Коленчатый вал одна из основных и наиболее ответственных деталей двигателя. С коленчатого вала начинается вращение, с него же снимаются момент и мощность.
Именно коленчатый вал, преобразует возвратно поступательное движение поршня во вращение. К нему крепится маховик, необходимый для преодоления мертвых точек и запуска двигателя.
Вращение коленчатого вала точно синхронизировано с вращением распределительных валов, приводом топливной и электрораспределительной аппаратуры. От коленчатого вала приводятся различные вспомогательные агрегаты и узлы, без которых работа мотора или его смежных систем невозможна. В общем, как говорится незаменимых у нас нет, но это не тот случай! В моторе без коленчатого вала – никуда.
Коленчатый вал – деталь нагруженная, он принимает на себя газовые силы от поршней через систему шатунов и поршневых пальцев. И преобразуя их, передает полученный момент на трансмиссию и потребителям мощности. Ясно, что разные силы и моменты, имеют различные величины и направления, и пытаются скрутить и изогнуть наш коленчатый вал!
Со временем, двигатели внутреннего сгорания развивались и совершенствовались, становились все мощнее. Требования к материалам, из которых производились коленчатые валы постепенно возрастали. И если для ряда моторов, коленчатый вал отливался из чугуна и жил, как говорится долго и счастливо, то более нагруженные, более мощные современные моторы, уже не могут довольствоваться чугунным валом. Причины тому разные. Это и то, что нагрузки вырастали так, что чугун уже не мог переносить их длительное время и разрушался, и то, что прочность его по сравнению со стальным кованным валом была меньше, а при снижении габаритов и массы двигателя, чугунный вал ему уже не подходил. И так далее, одно тянуло за собой другое, и постоянная конкуренция между производителями в области двигателестроения, развитие технологий с каждым годом и этапом эволюции предъявляла все более и более жёсткие требования к коленчатому валу.
Так вот, на день сегодняшний мы имеем, пожалуй, всего две технологии изготовления коленчатых валов: литьё и ковка. Они, эти технологии, и определяют свойства и предел прочности для коленчатого вала и, как следствие, предел максимальной мощности и момента для двигателя.
Изготовление коленчатых валов литьём.
Технология довольно проста: из специальной смеси, на основе кварцевого песка синтетических смол и других добавок – изготавливают форму. Для этого может использоваться модель коленчатого вала сделанная, например, из дерева, но с таким расчётом, чтобы на поверхностях, которые в дальнейшем будут подвергаться обработке, материала было с избытком (припуск под обработку). Далее в форму заливают расплавленный чугун, где он кристаллизуется и остывает.
Затем, полученную отливку подвергают механической обработке для придания будущему изделию необходимых размеров и формы. В финале, шейки коленчатого вала могут быть закалены токами высокой частоты (ТВЧ) для придания рабочим поверхностям дополнительной твердости.
Изготовление коленчатых валов ковкой.
Технология более сложная и дорогостоящая. Для производства коленчатого вала требуется пресс форма — это металлическая форма, чем-то напоминающая детские формочки для песка 😊, только формочки массивные, изготовленные из специальной штамповой стали. Изделие со сложнейшей поверхностью, предусматривающее и в некотором смысле направляющее «течение», деформации материала, в форме, для получения необходимых структур и свойств у будущего коленчатого вала. Так же, для получения необходимых форм и свойств изделия, могут использоваться прессы, матрицы и пуансоны. После получения заготовки – поковки, её так же подвергают механической обработке.
Оборудование может применяться такое же, как и для обработки литых коленчатых валов. Но в некоторых случаях это может быть абсолютно другое оборудование, с режущим инструментом из специальных материалов, со специальными режимами обработки, с применением специальной оснастки и смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). После обработки ответственные поверхности так же, как и у литых валов могут быть подвергнуты закалке ТВЧ. В некоторых случаях применяется специальная химико-термическая обработка поверхности вала – азотирование.
Кованные валы отличаются от литых рядом параметров, наиболее важным из которых, пожалуй, является предел усталостной прочности (у кованных валов он существенно выше), поэтому, при выборе вала на высоконагруженный двигатель, следует отдавать предпочтение именно кованому изделию. При выборе литого коленчатого вала есть смысл проверить твердость. Твердость кованого вала может быть немного ниже, чем у литого, но эти параметры не должны различаться значительно.
Так какой все-таки лучше выбрать коленчатый вал? Литой или кованый? Однозначно ответить возможности нет, и исходить при выборе следует всё-таки из разумной необходимости. Есть моторы в которых чугунный вал будет работать замечательно, и просто исходя из экономических соображений удорожать конструкцию мотора внедрением в оный кованного вал просто нет необходимости. И напротив. Решив сэкономить на производстве, материалах и технологиях – сборка мотора с литым валом пустит прахом все усилия и результат, скорее всего, весьма плачевный, не заставит себя долго ждать.
