0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Коленчатый вал и маховик

Устройство автомобилей

Группа деталей коленчатого вала

Заключительное звено кривошипно-шатунного механизма поршневого двигателя – группа коленчатого вала. Детали этой группы завершают процесс преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение выходного звена.
В группу коленчатого вала входят: собственно коленчатый вал, противовесы, маховик, элементы привода газораспределительного и других вспомогательных механизмов и систем двигателя, узел осевой фиксации и детали маслоуплотняющих устройств.

Наиболее сложной и ответственной деталью группы коленчатого вала является сам коленчатый вал.
От технического совершенства конструкции и качества изготовления коленчатого вала во многом зависят полнота использования двигателем тепловой энергии сгоревших газов, т. е. КПД, потери на трение, долговечность, надежность, эффективность и экономичность двигателя.

Коленчатый вал двигателя

«Коленчатый вал – деталь, изогнутая до невозможности и вращающаяся до потери пульса»
Поговорка слесарей-мотористов

Коленчатый вал поршневого двигателя является деталью, конструкция которой позволяет завершить преобразование возвратно-поступательного прямолинейного движения поршня во вращательное движение. Как упоминалось в одной из статей об автомобилях, вращательное движение является оптимальным для большинства передвигающихся по суше машин и механизмов (т. е. для легковых, грузовых автомобилей и автобусов, тракторов и сельскохозяйственной техники и т. д.), поскольку основным движителем для таких машин является колесо, совершающее в процессе выполнения работы вращательное движение.

Коленчатый вал поршневого двигателя воспринимает усилие со стороны шатуна и преобразует их в крутящий момент. Кроме того, коленчатый вал обеспечивает движение поршней во время вспомогательных тактов и пуска двигателя, а также приводит в действие вспомогательные механизмы и приборы двигателя и его систем.

Усилия со стороны газов и сил инерции при большой длине коленчатого вала вызывают заметные продольные и угловые деформации, причиной которых являются динамические (переменные) нагрузки, способные при продолжительных воздействиях привести к усталостным разрушениям.

Шейки коленчатого вала работают при больших окружных скоростях и испытывают значительные тепловые и механические напряжения. При этом шатунные шейки совершают сложные перемещения, вызывающие комплексные инерционные нагрузки.

Исходя из перечисленных выше условий, в которых работает коленчатый вал, к его конструкции предъявляются следующие требования:

  • форма коленвала должна обеспечивать уравновешенность двигателя в время работы;
  • высокая жесткость, исключающая недопустимые деформации;
  • высокая усталостная прочность и способность противостоять динамическим нагрузкам;
  • высокая износостойкость трущихся поверхностей;
  • минимальная масса, позволяющая снизить возникающие во время вращения вала инерционные силы и моменты.

Особенности конструкции коленчатого вала

Основными элементами коленчатого вала (рис. 1) являются коренные 4 и шатунные 2 шейки, соединяющие щеки 3, носок 5 и хвостовик 1. Две шатунные шейки, шатунная шейка и щеки, соединяющие их, образуют кривошип.

Торцевые поверхности щек, выступающие за шейки, шлифуются и образуют кольцевые пояски, используемые для осевой фиксации шатунов и самого коленчатого вала. Эти кольцевые пояски сопрягаются с цилиндрической поверхностью шеек плавными переходами – галтелями.

Внутри шеек и щек имеется система каналов и отверстий для подачи смазочного материала к подшипникам. Масло, как правило, поступает к шатунным вкладыши по каналам из смежных коренных подшипников.

Достаточную жесткость на изгиб обеспечивают так называемые полноопорные валы, в которых число коренных шеек на одну больше количества шатунных шеек.

Расположение шатунных шеек определяется из условия равномерного распределения воспламенения и уравновешенности деталей.

Коленчатые валы могут быть цельными и составными, т. е. разборными – состоять из отдельных кривошипов, соединяемых в единый узел. Составные валы применяются редко, только в случае использования коренных подшипников качения (рис. 2).

Щеки коленчатого вала со стороны коренных шеек часто имеют продолжение, заканчивающееся противовесами, предназначенными для разгрузки коренных подшипников от действия центробежных сил вращающихся масс, которые обусловлены дисбалансом вала из-за смещения шатунных шеек относительно оси вращения, а также для общего уравновешивания двигателя.
Противовесы выполняются заодно с коленчатым валом, но в случае большой их массы (например, в дизелях) они могут изготавливаться отдельно от вала и крепиться к нему болтами, шпильками или штифтами.

На носке коленчатого вала устанавливают шкивы или зубчатые колеса для привода механизма газораспределения, насосов, вентилятора и других механизмов и узлов различных систем двигателя.
На хвостовике коленчатого вала устанавливается маховик, уравновешивающий вращающиеся массы двигателя, на котором выполнен зубчатый венец для пуска двигателя.
Иногда зубчатые колеса привода газораспределительного механизма устанавливают не на носке, а на хвостовике, где имеются элементы уплотнения – гребень и маслосгонная резьба или накатка.

Коленчатый вал воспринимает значительные осевые усилия, возникающие при работе косозубых распределительных зубчатых колес и при выключении сцепления. Для того чтобы предотвратить перемещение вала от воздействия этих усилий, применяется осевая фиксация, которая обеспечивается упорными буртами вкладышей или упорным подшипником (см. рис. 3). В собранном узле образуется осевой зазор 0,05…0,15 мм, обеспечивающий свободное вращение вала.

Для уменьшения трения рабочая поверхность упорных колец покрывается антифрикционным сплавом. От проворачивания упорные кольца фиксируются штифтами.

После изготовления коленчатые валы подвергаются статической и динамической балансировке.

Жесткость и прочность коленчатого вала достигается:

  • увеличением поперечного сечения шеек и щек;
  • максимальным уменьшением массы шатунных шеек;
  • рациональным размещением противовесов;
  • уменьшением концентрации напряжений, создаваемых шатунными шейками.

Концентрацию напряжений уменьшают увеличением радиуса галтелей, наклонным расположением отверстий в шатунной шейке, применением бочкообразной формы полости внутри шатунной шейки.

Высокая износостойкость шеек коленчатого вала достигается ограничением усилий воздействия на подшипники, оптимальным выбором материала антифрикционного слоя, закалкой шеек и галтелей вала токами высокой частоты с последующим отпуском, азотированием шеек и галтелей, а также обеспечением оптимального режима смазывания.

Читать еще:  Разборка нового карбюратора солекс ваз 2109

Как и из каких металлов изготавливают коленчатые валы?

Коленчатые валы изготавливаются штамповкой из стали или отливаются из специальных чугунов. Для штампованных валов используют стали 45, 45Х, 40ХФА, 42ХМФА, 18Х2Н4ВА.

Коленчатые валы бензиновых двигателей отливают из чугуна. Их производство дешевле, им легко придать необходимую форму, однако нагрузки на изгиб они выдерживают значительно хуже, чем валы из стали, поэтому в дизелях чугунные валы применяют редко.

Маховик

Маховик служит для накопления кинетической энергии во время рабочего хода, уменьшения неравномерности вращения коленчатого вала, сглаживания момента перехода поршня через ВМТ и НМТ, облегчения пуска двигателя и трогании автомобиля с места. Маховик отливают из серого чугуна, располагая основную массу металла на ободе для увеличения момента инерции.

Для осуществления пуска двигателя электростартером на обод маховика напрессовывается зубчатый венец 2 (см. рис. 4), либо его крепят специальными болтами.

На ободе или торце маховика могут быть нанесены метки для установки поршня первого цилиндра в ВМТ или градусная шкала для установки момента зажигания (в градусах).

Для установки маховика на фланец коленчатого вала в однозначном положении одно из отверстий крепления маховика смещают на небольшой угол (примерно ). В противном случае применяются установочные штифты и установочную втулку 4.

Коленчатый вал и маховик

Главное меню

Судовые двигатели

Коленчатый вал является высоконапряженной деталью, в про­цессе работы испытывает скручивающие и изгибающие нагрузки. Коленчатые валы изготовляют из углеродистой и легированной сталей (ковка, штамповка), а также из отливок модифицирован­ного чугуна (двигатели типа Д-100). В конструктивном отноше­нии валы могут быть цельными или составными из отдельных взаимозаменяемых частей.

На рис. 153 показано устройство коленчатого вала. Мотыли вала состоят из двух рамовых шеек 3 , двух щек 2 и мотылевой шейки 1 . Обычно диаметр мотылевых и рамовых шеек одинаков. В местах перехода шеек к щекам располагаются галтели. Щеки мотылей бывают прямоугольного, овального и круглого сечений. Мотылевые и рамовые шейки обычно выполняют полыми и сооб­щаются между собой. Для герметизации этих полостей используют заглушки с прокладками, стягиваемые болтами. Для смазки тру­щихся деталей кривошипно-шатунного механизма применяют цир­куляционную смазку. Масло, нагнетаемое масляным насосом, по­ступает к шейкам рамовых подшипников, а затем через одно или два радиальных отверстия 4 — во внутреннюю полость рамовой шейки, откуда по сверлениям 5 в щеках переходит во внутреннюю полость мотылевой шейки. Через радиальные отверстия 6 масло направляется к мотылевым подшипникам и по центральному свер­лению стержня шатуна к поршневому пальцу или соответственно ползуну и головным подшипникам шатуна.

Носовой конец коленчатого вала используется для привода на­вешенных на двигатель вспомогательных механизмов — иасосов, компрессора и др. На кормовом конце коленчатого вала располо­жен маховик, часто шестерня привода распределительного вала и фланец съема полезной мощности.

Коленчатый вал — одна из наиболее ответственных и дорогих деталей двигателя (до 20—30%, общей стоимости). Укладка ко­ленчатого вала показана на рис. 154.

Наиболее равномерное вращение коленчатого вала двигателя достигается в результате равных промежутков времени между вспышками в отдельных цилиндрах. Выполнить данное условие можно при расположении мотылей под углом ? = 720? / z в четырехтактных двигателях и ? = 360° / z — в двухтактных, где z — число цилиндров. При выборе последовательности работы цилиндров стре­мятся облегчить работу рамовых подшипников. Не должны следо­вать друг за другом рабочие ходы в рядом стоящих цилиндрах.

Порядок работы цилиндров указывается в паспорте двига­теля. Например, для двухтактного шестицилиндрового двигателя: 1—3—5—2—4—6, четырехтактного восьмицилиндрового 1—3—7— 5—8—6—2—4.

Коленчатый вал двигателя под воздействием вращающего мо­мента переменной величины вращается с переменной угловой ско­ростью, что создает неравномерность хода двигателя. Для более равномерной работы двигателя и облегчения пуска его в ход на кормовом конце коленчатого вала закрепляют маховик. При ра­бочем ходе маховик накапливает энергию и отдает ее во время нерабочих ходов. С увеличением числа рабочих цилиндров двига­теля равномерность работы двигателя возрастает.

Маховики изготовляют из чугуна и стали. Малые маховики при диаметре до 2 м выполняют сплошными литыми. На наруж­ной окружности обода маховика иногда делают зубчатый венец, с которым сцепляется валоповоротное устройство. Для проверки и регулирования газораспределения двигателя на обод маховика наносят метки, соответствующие положениям мертвых точек каж­дого цилиндра. В быстроходных двигателях роль маховика выпол­няет демпфер — специальное устройство, предназначенное для ос­лабления крутильных колебаний коленчатого вала.

Коленчатый вал двигателя с деталями движения отдельных ци­линдров, маховиком, промежуточными валами и гребным винтом образуют единую упругую систему, называемую судовым валопро­водом. Под влиянием меняющегося крутящего момента двигателя в системе судового валопровода возникают крутильные колебания, т. е. относительные колебания масс, вызывающие закручивание отдельных участков вала.

Различают свободные и вынужденные крутильные колебания. Свободными крутильными колебаниями называются колебания системы, возникающие после прекращения действия первоначаль­ных моментов. Вынужденными крутильными колебаниями назы­вают колебания системы, происходящие под влиянием периоди­чески действующего возбуждающего момента. Основными источниками вынужденных крутильных колебаний являются силы дав­ления газов на поршни цилиндров и силы инерции поступательно-движущихся частей.

Крутильные колебания вызывают в системе валопровода до­полнительные напряжения, которые в ряде случаев являются причиной серьезных аварий коленчатых, промежуточных и греб­ных валов. Во избежание сказанного система валопровода должна рассчитываться на крутильные колебания с целью выявления кри­тического числа оборотов, при которых колебания достигают наи­более опасных значений.

Читать еще:  Двигатель весты 106 л с отзывы

Коленчатый вал и маховик

Коленчатый вал воспринимает усилия, передаваемые от поршней шатунами, и преобразует их в крутящий момент, передавая его приводным системам и механизмам двигателя и трансмиссии трактора. В процессе работы коленчатый вал находится в очень сложном напряженном состоянии: на него действуют сжимающие и растягивающие усилия, инерционные и центробежные силы, скручивающие и изгибающие моменты. Коленчатый вал должен быть: прочным, жестким, износоустойчивым, статически и динамически уравновешенным, обтекаемым, не подвергаться резонансным и крутильным колебаниям, иметь небольшую массу.

Коленчатый вал состоит из коренных и шатунных шеек, соединенных щеками, фланца для крепления маховика и носка.

Шатунные шейки вала дизелей тракторов ТДТ-55А, ТТ-4 и К-703 имеют полости, закрытые резьбовыми пробками, в которых осуществляется дополнительная центробежная очистка масла перед поступлением в шатунные подшипники.

Коренные шейки служат для установки коленчатого вала в подшипниках, размещенных в картере двигателя. При помощи шатунных шеек вал соединяется с нижними головками шатунов. Шатунные и коренные шейки соединяют при помощи щек. Для разгрузки коренных подшипников от инерционных сил движущихся деталей шатунно-поршневой группы на щеках вала установлены противовесы, в сборе с которыми вал балансируется. Противовесы могут изготовляться заодно со щеками или в виде отдельных, надежно закрепленных деталей. Шатунная шейка вместе с прилегающими к ней щеками образует колено вала или кривошип.

Для избежания разрушения коленчатых валов в местах перехода щек к коренным и шатунным шейкам выполняют закругления — галтели. В коренных и шатунных шейках и в щеках просверлены каналы для подачи под давлением масла к шатунным подшипникам.

На передней части коленчатого вала крепятся: шестерня привода распределительного вала, шкив приводных ремней, маслоотражатель, сальник и храповик для проворачивания вала рукояткой. К хвостовику коленчатого вала болтами крепится маховик. На хвостовике вала имеется маслосъемная резьба и маслоотражательный буртик, а в торце имеется гнездо для установки переднего подшипника вала муфты сцепления.

Носик и хвостовик вала уплотняются резиновыми самоподжимными манжетами. Коленчатый вал вращается в коренных подшипниках, имеющих вкладыши из сталеалюминевой ленты.

Изготовляют коленчатые валы из углеродистых и легированных сталей штамповкой или литьем с последующей механической и термической обработкой. Для повышения износоустойчивости коренных и шатунных шеек их подвергают поверхностной закалке, а затем шлифуют и полируют.

Форма коленчатого вала зависит от числа и расположения цилиндров, тактности и порядка работы двигателя. Она должна обеспечивать равномерное чередование рабочих ходов в цилиндрах по углу поворота коленчатого вала, принятую последовательность работы цилиндров и уравновешенность двигателя.

Число шатунных шеек на коленчатом валу двигателя с однорядным расположением цилиндров равно числу цилиндров. У двигателей с V-образным расположением цилиндров число шатунных шеек равно половине числа цилиндров: у этих двигателей на каждой шейке рядом установлены головки двух шатунов. Число коренных шеек коленчатого вала у v-образных двигателей обычно на одну больше, чем у шатунных. Например, восьмицилиндровый дизельный двигатель ЯМЗ-2Э8НБ имеет пять коренных шеек, а коленчатый вал шестицилиндрового дизеля А-01МЛ — семь коренных шеек. Чем больше опор в виде коренных шеек имеет коленчатый вал, тем более жесткой и надежной получается конструкция двигателя, облегчается нагрузка на опорные подшипники, но при этом усложняется устройство вала и картера, увеличивается длина двигателя, возрастает стоимость изготовления и ремонта.

Вкладыши коренных подшипников устанавливают в постели блок-картера и крышки коренных подшипников, а фиксацию осуществляют таким же способом, как и шатунных.

Маховик обеспечивает равномерность вращения коленчатого вала, пуск двигателя и трогание трактора с места. Точная его установка на коленчатом валу дизельных двигателей фелевочных тракторов производится при помощи двух установочных штифтов. Крепление маховика к фланцу коленчатого вала осуществляется болтами, которые надежно стопорятся.

При рабочем ходе в одноцилиндровом двигателе коленчатый вал с маховиком воспринимает усилие от поршня через шатун и раскручивается, накапливая энергию, которая затем, прежде всего, используется на выполнение остальных подготовительных тактов рабочего процесса. По мере увеличения в двигателе числа цилиндров и частоты рабочих тактов (у двухтактных двигателях) сокращается потребность в энергии маховика для выполнения подготовительных тактов. Поэтому размеры маховика и его масса у таких двигателей меньше.

При пуске двигателя маховик, получив энергию после рабочего хода в одном из цилиндров, обеспечивает за счет инерции вращение коленчатого вала, при этом в остальных цилиндрах создаются условия для протекания рабочих ходов, в результате чего двигатель начинает работать.

Маховик отливают из чугуна в виде диска. Для увеличения момента инерции маховика основную массу его металла располагают по ободу, т.е. на максимальном расстоянии от оси вращения маховика. На обод маховика напрессовывают стальной зубчатый венец, с которым при пуске двигателя входит в зацепление шестерня пускового устройства, и наносят метки для определения положения поршня в первом цилиндре и установки момента зажигания или момента подачи топлива.

В сборе с коленчатым валом маховик балансируется. Это выполняют для того, чтобы при их вращении не возникало вибрации и биения от центробежных сил и не происходил усиленный износ коренных подшипников двигателя. На заднем торце маховика монтируют сцепления.

При работе двигателя на коленчатый вал действуют осевые усилия от работы косозубых шестерен привода газораспределения, включения муфты сцепления и нагрева вала. Чтобы ограничить осевые перемещения коленчатого вала, один из коренных подшипников (задний, передний или средний) выполняют упорным. Для этого вкладыши таких подшипников снабжаются отбортовкой, упорными кольцами или полукольцами. От осевых перемещений коленчатый вал дизельных двигателей тракторов ТДТ-55А, ТТ-4 и К-703 фиксируется четырьмя полукольцами, которые устанавливаются в выточках среднего (СМД-14БН) или заднего коренного подшипника.

Читать еще:  Предохранители шеви нива 2008

ГАЗ 31 ЗМЗ непростые 3 литра › Бортжурнал › Облегчение маховика и коленчатого вала

Небольшое лиричное втупление…
Много всяких мнений существует по поводу облегченных маховиков. Кто-то говорит, что облегченный маховик – это пустая безделушка и лишняя трата денег. Кто-то доказывает себе и окружающим, что облегченный маховик добавил его автомобилю небывалую прыть. Давайте попробуем внести хоть какую-то ясность в этот вопрос. Почему же так по-разному все относятся к облегченному маховику, уже давно ставшему неотъемлемой частью спортивного (тюнингового) двигателя?

Многие, пытаясь теоретически посчитать «приход» от облегченного маховика, бросают это «неблагодарное» занятие, загрузившись основами теоретической механики. Мы попробуем вычислить приблизительную разницу, упростив задачу и учитывая только инерционные составляющие облегченного маховика. Можно прикинуть разницу работ, совершаемых, скажем, при разгоне автомобиля с массой 900 кг и рабочим диапазоном двигателя 3000-6000 об/мин («околостандартный» двигатель) до скорости 150 км/ч.

Примем разницу в весе маховиков до и после облегчения 1,5 кг. Это тот вес, потеря которого не сказывается на прочности облегченного маховика, и, что немаловажно, который можно удалить с максимального радиуса облегченного маховика. Удаление металла с мест, расположенных на небольшом радиусе, дает снижение прочности и незначительное понижение момента инерции. Это одна из причин, по которой разные облегченные маховики дают различный эффект или, вернее, иногда его отсутствие.

Далее примем, что мы стартуем с 3000 об/мин и разгоняемся вплоть до 150 км/ч(41,7м/с) на 1-й, 2-й, 3-й и 4-й передачах. Если у нас стандартная коробка передач, то диапазоны выглядят так: 1-я передача 3000-6500 об/мин, переключение на 2-ю передачу на 3500-6500 об/мин, переключение на 3-ю передачу на 4500-6500 об/мин (VА = 132 км/ч), переключение на 4-ю передачу на 4500-5100 об/мин (VА = 150 км/ч).

Работу, совершенную по разгону автомобиля (инерционная составляющая), можно выразить через разницу кинетических энергий:

Теперь посчитаем, какую энергию затрачивает двигатель на то, чтобы раскрутить «лишнюю» массу маховика, т.е. наши 1,5 кг. Очевидно, что энергия эта будет равняться сумме работ на каждой передаче:
∑А=А1+А2+А3+А4

где А1 = Еk(при 6500) — Еk(при 3000)
А2 = Еk(при 6500) — Еk(при 3500)
А3=Еk(при 6500)-Еk(при 4500)
А4=Еk(при 6500)-Еk(при 5100)

Кинетическая энергия вращающегося тела (облегченного маховика) вычисляется таким образом:

где JM – момент инерции облегченного маховика,
w – угловая скорость, p*n/30

Под JM мы будем подразумевать не момент инерции облегченного маховика, а только тех 1,5 кг, которые мы лишили нашу деталь – облегченный маховик.
Если учесть, что съем металла для двигателей 08-10 семейства, при изготовлении облегченного маховика, происходит на радиусе около 140 мм, то:

JM = 1,5 х 0,142 = 0,294 кг

w(при 6500) =680,7 (с-1)
w(при 5100)=533,8 (с-1)
w(при 4500)=471 (с-1)
w(при 3500)=366 (с-1)
w(при 3000)=314 (с-1) Еk(при 6500)=6811 (Дж)
Еk(при 5100)=4188 (Дж)
Еk(при 4500)=3261 (Дж)
Еk(при 3500)=1969 (Дж)
Еk(при 3000)=1449 (Дж)

SА=16377 (Дж) или 16,38 (кДж)

А это, как ни крути, 2,1% от работы затрачиваемой на разгон массы автомобиля.
Причем это существенная экономия работы (2,1%) только за счет облегченного маховика — а ведь есть еще другой прием в спортивном и тюнинговом двигателестроении — облегчение коленвала.

Понятно, что расчет не учитывает силы сопротивления дороги и воздуха, которые начинают значительно сказываться с ростом скорости. Однако, он позволяет оценить примерный эффект не на словах. Дальше каждый сам для себя решает необходимость установки облегченного маховика на собственный автомобиль.

Также, следует учесть, если произвести расчеты облегченного маховика для более высокооборотного двигателя (

9000 об/мин), то можно увидеть, что влияние лишнего веса на маховике сказывается более значительно (квадратичная зависимость).

Важно не забывать одно: все доработки, связанные с силовым агрегатом, начинают «хорошо работать» только при грамотной комбинации деталей и качественном их монтаже. И еще, необходимо помнить – все изменения должны производиться не в ущерб безопасности автомобиля, в качестве примера можно привести бездумное облечение маховика, снижающее его прочность и надежность. Такие облегченные маховики часто встречаются на нашем рынке.

www.kartuning.ru (с)

Маховик 402го двигателя весит примерно 13,2-13,3 кг. И имеет диаметр 330мм.
В итоге я облегчил его до веса примерно 8,3 кг. То есть скинул примерно 35% от общей его массы. Но это все в «статике». Правильнее будет сказать я снял примерно 625 кг/мм, или 0,625кг/м (5кг на радиусе 125мм). В термехе не силен =), По-этому не обессудьте =).

С маховиком мне кажется я немного перебрал =). Но не будем загадывать. Все станет ясно только после установки.
К примеру те же вазовские маховики облегчают на 1,5-2,5 кг, с 6-6,5кг (точный вес не знаю). То есть примерно на те же 35% как в моем случае. В суперспорт версиях облегчение на них составлет около 50% и больше.

Так что в моем случае покажет только эксперемент =)

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector