Коленчатый вал — это механический компонент, используемый в поршневом двигателе для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение . Коленчатый вал представляет собой вращающийся вал , содержащий одну или несколько шатунных шеек [1] , которые приводятся в движение поршнями через шатуны . [2]
Шатуны также называются шатунными шейками , и они вращаются внутри «большого конца» шатунов.
Большинство современных коленчатых валов расположены в блоке двигателя . Они изготавливаются из стали или чугуна с использованием процесса ковки , литья или механической обработки .
Коленчатый вал, расположенный внутри блока двигателя , удерживается на месте с помощью коренных подшипников , которые позволяют коленчатому валу вращаться внутри блока. [3] Движение каждого поршня вверх-вниз передается на коленчатый вал через шатуны . [4] К одному концу коленчатого вала часто прикрепляют маховик , чтобы сгладить передачу мощности и уменьшить вибрацию. [5]
Коленчатый вал подвергается огромным нагрузкам, в некоторых случаях превышающим 8,6 тонны (19 000 фунтов) на цилиндр. [6] Коленчатые валы для одноцилиндровых двигателей обычно имеют более простую конструкцию, чем для двигателей с несколькими цилиндрами.
Коленчатый вал способен вращаться в блоке двигателя благодаря «коренным подшипникам». Поскольку коленчатый вал подвергается воздействию больших горизонтальных и скручивающих сил со стороны каждого цилиндра, эти коренные подшипники расположены в различных точках коленчатого вала, а не только по одному на каждом конце. [7] Количество коренных подшипников определяется исходя из общего коэффициента нагрузки и максимальной частоты вращения двигателя. В коленчатых валах дизельных двигателей часто используются коренные подшипники между каждым цилиндром и на обоих концах коленчатого вала из-за высоких сил сгорания. [8]
Изгиб коленчатого вала стал одним из факторов, приведших к замене рядных восьмицилиндровых двигателей в 1950-х годах двигателями V8 ; длинные коленчатые валы последнего пострадали от неприемлемой деформации, когда конструкторы двигателей начали использовать более высокие степени сжатия и более высокие обороты двигателя (об/мин). [9]
Расстояние между осью шатунных шеек и осью коленчатого вала определяет длину хода двигателя. [1]
Большинство современных автомобильных двигателей классифицируются как «слишком квадратные» или короткоходные, в которых ход меньше диаметра отверстия цилиндра . Распространенным способом увеличения крутящего момента двигателя на низких оборотах является увеличение хода поршня, что иногда называют «поглаживанием» двигателя. Исторически сложилось так, что компромиссом в пользу длинноходного двигателя был более низкий предел оборотов и повышенная вибрация на высоких оборотах из-за увеличенной скорости поршня. [10]
При проектировании двигателя конфигурация коленчатого вала тесно связана с порядком зажигания двигателя . [11] [12]
В большинстве серийных двигателей V8 (таких как двигатель Ford Modular и двигатель General Motors LS ) используется кривошип, расположенный в поперечной плоскости , при этом ходы кривошипа расположены на расстоянии 90 ° друг от друга. [13] Однако в некоторых высокопроизводительных двигателях V8 (таких как Ferrari 488 ) [14] [15] вместо этого используется плоский кривошип , в результате чего рабочие ходы разнесены на 180 ° друг от друга, что по сути приводит к созданию двух рядных четырехцилиндровых двигателей. использование общего картера. Плоские двигатели обычно способны работать на более высоких оборотах, однако они имеют более высокие вибрации второго порядка [16] , поэтому они лучше подходят для двигателей гоночных автомобилей. [17]
Для некоторых двигателей необходимо предусмотреть противовесы возвратно-поступательной массы поршня, шатунов и коленчатого вала, чтобы улучшить балансировку двигателя . [18] [19] Эти противовесы обычно отлиты как часть коленчатого вала, но иногда они крепятся болтами. [ нужна цитата ]
В некоторых двигателях коленчатый вал содержит прямые связи между соседними шатунными шейками без обычного промежуточного коренного подшипника. Эти звенья называются летающими руками . [20] : 16, 41 Такое расположение иногда используется в двигателях V6 и V8 , чтобы обеспечить равномерный интервал зажигания при использовании разных углов V и уменьшить количество необходимых коренных подшипников. Обратной стороной летающих рычагов является снижение жесткости коленчатого вала, что может вызвать проблемы при высоких оборотах или высокой мощности. [21]
В большинстве двигателей к каждому шатуну прикреплен один коленчатый вал, в результате чего угол шатуна меняется по мере движения поршня. Это изменение угла прижимает поршни к стенке цилиндра, что вызывает трение между поршнем и стенкой цилиндра. [22] Чтобы предотвратить это, некоторые ранние двигатели, такие как плоские двухцилиндровые двигатели Lanchester Engine Company 1900-1904 годов, соединяли каждый поршень с двумя коленчатыми валами, которые вращались в противоположных направлениях. Такое расположение компенсирует боковые силы и снижает потребность в противовесах. Такая конструкция используется редко, однако аналогичный принцип применим и к балансировочным валам , которые используются изредка.
Коленчатые валы можно создать из стального прутка методом валковой ковки . Сегодня производители отдают предпочтение использованию кованых коленчатых валов из-за их меньшего веса, более компактных размеров и лучшего демпфирования. Для кованых коленчатых валов в основном применяют микролегированные ванадием стали, так как эти стали после достижения высокой прочности могут охлаждаться на воздухе без дополнительной термической обработки, за исключением поверхностной закалки поверхностей подшипников. Низкое содержание легирования также делает материал дешевле, чем высоколегированные стали. Углеродистые стали также требуют дополнительной термической обработки для достижения желаемых свойств.
Другой метод изготовления — отливка коленчатого вала из пластичного материала. Чугунные коленчатые валы сегодня в основном используются в более дешевых серийных двигателях, где нагрузки ниже.
Коленчатые валы также могут быть изготовлены из заготовки , часто из прутка высококачественной стали, переплавленной в вакууме . Хотя поток волокон (локальные неоднородности химического состава материала, возникающие во время литья) не повторяет форму коленчатого вала (что нежелательно), это обычно не является проблемой, поскольку можно использовать стали более высокого качества, которые обычно трудно поддаются ковке. использовал. Эти коленчатые валы, как правило, очень дороги в расчете на единицу из-за большого количества материала, который необходимо удалить на токарных и фрезерных станках, высокой стоимости материала и необходимости дополнительной термической обработки. Однако, поскольку не требуется дорогостоящих инструментов, этот метод производства позволяет производить небольшие партии без высоких первоначальных затрат.
Самые ранние ручные шатуны появились в Китае во времена династии Хань (202 г. до н.э. – 220 г. н.э.). Их использовали для намотки шелка, прядения конопли, для сельскохозяйственных веялок , в просеивающих машинах с водяным приводом, в металлургических сильфонах с гидравлическим приводом и в колодезных лебедках . [25] Роторный веялочный вентилятор значительно повысил эффективность отделения зерна от шелухи и стеблей. [26] [27] Однако потенциал кривошипа по преобразованию кругового движения в возвратно-поступательное движение, похоже, никогда не был полностью реализован в Китае, и кривошип обычно отсутствовал в таких машинах до начала 20-го века. [28]
Кривошип в виде эксцентрично установленной ручки роторной ручной мельницы появился в V веке до нашей эры кельтиберийской Испании и в конечном итоге распространился по Римской империи . [29] [23] [24] Римская железная рукоятка, датируемая 2 веком нашей эры, была раскопана в Августе Раурике , Швейцария . [30] [31] Кривошипно- римская мельница датируется концом 2 века. [32]
Свидетельства существования кривошипа в сочетании с шатуном появляются на мельнице в Иераполисе , датируемой III веком; они также встречаются на каменных лесопилках в Римской Сирии и Эфесе , датируемых VI веком. [33] На фронтоне мельницы в Иераполисе изображено водяное колесо , питаемое мельничной обоймой , приводящее в действие через зубчатую передачу две рамные пилы , которые разрезают блоки с помощью каких-то шатунов и кривошипов. [34] Кривошипно-шатунные механизмы двух других лесопилок, подтвержденных археологическими раскопками, работали без зубчатой передачи. [35] [36] Водяные пилы по мрамору в Германии были упомянуты поэтом конца 4-го века Авзонием ; [33] Примерно в то же время на эти типы мельниц, по-видимому, указывает и Григорий Нисский из Анатолии . [37] [33] [38]
Вращающийся точильный камень [39] , приводимый в движение кривошипной ручкой, показан в рукописи Каролингов «Утрехтский Псалтирь» ; рисунок пером около 830 г. восходит к позднеантичному оригиналу. [40] Шатуны, используемые для вращения колес, также изображены или описаны в различных работах, датируемых десятым-тринадцатым веками. [39] [41]
Первые изображения сложной рукоятки плотничьей скобы появляются между 1420 и 1430 годами в произведениях искусства Северной Европы. [42] Быстрое внедрение составного кривошипа можно проследить в работах неизвестного немецкого инженера, писавшего о состоянии военной техники во время гуситских войн: сначала снова появился шатун, примененный к кривошипам; во-вторых, двухсоставные кривошипы также стали оснащаться шатунами; и, в-третьих, для этих шатунов использовался маховик, чтобы преодолеть «мертвую точку». [43] Эта концепция была значительно усовершенствована итальянским инженером и писателем Роберто Валтурио в 1463 году, который разработал лодку с пятью комплектами, в которой все параллельные кривошипы соединены с единым источником энергии одним шатуном. Эта идея также получила распространение. его соотечественник итальянский художник Франческо ди Джорджио . [44]
Рукоятка стала обычным явлением в Европе к началу 15 века, как видно из работ военного инженера Конрада Кайзера (1366 – после 1405). [45] [46] Устройства, изображенные в «Беллифортисе » Кайзера, включают коленчатые лебедки для охвата осадных арбалетов, коленчатую цепь ведер для подъема воды и кривошипы, прикрепленные к колесу колоколов. [46] Кейзер также оснастил винты Архимеда для подъема воды кривошипной ручкой - нововведение, которое впоследствии заменило древнюю практику работы с трубой путем проступания. [47]
Пизанелло нарисовал поршневой насос, приводимый в движение водяным колесом и приводимый в действие двумя простыми кривошипами и двумя шатунами. [43]
В XV веке также появились коленчатые реечные устройства, называемые кранкинами, которые прикреплялись к прикладу арбалета как средство приложения еще большей силы при размахе метательного оружия. [48] В текстильной промышленности были внедрены коленчатые катушки для намотки мотков пряжи. [46]
Итальянский врач Гвидо да Виджевано ( ок. 1280 – ок. 1349–1349 ), планируя новый крестовый поход, нарисовал байдарку и боевые повозки, приводившиеся в движение составными кривошипами и шестернями, приводившимися в движение вручную [49] , идентифицированными как ранний прототип коленчатого вала, созданный Линн Таунсенд Уайт . [50] Псалтырь Латтрелла , датируемый примерно 1340 годом, описывает точильный камень, который вращался двумя кривошипами, по одному на каждом конце его оси; Ручная мельница с редуктором, приводившаяся в действие одним или двумя кривошипами, появилась позже, в 15 веке. [46]
Около 1480 года раннесредневековый вращающийся точильный камень был усовершенствован с помощью ножного и кривошипно-шатунного механизма. Кривошипы, установленные на тележках, впервые появляются на немецкой гравюре 1589 года. [51] Коленчатые валы были также описаны Леонардо да Винчи (1452–1519) [52] и голландским фермером и владельцем ветряной мельницы по имени Корнелис Корнелис ван Уитгест в 1592 году. Его ветряная лесопилка использовала коленчатый вал для преобразования кругового движения ветряной мельницы в возвратно-поступательное движение, приводившее в действие пилу. Корнелисзон получил патент на свой 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: в книге Агостино Рамелли «Разнообразные и искусственные машины 1588 года» изображены восемнадцать примеров, и это число увеличивается в Theatrum Machinarum Novum. Георга Андреаса Бёклера на 45 различных машинах. [53] В начале 20 века на некоторых машинах раньше были распространены кривошипы; например, почти все фонографы до 1930-х годов приводились в действие часовыми двигателями, заводившимися с помощью кривошипов. В поршневых двигателях с возвратно-поступательным движением используются кривошипы для преобразования линейного движения поршня во вращательное движение. Двигатели внутреннего сгорания в автомобилях начала 20-го века обычно запускались с помощью ручных рукояток, до того как электростартеры стали широко использоваться.
Неручной кривошип появляется в нескольких гидравлических устройствах, описанных братьями Бану Муса в их «Книге изобретательных устройств» 9-го века . [54] Эти автоматически управляемые кривошипы встречаются в нескольких устройствах, два из которых имеют действие, приближенное к действию коленчатого вала. Однако автоматический кривошип, описанный Бану Муса, не позволял бы совершить полное вращение, и потребовалась лишь небольшая модификация, чтобы превратить его в коленчатый вал. [55]
{{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь ) ; Отсутствует или пусто |title=( помощь ){{citation}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{citation}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{citation}}: CS1 maint: location missing publisher (link)