Как изготавливаются коленчатые валы

Конструкция коленчатых валов и основные требования к их изготовлению

Коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания являются ответственными и напряженными деталями, работающими при воздействии динамических нагрузок, которые передаются валу через поршень и шатун при рабочем процессе двигателя, и инерционных усилий, возникающих при изменении скорости и направления движущихся масс поршней, шатунов, маховиков и прочих деталей.

Коленчатые валы делают цельными или составными (из отдельных частей или колен). В зависимости от числа и расположения цилиндров коленчатые валы имеют разное число колен и шеек.

Основными элементами коленчатых валов являются коренные и шатунные шейки, щеки, соединяющие коренные и шатунные шейки, передний и задний концы, служащие для передачи движения приводным механизмом и механизмами двигателя. В местах переходов от шеек и концов вала к щекам и фланцам имеются галтели. Щеки коленчатых валов делают прямоугольными, круглыми или овальными.

Условия работы коленчатых валов и сопряжённых с ними деталей двигателя требуют точного выполнения размеров и правильного взаимного положения отдельных элементов. Эти требования обусловлены ГОСТами 10158-62 и 10167-62. Основные технические требования, предъявляемые к коленчатым валам, следующие:

Рисунок №1. — Секционный штамп для горячей штамповки коленчатых валов больших размеров

1. Коленчатые валы должны изготавливаться из углеродистых сталей 35, 40, 45, и 50 Г и легированных сталей, химический состав которых соответствует ГОСТу 4543-61. Марка стали оговаривается в чертеже.
2. Механические свойства валов должны соответствовать показателям, установленным ГОСТом 10158-62 в зависимости от марки стали и категории прочности. Обязательными показателями механических свойств являются предел текучести, относительное сужение, ударная вязкость и твёрдость. Механические свойства материала коленчатых валов после термической обработки проверяются на образцах, вырезанных из детали.
3. Твёрдость HRC шеек, подвергаемых поверхностной закалке, должна быть не менее 52 для валов, изготавливаемых из стали 45 и 50 Г, и не менее 48 для валов из легированных сталей. Галтели закалке не подвергаются.
4.  Чистота обработки поверхности шеек диаметром до 100 мм должна быть не ниже 9-го класса, а шеек диаметром более 100 мм и галтелей шеек 8-го класса; чистота обработки коренных шеек, монтируемых на подшипниках качения, должна быть 7-го класса.
5. Диаметры коренных и шатунных шеек требуется обрабатывать по 2-му классу точности. Овальность шеек диаметром до 260 мм не должна выходить за пределы поля допуска скользящей посадки 1-го класса точности, а шеек диаметром более 260 мм должна быть в пределах допуска скользящей посадки 2-го класса точности.
6. Биение коренных шеек и шейки под распределительную шестерню относительно оси вала не должно превышать 0,03 мм для валов с диаметром шеек до 100 мм, 0,04 мм для валов с диаметром шеек 100-180 мм; 0,05 мм для валов с диаметром шеек 180-260 мм  и 0,06 мм для валов больших размеров.
7. Допускается отклонение радиуса кривошипа не более 0,15 мм на 100 мм радиуса.
8. Смещение углов между коленами кривошипов, а также между шпоночным пазом распределительной шестерни и осью базового кривошипа допускается не более.
9. Биение торцов соединительных фланцев при жёстком креплении маховика или муфты допускается не более 0,005 мм на 100 мм диаметра фланца, при прочих соединениях – не более 0,03 мм на 100 мм диаметра фланца.
10. Каждый вал должен быть динамически сбалансирован. Одно- и двухколенчатые валы, а также валы, работающие с числом оборотов в минуту менее 1000, допускается балансировать статически. Допускаемый дисбаланс указывается в чертеже.

Требования к коленчатым валам, подвергаемые азотированию, хромированию и механическому уплотнению галтелей, указываются в чертеже. Заготовки коленчатых валов получают свободной ковкой, штамповкой и отливкой. Свободной ковкой получают заготовки валов крупных двигателей, выпускаемых мелкими сериями, для которых нецелесообразно делать сложные и дорогие штампы.

Сложная конфигурация коленчатого вала не позволяет изготовить свободной ковкой заготовку, в достаточной степени приближающуюся к конфигурации готовой детали, и при обработки шеек приходится удалять большое количество металла. Заготовки валов, выпускаемых значительными сериями, получают штамповкой в закрытых штампах.

Штамповку заготовок значительных размеров производят по частям в секционных штампах (см. рис 1).

Это позволяет снизить расход металла, улучшить его структуру и снизить трудоёмкость изготовления вала в заготовительных и механических цехах.

Заготовку коленчатых валов быстроходных двигателей в серийном производстве получают штамповкой в закрытых штампах из проката последовательно в нескольких ручьях одного штампа или двух штампов. Сначала производят гибку заготовки в гибочном ручье штампа, затем штамповку в предварительном ручье.

Потом производят обрезку облоя, окончательную штамповку, обрезку и рихтовку. Фланцы на конце вала обычно штампуют в отдельной операции на горизонтально-ковочных машинах.

При изготовлении коленчатых валов как одно целое с ними отковывают бруски, из которых после совместной термической обработки вырезают образцы для контроля механических свойств материала.

Литые заготовки коленчатых валов получают из модифицированного легированного чугуна и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Крупные валы (для тепловозных и стационарных двигателей) изготавливают в земляных формах; шейки их обычно отливают полыми, что позволяет избежать большой разницы в толщине стенок отливки и обеспечит более равномерную структуру материала.

Источник: https://www.studiplom.ru/Technology/izgotovlenie-kolinvalov.html

Технологический процесс изготовления коленчатого вала (стр. 1 из 3)

Технологический процесс изготовления коленчатого вала.

Получение заготовки.

Заготовки коленчатых валов получают горячей штамповкой и литьём.

Кованые коленчатые валы изготовляются из углеродистых и легированных сталей, а литые валы – из высокопрочных глобулярных чугунов, из ковких перлитных чугунов и легированных сталей. Литьё выполняется в земляные и оболочковые формы.

Последний метод является более прогрессивным, т.к. он обеспечивает более высокую точность заготовки, снижает припуски на механическую обработку, а в некоторых случаях полностью её устраняет.

Изготовление заготовок коленчатых валов горячей штамповкой отвечает требованиям поточно-массового производства, т.к.

При этом обеспечивается выгодное расположение волокон в металле, что повышает прочностные показатели деталей.

Технологический процесс изготовления заготовки коленчатого вала автомобиля ЗИЛ-130.

Исходным материалом для заготовки служит сталь 45, имеющая следующие механические свойства: твёрдость в нормализованном виде НВ 163—197; sв =61кГ/мм2 ; sт =36 кГ/мм2 . Химический состав стали в %: 0,42—0,50 С; 0,17—0,37 Si; 0,50—0,80 Мn. Заготовка коленчатого вала изготовляется из штанги квадратного сечения 120х120 мм, длиной 875 мм, весом 96,95 кг.

Отход на угар, заусенцы и клещевину составляет 40%. Поковка коленчатого вала весит 58 кГ.

Схема технологического процесса изготовления коленчатого вала.

Заготовка подвергается термообработке (нормализации), это регламентирует твёрдость, снимает внутренние напряжения, что обеспечивает более производительную и качественную механическую обработку.

При изготовлении горячештамповочных заготовок коленчатых валов требуется обеспечить особенно высокое уплотнение металла в местах наибольших напряжений (по коренным и шатунным шейкам) за счёт качественной проковки.

Не следует допускать перерезания волокон в местах сопряжения шеек вала со щёками.

Современные технологические процессы изготовления горячештамповочных заготовок коленчатых валов обеспечивают кривизну вала 1,0—1,3 мм, овальность шеек 1,5—2,0 мм, продольный и поперечный перекосы 1,0—2,0 мм, неперпендикулярность торца фланца 0,5—0,8 мм, припуски по диаметру шеек 5,0—6,5 мм, припуски по торцам щёк 3,0—4,0 мм.

В условиях крупносерийного и массового производства заготовки стальных коленчатых валов штампуются на ковочных прессах, это обеспечивает более высокую производительность (до 2 раз) по сравнению со штамповкой на молотах.

Кроме того, штамповка на прессах повышает точность заготовки за счёт уменьшения штамповочных уклонов и позволяет снизить припуски на механическую обработку (на 30—40%) за счёт лучшего обжатия металла в штампах и повышения точности формы заготовки.

Лучшие результаты получаются, когда сочетаются штамповка на ковочных прессах с высадкой фланца на ГКМ. Горячештамповочные заготовки коленчатых валов изготовляются по 8—9-му классам точности.

Заготовки чугунных коленчатых валов получают литьём в земляную или оболочковую форму. При литье валов коренные и шатунные шейки изготавливают полыми за счёт установки литейных стержней. У крупных литых валов делают полыми и щёки, что снижает вес вала.

При отливке в земляную форму в качестве связующего используют жидкое стекло, которое скрепляет форму при продувке её углекислым газом.

Более прогрессивным методом изготовления заготовки коленчатых валов является литьё высокопрочного глобулярного чугуна (sв =61кГ/мм2 и НВ 185—255) в оболочковые формы.

Литьё в оболочковые формы обеспечивает высокий коэффициент использования металла, высокое качество отливки, точность до 5-го класса и чистоту до 4-го класса по ГОСТ 2789—59. Высокая точность отливки позволяет сократить трудоёмкость механической обработки (на 20—25%) за счёт уменьшения припусков.

Литые валы лучше обрабатываются, менее чувствительны к концентрации внутренних напряжений и имеют меньшую начальную неуравновешенность, что облегчает условия эксплуатации станков и инструментов.

В условиях крупносерийного и массового производства изготовления оболочковых форм на основе термореактивных смол может быть организовано по полуавтоматическому или автоматическому циклу, а литьё деталей в оболочковые формы производится на конвейере.

Эти особенности оболочкового литья позволяют сократить технологический цикл изготовления заготовок коленчатых валов, потребность в площадях заготовительных цехов, а также потребность в формовочных материалах в 10—15 раз.

Литые заготовки коленчатых валов подвергают термообработке (нормализация, обжиг) с целью снятия внутренних напряжений и выравнивания структуры. После термообработки литой вал правят в горячем состоянии.

Отливки коленчатых валов характеризуются следующими данными; припуски по диаметру шеек 3,0—3,5 мм; смещение отливки по линии разъёма формы 0,2—0,4 мм; припуски по торцам со стороны шеек 1,5—2,0 мм; овальность шеек 0,5—1,0 мм; кривизна вала 1,0—1,5 мм.

Механическая обработка коленчатых валов.

Как правило, после обработки технологической базы в виде центровых отверстий обработку вала ведут с дополнительной опорой в средней его части.

Кроме того, снятие припуска при механической обработке разбивается на ряд операций (черновая, получистовая, чистовая, доводочная), что позволяет снижать усилия резания, а следовательно, и упругие отжатия по мере приближения размеров заготовки к заданным размерам по чертежу вала.

Существенное влияние на конечный результат обработки коленчатого вала оказывает установление надлежащего порядка обработки поверхностей. Более ответственные и точные поверхности должны обрабатываться последними со снятием минимальных припусков. Точность механической обработки повышается за счёт холодной правки вала в процессе механической обработки.

Сложность конструкций коленчатых валов и большое количество разнообразных технологических операций являются значительным затруднением в направлении полной автоматизации процессов механической обработки.

В связи с этим автоматизация изготовления коленчатых валов осуществляется за счёт создания отдельных автоматических участков и высокопроизводительных автоматических станков для отдельных видов обработки: подрезка торцов и центровка, токарная обработка коренных и шатунных шеек, сверление отверстий, шлифование, суперфиниширование, динамическое балансирование.

Источник: http://MirZnanii.com/a/193164/tekhnologicheskiy-protsess-izgotovleniya-kolenchatogo-vala

Материалы для изготовления коленчатых и прокатных валов

Литые коленчатые валы имеют преимущества по сравнению с валами из кованой стали. Они обеспечивают экономию металла, снижение трудо­емкости, сокращение технологического цикла. Большие возможности имеются в отношении совершенствования конструкции литого вала.

Сплавы, применяемые для коленчатых валов, можно разделить на содержащие в своей структуре графит (чугуны, графитизированная сталь) и не содержащие графит (углеродистая и легированная стали). Сплавы первой группы более износостойки. Поточность производствен­ного процесса легче осуществлять при изготовлении чугунных валов.

Перлитный ковкий чугун как материал для изготовления коленча­тых валов, занимает в зарубежном производстве второе место после стали.

Это объясняется, в частности, ускоренным отжигом ковкого чугуна за счет добавки к жидкому чугуну висмута и бора.

Для прокатных валов и тормозных барабанов чугун с шаровидным графитом не имеет больших преимуществ перед другими чугунами вследствие пониженной тепло­проводности.

Если за «1» принять стоимость вала, изготовленного из высококаче­ственного чугуна с пластинчатым графитом без термообработки, то стои­мость вала из перлитного ковкого чугуна будет 2,5…3,0; из чугуна с ша­ровидным графитом без термообработки — 1,25, а с термообработкой — 1,5; из углеродистой стали — 2,5; из легированной хромистой стали — 2,8; из графитизированной стали — 3,0…3,3; из низкоуглеродистой легиро­ванной стали с нитроцементацией-2,9…3,2.

Схемы установок для испытаний на гидроабразивный износ:

а — машина ПВ-12М: 1 — электродвигатель; 2 -диск ротора; 3 — конический бак; 4 — винтовой механизм; б — машина УГИ-8М с зажимными дисками: 1 — электродвигатель мощностью 1,5 кВт; 2 — защитный диск; 3 — зажимной диск; 4 — резиновый диск; 5 — диск с образцами; б — стягивающие болты; 7 — втулки для крепления образцов; 8 — испытываемые образцы; 9 — гидроабразивная эмульсия (смесь воды с песком)

Углеродистая сталь уступает чугунам с шаровидным графитом:

• при почти одинаковых механических свойствах стали и чугуна плавка и разливка чугуна проще;
• в чугунах образуется меньше трещин;
• износостойкость валов, изготовленных из чугуна без термообра­ботки, не ниже, чем валов из углеродистой стали, шейки которых закале­ны ТВЧ.

Графитизированная сталь, в структуре которой имеются включения графита, по свойствам близка к чугуну с шаровидным графитом, обладая, однако, более высокими механическими свойствами.

Из модифициро­ванных чугунов с пластинчатым графитом, имеющих меньший модуль упругости, можно изготовлять коленчатые валы, менее чувствительные к нарушению правильности осевой линии, чем стальные валы.

Этим чугу­нам свойственны высокие динамические характеристики материала.

Чугун с шаровидным графитом и металлической основой из пла­стинчатого или зернистого перлита — наиболее распространенный мате­риал для изготовления коленчатых валов двигателей автомобилей, трак­торов, комбайнов, тепловозов и др.

Основной операцией термообработки коленчатых валов является старение.

Многообразие условий работы пар трения и явления фрикционной анизотропии затрудняют выбор оптимальных износостойких структур и литейных сплавов, обеспечивающих надежную и длительную работу де­талям машин и механизмов.

Однако теоретические и экспериментальные работы, выполненные в Беларуси и за рубежом, позволяют обосновать общие рекомендации по выбору износостойких материалов для ряда де­талей и конкретных случаев эксплуатации и разработать более износо­стойкие изделия.

Металлическая матрица в чугунах должна быть прочным основани­ем для твердых карбидов, предотвращающим их микроскопическое вы­крашивание и растрескивание при абразивном изнашивании в процессе эксплуатации литых заготовок.

Наличие в мартенситной структуре до 15 % аустенита не снижает износостойкость.

Отливки из белого чугуна с аустенитной или мартенситной структурой металлической основы обла­дают высокой абразивной износостойкостью, плохо обрабатываются реза­нием, особенно при наличии карбидов; они имеют низкую пластичность.

Высокой износостойкостью при сухом трении обладают чугуны ЧГ6СЗШ, ЧГ7Х4, ЧХ28Д2, ЧН19ХЗШ, ЧЮ22Ш и др., выпускаемые для отливок со специальными свойствами в соответствии с требованиями ГОСТ 7769-82.

В отливках из легированного чугуна с шаровидным гра­фитом включения его должны быть шаровидной формы. Допускаются включения пластинчатой и вермикулярной формы — не более 20 % от общего количества.

Высокохромистые чугуны ЧХ22С, ЧХ23Н и 4Х28Д2 подвергают термической обработке для снятия внутренних напряжений в отливках.

Литые детали для работы при ударно-абразивном и гидроабразивном износе. Такие детали изготовляют из экономнолегированных питейных углеродистых и марганцовистых сталей и хромистого чугуна ЧХ16М2.

Это износостойкие литые детали гидромашин, перекачиваю­щих абразивные смеси; футеровки дробилок, катки и другие детали угле- и рудоразмольных мельниц; ковши пескометов; склизы, течки и лопатки дробеметных импеллеров; менее ответственные детали из низколегиро­ванных чугунов и сталей, подвергаемых нормализации по режимам, при­веденным в таблице.

Высокую ударную вязкость (не менее 2 Дж/см2) имеют чугуны ЧНП20Д2Ш и ЧН19ХЗШ, используемые для изготовления деталей насосов, гидротурбин, выпускных коллекторов. У экономнолегированных стапей 30XMЛ и 30XHMЛ она более 30 Дж/см2.

Для выплавки экономно- легированных молибденом и никелем литейных сталей на БМЗ используются совмещенная технология плавки, включающая загрузку в 100-тонные печи ДСПБ-1200 никельсодержащих (ГИАП-16) и алюмомо- нибденкобальтовых (АКМ) катализаторов в смеси с известняком с после­дующей загрузкой на них металлосодержащих компонентов шихты.

Совмещенная технология выплавки стали типа 30XHMЛ обеспечивает требуемый уровень легирования никелем и молибденом при достаточно высокой степени их усвоения (78 и 89 % соответственно). Легирование углеродистой стали никелем и молибденом обеспечивает требуе­мую хладостойкость сталей в отливках большегрузных автомобилей «БелАЗ».

Химические составы и свойства углеродистых сталей

Содержание элементов, %	Механические свойства отливок
Сталь	Si	Мп	Сг	Ni	Мо	а„, МПа	8,%	KCU, Дж/см2
С	+20 °С	-20 °С
40Л	0,37…0,45	0,2…0,52	0,4…0,9	Менее0,3	Менее0,3	Более530	Более14	Более29	Не рег- ламен- тиру- ется
35XM	0,3…0,4	0,2…0,4	0,4…0,9	0,8…1,1	Менее0,3	0,2…0,3	Более600	Более12	Более30	ft
Применяемая на машине М200 фирмы «Юнит Риг»	0,35	0,28	1,33	0,20	0,5…2,0	0,2…0,5	600…800	10…20	30…50	8,0…20
ОпытнаяЗОХНМЛ	0,3	0,35…0,45	0,5…0,6	0,5…0,7	1,3…1,5	0,3…0,4	690…790	12…20	30…45	7,0…20
75ХНМФЛ*	0,75	0,3	0,52	0,8	0,96	0,5	Более720	Более12	Более25	7,0…15

Фазовый состав хромомарганцевоникелевых сталей

Сталь	Фазовый состав, %	Параметр а*, нм	(Да / а)-103, рад	Микротвердость Н
5-феррит	У	ОЦК**	ГЦК*’	ОЦК”	ГЦК”	5-феррит	Y
05Х18Г2Н5Т	62	7	31	0,2868	0,3591	9,3	4,8	261	332	—
05Х18Г2Н5АТ	—	Следы	100	—	0,3594	—	5,0	—	—	304
05Х18Г10Н5МЗФ	—	32	68	—	0,3602	4,6	3,5	277	—	293
05Х18Г10Н5МЗАФ	—	6	94	—	0,3612	—	3,1	282	—	263

Параметр решетки.

* ОЦК, ГЦК — фазы кристаллической решетки.

Распределение фаз и легирующих элементов в Cr-Mn-Ni-сталях

Состояниеметалла	СодФ	ержаниеаз, %	Содержание легирующих элементов в фазах, %
Сталь	мар­	5-	Мп	Сг	Ni	Ti, Мо
тен­сит	фер-рит	у-фаза	5	У	К*	5	У	К*	5	У	К*	5	У	К*
05Х18Г2Н5Т	Деформи­рованный	71	7	22	1,08	2,1	1,15	20,0	16,0	1,25	4,4	7,2	1,65	0,20	0,20	1,0
Литой(центр)	62	7	31	1,75	2,1	1,20	21,0	15,0	1,35	3,7	7,9	2,20	0,20	0,20	1,0
05Х18Г2Н5АТ	Деформи­рованный	—	—	100	—	2,2	—	—	16,0	—	—	8,9	—	—	0,15	—
Литой(центр)	—	Сле­ды	100	1,90	2,5	1,30	18,0	14,0	1,30	3,0	8,1	2,70	0,15	0,15	1,0
05Х18Г10Н5МЗФ	Деформи­рованный	—	32	68	7,90	9,2	1,15	21,0	17,0	1,25	3,8	6,2	1,65	3,60	2,25	1,60
Литой(центр)	—	32	68	8,0	9,3	1,15	21,0	17,0	1,25	3,5	6,3	1,80	3,80	2,20	1,75
05Х18Г10Н5МЗАФ	Деформи­рованный	—	8	92	8,0	9,2	1,15	19,0	17,0	1,15	4,2	6,8	1,60	4,00	2,50	1,60
Литой(центр)	—	6	94	7,0	9,5	1,35	19,0	16,0	1,20	4,2	9,3	2,20	3,90	2,30	1,70

* К — коэффициент распределения легирующего элемента: К

Cmax I Cmin, ГДе Стах И

Cmin — максимальное иминимальное содержание элемента соответственно.

Состав шихты при выплавке углеродистых сталей

Материалы шихты	Масса, кг
Сталь 40Л	Сталь ЗОХНМЛ
Возврат литейного производства	1600…2500	2000
Пакеты стальные	3500…4500	4165
Ферромарганец	40…70	60
Ферросилиций	30…70	40
Феррохром	70…80	75
Катализаторы АКМ	—	200
Катализаторы ГИАП-16	—	500

Изменение химического состава стали ЗОХНМЛ в процессе плавки

Период плавки стали ЗОХНМЛ	Содержание легирующих элементов, %	Усвоение, %
Ni	Мо	Ni	Мо
Расплавление шихты	0,9	0,25	50	64
Раскисление	1,4	0,32	77	82
В готовой стали	1,41	0,35	78	89

При больших нагрузках, высоких скоростях и корродирующем ох­лаждении плиты направляющих, а также подушек в прокатных клетях и агломерационных установках, интенсивный износ снижает точность и качество прокатки, приводит к простоям установок и высоким расходам на ремонт.

Фирма «CORTS» широко в мире заменяет неупрочненные, с упроч­ненной поверхностью и цементируемые изнашиваемые плиты и планки другими плитами и планками из специальной стали марок «CORTS-g» и «CORTS-g-Stainless». Такие плиты и планки обеспечивают более высо­кую надежность и долговечность работы прокатного и агломерационного оборудования.

Выбор оптимальных технологических способов повышения износо- стойкости и предотвращения образования повреждений на рабочих поверхностях пар трения зависит не только от условий их контактирования, но и от химсостава и структуры используемых металлов и сплавов. К важным факторам, определяющим сопротивление металлических сплавов изнашиванию, являются свойства, взаимное расположение, количественное соотношение и характер связи отдельных составляющих структуры.

Известно, что двухфазные хромомарганцевые стали типа «микродуплекс» с мелким зерном (до 5 мкм) имеют недостаточно высо­кую пластичность, особенно при температурах около 850…900 °С. Эти стали склонны к хрупкому разрушению и обладают низкой термостойкокостью.

Характеристики структуры и свойств ряда двухфазных сталей по результатам исследований приведены в

Для изготовления износостойких деталей разработаны  литей­ные сверхпластичные стали и Fe-Cr-Mn-Al-Ti-N-C-сплавы с карбонит- ридным упрочнением.

В металлургической промышленности освоены Fe-Cr-Ni-Ti-C-стали (например, сталь 08Х17Н61), (DU 21) — для деталей оснастки, и безни- никелевые стали для производства холоднокатанного листа по ГОСТ 5632- 72.

Предложена также сложнолегированная хромоникельалюминиевая сталь с повышенными упругопластическими свойства­ми и низким содержанием никеля.

Износостойкие сплавы на основе Ni3Al являются типичными полу-хрупкими материалами. Повысить их механические свойства можно посредством легирования такими элементами, как молибден, тантал, медь.

Сложнолегированные сплавы на основе Ni3Al могут быть использованы в качестве конструкционных для работы при повышенных температурах.

Однако данные по трещиностойкости не только сложных сплавов, но и просто легированного Ni3Al отсутствуют.

Источник: http://chiefengineer.ru/tehnicheskie-discipliny/materialovedenie/materialy-dlya-izgotovleniya-kolenchatyh-i-prokatnyh-valov/

Коленчатый вал ДВС

Коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания, он же коленвал — это однородная деталь (если состоит она из нескольких частей, то это составной вал) сложной формы в виде стержня с коленами, функция которой является преобразование возвратно-поступательного движения в крутящее.

Содержание статьи:

Металл коленвала

Коленчатый вал ДВС воспринимает большие нагрузки, поэтому он изготавливается с большим запасом прочности. Материалы для изготовления коленвала следующие:

• углеродистая сталь;
• хромомарганцевая сталь;
• хромоникельмолибденовая сталь;
• высокопрочный чугун.

Марки стали состава коленвала в порядке распространенности:

1. Сталь 45. Означает, что в сплаве металла содержится от 0,42 до 0,5 % углерода (С).
2. Сталь 45Х. Это конструкционный легированный сплав, в котором содержится хром в количестве 1%. Из справочников по ГОСТу хрома содержится в этой марке от 0,8 до 1,1 %.
3. Сталь 45Г2.

   Буква Г в шифре стали означает, что содержится марганец (Mn) в количестве 2%.

4. Сталь 50Г. Этот шифр обозначает, что это марганцевая сталь с содержанием 1% марганца (Mn) и 0,5% углерода (С).

Если в шифре сплава металла содержится более, чем 2,14% углерода (С), то — это чугун.

Марки стали коленвалов дизельных двигателей:

1. Сталь 40ХНМА.
2. Сталь 18ХНВА.

Элементы коленвала

Коленчатый вал (коленвал) ДВС состоит из:

1. Коренная шейка.
2. Шатунная шейка.
3. Щёки.
4. Передняя выходная часть вала или, по-другому — носок.
5. Задняя выходная часть вала, или, по-другому — хвостовик.
6. Противовесы.

Коренная шейка вала коленчатого вала — это специальное посадочное место для коренного подшипника, на котором сидит и вращается коленвал.

Обозначения рисунка «Коленчатый вал ДВС»:

1. Фланец маховика.
2. Противовесы.
3. Шатунные шейки.
4. Коренные шейки.
5. Щека.
6. Отверстия подвода масла к шейкам.
7. Противовесы.
8. Коренная шейка упорного подшипника.
9. Посадочное место звездочки (шестерни) привода распределительного вала.
10. Носок коленчатого вала.

В строении коленвала ДВС имеются коренные шейки, соединяющиеся с шатунныйми шейками посредством щёк. Помимо соединительной функции щек, они еще являются балансирами кривошипно-шатунного механизма, то есть выравнивают вес поршней и шатунов. Благодаря сбалансированному вращению коленвалу, двигатель работает плавно, без рывков.

На коренные и шатунные шейки надеваются подшипники скольжения, называемые вкладышами. Вкладыши тонкостенные располовинчатые из стальной ленты с антифрикционным слоем (то есть, устойчивым к трению).

Шатунная шейка является опорой для шатуна. Самой большой нагрузке в строении коленвала ДВС подвергаются места перехода от шеек к щекам.

Чтобы весь коленчатый вал двигателя не перемещался по оси, не имел осевой люфт, используется упорный подшипник скольжения. Подшипник скольжения удерживающий от перемещения по оси коленвала устанавливается на крайней или средней коренных шейках.

Задняя часть коленвала — это хвостовик, обеспечивающий передачу крутящего момента маховику, который закрепляется на хвостовике, а маховик, в свою очередь, передает вращение на коробку переключения передач.

Передняя часть коленвала — это носок. На носке монтируются такие детали:

На носке также монтируется, так называемый гаситель крутящих колебаний. Так как коленвал ДВС постоянно испытывает огромные нагрузки на кручение и излом, на носке необходимо подавлять вибрацию (колебания).

Гаситель вибраций коленвала состоит из двух дисков и растягивающегося элемента (резина, силикон, масляная жидкость, пружина). Вибрация на носке вала уменьшается благодаря гасителю крутильных колебаний.

Назначение коленвала

Во всех сложно-технических устройствах происходит возникновение одной одного вида энергии, которая кинематическими схемами преобразуется в другую, например, вращательное — в поступательное, и т.д.

В двигателе ДВС коленчатый вал — это сердце двигателя. Принцип работы коленвала следующий: когда поршень удалился на самое максимальное расстояние — щёки и шатун вытягиваются в одну линию.

Далее, в рабочей камере сгорания цилиндра происходит взрыв топливно-воздушной смеси, из-за чего поршень опускается вниз с шатуном. Основание шатуна проворачивается вокруг оси шатунной шейки коленвала, так как шатун сидит на ней.

После достижения поворота на 180 градусов, шатун начинает движение вверх и поднимает поршень. Таким образом происходит цикл вращения деталей цилиндро-поршневой группы.

Максимально удаленное и максимально приближенное расстояния от коленвала до поршней называются мертвыми точками, в мертвых точках скорость движения равна нолю.

Обработка коленвала

Коленвалы ДВС в процессе изготовления подвергаются механической и химико-термической обработкам. Так как коленчатый вал двигателей — это сложное устройство с высокой точностью, оно делается с высокими квалитетами только на заводах. Механобработка вала, в основном, понятна многим — это изменение формы по заданным параметрам.

Химическая обработка коленвалов — это закалка током высокой частоты (ТВЧ), азотирование, закалка поверхностного слоя. Изношенные азотированные валы не шлифуют, они подлежат замене. Благодаря всем этим хим и термическим обработкам повышается прочность и износоустойчивость.

Источник: https://autostuk.ru/kolenchatyj-val-dvs.html

Коленчатый вал это перегнутый много раз стержень и всунутый в блок

Когда я учился в автошколе, преподаватель в начале занятия, отправлял какого-нибудь «незнайку» к стеллажам, чтобы тот нашёл и принес изучаемую деталь. Независимо от названия детали, чтобы «помочь» незадачливому ученику, все показывали на него и конечно коленчатый вал это был.

То есть первая деталь, которую все научились узнавать с первого раза, был именно он коленчатый вал.

Вот и мы сегодня поговорим о назначении и конструктивных особенностях коленчатого вала, а также о материалах из которых его делают.

Назначение коленчатого вала

Коленчатый вал это, одна из важных деталей двигателя. Он преобразует поступательное движение поршня во вращательное, которое через трансмиссию передается к колесам.

Поршни через шатуны отдают механическую энергию на шейку коленвала, в результате поступательное движение преобразуется во вращательное. Как только вал поворачивается на 180˚, шатун начинает двигаться в обратном направлении, возвращая поршень в исходную позицию ‒ цикл повторяется.

Коленчатый вал это конструкция, короче много раз изогнутая железяка

Коленвал представляет собой расположенные на одной оси коренные шейки, соединенные щеками и шатунные шейки, количество которых определяется числом цилиндров. При помощи шатунов шейки коленвала соединены с поршнями.

В зависимости от того как расположены коренные шейки, коленвал бывает:

• полноопорный – если коренные шейки располагаются по обе стороны от шатунной шейки;
• неполноопорный – если коренные шейки располагаются только с одной стороны от шатунной шейки.

Большинство современных автомобильных двигателей оснащены полноопорными коленчатыми валами.

Основные элементы КВ

К основным элементам относятся:

• Коренная шейка – это главная часть узла, которая находится на коренных подшипниках (вкладышах), расположенных в картере;
• Шатунная шейка – соединяет коленчатый вал с шатунами. Смазываются шатунные механизмы через специальные масляные каналы. Шатунные шейки смещены в стороны;
• Щеки коленвала – соединяют коренные и шатунные шейки;
• Противовесы – уравновешивают вес поршней и шатунов;
• Передняя, фронтальная часть или носок – элемент механизма, оснащенный зубчатым колесом (шкивом) и шестерней, а в отдельных случаях еще и гасителем колебаний. Он контролирует мощность привода газораспределительного механизма (ГРМ) и других устройств;
• Задняя часть (хвостовик) – элемент механизма, соединенный с маховиком с помощью маслоотражающего гребня и маслосгонной резьбы, выполняет отбор мощности.

Тыльная и фронтальная стороны коленчатого вала уплотняются защитными сальниками, которые не допускают протекания масла в местах, где маховик выходит за пределы блока цилиндров.

Движение коленвала гарантируют подшипники скольжения, которые представляют собой тончайшие стальные вкладыши, со специальным антифрикционным слоем. Чтобы не допустить осевое смещение, существует упорный подшипник, устанавливаемый на коренную шейку (крайнюю или среднюю).

Материалы для изготовления

Коленчатый вал это трудяга, который подвергается действию сильных, быстроизменяющихся нагрузок. Показатели его надёжности определяются конструктивными особенностями и материалами, из которого он сделан.

У этого элемента двигателя, обычно, цельная структура. Так что материалы для его изготовления должны использоваться максимально прочные, потому что от этого зависит стабильная работа системы. Лучшие материалы ‒ углеродистая и легированная сталь и высокопрочный чугун.

Коленчатые валы изготавливают методом литья, ковки из стали, а затем их вытачивают. Заготовки производят горячей штамповкой или литьем.

Материал и технология производства зависит от класса и типа автомобиля.

1. Для серийных моделей коленвалы производятся методом литья из чугуна. Это уменьшает себестоимость.
2. Для дорогих спортивных моделей берут кованные стальные коленвалы. Такой вариант обладает рядом преимуществ по размерам, весу и показателям прочности, и все чаще используются в автомобилестроении.
3. Для супердорогих двигателей изделие вытачивается из цельных стальных болванок. При этом приличная часть материала остается в отходах.

Конструктивные особенности

Теперь вы знаете, что кроме серийных, есть и спортивные коленвалы. Они дают возможность ускорить ход поршня в крайней точке сжатия, благодаря специальной форме шатунных шеек. У стандартного вала они круглые, а у спортивного ‒ немного вытянутые, за счет этого характеристики двигателя изменяются.

Поздравляю вас, господа. Теперь вы в курсе, что коленчатый вал это не только тяжелая железяка, но и незаменимая деталь, от которой зависит комфортная езда, ресурс двигателя и его узлов.

А ещё она обеспечивает многие устройств автомобиля крутящим моментом: трансмиссию, генератор, карданы, и так далее до колес.

И до скорой встречи.

Источник: https://auto-ru.ru/kolenchatyj-val.html

Из чего состоит коленчатый вал?

Коленчатый вал – это важная часть двигателя внутреннего сгорания, потому как он преобразует возвратно-поступательные движения поршней в крутящий момент.

Виды коленвалов

Различают коленвалы с двойными противовесами и без них. Коленвал должен быть износостойким, иметь низкую массу, уравновешен, иметь точную обработку.

Изготавливаются коленчатые валы из высокопрочной легированной стали. Также бывают литые коленвалы из высокопрочного чугуна, которые закаляются токами высокой частоты.

Также бывают полые коленвалы.

Устройство коленчатого вала следующее: щёки, шатунные и коренные шейки, противовесы, хвостовик, фланец.

Опора коленчатого вала – коренные шейки. В классических четырехцилиндровых двигателях коленвалы с пятью опорами. Конструкция из трех опор применяется редко, потому как не такая прочная. Семиопорные валы имеют шестицилиндровые двигатели.

Обычно в блоках цилиндров с небольшим диаметром цилиндра применяют коленвалы с одинарным противовесом. Во время изготовления и ремонта поверхность коренных и шатунных шеек тщательно полируется.

Как работает коленчатый вал?

На коленвал воздействуют изгибающие и скручивающие силы в процессе работы. Чтобы не было преждевременного разрушения сопряжение между шатунными шейками и щеками делают слегка закругленным. Если двигатель работает нормально, то коренные и шатунные шейки коленчатого вала постепенно изнашиваются, как и при скольжении подшипников.

Создается тонкая масляная пленка, благодаря подачи масла под давлением. Через некоторое время зазор между вкладышем и шейкой станет больше, уменьшится давление и снизится качество масляной пленки.

Износ увеличивается, шейка с большим усилием задевает вкладыш, давление уменьшается снова и теперь работа невозможна, потому что из-за излишнего трения повышается температура, шейка сцепляется с вкладышем и он проворачивается.

Чем меньше зазор, тем деформация больше. В зависимости от конструкции двигателя на хвостовик коленвала устанавливается шкив, демпфер крутильных колебаний, звёздочка привода распредвала, вспомогательных и балансирных валов.

Источник: https://v-mireauto.ru/iz-chego-sostoit-kolenchatyj-val/

Коленчатый вал

Коленчатый вал представляет собой деталь сложной конфигурации или узел деталей, характерный для составного вала, оснащается консолями для фиксирования шатунов, служащих для передачи плоско-поступательного движения коленчатому валу, который трансформирует это движение во вращательное, передавая вращение трансмиссии и приводным приспособлениям. Коленчатый вал является составным элементом кривошипно-шатунного механизма.

Конструкция коленчатого вала представляет собой относительно нежесткую деталь, на которую приходятся достаточно большие изменчивые нагрузки, во время работы на него действуют силы кручения и он подвергается изгибу.

Коленчатый вал состоит из: коренных шеек; шатунных шеек; щеки; передней выходной части вала — носка; задней выходной части вала — хвостовика; противовесов. Коренные шейки являются опорами вала, которые находятся в коренных подшипниках, установленных в картере двигателя.

Шатунные шейки — опоры вала, направленные на соединение с шатунами. Щечки выполняют функцию соединения коренных и шатунных шеек.

Передняя выходная часть вала определяется как часть для крепления шестерни или шкива отбора мощности для привода газораспределительного устройства и всевозможных дополнительных участков, систем и приспособлений.

Задняя выходная часть вала служит для объединения с маховиком или массивной шестерней отбора ключевого количества мощности.

Противовесы предназначены для создания разгрузки коренных подшипников относительно центробежных сил инерции первого порядка неуравновешенных масс кривошипа и нижнего компонента шатуна.

Коленчатый вал устанавливается таким образом, чтобы опираться коренными шейками на коренные опоры картера двигателя, шатунные шейки фиксируются вместе с нижними головками шатунов. Коренные и шатунные шейки присоединяются при помощи щечек, которые организуют кривошипы вала.

Неуравновешенные массы образуют центробежные силы на подшипниках вала, для их разгрузки предназначены противовесы.

В передней части вала предусмотрен сальник для уплотнения, при этом держателем сальника является корпус масляного насоса.

Передняя часть вала оснащается зубчатым шкивом привода топливного насоса высокого давления и распределительного механизма двигателя и шкивом ременной передачи для привода генератора, водяного насоса и различных устройств и систем автомобиля.

Сальником обеспечивается и задний конец вала, этот сальник фиксируется при помощи специального держателя. На задней стороне коленчатого вала имеется фланец, предназначенный для крепления диска привода, что характерно для моделей автомобилей, оснащенных автоматической коробкой передач, или маховика.

Для произведения ремонтных работ коленчатого вала необходимо перешлифовать коренные, шатунные шейки относительно следующего ремонтного размера.

После проведения ремонтных работ коленчатый вал должен устанавливаться с маховиком и сцеплением, которые имелись до ремонта, при этом в обязательном порядке производится балансировка коленчатого вала со сцеплением.

В случае дисбаланса создаются углубления в маховике посредством высверливания.

Точность диаметральных габаритов коренных и шатунных шеек варьируется относительно 1—2 классов, при этом чистота поверхности определяется 8—10 классами и выше; допускаются отклонения на овальность и конусность, которые для автомобильных двигателей соответствуют отрезку от 0,010 до 0,005 мм.

Расхождение в параллельности осей коренных и шатунных шеек не превышает 0,01 мм по всей длине каждой шатунной шейки; радиус кривошипа может иметь допуски в 0,05—0,15 мм.

Если отклонения радиусов кривошипов и угловых развала слишком велики, то образуется неравномерная степень сжатия в разных цилиндрах и относительно сдвига фаз распределения, что неблагоприятно отражается на работе двигателей.

Для подшипников скольжения коленчатые валы должны обладать высокими требованиями к поверхности шеек, усиленной износостойкостью и усталостной прочностью.

Маркировка должна наноситься на передней щечке вала, верхние цифры соответствуют классам шатунных шеек с первой по шестую, при рассмотрении поочередно слева направо, нижние цифры являются классами коренных шеек с первой по седьмую слева направо. Также маркировка может задаваться с номинальным значением диаметра, с диаметрами ремонтного размера с установленным снижением.

Коленчатый вал отслеживается по 80—90 позициям, например размер, форма, относительное положение контролируемых поверхностей вала, параллельность оси шеек, положение шатунных шеек относительно коренных, угловое положение шатунных шеек относительно друг к другу, угловое положение шпоночной канавки относительно кривошипов, положение торца фланца относительно оси коренных шеек и др. Для трудоемкого и непростого процесса контроля используются специальные многомерные индикаторные, пневматические, электронные измерительные приспособления.

Стальные коленчатые валы среднего размера, предназначенные для крупносерийного и массового производства, создаются с помощью ковки в закрытых штампах на молотах и прессах, весь процесс изготовления заготовки реализуется несколькими операциями. Производится предварительная и окончательная ковка в штампах, а далее переходят к обрезке облоя с помощью обрезного пресса, к горячей правке в штампе под молотом.

Пройдя штамповку, коленчатые валы подвергаются термообработке, нормализации, очистке от окалины при помощи травления или обработке с помощью дробеметной машины. На механическую обработку шеек допускаются припуски в 3—4 мм на сторону со штамповочными уклонами 7—10°. Точность заготовок определяется 8—9 классом.

Допустимая кривизна в плоскости разъема штампов для автомобильного коленчатого вала составляет менее 1,5—1 мм, смещение от сдвига штампов разрешается не более 2 мм.

Литые заготовки коленчатых валов производятся из высокопрочного чугуна, модифицированного магнием, для изготовления применяется способ прецизионного литья, т. е.

Припуск на обработку должен быть менее 2,5 мм на сторону отклонения, соответствующего 5—8 классу точности. Снижение колебания припуска и начальной неуравновешенности способствует лучшему качеству при эксплуатации.

Отлив в оболочковых формах осуществляется в горизонтальном положении: в случае, когда в одной форме необходимо произвести отлив двух валов, заливка металла создается с помощью общего литника.

Правка валов создается как следующий шаг после нормализации в горячем состоянии в штампе, на прессе после извлечения из печи, не прибегая к повторному подогреву.

Небольшая жесткость вала для некоторых этапов обработки, производимых в центре, заставляет создавать вспомогательные базы, которыми являются наружные поверхности предварительно обработанных шеек.

Для обработки шатунных шеек, по техническим условиям обязанных иметь угловую координацию, выбирается опорная технологическая база в виде специально фрезерованной площадки на щеках.

В результате действия сил резания возникает деформация коленчатого вала, поэтому необходимо произвести достаточно большое количество раз, примерно от 3 до 9, правку коленчатого вала с помощью пресса. Однако правка способна образовать внутренние напряжения, приводящие к последующей деформации вала, что также является нежелательным воздействием.

Технологические опорные базы представляются в качестве фрезерованных площадок на щеках коленчатого вала и обрабатываются до и после предварительной обработки.

Также необходимо произвести токарную обработку коренных и шатунных шеек, коренные шейки обрабатываются на обычных токарных станках, затем они берутся как технологические базы для обработки шатунных шеек и остальных поверхностей.

Обработку коренных шеек многоколенных валов осуществляют специализированными станками, оснащенными центральным или двусторонним приводом для снижения скручивающего и изгибающего моментов. Затем производится отделка смазочных каналов и внутренних плоскостей, далее необходимо отшлифовать шейки коленчатого вала.

Балансировка при массовом производстве создается при помощи автоматических балансировочных станков или автоматических линий.

Кстати, качественные фланцы смотрите здесь. Рекомендуем, проверенный производитель.

Источник: https://enciklopediya-tehniki.ru/promyshlennost-na-k/kolenchatyy-val.html