Что такое коленчатый вал?

Содержание

Двигатель — это самая важная часть всех транспортных средств, которая помогает двигать автомобиль. Двигатель состоит из различных компонентов. Коленчатый вал и поршень являются основными частями поршневых двигателей. Без этих двух жизненно важных частей поршневые двигатели не могут работать.

В поршневом двигателе поршень непосредственно соединен с коленчатым валом через шатун. Кривошип известен как основа двигателя внутреннего сгорания. Он отвечает за преобразование линейного движения поршня во вращательное движение. Он работает в соответствии с движением поршня вверх и вниз. В этой статье мы подробно рассмотрим коленчатый вал.

Коленчатый вал — это механическое оборудование, которое преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение. Коленчатый вал соединяется с поршнем посредством шатуна. Основная задача шатуна — принимать возвратно-поступательное движение поршня и передавать его коленчатому валу.

Получая движение от шатуна, коленчатый вал преобразует его во вращательное движение и вращает маховик, который далее приводит в движение колеса автомобиля.

Без шатуна поршневой двигатель не может передавать возвратно-поступательное движение поршня на приводной вал. Проще говоря, поршневой двигатель не может двигать автомобиль без коленчатого вала.

Коленчатый вал работает на кривошипно-шатунный механизм. Он расположен внутри блока двигателя. Кривошип включает в себя движущиеся компоненты двигателя внутреннего сгорания. Он имеет множество шатунов и кривошипов. Шатун двигателя соединяется с кривошипом через эти шатуны и кривошипы.

Различные двигатели завершают цикл работы за разное количество оборотов коленчатого вала. Например, 2-тактный двигатель завершает цикл мощности после одного оборота коленчатого вала, а 4-тактный двигатель завершает цикл мощности после двух оборотов коленчатого вала.

Коленчатые валы могут быть сварными, полунепрерывными или цельными. Этот компонент двигателя соединяет выходную часть двигателя с входной.

Кривошип действует как звено, которое обеспечивает выходную мощность в виде кинетической энергии вращения — поршень соединяется с центром кривошипа через шатун. Шатун позволяет поршню вращать коленчатый вал для получения энергии, необходимой для движения автомобиля.

Работа коленчатого вала

Коленчатый вал работает по принципу кривошипно-шатунного механизма. Кривошип имеет шатуны и кривошипы, которые соединены с шатунами. Он имеет демпфер вибрации, который уменьшает усилие на кривошип.

Когда поршень двигателя движется от TDC к BDC (ход вниз), он передает свое движение на коленчатый вал через шатун.
Далее кривошип преобразует линейное движение поршня во вращательное и передает его на распределительный вал.
Когда распределительный вал получает вращательное движение, он открывает впускной клапан, и воздушно-топливная смесь поступает в камеру сгорания.
Когда камера сгорания заполняется воздушно-топливной смесью, поршень движется вверх (от BDC до TDC) и сжимает смесь. Во время этого процесса распределительный вал закрывает впускные и выпускные клапаны. Когда процесс сжатия завершается, завершается и первый оборот коленчатого вала.
По окончании процесса сжатия происходит процесс зажигания.
Тепло, выделяемое сжатой смесью в результате процесса воспламенения, заставляет поршень двигаться вниз. Этот ход известен как Power Stroke. Во время движения поршня вниз он снова передает свое возвратно-поступательное движение шатуну, который далее направляет его на коленчатый вал.
Один конец кривошипа соединяется с маховиком. Когда кривошип получает движение от поршня, он передает это движение маховику. Маховик сохраняет это движение и далее приводит в движение колеса автомобиля.
После такта мощности поршень движется вниз для выпуска отработавших газов. Во время этого процесса распределительный вал получает движение поршня от кривошипа и открывает выпускной клапан, в то время как впускной клапан остается закрытым. Поршень выталкивает отработавшие газы из камеры сгорания.
После такта выхлопа завершаются два оборота кривошипа, и завершается один цикл мощности 4-тактного двигателя. После этого весь цикл повторяется.

Для лучшего понимания представьте, что ваши ноги крутят педали велосипеда. В этом примере считайте, что педали — это шатун, а ваши ноги — поршни. Когда вы вращаете поршень, возвратно-поступательное движение преобразуется во вращательное движение коленчатого вала.

Конструкция коленчатого вала

Чугун
Углеродистая сталь
Микролегированная ванадиевая сталь
Кованая сталь

Коленчатые валы могут быть собраны из различных частей или изготовлены в виде цельной детали (монолитные).

Монолитный тип является наиболее популярным кривошипом во всем мире. Однако некоторые большие и малые двигатели внутреннего сгорания имеют собранные коленчатые валы.

Эти валы также могут быть отлиты из ковкого чугуна, модульной или ковкой стали. Сварные узлы отливаются из стали. Этот экономичный метод используется для недорогих серийных двигателей с разумными нагрузками. Процесс ковки обладает превосходной прочностью. Поэтому процесс ковки известен как предпочтительный процесс для изготовления коленчатых валов.

Процесс литья и ковки коленчатого вала

Коленчатые валы, как правило, могут быть выкованы из отливок вязких сталей или методом роликовой ковки с использованием стальных прутков. В настоящее время большинство производителей используют кованые коленчатые валы из-за их превосходного внутреннего демпфирования, компактной конструкции и малого веса.

Для кованых коленчатых валов в основном используется ванадиевая микролегированная сталь. Это связано с тем, что после достижения высокой прочности эти стали можно подвергать воздушному охлаждению без дополнительной термической обработки, за исключением закалки поверхности подшипника. Она также имеет более низкое содержание сплавов, что делает материал дешевым по сравнению с высоколегированной сталью.

Можно использовать и углеродистую сталь, но углеродистая сталь требует дополнительной термической обработки для достижения необходимых свойств материала. Сегодня чугунные коленчатые валы в основном используются в двигателях с низкой нагрузкой и экономичным производством (например, дизельный двигатель Ford Focus).

В настоящее время только в некоторых двигателях для дешевых и маломощных версий используются коленчатые валы из чугуна, а в более дорогих и мощных версиях двигателей применяются коленчатые валы из кованой стали.

Компоненты коленчатого вала

Главная шейка
Шкив коленчатого вала
Масляные каналы
Балансировочное отверстие
Противовес
Смазка коленчатого вала

1) Главная шейка

Цапфа коренного подшипника прикреплена к блоку двигателя. Блок двигателя вращается вокруг этой шейки. Все шейки коленчатого вала очень закалены, закруглены и гладкие. Коренная шейка фиксируется в седле, куда помещается сменный вкладыш подшипника.

Подшипник более мягкий по сравнению с коренными шейками, и они могут меняться при его износе. Конструкция подшипника предусматривает захват небольшого объема загрязнений (если таковые имеются) для предотвращения повреждения коленчатого вала.

Затем крышка коренного подшипника навинчивается на шейку и затягивается с определенным моментом.

Цапфа двигателя движется по масляной пленке. Эта масляная пленка проникает в зазор между подшипником и шейкой через отверстия седла коленчатого вала и соединительные отверстия вкладыша подшипника. При достаточной подаче и давлении масла подшипники и шейки не соприкасаются.

2) Шатунная шейка

Шатунная шейка смещена относительно оси вращения и соединена с большим концом поршневого шатуна. Она также известна как шейка шатунного подшипника или шатунная шейка. Масло под давлением поступает в шатунную шейку из масляного канала с открытым углом.

Некоторые шатуны имеют перфорированный масляный канал, чтобы масло могло разбрызгиваться на стенки цилиндра. В этом случае подшипник шатунной шейки имеет канавку для подачи масла в шатун.

3) Смазка коленчатого вала

Контакт металла с металлом — враг эффективных двигателей; шатунная шейка и коренная шейка движутся по масляной пленке, которая собирается на поверхности подшипника. Смазывать подшипники коренных шеек очень просто. Проход масла от блока двигателя к каждому посадочному месту коленчатого вала и соответствующие отверстия в корпусе подшипника позволяют этому маслу поступать к шейкам. Подшипник шатунной шейки требует такой же смазки, но он вращается вокруг коленчатого вала со смещенным центром. Для подачи масла к этим подшипникам масляный канал проходит внутри коленчатого вала у коренных шеек, по диагонали у полотна и выходит из отверстия в шатунной шейке. По канавкам в коренных шатунных подшипниках масло стекает под действием центробежной силы вращающегося коленчатого вала и удерживает масло, нагнетаемое в канал шатунной шейки. Зазор между подшипником и шейкой является основной причиной давления масла в двигателе. Если зазор слишком велик, масло будет течь свободно, и давление не будет поддерживаться. Если зазор слишком мал, давление масла возрастает, и металлы могут соприкасаться друг с другом. Поэтому при восстановлении двигателя необходимо измерить зазор между цапфой и подшипником.

4) Противовесы

К коленчатому валу прикладывается сильное вращательное усилие, и масса, перемещающаяся вниз и вверх между шатуном и поршнем, прикладывает большую силу. Противовес отливается как компонент коленчатого вала для уравновешивания этих сил. Эти противовесы делают двигатель быстрее и тише. Коленчатые валы балансируются на заводе. Во время этого процесса крепится маховик, и весь узел поворачивается к станку, который может измерить место дисбаланса маховика.

Противовес имеет балансировочное отверстие для уменьшения веса. Если вам нужно добавить вес, сначала сделайте отверстие, затем заполните его тяжелым металлом. Повторяйте этот процесс, пока коленчатый вал не придет в состояние баланса.

5) Упорные шайбы

Более двух или двух упорных шайб устанавливаются в определенных местах по всей длине коленчатого вала, чтобы предотвратить его вертикальное перемещение.

Эти шайбы устанавливаются между обработанной поверхностью полотна и посадочным местом коленчатого вала для поддержания небольшого заданного зазора и минимизации бокового перемещения коленчатого вала. Это расстояние, на которое перемещается вал от одного конца к другому, называется торцевым зазором, а допуск определяется в руководстве по обслуживанию.

Некоторые типы двигателей формируют эти шайбы как компонент коренного подшипника, в то время как другие типы двигателей (обычно более старые типы) используют отдельные шайбы.

6) Главное масляное уплотнение

Концы коленчатого вала выходят за пределы картера. Поэтому необходимо предусмотреть способ предотвращения просачивания масла через эти отверстия. Проблема просачивания масла решается с помощью двух главных сальников, один из которых находится спереди, а другой — сзади. Заднее основное уплотнение устанавливается между маховиком и задними коренными шейками. Обычно это манжетное уплотнение из синтетического каучука. Это уплотнительное кольцо вставляется в канавку между масляным поддоном и блоком двигателя. Уплотнение имеет формованную кромку, которая прижимается к коленчатому валу с помощью пружины, известной как подвязочная пружина. Сальник сам по себе является недорогим компонентом. Однако его установка требует больших трудозатрат на устранение маховика, сцепления, коробки передач, а в некоторых случаях и коленчатого вала. Поэтому рекомендуется менять сальник в любое время, если есть возможность разобрать двигатель и получить доступ к деталям.

7) Шкив коленчатого вала

Шкив коленчатого вала также известен как шкив коленчатого вала или гармонический баланс. Это желобчатый, колесообразный узел, который непосредственно сопрягается с кривошипом автомобиля. Он связан с другими частями автомобиля через вспомогательный ремень.

Что приводит к выходу из строя коленчатого вала?

Перегрев: Перегрев может вызвать множество проблем с двигателем. Если двигатель перегревается из-за радиатора, недостаточной вентиляции или плохой смазки, накопленное в двигателе тепло поднимается выше температуры окружающей среды, и пластиковый корпус датчика коленчатого вала может треснуть или расплавиться. В этом случае автомобиль не заводится. Причина в том, что датчик не может передать данные от коленчатого вала в компьютер.
Неисправность жгута проводов: Загрязнение, мусор, масло или неплотно прилегающая проводка могут вызвать такие проблемы, как замыкание, заземление, неправильное напряжение и т.д. Эти проблемы могут привести к неисправности жгута проводов и к выходу из строя коленчатого вала. Это происходит потому, что грязь, масло или неплотно прилегающая проводка могут изнашивать жгут проводов, приводить к перебоям напряжения или вызывать износ самой проводки. Это может привести к постоянному выходу датчика из строя.
Неисправность ремня ГРМ: Ремень ГРМ может повредиться из-за частого износа или в результате столкновения. Порванный ремень ГРМ оборачивается вокруг кривошипа и повреждает его многочисленные мелкие детали. Из-за повреждения ремня ГРМ датчик положения коленчатого вала может задеть его. По этой причине датчик и жгут проводов могут повредиться.

Каковы симптомы неисправного датчика положения коленчатого вала?

Ниже приведены наиболее распространенные симптомы плохого или поврежденного коленчатого вала:

Стук: Двигатель начинает издавать стуки из-за сильного износа шатунных подшипников и коренных шеек коленчатого вала.
Шум: Двигатель может издавать сильный шум из-за повреждения коленчатого вала.
Двигатель вашего автомобиля может не заводиться из-за заедания
Пробуксовка и обратная вспышка: Заглохание двигателя и обратный удар являются симптомами неисправности датчика положения коленчатого вала (CKP). Отказ датчика CKP может привести к тому, что двигатель резко заглохнет после беспроблемного запуска.
Низкое давление масла из-за неаккуратного считывания
Чрезмерная вибрация двигателя: Датчик CKP обнаруживает и ограничивает вибрацию, создаваемую двигателем автомобиля, чтобы обеспечить стабильную мощность. Если двигатель вашего автомобиля производит чрезмерную вибрацию, это также является признаком поломки коленчатого вала.
Осечка цилиндров: Поврежденный датчик CKP не может передать точные данные в PCM, поэтому PCM не получает в полном объеме необходимые данные для подачи искры в нужную камеру сгорания. В результате цилиндр выходит из строя, и автомобиль теряет мощность.

Анализ коленчатого вала в Ansys:

Прежде всего, мы разрабатываем все детали коленчатого вала в «Solid Work 2018», затем собираем их и сохраняем модель в формате «IGS». После этого мы импортируем этот файл «IGS» в «ANSYS WORKBENCH R15» для анализа Ansys. Результаты анализа Ansys приведены ниже.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ:

Анализ коленчатого вала из нержавеющей стали приведен ниже:

Рис 2

Как показано на рис. 2, нагрузка 3,5 МПа приложена к верхней части поверхности шатуна.

Рис 3: Напряжение фон-мисс коленчатого вала

Максимальное напряжение, вызванное в коленчатом валу, составляет 2,5407e7 МПа на поверхности шатунной шейки. Минимальное напряжение составляет 27,342 МПа, как показано на рис. 3.

Рис 4: Максимальная деформация

Как показано на рисунке выше, максимальная деформация вала составляет 152,77 МПа.

Рис 5: Общая деформация коленчатого вала

На рис. 5 показана полная деформация коленчатого вала.

Рис 6: Максимальное напряжение сдвига

1,4273e7 МПа — максимальное напряжение сдвига в области шатуна коленчатого вала, как показано на рис. 6.

Каковы причины поломки коленчатого вала?

Коленчатый вал может сломаться из-за перегрузки в результате гидроудара, ненормального сгорания и т.д.
Дефектный материал вала также может повредить коленчатый вал.
Неожиданное заклинивание двигателя из-за ослабления противовеса, поломка коробки передач и т.д.
Механическое повреждение вала до его починки.
Ненужное вращение и вибрация из-за неисправности сцепления, дефектного маховика или поврежденного гасителя вибрации.
Недостаточная работа по улучшению подшипников коленчатого вала.
Материальный ущерб из-за более ранней поломки подшипника, отожженных шеек подшипника и т.д.
Цапфа подшипника стала мягкой в результате преждевременного разрушения подшипника или неправильных ремонтных работ (например, ненужной перешлифовки).
Ввод двигателя в эксплуатацию не соответствовал инструкциям производителя.
Использование неправильного вкладыша подшипника.
Использованы старые болты головки подшипника или неправильный момент затяжки.
Слишком мало смазки при вводе в эксплуатацию из-за того, что масляная система не была предварительно заполнена и предварительно сжата.
Крышки подшипников шатуна/коренного подшипника были перепутаны или закреплены криво.
Размер отверстия картерного подшипника внутри коленчатого вала не был проверен или отремонтирован после повреждения.
Не была произведена своевременная замена масляного фильтра, моторного масла и масляного радиатора.
Если подшипник поврежден, опилки, которые остаются в масляном контуре двигателя, также могут привести к поломке коленчатого вала.

Как продлить срок службы коленчатого вала?

Правильное обслуживание подшипников двигателя.
Правильная смазка различных частей коленчатого вала.
Не допускайте смешивания моторного масла с топливом или охлаждающей жидкостью.
Соответствующая подача масла в двигатель в соответствии с инструкциями производителя.
Избегайте использования масла с мусором и другими загрязнениями.
Не допускайте перегрева двигателя.
Регулярное техническое обслуживание и осмотр двигателя.
Используйте коленчатый вал из отличного и высококачественного материала.
Своевременно меняйте масляный фильтр, моторное масло и масляный радиатор.
Правильно проверяйте вал перед его установкой.
Предотвращайте механические перегрузки коленчатого вала в результате гидроударов, ненормального сгорания и т.д.

Каковы причины дисбаланса коленчатого вала?

Ниже перечислены основные причины дисбаланса коленчатого вала:

Возвратно-поступательное движение поршня внутри камеры сгорания.
Из-за скручивания и кручения коленчатого вала.
Возгорание или взрыв картера
Из-за такта мощности. Поскольку после завершения такта мощности в двигателе поршень прикладывает рывковую силу к коленчатому валу, чтобы повернуть его сильнее.
Посадка судна на мель

Как ломается коленчатый вал?

Существует механическое понятие, называемое усталостью. Оно означает, что материал может разрушиться из-за повторяющейся нагрузки. Каждый раз, когда коленчатый вал вращается, обратная нагрузка вызывает небольшой изгиб вала. Это похоже на то, как можно сломать вешалку или проволоку, просто согнув ее на четверть, может быть, дюжину раз, и проволока сломается.

Изгиб коленчатого вала гораздо меньше, поэтому для его поломки требуются миллионы циклов, но режим разрушения такой же, как и у вешалки. Теперь, если подшипник, поддерживающий коленчатый вал, выходит из строя из-за отсутствия смазки, смещение прогиба за оборот резко увеличивается, поэтому поломка может произойти очень быстро.

Еще одна причина поломки — несбалансированный маховик/трансформатор крутящего момента или смещенная трансмиссия будут стоять на первом месте в списке причин поломки в задней части коленчатого вала. Еще одной вероятной причиной может быть возникновение напряжения (зазубрина в тонкой шлифованной поверхности) в радиусе рядом с шейкой подшипника. Зазубрина может превратиться в трещину, которая будет быстро распространяться.

Что такое распределительный вал?

Распределительный вал расположен в верхней части двигателя. Он является важным компонентом клапанного механизма двигателя, позволяя воздуху и топливу поступать в камеру сгорания и позволяя газам выходить после сгорания.

Новейшие двигатели внутреннего сгорания могут иметь до четырех распределительных валов (или два распределительных вала). Каждый цилиндр имеет четыре клапана (два впускных и два выпускных). На каждый клапан устанавливается только один распределительный вал.

Распределительный вал и коленчатый вал

Ниже приведены основные различия между коленчатым и распределительным валами:

Применение коленчатого вала

Коленчатый вал управляет движением всех клапанов для процессов всасывания, сжатия, зажигания, расширения и выхлопа двигателя внутреннего сгорания в нужные моменты цикла. Это отличная функция.
Он собирает вращательное движение шатунов и передает его на маховик.
Коленчатый вал используется для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное, чтобы он мог двигаться к колесам автомобиля.

Раздел часто задаваемых вопросов

Кто изобрел коленчатый вал?

Коленчатый вал был изобретен Аль-Джазари в 1206 году.

Какие бывают типы коленчатых валов?

Коленчатый вал имеет следующие основные типы:

Коленчатый вал
Литой коленчатый вал
Кованый коленчатый вал
Цельный цельный вал
Цельнолитой вал
Сварные валы
Полусварной вал

Существует ли тип двигателя, который работает без коленчатого вала?

Существует два типа двигателей

Поршневые двигатели сконструированы таким образом, что они не могут работать без поршня и коленчатого вала. В то время как двигатель Ванкеля работает с помощью ротора, и ему не нужны поршень и коленчатый вал.

Вращает ли коленчатый вал распределительный вал?

Коленчатый вал соединен с распределительным валом с помощью цепи или зубчатой передачи. Кривошип передает свое движение распределительному валу через эту зубчатую передачу. Когда распределительный вал получает вращательное движение от коленчатого вала, он использует это движение для открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов.

В каком двигателе нет распределительного вала?

Двухтактный двигатель не имеет распределительного вала. Единственный 4-тактный двигатель использует его для открытия и закрытия выпускных и впускных клапанов.

Как завести автомобиль с неисправным датчиком коленчатого вала?

Убедитесь, что зажигание включено только тогда, когда горит лампочка двигателя, а другие признаки минимальны.

Если ваш автомобиль останавливается один или два раза, или вы столкнулись с рывками при разгоне после запуска автомобиля, вы можете ехать, но необходимо отвезти его в мастерскую. Если проблема более серьезная, езда может привести к серьезным повреждениям двигателя, что может увеличить затраты на ремонт.

Поэтому, если датчик коленчатого вала вашего автомобиля поврежден, необходимо как можно скорее заменить или отремонтировать его для отличной работы вашего двигателя.