Конструкция коленчатого вала: Коленвал. Устройство. Возможные поломки — датчики, сальники, задиры, течь. | SUPROTEC

устройство и применение ⚡ MAHINA

Содержание:

1. Что такое коленчатый вал?

2. Как работает коленчатый вал в двигателе автомобиля?

3. Устройство коленчатого вала

4. Производство и материалы, из которых изготовлен коленчатый вал

5. Основные неисправности коленчатого вала и их причины

6. Ремонт коленвала: цена вопроса

7. Обслуживание: как сохранить свой коленвал?

Особенности обслуживания и ремонта коленвала авто

Коленчатый вал двигателя – это крайне важный элемент кривошипно-шатунной системы. Деталь отвечает за преобразование энергии, выделяющейся во время сгорания топлива, в движущую силу автомобиля.

Что необходимо знать о коленвале?

Такой элемент преобразовывает движение поршней ДВС в крутящий момент, передающийся посредством трансмиссии колесам машины. Потому при выборе нового элемента следует обращать внимание на размер кривошипа. Такую информацию можно найти, к примеру, в описании к детали.

Применение коленчатых валов с большим радиусом кривошипа приведет к более глубокому поршневому ходу, на который не рассчитан цилиндр. Меньший размер кривошипной части даст возможность увеличить мощность мотора. Это обусловлено повышением скорости вращения детали во время работы ДВС.

Как работает коленчатый вал?

Принцип работы коленвала следующий:

• После сгорания топлива в цилиндре образуется высокое давление из-за значительного количества образовавшегося газа. Данное усилие выталкивает поршневую головку.

• Поршень соединен с шатуном. Последний же передает усилие шатунной шейке.

• Кривошип, ввиду наличия эксцентриситета под действием шатуна, начинает вращать коленвал.

Схема работы данной детали напоминает кручение педалей велосипеда. Когда один кривошип достигает мертвой точки, его выталкивает вверх другой, находящийся в верхней позиции, что делает коленчатый вал бесперебойным источником крутящего усилия.

На одном из концов рассматриваемого элемента крепится маховик. К нему прижимается диск сцепления. Таким образом сила крутящего момента передается коробке передач, а затем колесам авто. Маховик выполняется массивным. Это помогает поддерживать равномерность оборотов между фазами хода поршневой головки.

На другом конце кривошипного элемента находится шестерня под ремень ГРМ. Последний предназначен для передачи вращательного усилия распредвалу, управляющему работой механизма газораспределительной системы. Зачастую привод ГРМ передает вращательный момент водяной помпе, вспомогательным механизмам (к примеру, шкиву генератора, насоса ГУР, кондиционера).

Каково назначение и устройство коленчатого вала двигателя?

Разные модели этих элементов обладают индивидуальными особенностями. Но в общем конструкция такой детали остается одинаковой и состоит из:

1. Носка, посадочного места под шестеренку привода распредвала.

2. Коренных шеек – служат средством опоры коленвала при монтаже в картер ДВС. Свободное кручение обеспечивается подшипниками.

3. Шатунных шеек – расположены вдоль основной оси с небольшим смещением относительно нее. К каждому ошейку может крепиться 1 или 2 шатуна (например, в V-образных моторах).

4. Противовесов – как уже было сказано, данные составляющие обеспечивают плавность хода кривошипного изделия. Также маховик препятствует образованию деформаций на теле коленвала. Интересующимся, для чего предназначены и как устроены коленчатые валы, следует помнить, что малейший изгиб на теле элемента может привести к клину двигателя.

5. Щеки – служат средством соединения шатунных и коренных ошейков. Эти составляющие исполняют роль дополнительного противовеса. При увеличении высоты щек растет величина крутящего момента.

Монтируется кривошипный вал в картере мотора посредством коренных подшипников. Они фиксируются сверху крышками. Смещению коленчатого элемента по основной оси препятствуют упорные кольца. В месте установки хвостовика и носка картер ДВС оснащен сальниками.

Типы коленчатых валов

Эти детали бывают полноопорными и неполноопорными. В первых шатунных шеек на 1 меньше, чем коренных. При этом они чередуются между собой. Неполноопорные варианты отличаются большим числом шатунных шеек (иногда смещенных по обеим сторонам щеки).

Процедура производства коленвалов

Ввиду воздействия высоких нагрузок такие детали изготавливают из высокопрочных материалов (чугуна либо стали). Тело кривошипного изделия выполняется в монолитном варианте. Среди видов производства коленчатых валов выделяют методы точения, ковки, литья.

При изготовлении деталей КШМ важно расположение волокон применяемого материала. Чтобы сохранить правильное волоконное строение, применяют гибочные ручьи. После формирования заготовку очищают от окалины (способом травления либо посредством дробометной машины), поддают термической обработке.

Желающим узнать, из чего состоит сырье для производства коленвалов, нужно понимать, что состав сплавов зависит от класса, типа машины. Например, в:

1. Моделях серийного выпуска – устанавливают чугунные детали, выполненные литейным методом. Такая технология отличается дешевизной.

2. Спорткарах – применяют стальные кованые элементы. Такие изделия имеют преимуществами в размере, прочности, весе.

3. Премиум-авто – устанавливают детали, выточенные из цельной заготовки. Эти элементы отличаются долговечностью, надежностью, износостойкостью.

В ходе производства коленвалы балансируют, проверяют чистоту их поверхности. От этого зависит корректность работы изделия.

Наиболее распространенные неисправности кривошипных валов

Самой распространенной проблемой считается износ шатунных шеек коленчатой детали. Эта неисправность появляется ввиду длительного трения частей КШМ между собой. Предупредить такое затруднение невозможно. Другие основные неисправности:

1. Появление задиров. Причина – недостаточное количество смазки. Из-за этого подшипник частично прилипает к шейке коленчатого вала, ввиду чего на теле кривошипного изделия образуются повреждения.

2. Деформирование вследствие гидроудара. Такое происходит при попадании в цилиндр жидкости, которую поршневая головка не может сжать.

3. Разрушение ввиду недостаточной затяжки болта, фиксирующего шкив привода навесных механизмов.

Также проблемы возникают при несвоевременном или неправильном обслуживании элемента.

Стоимость ремонта коленвала, виды ремонтных услуг

Чтобы починить деталь, придется разобрать мотор. Такая операция требует определенного опыта, умений, а также наличия необходимого инструмента. Методы починки основных неисправностей коленчатого вала:

• Износ, задиры устраняют шлифовкой. Цена зависит от сложности процедуры восстановления, необходимости выполнения балансировки. Последнюю операцию рекомендуется осуществлять, чтобы предупредить вибрацию отремонтированного элемента в ходе работы.

• Деформации устраняются выравниванием кривошипного изделия. Далеко не все мастера берутся за такое, потому и стоимость услуги достаточно высока.

• Попадание в цилиндр жидкости устраняется путем определения источника проблемы. Может понадобиться замена связанных с КШМ систем.

Если старый коленвал потрескался, придется купить новый. Следует выбирать оригинал или модель-аналог. Последний вариант поможет сэкономить, но аналоговые детали иногда сильно уступают в качестве оригинальным.

Как правильно обслуживать коленчатый вал?

Чтобы проверить состояние детали, нужно разобрать двигатель автомобиля. Предварительно лучше ознакомиться со схемой коленвала в инструкции производителя. Техобслуживание включает:

• промывку элемента бензином;

• визуальный осмотр поверхности изделия, сальников, маховика, подшипников;

• прочистку масляных каналов;

• проверку состояния резиновых уплотнителей.

После выполнения всех процедур и обратного монтажа кривошипный элемент необходимо прокрутить. В случае корректной установки ход будет плавным.

Анализ основных металлов и сплавов, применяемых при производстве коленчатых валов

Один из наиболее ответственных и дорогостоящих конструктивных элементов двигателя внутреннего сгорания – это коленчатый вал (коленвал), расположенный в цилиндровом блоке. Его основное назначение – преобразовать возвратно-поступательное движение поршней в крутящий момент.

Сложная конструкция коленвала показана на рисунке и представлена в виде шатунных шеек, расположенных по одной оси колен и соединенных специальными щеками. При этом число, формы и месторасположения цилиндров влияют на количество колен. С помощью шатунов шейки соединяются с поршнями, совершающими поступательно-возвратные движения. Коленчатый вал воспринимает периодические переменные нагрузки от сил давления газов, а также сил инерции движущихся и вращающихся масс.

Рис. Конструкция коленчатого вала

Основными элементами коленчатого вала являются:

• Коренная шейка – основная часть вала, опора вала, размещающаяся на коренных вкладышах (подшипниках), находящихся в картере двигателя.

• Шатунная шейка – деталь- опора, соединяющая коленвал с шатунами. При этом смазка шатунных подшипников осуществляется благодаря наличию специальных масляных каналов. Шатунные шейки в отличие от коренных шеек всегда смещены в стороны.

• Щеки – детали, соединяющие коренные и шатунные шейки.
• Противовесы – детали, которые предназначены для уравновешивания веса поршней и шатунов. Они обеспечивают разгрузку коренных подшипников от центробежных сил энергии первого порядка неуравновешенных масс кривошипа и нижней части шатуна.
• Передняя (фронтальная) часть вала или носок  – часть механизма, оснащенная колесом с зубцами (шкивом) и шестерней, в некоторых случаях гасителем крутильных колебаний. Основное назначение этой части вала — осуществлять контроль над мощностью привода ГРМ (газораспределительного механизма), а также других вспомогательных узлов, систем и агрегатов.
• Задняя (тыльная) часть или хвостовик – часть механизма, соединяющаяся с маховиком при помощи маслоотражающего гребня и маслосгонной резьбы. Ее основное назначение — осуществлять отбор части мощности вала.

Коленчатые валы, как отмечает автор [1] бывают составные, кованные, литые, цельные и в соответствии с требованиями ГОСТ 53444-2009 [2] для их изготовления рекомендованы углеродистые, легированные стали, и чугун. Материал и технология изготовления коленвала тесно увязаны между собой. Для коленчатых валов средних размеров, изготовленных из стали в крупносерийном и массовом производстве в основном используется ковка в закрытых штампах на молотах или прессах, при этом процесс получения заготовки проходит несколько операций. После предварительной и окончательной ковки коленчатого вала в штампах производят обрезку слоя на обрезном прессе и горячую правку в штампе под молотом. Целью данного способа – является получение структуры с наивысшей прочностью и вязкостью. Чугунные коленчатые валы получаются методом литья. Известно, что чугун в связи с повышенной хрупкостью ковке не поддается. Преимущество стальных валов – это наивысшая прочность, возможность получения высокой твёрдости шеек, особенно благодаря азотированию.

Для изготовления коленчатых валов для двигателей малой и средней напряженности в основном используются углеродистые стали 35, 40, 50. Применение сталей таких марок объясняется низкой стоимостью термообработки и хорошими механическими свойствами этих сталей. Для подавляющего большинства коленчатых валов стационарных, судовых и тепловозных дизелей чаще всего применяют низколегированные стали 35Г, 40Г, 45Г, 50Г и др. Хромовые, хромоникелевые, хромомолибденовые стали (40Х, 40ХН, 35ХМ, 30ХН2МА, 18Х2Н4МА и др.) в основном применяются для изготовления валов быстроходных двигателей. Наибольший интерес вызывают коленчатые валы автомобильных и тракторных двигателей. Здесь наиболее широко применяют стали 45, 50Г, 40Х, 45Г2, 38ХГН, 40ХН2МА. Стали, легированные ванадием, хромом, молибденом, никелем (30ХМА, 20ХН3А, 38Х2МЮА, 40Х2Н2МА, 25Х2Н4МА, 38Х2МЮА и др.), имеющие повышенную твердость, пластичность, износостойкость в основном служат для изготовления коленчатых валов дизелей повышенной мощности.

Стальные коленчатые валы для увеличения прочности и износостойкости шеек всегда подвергают термической, реже химико-термической обработке: закалка токами высокой частоты, закалка поверхностного слоя, азотирование. Твёрдость, получаемая при этом, зависит от количества углерода. Так, твердость при закалке ТВЧ находится в диапазоне 50..55 HRC, при азотировании она увеличивается до 60 HRC и выше.

Литые коленчатые валы изготовляют обычно из высокопрочных чугунов с шаровидным графитом, модифицированного магнием перлитного класса (ВЧ 45; ВЧ-50, ВЧ-60, ВЧ-70), ферритного класса ВЧ-40 или ковкого перлитного с хлопьевидными включениями графита КЧ 60-3, КЧ 70-2, реже из легированного никель-молибденового чугуна. В основном используется метод прецизионного литья, т.е. в оболочковых формах. Литые коленчатые валы по сравнению со «штампованными» также имеют ряд преимуществ: дешевизна, высокий коэффициент использования металла, хорошее демпфирование крутильных колебаний, позволяющее часто отказаться от внешнего демпфера на переднем носке вала. В литых заготовках можно получить и ряд внутренних полостей при отливке. Изготовление литых чугунных валов технологически проще и существенно дешевле. Эта технология, известная еще с советских времен (так чугунные коленчатые валы в автомобильных двигателях стали применять с 1960 года), с учетом ряда преимуществ становится очень популярной для двигателей тракторной и автомобильной техники в настоящее время. Безусловно, при изготовлении чугунных коленвалов особую роль играет качественное литье на современном оборудовании с целью исключения литейных пороков. В случае использования высокопрочных марок чугуна коленчатый вал имеет достаточные характеристики прочности и не нуждается в дальнейшей термообработке. Литой коленчатый вал имеет равномерную твердость по всему сечению и она не снижается после шлифовки. Масса обработанного литого коленчатого вала на 10-15% меньше массы кованого.

Таким образом, в статье рассмотрена конструкция коленчатого вала, дана его классификация, принцип работы, а также проводится анализ основных материалов, применяемых при его производстве и их сравнительная характеристика.

Коленчатый вал — типы, схема, функция, материал, расположение, конструкция коленчатого вала

Содержание

Что такое коленчатый вал?

Коленчатый вал (т. е. вал с кривошипом) используется для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное или наоборот.

Функции коленчатого вала:

1. Преобразует возвратно-поступательное движение во вращательное.
2. Передает мощность на маховик.
3. Он получает мощность от маховика.

Типы коленчатых валов:

Коленчатый вал состоит из частей вала, которые вращаются в коренных подшипниках, шатунных шеек, с которыми соединены большие концы шатуна, кривошипов или щек (также называемых щеками), которые соединяются шатунные шейки и детали вала.
Коленчатый вал, в зависимости от положения кривошипа, можно разделить на следующие два типа:

1. Боковой коленчатый вал или выступающий коленчатый вал, как показано на рис. (а), и

2. Отцентрируйте коленчатый вал, как показано на рис. (b).

Типы коленчатых валов

Коленчатый вал, в зависимости от количества кривошипов на валу, также может быть классифицирован как одноходовой или многоходовой коленчатый вал. Коленчатый вал только с одним боковым кривошипом или центральным кривошипом называется одноходовым коленчатым валом, тогда как коленчатый вал с двумя боковыми кривошипами, по одному на каждом конце, или с двумя или более центральными кривошипами известен как многоходовой коленчатый вал.

Боковые коленчатые валы используются для горизонтальных двигателей среднего и большого размера.

Схема коленчатого вала:

схема коленчатого вала

Материал и изготовление коленчатых валов

• В промышленных двигателях коленчатые валы обычно изготавливаются из углеродистой стали, такой как 40 C 8, 55 C 8 и 60 C 4.
• В транспортных двигателях, марганцевая сталь, такая как 20 Mn 2 , 27 Mn 2 и 37 Mn 2 , обычно используется для изготовления коленчатого вала. В авиационных двигателях для коленчатого вала широко используется никель-хромовая сталь, такая как 35 Ni 1 Cr 60 и 40 Ni 2 Cr 1 Mo 28 .
• Коленчатые валы изготавливаются методом штамповки или литья, но первый метод более распространен.
• Поверхность шатунной шейки закалена цементацией, азотированием или индукционной закалкой.

Детали коленчатого вала

Давление в подшипниках и напряжения в коленчатом валу

Давление в подшипниках очень важно при проектировании коленчатых валов. Максимально допустимое давление в подшипнике зависит от максимального давления газа, скорости вала, количества и метода смазки, а также изменения направления давления в подшипнике.

Следующие два типа напряжений возникают в коленчатом валу.

1. Напряжение при изгибе; и

2. Напряжение сдвига из-за крутящего момента на валу.

Большинство отказов коленчатых валов вызвано прогрессирующим разрушением из-за повторяющихся изгибающих или реверсивных скручивающих усилий. Таким образом, коленчатый вал испытывает усталостную нагрузку, и поэтому его конструкция должна основываться на пределе выносливости. Поскольку выход из строя коленчатого вала может привести к серьезному разрушению двигателя и невозможно точно определить ни все силы, ни все напряжения, действующие на коленчатый вал, поэтому используется высокий коэффициент запаса прочности от 3 до 4, исходя из предела выносливости. .

Процедура проектирования коленчатого вала: 

Коленчатый вал должен быть рассчитан или проверен как минимум для двух положений коленчатого вала. Во-первых, когда коленчатый вал подвергается максимальному изгибающему моменту и, во-вторых, когда коленчатый вал подвергается максимальному крутящему моменту или крутящему моменту.

Процедура проектирования:

Для проектирования коленчатого вала может быть принята следующая процедура.

1. Прежде всего, найдите величину различных нагрузок на коленчатый вал.

2. Определить расстояния между опорами и их положение по отношению к нагрузкам.

3. Для простоты, а также в целях безопасности считается, что вал опирается на центры подшипников, и все силы и реакции действуют в этих точках. Расстояния между опорами зависят от длины подшипников, которые, в свою очередь, зависят от диаметра вала из-за допустимых подшипниковых давлений.

4. Толщина щек или стенок принимается равной от 0,4 ds до 0,6 ds, где ds — диаметр вала. Его также можно принять от 0,22D до 0,32D, где D — диаметр цилиндра в мм.

5. Теперь посчитаем расстояния между опорами.

6. Принимая допустимые изгибающие и касательные напряжения, определить основные размеры коленчатого вала.

Конструктивная концепция

Основываясь на свойствах материала, мы теперь определим размеры, которые будут рассчитываться исходя из нагрузок и условий. Коленчатый вал рассчитан с учетом двух положений кривошипа:

1. Когда кривошип находится в мертвой точке (максимальный изгибающий момент).
2. Когда кривошип находится под углом, при котором крутящий момент максимален.

Когда коленчатый вал находится в мертвой точке

Пошаговая процедура:

• Нарисуйте диаграмму свободного тела коленчатого вала с различными горизонтальными и вертикальными силами.
• Рассчитать силу поршня. (Нам известно максимальное давление поршня. Согласно отраслевым нормам его можно принять равным 200 бар для дизельных двигателей и 180 бар для двигателей SI). Сила поршня равна макс. Давление поршня * Площадь поршня.
• Отраслевые допущения при расчете сил в FBD.
• Найдите все горизонтальные и вертикальные реакции.

Конструкция шатунной шейки

Шатунная шейка также подвергается сдвиговым нагрузкам из-за крутящего момента. Таким образом, мы можем рассчитать изгибающий момент в центре шатунной шейки и крутящий момент на шатунной шейке и результирующий момент.

Пошаговая процедура:

• Расчет изгибающего момента в центре шатунного пальца (из FBD).
• Приравняйте BM к (MOI*Напряжение в подшипнике) для шатунной шейки (Sigma-b)
• Решите и найдите диаметр шатунной шейки.
• Решить FBD для длины.

Конструкция щеки кривошипа

Щетка кривошипа предназначена для внецентренной нагрузки. На щеку кривошипа будут действовать два напряжения: одно прямое напряжение сжатия, а другое напряжение изгиба из-за газовой нагрузки поршня (Fp).

Отраслевые допущения:

• Толщина щеки кривошипа Tst = 0,65 *dc + 6,35 (dc = диаметр шатунной шейки)
• Ширина щеки кривошипа, w = 1,125 * dc +12,7

Пошаговая процедура:

• Рассчитайте изгибающий момент из FBD.
• Проверьте, является ли BM положительным или отрицательным. Если отрицательный, увеличьте диаметр шатунной шейки и решите его снова. Если положительный, то ваш дизайн безопасен.

  Вал под маховиком

Общий изгибающий момент в месте расположения маховика будет равнодействующим горизонтального изгибающего момента, вызванного газовой нагрузкой и натяжением ремня, и вертикального изгибающего момента, обусловленного весом маховика.

Затем вы можете найти диаметр, используя уравнение момента. M=(MOI*Sigma-b).

Когда кривошип находится под углом максимального крутящего момента

Крутящий момент на коленчатом валу будет максимальным, когда тангенциальная сила на кривошипе (FT) максимальна. Максимальное значение тангенциальной силы достигается, когда кривошип находится под углом от 30º до 40º для двигателей внутреннего сгорания с постоянным давлением (например, дизельных двигателей).

Когда кривошип находится под углом, при котором крутящий момент максимален, вал подвергается крутящему моменту от энергии или силы, накапливаемой маховиком. Вышеупомянутые расчетные параметры можно перепроверить на предмет запаса прочности при проектировании, рассматривая коленчатый вал под углом максимального крутящего момента.

Если коэффициент безопасности больше 1, конструкция безопасна. Учитывая это, мы имеем различные силы, действующие на коленчатый вал под разными углами закручивания.

Это базовая концепция проектирования, используемая в промышленности для проектирования коленчатых валов для различных двигателей внутреннего сгорания, но существуют различные параметры и отношения, которые известны только в отрасли и являются их авторскими правами. Таким образом, для изучения вы можете обратиться к различным справочникам по проектированию, доступным на рынке проектирования машин.

Примечания :

1. Коленчатый вал должен быть рассчитан или проверен как минимум для двух положений коленчатого вала. Во-первых, когда коленчатый вал подвергается максимальному изгибающему моменту и, во-вторых, когда коленчатый вал подвергается максимальному крутящему моменту или крутящему моменту.

2. Необходимо учитывать дополнительный момент из-за веса маховика, натяжения ремня и других сил.

3. Предполагается, что действие изгибающего момента не превышает двух опор, между которыми действует сила.

---

Электронная почта

Печать

Твитнуть

Последние сообщения

ссылка на Сосуды под давлением — детали, конструкция, применение, типы, материал, схема

Сосуды под давлением — детали, конструкция, применение, типы, материал, схема

Введение в Сосуды под давлением Сосуды, резервуары и трубопроводы, которые транспортируют, хранят или получают жидкости, называются сосудами под давлением. Сосуд под давлением определяется как сосуд с давлением…

Продолжить чтение

ссылка на Шарнирное соединение — детали, схема, расчет конструкции, применение

Шарнирное соединение — детали, схема, расчет конструкции, применение

Шарнирное соединение Шарнирное соединение используется для соединения двух стержней, находящихся под действием растягивающих нагрузок. Однако, если соединение направляется, стержни могут выдерживать сжимающую нагрузку. Шарнирное соединение…

Продолжить чтение

Развитие конструкции и применение коленчатого вала

В первые дни кривошип не должен был быть очень сложным или прочным, потому что большинство двигателей имели рядную конструкцию, а нагрузки и скорости были относительно низко. Перенесемся в сегодняшний день. Эволюция технологии двигателя, мощности и производительности привела к созданию совершенно нового поколения высокопроизводительных коленчатых валов, которые представляют собой произведение механического искусства. Обработанные на станке с ЧПУ, отполированные и отбалансированные до совершенства, сегодняшние кривошипы мало чем напоминают своих древних предков.

Все кривошипы современных высокооборотных рядных двигателей и двигателей с V-образным блоком имеют противовесы для компенсации возвратно-поступательного движения массы поршней и шатунов. Без этого внутреннего баланса двигатели быстро развалились бы. Обработка с ЧПУ позволяет размещать противовесы в более идеальных местах для улучшения баланса и уменьшения массы. Одним из ограничений поковок является то, что коленчатый вал должен выходить из штампа после того, как ему придана форма. Из-за этого приходится несколько усложнять расположение противовесов и требуется дополнительная обработка для удаления лишнего металла после выхода кривошипа из кузницы.

Металл современных кованых и штампованных стальных шатунов также намного прочнее чугуна, используемого в обычных шатунах легковых автомобилей. Многие литые кривошипы изготовлены из высокоуглеродистой легированной стали 1053. Этот материал имеет прочность на растяжение от 100 000 до 110 000 фунтов на квадратный дюйм, что достаточно для приложений мощностью от 400 до 450 лошадиных сил (в зависимости от размера шеек). Но для уличных или гоночных двигателей с более высокой мощностью необходим какой-либо кованый или цельный кривошип.

Некоторые менее дорогие кованые кривошипы изготовлены из стали марки 5140 (которая имеет рейтинг прочности на растяжение 115 000 фунтов на квадратный дюйм), но большинство кованых и цельных кривошипов изготовлены из стали 4130, 4340 или другой высококачественной легированной стали. Поставщики коленчатых валов могут использовать разные сплавы в разных продуктовых линейках, в зависимости от области применения и требований к прочности.

Шатуны, изготовленные из сплава 4130, имеют показатель прочности на растяжение от 120 000 до 125 000 фунтов на квадратный дюйм. Шатуны, изготовленные из сплава 4340 и аналогичных сплавов, могут иметь предел прочности при растяжении от 140 000 до 145 000 фунтов на квадратный дюйм или выше и рейтинг усталостной прочности от 160 000 до 165 000 фунтов на квадратный дюйм или более в зависимости от термической обработки и качества сплава. Волшебными ингредиентами, повышающими прочность, являются хром, никель и молибден.

Процентное содержание этих ингредиентов должно тщательно контролироваться и находиться в определенных пределах для достижения этих цифр, поэтому контроль качества абсолютно необходим для максимальной прочности и надежности. Американское общество металлов определяет ингредиенты и процентное содержание этих ингредиентов, которые необходимы для соответствия критериям для конкретного сплава.

Производители коленчатых валов довольно скромно относятся к тому, откуда они берут металл для кривошипов и где получают поковки. Большинство поковок в настоящее время производится в Китае из-за низкой стоимости рабочей силы и инструментов. Поковки по-прежнему производятся в США, но не в таких количествах, как те, что поступают сюда из Китая.

Согласно одному источнику, от 15 до 20 производителей коленчатых валов в Китае производят кривошипы для вторичного рынка США. Некоторые из этих производителей способны производить высококачественную готовую продукцию, в то время как другие лучше подходят для поставки поковок с грубой механической обработкой, которые здесь подвергаются окончательной механической обработке.

Большинство отечественных поставщиков высококачественных гоночных шатунов говорят, что они предпочитают выполнять чистовую обработку поковок на собственном станке, независимо от того, закупают ли они поковки из Китая или США. Это дает им полный контроль над точностью размеров, а также качество работы.

Важным моментом здесь является не то, откуда была получена конкретная поковка или где она была обработана, а то, точно ли обработан коленчатый вал с жесткими допусками и соответствует ли он требованиям прочности для применения. Шейки высококачественного кривошипа должны быть идеально круглыми и плоскими по бокам, без конусности, выпуклой или вогнутой кривизны. Расположение шеек должно быть точно пронумеровано для точных фаз газораспределения и зажигания.

Противовесы должны быть точно установлены и иметь размер, чтобы компенсировать возвратно-поступательную массу поршней и штоков. Если рукоятка соответствует этим критериям, это хорошая рукоятка. Если это не так, может потребоваться много доработок, прежде чем его можно будет использовать , и это то, что вы должны учитывать в своих затратах на сборку двигателя, если вам в конечном итоге придется переделывать кривошип по выгодной цене.

Также важно убедиться, что кривошип имеет достаточную прочность для применения. Недорогая рукоятка начального уровня не выдержит суровых условий гонок, как гоночная рукоятка высокого класса.

Почему ломаются шатуны

Слишком большая мощность со штатным литым шатуном почти наверняка приведет к катастрофе. Как только вы превысите от 400 до 450 лошадиных сил с литой рукояткой с маленьким блоком или 550 лошадиных сил с рукояткой с большим литым блоком, риск поломки значительно возрастет. Если вы строите двигатель, который будет продуваться, форсироваться или использовать NOx, вам всегда следует переходить на кривошип из кованой или стальной заготовки.

Усталость металла в результате изгиба также может привести к поломке кривошипа. Чем жестче кривошип, тем он жестче и меньше прогибается. Это хорошо. Но если шейки слишком малы или с кривошипа удалено слишком много металла, чтобы его облегчить, изгиб увеличивается вместе с риском поломки.

Трещины часто начинаются в местах с высокой нагрузкой, таких как галтели вала, возле отверстий для смазки или около носика, где есть высокие нагрузки от приводных ремней или гармонического балансира, который может быть разбалансирован. Большинство высокопроизводительных кривошипов обрабатываются с большим радиусом галтелей шейки (для чего может потребоваться использование шатуна и коренных подшипников со скошенной кромкой). Также доступны кривошипы с увеличенным патрубком для воздуходувок или других применений, в которых на кривошип оказывается необычно большая нагрузка от ремня.

Балансировка

Балансировка абсолютно необходима для любого двигателя с высокими оборотами. Нагрузка на кривошип растет экспоненциально с увеличением оборотов. Вот почему многие производители двигателей хотят, чтобы вращающийся узел был сбалансирован с точностью до десятых долей грамма.

В двигателях V6, V8 и V10 поршни движутся в разных плоскостях. Для этого требуются противовесы коленчатого вала, чтобы компенсировать возвратно-поступательный вес поршней, колец, поршневых пальцев и верхней половины шатунов. Противовесы сглаживают вибрации, но также увеличивают вес кривошипа. Это, в свою очередь, увеличивает инерцию кривошипа. Таким образом, уменьшение размера и/или количества противовесов — это уловка, которая часто используется в легких гоночных шатунах, предназначенных для кольцевых и шоссейных гонок, где желателен мгновенный отклик дроссельной заслонки.

В двигателях с «внутренней балансировкой» противовесы сами компенсируют возвратно-поступательную массу поршней и штоков. В двигателях с «внешней балансировкой» дополнительные противовесы на маховике и/или гармонический демпфер помогают кривошипу сохранять равновесие. Некоторые двигатели требуют внешней балансировки, потому что внутри картера недостаточно места для установки противовесов достаточного размера для балансировки двигателя.

Это относится к двигателям с более длинным ходом и/или большим рабочим объемом. А в некоторых двигателях, таких как корветы поздних моделей с двухмассовыми маховиками, двигатель частично сбалансирован внутри и снаружи с подвижными грузами на маховике.

Если вы восстанавливаете двигатель с внутренней балансировкой, маховик и демпфер не влияют на балансировку двигателя и могут быть отбалансированы отдельно. Более того, индексное положение этих деталей не изменит внутреннего баланса двигателя. Также не будут меняться маховики или гармонические балансиры (при условии, что новые детали сбалансированы по нулю). Но в двигателях с внешней балансировкой маховик и демпфер должны быть установлены на кривошипе перед балансировкой. Маховик и демпфер также должны быть совмещены с кривошипом, поскольку изменение их положения нарушит баланс.

Замена маховика или гармонического балансира также потребует повторной балансировки двигателя. Если клиент этого не знает и меняет маховик или балансир, он может создать проблему с балансировкой, которая вызовет нежелательные вибрации и, в конечном итоге, выход из строя коленчатого вала!

Кривошипные шатуны

Все хотят двигатели большего размера, потому что больше кубических дюймов означает больше лошадиных сил (при условии, что головки цилиндров, кулачок и система впуска могут пропускать больше воздуха, чтобы в полной мере использовать преимущества увеличенного рабочего объема). Мы видим более крупные двигатели на улицах и более крупные двигатели на полосе. Десять лет назад двигатель объемом 450 кубических дюймов считался большим уличным двигателем. Теперь мы видим, как на улицах работают двигатели объемом более 630 кубических дюймов.

Кажется, что в дрэг-рейсинге ProStock нет верхнего предела рабочего объема двигателя. Некоторые из сегодняшних двигателей-монстров имеют такие же или даже большие размеры, как двигатели некоторых внедорожных тяжелых грузовиков. Недавно на выставке Race and Performance EXPO мы видели новый большой алюминиевый блок с ЧПУ, который может смещать более 1000 кубических дюймов! Это много кубов, и большая нагрузка на коленчатый вал.

Перемещение любого блока ограничено рядом факторов. Максимальный размер отверстия ограничен расстоянием между отверстиями цилиндра и толщиной отливки или гильзы цилиндра, которые могут быть установлены. Ход ограничивается высотой блока, зазором между направляющими поддона и расположением распределительного вала. Штоковые блоки могут выдерживать только ограниченное увеличение хода. В случае с небольшим блоком Chevy 4-дюймовый ход с 6-дюймовыми шатунами является пределом. Популярные поглаживания включают 383, 406, 412, 420 и 434.

В блоках послепродажного обслуживания повышение положения кулачка внутри блока, увеличение высоты деки для обеспечения большего хода поршня и открытие пространства между направляющими поддона позволяют использовать кривошипы с гораздо более длинным ходом. Некоторые из этих «маленьких блоков» имеют объем более 450 дюймов.

Стандартный кривошип можно превратить в ходер путем шлифовки шеек со смещением (что также уменьшает их размер и прочность) или путем сварки шатунных шеек и повторной механической обработки до исходного размера (или меньшего размера) с большим смещением. Или вы можете заменить стандартную рукоятку кованой или цельной рукояткой, которая обработана с большим смещением на бросках. Конечно, длина шатунов также должна быть изменена и/или поршневые пальцы должны быть перемещены выше в поршне, чтобы соответствовать увеличенному ходу, иначе поршни ударятся о головки.

Ряд компаний, с которыми мы беседовали для этой статьи, указали, что они недавно расширили свои производственные линии, чтобы предложить больше ходовых шатунов для более широкого спектра двигателей, включая Chrysler, Oldsmobiles, Jeep и даже V8 с плоской головкой. Это хорошая новость, потому что большая доступность продукта означает, что у вас есть больше возможностей для выбора при создании движка.

Хотя ходовые кривошипы кажутся простым способом увеличения рабочего объема и мощности, есть некоторые компромиссы. Длинный ход хорош для низкого крутящего момента и отклика дроссельной заслонки вне очереди, но не так хорош для мощности на высоких оборотах. Кроме того, чем длиннее ход поршня, тем больше требуется противовеса, чтобы компенсировать большее движение поршней и штоков. Это, в свою очередь, может потребовать использования дорогого тяжелого металла для балансировки кривошипа. Для некоторых кривошипов с длинным ходом может оказаться невозможным достичь внутреннего баланса за счет добавления металла к противовесам. Двигатель, возможно, также должен быть внешне сбалансирован.

В конце концов достигается точка убывающей отдачи. Один поставщик кривошипов сказал, что эффективность дыхания двигателя действительно падает, когда рабочий объем превышает 600 кубических дюймов. Становится все труднее и труднее заполнить большую дыру безнаддувным двигателем. Конечно, вы всегда можете использовать воздуходувку или турбонагнетатель, чтобы накачать больше воздуха в большой двигатель , но вы можете сделать то же самое и с двигателем меньшего объема.

Один важный момент, о котором следует помнить при увеличении рабочего объема с помощью рукоятки, заключается в том, чтобы также увеличить объем портов головок цилиндров, направляющих впускного коллектора и вентиляционной камеры. Больше кубических дюймов не будет производить столько энергии, если индукционная система не сможет справиться с потоком воздуха.

Изготовленные на заказ шатуны

Хотя поковки доступны для большинства популярных двигателей, в них есть зияющие отверстия. Если для двигателя, который вы строите, ковка недоступна, единственная альтернатива — купить изготовленный на заказ кривошип с ЧПУ, изготовленный из цельного куска стали. Заготовочные кривошипы требуют МНОГО механической обработки и обычно стоят в три-шесть раз дороже, чем кованые кривошипы, в зависимости от того, сколько работы требуется. Но заготовочные кривошипы не ограничиваются наличием поковки, а тяги и противовесы можно размещать практически где угодно, оставляя простор для экспериментов.

Что касается прочности, кривошипы из заготовок, вероятно, самые прочные (хотя, как говорят некоторые производители кривошипов, это можно оспорить в любом случае). В большинстве двигателей Top Fuel, Funny Car и Formula One используются цельные кривошипы. Как и большинство двигателей NASCAR. Несмотря на это, кованые шатуны могут быть такими же прочными и выигрывать все виды кольцевых гонок, дрэг-рейсинга и соревнований по бездорожью.

Поковки имеют текучую структуру зерна, что делает их прочнее обычного литого кривошипа. Процесс ковки начинается с куска металла, который нагревается примерно до 2400 градусов по Фаренгейту. При этой температуре металл светится ярко-желтым цветом и является относительно мягким. Заготовка помещается между штампами в прессе, который забивает металл с усилием до 250 000 фунтов. силы. После нескольких сильных ударов металл превратился в грубый коленчатый вал, который затем вынимают из пресса для обрезки и черновой обработки.

Процесс ковки делает металл более плотным. Но это также искажает структуру зерна, создавая остаточные напряжения, которые необходимо снимать с помощью термической обработки. При заготовке кривошипов не происходит сжатия или деформации зеренной структуры, поэтому в металле меньше остаточных напряжений.

Легкие шатуны

Легкие гоночные шатуны доступны для широкого спектра двигателей. Легкие кривошипы имеют смысл для круговых и шоссейных гонок, но они не дают особых преимуществ на улице, кроме как позволяют двигателю вращаться быстрее (что также может быть достигнуто за счет использования более легкого маховика). В дрэг-рейсинге тяжелый кривошип лучше, потому что он помогает поддерживать импульс вне трассы. В морских условиях легкий кривошип может позволить двигателю увеличить обороты, когда винт выпрыгивает из воды, поэтому обычно лучше использовать кривошип стандартного веса.

С кривошипа можно снять столько металла, чтобы не пожертвовать прочностью и надежностью. Штатная рукоятка SB Chevy обычно весит от 50 до 55 фунтов. в зависимости от хода, размера шейки и типа конфигурации торцевого уплотнения. Сопоставимый легкий кривошип для того же применения может весить всего от 44 до 46 фунтов, что позволяет сэкономить от 6 до 11 фунтов. от общего веса. Некоторые сверхлегкие шатуны могут весить всего 34 фунта! Общая разница в весе не так важна, как то, где вес был удален. Снятие веса с внешних областей противовесов и просверливание бросков с помощью пистолета уменьшит инерцию больше, чем высверливание основных частей или удаление металла вблизи оси вращения.

В некоторых случаях рассверливание главной магистрали дает еще одно преимущество: оно помогает выровнять давление в коленчатом валу (проблема, которая преследовала ранние двигатели Chevy LS и приводила к многочисленным утечкам масла).

Снятие стресса

Пара бутылок пива может быть всем, что ВАМ нужно для снятия стресса, но коленчатый вал требует более сложного процесса. Термическая обработка повышает температуру кривошипа до точки, при которой зернистая структура металла начинает изменяться. Выдерживание кривошипа при определенной температуре в течение определенного периода времени снимает остаточные напряжения. Последующая закалка (охлаждение) кривошипа с контролируемой скоростью сохраняет положительные изменения в зернистой структуре, которые повышают прочность на растяжение и усталостную прочность.

Для достижения наилучших результатов необходимо тщательно контролировать процессы нагрева и охлаждения. Любые ошибки здесь могут привести к более слабой или хрупкой рукоятке. Дешевый кривошип может иметь не очень хорошую термообработку и не будет таким прочным и надежным, как у поставщика, который знает, что делает, и внимательно следит за процессом термообработки.

Дробеструйная обработка поверхности кривошипа также помогает повысить прочность и надежность за счет повышения твердости поверхности и устранения концентраторов напряжения, которые могут образовывать трещины. Также считается, что криогенная обработка (замораживание до 300 градусов ниже нуля в жидком азоте) снимает остаточное напряжение и повышает долговечность.

Для повышения износостойкости шейки могут подвергаться индукционной закалке или азотированию. Большинство заводских шатунов имеют индукционную закалку, потому что это быстрый и недорогой способ упрочнения шеек. Вокруг каждой шейки размещена низкочастотная электромагнитная индукционная катушка для нагрева металла.

После достижения металлом температуры, при которой зернистая структура претерпевает мартенситное превращение и достигается желаемая глубина закалки, на цапфу наносится масло для закалки стали и сохранения закаленного поверхностного слоя. Этот тип термической обработки обычно оставляет твердый слой толщиной до 0,030? или более в глубину (что позволяет переточить кривошип без удаления всего затвердевшего слоя).

Азотирование

Для повышения износостойкости шеек большинство высокопроизводительных кривошипов азотируются после термической обработки. Некоторые производители кривошипов используют процесс «плазменного азотирования», при котором ионизированный азот наносится вакуумом на поверхность кривошипа внутри высокотемпературной печи. Другие используют процесс под названием Tufftriding, при котором кривошип замачивается в горячей соляной ванне для «нитроцементации железа» или нагревается кривошип до 950 градусов по Фаренгейту в печи, наполненной азотом.

Азотирование заставляет атомы азота проникать в поверхность металла и делать его более твердым. Азотирование обычно удваивает твердость поверхности шейки (от 30 до 35 С по шкале Роквелла до 60 С по шкале Роквелла). Это также увеличивает усталостную долговечность кривошипа до 25% и более. Глубина твердого поверхностного слоя может колебаться от нескольких тысячных до 0,025 мкм. дюймов или более в зависимости от того, как долго кривошип оставался в духовке или соляной ванне.

Полировка

Микрополировка часто выполняется на шатунных шейках после того, как они были отшлифованы до нужного размера для улучшения качества поверхности. Несколько опрошенных нами поставщиков шатунов указали, что они стремятся к шероховатости поверхности коренных и шатунных шеек не более 5 микродюймов.

Некоторые поставщики коленчатого вала также полируют весь коленчатый вал. Это не только обеспечивает косметически привлекательный внешний вид, но и помогает снизить риск образования поверхностных трещин за счет устранения концентраторов напряжения. Полированная поверхность также способствует отводу масла при низких оборотах, уменьшая аэродинамическое сопротивление и аэродинамическое сопротивление. С той же целью можно использовать маслоотталкивающие покрытия. Но, как сказал один поставщик кривошипов, на высоких оборотах на кривошипе все равно не будет масла, потому что оно сразу же будет сброшено.

Тем не менее, некоторые поставщики кривошипов говорят, что от полировки можно получить прирост мощности. Одна компания, которая применяет уникальный процесс отделки своих шатунов, оставляя блестящую хромированную поверхность, говорит, что снижение трения и удержание масла способствует увеличению мощности на 1-3% в SB Chevy без каких-либо других изменений, и до На 4% больше лошадиных сил на BB Chevy.