Войти
Коленчатый вал (показан красным), поршни с шатунами (серый), цилиндры (синий)) и маховик (черный) для рядного четырехцилиндрового двигателя A коленчатый вал представляет собой вращающийся вал, который (вместе с шатунами) преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение. Коленчатые валы обычно используются в двигателях внутреннего сгорания и состоят из серии кривошипов и кривошипов, к которым прикреплены шатуны.
Коленчатый вал вращается внутри блока цилиндров с помощью коренных подшипников, а кривошипные шейки вращаются внутри шатунов с помощью подшипников штока. Коленчатые валы обычно изготавливаются из металла, при этом большинство современных коленчатых валов изготавливается из кованой стали.
Римский коленвал, датируемый II веком нашей эры. Правая ручка утеряна. A Римский железный коленчатый вал неизвестного назначения, датируемый II веком нашей эры, был обнаружен при раскопках в Августе Раурика, Швейцария. Кусок длиной 82,5 см имел на одном конце бронзовую ручку длиной 15 см, а другой - утерян.
Римская лесопилка в Иераполе 3-го века нашей эры, самая ранняя из известных машин, сочетающая кривошип с шатун. Самые ранние свидетельства наличия кривошипа и шатуна в машине относятся к позднеримской лесопилке в Иераполе III века нашей эры и двух римских камнях лесопилки в Герасе, Римской Сирии и Эфесе, Малой Азии (оба VI века нашей эры). На фронтоне мельницы Hierapolis показано водяное колесо, питаемое дорожкой мельницы, передающее мощность через зубчатую передачу на два рамные пилы, которые режут прямоугольные блоки с помощью шатунов и, в случае механической необходимости, кривошипов. Сопроводительная надпись сделана на греческом языке.
. Кривошипные и шатунные механизмы двух других лесопилок, подтвержденных археологами, работали без зубчатой передачи. В древней литературе мы находим упоминание о работе поэта конца IV века с водяной пилой мрамора близ Трира, ныне Германия Авзоний ; Примерно в то же время на эти типы мельниц указывает также христианский святой Григорий Нисский из Анатолии, демонстрирующий разнообразное использование гидроэнергии в многие части Римской империи. Эти три находки отодвигают дату изобретения кривошипа и шатуна на целое тысячелетие; впервые все основные компоненты гораздо более поздней паровой машины были собраны в рамках одной технологической культуры:
с системой кривошипа и шатуна, все элементы для создания паровой машины (изобретен в 1712 году) - Герой эолипил (генерирующий паровую энергию), цилиндр и поршень (в металлических силовых насосах), невозвратный клапаны (в водяных насосах), зубчатые передачи (в водяных мельницах и часах) - были известны еще в римские времена.
Военная повозка Виджевано Итальянский врач Гвидо да Виджевано (ок. 1280–1349), планируя новый крестовый поход, сделал иллюстрации для весельной лодки и боевых экипажей, которые приводились в движение вручную поворачиваемым составом. кривошипы и шестерни (центр изображения). Псалтырь Латтрелла, датируемый примерно 1340 годом, описывает точильный камень, вращаемый двумя кривошипами, по одному на каждом конце его оси; ручная мельница с приводом от одного или двух кривошипов появилась позже в 15 веке;
гребная лодка 15 века, лопасти которой вращаются одноходовыми коленчатыми валами (анонимный из Гуситские войны )Первые изображения составного кривошипа в скобе плотника появляются между 1420 и 1430 годами в различных северноевропейских произведениях искусства. Быстрое внедрение составного кривошипа можно проследить в работах неизвестный немецкий инженер, писавший о состоянии военной техники своего времени: во-первых, снова появился шатун, применяемый к кривошипам, во-вторых, шатуны с двойным составом также стали оснащаться шатунами, и в-третьих, маховик
В Италии эпохи Возрождения самые ранние свидетельства соединения кривошипа и шатуна можно найти в альбомах с эскизами Taccola, но устройство все еще механически неправильно понято. Слышен звук рукоятки. вовлеченное движение демонстрируется немного позже Пизанелло, который нарисовал поршневой насос, приводимый в движение водяным колесом и управляемый двумя простыми кривошипами и двумя шатунами.
Водоподъемный насос, приводимый в действие кривошипом и шатуном. механизм (Георг Андреас Бёклер, 1661) На одном из рисунков Анонимных гуситских войн изображена лодка с парой гребных колес на каждом конце, вращаемыми людьми, работающими с составными кривошипами (см. выше). Эта концепция была значительно улучшена итальянцем Роберто Валтурио в 1463 году, который изобрел лодку с пятью наборами, в которой все параллельные кривошипы соединены с одним источником энергии одним шатуном, идея также была поддержана. его соотечественник Франческо ди Джорджо.
Коленчатые валы были также описаны Конрадом Кезером (ум. 1405), Леонардо да Винчи (1452–1519) и голландским фермером "по имени Корнелис Корнелисзун ван Юитгест в 1592 году. Его ветряная лесопилка использовала коленчатый вал для преобразования кругового движения ветряной мельницы в движение вперед-назад, приводящее в действие пилу. Корнелисзун получил патент на коленчатый вал в 1597 году.
Начиная с XVI века, свидетельства использования кривошипов и шатунов, интегрированных в конструкцию машин, становятся многочисленными в технологических трактатах того периода: Одна только книга Агостино Рамелли «Разнообразные и искусственные машины 1588 года» описывает восемнадцать примеров, число, которое поднимается в Theatrum Machinarum Novum Георгом Андреасом Бёклером до 45 различных машин, что составляет одну треть от общего числа..
Аль-Джазари (1136–1206) описал кривошипно-шатунную систему вращающейся машины в двух своих водоподъемных машинах. Его двухцилиндровый насос включал коленчатый вал, но устройство было излишне сложным, что указывало на то, что он до сих пор не полностью понимал концепцию преобразования энергии. В Китае потенциал кривошипа для преобразования кругового движения в возвратно-поступательное движение, кажется, никогда не был полностью реализован, и кривошип, как правило, отсутствовал в таких машинах до начала 20-го века.
Поршни (вверху), шатуны (посередине) и коленчатый вал (внизу) поршневого двигателя 
Схема работы коленчатого вала, шатуна и поршня 
Коленчатый вал двигателя Коленчатый вал поддерживается блок цилиндров, с коренными подшипниками двигателя, позволяющими коленчатому валу вращаться внутри блока. Движение вверх-вниз каждого поршня передается на коленчатый вал через шатуны. маховик часто прикреплен к одному концу коленчатого вала, чтобы сохранять энергию вращения и поддерживать более постоянную скорость вращения, поскольку коленчатый вал получал энергию от шатунов в виде серии импульсов. Это помогает сгладить подачу мощности и часто в сочетании с демпфером гармоник, прикрепленным к другому концу коленчатого вала, снижает крутильные колебания.
Коленчатый вал подвергается огромным нагрузкам, в некоторых случаях более 8,6 тонн (19 000 фунтов) на цилиндр. Коленчатые валы для одноцилиндровых двигателей обычно имеют более простую конструкцию, чем для двигателей с несколькими цилиндрами.
Коленчатые валы могут быть либо цельными поковками, либо спрессованными из отдельных отдельных шатунов, валов и штифтов, иногда называемых «сборным коленчатым валом». В большинстве автомобильных приложений (четырехтактных двигателей ) цельная поковка используется в сочетании с подшипниками скольжения / вкладыша, которые рассчитаны на постоянную подачу моторного масла под давлением. Это масло под давлением заполняет зазор между подшипниками и шейками коленчатого вала и создает тонкий гидродинамический слой масла, который «всплывает» между металлическими поверхностями, поэтому при вращении деталей не происходит контакта металла с металлом. Эта масляная пленка имеет очень низкое трение и, пока сохраняется давление масла, может легко справляться с силами, создаваемыми ускорением, замедлением, реверсированием и качанием больших концов шатуна.
В двухтактных двигателях используется герметичный картер как часть подачи свежего топлива / воздуха в цилиндр. Это исключает использование подшипников скольжения и кривошипно-шатунных подшипников под давлением. Вместо этого используются шариковые и игольчатые роликоподшипники, а коленчатый вал состоит из нескольких частей, запрессованных вместе с использованием цельных шатунов, а не двухэлементной конструкции шатуна, обычно применяемой в подшипниках скольжения 4. -тактный двигатель. Смазка двухтактного коленчатого вала осуществляется маслом, смешанным с топливом, либо в топливном баке (предварительная смесь), либо через отдельную систему смазки, которая подает масло в картер для смешивания с топливом в зависимости от частоты вращения и нагрузки. Хотя в основном они используются в двухтактных двигателях (от бензопил до больших многоцилиндровых подвесных моторов), в некоторых более старых четырехтактных двигателях (в основном мотоциклах) используются сборные роликовые коленчатые валы.
Коленчатый вал может вращаться в блоке двигателя благодаря коренным подшипникам. Поскольку на коленчатый вал действуют большие боковые силы со стороны каждого цилиндра, подшипники расположены в разных точках вдоль коленчатого вала, а не только по одному на каждом конце. Это было одним из факторов, вызвавших замену двигателей V8 на рядных восьмицилиндровых двигателей в 1950-х годах. Длинные коленчатые валы последних страдали от недопустимой степени прогиба, когда конструкторы двигателей начали использовать более высокие степени сжатия и более высокие обороты двигателя (об / мин). По этой причине двигатели с высокими характеристиками часто имеют больше коренных подшипников, чем их собратья с более низкими характеристиками.
В большинстве серийных двигателей V8 используются кривошипы, разнесенные на 90 ° друг от друга, что называется конфигурацией «поперечной плоскости» (например, Ford Modular двигатель и двигатель General Motors LS ). В некоторых высокопроизводительных двигателях V8 (например, Ferrari 355 ) вместо этого используется коленчатый вал с плоской плоскостью, разнесенный на 180 °, что по существу приводит к работе двух рядных четырех двигателей. в общем картере.
Двигатели с плоским двигателем обычно могут иметь более высокие обороты, однако у них больше вибрации. Плоские коленчатые валы использовались на нескольких ранних двигателях V8. См. Основную статью о коленчатых валах crossplane.
Для некоторых двигателей необходимо предусмотреть противовесы для возвратно-поступательного движения каждого поршня и шатуна, чтобы улучшить балансировку двигателя. Обычно они отливаются как часть коленчатого вала, но иногда это детали на болтах.
В 1916 году Hudson Motor Car Company начала производство первых двигателей, в которых использовались сбалансированные коленчатые валы, что позволило двигателю работать на более высоких скоростях (об / мин), чем современные двигатели.
Коленчатый вал с подвижными рычагами (звено бумеранга между пальцами кривошипа) В некоторых двигателях коленчатый вал содержит прямые связи между соседними пальцами кривошипа без обычного промежуточного коренного подшипника. Эти звенья называются летающими руками. Такое расположение иногда используется в двигателях V6 и V8, поскольку оно позволяет проектировать двигатель с углами V, отличными от тех, которые в противном случае потребовались бы для создания равномерного интервала зажигания, при этом использование меньшего количества коренных подшипников, чем обычно требуется с одним поршнем на кривошипно-шатунный ход. Такое расположение снижает вес и длину двигателя за счет уменьшения жесткости коленчатого вала.
Расстояние, на которое ось кривошипа отклоняется от оси коленчатого вала, определяет длину хода двигателя.
Большинство современных автомобильных двигателей классифицируются как «более квадратные» или короткоходные, в которых ход меньше диаметра отверстия цилиндра. Распространенный способ увеличить крутящий момент двигателя на низких оборотах - увеличить ход, иногда известный как "ход" двигателя. Традиционно для длинноходных двигателей компромиссом было снижение мощности и повышенная вибрация при высоких оборотах.
Некоторые высокопроизводительные коленчатые валы также используют противовесы из тяжелого металла, чтобы сделать коленчатый вал более компактным. В качестве тяжелого металла чаще всего используется сплав вольфрама, но также использовался обедненный уран. Более дешевый вариант - использовать свинец, но по сравнению с вольфрамом его плотность намного ниже.
В обычной конструкции поршневых двигателей каждый шатун прикреплен к одному коленчатому валу, причем угол шатуна изменяется по мере того, как поршень перемещается по ходу своего хода. Это изменение угла приводит к появлению боковых сил на поршнях, которые толкают поршни к стенке цилиндра. Эта боковая сила вызывает дополнительное трение между поршнем и стенкой цилиндра и может вызвать дополнительный износ стенки цилиндра.
Чтобы избежать этих боковых сил, каждый поршень может быть соединен с двумя коленчатыми валами, которые вращаются в противоположных направлениях, что компенсирует боковые силы. Такое расположение также снижает потребность в противовесах, уменьшая массу коленчатого вала. Ранним примером механизма встречного вращения коленчатого вала являются плоско-сдвоенные двигатели 1900–1904 Lanchester Engine Company.
На небольших одноцилиндровых двигателях для снижения стоимости и веса иногда не используется один из подшипников коленчатого вала. Полностью кривошипные конструкции считаются более плавными и служат дольше.
Двигатель Continental судовые коленчатые валы, 1942 г. 
Кованый коленчатый вал Самыми распространенными методами изготовления коленчатых валов являются ковка (обычно через валковая ковка) или литье. Большинство коленчатых валов выполнено в виде единой детали; однако в некоторых двигателях меньшего и большего размера используются коленчатые валы, собранные из нескольких частей.
В последнее время ковка стала наиболее распространенным методом изготовления коленчатых валов из-за их меньшего веса, более компактных размеров и лучшего внутреннего демпфирования. В кованых коленчатых валах в основном используются микролегированные стали ванадий, поскольку эти стали можно охлаждать на воздухе после достижения высокой прочности без дополнительной термической обработки (кроме упрочнения поверхности шейки подшипников). Низкое содержание сплава также делает этот материал дешевле, чем высоколегированные стали.
Отливка (с использованием чугуна ) сегодня в основном используется для коленчатых валов в более дешевых двигателях с меньшей производительностью.
Коленчатые валы также могут быть механически обработаны из стальной заготовки . Эти коленчатые валы, как правило, дороги из-за большого количества материала, который необходимо удалить с помощью токарных и фрезерных станков, высокой стоимости материала и необходимой дополнительной термообработки. Поскольку не требуется дорогостоящих инструментов, этот метод производства в основном используется для двигателей малого объема. В обработанных коленчатых валах поток волокон (локальные неоднородности материала, вызванные процессом литья) не повторяет форму коленчатого вала, однако это редко является проблемой, поскольку в обработанных коленчатых валах часто используется сталь более высокого качества, чем в кованых.
Для повышения усталостной прочности на концах каждого коренного подшипника и шатунного подшипника часто прокатывают радиус. Сам радиус снижает напряжение в этих критических областях, но, поскольку радиус в большинстве случаев прокатывается, это также оставляет некоторое остаточное напряжение сжатия на поверхности, что предотвращает образование трещин.
Микрофинишная обработка - это процесс шлифования для получения гладкой поверхности металлического предмета, который также используется для предотвращения образования трещин в результате усталостного напряжения.
В большинстве серийных коленчатых валов используется индукционная закалка для опорных поверхностей. Некоторые высокопроизводительные коленчатые валы, в частности коленчатые валы с заготовками, вместо этого используют нитридизацию. Для коленчатых валов, работающих на роликовых подшипниках, использование науглероживания, как правило, предпочтительнее из-за высоких контактных напряжений в таких ситуациях.
 | На Викискладе есть материалы, связанные с Коленчатым валом. |
