Коленчатый вал — это механический компонент, используемый в поршневом двигателе для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение . Коленчатый вал — это вращающийся вал, содержащий одну или несколько шатунных шейк , [1] которые приводятся в движение поршнями через шатуны . [2]
Шатунные шейки также называются шатунными шейками , и они вращаются внутри «большой головки» 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 расположен внутри блока двигателя и удерживается на месте с помощью коренных подшипников , которые позволяют коленчатому валу вращаться внутри блока. [3] Движение вверх-вниз каждого поршня передается на коленчатый вал через шатуны . [4] Маховик часто прикрепляется к одному концу коленчатого вала, чтобы сгладить подачу мощности и уменьшить вибрацию. [5]
Коленчатый вал подвергается огромным нагрузкам, в некоторых случаях более 8,6 тонн (19 000 фунтов) на цилиндр. [6] Коленчатые валы для одноцилиндровых двигателей обычно имеют более простую конструкцию, чем для двигателей с несколькими цилиндрами.
Коленчатый вал может вращаться в блоке двигателя благодаря «главным подшипникам ». Поскольку коленчатый вал подвергается воздействию больших горизонтальных и крутящих сил от каждого цилиндра, эти главные подшипники расположены в разных точках вдоль коленчатого вала, а не только по одному на каждом конце. [7] Количество главных подшипников определяется на основе общего коэффициента нагрузки и максимальной скорости двигателя. Коленчатые валы в дизельных двигателях часто используют главный подшипник между каждым цилиндром и на обоих концах коленчатого вала из-за высоких сил сгорания. [8]
Изгиб коленчатого вала был фактором, повлиявшим на замену рядных восьмицилиндровых двигателей двигателями V8 в 1950-х годах; длинные коленчатые валы последних страдали от неприемлемого изгиба, когда конструкторы двигателей начали использовать более высокие степени сжатия и более высокие обороты двигателя (RPM). [9]
Расстояние между осью шатунных шеек и осью коленчатого вала определяет длину хода поршня двигателя. [1]
Большинство современных автомобильных двигателей классифицируются как «сверхквадратные» или короткоходные, [ требуется ссылка ] , где ход поршня меньше диаметра отверстия цилиндра . Распространенным способом увеличения крутящего момента на низких оборотах двигателя является увеличение хода поршня, иногда называемое «ходом» двигателя. Исторически компромиссом для 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 работы цилиндров двигателя . [11] [12]
Большинство серийных двигателей V8 (таких как двигатель Ford Modular и двигатель General Motors LS ) используют коленчатый вал с крестообразным расположением кривошипа , при котором кривошипы разнесены на 90 градусов. [13] Однако некоторые высокопроизводительные двигатели V8 (такие как Ferrari 488 ) [14] [15] вместо этого используют коленчатый вал с плоским расположением кривошипа , при котором кривошипы разнесены на 180 градусов, что по сути приводит к тому, что два рядных четырехцилиндровых двигателя используют общий картер. Двигатели с плоским расположением кривошипа обычно способны работать на более высоких оборотах, однако у них более высокие вибрации второго порядка, [16] поэтому они лучше подходят для двигателей гоночных автомобилей. [17]
Для некоторых двигателей необходимо предусмотреть противовесы для возвратно-поступательной массы поршня, шатунов и коленчатого вала, чтобы улучшить балансировку двигателя . [18] [19] Эти противовесы обычно отливаются как часть коленчатого вала, но иногда представляют собой детали, привинчиваемые болтами. [ необходима цитата ]
В некоторых двигателях коленчатый вал содержит прямые связи между соседними шатунными шейками , без обычного промежуточного главного подшипника. Эти связи называются летающими рычагами . [20] : 16, 41 Такое расположение иногда используется в двигателях V6 и V8 , чтобы поддерживать равномерный интервал зажигания при использовании разных углов V и уменьшить количество требуемых главных подшипников. Недостатком летающих рычагов является то, что жесткость коленчатого вала снижается, что может вызвать проблемы при высоких оборотах или высокой выходной мощности. [21]
В большинстве двигателей каждый шатун прикреплен к одному коленчатому валу, что приводит к изменению угла шатуна по мере того, как поршень движется по своему ходу. Это изменение угла толкает поршни к стенке цилиндра, что вызывает трение между поршнем и стенкой цилиндра. [22] Чтобы предотвратить это, некоторые ранние двигатели — такие как двухцилиндровые двигатели Lanchester Engine Company 1900–1904 годов — соединяли каждый поршень с двумя коленчатыми валами, которые вращаются в противоположных направлениях. Такое расположение устраняет боковые силы и снижает потребность в противовесах. Такая конструкция используется редко, однако аналогичный принцип применяется к балансировочным валам , которые иногда используются.
Коленчатые валы могут быть созданы из стального прутка с помощью прокатки . Сегодня производители, как правило, отдают предпочтение использованию кованых коленчатых валов из-за их меньшего веса, более компактных размеров и лучшего собственного демпфирования. [23] В кованых коленчатых валах в основном используются ванадиевые микролегированные стали, поскольку эти стали могут охлаждаться воздухом после достижения высокой прочности без дополнительной термической обработки, за исключением поверхностной закалки поверхностей подшипников. Низкое содержание легирующих элементов также делает материал более дешевым, чем высоколегированные стали. Углеродистые стали также требуют дополнительной термической обработки для достижения желаемых свойств.
Другой метод строительства — отливка коленчатого вала из ковкого чугуна. Чугунные коленчатые валы сегодня в основном встречаются 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, образующиеся во время литья) не следует форме коленчатого вала (что нежелательно), это обычно не является проблемой, поскольку можно использовать более качественные стали, которые обычно трудно поддаются ковке. В расчете на единицу 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. Однако, поскольку не требуется дорогостоящая оснастка, этот метод производства позволяет производить небольшие партии без высоких первоначальных затрат.
Самые ранние ручные кривошипные механизмы появились в Китае во времена династии Хань (202 г. до н. э. — 220 г. н. э.). Они использовались для наматывания шелка, прядения пеньки, для сельскохозяйственных веялок , в водяных просеивателях для муки, для гидравлических металлургических мехов и в колодезных лебедках . [26] Были обнаружены керамические модели с веялками, приводимыми в действие кривошипом, датируемые династией Западная Хань (202 г. до н. э. — 9 г. н. э.). [27] [26] Роторный веяльный вентилятор значительно повысил эффективность отделения зерна от шелухи и стеблей. [28] [29] Китайцы использовали кривошипно-шатунный механизм в древних взрывных аппаратах, текстильных машинах и сельскохозяйственных машинах не позднее династии Западная Хань (202 г. до н. э. — 9 г. н. э.). В конечном итоге кривошипно-шатунные механизмы стали использоваться для взаимного преобразования или вращательного и возвратно-поступательного движения в других областях, таких как просеивание муки, прялка с ножным приводом, водяные печные мехи и шелкомотальные машины. [30] [26]
У древних египтян были ручные дрели, напоминающие рукоятку, во времена Древнего царства (2686–2181 гг. до н. э.) и даже иероглиф для обозначения инструмента. [31] Однако древнеегипетская дрель не работала как настоящая рукоятка. [32]
Более поздние свидетельства использования кривошипа в сочетании с шатуном в машине появляются на древнегреческой лесопилке в Иераполе в Римской Азии с 3-го века н. э. и на двух каменных лесопилках в Герасе , Римская Сирия , и Эфесе , Греческая Иония под Римом (обе с 6-го века н. э.). [33] На фронтоне мельницы в Иераполе показано водяное колесо , питаемое мельничным шкивом, которое через зубчатую передачу приводит в действие две рамные пилы , которые режут прямоугольные блоки с помощью неких шатунов и, по механической необходимости, кривошипов. Сопроводительная надпись на греческом языке . [34] Механизмы кривошипа и шатуна двух других археологически подтвержденных лесопилок работали без зубчатой передачи. [35] [36]
Кривошип появляется в середине IX века в нескольких гидравлических устройствах, описанных братьями Бану Муса в их «Книге гениальных устройств» . [37] Однако эти устройства совершали лишь частичные вращения и не могли передавать большую мощность, [38] хотя для преобразования его в коленчатый вал потребовалась бы лишь небольшая модификация. [39]
Аль-Джазари (1136–1206) описал систему кривошипа и шатуна во вращающейся машине в двух своих водоподъемных машинах. [40] Его двухцилиндровый насос включал коленчатый вал. [41] Кривошип позже также описывается в арабской рукописи начала XV века «Механика» Герона Александрийского . [ 42]
Первые вращающиеся ручные мельницы, или вращающиеся жернова, появились в Испании (600 г. до н.э. – 500 г. до н.э.), [44] [45] прежде, чем они распространились на Восток. [44] [45] Ручка около внешнего края вращающейся части представляла собой кривошип [44] [25] [46] , а человеческая рука, приводящая в движение вращение, была шатуном. [44]
Механизм Антикитеры, датируемый примерно 200 г. до н.э., [47] [48] использовал рукоятку как часть своего механизма. [49] Рукоятка использовалась для ручного ввода дат. [50]
Доказательства использования кривошипа в сочетании с шатуном встречаются на древнегреческой мельнице в Иераполе , датируемой 3 веком н. э. во времена Римской империи; они также встречаются на каменных лесопилках в римской Сирии и Эфесе , греческой Ионии под Римом, датируемых 6 веком. [43] На фронтоне мельницы в Иераполе изображено водяное колесо, приводимое в действие мельничным шкивом, приводящим в действие через зубчатую передачу две рамные пилы , которые режут блоки с помощью своего рода шатунов и кривошипов. [34] Механизмы кривошипа и шатунов двух других археологически подтвержденных лесопилок работали без зубчатой передачи. [35] [51]
Римская железная рукоятка, датируемая II веком н. э., была найдена при раскопках в Аугусте Раурике , Швейцария . [52] [53] Римская мельница с кривошипным приводом датируется концом II века. [54]
Водяные пилы для мрамора в Германии упоминались поэтом конца IV века Авзонием ; [43] примерно в то же время эти типы мельниц, по-видимому, также упоминались греческим святым Григорием Нисским из Анатолии . [55] [43] [56]
Вращающийся точильный камень [57], приводимый в действие кривошипной рукояткой, показан в каролингской рукописи Утрехтской Псалтири ; рисунок пером около 830 года восходит к позднеантичному оригиналу. [58] Рукоятки, используемые для вращения колес, также изображены или описаны в различных работах, датируемых десятым-тринадцатым веками. [57] [59]
Первые изображения составного кривошипа в плотницком ремне появляются между 1420 и 1430 годами в североевропейском искусстве. [60] Быстрое принятие составного кривошипа можно проследить в работах неизвестного немецкого инженера, писавшего о состоянии военных технологий во время гуситских войн: во-первых, вновь появился шатун, применяемый к кривошипам; во-вторых, двухсоставные кривошипы также начали оснащаться шатунами; и, в-третьих, для этих кривошипов использовался маховик, чтобы они проходили через «мертвую точку». [61] Концепция была значительно улучшена итальянским инженером и писателем Роберто Вальтурио в 1463 году, который изобрел лодку с пятью наборами, где все параллельные кривошипы были соединены с одним источником энергии одним шатуном, идея также была подхвачена его соотечественником итальянским художником Франческо ди Джорджио . [62]
Кривошип стал обычным явлением в Европе к началу XV века, как видно из работ военного инженера Конрада Кейзера (1366–после 1405). [63] [64] Устройства, изображенные в Bellifortis Кейзера, включают в себя кривошипные лебедки для натяжения осадных арбалетов, кривошипную цепь ведер для подъема воды и кривошипы, прикрепленные к колесу колоколов. [64] Кейзер также оснастил винты Архимеда для подъема воды рукояткой кривошипа, нововведение, которое впоследствии заменило древнюю практику работы с трубой путем наступания. [65]
Пизанелло нарисовал поршневой насос, приводимый в движение водяным колесом и работающий при помощи двух простых кривошипов и двух шатунов. [61] В XV веке также появились коленчатые реечные устройства, называемые кран-буксами, которые устанавливались на ложе арбалета в качестве средства приложения еще большей силы при натяжении метательного оружия. [66] В текстильной промышленности были введены коленчатые катушки для намотки мотков пряжи. [64]
Псалтырь Латтрелла , датируемый примерно 1340 годом, описывает точильный камень, который вращался двумя кривошипами, по одному на каждом конце его оси; ручная мельница с зубчатой передачей, работающая либо с одним, либо с двумя кривошипами, появилась позднее, в 15 веке. [64] Около 1480 года раннесредневековый вращающийся точильный камень был усовершенствован с помощью ножного и кривошипного механизма. Кривошипы, установленные на ручных тележках, впервые появляются на немецкой гравюре 1589 года. [67]
В 9 веке в Багдаде Аббасидов автоматические кривошипы появляются в нескольких гидравлических устройствах, описанных братьями Бану Муса в « Книге гениальных устройств» . [37] Эти автоматические кривошипы появляются в нескольких устройствах, два из которых содержат действие, которое приближается к действию коленчатого вала, за пять столетий до самого раннего известного европейского описания коленчатого вала. Однако автоматический кривошипный механизм, описанный Бану Муса, не позволял бы совершать полный оборот, но для его преобразования в коленчатый вал требовалась лишь небольшая модификация. [39]
В султанате Артукидов арабский инженер Исмаил аль-Джазари (1136–1206) описал систему кривошипа и шатуна во вращающейся машине для двух своих водоподъемных машин, [40] которые включают в себя как кривошипный, так и вальный механизмы. [68]
Итальянский врач Гвидо да Виджевано ( ок. 1280 – ок. 1349 ), планируя новый Крестовый поход , создал иллюстрации гребной лодки и военных повозок, которые приводились в движение вручную вращающимися составными кривошипами и зубчатыми колесами [69] , которые Линн Таунсенд Уайт идентифицировала как ранний прототип коленчатого вала . [70]
Коленчатые валы были описаны Леонардо да Винчи (1452–1519) [40] и голландским фермером и владельцем ветряной мельницы по имени Корнелис Корнелис ван Эйтгест в 1592 году. Его ветряная лесопилка использовала коленчатый вал для преобразования кругового движения ветряной мельницы в возвратно-поступательное движение, приводящее в действие пилу. Корнелис получил патент на свой коленчатый вал в 1597 году.
Начиная с XVI века, свидетельства использования кривошипов и шатунов, интегрированных в конструкцию машин, становятся обильными в технологических трактатах того периода: в работе Агостино Рамелли «Разнообразные и искусственные машины» 1588 года описывается восемнадцать примеров, число которых увеличивается в работе «Theatrum Machinarum Novum» Георга Андреаса Бёклера до 45 различных машин. [71] Кривошипы были обычным явлением на некоторых машинах в начале XX века; например, почти все фонографы до 1930-х годов работали от часовых двигателей, заводимых кривошипами. Двигатели с возвратно-поступательным движением поршня используют кривошипы для преобразования линейного движения поршня во вращательное движение. Двигатели внутреннего сгорания автомобилей начала XX века обычно запускались с помощью ручных кривошипов, прежде чем электрические стартеры стали широко использоваться.
Из-за находок в Эфесе и Герасе изобретение кривошипно-шатунной системы пришлось перенести с XIII на VI в.; теперь рельеф из Иераполя отодвигает его еще на три столетия назад, что подтверждает, что каменные пилорамы с водяным приводом действительно использовались, когда Авзоний писал свой трактат «Мозелла».
{{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{citation}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{citation}}
: CS1 maint: location missing publisher (link)