Что такое коленчатый вал?

Термином «коленчатый вал» называют деталь двигателя, который работает за счет поршневой группы. Воспламенившаяся в камере сгорания топливно-воздушная смесь при увеличении в объеме толкает поршень из цилиндра. Для движения транспортного средства необходимо преобразовать поступательное движение поршня во вращательное. Это вращательное движение далее передается в коробку передач, конечной целью передачи механической энергии служат полуоси или карданный вал. Таким образом, коленчатый вал нуден для преобразования поступательного механического движения во вращательное.

При изготовлении коленчатого вала производитель должен изготовить его так, чтобы избежать при движении появления вибраций или минимизировать их.

Разновидности коленчатых валов

• Полноопорные. Коренные шейки находятся по обе стороны от шатунной. Так как опоры, располагающиеся по сторонам каждой шатунной шейки, выступают в качестве основной оси кривошипно-шатунного механизма, количество коренных шеек на один больше шатунов. Этот вариант коленвала благодаря облегченному весу считается самым распространенным, что непосредственно влияет на КПД двигателя.
• Неполноопорные. Коренные шейки располагаются с одной стороны. Такая конструкция имеет свои преимущества и недостатки. К достоинствам относится предупреждение поломок и деформаций при эксплуатации автомобиля благодаря изготовлению из высокопрочных сплавов. Однако такой подход к конструкции элемента приводит к увеличению массы коленвала. Этим объясняется отношение к данной разновидности вала, как устаревшей. Популярностью неполноопорные коленвалы пользовались в прошлом веке для установки на автомобили с низкооборотными двигателями.

Для изготовления коленчатых валов используют различные материалы. Выбор зависит от типа автомобиля:

• легированную сталь или сплавы чугуна – для ТС с двигателями небольшой мощности;
• углеродистую сталь – для двигателей большой мощности.

Примечание: углеродистую сталь используют высокой износостойкости.

Надо отметить на дизельные двигатели устанавливаются коленвалы особой прочности с дополнительной закалкой высокочастотным током. Причина в тех огромных нагрузках, под которыми работает коленчатый вал.

Расположение коленчатого вала зависит от типа двигателя. Размещение в нижней части двигателя характерно для стандартных ДВС, а в оппозитных моторах коленвал размещается в центрально части. Защита коленвала осуществляется с помощью закрепленного в подшипниках картера, что позволяет избежать смещения вала. В некоторых конструкциях используются дополнительные упоры.

Функция коленвала

Основная функция коленчатого вала состоит в преобразовании поступательное движение поршней ДВС во вращательные и затем в крутящий момент, который трансмиссия передает на оси и колеса автомобиля.

Основная техническая характеристика коленвала – радиус кривошипа, под которым понимается расстояние между осями коренных шеек и шатунных. Обычно в конструкциях коленвалов используются 4 коренные шейки, которые выступают в роли опор, но есть с 3 коренными шейками, а в двигателях V6 используются 7.

Существует зависимость между объемом цилиндров и удвоенным радиусом, т.е. длиной движения поршня. Если диаметр стабилен, а радиус кривошипа меняется, происходит изменение объема цилиндра. Данная зависимость позволяет проводить регулировку для изменения технических характеристик двигателя для достижения определенных параметров работы.

Знание соотношения между длиной хода поршня и диаметром цилиндра позволяет изменить параметры двигателя:

• длинноходный – экономичен и позволяет получить повышенный крутящий момент на небольших оборота;
• короткоходный – обеспечивает повышение мощности за счет увеличения числа оборотов.

Конструкция коленчатого вала

Конструктивно деталь состоит из следующих элементов:

• Коренная шейка, выступающая в роли опорной части механизма (ось вращения). Она устанавливается в подшипнике, находящемся в картере ДВС.
• Шатунная шейка, представляющая собой опоры для шатунов. При вращении коленчатого вала происходит смещение шатунных шеек по отношении к оси – шейки описывают круг.
• Носок, на котором зафиксирован шкив или зубчатое колесо газораспределительного механизма. На нем, как на выходной части коленвала, могут быть зафиксированы дополнительные механизмы. Носок используется для передачи энергии приводу ГРМ.
• Щека – представляют собой толстостенные пластины, применяются для соединения шатунных и коренных шеек. Среди функций «щек» – защита коленвала при максимальных нагрузках.
• Противовесы для сохранения баланса при возвратно-поступательных движениях элементов поршневой группы. Они нейтрализуют нагрузку центробежной силы и уравновешивают вес шатунов и поршней.
• Хвостовик – это задняя часть механизма с прикрепленным маховиком, который приводит в движение шестерни КПП.
• Кривошип состоит из одной шатунной шейки и двух «щек».
• Сальники, расположенные в передней и задней частях коленвала, защищают от протечек моторного масла.
• Подшипники скольжения представлены в виде тонких стальных листов со слоем смазки. Они обеспечивают вращение всех деталей механизма.
• Упорный подшипник необходим для избежания осевого смещения. Он располагается на коренной средней или крайней шейке.
• Фланцы, вкладыши, упорные полукольца, шестерни и шкив.

Количество коренных и шатунных шеек определяется количеством цилиндров двигателя, их расположением и порядка работы.

В настоящее время двигатели оснащают цельными элементами в отличие от моделей прошлых лет со сборными кривошипами. Изготавливаются из высокопрочной стали методом ковки с последующей обработкой на токарном станке. Существует технология изготовления более дорогих элементов из чугуна с помощью литья.

Принцип работы коленчатого вала

Принцип работы коленвала можно сравнить с работой педалей велосипеда. Отличие состоит в количестве шатунов коленчатого вала.

Сгорание топливно-воздушной смеси приводит к выделению газов, оказывающих давление на поршни. Поршень начинает двигаться и совершает поступательное движение. Механическая энергия от элементов передается поршням. За счет соединения шатуна с шейкой коленчатого вала и подшипником поступательное движение поршня преобразуется во вращение коленвала. Возвратное движение поршня начинается после поворота на 180 градусов, когда шатунная шейка движется в обратном направлении. Эти циклы повторяются непрерывно, и вырабатываемая вращательная энергия заставляет колеса двигаться.