту информацию в ЭБУ автомобиля, который вносит коррективы для оптимизации работы двигателя.
Тем не менее, иногда исправления не могут быть сделаны, и если датчик коленчатого вала обнаруживает неисправность, ECU либо блокирует запуск двигателя в первую очередь, либо переводит его в режим «аварийного режима», в котором вы не будете возможность разогнать машину до определенного момента.
Вы также увидите на приборной панели индикатор «проверьте двигатель», информирующий вас о том, что автомобиль требует немедленного внимания.
Как нагнетатель работает с коленчатым валом?
В некоторых автомобилях, оснащенных нагнетателем, к концу коленчатого вала крепится шкив, который затем ремнем крепится к нагнетателю.
Когда двигатель работает, коленчатый вал быстро вращается, приводя в движение шкив, который приводит в движение ремень, а затем шкив на конце нагнетателя.
Затем включается турбина нагнетателя, всасывающая воздух и увеличивающая мощность двигателя.
Теги:
Двигатели
Рекомендуется для вас
Коленчатые валы — кованые
Во всех аспектах двигателя прочность является очень важным фактором, определяющим срок службы и уровень производительности, которых он может достичь.
В частности, одним из мест, где прочность является наиболее важным фактором, является коленчатый вал. Если мы остановимся, чтобы рассмотреть экстремальные силы, которые воздействуют на него с каждым оборотом двигателя, быстро становится очевидным, что работа, которую ему поручили, не является простым подвигом. Обеспечение того, чтобы у вас был лучший материал и дизайн для данного приложения, может быть разницей между получением результатов, к которым вы стремитесь, или столкновением с кучей горя.
Металлургия и процессы
Мы начнем обсуждение с рассмотрения различных прочностных характеристик материалов, из которых изготавливаются кривошипы, а также различий в производственном процессе. Изготовление литого кривошипа включает заливку расплавленного металла в форму для получения сырой отливки. Отливка выходит из формы, очень напоминая свою окончательную форму, и поэтому не требует такой тщательной чистовой обработки по сравнению с ковкой.
Поковки изготавливаются путем помещения нагретого куска заготовки в многотонные прессы, которые затем сжимают ее до нужной формы с помощью ковочных штампов.
Однако, в отличие от литья, ковка требует большего количества операций механической обработки и отделки, что в сочетании с затратами на материалы приводит к удорожанию изготовления детали. Чугунные кривошипы достигают предела прочности при растяжении 70 000-80 000 фунтов на квадратный дюйм, а добавление дополнительного углерода в железо дает нам железо с шаровидным графитом, которое немного выше — около 95 000 фунтов на квадратный дюйм. Ряд производителей послепродажного обслуживания производят коленчатые валы из литой стали, которые имеют еще большее содержание углерода и рассчитаны на растяжение около 105 000–110 000, что делает их более надежными для более высокой производительности и ударного механизма. Большинство этих шатунов будут иметь рекомендуемый производителем потолок мощности около 450-500 л.с. или около того, хотя они были выдвинуты за эту отметку из-за использования в определенных местах соревнований, где правила требуют литых шатунов (об этом мы поговорим подробнее).
позже).
Поковки изготавливаются путем помещения нагретого куска заготовки в многотонные прессы, которые затем сжимают ее до нужной формы с помощью ковочных штампов. Именно сжимающее действие делает конечный продукт более прочным, чем отливка, за счет достижения более последовательной или однородной зернистой структуры (обычно называемой потоком зерен) материала.
Однако, в отличие от литья, ковка требует большего количества операций механической обработки и чистовой обработки, что в сочетании с затратами на материалы приводит к удорожанию изготовления детали. Кованые коленчатые валы производятся во многих различных диапазонах прочности в зависимости от материала. Заводские кованые кривошипы изготавливаются из таких сталей, как 1010, 1045 и 1053, которые имеют предел прочности при растяжении 100 000–110 000 фунтов на квадратный дюйм. Показатели прочности на растяжение аналогичны литой стали, но показатель удлинения более чем в три раза. Это делает поковку менее хрупкой.
Стальные шатуны вторичного рынка изготавливаются из сплавов 5140, 4130, 4140 и 4340. Основной сорт стали для вторичного рынка — 5140, прочность на растяжение около 115 000 фунтов на квадратный дюйм. Этот материал может быть экономически выгодным для бюджетных сборок, но он используется не так часто из-за растущей доступности кривошипов из более прочного сплава, которые становятся все более доступными. К ним относятся поковки из стали 4130, 4140 и 4340, предел прочности при растяжении которых составляет приблизительно 120 000–125 000 фунтов на квадратный дюйм и до 140 000–145 000 фунтов на квадратный дюйм для 4340.
Основное различие между этими сплавами заключается в количестве хрома, углерода и молибдена, используемых в их композициях, с добавлением никеля к 4340. Еще одна особенность (буквально) поковок заключается в том, что кривошип изготавливается с помощью скрученного или нескрученного процесса. Поскольку кованые кривошипы прижимаются к штампу, для этого используются два разных метода.
Самый простой способ — выковать по одному броску кривошипа за раз в плоском ковочном штампе. Затем рукоятка крутится, и штамп выковывает следующий бросок.
При ковке без кручения все четыре броска куются одновременно, что исключает процедуру кручения, но для этого метода требуется более сложный штамп. Большинство производителей заявляют, что нескрученные поковки уменьшают внутренние напряжения коленчатого вала с помощью этого процесса, потому что меньше нарушается внутренняя зернистая структура материала. Существуют разные теории по этому поводу, но очень немногие производители высокопроизводительных шатунов используют процесс скручивания из-за имеющихся в наличии инструментов.
Теперь займемся кривошипами. Этот тип кривошипа изготавливается из цельного стержня из высокопрочного стального сплава, а не сжимается в форму с помощью прессов и штампов.
Материалы, используемые для этих кривошипов, обычно 4330M, EN30B и 4330V. Прочность на растяжение находится в диапазоне 160 000–165 000 фунтов на квадратный дюйм. Учитывая все остальные факторы, единственным реальным недостатком заготовки является стоимость. Хотя они дороже, чем поковки, есть преимущества, которые можно получить, используя заготовку. Поскольку форма и все другие размеры подвергаются механической обработке, заготовки позволяют изготавливать кривошип с размерами шейки, конструкцией противовеса и длиной хода, которые могут быть недоступны в поковке.
Нет никаких сомнений в том, что заготовка обладает прочностью, и они используются во многих областях, где важна усталостная долговечность кривошипа. Поскольку мы коснулись аспекта усталостной долговечности, мы будем использовать его как вход в тему пластичности.
Все кривошипы изгибаются под воздействием огромных нагрузок. Пластичность — это способность коленчатого вала изгибаться без образования трещин и возвращаться к своей нормальной форме без необратимого воздействия.
Давление сгорания, скорость поршня и общий вес компонентов, прикрепленных к кривошипу, работают на создание этих нагрузок. Если мы рассмотрим физическую работу двигателя с точки зрения коленчатого вала, мы увидим, что он перемещает компоненты от нуля до максимальных оборотов и обратно до нуля дважды за каждый оборот. Учтите при этом давление, добавленное от сгорания, и инерционные факторы скорости поршня (вес компонентов, умноженный на ускорение), и мы увидим, насколько важно иметь коленчатый вал, который обеспечивает наилучшее сочетание прочности и пластичности для данного применения. Это, однако, еще одна область, где в отрасли существуют разногласия по вопросу о прочности поковки/заготовки.
Одни специалисты утверждают, что поковка будет прочнее заготовки, другие считают наоборот. Существуют различные аргументы в поддержку каждого направления мысли, но, на мой взгляд, заготовка обладает большей прочностью.
Независимо от того, к какому лагерю вы относитесь, основная цель при выборе кривошипа должна основываться на требованиях вашего приложения, которые необходимы для достижения максимально возможного срока службы.
Конструкция коленчатого вала
Форма и расположение противовеса влияют на основные нагрузки на подшипники и балансировку кривошипа. Нагрузка на подшипник не требует пояснений, но балансировка является областью переменных. Производители коленчатых валов отлично справляются со своей работой, предлагая продукты, которые обычно можно довольно легко сбалансировать вокруг определенного целевого веса. Я использую слово «обычно» из-за огромного количества компонентов, из которых состоят вращающиеся узлы. Размер поршня, размеры колец, тип шатуна и конструкция шатунного вкладыша определяют грузоподъемность, до которой кривошип должен быть сбалансирован.
Материалы, из которых изготовлены эти детали, также различаются по весу: алюминиевый шток намного легче стального, заэвтектические и кованые поршни имеют разный вес, как и другие части, из которых состоит вращающийся узел.
В качестве примера давайте рассмотрим пару малоблочных двигателей Chevy, в которых будет использоваться коленчатый вал с ходом 3,480. Допустим, первый двигатель строится для автомобиля 305 sprint. Поршни имеют диаметр отверстия 3,796, комплект тонких колец, двутавровые шатуны и шатунные подшипники со скошенными кромками. В зависимости от марки, эта комбинация должна иметь вес около 159 бобов.От 0 до 1610. Второй двигатель представляет собой 377-кубовый шатун для улицы с поршнями диаметром 4,155 дюйма, более толстым пакетом колец, шатунами с двутавровой балкой и подшипниками со скошенными кромками. Опять же, в зависимости от используемых марок, эта комбинация должна иметь бобовую массу в диапазоне от 1760 до 1780. Оба двигателя будут использовать один и тот же номер детали на коленчатом валу, но с разницей в бобовой массе почти 200 граммов, мы можем видеть, что они для каждого требуется свой подход к балансировке. Облегченный коленчатый вал
Magnum. Этот пример показывает, как в одном и том же коленчатом валу может быть просто снято некоторое количество материала с противовесов одного путем сверления, тогда как для другого двигателя может потребоваться добавление куска маллори для достижения правильного баланса.
Еще одна область при работе с коваными кривошипами вторичного рынка — это больший гладкий радиус между шатунными шейками и противовесами, который используется для дополнительной прочности в этом месте. Для кривошипов с этой конструктивной особенностью потребуются шатунные подшипники со скошенными (или суженными) кромками, которые упоминались в примере балансировочных комбинаций.
Форма противовеса также влияет на сопротивление воздуха в масляном поддоне. В прошлые годы производители обрабатывали то, что называлось «лезвие ножа» на передней кромке противовесов, но с тех пор перешли к более округлой или «бычьей» форме после того, как обнаружили, что острые углы будут отклонять масло, а не наоборот. чтобы он мог обтекать противовес.
Однако на задней кромке противовеса можно использовать более острую кромку, чтобы создать более аэродинамическую форму. Дополнительные противовесы, добавленные к центру коленчатого вала, также могут помочь в более мощных двигателях и двигателях для соревнований, уменьшая величину отклонения кривошипа на высоких оборотах и в приложениях с принудительной индукцией.
Хотя это также увеличивает общий вес кривошипа, стоит пойти на компромисс ради долговечности, потому что жесткость важнее веса.
Продолжая думать о долговечности, мы подошли к вопросу о перекрытии журналов. Это величина, на которую коренные и шатунные шейки кривошипа перекрывают друг друга. Чем больше нахлест присутствует в кривошипе, тем прочнее он будет. По мере увеличения длины хода шейки стержней отодвигаются дальше от главной оси, тем самым уменьшая перекрытие, а также часть прочности. Другой пример, который может уменьшить перекрытие, — это приложения, в которых используются коренные и шатунные шейки меньшего диаметра для снижения скорости подшипника и / или обеспечения дополнительного зазора за счет возможности использования шатуна меньшего размера.
Промасливание и термообработка
Существует ряд обработок, которые могут быть выполнены для снятия напряжения, а также для повышения уровня прочности коленчатого вала. Они могут быть химическими, вибрационными, криогенными, нагретыми и т.
д., но мы обсудим два наиболее широко используемых в настоящее время — индукционную закалку и азотирование.
Азотирование осуществляется путем нагрева кривошипа в печи с присутствием азота и других газов. Ионизированный азот наносится в вакууме на поверхность коленчатого вала, который проникает в металл во время этого контролируемого процесса нагрева и увеличивает твердость и усталостную долговечность кривошипа.
Дополнительные противовесы в центре коленчатого вала могут быть полезны для более мощных двигателей для соревнований за счет уменьшения отклонения кривошипа.Индукционная закалка выполняется путем быстрого нагрева кривошипа с помощью высокочастотного переменного магнитного поля, которое обеспечивает проникновение в поверхность, необходимое для укрепления кривошипа.
Завершим наше обсуждение смазыванием каналов кривошипа. Масло под давлением от коренных подшипников подается через каналы, просверленные в коленчатом валу, к шатунным шейкам для смазки шатунных подшипников.
Когда-то многие высокопроизводительные кривошипы были просверлены на всем протяжении основных мест, чтобы выровнять поток масла к подшипникам. Хотя это может быть приемлемым для двигателя, который будет работать на более низком уровне оборотов, отраслевой опыт доказал, что это имеет противоположный эффект на более высоких оборотах двигателя, фактически вытягивая масло из отверстий на шатунные шейки под действием центробежной силы.
LS Коренные крышки Кривошипные шатуны вторичного рынка теперь изготавливаются с масляными каналами, просверленными под определенным углом от коренных шеек к шатунным шейкам, чтобы обеспечить более равномерное смазывание и больше не использовать поперечное сверление в основных местах. Отверстия смазочных отверстий в каждой шейке также имеют большую фаску, чтобы повысить эффективность смазки и устранить любые острые края.