Как закаливают коленвал


Способы повышения прочности коленчатых валов

В данной статье мы рассмотрим особенности материалов и способов обработки коленчатых валов, поскольку конструкция коленчатого вала чаще всего уже определена изготовителем.

Коленчатый вал - одна из наиболее ответственных, напряженных и дорогостоящих деталей двигателя. Силы, действующие на коленчатый вал вызывают трение и изнашивание его шеек и подшипников, усталостные разрушения в местах переходов шеек в щеки и в местах выводов масляных каналов, а также крутильные, изгибные, поперечные, осевые колебания. Коленчатый вал должен иметь достаточную прочность, жесткость, износостойкость, а вместе с тем относительно небольшую массу, надежность, высокую твердость поверхности, точность изготовления и  обработки шеек коленвала, динамическую уравновешенность и отсутствие вибраций.

Применимо к двигателям отечественной сельскохозяйственной, строительной, специальной техники еще в советское время разработаны оптимальные конструкции коленчатых валов, которые проверены временем. Следует обратить внимание, что даже небольшие на первый взгляд погрешности (например, срезание галтели при шлифовке коленвала) очень существенно влияют на предел прочности детали. Тем более не следует вносить "усовершенствования" в конструкцию коленчатого вала. Например, расположение масляного канала в шатунной шейке оказывает большое влияние на прочность коленчатого вала, должно располагаться под конкретным углом, в противном случае в точках, соответствующих выходу канала на поверхность появятся избыточные напряжения.

В настоящее время на рынке Украины для одного и того же двигателя можно купить коленчатые валы, изготовленные по самым различным технологиям. Например, коленчатый вал Д-65 (трактор ЮМЗ) может быть: стальным кованным (луганские валы, российские, индийские), литым чугунным (валы китайского производства, BLAT Industrial), может иметь закалку ТВЧ (луганские, российские валы), может не иметь (индийские валы), может быть выполнен из серого чугуна (некоторые китайски марки), может изготовляться из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (BLAT Industrial). В то же время конструктивно, т.е. геометрически, отличий между коленчатыми валами разных производителей не так много.

Итак, по способу изготовления коленчатый вал может быть кованным и литым.

Кованный коленчатый вал изготавливается из конструкционных сталей. Основным недостатком такого способа является возникновение внутренних напряжений при изготовлении поковки. Для уменьшения напряжений в поковках вала направление волокон должно соответствовать конфигурации колен. Поковки подвергают отжигу для устранения напряжений и облегчения обработки. Для двигателей сельскохозяйственной и строителеьной техники прочность стального коленчатого вала является недостаточной, поэтому применяют специальные термохимические способы упрочнения шеек коленчатых валов: закалка шеек токами высокой частоты, азотирование, цементация. Следует отметить, что термохимические способы упрочнения шеек на данный момент применяют только отечественные заводы. Импортные производители не проводят термохимическое упрочнение шеек по финансовым и технологическим причинам.

Закалка шеек коленчатого вала токами высокой частоты (закалка ТВЧ) - наиболее распространенный метод повышения прочности коленчатыйх валов двигателей сельскохозяйственной, строительной, специальной техники. Закалка ТВЧ проводится в специальных индукторах. Переменный ток определенной частоты вызывает быстрый нагрев поверхности детали и, после быстрого охлаждения, образуется закаленный слой высокой твердости. Этот слой может иметь глубину до 3 мм. Метод закалки ТВЧ высокопроизводителен и точен. Однако, стоимость оборудования (для каждого вида коленчатого вала необходим отдельный индуктор) высока и может окупиться только в массовом производстве. Этот метод широко используется на отечественных заводах и не используется небольшими импортными производителями. Подавляющее большинство коленчатых валов российских, украинских, беларусских заводов закалены токами высокой частоты. Часто закалка ТВЧ оставляет на поверхности шеек рыжеватого цвета разводы, т.н. цвета побежалостии и их наличие или отсутствие позволяет определить прошел закалку ТВЧ конкретный коленвал, или нет.

Азотирование - термохимический метод упрочнения поверхности, основанный на насыщеннии азотом в специальной среде. Позволяет получить существенно более высокую твердость поверхности, чем закалка ТВЧ, а также повышет коррозионную стойкость. Предел выносливости сталей на изгиб и кручение при азотировании повышается на 30-40%Недостатком этого метода упрочнения является очень небольшая глубина азотированного слоя - до 30 микрон. После азотирования детали необходимо подвергать механической обработке очень осторожно, вследствие появления микроскопических трещин при шлифовании галтелей сопротивление усталости снижается. Все это приводит к тому, что такой коленчатый вал может быть отшлифован только на размер 1Р и далее, как правило, выбрасывается. Азотирование существенно повышает стоимость детали. Так цена коленчатого вала, прошедшего азотирование в 1,5 раза выше, чем цена коленвала, упрочненного ТВЧ. Высокая стоимость обуславливает применение азотированных коленчатых валов лишь в высоконагруженных форсированных двигателях (карьерная техника, БелАЗ, СуперМАЗ). Этот метод упрочнения активно используется Ярославским моторным заводом для коленчатых валов двигателей ЯМЗ-236Н, ЯМЗ-238БЕ, ЯМЗ-238НД и др.

Цементация и нитроцементация, как методы повышения твердости, редко используются для коленчатых валов двигателей сельскохозяйственной и строительной техники.

Литые коленчатые валы в последнее время существенно увеличили свою долю на рынке. Следует отметить, что технология изготовления литого чугунного коленчатого вала далеко не нова. Например, по такой технологии завод "Серп и Молот Дизель", Харьков изготавливал коленчатые валы СМД-18 для двигателей СМД-18Н (ДТ-75 и др.). По мнению некоторых исследователей при отливке коленчатого вала из чугуна с шаровидным графитом (высокопрочные чугуны марки ВЧ) можно создать конструкцию с характеристиками по прочности практически такими же высокими, как у стального кованного вала при одинаковых внешних диаметрах шеек. Следует обратить внимание, что такой результат может быть достигнут только при использовании высокопрочного чугуна, другие виды чугуна не обеспечивают достаточной прочности. Технология изготовления чугунного коленчатого вала имеет несколько преимуществ: существенная экономичность, прекрасная работа чугунного коленчатого вала на трение, хорошая прирабатываемость детали, отсутствие внутренних напряжений в заготовке детали, равномерная твердость коленчатого вала по всему сечению. К недостаткам чугунных коленчатых валов следует отнести несколько меньший межремонтный период, необходимость качественного литейного оборудования, а также то, что в условиях нашего рынка покупателю необходимо контролировать сплав и твердость коленчатого вала при покупке, далеко не все марки удовлетворяют требованиям прочности. Шлифовка чугунного коленчатого вала должна производиться с использованием люнетов. Чугунные коленчатые валы прекрасно зарекомендовали себя для тракторной техники, в особенности при работе в двигателях Д-65, Д-144, Д-240, Д-21. Хороший результат показывают также при использовании в V-образных двигателях ЯМЗ-236, ЯМЗ-238. Вместе с тем, для комбайновой техники (СМД-31, ЯМЗ-238АК), для 12-цилиндровых (ЯМЗ-240), для рядных 6-цилиндровых (СМД-31, А-01М) более оптимальны отечественные валы.

Закалка - коленчатый вал - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Закалка - коленчатый вал

Cтраница 1


Закалка коленчатых валов может производиться также машиной с баками, в которые заливается охлаждающая жидкость. Шейки вала, нагреваемые последовательно, каждый раз опускают в охлаждающую жидкость для закалки.  [2]

Закалка коленчатого вала ЗИЛ-130 производится на двух автоматических линиях. В связи с тем что нагрев детали производится охватывающими индукторами, после закалки допускается снижение твердости с HRC 62 - 52 до твердости заготовки в зоне галтелей на длине 6 мм максимум. Микроструктура закаленного слоя должна представлять собой мартенсит мелко - или средне-игольчатого строения или троостомартенсит. Коренные и шатунные шейки закаливаются на глубину 6 7 - 3 3 мм, а шейки под шкив - на глубину 1 8 - 4 7 мм на длине 60 мм с отступлением на 12 мм от торца конца вала. Охлаждение детали при закалке совмещено с дополнительной промывкой.  [3]

При закалке коленчатых валов, шпинделей, валков и других деталей цилиндрической формы можно наметить четыре варианта закалки.  [5]

В результате проведенных исследований закалки коленчатых валов, имевших целью изучить условия возникновения указанных дефектов и установить оптимальный режим, обеспечивающий их полное устранение, установлено, что: 1) вращение закаливаемой детали независимо от режима нагрева обеспечивает получение закаленной поверхности без каких бы то ни было пороков; 2) образования трещин можно избежать, если отверстия в индукторе сверлить под углом таким образом, чтобы струйки воды попадали на нагретую поверхность металла не под прямым углом; 3) применение для закаливаемых деталей стали с суженным пределом по содержанию углерода и марганца и стали с мелким зерном снижает образование трещин; 4) предварительная нормализация и, особенно, улучшение способствуют образованию мелкоигольчатого мартенсита после электрозакалки, получению равномерной твердости по сечению, уменьшает напряжения и возможность возникновения трещин; 5) закрытие масляных и других отверстий медными стержнями, а также подача в отверстия струи закалочной воды предохраняет от возникновения трещин у масляных отверстий; 6) применение для охлаждения эмульсии не предохраняет полностью от появления трещин, но способствует некоторому уменьшению их количества; 7) предварительный нагрев деталей до температуры 600 - 650 без охлаждения, а также пауза 2 - 3 сек.  [6]

Вторым дефектом, имеющим место в практике закалки коленчатых валов, являются трещины у масляного отверстия. Эти трещины, располагающиеся перпендикулярно к отверстию, имеют протяженность 3 - 5 мм на глубину 0 2 - 0 5 мм; они образуются вследствие неравномерности распределения тока, а значит и тепла у отверстий. Средством, дающим возможность избежать появления этих трещин, является способ, предложенный лабораторией проф.  [7]

Предел выносливости коленчатых валов зависит также от распространения закаленной зоны на щеках. После закалки коленчатых валов закаленная зона на шейках находится на расстоянии 5 - 10 мм от щек. Такое расположение закаленной зоны вызывает образование значительных остаточных напряжений растяжения в галтелях, что, в свою очередь, снижает усталостную прочность вала.  [8]

Станок для закалки коленчатых валов с нагрева токами высокой частоты спроектирован под руководством проф. Этот станок является сложным автоматом. Все шейки коленчатого вала на этом станке обрабатываются без передвижения вала, что является большим преимуществом. Вал, будучи установлен в центрах закалочного станка, выходит через 2 мин.  [9]

Подстуживание стали перед закалкой приводит к меньшему короблению вследствие меньшего перепада температур я тепловых напряжений. Наприме

Технология восстановления коленвала

В  технологическом процессе предусматривается закалка шеек коленчатых валов ТВЧ в кольцевых индукторах. Сложность геометрии вала, наличие кривошипов и щек предопре­деляли необходимость изготовления индукторов из двух половин, которые после их установки на шейку вала замыкались. При такой конструкции индуктора очень трудно обеспечить необходимую равномерную ширину и глубину закаленного слоя из-за невоз­можности обеспечить хороший электрический контакт по всей площади разъема индуктора и магнитной асимметрии, вызванной различными массами щек по окружности шеек, которые соответ­ственно создают различные магнитные сопротивления магнитному молю индуктора. Разъем индуктора и асимметрия магнитного поля вызывают неравномерную ширину и глубину закаленного слоя. И результате ширина закаленного слоя шеек нередко колеблется до 10—15 мм. Неравномерность нагрева в сочетании с неравно­мерностью охлаждения, обусловленной падением душевых струй В одни и те же точки на поверхности шеек, вызывает образование закалочных микротрещин, особенно при засорах нескольких ря­дом расположенных спрейерных отверстий на индукторе. Эти же причины усугубляют и образование закалочных микротрещин на кромках масляных каналов, которые значительно снижают усталостную прочность вала. Разработка и внедрение установок для закалки способом растушевки с вращением вала в значитель­ной степени устранило неравномерность нагрева и охлаждения, ликвидировало условия для образования микротрещин, умень­шило неравномерность ширины закаленной зоны. Недоста­ток разъемных кольцевых индукторов — трудность регулирова­ния интенсивности нагрева по длине шейки, невозможность регу­лирования температуры на отдельных ее элементах. Лучшее ре­шение дало применение петлевых секторных индукторов, охваты­вающих часть окружности шейки вала. Такая конструкция индуктора, снабженного спрейерами, позволяет в широких пре­делах регулировать интенсивность нагрева на отдельных элемен­тах шеек. Достигается это изменением соотношения его ширины и длины, сечения меди отдельных сторон петли, а также приме­нением пакетов магнитопроводов.

Эти свойства петлевых секторных индукторов позволили устра­нить перегрев кромок масляных каналов и неравномерность их температуры, отказаться от их экранировки медными пробками, а также уменьшить неравномерность ширины слоя до 1 мм. Зазор между шейкой и индуктором поддерживается с помощью роликов или твердосплавных опор. Закалка шеек способом растушевки с применением односторонне расположенных петлевых индукто­ров, охватывающих часть поверхности при вращающейся детали, обеспечило равномерный нагрев по всей шейке, повысило качество коленчатых валов. Улучшение качественных показателей, опре­деленных на опытных партиях коленчатых валов из сталей 50Г-СШ и 50ХФА, закаленных на установках с петлевыми индук­торами, характеризуется практически полной ликвидацией микро­трещин на кромках масляных каналов при аннулировании их экранировки, уменьшением дефектов на шейках в зоне разъема штампа в 4 раза, уменьшением шлифовочных микротрещин на шейках в 7 раз. Снижение различного рода микротрещин объяс­няется прежде всего уменьшением остаточных внутренних зака­лочных напряжений.

Способ растушевки позволяет калить шейки вала с выходом закаленного слоя на галтель. Таким способом закаливалась пар­тия коленчатых валов из стали 50Г-СШ в нормализованном со­стоянии. Испытания показали, что предел их выносливости уве­личивается до 60%. Однако при шлифовании шеек с закаленными галтелями, в связи с тяжелыми условиями работы абразивного круга наблюдаются прижоги и трещины, повышение шерохова­тости поверхности галтелей и торцов. Поэтому необходимы дальней­шие исследования и отработка технологии шлифования, в частности применение кругов прерывистого шлифования и т. д.

Выбор правильного способа охлаждения в процессе закалки определяет прокаливаемость и, следовательно, степень использования прочностных свойств металла, применяемого для данной детали. В связи с этим при  переходе в изготовлении деталей  углеродистых сталей к легированным необходимо   тщательно   исследовать,  обеспечивается ­ли надлежащая  прокаливаемость и нет ли резервов, которые можно реализовать улучшением процесса охлаждения при закалке.  Улучшение процесса охлаждения определятся выбором не только рационального для  данной детали способа, но и самой охлаждающей среды.  Традиционные  зака­лочные среды — вода и индустриальное ма­сло во многих случаях не обеспечивают оптимальных скоростей охлаждения с целью получения оптимальных  прочностных свойств деталей,  определяемых прокаливаемостью, твердостью и величиной остаточных напряжений. Разница в охлаждающих свойствах масла и воды слишком велика, ее невозможно ликвидировать выбором способа охлаждения и регулированием интенсивности циркуля­ции закалочной среды. Правда, за последние годы этот недостаток устраняется применением водных растворов неорганических и химических веществ. Для поверхностной закалки с душевым охлаждением коленчатых валов и других деталей из легированных к и успешно используется созданная на ЯМЗ полимерная закалочная среда ЗСП-1. Физическая сущность регулирования скорости охлаждения в таких закалочных средах заключается в образовании вокруг нагретой детали слоя полимера, обладающего по сравнению с водой лучшими физико-химическими свойствами, обеспечивающими более мягкое, равномерное охлаждение и закалку без мягких пятен. Образуемая на поверхности закаливаемой детали пленка полимера по мере охлаждения частично вновь растворяется. Скорость охлаждения регулируется изменениями концентрации раствора. Особое значение полимерные закалочные среды имеют для расширения области применения поверхностей закалки ТВЧ деталей из легированных марок сталей, для которых нельзя применять воду вследствие трещинообразования.

Восстановление коленчатого вала.

Замена индустриального масла жидкостью ЗСП-1 при закалке коленчатых валов двенадцатицилиндровых двигателей из стали 60ХФА обеспечила повышение износостойкости за счет увеличения твердости после закалки с НRС 60—61 до НRС 63—64, а применение вращения вала при закалке шеек снизило величины коробления . Одновременно достигнуто снижение растягивающих остаточных напряжений при закалке, что проявилось в повышении изгибной усталостной прочности на 9% и крутиль­ной усталости на 40%.

Закалка ТВЧ повышает твердость, а следовательно, и износо­стойкость шеек коленчатого вала. Однако при обычно применяе­мой технологии закаленная зона на шейках расположена на рас­стоянии 8-10 мм от щеек, а галтели, являясь концентраторами напряжений, остаются незакаленными. Поэтому усталостные раз­рушения в зоне галтелей — одна из причин поломок коленчатых валов.

С целью повышения усталостной прочности коленчатые валы шести- и восьмицилиндровых двигателей на ЯМЗ упрочняют методом пластического деформирования путем обкатки галтелей роликами. Упрочнение осуществляется на специальных полуав­томатических станках фирмы «Хегеншайдт», где одновременно обкатываются все галтели коренных и шатунных шеек за один цикл работы станка

По рекомендации фирмы упрочнение должно быть завершающей операцией технологического процесса и производиться на полностью обработанной детали. Такая тех­нология и была заложена при создании специального станка. Однако уже при первом испытании станка выявилось, что боль­шинство валов после операции обкатки получало деформации, выходящие за пределы допуска чертежа (после обкатки биение коренных шеек достигло на некоторых валах 0,2 мм при допуске 0,03 мм). Исследования, проведенные с целью установления влияния усилия и времени обкатки на величину и направление деформации, не выявили какой-либо закономерности. Это дало Основания считать, что избежать деформации детали не представляется возможным, так как полученные поводки являются след­ствием  уплотнения  наружных  поверхностных  слоев металла в зоне галтели. Устранение биения вала за счет введения правки исключалось, так как при этом возможно некоторое снижение усталостной прочности коленчатых валов. Известны методы, когда упрочнение галтелей производится перед окончательным шлифо­ванием шеек, для чего галтели поднутряются в тело вала, и окон­чательное шлифование шеек выполняется после упрочнения гал­телей. Однако такая технология требовала перестройки процесса и введения дополнительных специальных высокоточных станков для протачивания поднутренных галтелей. С целью использова­ния имеющегося оборудования поточной линии разработан тех­нологический процесс, предусматривающий поднутрение галтелей только на коренных шейках, одновременную обкатку всех корен­ных и шатунных шеек с последующим окончательным шлифова­нием только  коренных  шеек.

Восстановление коленчатого вала.

Принципиальное отличие данной технологии заключается в том, что профилирование поднутренных галтелей производится не токарной обработкой, а шлифованием одновременно с предвари­тельным шлифованием коренных шеек. Технологический маршрут обработки шеек вала, включающий подготовительные (перед обкаткой) и завершающие операции по изготовлению вала, имеет следующие операции:

1 — предварительное шлифование торцов коренных шеек;

2 — получистовое шлифование коренных шеек С одновременным профилированием поднутренных галтелей;

3 — чистовое шлифование шатун­ных шеек и галтелей;

4 — шлифо­вание хвостовика переднего конца вала под фальшгалтель и стяжной хомут;

5 — обкатывание;

6 — окон­чательное шлифование коренных шеек;

7 — суперфиниширование и полирование коренных и шатун­ных шеек.

Как правильно закалить вал из 40Х - Термообработка

Шлицы на тв. 40-45 термообрабытывают в случае, когда есть движение вдоль шлица, в остальных случаях что насчитали на прочность (часто закладывают нормализованный прокат).

В любом случае лучше всего при изготовлении ремонтной детали, или копии лучше проверить твердость на ней самой и попытаться определить форму закалки на тот случай не цементованный (азотированный) ли вал или не термообработан ли ТВЧ (обычно в таких случаях у исходный вала по шлицу напильник будет скользить и тв. будет не менее 60 HRCэ), в этих случаях вал на 40Х можно будет заменить только с качественно исполненной ТВЧ закалкой.

В случае когда на исходном валу твердости нет - что-то типа 18-24 HRCэ, можно шлицы резать по термообработаной заготовке на тв. 30-35 HRCэ (но в этом случае в следующей раз срежет другую слабую деталь).

Если вал уже изготовлен с шлицами и нет возможности ничего проверить присоединяюсь к Inspector 40-45 HRCэ.

Коленвал ДВС | АВТОСТУК.РУ

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:

  1. Металл коленвала.
  2. Элементы коленевала.
  3. Назначение коленвала.
  4. Обработка коленвала.

 

Металл коленвала

Коленчатый вал ДВС воспринимает большие нагрузки, поэтому он изготавливается с большим запасом прочности. Материалы для изготовления коленвала следующие:

  • углеродистая сталь;
  • хромомарганцевая сталь;
  • хромоникельмолибденовая сталь;
  • высокопрочный чугун.
Марки стали состава коленвала в порядке распространенности:
  1. Сталь 45. Означает, что в сплаве металла содержится от 0,42 до 0,5 % углерода (С).
  2. Сталь 45Х. Это конструкционный легированный сплав, в котором содержится хром в количестве 1%. Из справочников по ГОСТу хрома содержится в этой марке от 0,8 до 1,1 %.
  3. Сталь 45Г2. Буква Г в шифре стали означает, что содержится марганец (Mn) в количестве 2%.
  4. Сталь 50Г. Этот шифр обозначает, что это марганцевая сталь с содержанием 1% марганца (Mn) и 0,5% углерода (С).

Если в шифре сплава металла содержится более, чем 2,14% углерода (С), то — это чугун.

Марки стали коленвалов дизельных двигателей:
  1. Сталь 40ХНМА.
  2. Сталь 18ХНВА.

 

Элементы коленвала

Коленчатый вал (коленвал) ДВС состоит из:

  1. Коренная шейка.
  2. Шатунная шейка.
  3. Щёки.
  4. Передняя выходная часть вала или, по-другому — носок.
  5. Задняя выходная часть вала, или, по-другому — хвостовик.
  6. Противовесы.

Коренная шейка вала коленчатого вала — это специальное посадочное место для коренного подшипника, на котором сидит и вращается коленвал.

Обозначения рисунка «Коленчатый вал ДВС»:

  1. Фланец маховика.
  2. Противовесы.
  3. Шатунные шейки.
  4. Коренные шейки.
  5. Щека.
  6. Отверстия подвода масла к шейкам.
  7. Противовесы.
  8. Коренная шейка упорного подшипника.
  9. Посадочное место звездочки (шестерни) привода распределительного вала.
  10. Носок коленчатого вала.

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.

 

Назначение коленвала

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.

 

Обработка коленвала.

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.

 

Автор публикации

15 Комментарии: 25Публикации: 324Регистрация: 04-03-2016

Как поправить коленвал / Ремонт двигателей

Когда речь заходит о капитальном ремонте двигателя, от механиков часто слышишь: «Отдам коленчатый вал шлифовщику, прошлифует, и все будет как надо...» К сожалению, «как надо» получается редко, и качественно отремонтировать коленчатый вал только шлифовкой не удается. Почему? Попробуем разобраться.

Коленчатый вал, без сомнения, одна из главных, если не самая главная, деталь двигателя, определяющая его надежность и долговечность. В этом убедиться нетрудно, достаточно сравнить цену коленвала с ценой любой другой детали двигателя. А раз так, то в случае износа или повреждения во время эксплуатации автомобиля коленчатый вал надо постараться восстановить - это, как правило, заметно дешевле, чем покупать новый.

Но при восстановлении коленчатого вала надо помнить: его надежность и долговечность не должны снизиться. Иначе ремонт, каким бы легким и простым он ни был, окажется слишком дорогим, так как деньги и время будут потрачены зря.

К сожалению, подобная ситуация - не редкость в отечественной практике. На некоторых ремонтных предприятиях коленчатый вал в результате ремонта иной раз приобретает почти фантастические свойства - начинают «пропускать» его сальники, выходят из строя детали привода распределительного вала и даже коробки передач. Случается и так, что стремительно падает давление масла в системе, а при проверке оказывается, что коренные подшипники быстро износились. Часто после ремонта заметно возрастают вибрации двигателя, да и работает он слишком шумно. Почему? Причин несколько, но, чтобы в них разобраться, сперва попробуем ответить на главный вопрос:

Что случилось с коленвалом?

Коленчатый вал - деталь не только очень дорогая, но и наиболее нагруженная (может, поэтому и дорогая). Силы, действующие на него, весьма велики. Это силы давления газов, передаваемые при сгорании топлива через шатуны от поршней, а также силы инерции от их возвратно-поступательного (вверх-вниз) движения. Более того, действующие силы переменны по величине и направлению, а значит, пытаются гнуть и ломать коленчатый вал одновременно в разных сечениях.

Чтобы противостоять таким нагрузкам, вал должен быть жестким и прочным, причем очень важна его усталостная прочность, т.е. способность выдерживать переменные нагрузки.

Одновременно поверхности шеек коленвала должны обладать способностью противостоять износу на протяжении многих тысяч часов работы. Ну а все вместе это достигается соответствующей конструкцией, материалами и технологией обработки коленчатых валов на заводе-изготовителе.

При нормальной эксплуатации коленвал будет работать очень долго. Но случается это, увы, не всегда. Если использовать масло низкого качества и неизвестного происхождения, не контролировать его уровень, менять масло и фильтр, «когда придется», гонять двигатель длительное время на максимальных режимах, да еще и недостаточно прогретым, то - будьте уверены - без последствий для коленвала это не пройдет.

Самые распространенные повреждения валов - из-за недостаточной смазки. В основном это задиры шеек, т.е. «схватывание» разнородных металлов в сопряжении «шейка-вкладыш» с переносом и наволакиванием металла одной детали на другую. Задиры всегда сопровождаются увеличением зазора в подшипнике, износом рабочих поверхностей с глубокими кольцевыми рисками, а иногда - перегревом и даже расплавлением вкладышей.

Задиры и износы, как правило, сами по себе не так страшны, - ведь у большинства двигателей шейки коленвала могут быть перешлифованы в ремонтный (уменьшенный) размер, причем даже не в один, а в несколько. Беда в другом - задир сопровождается местным нагревом поверхности шейки, иногда весьма и весьма значительным, в сотни градусов. А тут еще масло продолжает поступать. Чем не режим закалки?

После остывания такой вал обязательно окажется деформирован. Как? Очень просто. Та сторона шатунной шейки, которая воспринимает наибольшую нагрузку от шатуна, естественно, и разогревается сильнее. Нагрев - это расширение, значит, вал будет гнуться так, что щеки кривошипов по обе стороны этой шатунной шейки окажутся сведенными. Что же в таком случае будет с осью вращения вала? Она тоже изогнется, а это значит, что нарушится соосность коренных шеек вала, вал станет откровенно кривым. И такая ситуация возникает в 99% случаев задиров шеек.

Но как это повлияет на ремонт? Ну погнулся вал, и что? Ведь есть же ремонтные размеры! Прошлифовать его сразу во второй или даже в третий ремонт, и все дела!

Все да не все. На практике эта простота оказывается не только обманчивой, но и опасной.

Как не надо ремонтировать

Во многих мастерских на деформацию вала вообще не обращают внимания. Берут и шлифуют кривые валы, полагая, что после этого они становятся прямыми. И этого достаточно.

Недостаточно. Ведь на концах коленчатого вала находятся посадочные поверхности шестерен, шкивов, маховиков, а также рабочие поверхности под сальники. Все эти поверхности после шлифования кривого вала оказываются несоосными коренным шейкам, т.е. приобретают взаимное биение.

Согласно ТУ заводов-изготовителей, такие биения не должны превышать 0,010-0,020 мм. Куда там! После описанного «ремонта» иной раз и 0,1 мм можно почитать за благо. Что дает такое биение для двигателя, вкратце уже рассказано выше. Добавим лишь, что при биении поверхности в 0,1 мм даже самый лучший и дорогой сальник неспособен обеспечить герметичность. Такое же биение, например, звездочки цепи ГРМ приведет к резкому снижению ресурса цепи, значительному возрастанию шума и опасности поломок натяжителя и успокоителей. В свою очередь биение задней части коленчатого вала вызывает нагрузки на первичном валу коробки передач, подшипник которого вряд ли проживет долго.

Но самое главное, вал станет неуравновешенным - его балансировка, тщательно выполненная на заводе-изготовителе, из-за смещения осей вращения шеек от их исходного положения нарушится. Свою лепту в это дело вносят и маховики, причем вибрация иной раз оказывается настолько сильной, что сама эксплуатация автомобиля с таким двигателем проблематична.

Нередко прошлифовать кривой коленчатый вал бывает просто невозможно. Например, если биение шеек превышает их максимальное ремонтное уменьшение, вал обычно выбрасывают и покупают новый. А это совсем недешево, особенно, если речь идет об иномарках. Но и шлифовать вал сразу в последний ремонтный размер тоже неразумно - ведь его ресурс в этом случае практически исчерпывается.

Еще одна проблема связана с радиусами кривошипов - при шлифовании деформированного вала они, скорее всего, окажутся разными. Тогда двигатель дополнительно получит вибрации от масс нижних головок шатунов, вращающихся на разных радиусах, и от разницы в рабочих процессах цилиндров из-за изменения их рабочего объема и степени сжатия.

Что же делать с валом, если он кривой?

Конечно, теоретически и кривой коленчатый вал можно (правда, не всегда) восстановить так, чтобы все поверхности имели допустимое биение относительно коренных шеек. Теоретически, потому что это слишком сложный, трудоемкий и дорогой путь, включающий целый ряд операций, в том числе восстановление поверхностей, старение, динамическую балансировку и др.

Гораздо проще попытаться выправить кривой вал так, чтобы затем прошлифовать его в ближайший ремонтный размер. Иными словами, надо разогнуть его обратно. Правда, если вал имеет задиры на нескольких шейках, да еще расположенных в разных плоскостях, то кривая его прогиба становится пространственной. Распутать такую кривую - и наука, и детектив одновременно. Но сделать это необходимо, иначе качественно вал не отремонтировать.

Учитывая все эти обстоятельства, в разное время были разработаны специальные способы правки коленчатых валов. Рассмотрим некоторые из них более подробно.

Самый известный и распространенный способ заключается в следующем: вал кладется на две опоры, а усилие с помощью пресса прикладывается между ними, причем в наиболее удаленной от оси точке.

Таким способом, действительно, удается поправить вал, но установить точно, в каком конкретно месте возникает деформация при правке, очень трудно. Однако известно, что деформациям в первую очередь подвергаются самые «слабые» места вала. В основном это галтели - места перехода шеек к щекам. А тогда выявляется главный недостаток этого способа. Как известно, галтели - это концентраторы напряжений. Чтобы повысить усталостную прочность вала, галтели выполняют радиусными, шлифуют, полируют, а иногда и механически упрочняют специальными методами. При обычной правке в галтелях появляются напряжения растяжения. Они очень опасны, поскольку приводят к снижению усталостной прочности вала, появлению трещин и в конечном счете к поломке вала. Это обстоятельство и является главной причиной того, что подавляющее большинство производителей запрещает править свои коленчатые валы и при серьезных повреждениях рекомендует их менять на новые.

Еще хуже распространившийся в последние годы способ правки чеканкой. С помощью зубила и молотка по галтелям намеренно наносится ряд сильных ударов. Возникающие вмятины и забоины на галтелях, действительно, создают напряжения и деформации, разгибающие вал. Но появившиеся очаги концентраторов напряжений таковы, что вал вряд ли прослужит долго до поломки, особенно если речь идет о современном форсированном двигателе.

Иногда деформированное место на валу подвергают сильному нагреву, чтобы облегчить правку и снизить в процессе ее опасность поломки вала, особенно чугунного. Но в этом случае после остывания вал дополнительно деформируется, и проявляются все отрицательные последствия предыдущих способов, включая невозможность обеспечить требуемую точность правки.

В целом ни один из перечисленных способов не гарантирует того, что вал после правки со временем не «вернется» в криволинейное состояние (в таких случаях говорят, что вал обладает «памятью», т. е. способностью запоминать свое предыдущее состояние). Значит, опять возможны задиры и выход двигателя из строя.

Метод Буравцева

Учитывая недостатки известных способов правки, фактически не позволяющих их использовать в ремонте, был разработан принципиально другой способ. Его назвали «поэлементной холодной правкой».

В процессе правки по методу Буравцева тоже используется пресс. «Ноу-хау» заключается в специальном приспособлении, с помощью которого поверхностный слой шейки вала пластически деформируется, да так, что в нем вместо обычных для подобных случаев напряжений растяжения создаются напряжения сжатия. Галтель при этом не затрагивается, а значит, усталостная прочность коленвала после правки не только не уменьшается, но даже возрастает. Более того, избавившись от недостатков ранее известных способов, поэлементная холодная правка, как оказалось, позволяет восстановить любые коленчатые валы (и чугунные, и стальные) любых двигателей (от мотоциклов до экскаваторов), да еще имеющие практически любой прогиб! При этом точность правки просто поразительна. Например, удается обеспечить взаимное биение коренных шеек 0,010 мм при исходном биении свыше 1 мм - результат, доселе недостижимый ни одним из известных способов!

За годы использования способа поэлементной правки на практике накоплен огромный фактический материал о дальнейшей «судьбе» выправленных коленчатых валов как отечественных автомобилей, так и иномарок, включая грузовики и автобусы. Оказалось, что, в отличие от других, эти коленчатые валы не возвращаются в изогнутое состояние со временем. Не было и рекламаций, связанных с поломкой валов, что косвенно свидетельствует об их высокой усталостной прочности. И это несмотря на то, что многие валы имели ослабленные задирами шейки!

Все вышесказанное относится и к другим валам двигателей, в том числе распределительным и вспомогательным. Во многих случаях применение данного способа правки вообще не имеет альтернативы, поскольку дает возможность вернуть к жизни практически «безнадежные» валы с очень большой исходной деформацией.

Иногда качественной правкой можно даже заменить шлифовку. Например, поставляемые в запчасти новые коленчатые валы некоторых отечественных заводов порой имеют недопустимо большое биение (0,05-0,1 мм и более) шеек и посадочных поверхностей. Такие валы выправляются, после чего традиционная шлифовка здесь уже не требуется (остаточное биение составляет не более 0,01 мм), да и динамическая балансировка оказывается ненужной.

Если сравнить затраты на ремонт вала (правка и шлифовка) с ценами нового вала, то в ряде случаев (иномарки, и особенно - грузовики и автобусы) ремонт получается в десятки раз выгоднее замены. Учитывая сегодняшнюю экономическую ситуацию в России, этот факт говорит сам за себя.

Разумеется, для достижения высокого качества необходимо, помимо правки, правильно выполнить все технологические приемы при шлифовании и доводке (полировке) рабочих поверхностей шеек и галтелей коленчатого вала. Как это сделать, мы расскажем подробно в наших следующих материалах.

Как работает коленвал - Все подробности

При сгорании топлива поршень выстреливает прямо вниз по цилиндру, работа коленчатого вала заключается в преобразовании этого поступательного движения во вращение - в основном за счет поворота и подталкивания поршня вверх по цилиндру.

Терминология коленчатого вала достаточно специализированная, поэтому мы начнем с названия нескольких частей. А журнал это часть вала, которая вращается внутри подшипника. Как видно выше, шейки коленчатого вала бывают двух типов: коренные шейки образуют ось вращения коленчатого вала, а шейки шатуна закреплены на концах шатунов, идущих до поршней.

Для дополнительной путаницы шейки шатунов сокращенно обозначаются как шейки шатунов и также обычно называются шатуны , или цапфы головные . Цапфы стержней соединены с главными шейками полотна .

Расстояние между центром коренной шейки и центром пальца коленчатого вала называется радиус шатуна , также называемый ход кривошипа . Это измерение определяет диапазон хода поршня при вращении коленчатого вала - это расстояние сверху вниз известно как ход .Ход поршня будет в два раза больше радиуса кривошипа.

Задний конец коленчатого вала выходит за пределы картера и заканчивается фланец маховика . Этот прецизионно обработанный фланец прикреплен болтами к маховик , большая масса которого помогает сгладить пульсацию поршней, срабатывающих в разное время. Через маховик вращение передается через трансмиссию и главную передачу на колеса. В АКПП коленчатый вал прикручен к кольцевая шестерня , несущий гидротрансформатор, передавая привод на автоматическую коробку передач.По сути, это мощность двигателя, а мощность передается туда, где она необходима: гребные винты для лодок и самолетов, индукционные катушки для генераторов и опорные колеса транспортного средства.

Передний конец коленчатого вала, иногда называемый носиком, представляет собой вал, выходящий за пределы картера. Этот вал будет заблокирован с зубчатым колесом, которое приводит в движение клапанный механизм через зубчатый ремень или цепь [или, в высокотехнологичных приложениях, зубчатые передачи], и шкив, который передает мощность через приводной ремень на такие аксессуары, как генератор переменного тока и водяной насос. .

Детали коленчатого вала

Основные журналы

коренные шейки или просто главные шейки зажаты в блоке двигателя, и двигатель вращается вокруг этих шейек. Все шейки коленчатого вала будут обработаны идеально гладкими и круглыми и часто закалены. Основные шейки закреплены в седлах, в которых установлена ​​сменная вкладыш подшипника буду сидеть. Подшипник мягче, чем шейка, и его можно заменять по мере износа, и он спроектирован так, чтобы поглощать небольшое количество загрязнений, если таковые имеются, чтобы не повредить коленчатый вал.А крышка коренного подшипника затем прикручивается к шейке болтами и затягивается с точным крутящим моментом.

[Схема главной цапфы с подшипниками и отверстиями]

Цепи движутся по масляной пленке, которая вдавливается в пространство между шейкой и подшипником через отверстие в седле коленчатого вала и соответствующее отверстие во вкладыше подшипника. При правильном давлении масла и подаче масла шейка и подшипник не должны соприкасаться.

Шатунные шейки

шейки шатуна смещены от оси вращения и прикреплены к большие концы шатунов поршней.Как ни странно, их также часто называют шатуны или Шатунные опоры . Подача масла под давлением идет через наклонный масляный канал, просверленный от основной шейки.

В некоторых шатунах просверлено отверстие для масла, позволяющее распылять масло на стенку цилиндра. В этом случае опорные подшипники шатуна будут иметь канавку для подачи масла в шатун.

Смазка коленчатого вала

Контакт металл-металл - враг эффективного двигателя, поэтому и главные шейки, и шейки стержней движутся по масляной пленке, которая находится на поверхности подшипника.

Подать масло к коренному подшипнику скольжения легко: масляные каналы от блока цилиндров ведут к каждому седлу коленчатого вала, а соответствующее отверстие в корпусе подшипника позволяет маслу достигать шейки.

Подшипники шейки шатуна требуют такой же смазки, но они вращаются вокруг коленчатого вала со смещением. Для подачи масла к этим подшипникам масляные каналы проходят внутри коленчатого вала - через основную шейку, по диагонали через перемычку и через отверстия в шейках шатунов.Канавка в подшипнике коренной тяги позволяет маслу непрерывно продавливать масло по каналу к шейкам шатуна, чему способствует выброс наружу центробежной силой вращающегося коленчатого вала.

Зазоры между шейками и подшипниками являются основным источником давления масла в двигателе. Если зазоры слишком велики, масло вытекает свободно, а давление не поддерживается. Слишком малые зазоры вызовут высокое давление масла и риск контакта металла с металлом. Поэтому важно, чтобы зазор между подшипниками и шейками измерялся при ремонте двигателя.

Противовесы

Коленчатый вал подвержен сильным вращающим силам, а масса шатуна и поршня, перемещающихся вверх и вниз, оказывает значительное усилие. Противовесы отлиты как часть коленчатого вала, чтобы уравновесить эти силы. Эти противовесы обеспечивают более плавную работу двигателя и более высокие обороты.

Коленчатый вал балансируется на заводе. В этом процессе прикрепляется маховик, и весь узел вращается на машине, которая измеряет, где он не сбалансирован. Балансировочные отверстия просверлены в противовесах для уменьшения веса. Если необходимо добавить вес, просверливается отверстие и затем заполняется хэви-металлом или мелкори. Это повторяется до тех пор, пока коленчатый вал не будет сбалансирован.

Упорные шайбы коленчатого вала

В какой-то момент по его длине будут установлены две или более упорных шайб, чтобы предотвратить продольное перемещение коленчатого вала. На изображенном коленчатом валу с обеих сторон центральной шейки имеются упорные шайбы.Эти упорные шайбы устанавливаются между обработанными поверхностями перемычки и седла коленчатого вала, сохраняя заданный небольшой зазор и сводя к минимуму величину бокового перемещения, доступного для коленчатого вала. Расстояние, на которое коленчатый вал может перемещаться из конца в конец, называется его осевым люфтом, и допустимый диапазон будет указан в руководствах по обслуживанию.

В некоторых двигателях эти упорные шайбы являются частью коренных подшипников, в других, как правило, более старых типов, используются отдельные шайбы.

Основные сальники

Оба конца коленчатого вала выходят за пределы картера, поэтому необходимо предусмотреть какой-либо метод предотвращения утечки масла через эти отверстия.Это работа двух основных масляных уплотнений, одного спереди и одного сзади.

задний главный сальник устанавливается между задней главной шейкой и маховиком. Обычно это манжетное уплотнение из синтетического каучука. Прокладка вдавливается в углубление между блоком цилиндров и масляным поддоном. Уплотнение имеет фасонную кромку, которая плотно прижимается к коленчатому валу пружиной, называемой подвязкой.

Неисправное масляное уплотнение является серьезной проблемой, поскольку оно примыкает к основным шейкам, которые получают и нуждаются в хорошей подаче масла под давлением.В сочетании с вращением коленчатого вала это приводит к быстрой потере моторного масла из-за любого нарушения сальника.

сальник передний похож на задний, хотя его выход из строя менее катастрофичен, и к нему легче получить доступ. Передний сальник будет за шкивами и шестерней привода ГРМ.

Сальник сам по себе - дешевая деталь, но для доступа к нему требуется много труда по снятию трансмиссии, сцепления, маховика и, возможно, коленчатого вала.Поэтому рекомендуется заменять сальники каждый раз, когда двигатель разбирается и детали доступны.

Схемы коленчатого вала

Показанный выше базовый коленчатый вал от рядного 4-цилиндрового двигателя. Другие конструкции коленчатого вала будут зависеть от компоновки двигателя. Более подробно эта тема освещена в статье о компоновке двигателя. Но следует отметить, что в двигателях V-образной формы и W два шатуна могут иметь общую шейку штока.Некоторые типовые схемы коленчатого вала показаны ниже.

Коленчатый вал V6

Коленчатый вал V6 является в некотором роде специализированным, потому что он требует, чтобы шейки шатуна были разделены для поддержания равномерного интервала зажигания. Это требует, чтобы цапфы стержней были расколоты или раздвинуты, что известно как шплинт или Журнал разъемный дизайн.

Неисправности

Коленчатый вал, будучи очень прочным, является надежным элементом, и поломки коленчатого вала редки, если только двигатель не работает в экстремальных условиях.

Изношенные журналы

Без достаточного давления масла шейки коленчатого вала будут контактировать с опорными поверхностями, постепенно увеличивая зазор и ухудшая давление масла. В крайнем случае это может привести к разрушению подшипников и серьезному повреждению двигателя. Если цапфы изношены до предела, предусмотренного для их использования, или если они уже не идеально круглые, их необходимо отшлифовать, как описано ниже.

Усталость

Постоянные силы, действующие на коленчатый вал, могут привести к усталостным трещинам, обычно обнаруживаемым на галтеле, где шейки соединяются со стенкой.Гладкий радиус этого галтеля имеет решающее значение для предотвращения слабых мест, ведущих к усталостным трещинам. Коленчатый вал можно проверить на наличие трещин с помощью магнитофлюкс .

Модификации и обновления

Шлифовка коленчатого вала

Журналы изнашиваются со временем. У них может появиться шероховатая поверхность, они могут стать некруглыми или суженными. В этих случаях их поверхность можно восстановить с помощью шлифовки коленчатого вала. Когда коленчатый вал заточен, его шейки будут уменьшены в диаметре и, следовательно, увеличены в размерах, поэтому потребуется установка более толстых подшипников.

Коленчатые валы Stroker

Объем цилиндра можно увеличить, перемещая поршни на более длинный ход. Ход двигателя определяется радиусом кривошипа, который представляет собой расстояние между шейками шатуна и коренными шейками. Коленчатый вал с большим радиусом коленчатого вала будет производить более длинный ход и больший объем цилиндра - это известно как коленчатый вал с ходовым механизмом. При установке строкера потребуются более короткие шатуны. В противном случае поршни могут перемещаться в цилиндре слишком высоко, вызывая неприемлемо более высокое сжатие или удар о крышу цилиндра.

Коленчатые валы

Stroker для часто модифицируемых двигателей продаются в комплекте с более короткими шатунами и поршнями. Строкер-комплект для двигателя Mazda MX5 Miata 1.8L может преобразовать его в двигатель 2L по цене около 5500 долларов.

Офсетное шлифование

Альтернативой установке коленчатого вала с ходовым механизмом является шлифовка шейки шатуна до меньшего размера со смещением - таким образом, центр шейки смещается от средней линии коленчатого вала.Это проиллюстрировано выше.

Видно, что при перемещении центра шейки штока радиус кривошипа был увеличен, что привело к увеличению хода. Это специализированная обработка, и достигаемое увеличение хода будет зависеть от толщины шейки.

Как делается коленчатый вал

В большинстве промышленных двигателей используется чугунный коленчатый вал, который изготавливается путем заливки расплавленного чугуна в форму. Кованые коленчатые валы используются в некоторых высокопроизводительных двигателях.Кованый коленчатый вал изготавливается путем нагревания стального блока до докрасна, а затем с использованием чрезвычайно высокого давления для придания ему формы.

После ковки или литья коленчатого вала его шейки и опорные поверхности обрабатываются идеально гладкими. Просверливаются масляные каналы или масляные каналы. Серийные двигатели обычно оставляют перемычки с их первоначальной черновой отделкой, но двигатели с высокими характеристиками обрабатывают каждую часть коленчатого вала для уменьшения сопротивления масла.

Шейки должны быть тверже, чем их подшипники, чтобы износ заменялся на подшипниках, а не на коленчатом валу, который должен служить в течение всего срока службы двигателя.Производственный процесс будет включать упрочнение этих участков посредством азотирования или термообработки.

Коленчатые валы с исключительно высокими рабочими характеристиками и нестандартными характеристиками изготавливаются из блока твердого материала, в результате чего получается коленчатый вал в виде заготовки. Производство одноразового коленчатого вала с помощью этого процесса будет стоить как минимум около 3000 долларов, поэтому он предназначен для соревнований, гонок и восстановления.

.

Руководство по коленчатым валам • Muscle Car DIY

Коленчатый вал - это сердце двигателя. Следовательно, он должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать динамические нагрузки двигателя, а это значит, что он должен выдерживать определенные нагрузки по мощности и крутящему моменту. Он также должен справляться с частотой вращения кривошипа и отклоняющими силами, возникающими при срабатывании цилиндра. Зазоры коренных и шатунных подшипников должны быть правильными, чтобы поддерживать коренные шейки коленчатого вала и большие концы шатунов. Кроме того, кривошип должен быть прямым, чтобы исключить сопротивление качению и предотвратить износ подшипников, и он должен быть правильно сбалансирован с вращающимися и совершающими возвратно-поступательное движение узлами.


Этот технический совет взят из полной книги СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ БЛУЭПРИНТИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ: ПРАКТИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО ПО СОЗДАНИЮ ТОЧНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. Подробное руководство по этому вопросу вы можете найти по этой ссылке:
УЗНАТЬ БОЛЬШЕ ОБ ЭТОЙ КНИГЕ

ПОДЕЛИТЬСЯ СТАТЬЕЙ: Пожалуйста, не стесняйтесь поделиться этой статьей на Facebook, на форумах или в любых клубах, в которых вы участвуете. Вы можете скопировать и вставить эту ссылку, чтобы поделиться: https: // musclecardiy.ru / performance / how-to-blueprint-motors-crankshafts-guide /


Типы коленчатого вала

Коленчатые валы современные предлагаются в трех основных конструкциях: литые, кованые и заготовки. Литые шатуны подходят для мощности от 300 до 500 л.с., в зависимости от применения. Шатуны из кованой стали, в зависимости от марки стали, рассчитаны на мощность до (а часто и выше) 1000 л.с. Коленчатые валы из заготовок представляют собой предел прочности для высокой мощности и в основном используются в гонках профессионального уровня.


Сверхлегкие кривошипы для гоночных двигателей доступны со снятыми противовесами, цапфами с перфорацией и т. Д. С целью уменьшения вращательного веса. Кроме того, популярная модификация предполагает обкатку и обрезку кромок противовесов. Выпуклый (закругленный профиль) и острие (более узкий профиль фаски) вместе образуют "аэродинамическое" поперечное сечение конца противовеса. Профиль с выпуклым носом находится на переднем конце противовеса, в то время как кромка ножа находится на заднем конце, аналогично по концепции сечению крыла самолета.Теоретически уменьшаются такие факторы сопротивления, как сопротивление воздуха и прилипание масла. Для уличного паровоза это не стоит времени и усилий. Зарезервируйте это для гонок, где (теоретически) вы получите преимущества в виде снижения сопротивления воздуха и увеличения смазки. (Фото любезно предоставлено Кэллисом)

Коленчатые валы литые

Первый этап процесса литья включает заливку расплавленной смеси железа и других сплавов в форму из двух частей. Отливка охлаждается, затвердевает и выходит из формы.На этом этапе происходит чистовая обработка: обработка всех цапф; доработка противовесов, фланцев и носа; сверление / нарезание отверстий под болты маховика; и бурение критических масляных каналов. В процессе литья создается случайная зернистая структура, а материал относительно пористый, поэтому литой кривошип подвержен растрескиванию и разрушению при высоких нагрузках. Четкая «линия разъема» половин формы определяет литые кривошипы.

Кованые коленчатые валы

Кованый кривошип начинается с плотного кованого куска стали.Хотя конкретные процедуры могут отличаться у производителей коленчатых валов на вторичном рынке, кованые коленчатые валы обычно изготавливают, начиная со стального слитка, который нагревают до температуры около 2200 градусов по Фаренгейту, помещают в его формовочную матрицу и штампуют прессом / молотком до грубой формы. Огромное давление (около 240000 фунтов на квадратный дюйм при каждом ударе) уплотняет молекулы стали в очень плотную зернистую структуру, обеспечивая повышенную прочность.


Коленчатые валы кованые имеют значение

.

Материалы коленчатого вала


Материалы коленчатого вала должны быть легко сформированы, подвергнуты механической обработке и термообработке, и должны иметь соответствующую прочность, ударную вязкость, твердость и высокую усталостную прочность. Коленчатый вал изготавливается из стали методом ковки или литья. Вкладыши коренного подшипника и шатунного подшипника изготовлены из баббита, сплава олова и свинца. Кованые коленчатые валы прочнее литых, но дороже. Кованые коленчатые валы изготавливаются из стали марки SAE 1045 или аналогичной.Поковка позволяет получить очень плотный и прочный вал с зерном, идущим параллельно направлению главного напряжения. Коленчатые валы отливаются из стали, модульного чугуна или ковкого чугуна. Основное преимущество процесса литья состоит в том, что материал коленчатого вала и затраты на обработку снижаются, поскольку коленчатый вал может быть изготовлен близко к требуемой форме и размеру, включая противовес. Литые коленчатые валы могут выдерживать нагрузки со всех сторон, поскольку структура металлического зерна однородна и случайна по всей поверхности. Противовесы на литых коленчатых валах немного больше, чем противовесы на кованых коленчатых валах, потому что литой металл менее плотный и, следовательно, несколько легче.

Обычно автомобильные коленчатые валы в прошлом выковывались, чтобы иметь все желаемые свойства. Однако с развитием чугуна с шаровидным графитом и усовершенствованием технологий литейного производства, теперь предпочтение отдается литым коленчатым валам при умеренных нагрузках. Кованые валы предпочтительны только для тяжелых условий эксплуатации. Выбор материалов коленчатого вала и термообработки для различных применений заключается в следующем.


(i) Сталь марганцево-молибденовая.

Это относительно дешевая ковочная сталь, которая используется для коленчатых валов бензиновых двигателей средней мощности.Этот сплав состоит из 0,38% углерода, 1,5% марганца, 0,3% молибдена и остального железа. Сталь подвергается термообработке закалкой в ​​масле от температуры 1123 К с последующим отпуском при 973 К, что обеспечивает твердость поверхности около 250 по числу Бринелля. Благодаря такой твердости поверхности вал подходит как для подшипников с оловянно-алюминиевым, так и свинцово-медным покрытием.

(ii) 1% -хромолибденовая сталь.

Эта кузнечная сталь используется для коленчатых валов бензиновых и дизельных двигателей средней и большой мощности.В состав этого сплава входят 0,4% углерода, 1,2% хрома, 0,3% молибдена и остальное железо. Сталь подвергается термообработке путем закалки в масле при температуре 1123 К и затем отпуска при 953 К. Это обеспечивает твердость поверхности около 280 по числу Бринелля. Для использования более твердых подшипников шейки могут быть закалены пламенем или индукционным нагревом до числа Бринелля 480. Для очень тяжелых условий эксплуатации процесс азотирования позволяет получить поверхность с числом алмазной пирамиды 700 (DPN). Эти опорные поверхности подходят для всех подшипников с оловянно-алюминиевым и бронзовым покрытием.

(iii) Никель-хром-молибденовая сталь с содержанием 2,5%.

Эта сталь используется для дизельных двигателей, работающих в тяжелых условиях. В состав этого сплава входят 0,31% углерода, 2,5% никеля, 0,65% хрома, 0,55% молибдена и остальное железо. Сталь сначала подвергается термической обработке закалкой в ​​масле от температуры 1003 К, а затем отпускается при подходящей температуре, не превышающей 933 К. Это обеспечивает твердость поверхности в районе числа Бринелля 300. Эта сталь немного дороже марганцево-молибденовых и хромомолибденовых сталей, но имеет улучшенные механические свойства.

(iv) Сталь с 3% хромомолибденом или 1,5% хромом-алюминием-модибденом.

Эти кованые стали используются для коленчатых валов дизельных двигателей, пригодных для подшипников из твердых материалов с высокой усталостной прочностью. Легирующие композиции включают 0,15% углерода, 3% хрома и 0,5% молибдена или 0,3% углерода, 1,5% хрома, 1,1% алюминия и 0,2% молибдена. Первоначальной термообработкой для обеих сталей является закалка в масле и отпуск при 1193 К и 883 К или 1163 К и 963 К соответственно для двух сталей.Валы закалены азотированием, так что азот поглощается их поверхностными слоями. Если азотирование выполняется хорошо в галтелях цапфы, усталостная прочность этих валов увеличивается как минимум на 30% по сравнению с валами с индукционной закалкой и валами с закалкой поверхности пламенем. Сталь с 3% -ным содержанием хрома имеет относительно прочную поверхность и твердость от 800 до 900 DPN. С другой стороны, кожух из стали с содержанием 1,5% хрома имеет тенденцию быть немного более хрупким, но имеет повышенную твердость порядка 1050–1100 DPN.

(v) Чугуны с шаровидным графитом.

Эти чугуны также известны как чугуны со спероидальным графитом или ковкие чугуны. Эти серые чугуны содержат от 3 до 4% углерода и от 1,8 до 2,8% кремния, а узелки графита диспергированы в перлитной матрице вместо образования поддельного графита. Для достижения этой структуры в расплав добавляют около 0,02% остаточного церия или 0,05% остаточного ниагния, или даже то и другое, благодаря чему сера удаляется и в литом материале образуется множество небольших сфероидов.Поверхностная твердость литого чугуна с шаровидным графитом выше, чем у стали аналогичной прочности, их соответствующие твердости составляют от 250 до 300 и от 200 до 250 по числу Бринелля. Пламенная или индукционная закалка позволяет получить поверхность с числами Бринелля от 550 до 580, а также при необходимости может быть применено азотирование.

Чугун с шаровидным графитом обладает преимуществами серого чугуна (то есть низкой температурой плавления, хорошей текучестью и литьем, отличной обрабатываемостью и износостойкостью), а также механическими свойствами стали (т.е. относительно высокой прочностью, твердостью, ударной вязкостью). , удобоукладываемость и закаливаемость).В настоящее время большое количество коленчатых валов как для бензиновых, так и для дизельных двигателей изготавливается из чугуна с шаровидным графитом, а не из более дорогой кованой дорогой кованой стали. Для поддержания несколько более низкой ударной вязкости и усталостной прочности этих чугунов используются большие сечения и максимальное количество основных шеек.

Термическая обработка.

(a) Пламенное и индукционное упрочнение поверхности.

Это методы поверхностного упрочнения стали с содержанием углерода от 0,3 до 0,5% без использования специальных соединений или газов.Основной принцип - быстрое нагревание поверхности с последующей закалкой только водой. Поскольку он нагревается локально, а не нагревает всю массу, упрочнение значительно снижается, и исключается деформация цапфы.

Закалка в пламени осуществляется кислородно-ацетиленовым пламенем при температуре поверхностного слоя от 993 до 1173 К. Температура поверхности зависит от эквивалента содержания углерода различных легирующих элементов в стали. За процессом нагрева следует закалка в воде.Поскольку фактический период нагрева и охлаждения имеет решающее значение, он задается заранее и в большинстве случаев регулируется автоматически.

Индукционная закалка осуществляется путем электрического наведения тепла на закаливаемую поверхность. В этом случае исключается опасность перегрева или ожога поверхности металла, как при закалке пламенем. Индукционная катушка окружает цапфу и по ней проходит ток высокой частоты. Это индуцирует циркулирующие вихревые токи на поверхности шейки, в результате чего ее температура повышается, и тепло в основном ограничивается внешней поверхностью шейки.В этом процессе, чем выше частота тока, тем ближе тепло к коже. При достижении необходимой температуры ток автоматически отключается, а поверхность одновременно гасится струей воды, проходящей через отверстия в индукционном блоке.

(б) Азотирование. Процесс поверхностного упрочнения.

В этом процессе цапфы нагреваются до 773 К в течение заданного времени в атмосфере газообразного аммиака, так что азот в газе поглощается поверхностным слоем.Легирующие элементы, такие как хром, алюминий и молибден, присутствующие в стали, из твердых нитридов. Нитриды алюминия образуют очень твердый мелкий корпус. Нитриды хрома диффундируют на большую глубину, чем нитриды алюминия. Молибден увеличивает прокаливаемость, дает измельчение зерна и улучшает ударную вязкость сердечника.

В этом процессе можно напрямую использовать цапфы, отшлифованные до их окончательного размера, так как после азотирования не происходит закалки, что позволяет избежать деформации в отличие от других процессов поверхностного упрочнения.Низкая скорость проникновения через поверхность увеличивает стоимость процесса, например, для изготовления корпуса глубиной около 0,2 мм требуется 20 часов.

(c) Процесс карбонитрирования и поверхностного упрочнения.

Tufftride ’- это самый известный процесс карбонитрирования в соляной ванне. Коленчатый вал погружается в ванну с расплавом солей при температуре около 853 К на относительно короткий цикл, составляющий два-три часа. При этом углерод и азот отделяются от солей и диффундируют на поверхность.Поскольку азот более растворим в железе, чем углерод, он диффундирует дальше в материал. На поверхности образуются твердые карбиды железа и вязкие нитриды железа, в результате чего значительно повышается устойчивость к износу, истиранию (отслаиванию поверхности), заеданию и коррозии.

В зависимости от используемой стали этот внешний слой имеет глубину заклинивания от 6 до 16 с твердостью от 400 до 1200 DPN. Под этим внешним слоем избыточный азот переходит в твердый раствор с железом, благодаря чему он укрепляется.Эта внутренняя диффузионная зона образует барьер, предотвращающий распространение трещин, ведущих к усталостному разрушению.

Эта поверхностно-упрочняющая обработка, также известная как мягкое азотирование МАХОВИКА, становится все более популярной как для сталей, так и для чугунов и, как ожидается, заменит другие более дорогие процессы для компонентов с использованием простых углеродистых сталей, требующих твердости поверхности и коррозионной стойкости. Этот процесс намного быстрее и дешевле и дает свойства, аналогичные азотированию, но обычно глубина твердости меньше, что может стать проблемой, если вал необходимо переточить.

.

Простое объяснение распределительных и коленчатых валов

Эти два вала неразрывно связаны и являются жизненно важными компонентами любого четырехтактного двигателя. Вот все, что вам нужно знать!

Двигатели, трансмиссии и передача мощности - это сложная группа шестерен, валов и стержней, которые сделали внутреннее сгорание одним из величайших изобретений человечества.С 1876 года эффективность IC претерпела значительные изменения, и многое можно сказать о двух разных типах валов, которые идеально спроектированы, чтобы помочь запустить цикл двигателя и передать крутящий момент, создаваемый сгоранием, по линии передачи на трансмиссию. Это распределительный вал и коленчатый вал соответственно, поэтому давайте перейдем к тому, что они собой представляют и какова их основная роль в трансмиссии автомобиля.

Распредвал

Распредвалы изготавливаются из чугуна или стали и чаще всего встречаются в головке двигателя, расположенной над цилиндрами.Обычно они бывают двух ориентаций:

SOHC (одинарный верхний кулачок)
DOHC (двойной верхний кулачок)

Вдоль вала проходят выступы, которые выполнены с возможностью установки под разными углами. Эти кулачки расположены таким образом, что при вращении распределительного вала они входят в контакт с коромыслами, которые затем открывают клапаны двигателя. Сами лепестки имеют яйцевидную форму, причем «заостренный» конец контактирует с коромыслами, открывая клапаны в определенные моменты цикла двигателя.Это позволяет воздушно-топливной смеси поступать в цилиндр, а затем выхлопным газам выходить из цилиндра в требуемое время. Сами клапаны подпружинены, а это означает, что после того, как лепесток выполнил свою работу по открытию клапана, он естественным образом закрывается, когда пружина становится несжатой.

На этом CAD-рендере показан распределительный вал и его выступы (зеленые) и их взаимосвязь с коромыслами (красный) и клапанами (серый).

Привод распределительного вала осуществляется через камбелт (или ремень ГРМ), который синхронизируется с движением коленчатого вала.Это означает, что время открытия клапанов зависит от цикла двигателя, что позволяет избежать повреждения клапана или цилиндра из-за рассинхронизации.

В то время как система SOHC имеет распределительный вал, который выполняет движения клапана хода впуска и выпуска, система DOHC имеет два распределительных вала над каждым блоком цилиндров - впускной распределительный вал и выпускной распределительный вал. Таким образом, в рядном четырехцилиндровом двигателе с SOHC в головке двигателя будет просто один распределительный вал. Но в V8 с SOHC всего будет два распредвала (по одному с каждой стороны от V).

5 МБ

Здесь вы можете увидеть лепестки сдвоенных верхних распределительных валов, открывающих клапаны двигателя на каждом такте.

Самые экстремальные распредвалы имеют форму тех, что используются на Bugatti Veyron.С W16 для поддержания формы Veyron использует четырехкулачковую систему с 64 лепестками. Это позволяет распредвалам открывать все 64 клапана, которые присутствуют в левиафане двигателя, и спроектированы с максимальными допусками, чтобы силовая установка Bugatti работала правильно.

Коленчатые валы

Красивый коленвал от W16 Veyron

Коленчатые валы обычно изготавливаются из стали и располагаются под цилиндрами и поршнями в блоке цилиндров.Их задача - преобразовать вертикальное движение поршней во вращение, которое передается на маховик, а затем на трансмиссию. Коленчатый вал имеет кривошипные штифты по всей его длине, которые выровнены горизонтально с поршнями выше и образуют «ступенчатую» ориентацию самого вала.

Штифты кривошипа рассчитаны и расположены таким образом, чтобы каждый цилиндр мог перемещаться от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке и обратно, передавая это возвратно-поступательное движение во вращение вала.Соединение между поршнями и шейками кривошипа осуществляется через шатуны, «большие концы» которых соединяются с шатунными шейками.

5 МБ

Коленчатый вал от четырехцилиндрового двигателя в действии

Затем вращение коленчатого вала передается на маховик, который находится на конце вала, чтобы уравновесить его в случае нерегулярных импульсов двигателя и завершить преобразование крутящего момента от внутреннего сгорания, происходящего в цилиндрах.

DOHC и коленчатый вал на своих местах

Несмотря на эффективную конструкцию коленчатого вала (которая существовала веками), большая часть потерь мощности двигателя происходит в области коленчатого вала, будь то нагревание, вибрация, шум и трение.Разнонаправленный характер сил, прикладываемых к коленчатому валу от поршней, означает, что искусство балансировки коленчатого вала также может быть чрезвычайно трудным, поэтому инженеры стараются максимально уменьшить длину коленчатого вала. Это большая причина, по которой двигатель V8 заменил конфигурацию двигателя, подобную рядной восьмерке, из-за его относительно небольшой и управляемой установки коленчатого вала, которая предотвращает любое нежелательное изгибание.

Взаимосвязь между распределительным валом и коленчатым валом чрезвычайно важна для интеграции трансмиссии автомобиля и определенно не должна быть недооценена.По сути, они запускают и завершают цикл двигателя - от такта впуска до такта выпуска - поддерживая идеальную гармонию различных механических процессов каждого цикла за счет их ременного соединения. Они могут показаться похожими на обработанные стальные заготовки, но они образуют одно из важнейших партнерских отношений с трансмиссией автомобиля.

.

Simple English Wikipedia, бесплатная энциклопедия

Коленчатый вал (красный), поршни (серые) в цилиндрах (синий) и маховик (черный)

Коленчатый вал , иногда иногда называемый кривошипом , является частью двигателя, которая изменяет движение поршней вверх и вниз во вращение. Для преобразования движения коленчатый вал имеет один или несколько смещенных валов. Этими валами поршни соединены с коленчатым валом. Когда поршень движется вверх и вниз, он толкает смещенный вал.Это, в свою очередь, вращает коленчатый вал.

Поршни вызывают пульсацию при вращении. Коленчатый вал обычно соединяется с маховиком. Маховик сглаживает вращение. Иногда на другом конце коленчатого вала имеется гаситель крутильных колебаний или вибраций. Это помогает снизить вибрацию коленчатого вала.

Большие двигатели обычно имеют несколько цилиндров. Это помогает уменьшить пульсацию от отдельных ударов. Для некоторых двигателей необходимо наличие противовесов.Противовес используется для компенсации поршня и улучшения баланса. Противовесы увеличивают вес коленчатого вала, но обеспечивают более плавную работу двигателя. Это позволяет достичь более высоких оборотов и выработки большей мощности.

.

Смотрите также