Коленчатый вал и его подшипники

Коленчатый вал (рис. 7.4) относится к числу наиболее ответственных, напряженных и дорогостоящих деталей двигателя. Стоимость изготовления вала может достигать 30 % стоимости изготовления всего двигателя.

В процессе работы двигателя коленчатый вал нагружается силами давления газов, а также силами инерции движущихся возвратно-поступательно и вращающихся деталей. Эти силы вызывают значительные напряжения кручения, изгибные напряжения и крутильные колебания, вследствие чего шейки вала испытывают переменное давление, которое вызывает значительную работу трения и износ шеек. Поэтому коленчатый вал должен обладать высокой прочностью, жесткостью и износостойкостью трущихся поверхностей при относительно небольшой массе, составляющей не более 15 % массы двигателя. Коленчатые валы изготавливаются из качественных углеродистых или легированных сталей ковкой или штамповкой, а также литьем из высококачественного чугуна или стали.

Коленчатый вал тепловозного дизеля типа Д49 имеет 10 коренных и 8 шатунных шеек, расположенных под углом 90° одна к другой.

Между 9-й и 10-й коренными шейками устанавливается шестерня привода газораспределительного механизма дизеля. К щекам вала с помощью шпилек и гаек крепятся противовесы. Полости коренных шеек соединяются каналами с шатунными шейками, по которым подводится масло. Девятая коренная шейка имеет упорные бурты, предохраняющие коленчатый вал от продольного перемещения. От температурных нагрузок коленчатый вал мо-

Рис. 7.4. Коленчатый вал дизеля 1А-5Д49: 1 — антивибратор; 2 — шестерня; 3 — сухарь; 4 — пакет пластин; 5, 6 — диски дизель-генераторной муфты; 7 — направляющие кольца; а — коренная шейка; б — шатунная шейка; в — щека; г — противовесы

жет удлиняться от 9-й коренной шейки к 1-й. Фланец отбора мощности соединяется пластинчатой муфтой с тяговым генератором; к фланцу с противоположной стороны крепится комбинированный антивибратор (рис. 7.5).

В условиях эксплуатации высокие знакопеременные нагрузки от изгиба и крутильных колебаний могут привести к излому вала. Этому также способствуют дефекты, которые нередко возникают при изготовлении вала (литейные или возникшие при механической обработке). Повышенные механические напряжения в вале могут появляться в результате нарушения его уравновешенности а также при неправильной регулировке антивибратора или износе его грузов и пальцев. Задир шеек вала может произойти в результате ухудшения подачи на их поверхность масла, его разжижения или попадания в масло воды. При неправильной укладке вала в постели блока или неправильной его центровке с валом тягового генератора происходит упругий изгиб вала. В результате неправильной шлифовки коренных шеек при ремонте, а также от действия напряжений может возникнуть остаточный изгиб.

Рис. 7.5. Комбинированный антивибратор дизеля 5Д49: 1 — ступица; 2 — палец; 3 — груз; 4 — крышка; 5 -корпус; 6 — инерционная масса

Основными неисправностями коленчатых валов являются: сверхнормативный износ шеек; трещины и изломы; выкрашивание, коррозия и износ баббитовой заливки вкладышей; износ вкладышей и потеря торцового натяга; трещины крышек коренных подшипников.

Рассмотрим объемы работ при различных ТО и ТР на примере дизеля 10Д100.

При выполнении ТО-3 открывают люки верхней крышки и картера для осмотра подшипников, крышек и их крепления (методом остукивания молотком). Ослабление подшипников, крышек, присутствие баббита вблизи вкладышей, отсутствие шплинтов свидетельствует о неисправностях и требует восстановительного ремонта. Осматривают маслопровод в картере и трубки, подводящие масло к подшипникам. Через одно ТО-3 проверяют провисание нижнего коленчатого вала, которое не должно быть более 0,05 мм для коренных шеек (с 1-й по 7-ю включительно).

При проведении ТР-1 выполняют работы, предусмотренные для ТО-3, и дополнительно:

замеряют щупом суммарные зазоры «на масло» и «по усам» в коренных подшипниках верхнего и нижнего коленчатых валов; допускается зазор «на масло» до 0,4 мм, а «по усам» — до 0,25 мм. При больших зазорах коренные подшипники разбирают для замены вкладышей;

проверяют провисание нижнего коленчатого вала;

проверяют соосность валов дизеля и якоря тягового генератора. Эту проверку выполняют с помощью индикаторного приспособления. Измерения производят через каждые 90° поворота вала и каждый раз измеряют толщину пакета муфты. Отклонение по индикатору не должно превышать 0,15 мм на полный оборот коленчатого вала.

При проведении ТР-2 выполняют работы, предусмотренные ТР-1, и дополнительно:

разбирают шатунные подшипники коленчатых валов, проверяют их состояние, при необходимости ремонтируют;

демонтируют верхний коленчатый вал.

Нерабочие вкладыши (блока) снимают только в случае необходимости ремонта, все же рабочие вкладыши снимают, освидетельствуют и при необходимости ремонтируют. Восстанавливают осевой разбег коленчатого вала. Проверяют провисание коленчатого вала и при необходимости устраняют подбором вкладышей.

Демонтированные или новые вкладыши коренных подшипников (рис. 7.6) опускают на 3. 5 мин в масло, нагретое до температуры 50.80°С, затем протирают каждый вкладыш чистой безворсовой салфеткой и покрывают меловым раствором. После высыхания раствора вкладыш обстукивают деревянным молотком по тыльной части. Дребезжащий звук указывает на отставание баб-

Рис. 7.6. Коренные подшипники: 1 — верхний вкладыш; 2 — нижний вкладыш; 3 — канавка; 4 — отверстие; 5 — замок; 1 — средний подшипник бита, а потемнение мела из-за выступившего масла — на наличие трещин.

Вкладыши подлежат замене:

при наличии трещин в бронзе независимо от места расположения;

отслаивании баббитовой заливки, коррозии рабочей части более 20 % ее поверхности, выкрашивании более 50 % баббитовой заливки;

наличии круговых задиров на поверхности баббитовой заливки глубиной более 0,5 мм и шириной более 3 мм;

повышенном зазоре «на масло».

Подгонку вкладышей по шейкам вала производят путем шабрения баббитовой заливки, добиваясь, чтобы на I см2 баббитовой поверхности приходилось не менее двух пятен от краски или светлячков. После шабровочных работ баббитовую поверхность вкладышей выравнивают гладилкой.

Натяг вкладышей в постели блока проверяют на стенде, а если стенда в депо нет — непосредственно в постели блока. Для этой цели между крышкой и постелью блока ставят металлические прокладки одинаковой толщины (обычно из фольги). Суммарная толщина двух прокладок должна равняться допустимому натягу вкладышей. Крышки подшипников закрывают до меток окончательной затяжки. Натяг вкладышей считается достаточным, если при постукивании медным молотком по торцу не происходит продольное перемещение вкладыша относительно постели и щуп толщиной 0,03 мм входит между вкладышем и постелью корпуса на глубину не более 15 мм. Разрешается восстанавливать натяг нанесением пленки эластометра ГЭН-150(В) на затылочную часть нерабочих вкладышей.

⇐ | Поддизельная рама и блок цилиндров | | Устройство и ремонт тепловозов | | Вертикальная передача дизелей типа Д100 | ⇒

Коленчатый вал двигателя

Коленчатый вал двигателя

Коленчатый вал с помощью шатунов воспринимает усилия, действующие на поршни, от давления газов в цилиндрах. Развиваемый на коленчатом валу крутящий момент передается механизмам силовой передачи автомобиля.

Рис. 1. Коленчатый вал и его элементы

Коленчатый вал (рис. 1) состоит из коренных шеек, шатунных шеек, щек, фланца, переднего конца и противовесов.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

Прочность вала обусловливается соответствующими его размерами, применяемым материалом и обработкой. В большинстве двигателей коленчатый вал изготовляют из углеродистой стали ковкой или штамповкой нагретых заготовок. После этого вал подвергают механической и термической обработке. Шейки вала для получения гладкой точной цилиндрической поверхности шлифуют и полируют, а для повышения их износостойкости подвергают поверхностной закалке т. в. ч. После обработки проверяют правильность распределения массы вала относительно оси вращения, т. е. вал балансируют.

На двигателях некоторых марок (ЗМЗ) применяют чугунные коленчатые валы, изготовленные путем точного литья из специального высокопрочного магниевого чугуна. Процесс изготовления таких валов упрощается и удешевляется. Чугунные валы подвергаются такой же механической и термической обработке, что и стальные.

Коренными шейками вал устанавливают в подшипниках картера двигателя, а к шатунным присоединяют нижние головки шатунов. Шейки соединяются щеками. Места перехода от шеек к щекам, которые для избежания поломок вала делают закругленными, называются галтелями.

Задняя коренная шейка коленчатого вала обычно имеет маслоотражатель-ный гребень и резьбу для устранения утечки масла из картера двигателя.

На переднем конце вала закрепляют распределительную шестерню, маслоотражатель, шкив привода вентилятора и храповик для проворачивания вала пусковой рукояткой. Фланец на заднем конце вала служит для присоединения маховика.

Расположение кривошипов вала и количество коренных шеек зависят от типа двигателя, числа и расположения цилиндров. В рядном четырехцилиндровом двигателе вал устанавливается на трех или пяти опорах, в шестицилиндровом рядном двигателе — на четырех или семи опорах.

Чем больше число опор, тем выше жесткость вала и лучше условия его работы.

В V-образных двигателях каждая шатунная шейка вала используется для присоединения двух шатунов, число коренных шеек для восьмицилиндрового двигателя равно пяти, а для шестицилиндрового — четырем.

Для подачи масла к шатунным подшипникам из коренных в щеках вала высверливают каналы или заделывают трубки.

Шатунные шейки коленчатых валов обычно снабжаются грязеуловителями, которые значительно улучшают очистку масла, поступающего к шатунным подшипникам, от механических примесей, тем самым снижая износ шеек и подшипников. Грязеуловитель представляет собой камеру, высверленную (или отлитую) в шатунной шейке и закрываемую пробкой на резьбе. Масло поступает в грязеуловитель по каналу из коренного подшипника. Механические примеси, имеющиеся в масле, при вращении вала отбрасываются центробежной силой в карман грязеуловителя, и очищенное масло через отверстие проходит к шатунному подшипнику. Грязеуловители необходимо периодически очищать.

Для уменьшения веса вала и центробежных сил, возникающих при его вращении, коренные и шатунные шейки вала некоторых двигателей делают полыми.

Противовесы, имеющиеся на коленчатом валу, служат для разгрузки коренных подшипников от действия моментов, создаваемых центробежными силами, возникающими на кривошипах вала при его вращении, или для уравновешивания сил инерции поступательно движущихся частей. Противовесы делают обычно как одно целое со щеками кривошипов или крепят к щекам наглухо специальными болтами.

Коленчатые валы у дизелей делают особенно прочными и жесткими, что достигается применением специальной стали для изготовления вала, увеличенными размерами шеек и щек и установкой вала на возможно большем количестве опор.

—

Коленчатый вал воспринимает усилия от шатунов, связанных с поршнями. Крутящий момент, развиваемый на коленчатом валу, передается на трансмиссию автомобиля, а также используется для привода в действие различных механизмов и деталей двигателя.

Коленчатые валы изготовляют из высокоуглеродистой стали (двигатели ЗИЛ-130, ЯМЗ-236 и др.) или из магниевого чугуна (двигатели М-21, ГАЗ-53А и др.).

Коленчатый вал имеет следующие основные части: коренные и шатунные шейки, щеки, противовесы, передний конец и задний конец (хвостовик) с маслоотражателем и фланцем для крепления маховика.

Шатунные шейки служат для соединения коленчатого вала с шатунами.

Коренными шейками вал укладывается в подшипники, установленные в блоке цилиндров.

Щеки соединяют коренные и шатунные шейки вала, образуя колена, или кривошипы.

Противовесы, расположенные на коленчатом валу, разгружают коренные подшипники от сил инерции и создаваемых ими моментов.

Форма коленчатого вала зависит от числа и расположения цилиндров, порядка работы и тактности двигателя (двухтактный или четырехтактный рабочий процесс).

Шатунные шейки коленчатого вала располагаются в такой последовательности, чтобы одноименные такты (например, такты расширения) в разных цилиндрах двигателя происходили через равные промежутки времени и силы инерции, возникающие в цилиндрах, взаимно уравновешивались. Если расположение колен коленчатого вала не обеспечивает взаимного уравновешивания сил инерции и создаваемых ими моментов, то такие двигатели оборудуются противовесами или специальными уравновешивающими механизмами.

При одном и том же числе шатунных шеек число коренных шеек может быть различным. Шестицилиндровые рядные двигатели имеют коленчатые валы с четырьмя коренными шейками (двигатель ГАЗ-51А) или с семью коренными шейками (двигатель ЗИЛ-164А и др.).

Обычно в однорядных двигателях оси цилиндров лежат в одной плоскости с осью коленчатого вала. Кривошипно-шатуниый механизм такого двигателя называют аксиальным. Если ось коленчатого вала смещена относительно плоскости, в которой расположены оси цилиндров, то кривошипно-шатунный механизм такого двигателя называется дезаксиальным. Так, в двигателе ГАЗ-51А коленчатый вал смещен на 3 мм в правую сторону по ходу автомобиля. При смещении оси коленчатого вала повышается долговечность цилиндров, но одновременно несколько усложняется конструкция и технология изготовления двигателя.

Рис. 1. Коленчатые валы
а — двигателя ЗИЛ-130; б — дизеля ЯМЗ-236: 1 — передний конец вала; г — грязеуловительная полость в шатунной шейке; я — шатунная шейка; 4 — противовесы; 5 — маслоотражатель; 6 — фланец для крепления маховика; 7 — коренная шейка; 8 — щека; 9 — передний противовес; 10 — гайка; 11 — распределительная шестерня

В процессе работы двигателя шейки коленчатого вала истираются. Для повышения износостойкости шатунных и коренных шеек их закаливают т. в. ч. (токами высокой частоты), после чего шлифуют и полируют. Переход от шеек к щекам, называемый галтелью, делают плавным, чтобы избежать концентрации напряжений и возможных поломок коленчатого вала.

Для повышения жесткости коленчатых валов применяют перекрытие шеек, характеризуемое величиной А.

От коренных шеек к шатунным просверлены каналы для прохода масла. Если коренные шейки вала имеют полости, то в местах перехода устанавливают трубки, по которым поступает масло к шатунным шейкам. Чтобы трубки не смещались, их изгибают.

Коленчатый вал дизеля ЯМЗ-236 имеет три шатунные шейки, расположенные под углом 120°, и четыре коренные. На коленчатом валу установлено семь противовесов; из них шесть привернуты винтами к щекам, а передний противовес напрессован на вал и полукруглую шпонку. Гайка, навернутая на передний конец коленчатого вала, предохраняет от смещения распределительную шестерню, передний противовес и маслоотражатель. Восьмой противовес в виде прилива отлит вместе с маховиком. Установка на коленчатом валу, кроме основных противовесов, двух выносных улучшает уравновешивание моментов от сил инерции, возникающих при работе двигателя, так как чередование одноименных тактов при порядке работы 1—4—2—5—3—6 следует не равномерно, а через 90 и 150° (по углу поворота коленчатого вала).

Коленчатые валы двигателей М-21, ГАЗ-53А, ЗИЛ-130 и др. имеют гря-зеуловительные полости в шатунных шейках. При вращении коленчатого вала цмеющиеся в масле механические примеси под действием силы инерции отбрасываются от оси вращения, и очищенное масло через отверстие поступает к шатунной шейке. Сквозные грязе-уловительные полости заглушены с обеих сторон пробками, глухие полости — с одной стороны.

Противовесы отлиты как одно целое с коленчатым валом.

В качестве коренных подшипников для коленчатого вала применяются стальные взаимозаменяемые вкладыши, залитые антифрикционным сплавом. На стальную ленту с медно-никелевым подслоем наносится баббит СОС-6-6 (двигатели ГАЗ-53А и ЗИЛ-130).

Вкладыши коренных подшипников дизелей делают биметаллическими; они представляют собой стальную ленту, залитую слоем свинцовистой бронзы.

На рабочей поверхности вкладышей имеются маслораспределительные канавки. Отверстие в верхнем вкладыше служит для прохода масла из блока цилиндров к коренной шейке коленчатого вала. Во вкладышах заднего коренного подшипника сделаны дополнительные канавки; при этом в канавке нижнего вкладыша есть сквозное отверстие, соединяющееся с отверстием в крышке подшипника. Лишнее масло, попавшее в дополнительную канавку заднего коренного подшипника, по этим отверстиям стекает в картер.

От осевого смещения и проворачивания в своих гнездах вкладыши коренных подшипников, так же как и шатунных, удерживаются отштампованными на вкладышах усиками.

Во время работы двигателя коленчатый вал может перемещаться вдоль оси вследствие работы сцепления, наличия распределительных шестерен с косыми зубьями и температурных изменений. Поэтому один из коренных подшипников коленчатого вала делают упорным, воспринимающим осевые нагрузки и удерживающим вал от смещения.

В двигателях ГАЗ упорным является передний коренной подшипник.

На рис. 3 показан упорный подшипник коленчатого вала двигателя М-21. Чтобы удержать коленчатый вал от осевого сдвига, с обеих сторон первого коренного подшипника установлены неподвижные стальные шайбы , залитые баббитом. Передняя шайба удерживается от вращения штифтами, один из которых запрессован в блок цилиндров, а другой — в крышку коренного подшипника. Задняя шайба имеет прямоугольный выступ, входящий в паз крышки. Шайба плоскостью, залитой баббитом, обращена к шлифованному пояску щеки коленчатого вала, а шайба — к упорной стальной шайбе, установленной на шпонке между торцом передней коренной шейки коленчатого вала и распределительной шестерней.

Рис. 2. Коленчатый вал двигателя М-21 с грязеуловителями:
1 — трубка; 2 — полость в коренной шейке; 3 — пробка; 41— шатунная шейка; 5 — грязеуловительная полость; 6 — отверстие для прохода масла к шатунной шейке; 7 — коренная шейка; 8 — протизовес

Рис. 3. Упорный подшипник и уплотнение переднего конца коленчатого вала двигателя М-21:
1 — самоподшимной релиновый сальник; 2 — ступица шкива привода вентилятора; 3 — храповик; 4 — коленчатый вал; 5 и 17 — маслоотражатели; в — крышка распределительных шестерен; 7 — шкив привода вентилятора; 8 и 15 — штифты; 9 — блок цилиндров; 10 и 13 — неподвижные шайбы; 11 — упорная вращающаяся шайба; 12 — шпонка; 14 — крышка коренного подшипника; 16 — распределительная шестерня

Рис. 4. Уплотнение заднего конца коленчатого вала двигателя М-21:
1 — крышка коренного подшипника; 2 —- коленчатый вал; 3 — блок цилиндров; 4 — мас-лосбрасывающий гребень; 5 — болт крепления маховика; 6 — обойма сальника; 7 — шарикоподшипник валика муфты сцепления; 8 — фланец; 9 — сальник; 10 — болт крепления обоймы сальника; 11 — маховик

Рис. 5. Передний конец коленчатого вала дизеля ЯМЭ-236:
1 — передний противовес; 2 и 12 — шпонки; з — крышка распределительных шестерен; 4 и 9 — маслоотражатели; 5 — гайка крепления маслоотражателя; в — шкив; 7 — болт крепления шкива; 8 — самоподжимной сальник; 10 — распределительная шестерня; 11 — коленчатый вал

На переднем конце коленчатого вала, кроме шестерни, устанавливаются маслоотражатель, ступица шкива привода вентилятора и генератора. В торец коленчатого вала ввернут храповик в виде болта, служащий для пуска двигателя при помощи пусковой рукоятки. Одновременно храповик удерживает от смещения детали, находящиеся на переднем конце вала.

Передний конец коленчатого вала уплотняется самоподжимным резиновым сальником, установленным в крышке 6 распределительных шестерен, и маслоотражателем. Масло, стекающее по внутренней стороне крышки распределительных шестерен, не может попасть на сальник, так как он защищен специальным корпусом с отогнутыми краями. Стальная ступица шкива сидит на коленчатом валу на шпонке и вращается с ним как одно целое. Маслоотражатель, расположенный на ступице, предотвращает попадание масла на шкив.

Задний конец коленчатого вала уплотнен сальником и масло-сбрасывающим гребнем. Сальник представляет собой асбестовый шнур, пропитанный графитом и расположенный в обойме, состоящей из двух половин. Верхняя обойма сальника привертывается болтами к задней стенке блока цилиндров, а нижняя — к крышке коренного подшипника.

В задний торец коленчатого вала запрессован шарикоподшипник вала сцепления. Фланец, отштампованный как одно целое с коленчатым валом, служит для крепления болтами маховика.

На рис. 5 изображен передний конец коленчатого вала дизеля ЯМЗ-236. Спереди на коленчатый вал напрессованы распределительная шестерня и передний противовес и установлен маслоотражатель, прижатый к противовесу гайкой. От проворачивания шестерня и противовес удерживаются шпонками. Передний конец коленчатого вала уплотнен самоподжимным сальником и маслоотражателем, которые запрессованы в крышку. В торец вала ввернут болт, удерживающий от смещения шкив, напрессованный на коленчатый вал.

Задний конец коленчатого вала дизеля ЯМЗ-236 уплотнен самоподжимным сальником и маслоотражателем, запрессованными в картер маховика. Маслоотражатель, напрессованный на упорный бурт, улучшает уплотнение коленчатого вала.

От осевого смещения коленчатый вал удерживается двумя парами упорных полуколец, изготовленных из бронзы или стали. Верхние полукольца крепятся к торцам блока цилиндров, а нижние имеют выступы для фиксации их в крышке заднего коренного подшипника.

Коленчатый вал дизеля ЯМЭ-236 не имеет специального фланца для крепления маховика.

Рис. 6. Задний конец коленчатого вала дизеля ЯМЭ-236:
1 — упорные полукольца; 2 и 7 — маслоотражатели; 3 — болт крепления губчатого венца; 4 — зубчатый венец; 5 — картер маховика; 6 — маховик; 7 — самоподжимной сальник; 9 — штифт; 10 — болт крепления маховика; 11 — замковые шайбы; 12 — коленчатый вал; 13 — упорный бурт; 14 — крышка заднего коренного подшипника

Материалы коленвала

…

Материалы для коленчатых валов должны легко поддаваться формованию, механической обработке и термообработке, а также должны обладать достаточной прочностью, ударной вязкостью, твердостью и высокой усталостной прочностью. Коленчатый вал изготавливается из стали методом ковки или литья. Вкладыши коренных и шатунных подшипников изготовлены из баббита, сплава олова и свинца. Кованые коленчатые валы прочнее литых, но стоят дороже. Кованые коленчатые валы изготавливаются из стали SAE 1045 или аналогичной стали. Ковка позволяет получить очень плотный и прочный стержень с волокнами, идущими параллельно основному направлению напряжения. Коленчатые валы отлиты из стали, модульного чугуна или ковкого чугуна. Основным преимуществом процесса литья является то, что материал коленчатого вала и затраты на его обработку сокращаются, поскольку коленчатый вал может быть изготовлен близко к требуемой форме и размеру, включая противовесы. Литые коленчатые валы могут выдерживать нагрузки со всех направлений, поскольку структура зерна металла однородна и беспорядочна. 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 ковали, чтобы они обладали всеми желаемыми свойствами. Однако с развитием чугунов с шаровидным графитом и усовершенствованием методов литья литые коленчатые валы теперь предпочтительнее для умеренных нагрузок. Только для тяжелых условий эксплуатации предпочтительны кованые валы. Выбор материалов коленчатого вала и термическая обработка для различных применений заключаются в следующем.

(i) Марганцево-молибденовая сталь.

Это относительно дешевая поковочная сталь, которая используется для изготовления коленчатых валов бензиновых двигателей средней мощности. Этот сплав имеет состав 0,38% углерода, 1,5% марганца, 0,3% молибдена и остального железа. Сталь подвергают термообработке закалкой в ​​масле с температуры 1123 К с последующим отпуском при 973 К, что дает поверхностную твердость около 250 чисел Бринелля. С такой твердостью поверхности вал подходит как для подшипников с оловянно-алюминиевым, так и свинцово-медным покрытием.

(ii) 1%-хромомолибденовая сталь.

Эта кованая сталь используется для изготовления коленчатых валов бензиновых и дизельных двигателей средней и большой мощности. Состав этого сплава: 0,4% углерода, 1,2% хрома, 0,3% молибдена и остальное железо. Сталь подвергается термообработке путем закалки в масле с температуры 1123 К и последующего отпуска при 953 К. Это дает поверхностную твердость около 280 чисел Бринелля. Для использования более твердых подшипников шейки могут быть закалены пламенем или индукционной поверхностной закалкой до числа Бринелля 480. Для очень тяжелых условий эксплуатации процесс азотирования может привести к получению поверхности с числом алмазной пирамиды 700 (DPN). Эти опорные поверхности подходят для всех подшипников с алюминиевым и бронзовым покрытием.

(iii) 2,5%-никель-хром-молибденовая сталь.

Эта сталь предназначена для тяжелых дизельных двигателей. Состав этого сплава: 0,31% углерода, 2,5% никеля, 0,65% хрома, 0,55% молибдена и остальное железо. Сталь сначала подвергают термообработке путем закалки в масле с температуры 1003 К, а затем отпускают при подходящей температуре не выше 933 К. Это дает поверхностную твердость в районе 300 чисел Бринелля. Эта сталь несколько дороже марганцево-молибденовых и хромомолибденовых сталей, но обладает улучшенными механическими свойствами.

(iv) 3%-хромомолибден или 1,5%-хром-алюминий-модибден Сталь.

Эти кованые стали используются для коленчатых валов дизельных двигателей, подходящих для подшипников из твердых материалов с высокой усталостной прочностью. Легирующие составы включают 0,15% углерода, 3% хрома и 0,5% молибдена или 0,3% углерода, 1,5% хрома, 1,1% алюминия и 0,2% молибдена. Начальная термообработка обеих сталей – закалка в масле и отпуск при 1193 К и 883 К или 1163 К и 963 К соответственно для двух сталей. Валы закалены путем азотирования, так что азот поглощается их поверхностными слоями. При хорошем азотировании галтелей шейки усталостная прочность этих валов увеличивается не менее чем на 30 % по сравнению с валами с индукционной закалкой и поверхностной закалкой пламенем. Сталь с 3% хрома имеет относительно прочную поверхность и твердость от 800 до 900 DPN. С другой стороны, корпус из 1,5%-ной хромистой стали 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 с шаровидным графитом или ковкие чугуны. Эти серые чугуны содержат от 3 до 4% углерода и от 1,8 до 2,8% кремния, а графитовые конкреции диспергированы в перлитной матрице вместо формирования искусственного графита. Для получения такой структуры в расплав добавляют около 0,02% остаточного церия или 0,05% остаточного ниагния или даже того и другого, благодаря чему удаляется сера и образуется множество мелких сфероидов в литом материале. Поверхностная твердость литого чугуна с шаровидным графитом больше, чем у стали аналогичной прочности, их твердость составляет от 250 до 300 и от 200 до 250 чисел Бринелля. Пламенная или индукционная закалка позволяет получить поверхность с числом Бринелля от 550 до 580, а также при необходимости может быть применена форма азотирования.

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 (то есть относительно высокой прочностью, твердостью, прочность, обрабатываемость и способность к закалке). 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. Чтобы поддерживать несколько меньшую ударную вязкость и усталостную прочность этих чугунов, используются более крупные сечения и максимальное количество коренных шеек.

(a) Пламенная и индукционная поверхностная закалка.

Это методы поверхностного упрочнения стали с содержанием углерода от 0,3 до 0,5% без использования специальных составов или газов. Основной принцип заключается в быстром нагревании поверхности с последующим охлаждением водой. Поскольку он нагревается локально, а не нагревает всю массу, закалка значительно снижается и предотвращается деформация шейки.

Пламенная закалка проводится кислородно-ацетиленовым пламенем при температуре поверхностного слоя 993 и 1173 К. Температура поверхности зависит от эквивалента содержания углерода в различных легирующих элементах стали. За процессом нагрева следует операция закалки струей воды. Поскольку фактический период нагрева и охлаждения имеет решающее значение, он определяется заранее и в большинстве случаев контролируется автоматически.

Индукционная закалка осуществляется путем электрического нагрева поверхности, подлежащей закалке. В этом случае исключается опасность либо перегрева, либо ожога поверхности металла, как при закалке пламенем. Индукционная катушка окружает цапфу и пропускает высокочастотный ток. Это индуцирует циркулирующие вихревые токи на поверхности шейки, тем самым повышая ее температуру, и тепло в основном концентрируется на внешней поверхности шейки. При этом чем выше частота тока, тем ближе тепло к коже. Ток автоматически отключается при достижении необходимой температуры и одновременно происходит охлаждение поверхности струей воды, которая проходит через отверстия в индукционном блоке.

(b) Азотирование Процесс поверхностного упрочнения.

В этом процессе шейки 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 чрезвычайно твердый неглубокий корпус. Нитриды хрома диффундируют на большую глубину, чем нитриды алюминия. Молибден увеличивает прокаливаемость, обеспечивает измельчение зерна и улучшает ударную вязкость сердцевины.

В этом процессе можно использовать непосредственно шейки, отшлифованные до их окончательного размера, поскольку после азотирования закалка не производится, что позволяет избежать деформации, в отличие от других процессов поверхностного упрочнения. Низкая скорость проникновения в поверхность увеличивает стоимость процесса, например, требуется 20 часов для изготовления корпуса толщиной около 0,2 мм.

(c) Процесс карбонитрации с поверхностным упрочнением.

Tufftride — наиболее известный процесс карбонитрации в солевых ваннах. Коленчатый вал погружают в ванну с расплавленными солями при температуре около 853 К на относительно короткое время цикла, составляющее два-три часа. При этом углерод и азот отделяются от солей и диффундируют на поверхность. Поскольку азот более растворим в железе, чем углерод, он глубже диффундирует в материал. На поверхности образуются твердые карбиды железа и прочные нитриды железа, что значительно увеличивает сопротивление износу, истиранию (отслаиванию поверхности), заеданию и коррозии.

В зависимости от используемой стали этот наружный слой имеет толщину от 6 до 16 дюймов и имеет твердость от 400 до 1200 DPN. Под этим внешним слоем избыточный азот переходит в твердый раствор с железом, благодаря чему он упрочняется. Эта внутренняя диффузионная зона образует барьер, препятствующий распространению трещин, ведущих к усталостному разрушению.

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

Коленчатые валы — кованые

Во всех аспектах двигателя прочность является очень важным фактором, определяющим срок службы и уровень производительности, которых он может достичь. В частности, одним из мест, где прочность является наиболее важным фактором, является коленчатый вал. Если мы остановимся, чтобы рассмотреть экстремальные силы, которые воздействуют на него с каждым оборотом двигателя, быстро становится очевидным, что работа, которую ему поручили, не является простым подвигом. Обеспечение того, чтобы у вас был лучший материал и дизайн для данного приложения, может быть разницей между получением результатов, к которым вы стремитесь, или столкновением с кучей горя.

Металлургия и процессы

Мы начнем обсуждение с рассмотрения различных прочностных характеристик материалов, из которых изготавливаются кривошипы, а также различий в производственном процессе. Изготовление литого кривошипа включает заливку расплавленного металла в форму для получения сырой отливки. Отливка выходит из формы, очень напоминая свою окончательную форму, и поэтому не требует такой тщательной чистовой обработки по сравнению с ковкой.

Поковки изготавливаются путем помещения нагретого куска заготовки в многотонные прессы, которые затем сжимают ее до нужной формы с помощью ковочных штампов. Однако, в отличие от литья, ковка требует большего количества операций механической обработки и отделки, что в сочетании с затратами на материалы приводит к удорожанию изготовления детали.

Чугунные кривошипы достигают предела прочности при растяжении 70 000-80 000 фунтов на квадратный дюйм, а добавление дополнительного углерода в железо дает нам железо с шаровидным графитом, которое немного выше — около 95 000 фунтов на квадратный дюйм. Ряд производителей послепродажного обслуживания производят коленчатые валы из литой стали, которые имеют еще большее содержание углерода и рассчитаны на растяжение около 105 000–110 000, что делает их более надежными для более высокой производительности и ударного механизма. Большинство этих шатунов будут иметь рекомендуемый производителем потолок мощности около 450-500 л.с. или около того, хотя они были выдвинуты за эту отметку из-за использования в определенных местах соревнований, где правила требуют литых шатунов (об этом мы поговорим подробнее). потом).

Поковки изготавливаются путем помещения нагретого куска заготовки в многотонные прессы, которые затем сжимают ее до нужной формы с помощью ковочных штампов. Именно сжимающее действие делает конечный продукт более прочным, чем отливка, за счет достижения более последовательной или однородной зернистой структуры (обычно называемой потоком зерен) материала.

Однако, в отличие от литья, ковка требует большего количества операций механической обработки и чистовой обработки, что в сочетании с затратами на материалы приводит к удорожанию изготовления детали. Кованые коленчатые валы производятся во многих различных диапазонах прочности в зависимости от материала. Заводские кованые кривошипы изготавливаются из таких сталей, как 1010, 1045 и 1053, которые имеют предел прочности при растяжении 100 000–110 000 фунтов на квадратный дюйм. Показатели прочности на растяжение аналогичны литой стали, но показатель удлинения более чем в три раза. Это делает поковку менее хрупкой.

Стальные шатуны вторичного рынка изготавливаются из сплавов 5140, 4130, 4140 и 4340. Основной сорт стали для вторичного рынка — 5140 с пределом прочности при растяжении около 115 000 фунтов на квадратный дюйм. Этот материал может быть экономически выгодным для бюджетных сборок, но он используется не так часто из-за растущей доступности кривошипов из более прочного сплава, которые становятся все более доступными. К ним относятся поковки из стали 4130, 4140 и 4340, предел прочности при растяжении которых составляет приблизительно 120 000–125 000 фунтов на квадратный дюйм и до 140 000–145 000 фунтов на квадратный дюйм для 4340.

Основное различие между этими сплавами заключается в количестве хрома, углерода и молибдена, используемых в их композициях, с добавлением никеля к 4340. Еще одно изменение (буквально) поковок заключается в том, что кривошип изготавливается с помощью скрученного или нескрученного процесса. Поскольку кованые кривошипы прижимаются к штампу, для этого используются два разных метода. Самый простой способ — выковать по одному броску кривошипа за раз в плоском ковочном штампе. Затем рукоятка крутится, и штамп выковывает следующий бросок.

Основная цель при выборе кривошипа должна основываться на требованиях вашего применения, которые необходимы для достижения максимально возможного срока службы.

При ковке без кручения все четыре броска куются одновременно, что исключает процедуру кручения, но для этого метода требуется более сложный штамп. Большинство производителей заявляют, что нескрученные поковки уменьшают внутренние напряжения коленчатого вала с помощью этого процесса, потому что меньше нарушается внутренняя зернистая структура материала. Существуют разные теории по этому поводу, но очень немногие производители высокопроизводительных шатунов используют процесс скручивания из-за имеющихся в наличии инструментов.

Теперь займемся кривошипами. Этот тип кривошипа изготавливается из цельного стержня из высокопрочного стального сплава, а не сжимается в форму с помощью прессов и штампов. Материалы, используемые для этих кривошипов, обычно 4330M, EN30B и 4330V. Прочность на растяжение находится в диапазоне 160 000–165 000 фунтов на квадратный дюйм. Учитывая все остальные факторы, единственным реальным недостатком заготовки является стоимость. Хотя они дороже, чем поковки, есть преимущества, которые можно получить, используя заготовку. Поскольку форма и все другие размеры подвергаются механической обработке, заготовки позволяют изготавливать кривошип с размерами шейки, конструкцией противовеса и длиной хода, которые могут быть недоступны в поковке.

Нет никаких сомнений в том, что заготовка обладает прочностью, и они используются во многих областях, где важна усталостная долговечность кривошипа. Поскольку мы коснулись аспекта усталостной долговечности, мы будем использовать его как вход в тему пластичности.

Все кривошипы изгибаются под воздействием огромной нагрузки. Пластичность — это способность коленчатого вала изгибаться без образования трещин и возвращаться к своей нормальной форме без необратимых изменений. Давление сгорания, скорость поршня и общий вес компонентов, прикрепленных к кривошипу, работают на создание этих нагрузок. Если мы рассмотрим физическую работу двигателя с точки зрения коленчатого вала, мы увидим, что он перемещает компоненты от нуля до максимальных оборотов и обратно до нуля дважды за каждый оборот. Учтите при этом давление, добавленное от сгорания, и инерционные факторы скорости поршня (вес компонентов, умноженный на ускорение), и мы увидим, насколько важно иметь коленчатый вал, который обеспечивает наилучшее сочетание прочности и пластичности для данного применения. Это, однако, еще одна область, где в отрасли существуют разногласия по вопросу о прочности поковки/заготовки.

Масло под давлением от коренных подшипников подается через каналы, просверленные в коленчатом валу, к шатунным шейкам для смазки шатунных подшипников.

Одни специалисты утверждают, что поковка будет прочнее заготовки, другие считают наоборот. Существуют различные аргументы в поддержку каждого направления мысли, но, на мой взгляд, заготовка обладает большей прочностью. Независимо от того, к какому лагерю вы относитесь, главная цель при выборе кривошипа должна основываться на требованиях вашего приложения, которые необходимы для достижения максимально возможного срока службы.

Конструкция коленчатого вала

Форма и расположение противовеса влияют на основные нагрузки на подшипники и балансировку кривошипа. Нагрузка на подшипник не требует пояснений, но балансировка является областью переменных. Производители коленчатых валов отлично справляются со своей работой, предлагая продукты, которые обычно можно довольно легко сбалансировать вокруг определенного целевого веса. Я использую слово «обычно» из-за огромного количества компонентов, из которых состоят вращающиеся узлы. Размер поршня, размеры колец, тип шатуна и конструкция шатунного вкладыша определяют грузоподъемность, до которой кривошип должен быть сбалансирован.

Материалы, из которых изготовлены эти детали, также различаются по весу: алюминиевый шток намного легче стального, заэвтектические и кованые поршни имеют разный вес, как и другие части, из которых состоит вращающийся узел.

В качестве примера давайте рассмотрим пару малоблочных двигателей Chevy, в которых будет использоваться коленчатый вал с ходом 3,480. Допустим, первый двигатель строится для автомобиля 305 sprint. Поршни имеют диаметр отверстия 3,796, комплект тонких колец, двутавровые шатуны и шатунные подшипники со скошенными кромками. В зависимости от марки, эта комбинация должна иметь вес около 159 бобов.От 0 до 1610. Второй двигатель представляет собой 377-кубовый шатун для улицы с поршнями диаметром 4,155 дюйма, более толстым пакетом колец, шатунами с двутавровой балкой и подшипниками со скошенными кромками. Опять же, в зависимости от используемых марок, эта комбинация должна иметь бобовит в диапазоне от 1760 до 1780. Оба двигателя будут использовать один и тот же номер детали на коленчатом валу, но с разницей в бобышках почти 200 граммов, мы можем видеть, что они для каждого требуется свой подход к балансировке. Облегченный коленчатый вал

Magnum.

Этот пример показывает, как в одном и том же коленчатом валу может быть просто удалено некоторое количество материала из противовесов одного путем сверления, тогда как для другого двигателя может потребоваться добавление куска маллори для достижения правильного баланса. Еще одна область при работе с коваными кривошипами вторичного рынка — это больший гладкий радиус между шатунными шейками и противовесами, который используется для дополнительной прочности в этом месте. Для кривошипов с этой конструктивной особенностью потребуются шатунные подшипники со скошенными (или суженными) кромками, которые упоминались в примере балансировочных комбинаций.

Форма противовеса также влияет на сопротивление воздуха в масляном поддоне. В прошлые годы производители обрабатывали так называемую «кромку ножа» на передней кромке противовесов, но с тех пор перешли к более округлой или «бычьей» форме после того, как обнаружили, что острые углы будут отклонять масло, а не наоборот. чтобы он мог обтекать противовес.

Однако на задней кромке противовеса можно использовать более острую кромку, чтобы создать более аэродинамическую форму. Дополнительные противовесы, добавленные к центру коленчатого вала, также могут помочь в более мощных двигателях и двигателях для соревнований, уменьшая величину отклонения кривошипа на высоких оборотах и ​​в приложениях с принудительной индукцией. Хотя это также увеличивает общий вес кривошипа, стоит пойти на компромисс ради долговечности, потому что жесткость важнее веса.

Это пример перекрытия выводов.

Продолжая думать о долговечности, мы подошли к вопросу о перекрытии журналов. Это величина, на которую коренные и шатунные шейки кривошипа перекрывают друг друга. Чем больше нахлест присутствует в кривошипе, тем прочнее он будет. По мере увеличения длины хода шейки стержней отодвигаются дальше от главной оси, тем самым уменьшая перекрытие, а также часть прочности. Другой пример, который может уменьшить перекрытие, — это приложения, в которых используются коренные и шатунные шейки меньшего диаметра для снижения скорости подшипника и / или обеспечения дополнительного зазора за счет возможности использования шатуна меньшего размера.

Промасливание и термообработка

Существует ряд обработок, которые могут быть выполнены для снятия напряжения, а также для повышения уровня прочности коленчатого вала. Они могут быть химическими, вибрационными, криогенными, нагретыми и т. д., но мы обсудим два наиболее широко используемых в настоящее время — индукционную закалку и азотирование.

Азотирование осуществляется путем нагрева кривошипа в печи с присутствием азота и других газов. Ионизированный азот наносится в вакууме на поверхность коленчатого вала, который проникает в металл во время этого контролируемого процесса нагрева и увеличивает твердость и усталостную долговечность кривошипа.

Дополнительные противовесы в центре коленчатого вала могут быть полезны для более мощных двигателей для соревнований за счет уменьшения отклонения кривошипа.

Индукционная закалка выполняется путем быстрого нагрева кривошипа с помощью высокочастотного переменного магнитного поля, которое обеспечивает проникновение в поверхность, необходимое для укрепления кривошипа.

Завершим наше обсуждение смазыванием каналов кривошипа. Масло под давлением от коренных подшипников подается через каналы, просверленные в коленчатом валу, к шатунным шейкам для смазки шатунных подшипников. Это еще одна область, в которой с годами произошли изменения, поскольку двигатели постоянно модернизировались за счет технологических достижений и повышения уровня мощности.

Когда-то многие высокопроизводительные кривошипы были просверлены на всем протяжении основных мест, чтобы выровнять поток масла к подшипникам. Хотя это может быть приемлемым для двигателя, который будет работать на более низком уровне оборотов, отраслевой опыт доказал, что это имеет противоположный эффект на более высоких оборотах двигателя, фактически вытягивая масло из отверстий на шатунные шейки под действием центробежной силы.