Что такое коленвал и зачем он в двигателе

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания на первый взгляд прост. Газ, который выделяется при горении топлива, расширяясь, толкает поршень в цилиндре. Но тот ходит по цилиндру вверх и вниз, а как тогда вращать колёса? Для преобразования одного вида движения в другое и существует коленвал. Разбираем, как он устроен и работает.

Название «коленвал» складывается из двух слов — «колено» и «вал». Вторая часть подразумевает, что эта деталь при работе вращается. Однако коленвал не похож на обычные валы, представляющие собой длинные цилиндры. Скорее это набор коротких цилиндров (их называют шейками), соединённых в определённом порядке. При этом часть шеек расположены на воображаемой оси коленвала, а другие смещены относительно неё на определённое расстояние. Первые называют коренными, вторые — шатунными. 

Между собой шейки соединяются «щёками» — массивными деталями, которые вместе с шатунной шейкой между ними образуют то самое «колено» из первой части названия. Чтобы компенсировать массу смещённой относительно оси коленвала шейки и не допустить появления дисбаланса при вращении, с противоположной от неё стороны на шейках предусмотрены противовесы.

Ещё на одном конце коленвала обычно делают шестерню для привода газораспределительного механизма, а на другом — широкий фланец, к которому прикручивается тяжёлый диск, называемый маховиком. Как он выглядит и зачем нужен, мы рассказывали в отдельной статье.

Коленвал — часть кривошипно-шатунного механизма (КШМ), преобразующего линейное движение во вращение. Очень упрощённо работу КШМ можно представить, если посмотреть на велосипед.

Велосипедист просто давит на педали (именно давит, то есть придаёт поступательное движение) — по сути делая то же самое, что поршни в цилиндрах. А педали, их рычаги и ведущая звёздочка с осью преобразуют его усилия во вращение колеса.

Конечно, в двигателе всё намного сложнее. Здесь есть поршни и шатуны, которые крепятся к ним через «пальцы» (втулки) верхней частью. Шатуны выполняют ту же роль, что велосипедные педали. Их нижняя часть соединяется с шатунными шейками коленвала, смещение которых и образует рычаг, нужный для преобразования линейного движения во вращение.

Когда в цилиндрах начинает сгорать смесь, поршни по очереди через шатуны давят на шатунные шейки коленвала, а те под действием этой силы заставляют его вращаться на оси коренных шеек. Когда конкретный поршень доходит до нижней мёртвой точки (то есть занимает самое нижнее положение в цилиндре), инерция коленвала, установленного на нём маховика и работа других поршней позволяет ему вернуться вверх.

После этого цикл начинается заново: снова взрыв, движение вниз, полезная работа и возврат обратно. Чем больше в двигателе цилиндров, тем плавнее работа двигателя.

Здесь надо вернуться к коренным шейкам детали. Вот они уже находятся на одной оси и служат для соединения коленвала с блоком цилиндров двигателя. В самом простом варианте коренных шеек две — на разных концах коленвала. Но обычно их больше, поскольку деталь очень массивная и высоконагруженная.

Чтобы вал легко вращался, ему нужны подшипники. Но как их надеть на коренные (да и шатунные) шейки, расположенные между «щеками»? С обычным подшипником это сделать невозможно, поэтому в конструкции ДВС используются специальные — их называют вкладышами. Это детали, сделанные из стальной ленты в виде полуколец, покрытые специальным сплавом с хорошими антифрикционными свойствами. Обычно на основе меди и свинца. Два вкладыша образуют полное кольцо, которое обхватывает шейку с маленьким зазором. Получается подшипник скольжения.

Главное, что ему нужно, — хорошая и постоянная смазка, роль которой выполняет моторное масло. Причём оно подаётся в зазор между вкладышами и коленвалом под давлением — по каналам, пролегающим внутри вала. И это давление должно быть настолько большим, чтобы масло при работе двигателя постоянно заполняло весь зазор — образуется так называемый масляный клин. То есть коленвал фактически не касается неподвижных частей, за счёт этого вращается намного легче и практически не изнашивается.

Если говорить о современных двигателях, коленчатые валы в них сделаны либо из чугуна, либо из стали. В первом случае применяется метод литья в оболочковых формах. Литые коленвалы встречаются всё реже, в основном на ДВС с малым рабочим объёмом и невысокой степенью сжатия (читай, малонагруженных).

Стальные валы изготавливают из железного прутка методом прокатной ковки. Они получаются более компактными, лёгкими и дешёвыми, поэтому именно такие сегодня чаще всего используют в автомобильных двигателях.

Крайне редки коленвалы, созданные с использованием механической обработки на токарных и фрезерных станках. Такой способ хорош тем, что позволяет делать детали из сталей более высокого качества, но мехобработка сильно удорожает процесс.

Несмотря на высокую нагруженность, ресурс коленвала довольно велик — обычно это не менее 200 000 километров при своевременном обслуживании и разумной эксплуатации двигателя. Тем не менее ремонт коленвала — стандартная процедура, хотя не простая и не дешёвая. О серьёзных проблемах с коленвалом владельцы узнают по металлическому стуку в нижней части двигателя.

Наиболее частая неисправность — износ шеек, прежде всего шатунных, которые сложнее смазывать. Если масла не хватало, оно было плохого качества или нагрузки превышали расчётные, на поверхности шеек возникают локальные перегревы, выработка и даже задиры.

Проблема решается с помощью шлифовки поверхности шеек до меньшего (ремонтного) диаметра и установки новых вкладышей соответствующего размера. Если геометрия сильно нарушена (шейка стала овальной) или задиры глубокие, могут отшлифовать и «через размер». В отдельных случаях (обычно на грузовой или строительной технике) могут применять и наплавку металла, но, учитывая необходимость последующей проточки, это экономически не всегда оправдано (иногда новый коленвал ненамного дороже).

Несмотря на всю массивность коленвала, в неисправном двигателе он может согнуться. Поэтому проверка возможного изгиба тоже входит в дефектовку. Для этого вал кладут крайними коренными шейками на две призмы, которые смонтированы на единой металлической плите. Прогиб (если есть) фиксируют с помощью стрелочного индикатора на средней шейке, медленно вращая вал. Для двигателей легковых автомобилей его максимально допустимая величина составляет всего 0,05 мм. Если значение больше, прогиб можно попробовать выправить на прессе.

Двигатели внутреннего сгорания далеко не сразу пришли к стандартам, по которым они строятся сейчас. На заре автомобильной эры и даже десятки лет спустя инженеры не переставали экспериментировать с конструкцией силового агрегата. В том числе — с устройством, конфигурацией и даже количеством коленвалов. 

К примеру, под занавес XIX века компания Lanchester, которую основал Карл Бенц, создала оппозитный ДВС с двумя коленвалами (Flat-Twin). По сути, это была пара моторов, подобных установленному на первом автомобиле, которые были объединены в блок. При этом каждый из поршней имел основной шатун, который крепился к одному валу, и два более тонких, соединявшихся с другим. Конструкция получилась сложная, но использовалась не только Бенцом (на автомобилях марки Lanchester), но и Генри Фордом.

Спустя несколько лет русский инженер Корейво развернул эту схему наоборот — поршнями друг к другу, которые двигались навстречу в одном «длинном» цилиндре. А пара коленвалов были механически синхронизированы. При двухтактном цикле это обеспечивало хорошее наполнение и продувку цилиндров — как следствие, мощность была выше, а расход топлива меньше. 

Схема со встречным движением поршней оказалась более жизнеспособной — её использовали в танковых и судовых двигателях даже после Второй мировой войны. 

Интересна и идея конструктора отечественных поршневых двигателей внутреннего сгорания Сергея Баландина. Он предложил расположить 4 цилиндра перпендикулярно друг другу, а поршни попарно связать жёсткими штырями с коленвалом. Такой двигатель не имел шатунов в привычном виде, он так и назывался — бесшатунный. Его главное преимущество — отсутствие боковых нагрузок на поршни и стенки цилиндров. Зато коленвал у такого мотора не вращается в коренных подшипниках, а движется по замысловатой траектории — и сам имеет сложную конструкцию. Из-за высоких требований к точности изготовления деталей и общей ненадёжности двигателя такая схема распространения не получила. 

Фото на обложке: DC Studio (FreePik)