2.4.1. Состав кв и назначение его элементов

1. Коренные шейки (КШ), соосные друг с другом и опирающиеся на коренные подшипники (КП). Оси вращения КШ составляют ось вращения КВ.

2. Шатунные шейки (ШШ), оси которых симметричны относительно оси вращения КВ. ШШ служат для соединения КВ с шатунами .

3. Щеки, с помощью которых ШШ соединяются с КШ, образуя колено ( кривошип). При вращении КВ его ШШ вместе с КГШ описывает окружность, в то время , как ПГШ вместе с поршнем совершает ВПД. При одном обороте кривошипа поршень совершает два хода: один от НМТ к ВМТ, другой от ВМТ к НМТ

4. Противовесы, установленные на коленах, служат для уравновешивания центробежных сил, сил инерции ВПД масс, моментов от этих сил или для разгрузки КШ от изгибающих моментов.

5. Задняя часть КВ, т.е. конец КВ со стороны отбора мощности, называется хвостовиком. Она заканчивается, как правило, фланцем, снабженным отверстиями для крепления маховика.

6. Передняя часть КВ, т.е. конец КВ со стороны , противоположной отбору мощности , называется носком вала. От носка КВ осуществляется привод ГРМ (не всегда) , масляного насоса, жидкостного насоса, центрифуги, вентилятора, генератора и т.д. На нем расположены шестерни или звездочки привода ГРМ.

Условия работы

КВ является наиболее ответственной, одной из наиболее дорогостоящих и напряженных деталей двигателя, а также одной из наиболее трудоемких в изготовлении (25…30 % от стоимости двигателя).

1. КВ нагружается периодическими силами от давления газов и инерции от ВПД масс.

2. Эти силы вызывают знакопеременные крутящие и изгибающие моменты, которые вызывают в элементах КВ переменные напряжения скручивания, изгиба, сжатия, растяжения, среза .

3. Неравномерность крутящего момента вызывает крутильные колебания двигателя, которые в условиях резонанса могут привести к быстрому усталостному разрушению и поломке КВ.

4. Поверхности ШШ и КШ подвержены значительному износу вследствие воздействия больших газовых сил и сил инерции.

5. Элементы КВ подвержены также тепловому воздействию и испытывают тепловые деформации.

Требования к КВ

1. КВ должен обладать высокой прочностью и износостойкостью при сравнительно небольшой массе.

2. Конструкция КВ должна по возможности обеспечивать равномерные чередования вспышек в цилиндрах и динамическую уравновешенность двигателя.

Форма и компоновка КВ определяется:

 числом и расположением цилиндров;

 порядком работы и тактностью двигателя.

Компоновка КВ должна обеспечивать:

1. наибольшую равномерность хода, т.е. равномерные чередования вспышек в цилиндрах;

2. наилучшую уравновешенность двигателя;

3. равномерное нагружение элементов КВ (последовательно работающие цилиндры не должны быть смежными, желательно их расположение по разные стороны среднего КП);

4. наименьшую склонность к крутильным колебаниям.

В зависимости от соотношения числа КШ и ШШ различают полноопорные и неполноопорные КВ.

Полноопорные КВ имеют число КШ на одну больше, чем ШШ. Между двумя смежными КШ располагается только одна ШШ, т.е. в полноопорных КВ опоры имеются после каждого цилиндра или после каждого отсека из двух цилиндров в V - образных двигателях.

Применяются в форсированных двигателях с высокими нагрузками. При большом числе опор КВ имеют место:

1. более равномерная передача усилий по длине двигателя;

2. меньшие местные деформации верхней половины картера и блока цилиндров;

3. значительно повышается изгибная жёсткость КВ;

4. уменьшаются нагрузки на КП.

Неполноопорные КВ имеют по две и более ШШ между двумя смежными КШ. Эти КВ компактнее (короче) полноопорных. Они  меньше по массе,  менее трудоёмки в изготовлении,  обладают большей крутильной жёсткостью. Однако, из-за большого пролёта между КШ имеют меньшую изгибную жёсткость.

Неплоноопорные КВ в настоящее время применяются в лёгких мотоциклетных двигателях. К неполноопорным КВ можно отнести КВ двигателя МеМЗ-968.

Компоновка КВ, отвечающая вышеупомянутым требованиям, формируется за счёт взаимного расположения колен вала при рациональном порядке работы цилиндров, при котором последовательно работающие цилиндры отстоят друг от друга как можно дальше.

Сдвиг ШШ сопряжённых цилиндров V-образных двигателей обеспечивает равномерное чередование вспышек при любых углах развала блока цилиндров и резко расширяет компоновочные возможности .

Шейки КВ

Для повышения износостойкости наружные поверхности заливают ТВЧ на глубину до 3мм. (HRC 45-55), шлифуют и полируют.

С целью понижения массы шейки КВ часто выполняют полыми, что особенно легко достигается при отливке КВ. Масло от КШ и ШШ подается по наклонным каналам, в которые иногда вставляются трубочки.

Для понижения сил инерции в ШШ выполняют большие полости , которые заодно выполняют роль грязеуловителей; благодаря центробежным силам инерции, тяжёлые твердые частицы отбрасываются на периферию полости. Грязеуловители закрываются резьбовыми пробками. Для забора масла в маслоподводящие каналы вставляются трубки, свободные концы которых доходят почти до оси шейки, что позволяет забирать более чистое масло.

На ШШ КВ V-образных двигателей размещают по два шатуна. Поэтому грязеулавливающие полости, закрываемые резьбовыми пробками, высверлены с двух сторон кривошипа.

ШШ имеют, как правило, одинаковую длину, а КШ отличаются между собой. Наибольшую длину имеют задние КШ, а иногда - средние (Д-260Т).

Относительные размеры шеек (по отношению к диаметру цилиндра) лежат в пределах d_ш/D = 0,55...0,70. Эти соотношения должны в момент достижения максимального давления в цилиндре обеспечивать предельное условное давление, отнесённое к проекции опорной поверхности ШШ, в пределах не более 25...40 мПа.

В короткоходных двигателях имеет место так называемое перекрытие шеек (когда проекции на плоскость, перпендикулярную оси КВ, сечений ШШ и КШ частично перекрывают друг друга) относительные размеры ШШ меньше, т.к. перекрытие шеек обеспечивает высокую жёсткость КВ.

Выбор отношения d_ш/D зависит также от типа антифрикционного материала подшипников скольжения.

Выбор диаметра КШ определяется необходимой прочностью КВ, допускаемыми условными удельными давлениями, а также жёсткостью на кручение, влияющей на частоту собственных колебаний КВ и, следовательно, на резонансную частоту.

Масло к КШ подводится от главной масляной магистрали по каналам в стенках верхней половины картера со стороны малонагруженной половины картера. Несмотря на наличие внутренних полостей для центрифугирования масла, износы ШШ выше, чем КШ. Это объясняется их большей нагруженностью, повышенным температурным режимом и, соответственно, пониженной несущей способностью масляного слоя.

В конструкциях с полнопоточной тонкой очисткой масла отказались от улавливающих полостей, как не способствующих повышению надежности узла шейка - вкладыш. И даже при наличии облегчающих полостей (в литых КВ) масляные каналы располагаются вне внутренней полости.

Увеличение жёсткости КВ достигается увеличением диаметра КШ, что сопровождается уменьшением их длины. Это позволяет использовать более короткие подшипники из свинцовой бронзы, у которых в этом случае уменьшается опасность обмятия краев вкладыша. Допускаемые условные значения максимального давления при этом могут быть увеличены до 50 мПа, но подача масла к подшипникам должна быть увеличена для понижения их температуры.

Увеличение диаметра ШШ само по себе также повышает крутильную жёсткость вала. Но, с другой стороны, увеличение d_шш приводит к увеличению размеров КГШ, что снижает частоту собственных колебаний крутильной системы из-за увеличения приведённых масс и, соответственно, момента инерции. Кроме того, увеличение d_шш приводит к увеличению размеров картера, а также величины центробежных сил инерции из-за увеличения массы вращающихся деталей.

Размеры шеек КВ предусматривают возможность их перешлифования при ремонте с уменьшением диаметра на 0,25; 0,5; 0,75 и 1,00 мм (двигатели ВАЗ).

Шейки КВ работают в паре с тонкостенными вкладышами подшипников . Материалы - либо свинцовая бронза, либо сталеалюминевые сплавы. Вкладыши КП имеют канавку на внутренней поверхности, вкладыши ШП не имеют. Ремонтные вкладыши изготавливаются увеличенной толщины под шейки КВ, уменьшенные, соответственно , на 0,25; 0,50; 0,74 и 1 мм (двигатели ВАЗ).

Безударная работа пары шейка - вкладыш без выдавливания слоя смазки обеспечивается при радиальных зазорах в пределах 0,04...0,09 мм (допустимый 0,10 мм для ШШ и 0,15 мм для КШ - двигатели ВАЗ).

КШ испытывают, в основном, напряжения кручения, а ШШ подвергаются одновременно кручению и изгибу.

Щеки КВ

Соединяют ШШ и КШ, образуя колено (кривошип).

Щёки испытывают напряжения переменного изгиба, растяжения-сжатия и кручения. Щёки выполняются различной формы: прямоугольной, шести или восьмигранной, овальной (эллиптической) или круглой. Наиболее простой является щека прямоугольной формы. Наиболее сложной, но в то же время наиболее рациональной с точки зрения распределения напряжений, является овальная форма щёк. Для лучшего использования материала неработающие, наиболее удаленные от оси вала части щёк срезают, вследствие чего уменьшаются неуравновешенные массы вращающихся частей и масса вал.

В неполноопорных КВ промежуточные щёки, соединяющие две ШШ, не обрабатывают. Центр тяжести щеки стремятся разместить как можно ближе к оси вращения КВ. Щёки, соединяющие КШ и ШШ, обрабатываются только частично.

В двигателях со съёмными противовесами на щеках имеются установочные плоскости. В щёках КВ просверлены наклонные каналы для подвода масла от КШ к масляным полостям, выполненным в ШШ в виде каналов большого диаметра, закрываемых резьбовыми пробками .

Щеки чаще всего выполняют эллиптической формы, обеспечивающей высокую жесткость при изгибе и кручении. Относительная толщина щек у полноопорных КВ составляет (0,24...0,27)D. Увеличение толщины щеки, позволяющее повысить жёсткость кривошипа, требует для сохранения длины двигателя уменьшения длины КШ, что в принципе возможно.

Толщина щеки при наличии перекрытия шеек может быть уменьшена.

Переходы (галтели) от щёк к ШШ и КШ выполняют радиусом =(0,06...0,08) d для уменьшения концентрации напряжений. Иногда для увеличения опорной поверхности шейки галтель состоит из двух - трёх дуг различных радиусо .

Щёки имеют также кольцевые шлифованные выступы толщиной 0,50...1,00 мм. Выступы выполняют для выхода шлифовального камня при обработке вала (его шеек). Именно в эти кольцевые выступы упираются во время работы торцевые шлифованные поверхности КГШ.

Противовесы

Как уже отмечалось, противовесы используются для уравновешивания центробежных сил, сил инерции 1-ого порядка от ВПДМ, моментов от этих сил (в некоторых многоцилиндровых двигателях), а также для разгрузки КШ от изгибающих моментов (особенно средних КШ) , что связано с необходимостью повышения скоростного режима двигателя с целью повышения его литровой мощности.

Вместе с тем применение противовесов несет и отрицательный эффект, т.к. увеличивается момент инерции приведённых масс кривошип , что снижает частоту собственных колебаний вала.

Масса противовесов может составлять 70…80 % от суммарной массы вращающихся частей.

В двухтактных ДВС с кривошипно-камерной продувкой противовесы служат также для уменьшения вредного пространства кривошипной камеры и получения требуемого продувного воздуха.

Противовесы на КВ либо изготовляют за одно целое с валом (двигатели легковых автомобилей и двигатели грузовых автомобилей ЗМЗ и ЗИЛ), либо привёртывают к соответствующим плоскостям щёк (двигатели ЯМЗ) . Возможны и комбинации, при которых часть противовесов изготовляются заодно с валом, а часть устанавливаются на вал (двигатели КамАЗ).

Крепление противовеса с помощью ласточкина хвоста позволяет разгрузить болты крепления от центробежных сил. Противовес в этом случае имеет прорезь, оканчивающуюся отверстием, которое необходимо для снятия концентрации напряжений. Прорезь делает противовес упругим, он легко стягивается болтом. При сборке лапы такого противовеса разводят, устанавливают на щеку, после чего опорные поверхности щеки защемляются противовесом. В таком случае болты разгружаются от касательных сил и инерции, возникающих при крутильных колебаниях.

В двигателях ЯМЗ часть противовесов привёртывается болтами к соответствующим поверхностям щёк. После затяжки во время работы двигателя такие болты дополнительно нагружаются центробежными силами инерции. Для разгрузки противовесов от касательных усилий применяют плотную посадку противовеса на выступ щеки.

Для фиксации болтов их головки приваривают к противовесам. Толщина противовеса не должна превышать толщины щеки; это обеспечивает возможность шлифования вала при ремонте без демонтажа противовесов.

Противовесы приворачиваются болтами регламентированным моментом 180…200 Нм. Балансировка КВ проводится в сборе с противовесами, поэтому при ремонте их снимать не следует.

Кроме устанавливаемых противовесов КВ двигателя ЯМЗ-236 имеет 2 выносных противовеса. Один из них устанавливается (напрессовывается) на передний конец КВ , а второй находится в маховике.

В двигателях КамАЗ кроме противовесов, изготовляемых заодно с КВ , имеется два съёмных противовеса, устанавливаемых на носок и хвостовик КВ.

Осевая фиксация КВ

Вследствие работы сцепления и косозубых зубчатых колес механизма газораспределения, возникают силы, стремящиеся сдвинуть КВ вдоль его оси. Особенно большие силы возникают в момент выключения сцепления. Кроме того, тепловое расширение КВ также может вызвать появление осевых сил. Возникающие при этом перемещения должны быть каким-либо образом ограничены. Смещение допускается в пределах 0,2 мм.

Как правило, для фиксации используют одну из коренных опор КВ, выполняют ее в виде упорного подшипника, который воспринимает осевые нагрузки и удерживает вал от смещении.

В качестве опор для фиксации осевого смещения КВ выбирают: крайние задние КШ (в двигателях ЯМЗ, КамАЗ, А01, Д-240, ВАЗ-2103, ВАЗ-2107), крайние передние КШ (в двигателях ЗИЛ-130, ЗМЗ-24, ЗМЗ- 66, МеМЗ-968) и средние подшипники (двигатели МеМЗ-245, ВАЗ-1111). При косозубом или цепном приводе распределительного вала для фиксации КВ используют, как правило, переднюю опору.

У дизелей, как правило, используют заднюю опору. В этом случае при тепловом удлинении КВ зазоры в механизме сцепления не изменяются.

При использовании передней опоры для фиксации осевого перемещения КВ вал удерживается от смещения двумя стальными неподвижными шайбами, устанавливаемыми с обеих сторон первого коренного КП. На одну из сторон каждой шайбы нанесён антифрикционный слой. Переднюю шайбу удерживают от вращения штифты, один из которых устанавливается в блоке цилиндров, а другой - в крышке КП. Задняя шайба имеет прямоугольный выступ, входящий в паз крышки. Передняя шайба подшипниковой стороной (т.е. стороной, покрытой антифрикционным сплавом) обращена к упорной стальной шайбе, посаженной на вал на шпонке и зажатой между шестерней привода распределительного вала и торцом первой КШ. Эта стальная полированная шайба, упираясь в антифрикционный слой неподвижной шайбы первого КП, ограничивает перемещения КВ назад.

Задняя упорная шайба подшипниковой стороной обращена к технологическому отшлифованному выступу первой щеки и ограничивает перемещение КВ вперёд.

Величину осевого зазора выдерживают в пределах 0,075...0,175 мм за счёт подбора толщины передней упорной шайбы.

В случае использования задней опоры для ограничения осевого передвижения КВ вал фиксируется четырьмя упорными взаимозаменяемыми полукольцами из бронзы (ЯМЗ-236) или сталеалюминевыми (КамАЗ-740). Полукольца установлены в проточках блока и задней крышки заднего КП. От проворачивания полукольца удерживаются двумя штифтами, запрессованными в крышку заднего КП, входящими в пазы на полукольцах (ЯМЗ-236, осевой зазор 0,121…0,265 мм). Полукольца по торцам имеют профрезерованные радиальные смазочные канавки.

В двигателях ВАЗ для фиксации КВ от осевых перемещений с передней стороны заднего КП устанавливается сталеалюминевое полукольцо, а с задней - металлокерамическое (осевой зазор 0,06…0,26 мм). Эти полукольца имеют основной и ремонтный размеры.

При использовании средней опоры для фиксации перемещения КВ применяют два упорных сталеалюминевых полукольца, которые вставляются в гнёзда блока цилиндров по обе стороны от среднего КП (МеМЗ-245, ВАЗ-1111). Осевой зазор 0,054...0,306 мм (МеМЗ-245).