Коленчатый вал на двигателе является одной из самых дорогостоящих и ответственных в работе двигателя деталей. Его столь высокая цена обоснована тем, что к коленчатому валу предъявляются большие требования:
- во-первых, это высокая точность и качество всех рабочих поверхностей (небольшая погрешность и срок службы подшипников будет резко снижен и потребуется ремонт двигателя);
- высокая износостойкость, что само по себе означает при производстве применение дорогостоящих материалов и сложную технологию обработки;
- небольшая масса и высокая усталостная прочность;
- уравновешенность.
На большинстве автомобилей коленчатые валы изготавливают отливкой из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, на некоторых двигателях применяют кованые валы из легированной стали.
Коленчатый вал представляет собой несколько колен связанных вместе, отсюда и название коленвал (вал, состоящий из колен). Колено представляет собой шейку, по бокам которой располагаются 2 щеки. Шейки бывают коренные и шатунные. Коренными шейками через подшипник коленчатый вал опирается на блок цилиндров. На шатунных шейках располагаются шатуны.
Диаметр коренных шеек, как правило, больше чем шатунных и обычно лежит в пределах от 50 до 70 мм, у шатунных 40-55мм. Меньший диметр обычно составляют валы малолитражек с небольшим объемом, больший для бензиновых двигателей большого объема и дизелей. Ну, опять же если сравнивать диаметры шеек коленчатых валов японских автомобилей с другими производителями, то на японских валах будут наименьшие размеры.
На практике могут встречаться такие случаи, что некоторые шейки могут иметь меньший диаметр на 1-2 сотки относительно других шеек, это связано с тем, что некоторые шейки из-за специфической конструкции двигателя могут получать меньшее количество смазки. Так вот что бы на этих шейках не происходило подклинивания и задиров, зазор в этих подшипниках специально увеличивают. Поверхности шеек должны быть очень гладкими. После шлифовки такой эффект достигается их полированием. За счет сглаживания микронеровностей на рабочей поверхности уменьшается износ во время первоначальной приработки деталей.
Как мы уже говорили, что коленчатый вал является очень точной деталью, поэтому к нему предъявляются высокие требования:
- диаметры шеек вала и хвостовика должны быть выдержаны с точностью 0.015 мм;
- биение коренных шаек, у нового вала не должны превышать 0.005 – 0.008 мм, проверка производится на призмах;
- перекос осей коренных и шатунных шеек не должен превышать 0.03-0.05 на всей длине вала. Это служит критерием нормальной работы шатунных подшипников;
- овальность и конусность коренных и шатунных шеек не должна превышать 0.005 мм;
- для правильной работы упорного подшипника, биение торцевых поверхностей вала должно быть не более 0.01 мм, а сам зазор должен лежать в пределах 0.015-0.025.
При работе двигателя на коленвал действуют силы и моменты, которые через коренные подшипники передаются на сам двигатель, а затем и на кузов автомобиля. Если на двигатель действуют постоянно неизменные силы и моменты, то такой двигатель можно назвать уравновешенным. Если же силы будут переменны, то это вызовет вибрацию двигателя, которую мы также ощутим и на кузове авто. Вибрация двигателя может быть вызвана не только не уравновешенными массами его деталей, но и от не правильной работы других систем: топливоподачи, зажигания.
Часть вибрации двигателя на кузов снижается за счет опор двигателя, которые в большинстве случаев выполнены из резины. Иногда на автомобилях можно встретить жидкостные демпферы, которые значительно лучше поглощают вибрации, чем обыкновенные резиновые подушки.
При проектировании двигателя, в нем пытаются свести к минимуму все силы инерции и моментов от них. Этого можно достигнуть путем уравновешивания самого коленчатого вала и подбора необходимых масс шатунов и поршней. Что бы полностью минимизировать все неуравновешенности дополнительно могут быть установлены балансирные валы. Но так как это очень сильно усложняет конструкцию, то на практике их применяют далеко не часто.
Далее мы с вами рассмотрим, какие конструкции, и типы коленчатых валов используются на двигателях. В статье про блоки цилиндров мы с вами обсуждали, что самым распространенным двигателем, который используется в каждой линейке фирм производителей, является четырехцилиндровый рядный двигатель. Так вот на таких двигателях мы с вами увидим пятиопорный коленчатый вал с противовесами. Из-за недостаточной прочности конструкции с тремя опорами встретить сейчас будет довольно сложно.
На двигателях с небольшой литровой мощностью, у которых маленький вес шатунов обычно достаточно одного противовеса примыкающего к стенке каждой шатунной шейки на коленчатом валу.
Если масса шатунов и поршней большая, то одного противовеса может быть недостаточно. При недостаточной массе противовесов возникают повышенные нагрузки на коленчатый вал, которые могут привести его к изгибу и увеличению нагрузки на подшипники. Поэтому что бы избежать этого на коленчатом валу применяют двойные противовесы.
Но при увеличении объема четырехцилиндрового двигателя выше 1.8 – 2.0 литра для уравновешивания двигателя классических способов становится не достаточно и производители стали устанавливать на двигатель дополнительно балансирные валы. Начиная с 70-х годов, японская фирма MITSUBISHI стала использовать на своих двигателях (у которых литровая мощность превосходила 1.6 литра), дополнительно по два балансирных вала, которые вращаются в разные стороны. Далее такой вариант уравновешивания своих двигателей применили и такие марки как: VOLVO, HONDA, GM и другие.
Но, несмотря на практически свою полную уравновешенность, такие двигатели остаются довольно не надежными. Это все связано с высокой скоростью вращения балансирных валов и их нагрузкой на подшипники.
Во второй части статьи мы рассмотрим конструкции коленчатых валов пятицилиндрового, шестицилиндрового и других двигателей.
