Коленчатый вал является одним из наиболее нагруженных, напряжённых и дорогостоящих элементов двигателя внутреннего сгорания. Действие газовых и инерционных сил формирует значительные скручивающие, а также изгибающие напряжения в коленчатом валу. Помимо этого, периодическое изменение крутящих моментов вызывает его крутильные колебания.
Форма коленчатого вала имеет прямую зависимость не только от количества и расположения цилиндров, но и от тактности и порядка работы двигателя [рис. 1].
Рис. 1. Схема работы кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания.
а) – Четырёхцилиндровый рядный двигатель;
б) – Шестицилиндровый рядный двигатель;
в) – V-образный шестицилиндровый двигатель;
г) – V-образный восьмицилиндровый двигатель.
У четырёхцилиндровых двигателей кривошипы валов располагаются симметрично: первое и четвёртое колена направлены в одну стороны, а второе и третье – в противоположные, то есть смещены относительно первой пары на 180 градусов [рис. 1, а)]. Расположение кривошипов в рядных шестицилиндровых двигателях также попарно симметричное (1 и 6, 2 и 5, 3 и 4), а пары колен развёрнуты под углом 120 градусов, что позволяет равномерно чередовать рабочие ходы в отдельных цилиндрах, а также уравновешивает силы инерции [рис. 1, б)].
Рядные двигатели современных грузовых автомобилей комплектуются полноопорными коленчатыми валами, где коренные подшипники расположены с обеих сторон шатунной шейки. В рядных тракторных двигателях (А-01, Д-240, А-41 и прочие) коленчатые валы также имеют полноопорное исполнение. Данная форма коленчатого вала позволяет снизить напряжения и изгибающие моменты.
Коренные опоры коленчатого вала в V-образных двигателях размещают через отсек двух цилиндров, чьи шатуны опираются на одну шейку вала (ЗМЗ-35, ЗИЛ-130, СМД-60 и все двигатели КамАЗ и ЯМЗ). Коленчатые валы V-образных двигателей (в сравнении с рядными двигателями) не только короче, но и менее чувствительны к крутильным колебаниям [рис. 1, в) и г)].
Коленчатые валы современных двигателей изготавливаются посредством штамповки из стали либо отливки из специальных чугунов. Штампованные коленчатые валы производятся из среднеуглеродистых и марганцовистых сталей (двигатели ЗИЛ-130, СМД-60, КамАЗ, ЯМЗ, Д-240), а также легированных сталей для модификаций данных двигателей с турбонаддувом. Широкое применение в автомобильных карбюраторных двигателях (ВАЗ, ЗМЗ и прочие) нашли литые коленчатые валы, изготовленные из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Литые коленчатые валы имеют меньшую массу и сравнительно низкую стоимость производства. Включённый в структуру чугуна графит не только улучшает антифрикционные свойства, но уменьшает износ шеек. С целью повышения долговечности и износостойкости коренных и шатунных шеек коленчатых валов из стали их поверхности подвергают термообработке посредством закалки ТВЧ (токи высокой частоты), с последующей шлифовкой и полировкой.
Коленчатый вал [рис. 2] включает в себя следующие основные элементы: коренные шейки (1), которыми вал опирается на расположенные в блок-картере коренные подшипники; шатунные шейки (11); щёки (2) и (12), связывающие коренные и шатунные шейки; носок (переднего конца) и хвостовик (заднего конца). Переход от рабочей поверхности шейки к щеке должен быть плавным – галтель (13). Противовесы (14), установленные на щеках коленчатого вала, служат для разгрузки коренных подшипников от центробежных сил инерции.
Рис. 2. Коленчатые валы.
а) – Коленчатый вал дизельного двигателя Д-240:
1) – Коренная шейка;
2) – Щека;
3) – Упорные полукольца;
4) – Нижний вкладыш пятого коренного подшипника;
5) – Маховик;
6) – Маслоотражательная шайба;
7) – Установочный штифт;
8) – Болт;
9) – Зубчатый венец;
10) – Верхний вкладыш пятого коренного подшипника;
11) – Шатунная шейка;
12) – Щека;
13) – Галтель;
14) – Противовес;
15) – Болт крепления противовеса;
16) – Замковая шайба;
17) – Шестерня коленчатого вала;
18) – Шестерня привода масляного насоса;
19) – Упорная шайба;
20) – Болт;
21) – Шкив;
22) – Канал подвода масла в полость шатунной шейки;
23) – Пробка;
24) – Полость в шатунной шейке;
25) – Трубка для чистого масла;
б) – Упорный подшипник коленчатого вала карбюраторных двигателей:
1) – Сальник;
2) – Пылеотражатель;
3) – Шкив;
4) – Ступица;
5) – Храповик;
6) – Коленчатый вал;
7) – Крышка распределительных шестерён;
8) – Штифт;
9) – Блок-картер;
10) – Задняя неподвижная шайба;
11) – Передняя неподвижная шайба;
12) – Шпонка;
13) – Вкладыш;
14) – Крышка коренного подшипника;
15) – Штифт;
16) – Упорная вращающаяся шайба;
17) – Распределительная шестерня;
18) – Маслоотражатель;
в) – Коленчатый вал дизельного двигателя ЯМЗ-240Б:
1) – Коренная шейка;
2) – Шатунная шейка;
3) – Роликоподшипник.
На носке коленчатого вала закрепляется одна либо две (двигатель Д-240) шестерни (17) и (18), которые передают вращение газораспределительному механизму и прочим механизмам двигателя, маслоотражательная шайба (6) и шкив (21) привода вентилятора. В двигателях ЗМЗ-53, ЗИЛ-130 и прочих на конце носка смонтирован храповик для проворачивания коленчатого вала посредством специальной рукоятки. На хвостовике коленчатого вала (за задним коренным подшипником) на некоторых двигателях выполнена маслосгонная резьба. Передний и задний концы коленчатого вала (в местах выхода из блок-картера) уплотнены сальниками.
С целью снижения массы коленчатого вала в высокооборотных двигателях шатунные шейки изготавливаются полыми. Данная полость (24) [рис. 2, а)] служит для центробежной очистки масла, которое поступает к шатунным шейкам. При увеличении относительных диаметров коренных и шатунных шеек возникает перекрытие шеек. Особенно большое перекрытие получается в низкооборотных двигателях. И в данном случае полости (19) [рис. 3] в шатунных шейках размещают наклонно. Жёсткость коленчатого вала возрастает с увеличением перекрытия шеек.
Рис. 3. Кривошипно-шатунный механизм дизельного двигателя СМД.
1) – Шкив коленчатого вала;
2) – Шестерня привода масляного насоса;
3) – Коленчатый вал;
4) – Шатун;
5) – Втулка верхней головки шатуна;
6) – Поршень;
7) – Стопорное кольцо;
8) – Поршневой палец;
9) – Расширитель;
10) – Поршневое маслосъёмное кольцо;
11) – Поршневые компрессионные кольца;
12) – Вкладыши коренных подшипников;
13) – Упорные полукольца;
14) – Маховик коленчатого вала;
15) – Гайка;
16) – Фланец крепления маховика;
17) – Маслоотражатель;
18) – Шестерня привода газораспределения;
19) – Масляная полость шатунной шейки;
20) – Шатунный болт;
21) – Крышка нижней головки шатуна;
22) – Вкладыш шатунного подшипника;
23) – Противовес;
24) – Маслоотражатель.
У большей части двигателей в коленчатом валу выполняются сверления для подвода масла к шатунным и коренным подшипникам.