Коленчатый вал, принцип действия

Коленчатый вал является важным и одним из ключевых элементов двигателя, без которого последний в принципе не мог бы работать, преобразуя энергию от сгорания топлива в цилиндрах к энергии вращения, передаваемой на приводные оси. Фактически, основное предназначение коленчатого вала состоит в том, чтобы передавать возвратно-поступательное движение поршней двигателя в крутящий момент, распределяемый между механизмом газораспределения, поддерживающим работу двигателя и его тактность, и механизмом привода, передающим крутящий момент через маховик, сцепление и коробку передач на дифференциалы и далее – колеса автомобиля.

Коленчатый вал располагается в нижней части блок цилиндров, под поршнями. Он соединяется с ними набором шатунов, поддерживается подшипниками в разделителях блоков, и смазывается системой активной подачи масла в местах, где превальирует сила трения. Коленчатый вал является цельной деталью, которая не подлежит и не может в принципе подлежать разбору, поскольку является литой. Вал изготавливается либо из чугуна при помощи литейных технологий производства, либо из стали путем ковки (используется в мощных двигателях или в целях спортивного тюнинга автомобилей). На автомобилях, имеющих турбину, тюнингованных автомобилях или дизельных двигателях, как правило, устанавливают самые прочные коленчатые валы из специализированных стальных сплавов, выдерживающих и большие нагрузки, и высокую температуру.

С конструктивной точки зрения, коленчатый вал не представляет из себя вал в классическом представлении – он состоит из набора выемок и вставок, преобладающих по выступам друг над другом. Более того, коленчатый вал не имеет цельной оси – она искривляется в местах сопряжения с шатунами, и больше похожа на набор букв «п», соединенных между собой, к вершинам которых подсоединяются шатуны. Тем не менее, коленчатый вал идеально сбалансирован и имеет точно откалиброванный центр масс, что в конечном итоге позволяет очень просто разгонять систему и поддерживать крутящий момент даже во время «просадки» мощности в периоды, когда новой поступательной нагрузки от поршней не поступает.

Рассматривая коленчатый вал более подробно в инженерном представлении, заметим, что он состоит из нескольких коренных и шатунных шеек, соединенных между собой так называемыми «щеками». Шейками, фактически, называются осевые участки, которые либо предназначены для соединения с поршнем посредством шатуна, либо соединения коленчатого вала с блоком цилиндров. Щека же – это металлическая грань, которая соединяет между собой шейки, являясь неким подобием ребра жесткости с достаточным для выполнения этой задачи сечением. С одной стороны, щека крепится к шейке, а с другой – имеет металлический противовес, который уравновешивает вес поршня и шатуна, балансируя коленчатый вал. Противовесы являются важной частью коленчатого вала и обеспечивают плавную работу двигателя, поскольку с ними вал становится отцентрованным относительно оси своего вращения, что позволяет вектору ускорения быть направленным равномерно в сторону от оси вращения. Без применения противовесов коленчатый вал бы пришлось менять крайне часть, поскольку помимо и так высоких нагрузок вместе с большими температурами, на него приходились бы значительные вибрации и неравномерное ускорение, разрывающее его на части.

Шатунная шейка, располагающаяся между двумя щеками, напротив которой находятся два противовеса, называется коленом. Это название следует из того, что она возвышается над осью вращения коленчатого вала, и выглядит как возвышенность, или «колено». В зависимости от числа цилиндров автомобиля, будет варьироваться число колен на коленчатом вале. При этом, количество колен будет точно соответствовать числу поршней двигателя. Каждое колено соединяется с шатуном, который, в свою очередь соединяется с поршнем. Когда в цилиндре происходит взрыв топлива, поршень давит на шатун, который нажимает на шатунную шейку, которая, в свою очередь, придает коленчатому валу оборот относительно своей центральной оси. В момент, когда поршень находится в своей самой низкой точке, происходит взрыв в другом поршне, который продолжает такт двигателя. В тех же мгновеньях, где все поршни находятся в пассивном состоянии полета и мощность падает на доли процента, ускорение поддерживается противовесами и маховиком.

коленчатый вал, коленвал, купить коленвал, коленвал цена, замена коленвала, датчик коленвала, сальник коленвала, шкив коленвала

В зависимости от типа и модели двигателя, шатунные шейки могут иметь как различную форму и длину, так и различный диаметр, так и смещение относительно друг друга на определенный градус. Например, в V- и W-образных двигателях автомобилей бизнес-класса, либо двигателях спортивных автомобилей, шатунные шейки могут быть либо сдвоенными, удерживая сразу два шатуна на одной шейке, либо быть наклоненными друг относительно друга на 10-20 градусов, в то время, как классический коленчатый вал сконструирован таким образом, чтобы шейки располагались строго друг напротив друга, попарно. В тех коленчатых валах, где шейки сдвинуты друг напротив друга на определенный градус, вероятнее всего, используется технология равномерного воспламенения, которая позволяет поддерживать в двигателе постоянный вращательный момент вне зависимости от такта.

И хотя коленчатый вал испытывает постоянные высокие нагрузки и сам по себе является наиболее прочным элементом, у него есть определенные участки, наиболее подверженные нагрузке и испытывающие постоянное высокое давление. Этими участками являются изгибы вала около шатунных шеей – то есть места, в которых щеки вала соединяются с шейками. Поскольку щеки необходимо делать как можно более тонкими, а шейки должны выдерживать давление шатуна и постоянное трение от соединения, в любом из коленчатых валов инженеры решали проблему балансировки мощности двигателя, качества используемой стали и объема щек коленчатого вала. Место, в котором шатунная шейка соединяется со щекой, называется галтелью – это специальный участок коленчатого вала, имеющий закругления, снижающие напряженность металла в момент импульса со стороны поршня. В некоторых случаях, галтели стараются «утапливать» либо в шатунную шейку, либо в щеку, с целью снижения общей длины коленчатого вала.

Коленчатый вал, как и было сказано ранее, фиксируется в своем положении благодаря выступам, направленным от блока цилиндров в сторону вала, и фиксирующих его сверху и снизу. Для того, чтобы вал не стерся, и чтобы он не стер свои опоры, используются специальные вставки, которые прокладываются между валом и упорами, его фиксирующими. Такие проставки, обеспечивающие его мягкую фиксацию, называются вкладышами – шатунными и коренными. Соответственно, шатунные вкладыши прокладываются между шатунной шейкой и шатуном, а коренные вкладыши прокладываются между валом и его креплениями к блоку цилиндров. Такие вкладыши производят из специальной износостойкой стали, содержащий антифрикционное покрытие, что с точки зрения практических характеристик означает нанесение такого материала на их рабочую поверхность, который способствует скольжению, и минимизирует трение в узле. Вкладыши де-факто являются полукольцами, плотно смыкающимися к центру, сверху и снизу от части вала, к которой они относятся. Сами вкладыши плотно усаживаются в места своего расположения, и фиксируются на одном месте специальными выступами, которые предотвращают их проскальзывание при повороте вала. И если осевому смещению вкладышей мешает наличие выступа, то горизонтальному смещению и вкладышей, и самого коленчатого вала мешает специальный упорный подшипник, располагающийся на одном из концов вала.
Отдельного внимания в конструкции коленчатого вала заслуживает система активной смазки элементов. Коленчатый вал – это одна из самых нагруженных и склонных к износу запчастей в двигателе. На неё постоянно действуют разрушительные силы – сила трения в местах соединения вала с корпусом блока цилиндров, высока температура, сжимающая сила шатунов, давящих на сам вал и другое. В результате, места соприкосновения вала с корпусом и шатунами являются местами очень значительных нагрузок силы трения, которая очень быстро стирает место соприкосновения. Для того, чтобы двигатель нормально работал, а подверженные износу элементы служили долго, в любом из двигателей внутреннего сгорания используется система активной смазки движущихся элементов, которая производит постоянное смазывание коленчатого вала, распределительных валов, шатунов и поршней.

Все процессы смазывания начинаются в так называемому масляном поддоне двигателя, располагаемом в самой нижней его точке. Фактически – это металлический отсек, в который стекает машинное масло со всех элементов двигателя пассивным образом, под действием силы тяжести. Соответственно, при выключенном двигателе в масляном поддоне находится бОльшее количество масла, чем в остальном двигателе. При заведенном двигателе, масляный поддон содержит меньшее количество масла, чем в остальном двигателе. Чуть выше масляного поддона располагается масляный насос, подающая трубка которого соединена с дном поддона. Масляный насос осуществляет активный забор масла из поддона и его прокачку по системе. Подавляющее большинство масляных насосов являются механическими узлами, приводимыми в движение синхронно с коленчатым валом. В результате, достигается пропорциональность частоты вращения вала и скорости прокачки масла по системе, что является логичным, поскольку при больших оборотах двигателя происходит больший износ элементов, и возникает потребность в более быстрой смазке. По своим видам масляные насосы делятся на шестеренчатые и роторные.

По пути маслопровода, сразу после масляного насоса располагается редукционный клапан, отвечающий за перепускание излишнего давления, возникающего в системе. Так например, при слишком высоких оборотах коленчатого вала, давление в масляной системе превышает допустимый предел, после которого скорость подачи масла уже не является столь критичной для смазывания движущихся элементов. В результате, при достижении такого предела, срабатывает перепускной клапан, возвращая часть масла внутрь масляного поддона.

Следующим элементом на пути масла является либо масляный радиатор для более дорогих двигателей, и масляный фильтр для более распространенных двигателей. В случае наличия масляного радиатора, последний выполняет функции охлаждения горячего масла и доведения его до температуры, идеальной с точки зрения смазывания узлов. С конструктивной точки зрения, масляный радиатор представляет из себя обычный радиатор, но с большим диаметром трубок.

После выхода из радиатора (или масляного насоса) масло попадает в масляный фильтр, осуществляющий его очистку от сторонних элементов и фрикционной пыли, возникшей в результате износа двигателя. Масляный фильтр, состоящий из специальный бумаги и элементов для более грубой очистки, выполняет отделение загрязняющих частиц от непосредственно масла. В целях предотвращения нештатных ситуаций, масляный фильтр содержит перепускной клапан, который пускает масло в обход фильтра либо в случае большого давления, либо в случае серьезного загрязнения фильтрующих элементов. Перепускной клапан необходим потому, что он предотвращает масляное голодание, которое может возникнуть вследствие серьезного загрязнения фильтра при его редкой замене либо других поломках, связанных с уменьшением объема поступающего в систему масла. На выходе из фильтра во многих автомобилях располагается датчик давления масла, так же выполняющий роль редукционного клапана. В случае, если датчик давления масла фиксирует значительное превышение объема поступающего с фильтра масла, он приоткрывает редукционный клапан, и часть масла возвращается в масляный поддон. На этом этапе, вспомогательная система прокачки масла заканчивается, и начинается сегмент фактической мазки движущихся элементов. В зависимости от модели двигателя и его конструкции (наличие нескольких распределительных валов, либо наличие турбины), после датчика давления масла могут располагаться несколько масляных магистралей, ведущих к соответствующим элементам. В дополнение стоит отметить, что для двигателей, имеющих V или W-образную конструкцию, а так же, для оппозитных двигателей, система подачи масла может дублироваться.

Покидая датчик давления масла и область действия редукционного клапана, в большинстве конструкций двигателей внутреннего сгорания, масло устремляется по магистрали внутрь коленчатого вала и в направлении распределительных валов и турбины. От магистрали, ведущей к распределительному валу, ответвляется трубка к форсункам, омывающим шатуны и распыляющим масло на их поверхность в местах соединения с поршнем. Так же, форсунка производит распыление масла на рабочую поверхность цилиндра, что обеспечивает возможность перемещаться в нем поршню без повреждений стенок. Для того, чтобы масло не смешивалось с топливом и не мешало правильному процессу его сгорания, каждый из поршней оснащается так называемыми поршневыми кольцами (они же – маслоотделительные кольца), которые плотно прижимаются к стенкам цилиндра даже при износе поршня, не давая маслу попасть в рабочее пространство, в котором происходят процессы горения.

Отдельного внимания заслуживает сама конструкция коленчатого вала в вопросе нагнетания масла к местам активного смазывания. Внутри коленчатого вала находится ряд технических каналов, соединяющих масляные магистрали с шатунами через коренные шейки. Исходя из того, что коренные и шатунные вкладыши имеют по одному техническому отверстию на своих крайней верхней и крайней нижней точках, масло из топливной магистрали подается внутрь коленчатого вала через коренной вкладыш. Далее, масло подводится к месту соединения с шатуном, и точно так же, через шатунный подшипник, поступает в место соприкосновения шатуна и коленчатого вала. В результате, коленчатый вал оказывается смазан во всех местах, где происходят активные процессы трения. Масло, подаваемое под давлением на все элементы коленчатого вала и другие механизмы, проходит прямым током через смазываемый узел, после чего, под воздействием силы тяжести, стекает вниз, в масляный поддон. Этот же принцип используется для смазывания распределительного вала и поршней – распредвал имеет внутри масляный канал, по которому масло поступает на лопатки, смазывает рокеры, и в масляный поддон.

Стоит обратить внимание на то, что масляные каналы, располагающиеся внутри коленчатого вала и других элементов, не так велики по своему диаметру, в связи с чем, при несвоевременной замене масляного фильтра, может произойти быстрый износ элементов, которые должны смазываться. Исходя из этого, при экономии на замене масляного фильтра или халатном отношении к нему, можно столкнуться с весьма дорогостоящим ремонтов коленчатого вала и других частей двигателя, просто потому, что произошло засорение масляного канала.

Коленчатый вал имеет два места, в которых производится фактический съем крутящего момента и его передача на другие элементы. С одной стороны, коленчатый вал соединяется с маховиком, который передает мощность на коробку передач через сцепление. Соединение коленчатого вала с маховиком осуществляется в так называемом «хвостовике» коленчатого вала. С другой же стороны, коленчатый вал соединяется с системой газораспределительного механизма через «звездочку» в месте, называемом «носком». В некоторых конструкциях двигателей, в особенности, на мощных моделях, «носок» так же оснащается дополнительной системой гашения крутильных колебаний, которая поглощает вибрации, возникающие при обороте коленчатого вала вокруг своей оси или его отклонениях от оси вращения.

Рекомендуется четко и вовремя производить замену автомобильного масла, а так же масляного фильтра. Несвоевременный уход за масляной системой может вызвать значительный поломки коленчатого вала и сопутствующих элементов, что может быть причиной дорогостоящего ремонта или блочной замены агрегатов. В среднем, стоимость нового коленчатого вала варьируется в диапазоне от 5000 до 40000 рублей, в зависимости от модели автомобиля. Если рассматривать грузовые автомобили или спецтехнику, цена за новый коленчатый вал может составить от 80 до 200 тысяч рублей. При этом, затраты на выполнения работ по разбору двигателя и замене коленчатого вала и сопутствующим элементов могут варьироваться в диапазоне от 7 до 20 тысяч рублей, что фактически является капитальный ремонтом двигателя.

Поскольку коленчатый вал является важным элементом, на который приходится значительная нагрузка и который используется постоянно, при замене этого агрегата стоит тщательно подумать, выбирая между неоригинальными запасными частями и заводскими деталями. В случае, если выбор падет в пользу запчастей китайского производства по невероятно низким ценам, помните про то, что с большой долей вероятности, придется выполнять повторную замену агрегата через несколько лет эксплуатации. Так же не стоит забывать про то, что излом коленчатого вала может вызывать фатальные повреждения двигателя – пробой рабочей поверхности цилиндров, уничтожения поршня или возникновение трещин в корпусе блока цилиндров.