Вал коленчатый: основа поршневого двигателя

В любом поршневом двигателе внутреннего сгорания используется деталь, преобразующая возвратно-поступательное движение во вращательное — коленчатый вал. О том, что такое коленчатый вал двигателя, каких типов он бывает и как устроен, а также о правильном выборе и замене этой детали — читайте в статье.

Что такое коленчатый вал?

Вал коленчатый — деталь кривошипно-шатунного механизма (КШМ) поршневого двигателя внутреннего сгорания всех типов; вал коленчатой конструкции, обеспечивающий преобразование возвратно-поступательного движения поршней и шатунов во вращательное движение связанных с ним деталей силового агрегата и трансмиссии.

Кривошипно-шатунный механизм и место коленвала в нем

Именно коленчатый вал составляет основу КШМ любого поршневого мотора внутреннего сгорания, на него возложен целый ряд функций:

• Преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное, которое обеспечивает привод всех остальных агрегатов;
• Обеспечение центровки и правильного положения деталей поршневой группы в цилиндрах;
• Смазка шарнирных соединений кривошипно-шатунного механизма — подача масла на коренные и шатунные шейки, а через них по шатунам к поршням. Также вращение вала приводит к образованию масляного тумана в картере;
• Привод навесных агрегатов двигателя и трансмиссии — передача крутящего момента на моховик и далее на коробку передач, привод газораспределительного механизма, водяного насоса, генератора, вентилятора, компрессора и т.д.

От состояния и условий работы коленвала во многом зависят не только параметры всего силового агрегата, но и сама возможность его функционирования. Поэтому коленчатому валу уделяется самое серьезное внимание, а при его неисправностях без промедлений выполняется ремонт или полная замена. Но прежде, чем приобретать новый коленвал, следует разобраться в конструкции, характеристиках и особенностях этой детали мотора.

Типы, конструкция и характеристики коленчатых валов

В настоящее время на двигателях и в иных поршневых машинах используется два типа коленчатых валов:

• Цельные (неразборные);
• Составные (сборно-разборные).

Конструкция коленчатых валов из различных материалов

Детали первого типа изготавливаются из одной металлической заготовки, все детали формируются на валу в процессе тех или иных операций механической обработки. Составные валы изготавливаются из нескольких деталей, которые в случае необходимости можно снять и заменить.

Любой вал, независимо от типа, назначения и особенностей, имеет принципиально одинаковое устройство. В общем случае вал разделен на несколько деталей:

• Коренные шейки — части вала, составляющие его продольную ось, коренными шейками вал опирается на блок двигателя. Монтаж вала в блок осуществляется через расположенные на коренных шейках вкладыши (подшипники скольжения);
• Шатунные шейки — детали, выступающие в качестве опор для установки шатунов. Монтаж шатунов на вал осуществляется через расположенные на шатунных шейках вкладыши;
• Щеки — поперечные детали, связывающие коренные шейки с шатунными. От длины щек зависит ход поршня в цилиндре и, соответственно, развиваемый двигателем крутящий момент;
• Противовесы (не во всех валах) — продолжение щек с их обратной стороны. Это грузы, уравновешивающие силы инерции, которые возникают при движении шатунных шеек и шатунов. Противовесы снижают дисбаланс вала, обеспечивая устранение биений и разгрузку деталей КШМ;
• Носок (передняя выходная часть вала) — деталь, выходящая за пределы блока двигателя со стороны первого цилиндра, предназначенная для монтажа шестерни или зубчатого колеса привода ГРМ, а также шестерни или шкива привода навесных агрегатов двигателя;
• Хвостовик (задняя выходная часть вала) — деталь, выходящая за пределы блока силового агрегата со стороны последнего цилиндра (а точнее — со стороны передачи крутящего момента на агрегаты трансмиссии), обычно она выполнена в виде фланца для монтажа маховика, здесь же может располагаться шестерня привода ГРМ.

Основу вала составляют коренные шейки, а щеки вместе с шатунными шейками образуют так называемые колена — их количество соответствует числу используемых в двигателе поршней/цилиндров. Переход шеек на щеки выполняется с радиусом, что обеспечивает высокую прочность этих частей, которые в процессе работы подвергаются наибольшим нагрузкам. В шейках выполняются косые или прямые каналы для подачи смазочного материала, выходы каналов располагаются в центральных частях коренных и шатунных шеек. Выход масла из шеек обеспечивает смазку расположенных на них вкладышей (подшипников скольжения). Сверления могут закрываться пробками, образующиеся полости обеспечивают дополнительную очистку масла — механические загрязнения оседают на внутренних стенках сверлений и пробок под действием возникающих при вращении вала центробежных сил. Также на валу выполняются посадочные места под монтаж зубчатых колес и/или шкивов — обычно выбираются пазы под шпонки, иногда выполняются шлицы. В торцах носка и фланца на хвостовике вала выполняются отверстия с резьбой для вворачивания болтов. Наконец, на некоторых валах нарезаются несъемные шестерни для привода агрегатов.

Конструкция составного коленчатого вала

Составные валы имеют чуть более сложную конструкцию. Их основу составляют щеки, объединенные с противовесами (зачастую это просто круглые стальные детали), в центральную часть которых запрессовываются коренные шейки, а в периферийные — шатунные. Вал в сборе обычно устанавливается в картер двигателя на подшипниках качения. Сборно-разборные валы наиболее часто применяются на малоцилиндровых (не более двух цилиндров) и малообъемных силовых агрегатах мототехники.

Коленчатые валы производятся из различных марок углеродистых и легированных сталей, а также из чугуна повышенной прочности. Цельные детали изготавливаются ковкой (объемной штамповкой) из литых заготовок с помощью штампов на специальных прессах, одна заготовка проходит несколько операций штамповки, а затем начистую обрабатывается на токарных, фрезерных и других металлорежущих станках. Поверхность шатунных и коренных шеек может подвергаться цементации или закалке для повышения их прочности и износостойкости. Составные валы изготавливаются из точеных или штампованных заготовок, которые собираются в единую конструкцию.

Коленчатый вал устанавливается в блоке силового агрегата на посадочные поверхности или съемную постель через коренные подшипники, его фиксация осуществляется устанавливаемыми сверху крышками коренных подшипников (в народе — бугелями). Смещения вала в осевом направлении предотвращаются упорными кольцами, расположенными у одной или нескольких коренных шеек. Носок и хвостовик вала выходят из блока двигателя через сальниковые уплотнители. На носок посредством шпонки монтируется шестерня привода ГРМ и посредством болта — шкив привода агрегатов. На хвостовик с помощью болтов устанавливается маховик.

Как правильно выбрать, отремонтировать и поменять коленчатый вал

Коленвал в процессе работы двигателя подвергается высоким скручивающим и изгибающим механическим нагрузкам, а также интенсивному износу, тепловым нагрузкам и воздействию агрессивных сред (отработавших газов, загрязнений масла и т.д.). Поэтому со временем данная деталь изнашивается, деформируется и теряет свои качества, а в отдельных случаях износ и деформации могут приводить к полной потере валом возможности нормально выполнять свои функции. В этом случае вал должен быть демонтирован с мотора, подвергнут дефектации, и в случае надобности отремонтирован или заменен.

На замену следует использовать только ту деталь, которая была установлена в двигатель производителем, либо ее допустимый аналог (например, с другой модификации двигателя). Также вместе с валом необходимо приобретать комплект новых вкладышей (шатунных и коренных) и сальников.

Замена коленвала должна выполняться в соответствии с инструкцией по ремонту данного конкретного двигателя. Демонтаж вала выполняется на снятом с автомобиля моторе, так как доступ к детали возможен только снизу. Для снятия вала необходимо демонтировать крышки шатунов и коренных подшипников, маховик, упорные кольца, затем вал вынимается из блока и подвергается осмотру. Если на детали обнаружены трещины и сколы, а также глубокие царапины и риски на прилегающих к сальникам поверхностям, то она подлежит замене. Новый коленвал должен устанавливаться и при недопустимом износе шатунных и коренных шеек (когда выбраны все ремонтные размеры вкладышей), и при недопустимых деформациях в одной или обеих плоскостях.

Если коленвал подвергается ремонту, то предварительно его необходимо очистить от загрязнений и промыть (особенно тщательно промыть сверления в шейках, так как в них скапливается грязь), а затем выполнять те или иные операции. Если же устанавливается новый коленвал, то должны использоваться новые вкладыши и сальники.

После замены коленчатого вала двигатель нуждается в обкатке, обычно для обкатки достаточно 2000-2500 км пробега. Во время обкатки двигатель должен работать на щадящих режимах без резкого увеличения и сброса оборотов. В дальнейшем вал нуждается в регламентном обслуживании — осмотре, очистке сверлений, замене вкладышей и т.д. При верном выборе и замене коленвала, а также при соблюдении рекомендаций по обкатке двигатель после ремонта будет работать надежно на всех режимах.