Фирма Eco-Motive создала двухтопливный мотор с двумя коленвалами

Устройство коленчатого вала

Сложная конструкция коленвала представлена в виде расположенных по одной оси колен – шатунных шеек, соединенных специальными щеками. При этом количество колен зависит от числа, формы и месторасположения цилиндров, а также тактности двигателя автомобиля. С помощью шатунов шейки соединяются с поршнями, совершающими поступательно-возвратные движения.

В зависимости от расположения коренных шеек коленвал может быть:

  • полноопорным – когда коренные шейки расположены по две стороны от шатунной шейки;
  • неполноопорным – когда коренные шейки расположены только по одну из сторон от шатунной шейки.

В большинстве современных автомобильных двигателей применяются полноопорные коленвалы.

Итак, основными элементами коленвала являются:

  • Коренная шейка – основная часть вала, которая размещается на коренных вкладышах (подшипниках), находящихся в картере.
  • Шатунная шейка – деталь, соединяющая коленвал с шатунами. При этом смазка шатунных механизмов осуществляется благодаря наличию специальных масляных каналов. Шатунные шейки в отличие от коренных шеек всегда смещены в стороны.
  • Щеки – детали, соединяющие два типа шеек – коренные и шатунные.
  • Противовесы – детали, которые предназначены для уравновешивания веса поршней и шатунов.
  • Фронтальная (передняя) часть или носок – часть механизма, оснащенная колесом с зубцами (шкивом) и шестерней, в некоторых случаях гасителем крутильных колебаний, который осуществляет контроль над мощностью привода ГРМ (газораспределительного механизма), а также других механизмов устройства.
  • Тыльная (задняя) часть или хвостовик – часть механизма, соединенная с маховиком при помощи маслоотражающего гребня и маслосгонной резьбы, осуществляет отбор мощности вала.

Фронтальная и тыльная сторона коленчатого вала уплотняется защитными сальниками, которые препятствуют протеканию масла там, где выступающие части маховика выходят за пределы блока цилиндров.

Вращательные движения всего механизма коленвала обеспечивают подшипники скольжения – тонкие стальные вкладыши, с защитным слоем антифрикционного вещества. Для предотвращения осевого смещения вала, применяется упорный подшипник, установленный на коренной шейке (крайней или средней).

Коленвал двигателя изготавливается из износостойкой стали (легированной или углеродистой) или модифицированного чугуна, методом штамповки или литья.

Для чего нужен коленчатый вал

Двигатели внутреннего сгорания работают за счёт функционирования поршневого блока. Его принцип действия заключается в следующем:

  • во время сгорания топливной смеси в цилиндре воздух расширяется с создаёт давление;
  • под действие давления поршень выталкивается, совершая поступательное движение;
  • благодаря соединению с шатунными шейками поступательное движение превращается во вращательное;
  • энергия вращения, переданная на коленчатый вал, передаётся колёсам автомобиля, и он приводится в движение.

Таким образом, коленвал – это преобразователь одного вида механического движения в другой. Как известно, поршни в ДВС двигаются несимметрично. В то время, как одни из них совершают поступательные движения (выталкиваются из цилиндра), другие – возвратное (затягиваются обратно). Конструкция коленчатых валов разрабатывается с предельной точностью, поэтому во время работы все цилиндры сохраняют общее вращение вала. Поэтому коленца имеют разные оси вращения.

Из чего состоит коленчатый вал

Конструкция коленчатого вала: 1. Носок коленчатого вала; 2. Посадочное место звездочки (шестерни) привода распределительного вала; 3. Отверстие подвода масла к коренной шейке; 4. Противовес; 5. Щека; 6. Шатунные шейки; 7. Фланец маховика; 8. Отверстие подвода масла к шатунной шейке; 9. Противовесы; 10. Коренные шейки; 11. Коренная шейка упорного подшипника.

Рабочие компоненты коленвала:

  • Коренная шейка – валовая опора, которая служит осью вращения самого вала. Она лежит в подшипнике, который встроен в картер.
  • Шатунные шейки – опоры, связанные с поршневыми шатунами. Во время работы они смещаются относительно оси вала по круговой траектории.
  • Щёки – вспомогательные детали, связывающие шатунные и коренные шейки. Они также предотвращают разрушение вала из-за резонансной нагрузки.
  • Хвостовик – задняя часть, соединённая с шестерной отбора или маховиком для передачи мощности на движение.
  • Носок – передняя часть вала, которая посредством шкива или зубчатого колеса передаёт мощность приводу газораспределительного блока и других вспомогательных механизмов.
  • Противовесы – детали, необходимые для распределения нагрузки и уравновешивания массы шатунов и поршней.

Для уплотнения носка и хвостовика используются защитные сальники. Это предотвращает просачивание масла в местах выхода частей маховика за границы блока цилиндров. Вращательное движение обеспечивается тонкими стальными подшипниками скольжения. Чтобы ось вращения вала не смещалась, на одну из коренных шеек ставится упорный подшипник.

Во время работы самые большие напряжения концентрируются в месте соединения шеек и щёк. Для разгрузки его делают с галтелью – полукруглым переходом с промежуточным технологическим поясом. По причине экстремальных нагрузок в месте перехода щёк в шейки в своё время производители отказались от составных коленвалов, детали которых соединялись крепежом.

Коленвал в автомобиле

Коленвал это деталь в моторе автомобиля, приводящаяся в движение поршневой группой. Он передает крутящий момент на маховик, который в свою очередь вращает шестерни трансмиссии. Далее вращение передается на полуоси ведущих колес.

Все автомобили, под капотом которых установлены двигатели внутреннего сгорания, оснащаются таким механизмом. Эта деталь создается специально под марку двигателя, а не под модель автомобиля. В процессе эксплуатации коленчатый вал притирается к особенностям строения ДВС, в котором он установлен. Поэтому при его замене мотористы всегда обращают внимание на выработку трущихся элементов и на то, почему она появилась.

Как работает коленчатый вал в двигателе автомобиля

Для чего нужен коленвал? Без него невозможно движение машины. Работает деталь по принципу вращения педалей велосипеда. Только в автомобильных моторах используется больше шатунов.

Коленвал работает следующим образом. В цилиндре мотора воспламеняется воздушно-топливная смесь. Образовавшаяся энергия выталкивает поршень. При этом приводится в движение шатун, подсоединенный к кривошипу коленчатого вала. Эта деталь совершает постоянное вращательное движение вокруг оси коленвала.

В этот момент другая деталь, расположенная на противоположной части оси, движется в обратном направлении и опускает следующий поршень в цилиндр. Цикличные движения этих элементов приводит к ровному вращению коленвала.

Так возвратно-поступательное движение преобразуется во вращательное. Крутящий момент передается на шкив привода ГРМ. От вращения коленвала зависит работа всех механизмов двигателя – водяной помпы, масляного насоса, генератора и другого навесного оборудования.

В зависимости от модификации двигателя кривошипов может насчитываться от одного до 12 (по одному на цилиндр).

Задиры шатунных шеек кривошипа

Износ шатунных шеек – распространенная неисправность, так как в этом узле образуется сила трения при большом давлении. В результате таких нагрузок на металле появляются выработки, которые затрудняют свободный ход подшипников. Из-за этого коленвал неравномерно нагревается и впоследствии может деформироваться.

Игнорирование данной проблемы чревато не только сильными вибрациями в моторе. Перегрев механизма приводит к его разрушению и по цепной реакции – всего двигателя.

Проблема устраняется путем шлифовки шатунных шеек. При этом их диаметр уменьшается. Чтобы размер этих элементов был одинаковым на всех кривошипах, данную процедуру следует выполнять исключительно на профессиональных токарных станках.

Так как после процедуры технические зазоры детали становятся больше, после обработки на них устанавливается специальный вкладыш, компенсирующий образовавшееся пространство.

Задиры появляются из-за низкого уровня масла в картере двигателя. Также на возникновение неисправности влияет качество смазки. Если не менять масло вовремя, оно загустевает, от чего масляный насос не способен создать нужное давление в системе. Своевременное ТО позволит кривошипно-шатунному механизму работать длительный срок.

Срез шпонки кривошипа

Шпонка кривошипного механизма позволяет передать крутящий момент с вала на приводной шкив. Эти два элемента оснащены пазами, в которые вставляется специальный клин. Из-за некачественного материала и большой нагрузки эту деталь в редких случаях может обрезать (например, при заклинивании двигателя).

Если пазы шкива и КШМ не разбиты, то достаточно просто заменить эту шпонку. В старых моторах такая процедура может не принести желаемого результата из-за люфта на соединении. Поэтому единственным выходом из ситуации будет замена этих деталей на новые.

Износ отверстий фланца

На хвостовике коленчатого вала закреплен фланец с несколькими отверстиями для подсоединения маховика. Со временем эти гнезда могут разбиваться. Такие неисправности относятся к категории усталостного износа.

В результате работы механизма под большими нагрузками в металлических деталях образуются микротрещины, из-за которых образуются одиночные или групповые углубления на соединениях.

Неисправность устраняется путем рассверливания отверстий под больший диаметр болтов. Эту манипуляцию следует выполнить как с фланцем, так и с маховиком.

Шестерня коленвала и ее значение

Когда картер полностью собран, снаружи устанавливается сальник, а затем – шестерня коленвала. Необходима она для того, чтобы через зубчатый ремень или непосредственно через шестерню распределительного вала происходила его синхронизация с работой коленчатого вала. В свою очередь распредвал посредством установленных на нем кулачков с определенной периодичностью открывает и закрывает клапаны газораспределительного механизма (ГРМ). Это необходимо для своевременной подачи в цилиндры ДВС топлива и отвода газов после его сгорания.

Если используется ременная передача, она попутно охватывает шкив насоса охлаждающей жидкости. К слову, натяжение ремня должно быть строго отрегулировано, для этого предусмотрен специальный ролик. Если у шестерни вдруг обнаружится люфт, проверьте, насколько надежно сидит в своем гнезде шпонка коленвала. Даже после того, как последняя будет вынута, шестерня при натянутом ремне должна сидеть достаточно плотно. Если люфт продолжается, значит, произошла деформация посадочного места, и не остается ничего другого, кроме как поменять вал. То же самое, если разбивает гнездо под шпонку.

Устройство системы смазки коленчатого вала

Система смазки ДВЗ включает и шатунные и коренные шейки. Их смазка осуществляется под давлением. Общая магистраль снабжения маслом элементов двигателя производит его подвод к каждой опоре шейки. После этого происходит подача масла к шатунным шейкам.
Мощность с коленчатого вала отбирается с его хвостовика (заднего хода). На конце передней части вала устанавливаются места, на которых укрепляется шестерня привода вала, шкив и гаситель крутильных колебаний. В общем виде они представляют собой два диска, соединенными материалом с высокой степенью упругости (резина, пружинная часть, жидкий силикон). Эти вещества способны поглощать вибрации вала, осуществляя трение внутри него.


На фотографии схема системы смазки коленвала

Видео про принцип работы коленчатого вала:

Вспомогательные механизмы

Итак, зная, для чего предназначен коленвал двигателя и какие силы воздействуют на него во время работы, можно понять, почему сопряжения между щеками и шатунными шейками немного закруглены. Это позволяет предотвратить преждевременные разрушения.

Между щек расположена шатунная рейка. Механики, которые обслуживают двигатели, называют ее «коленом». Она предназначена для того, чтобы обеспечивалось равномерное воспламенение, чтобы работа двигателя была максимально уравновешенной, чтобы на вал действовали минимальные крутильные и изгибающие силы. Коленвал это – деталь, работающая при высоких оборотах. Вращение шатунов и самого вала на опорах обеспечивается за счет подшипников скольжения. Установлены упорные элементы на крайней или средней коренной шейке. В задачи этого подшипника входит предотвращение осевых смещений и перемещение механизма.

Если учесть, сколько деталей должны слаженно и четко работать в одном механизме, нетрудно сказать, что в процессе производства коленчатый вал тщательно балансируется. Но иногда удается обнаружить и разбалансируемые детали. В продажу такие изделия не поступают.

Неисправности

В силу высоких нагрузок данный механизм выходит из строя. Среди типовых неисправностей можно выделить ускоренный износ шеек. Он связан с проблемами в блоке цилиндров. Также нередко случаются задиры на поверхностях шеек.

Это случается из-за неудовлетворительной циркуляции или отсутствия смазки, либо в связи с нарушением температурных режимов. Царапины на поверхностях шеек можно видеть особенно часто. Необходимо различать просто царапины и трещины, которые образуются вследствие усталости металла. Нередко случаются биения и прогиб детали. Это особенно актуально для двигателей высокооборотистых автомобилей.

Еще одна типовая неисправность – отклонение шеек от их заводского размера. Но это более естественный процесс, чем все остальные. Нужно учитывать, что размеры коленвала имеют допуск не более 0,02 миллиметров. Любое несоответствие устраняется проточкой на специализированном оборудовании.

Требования

Мы уже знаем, для чего нужен данный узел. Так как он является основной кривошипно-шатунного механизма, к нему предъявляются особые требования. Вал должен выдерживать колоссальные нагрузки во время работы ДВС. Поэтому изготавливается он из высокопрочных сплавов и чугуна с добавлением молибдена и хрома.

Высокие требования предъявляются не только к составу, но и технологии изготовления механизма. На обычных ДВС коленвал изготавливается методом чугунного литья. А вот для форсированных, спортивных авто, вал должен быть кованым. Изготавливаются такие механизмы из особых сплавов. Данный коленчатый вал имеет более меньший вес, что позволяет увеличить мощность ДВС и его КПД. Почему такие валы не изготавливаются повсеместно? Ответ кроется в стоимости изготовления. Технология, по которой выполняются кованые валы, сложная и дорогая. Это значительно увеличит конечную стоимость ДВС и самого автомобиля.

Расположение, особенности конструкции

Коленчатый вал установлен под блоком цилиндров, внутри картера ДВС. При таком расположении механизм находится в масляной ванне (за счет чего обеспечивается смазка, рассмотрим позже). Но есть и исключения. Это оппозитные ДВС автомобилей «Порш» и «Субару». В этих авто цилиндры располагаются горизонтально, а потому коленвал находится между рядами цилиндров, в центре ДВС. Такая конфигурация привлекательна тем, что автомобиль имеет более низкий центр тяжести, а сам ДВС более компактный и хорошо отбалансирован.

Конфигурация колен, их число и расположение зависит от:

  • Порядка работы цилиндров.
  • Количества цилиндров в ДВС.

В устройство коленчатого вала входят:

  • Опорные шейки. Выполняют опорную функцию. Данные шейки располагаются на главной оси вала.
  • Шатунные шейки. Их особенность в том, что они смещены относительно вала. К шатунным шейкам крепятся шатуны. Именно через эти шейки передается толкательное усилие от поршней на коленчатый вал.
  • Щеки. Для чего нужны они? Их функция – соединить шатунные и коренные шейки.
  • Балансиры. Служат для исключения колебаний вала при его вращении.
  • «Носок». Это передняя часть вала, что выступает за картер ДВС. На этом участке крепится шкив, благодаря которому вращается ремень ГРМ и ремни навесных агрегатов.
  • Хвостовик. Это задняя часть вала. На хвостовике закреплен маховик. Именно он передает крутящий момент на коробку передач посредством ведомого диска сцепления.
  • Сальники. Всего их два – передний и задний. Сальники служат для уплотнения соединений и предотвращают течь масла через хвостовик и «носок» вала.
  • Подшипники. Служат для легкого вращения вала. Всего их несколько. Это подшипники хвостовика и «носка» коленвала.

Материалы

В зависимости от внешних сил, которым подвергается деталь вал в процессе эксплуатации, осуществляется подбор материала для его изготовления.

Для этой цели используют легированные стали с высоким содержанием углерода, так как обладают улучшенными механическими характеристиками и износостойкостью. Получают данные детали методом прокатки.

Основную массу валов производят из легированной стали марки 45Х, со средним содержанием углерода. Для валов, подвергающихся высоким напряжениям используют стали 40ХН, 40ХНГМА, 30ХГТ и другие, которые подвергаются процессу закалки с высоким отпуском.

Кроме того, для коленчатых тяжелых валов в качестве материала используют высокопрочные чугуны, образованные путем вкрапления в металлическую решетку шарообразных включений углерода и содержащие в составе Mg, Ca, Se, Y.

Классификация валов

По назначению:

  1. Валы передач, на которых расположены детали механизма передач (шестеренки, муфты, шкифы).
  2. Коренные, которые несут другие части.

По форме оси:

  1. Прямые.
  2. Кривошипные.
  3. Гибкие.

Прямые делятся на:

  1. Гладкие.
  2. Ступенчатые.
  3. Червячного типа.
  4. Фланцевые.
  5. Карданные.

По форме сечения:

  1. Гладкие.
  2. Пустотелые.
  3. Шлицевые.

Бесшатунный двигатель Баландина

Данный мотор известен тем, что в нем отсутствуют шатуны. Преобразование возвратно-поступательного движения поршней в цилиндрах происходит благодаря использованию в конструкции специального эксцентрического механизма.

Общее устройство бесшатунного двигателя предполагает наличие следующих деталей:

  • специальный поршневой шток
  • коленвал особой конструкции
  • подшипник кривошипа и кривошип
  • вал для отбора мощности
  • поршень
  • ползун штока
  • цилиндр

В таком ДВС вместо шатунов были использованы поршневые штоки, которые жестко прикреплены к поршням (в обычном агрегате для соединения используется поршневой палец). Указанные штоки, как и привычные шатуны, охватывают шейки коленвала.

Также на штоках с обеих сторон подшипника изготовлены ползуны. Эти ползуны скользят по специальным направляющим в картере мотора. В результате данная конструкция позволяет избавить поршень и стенки цилиндра от бокового усилия. Фактически, в такой схеме реализации поршень можно считать обычной обоймой для поршневых колец, уплотняющих зазор между цилиндром и поршнем.

Отсутствие боковых усилий позволяет снизить допуски применительно к размерам поршня. Двигатель становится более производительным, экономичным, возрастает ресурс. Также следует отметить компактность такого ДВС и сниженный вес. Однако главным минусом всей конструкции можно считать крайне высокие требования касательно общей точности изготовления указанного эксцентрика.

Двигатель Фролова: мотор без шатунов и коленвала

Основным принципом В. Фролова, который был положен в основу его разработок, является то, что коленчатый вал является далекой от совершенства деталью. По этой причине талантливый инженер детально изучил конструкцию двигателя Баландина, после чего предложил ряд собственных доработок.

С учетом того, что недостатком бесшатунного мотора Баландина оставались повышенные требования к точности изготовления эксцентрика, на начальном этапе Фролов существенно модернизировал данный узел преобразования. Однако далее был признан факт, что полностью избавиться от недостатков схемы мотора Баландина крайне сложно.

При этом Фролов не остановился на достигнутом, а также не оставил мысль избавиться от коленвала. Дальнейшие поиски надежных и эффективных механизмов преобразования привели к тому, что изобретатель обратил внимание на механизм ткацкого станка.

В результате был создан сегментно-роторный мотор, в основу которого были положены как заимствованные и доработанные, так и собственные идеи. Полученный двигатель не имеет коленвала, вместо данной детали используется механизм, который по принципу действия и своему устройству похож на шарнир разных угловых скоростей. Такое устройство более известно под названием шарнир Гука.

Вращающиеся детали в таком двигателе Фролова работают благодаря использованию подшипников качения. Что касается смазочной системы, моторное масло подается под крышки клапанов, затем стекает, осуществляя смазку и отвод лишнего тепла. Чтобы масло хорошо охлаждалось, перед двигателем также отдельно установлен масляный радиатор.

Почему мы хотим избавиться от коленчатого вала

Отчего же таким ненавистным устройством является коленчатый вал, который ещё называется кривошипно-шатунным механизмом? Почему все так упорно желают избавиться от него? Главная причина скрывается в присутствии чрезмерного бокового усилия, которое приходится на стенки цилиндра. Эта особенность обуславливает наличие ряда негативных факторов:

  • сокращение долговечности поршневой системы и её ускоренный износ;
  • увеличение потерей, которые приходятся на трение;
  • снижение КПД.

Чтобы убрать все эти отрицательные моменты, необходимо создать такой агрегат, конструкция которого будет предполагать возвратно-поступательные движения без углового качения.

Свободнопоршневой двигатель машины

Такие механизмы уже существуют в большом количестве. Далеко не все из них могут применяться на практике, лишь некоторые экземпляры достойны внимания. Мы выбрали две модели двигателей без коленвала, презентация которых всколыхнула общественность.

Источники


  • https://autodromo.ru/articles/kolenchatyy-val-dvigatelya-vnutrennego-sgoraniya-ustroystvo-naznachenie-princip-raboty
  • https://AvtoNov.com/%D1%87%D1%82%D0%BE-%D1%82%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%B5-%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D1%87%D0%B0%D1%82%D1%8B%D0%B9-%D0%B2%D0%B0%D0%BB-%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8F/
  • https://AvtoTachki.com/chto-takoe-kolenval-v-avtomobile-i-kak-on-rabotaet/
  • https://carnovato.ru/kolenval-kolenchatyj-val-dvigatel-ustrojstvo/
  • https://fastmb.ru/auto_shem/441-kolenchatyy-val.html
  • https://FB.ru/article/279965/kolenval-eto-chto-ustroystvo-naznachenie-printsip-rabotyi
  • https://cars-life.org/construction/zachem-v-avtomobile-nuzhen-kolenchatyj-val/
  • https://SoproMats.ru/detali/val/
  • http://KrutiMotor.ru/dvigatel-bez-kolenchatogo-vala/
  • https://DriverTip.ru/osnovy/kak-rabotajut-dvigateli-bez-kolenvala.html

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Ремонт автомобиля, решение проблем с авто