Коленвал чугунный или стальной
В статье рассматривается конструкция коленчатого вала, принцип работы, а также проводится анализ основных материалов, 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.
Коленвал двс-2
Взят коленчатый вал от легаси турбо 2.0, обычный, шейки по диаметрам в допуске. Для лучшего взаимодействия со вкладышами отполировал шейки.
Е сли кто-то растеряно настораживается при слове например "цветное колено" то, ниже можо узнать из чего делают и как термообрабатывают коленвалы…
"…Для изготовления коленчатых валов применяются стали 45, 45А, 40Х, 20Г2 и 50Г. В дизелях, работающих с давлением наддува 1,5 кГ/см2, для коленчатых валов используют высоколегированные стали 18ХНМА, 18ХНВА и 40ХНМА с повышенными пределами текучести и прочности.
Обычно коленчатые валы изготовляют ковкой. Применяют литые коленчатые валы из высокопрочного чугуна, модифицированного магнием, перлитного ковкого чугуна, легированного никельмолибденового чугуна.
Наибольшее применение для литых коленчатых валов получил высокопрочный ВЧ 50-1,5 (НВ 187—255) и перлитовый чугун. Литые коленчатые валы имеют следующие преимущества по сравнению с коваными: меньший расход металла, сокращение числа операций при механической обработке, возможность придания оптимальных форм в отношении распределения металла и повышения усталостной прочности. Литые коленчатые валы из чугуна обладают лучшей способностью гашения крутильных колебаний.
Литые чугунные валы обладают меньшей прочностью (особенно на изгиб), чем штампованные стальные валы. Поэтому у чугунных валов увеличивают диаметры шатунных и коренных шеек, толщину щек и радиусы галтелей. Чугунные коленчатые валы изготовляют полноопорными. Масса обработанного литого коленчатого вала на 10—15% меньше массы кованого. После ковки коленчатые валы отжигают или нормализуют для снятия внутренних напряжений и понижения твердости до НВ 163—269, чтобы облегчить механическую обработку. После
механической обработки коленчатые валы перед шлифованием подвергают вторичной термической обработке (закалка и отпуск), что значительно улучшает их механические свойства и повышает поверхностную твердость шеек. Обычно вторичная термическая обработка производится с нагревом т. в. ч. (токами высокой частоты).
Глубина закаленного слоя должна быть не менее 3—4 мм., чтобы после перешлифования шеек коленчатого вала под ремонтные размеры толщина закаленного слоя была не менее 1 мм. Твердость шеек коленчатого вала из стали 50Г HRC 52—62, а из стали 45Г2 — HRC 48—50."
Методы упрочнения.
Для повышения прочности коленчатого вала применяют следующие упрочняющие процессы:
1. Азотирование — предел выносливости при изгибе (для хромомолибденовой стали) повышается на 25—60%, а при кручении — на 30—40%; проведение механической обработки после азотирования не рекомендуется, так как при этом значительно снижается усталостная прочность.
2. Местное наклепывание путем накатки роликами галтелей и обжатия краев масляного отверстия стальным шариком — усталостная прочность коленчатых валов при изгибе увеличивается на 40%, а при кручении — на 20%.
3. Обдувка стальной дробью галтелей — предел выносливости при изгибе возрастает до 40%."
Коленчатый вал или просто "колено"
Коленчатый вал — деталь (или узел деталей в случае составного вала) сложной формы, имеющая шейки для крепления шатунов, от которых воспринимает усилия и преобразует их в крутящий момент. Составная часть кривошипно-шатунного механизма (КШМ).
Основные элементы коленчатого вала
Коренная шейка — опора вала, лежащая в коренном подшипнике, размещённом в картере двигателя.
Шатунная шейка — опора, при помощи которой вал связывается с шатунами (для смазки шатунных подшипников имеются масляные каналы).
Щёки — связывают коренные и шатунные шейки.
Передняя выходная часть вала (носок) — часть вала на которой крепится зубчатое колесо или шкив отбора мощности для привода газораспределительного механизма (ГРМ) и различных вспомогательных узлов, систем и агрегатов.
Задняя выходная часть вала (хвостовик) — часть вала соединяющаяся с маховиком или массивной шестернёй отбора основной части мощности.
Противовесы — обеспечивают разгрузку коренных подшипников от центробежных сил инерции первого порядка неуравновешенных масс кривошипа и нижней части шатуна.
Материал и способы получения заготовок для коленчатых валов
Коленчатые валы изготовляют из углеродистых, хромомарганцевых, хромоникельмолибденовых, и других сталей, а также из специальных высокопрочных чугунов. Наибольшее применение находят, стали марок 45, 45Х, 45Г2, 50Г, а для тяжело нагруженных коленчатых валов дизелей — 40ХНМА, 18ХНВА и др.
Заготовки стальных коленчатых валов средних размеров в крупносерийном и массовом производстве изготовляют ковкой 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 облоя на обрезном прессе и горячую правку в штампе под молотом.
В связи с высокими требованиями механической прочности вала большое значение имеет расположение волокон материала при получении заготовки во избежание их перерезания при последующей механической обработке. Для этого применяют штампы со специальными гибочными ручьями. После штамповки перед механической обработкой, заготовки валов подвергают термической обработке — нормализация — и затем очистке от окалины травлением или обработкой на дробеметной машине.
Литые заготовки коленчатых валов изготовляют обычно из высокопрочного чугуна, модифицированного магнием. Полученные методом прецизионного литья (в оболочковых формах) валы по сравнению со «штампованными» имеют ряд преимуществ, в том числе высокий коэффициент использования металла. В литых заготовках можно получить ряд вк.ком/карс.бест внутренних полостей при отливке.
Припуск на обработку шеек чугунных валов составляет не более 2,5 мм на сторону при отклонениях по 5-7-му классам точности. Меньшее колебание припуска и меньшая начальная неуравновешенность благоприятно сказываются на эксплуатации инструмента и «оборудования» особенно в автоматизированном производстве.
Правку валов производят после нормализации в горячем состоянии в штампе на прессе после выемки заготовки из печи без дополнительного подогрева.
Механическая обработка коленчатых валов
Сложность конструктивной формы коленчатого вала, его недостаточная жесткость, высокие требования к точности обрабатываемых поверхностей вызывают особые требования к выбору методов базирования, закрепления и обработки вала, а также последовательности, сочетания операций и выбору оборудования. Основными базами коленчатого вала являются опорные поверхности коренных шеек. Однако далеко не на всех операциях обработки можно использовать их в качестве технологических. Поэтому в некоторых случаях технологическими базами выбирают поверхности центровых отверстий. В связи со сравнительно небольшой жесткостью вала на ряде операций при обработке его в центрах в качестве дополнительных технологических баз используют наружные поверхности предварительно обработанных шеек.
При обработке шатунных шеек, которые в соответствии с требованиями технических условий должны иметь необходимую угловую координацию, опорной технологической базой являются специально фрезерованные площадки на щеках.©
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Основной причиной возникновения трещин у чугунных коленчатых валов дизелей Д100, имеющих низкую усталостную прочность, следует считать длительную работу валов на ступенчатых опорах, в результате чего некоторые коренные шейки вала не опираются на свои подшипники, а как бы провисают над ними. [17]
Их следует учитывать и при контроле чугунных коленчатых валов . [18]
Фактическое значение коэффициента запаса прочности даже новых чугунных коленчатых валов по отдельным шейкам лежит ниже требуемых норм или близко к ним. Как правило, трещины образуются на галтелях сопряжения шейки со щеками кривошипов, затем распространяются на щеку и выходят на противоположную галтель. Трещины и изломы шейки под антивибратор также происходят по галтелям, а начинаются трещины от кромки шпоночного паза. [19]
В табл. 112 приведены значения износа стальных и чугунных коленчатых валов за время 1000-часовой работы двигателя. [20]
В практике восстановления коренных и шатунных шеек чугунных коленчатых валов применяют электродуговую полуавтоматическую наплавку самозащитной проволокой Св - 15ГСТЮЦА в потоке воздуха, разработанную НИИАТом. Поверхность шеек после наплавки не имеет пор, трещин и раковин. [21]
Напыление уверенно внедряется в автомобилестроение: износостойкость чугунных коленчатых валов двигателей автомобиля после нанесения плазменных покрытий возрастает в 1 5 - 4 раза. Плазменное напыление легированных сталей на поршневые кольца тракторных двигателей вместо электролитического хромирования приносит в масштабе народного хозяйства большой экономический эффект. [22]
Вследствие того что гистерезис у чугунов значительно больше, чем у сталей, чугунные коленчатые валы лучше сопротивляются крутильным колебаниям, чем стальные штампованные валы. [23]
Вследствие того, что гистерезис у чугунов значительно больше, чем у сталей, чугунные коленчатые валы лучше сопротивляются крутильным колебаниям, чем стальные штампованные валы. [24]
Однако работы в области легирования и модифицирования чугунов создали необходимые предпосылки для возврата на иной основе к чугунным коленчатым валам для компрессоров и двигателей внутреннего сгорания; существовавшее своеобразное соревнование между чугуном и сталью, длившееся на протяжении около 60 лет, в ряде конструкций окончилось победой чугуна. [25]
В результате проведенных исследований микроструктуры и микротвердости металла, наплавленного на чугунные детали, разработана новая технология восстановления чугунных коленчатых валов автотракторных двигателей автоматической электродуговой наплавкой шеек. [26]
Однако в результате работ в области легирования и модифицирования чугунов в последние 5 - 10 лет вновь началось применение чугунных коленчатых валов для компрессоров и двигателей внутреннего сгорания, и существовавшее своеобразное соревнование между чугуном и сталью, длившееся на протяжении 60 лет, в ряде конструкций окончилось победой чугуна. [27]
Снятие вала по износу шеек, поломка вала и образование трещин, как это видно из приведеных данных табл. ПО, свидетельствует о том, что чугун не обладает достаточной устойчивостью против износа, а образование трещин и поломка вала говорит о низкой усталостной прочности чугунных коленчатых валов . Надо отметить, что поломанные коленчатые валы за исключением одного были изготовлены из хромоникельмолиб-денового чугуна, механические свойства и усталостная прочность которого значительно ниже, чем высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. [28]
Чугунный коленчатый вал , отлитый на заводе Компрессор по методике МВТУ имени Баумана из модифицированного чугуна, показал износ шеек в значительно меньшей степени, чем у аналогичных стальных валов с термически обработанными шейками в тех же условиях эксплуатации. [29]
Стальные коленчатые валы изготовляются ковкой или штамповкой. Чугунные коленчатые валы отливаются из легированного ( Си, Ni, Cr и другими присадками) или модифицированного чугуна. Положительная сторона литых валов состоит в возможности повышения прочности кривошипов за счет придания им форм, более выгодных в отношении распределения напряжений, благодаря чему литые валы по сопротивлению усталости могут стоять на уровне, близком к стальным. Недостатком литых валов является неустойчивость характеристик прочности при статической и особенно при переменной нагрузке. [30]
В работе [60] приводится подсчет экономической эффективности замены стального коленчатого вала дизеля 6ДР чугунным. Общая стоимость стального коленчатого вала составляет 41 029 руб., а чугунного - И 875 руб. Экономический эффект на одном коленчатом валу 2Д100 при замене хромоникельмолибде-нового чугуна высокопрочным чугуном с шаровидным графитом, по данным Коломенского тепловозостроительного завода, составляет 2926 руб. ( тезисы доклада инж. [31]
Коленчатый вал ( рис. 184) изготавливают из стальных поковок или отливают из высокопрочного чугуна. Шатунные шейки в стальных коленчатых валах после механической обработки термически обрабатывают для придания им соответствующей твердости, затем шлифуют в установленный размер и получают требуемую чистоту поверхности. В валах, отлитых из высокопрочного чугуна, шейки шлифуют и полируют. Точность изготовления шатунных шеек очень высока. [32]
Области применения модифицированного чугуна в химическом машиностроении весьма обширны, что позволяет уменьшать припуски при обработке и повышает прочность машин и аппаратов. Например, в компрессоростроении возможна замена кованых стальных коленчатых валов чугунными из модифицированного чугуна, при изготовлении чугунной аппаратуры, предназначаемой для эмалирования, в насосостроении и пр. [34]
В последнее время начали применять более производительные способы получения коленчатых валов путем отливки из чугуна, что во много раз сокращает трудоемкость изготовления этой детали. А совсем недавно внедрен еще один совершенный способ изготовления стальных коленчатых валов для комбайнов. [36]
Эти конструкции в особенности широко применяют в быстроходных автомобильных двигателях, нагрузочные режимы коленчатых валов которых отличаются значительной переменностью. Для этих двигателей большое значение имеют удельный вес, компактность и стоимость изготовления. Стальной коленчатый вал с полыми шейками имеет усталостную прочность примерно в два раза большую по сравнению с усталостной прочностью вала со сплошными шейками. [37]
Литой чугунный картер / заполнен в нижней полости маслом. К картеру крепятся шпильками сверху двухцилиндровый блок 2 с ребрами воздушного охлаждения, а с торца корпус электродвигателя 3, также сребренный. Стальной коленчатый вал 6 снабжен двумя противовесами для лучшего уравновешивания сил инерции и вращается в двух бронзовых втулках 7, являющихся коренными подшипниками. Одна втулка запрессована в картер, а другая в промежуточную опору 8, которая крепится к - картеру и отделяет его от электродвигателя. На цилиндрическом консольном конце вала насажен ротор электродвигателя, выполняющий одновременно роль маховика компрессора для уменьшения степени неравномерности вращения. [39]
Поверхностная закалка проводится путем нагрева поверхностных слоев изделия на глубину 2 - 3 мм и соответствующего охлаждения. Нагрев осуществляется в индукторе токами высокой частоты. Таким образом обрабатывают шейки стальных коленчатых валов , шестерни. Нагрев поверхности больших изделий ( прокатных валков, крупных валов) осуществляется с помощью газовых или керосиновых горелок. Поверхностная закалка позволяет получить структуру мартенсита в поверхностном слое толщиной до 2 - 4 мм. Структура и свойства сердцевины изделия при этом не меняются. Они определяются предварительной общей термообработкой всего изделия. [40]
Наиболее характерными повреждениями коленчатых валов являются образование трещин, поломка валов и предельная овальность шеек. На основании исследований, проведенных в ЦНИИ МПС, установлено, что причиной образования трещин и поломки чугунных коленчатых валов является недостаточный запас прочности, который определяется коэффициентом запаса прочности, устанавливаемым экспериментальным путем, в зависимости от условий работы детали. Как показали расчеты, для надежной работы коленчатых валов с учетом существующих эксплуатационных условий и установленных норм на величину ступенчатости1, износа шеек валов и вкладышей подшипников, а также проседания опор2, минимальное значение коэффициента запаса прочности не должно снижаться менее 1 7 для чугунных и 1 3 - стальных коленчатых валов . [41]
Первые два условия относятся не только к производству новых двигателей, но также и к их ремонту, а остальные, - главным образом, к эксплуатации. С целью повышения твердости трущихся поверхностей применяют специальные сорта чугуна для изготовления гильз цилиндров и поршневых колец, поверхностную закалку стальных шеек коленчатых и распределительных валов, пальцев поршня и других деталей. Антифрикционные сплавы широко применяются для подшипников. В частности, при вращении стального коленчатого вала в бронзовых, баббитовых или из алюминиевых сплавов подшипниках трение и износ сокращаются в 2 - 3 раза. [42]
Одно время почти во всех типах переключателей силовых трансформаторов применяли самоустанавливающийся линейный кольцевой контакт, образуемый круглыми цилиндрами с параллельными осями; неподвижными контактами служат цилиндрические стержни ( трубы), их замыкает подвижный контакт в виде кольца. На рис. 5 - 4 показана схема устройства этого контакта. В контактное кольцо вставлена спиральная ленточная пружина. При помощи оси кольцо с пружиной закреплено на стальном коленчатом валу . В рабочем положении ( рис. 5 - 4 а) пружина сжата и прижимает кольцо к двум контактным стержням. Пружина соприкасается с осью только этим выступом, что дает возможность кольцу немного поворачиваться в вертикальной плоскости. Таким путем обеспечивается хороший контакт при возможной некоторой непараллельности осей двух стержней. В подвижном контакте, образованном несколькими кольцами на одной общей оси, каждое кольцо самоустанавливается относительно контактных стержней независимо от других колец. [44]
Одной из особенностей определения экономической эффективности новой техники и технологии является определение эффективности новых материалов, не дающих экономического эффекта при их производстве. Так, например, в литейном производстве автомобильной промышленности большое внимание уделяется использованию новых, более эффективных конструкционных материалов. Именно с их помощью должна быть решена задача повышения надежности и долговечности автомобилей, снижения себестоимости их изготовления. Одним из таких новых материалов является чугун с шаровидным графитом, который соединяет в себе высокую прочность и пластичность с хорошими технологическими свойствами. Исследовательские работы, проведенные в одной из научно-исследовательских организаций Минавтопрома, показали целесообразность замены стальных коленчатых валов , шатунов автомобильных двигателей и компрессоров литыми заготовками из чугуна с шаровидным графитом. При определении экономической эффективности этого мероприятия оказалось, что производство деталей из чугуна с шаровидным графитом обходится дороже, чем из серого и ковкого чугуна и стали. [45]
Читайте также: