Коляновият вал e въртящото се сърце на двигателя

77 / 100

Коляновият вал е един от основните компоненти на двигателите с вътрешно горене, част е от коляно-мотовилковия механизъм и служи за преобразуване на възвратно – постъпателното дижение във въртеливо, както и за отвеждане на полезния въртящ момент от двигателя към изпълнителния механизъм.

Освен това към коляновият вал са закачени и се задвижват и много допълнителни агрегати на двигателя, като помпи, газоразпределителни механизми и т.н. Той представлява силно натоварен елемент, подложен на динамични натоварвания. Основно се товари на огъване и усукване. Повреди по коляновия вал и особено неговото „скъсване” водят най-често до разрушаване на двигателя.

Конструкция на коляновия вал

При конструирането им инженерите се изправят пред доста сложна задача, тъй като коляновият вал трябва да притежава голяма якост, износоустойчивост и коравина при относително малка маса и габаритни размери. Освен това коляновият вало трябва да е много добре балансиран, както в статично, така и в динамично отношение, за да не се появят допълнитени центробежни сили и неуравновесености, които да се отразят на работата на двигателя.

За това е необходима е и много точна и прецизна изработка, като се спазват много стриктно зарадените размери, твърдост на материала и гладкост на повърхнините. Точното определяне на размерите на шийките на вала е необходимо, за да се намалят вътрешните напрежения.

Цели и сглобяеми валове

Коляновият валове може да бъде цял, или сглобяем. Целите валове са монолитни тела, за чиято изработка може да се използва отливане, изковаване или щамповане. За тези валове се използват плъзгащи лагери, докато сглобяемите валове се използват съвместно с търкалящи лагери.

Отделните им части могат да се свързват чрез болтове или пресови съединения. Между основните и мотовилковите шийки се използват дистанционни втулки. Тези валове се използват при тежконатоварени дизелови двигатели или по-стари мотоциклетни и стационарни двигатели.

Пълноопорни и непълноопорни валове

Непълноопорен колянов вал
Непълноопорен колянов вал

Коляновият вал бива също пълноопорен и непълноопорен. При пълноопорните се редуват основни и мотовилкови шийки, тоест всяка мотовилкова шийка се намира между две основни шийки и броят на основните е с една повече от броя на мотовилковите, а при непълноопорните основните шийки са по-малко от мотовилковите.

Пълноопорният колянов вал е по-дълъг и по-скъп за производство, а каквъв ще е валът зависи от предназначението на двигателя. Конструкцията на цилиндровия блок и цилиндровата глава също определят конфигурацията коляновия вал. Ъглите между отделните колена се определят от условието за равномерно редуване в работата на цилиндрите.

Основните елементи на коляновия вал

Коляновият вал има следните основни елементи: преден край, основни шийки, мотовилкови шийки, рамена, противотежести и заден край.

Предният край е изработен стъпаловидно, тъй като на него се поставя зъбно колело за задвижване на газоразпределителния механизъм и ремъчната шайба. В тези части на вала се изработват и шпонкови канали, за предаване на въртящия момент.

якостта на коляновия вал
Пример за припокриване на мотовилковите и основните сили за повишаване на якостта на коляновия вал

Тъй като и предният и задният край на вала излизат извън картера на блока на двигателя е много важно да не се позволи на маслото да изтече от там. За тази цел се използват семеринги и маслоотражателни шайби. Коляновият вал има разпробити отвори за отвеждане на маслото до опорните и мотовилковите шийки.

Диаметърът на основните шийки е по-голям от този на мотовилковите. При симетричните валове най-силно е натоварена средната шийика и за това нейната дължина обикновенно е най-голяма.

Мотовилковите и основните шийки се изработват кухи, за да се намали масата им и да се осигурят канали, през които да преминава малсото за смазване на коляновия вал. Тези кухини се затварят чрез щамповани капачки и болтове.

В кухините с бъчвообразна форма се получава и ефект на центробежно очиставне на маслото, защото тежките частици полепват по стените на кухината под действието на центробежните сили, а чистото масло протича през средата на кухината и продължава към мотовилковия или основния лагер.

Маслото за мазане на вала се подвежда през някой от основните лагери и канал в някоя от основните шийки. Освен това циркулиращото масло в кухините на вала служи и за охлаждане.

Обикновено последната основна шийка е така лагерувана, че да поема аксиалните усилия на вала. Но това е само при двигатели с плъзгащи лагери, докато при тези с търкалящи лагер не се предвижда специален лагер за тази цел.

Коляновият вал може да има рамена с различна форма – ромбоидна, овална, правоъгълна или кръгла.  Рамото служи за двърка между основните и мотовилковите шийки и освен това трабва да поема големи усилия на огъване и усукване. Коравината на вала може да се повиши, като мотовилковите и основните шийки частично се препокриват.

Преходът между рамото и шийката задължително трябва да се извърши с определено закръгление, защото в противен случай се получава голяма концентрация на напрежение в тази точка и валът ще се скъса. При непълноопорните валове две мотовилкови шийки могат да се свържат с едно наколнено рамо, което с по-различна форма от останалите.

На рамената се закрепват противотежести, които служат за уравновесяване на вала при работта на двигателя и се разтоварват основните лагери. Противотежестите могат да се изработят като част от коляновия вал или да се изработят отделно или да се добавят допълнително с помощтта на болтове. За прецизно балансиране на вала от противотежестите се отнема материал, като се разпробиват отвори.

При изработването на коляновите валове на механична обваботка (струговане и шлифоване) се подлагат само шийките, но не и рамената. Обработката на рамената дори е противопоказна, защото се променя структурата на материала и може да се понижи тяхната якост.

Етапи на конструирането

Започва се определяне на броя, разположението и формата на колената, след което се определя дължината на коляното в зависимост от разстоянието между цилиндрите. Третата стъпка е да се намерят най-подходяшите размери на отделните елементи от валовете. При повечето съвременни двигатели се увеличава диаметъра и се намалява дължината на основните и мотовилковите шийки. Това увеличва якостта на вала и повишава собствената честота на трептене на системата.

Материали за колянови валове

Коляновият вал трябва да бъде изработен от материали, които притежават голяма якост, жилавост, износоустойчивост, твърдост, съпротивление срещу умора и ударни натовавания. Такива са въглеродните, легираните стомани и чугунът. При форсираните двигатели се използват легирани хром-ванадиеви, хром-никелови, хром-молибденови и т.н., които се отличават с повишена граница на якост и провлачване.

Снимка на скъсан колянов вал
Снимка на скъсан колянов вал (пълноопорен вал за четирицилиндров редови двигател)

Ако коляновият вал е кован или щампован се подлага на термични обработки като нормализация, при която се премахват вътрешните напрежения в материала и се повишават механичните му качества. След механичната обработка, но преди шлифоването е необходимо шийките да се бъдат закалени.

Коляновият вал се отлива от стомана или чугун, като предимствата са, че разходът на материал е по-малък, механичната обработка се намалява с до 25%, а теглото с до 15%.

Чрез леене се постигат по-плавни форми, които допънително повишават якостта на вала, а освен това се постига и по-добра форма в кухините на шийките и цената е по-ниска. Летите валове са с по-ниска якост и се препоръчва да се изработват пълноопорни.

Чугунените валове се отливат от висококачествен модифициран сферографитен чугун. Шийките са с висока износоустойчивост, но като цяло валовете са по-леки.

Масата на коляновия вал може да достигне между 10 и 15 процента от общото тегло на двигателя.

Комплект мотовилки за звездообразен двигател
Комплект мотовилки за звездообразен двигател

Предимно авиационните двигатели се отличават с по-нестандартна конструкция. Съществуват такива, при които коляновият вал е неподвижен и всъщност блокът на двигателя се върти около него, като витлото е закрепено за блока.

Това най-често са звездообразни двигатели. Характерна особеност за всички звездообразни двигатели е, че за всеки ред имат само едно коляно, към което е прикрепена една основна мотовилка, а останалите мотовилки се прикрепени към нея.

 

Ванкеловите двигатели също притежават колянов вал, но при тях той е по-скоро ексцентричен вал. Този тип валове нямат колена, а кръгли учатъци, които са изработени ексцентрично спрямо оста на вала.

Те имат много по-малко изместване, като създават по-малко инерционни сили и могат да се развъртат на по-високи обороти. Ексцентричните валове също се изработват с кухини, през които преминава моторното масло.

 

Няма коментари

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван.