Зачем на ось коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания насаживают маховик

Зачем на ось коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания насаживают маховик?

las profundidades del alma de todos: &quot;Cuando voy a la escuela, no miro a mi alrededor porque no hay nada que mirar. El camino dura 15 minutos. Estoy caminando por caminos estrechos y resbaladizos, pasando por la tienda pyaterochka y pasando por su enorme basurero, luego pasando por otro basurero, de pie cerca de los edificios de apartamentos. Ella hace alarde justo en el medio de la carretera, y siempre está llena y siempre está humeante. <br>

las profundidades del alma de todos: &quot;Cuando voy a la escuela, no miro a mi alrededor porque no hay nada que mirar. El camino dura 15 minutos. Estoy caminando por caminos estrechos y resbaladizos, pasando por la tienda pyaterochka y pasando por su enorme basurero, luego pasando por otro basurero, de pie cerca de los edificios de apartamentos. Ella hace alarde justo en el medio de la carretera, y siempre está llena y siempre está humeante. Paso por el patio de la escuela número 682, recorriendo grupos de madres fumadoras que discuten en voz alta sobre la escuela. Pasan los conserjes con palas, de las que esquivo, los niños se apresuran con enormes mochilas y los gatos caminan. Son divertidos y hermosos. En el otoño eran gatitos. Me interesa verlos crecer. Las palomas se sientan en los cables y, probablemente, discuten si todo está bien. A veces veo palomas muertas y lloro.<br>

No me gusta el camino a la escuela. Me gusta salir de la escuela, especialmente los viernes. No me doy cuenta de nada malo. ¡Veo niños divertidos, hermosos cielos de Moscú en cualquier clima y maravillosos caminos, maravillosos parques infantiles y deportivos, grúas de construcción y pájaros en el cielo!»

1)3d моделирование – это метод представления объемных фигур при специальных компьютерных программ – графических 3d редакторов

2)Воно широко застосовується в наступних галузях:

3)Розрізняють векторні, растрові і гібридні інструменти для роботи з графікою. Їх можливості відрізняються і часто взаємодоповнюють один одного. З до векторних редакторів створюють логотипи, іконки, карти, технічні ілюстрації, діаграми, блок-схеми. Коротко охарактеризуємо кращих представників цього напряму в opensource.

Маховик и поддон картера. Подвеска двигателя.

Маховик представляет собой массивный диск, отливаемый из чугуна. Он повышает равномерность вращения коленчатого вала, что особенно важно при малой частоте вращения, и передает крутящий момент трансмиссии автомобиля. Изготовлен маховик из чугуна. На обод маховика напрессован стальной зубчатый венец, предназначенный для вращения коленчатого вала стартером при пуске двигателя.

На некоторых двигателях на маховик наносят метки или запрессовывают в него стальной шарик, по которому устанавливают поршень первого цилиндра в ВМТ и проверяют установку зажигания.

Поддон, или нижняя часть картера, предохраняет от попадания в него пыли и грязи и служит резервуаром для масла. Его штампуют из листовой стали или отливают из легкого сплава. Поддон крепится болтами или шпильками, плоскость разъема уплотняется пробковой прокладкой и располагается ниже оси коленчатого вала, что повышает жесткость картера.

Подвеску двигателя к раме делают в трех или четырех точках. В качестве опор к блоку двигателя приворачивают специальные кронштейны (лапы). Задними опорами иногда служат лапы картера сцепления или удлинитель коробки передач. Под опоры устанавливают резиновые подушки или пружины. Это уменьшает вибрации двигателя из–за неравномерности крутящего момента и неполной уравновешенности вращающихся масс, смягчает удары, передаваемые от рамы к двигателю при движении автомобиля по неровной дороге.

Подвеска двигателя на эластичных опорах имеет ограничители продольного перемещения, их выполняют в виде тяги или скобы. Часто для фиксации двигателя относительно рамы используют реактивные тяги.

Механизм газораспределения

Механизм газораспределения предназначен для своевременного впуска в цилиндры воздуха (дизели) или горючей смеси (карбюраторные и газовые двигатели) и выпуска из них отработавших газов. Механизм газораспределения может иметь верхнее расположение клапанов (в головке цилиндров) или нижнее (в блоке цилиндров). В современных автомобильных двигателях применяют механизм газораспределения с верхним расположением клапанов, которое позволяет получить компактную камеру сгорания, обеспечить лучшее наполнение цилиндров горючей смесью и облегчить регулировку тепловых зазоров.

Рисунок 3.7. – Механизм газораспределения:

1 – шестерня распределительного вала, 2 – упорный фланец, 3 – распорное кольцо, 4 – опорные шейки, 5 – эксцентрик привода топливного насос, 6 – кулачки выпускных клапанов, 7 – кулачки впускных клапанов, 8 – втулки, 9 – впускной клапан, 10 –направляющая втулка, 11 – упорная шайба, 12 – пружина, 13 – ось коромысел, 14 – коромысло, 15 – регулировочный винт, 16 –стойка оси коромысел, 17 – механизм поворота выпускного клапана, I8 – выпускной клапан, 19 – штанга, 20 – толкатели, 21 – шестерня привода масляного насоса и прерывателя–распределителя

Механизм газораспределения с верхним расположением клапанов.

На рисунке показан механизм газораспределения двигателя ЗИЛ–130. Усилие от кулачков 6 и 7 распределительного вала через толкатели 20, штанги 19 и коромысла 14 передается клапанам, которые открываются, сжимая пружины 12. Закрытие клапанов происходит под действием сжатых пружин. На общем для обоих рядов цилиндров распределительном вале имеются также шестерни 21 привода масляного насоса и прерывателя–распределителя, а также эксцентрик 5 привода топливоподкачивающего насоса. Распределительный вал расположен в блоке цилиндров и шестерней 1 приводится от коленчатого вала; частота вращения распределительного вала должна быть в два раза меньше частоты вращения коленчатого вала.

Для ограничения осевых перемещений распределительного вала между шестерней 1 и передней опорной шейкой 4 установлено распорное кольцо 3, которое обеспечивает зазор (0,1 – 0,2 мм) между упорным фланцем 2 и шестерней 1.

Механизм газораспределения дизеля также имеет один распределительный вал 1 с шестерней привода 17, установленной на заднем конце вала.

Рисунок 3.8. – Детали механизма газораспределения:

1 – распределительный вал, 2 – толкатель, 3 – направляющая толкателей, 4 – штанга, 5 – регулировочный винт, 6 – коромысло, 7 – контргайка, 8 – втулка, 9 – тарелка, 10 – пружина внутренняя, 11 – пружина наружная, 12– шайба, 13 – сухарь, 14 – впускной клапан, 15 – выпускной клапан, 16 – фланец, 17 – шестерня.

Стальной распределительный вал установлен в развале блока цилиндров на пяти подшипниках скольжения.

Осевое перемещение вала ограничено корпусом заднего подшипника, в торцы которого с одной стороны упирается ступица шестерни 17, а с другой – упорный бурт задней опорной шейки вала.

Стальные толкатели 2 грибкового типа пустотелые с цилиндрической направляющей частью. Тарелка толкателя имеет наплавку отбеленным чугуном.

Направляющая 3 толкателей делается съемной, общей для четырех толкателей, что облегчает ее ремонт. Впускной 14 и выпускной 15 клапаны изготовлены из жаропрочной стали. Стержни клапанов на длине 120 мм от верхнего торца покрыты графитом для лучшей переработки. Во время работы двигателя клапаны поворачиваются относительно седла за счет специальной конструкции разъемного соединения (втулка 8 – тарелка 9), что повышает продолжительность их эксплуатации без ремонта.

Какую роль играет маховик в двигателе внутреннего сгорания кратко

Двигатель внутреннего сгорания — это тепловой двигатель, топливо в котором сгорает прямо в цилиндре внутри самого двигателя.

2. Пользуясь рисунком 26, расскажите, из каких основных частей состоит простейший двигатель внутреннего сгорания.

Простейший двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень, соединенный внизу шатуном с коленчатым валом. Два клапана в верхней части цилиндра открываются и закрываются автоматически в нужные моменты. Один клапан служит для подачи в цилиндр горючей смеси, воспламеняющейся от свечи, другой клапан выпускает отработавшие газы.

3. За сколько ходов, или тактов, происходит один рабочий цикл двигателя? Сколько оборотов делает при этом вал двигателя?

Рабочий цикл двигателя происходит за четыре хода (такта) поршня, при этом коленчатый вал делает два оборота.

4. Какие процессы происходят в двигателе в течение каждого из четырёх тактов? Как называют эти такты?

Такты поршня имеют названия в соответствии с происходящими в них процессами: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Впуск — поршень движется вниз, в цилиндре создается разряжение, открывается клапан и в цилиндр поступает горючая смесь, клапан закрывается, коленчатый вал совершает пол-оборота. Сжатие — коленчатый вал продолжает поворот, поршень движется вверх и сжимает горючую смесь, она воспламеняется от искры и быстро сгорает. Рабочий ход — поршень под давлением газов опускается вниз, передавая толчок шатуну и коленчатому валу с маховиком при закрытых клапанах. В конце третьего такта открывается другой клапан для выпуска продуктов сгорания в атмосферу. Выпуск — поршень движется вверх, продукты сгорания выходят через клапан, в конце такта клапан закрывается.

5. Какую роль играет маховик в двигателе внутреннего сгорания?

Маховик, обладая значительной инерционностью, необходим для передачи движения поршню в следующих тактах.

Маховик: равномерность и надежность работы двигателя

В любом поршневом двигателе внутреннего сгорания можно найти массивную деталь кривошипно-шатунного механизма и других смежных систем — маховик. Все о маховиках, их существующих типах, конструкции и принципе работы, а также о выборе, ремонте и замене данных деталей — читайте в представленной статье.

Роль и место маховика в двигателе

Маховик (маховое колесо) — узел кривошипно-шатунного механизма (КШМ), сцепления и системы запуска поршневого ДВС; расположенный на хвостовике коленчатого вала металлический диск большой массы с зубчатым венцом, обеспечивающий стабильное функционирование мотора за счет накопления и последующей отдачи кинетической энергии.

Работа поршневых ДВС неравномерна — в каждом из его цилиндров за два оборота вала совершается четыре такта, и в каждом такте скорость движения поршня различна. Для устранения неравномерности вращения коленвала одинаковые такты в разных цилиндрах разнесены во времени, также в состав КШМ вводится дополнительный узел — маховик, выполненный в виде массивного металлического колеса, зафиксированного на задней части коленвала.

Маховик решает несколько ключевых задач:

• Обеспечение равномерности угловой скорости коленчатого вала;
• Обеспечение вывода поршней из мертвых точек;
• Передача крутящего момента от коленчатого вала на механизм сцепления и далее на КП;
• Передача крутящего момента от шестерни стартера на коленвал при пуске силового агрегата;
• Некоторые типы деталей — гашение крутильных колебаний и вибраций, развязка КШМ и трансмиссии транспортного средства.

Маховик в сборе с коленчатым валом двигателя

Данная деталь за счет значительной массы накапливает кинетическую энергию, получаемую во время рабочего хода, и отдает ее коленвалу на остальных трех тактах — этим обеспечивается как выравнивание и обеспечение стабильности угловой скорости коленвала, так и вывод поршней из ВМТ и НМТ (за счет возникающих сил инерции). Также именно через маховик осуществляется связь двигателя с трансмиссией автомобиля и передача крутящего момента от шестерни электростартера на коленвал при пуске мотора. Маховик критически важен для нормальной эксплуатации транспортного средства, поэтому при его неисправности необходимо как можно скорее выполнить ремонт или полную замену. Но прежде, чем начинать ремонтные работы, следует разобраться в существующих типах, конструкции и особенностях работы маховиков современных ДВС.

Типы и устройство маховых колес

На современных моторах используются различные по конструкции маховики, но самое широкое распространение получило три типа этих деталей:

• Сплошной;
• Облегченный;
• Демпферный (или двухмассовый).

Наиболее простое устройство имеют сплошные маховики, которые находят применение на большинстве поршневых ДВС — от малолитражных, до самых мощных промышленных, тепловозных и судовых. Основу конструкции составляет чугунный или стальной диск диаметром 30-40 см и более, в центре которого выполнено посадочное место для установки на хвостовик коленчатого вала, а на периферии запрессован венец. Посадочное место для коленвала обычно выполнено в виде расширения (ступицы), в центре которого имеется отверстие большого диаметра, а по окружности располагается 4-12 или больше отверстий для болтов, посредством которых маховик фиксируется на фланце хвостовика вала. На наружной поверхности маховика выполнено место для установки сцепления и отформирована кольцевая контактная площадка для ведомого диска сцепления. На периферии маховика запрессовывается стальной зубчатый венец, посредством которого в момент пуска передается крутящий момент от шестерни стартера на коленвал.

Обычно при изготовлении маховик балансируется для предотвращения биений во время работы двигателя. При балансировке в различных местах маховика удаляются излишки металла (сверловкой), также с целью балансировки в определенном положении устанавливается сцепление и другие детали (если они предусмотрены). В дальнейшем ориентация маховика и сцепления не должна изменяться, в противном случае возникнет опасный для коленчатого вала и всего двигателя дисбаланс.

Аналогичную конструкцию имеют и облегченные маховики, однако в них для снижения массы выполнены окна различной формы и размеров. Выборка металла маховика с целью снижения его массы обычно выполняется в целях тюнинга и форсирования двигателя. Установка такого маховика несколько снижает стабильность работы силового агрегата на переходных режимах, но обеспечивает быстрый набор максимальных оборотов и в целом позитивно сказывается на мощностных характеристиках. Однако установка облегченного маховика может производиться только параллельно с выполнением других работ по тюнингу/форсированию двигателя.

Двухмассовые маховики имеют гораздо более сложную конструкцию — в их состав входят различные по устройству и принципу действия гасители крутильных колебаний и демпферы. В простейшем случае этот узел состоит из двух дисков (ведомого и ведущего), между которыми располагается гаситель крутильных колебаний — одна или несколько дуговых (свернутых в кольцо или изогнутых дугой) витых пружин. В более сложных конструкциях между дисками располагается ряд шестерен, которые выполняют роль планетарной передачи, а количество пружин может достигать десятка и более. Двухмассовый маховик, как и обычный, монтируется на хвостовик коленчатого вала и удерживает на себе сцепление.

Конструкция двухмассового маховика

Работает демпферный маховик довольно просто. Ведущий диск соединен непосредственно с фланцем коленчатого вала, получая от него крутящий момент, а также все колебания, вибрации и возникающие на переходных режимах толчки. Крутящий момент от ведущего диска на ведомый передается через пружины, однако они за счет своей упругости поглощают значительную часть вибраций, толчков и колебаний, то есть — выполняют функции демпфера. В результате такой развязки ведомый диск, а также соединенное с ним сцепление и трансмиссия, вращаются более равномерно, без колебаний и вибраций.

В настоящее время двухмассовые маховики, несмотря на их сложную конструкцию и относительно высокую стоимость, все чаще устанавливаются на двигатели легковых и грузовых автомобилей. Рост популярности этих деталей обусловлен их лучшим качеством работы и защитой трансмиссии от негативных воздействий со стороны силового агрегата. Однако маховики сплошной конструкции благодаря своей цене, надежности и простоте очень широко используются на бюджетных авто, большинстве тракторов, грузовиков и иной технике.

Вопросы выбора, замены и обслуживания маховика

В процессе эксплуатации двигателя маховик подвергается значительным механическим нагрузкам, поэтому со временем в нем возникают разного рода неисправности — трещины, износ поверхности контакта с ведомым диском сцепления, износ и выломы зубцов венца, деформации и даже полное разрушение (этому подвержены чугунные детали). Неисправности маховика проявляются повышением уровня вибраций и шумов во время работы двигателя, ухудшением работы сцепления, ухудшением или невозможностью запуска мотора стартером (вследствие износа зубчатого венца) и т.д. При появлении этих признаков маховик необходимо осмотреть, при необходимости демонтировать и подвергнуть дефектации, а в случае обнаружения неисправностей — выполнить замену детали в сборе.

Наиболее часто в маховиках сплошной конструкции причиной проблемы становится зубчатый венец, а также трещины и поломки самого диска. При нормальном состоянии маховика венец можно заменить, на замену следует брать деталь того же типа и модели, что стояла ранее. В случае необходимости можно использовать венец с иным числом зубов, однако такая замена не всегда возможна. Демонтаж строго венца обычно выполняется механически — ударами молотка через зубило или иной инструмент. Установка нового венца производится с его нагревом — вследствие температурного расширения деталь легко встанет на свое место, а после остывания надежно зафиксируется на маховике.

В демпферных маховиках зачастую возникают более сложные неисправности — поломка или полное разрушение дуговых пружин, износ подшипников, износ трущихся деталей дисков и т.д. В большинстве случаев двухмассовый маховик не подлежит ремонту, а заменяется в сборе. В отдельных ситуациях возможна замена венца и подшипников, но эти работы лучше доверять специалистам. Диагностика демпферного маховика проводится как на двигателе, так и на снятой детали. В первую очередь проверяется угол отклонения ведомого маховика и люфт, если угол слишком большой или, напротив, маховик заклинил, то деталь должна быть заменена.

Все диагностические работы и замена маховика должны выполняться в соответствии с инструкцией по ремонту и обслуживанию транспортного средства. Для доступа к детали в большинстве случаев приходится демонтировать коробку передач и сцепление, что связано с дополнительными затратами времени и сил. При монтаже нового маховика необходимо соблюдать ориентацию сцепления, а также использовать определенных тип крепежа и, если это нужно — типы смазочных материалов. Если маховик подобран и заменен правильно, то двигатель и трансмиссия будут надежно работать, уверенно выполняя свои функции.

Идея использовать в простейших механизмах большое вращающееся колесо, чтобы уравновешивать рывки при движении, пришла людям еще очень давно и использовалась, например, в механизмах мельницы или гончарного круга, а затем и в паровых машинах. Изначально в автомобильных двигателях маховик использовали с этой же целью: уравновесить колебания коленвала. Однако сейчас маховик выполняет сразу несколько задач.

Функции маховика ДВС

Маховик устанавливается на коленвал двигателя и располагается с наружной части двигателя. Таким образом, он конструктивно связан и непосредственно с ДВС, со сцеплением и коробкой передач.

В конструкции двигателя маховик выполняет сразу несколько функций:
1. Демпфирование крутильных колебаний, возникающих во время работы двигателя. Чем лучше маховик гасит вибрацию, тем меньше нагрузка на трансмиссию и тем дольше ее срок службы.

Гашение колебаний двухмассовым маховиком

2. Передача момента вращения от коленвала на сцепление. Ведомый диск сцепления соединяется с фрикционной поверхностью маховика.

Маховик с корзиной сцепления

3. Передача момента вращения на коленвал от стартера. При запуске двигателя стартер входит в зацепление с зубчатым колесом маховика для раскрутки коленвала.

Вибрация маховика зависит от работы двигателя

Таким образом нехитрый, в принципе, механизм оказался незаменимым в супер-современных автомобилях. Единственное, что менялось на протяжении лет, это конструкция самого маховика.

Конструкция маховика

Конструкция двухмассового маховика

Различают сплошные (обычные), двухмассовые и облегченные маховики. У каждого из видов есть свои плюсы и минусы.

• Двухмассовый маховик (он же демпферный, ZMS, DMF, Dual Mass Flywheel) – современная разработка, направленная на максимальное гашение всех нежелательных колебаний коленвала на мощных двигателях с МКПП, облегчение переключения передач и уменьшение шума двигателя. Он состоит из двух дисков, соединенных через радиальный и упорный подшипники скольжения. Один диск является частью коленвала, а второй – частью сцепления. Между дисками расположен пружинно-демпферный механизм, гасящий колебания и защищающий коробку передач от вибрационных нагрузок. В двухмассовых маховиках используются пружины двух типов: менее жесткие поглощают энергию при умеренных колебаниях, а более жесткие задействуются при больших нагрузках. В отличие от пружин в диске сцепления, дуговые пружины маховика имеют большую длину и энергоемкость, что позволяет фрикционному диску маховика отклоняться (поворачиваться) в обе стороны на угол до 100 градусов относительно состояния покоя.

Варианты размещения пружин

Последняя модель – двухмассовый маховик с маятниковым гасителем колебаний. Внутри маховика устанавливается центробежный маятник, который убирает остаточные колебания после дуговых пружин.

Виды двухмассовых маховиков:
1. Двухрядный с дополнительным внутренним контуром.
2. С маятниковым адаптивным демпфером.
3. С адаптивным увеличением трения, для небольших и средних ДВС.
4. С непосредственным отбором мощности, для двухдискового сцепления, гибридного привода и вариаторов.

• Облегченный маховик – идея, пришедшая из автоспорта. Как понятно из названия, он имеет меньший вес по сравнению с обычным маховиком (примерно на 1,5 кг), а значит, отбирает чуть меньше мощности двигателя. Конструкция облегченного маховика представляет собой один диск с отверстиями ближе к наружному краю. Исследования показали, что облегчать внутреннюю часть маховика бессмысленно: вырезы ближе к оси вращения не влияют на экономию энергии, зато ослабляют всю конструкцию. И наоборот, уменьшение веса и толщины наружной части мало сказывается на прочности, но заметно повышает отдачу мощности мотора (на 5% и выше). Такие маховики используются в профессиональном автоспорте и любительском тюнинге, когда переделываются практически все узлы автомобиля.

Эксплуатация маховика и возможные неисправности

Любой маховик, будь то простой или двухмассовый, элемент достаточно надежный и при правильной эксплуатации служит столько же, сколько сам двигатель. Производители заявляют ресурс 350 тыс. км и более.

Основное слабое место всех маховиков – зубчатый венец, который со временем изнашивается. Зубцы могут стираться или обламываться, в результате чего при старте слышен характерный скрежет. Зубчатый венец – деталь съемная, и в случае необходимости можно купить новый и установить на место изношенного. Ресурс этой детали составляет примерно 200 тыс. км, но может сократиться из-за неисправности стартера. При замене зубчатого венца маховик демонтируют и для установки на место после ремонта используют новые крепежные болты.

Сам маховик повреждается чаще всего при неправильной эксплуатации автомобиля. В частности, основными проблемами, вынуждающими автовладельца менять маховик, является критический перегрев, появление трещин и износ фрикционной поверхности, перегрев и утечка консистентной смазки внутри двухмассового маховика, поломка дуговых пружин. Подшипники оси маховика выходят из строя крайне редко и могут считаться достаточно надежным элементом.

Износ поверхности маховика тоже связан с работой сцепления: изношенный диск трет заклепками маховик, и отремонтировать это уже никак нельзя, нужна только замена.

Помимо проблем со смежными узлами, частой причиной выхода из строя маховика является манера вождения: длительная езда на низких оборотах двигателя (чем ниже обороты, тем сильней вибрация коленвала), особенно с грузом или прицепом, частые остановки с глушением двигателя. Специалисты рекомендуют стартовать и глушить двигатель с выжатой педалью сцепления.

Техобслуживание маховика как такового не проводится. Его осматривают при замене диска сцепления, обращая внимание на состояние зубчатого венца и фрикционной поверхности. Если видимых повреждений и признаков некорректной работы нет, маховик можно использовать дальше. Основные правила эксплуатации – нормальное использование сцепления и коробки передач без ненужных нагрузок, а также своевременное обслуживание смежных узлов. Тогда маховик, цена которого далеко не низкая, будет служить верой и правдой в течение длительного времени.

Можно ли ремонтировать и восстанавливать маховик?

Напоследок нужно отметить, что двухмассовые маховики имеют достаточно большой ресурс, но, в отличие от обычных, не выдерживают постоянных больших нагрузок. Если автомобиль используется для поездок на работу и дачу, двухмассовый маховик будет оптимальным вариантом, обеспечивающим комфорт и сохранность коробки передач.

О том, как выбрать новый маховик и на что обращать внимание, читайте наш «Гид покупателя».

Маховик является важной деталью автомобильного двигателя, которая предназначена для выполнения таких сложных задач, как:

• Осуществления своевременного запуска двигателя автомобиля, путем передачи вращательных движений от стартера на коленчатый вал.
• Обеспечения крутящего момента от двигателя автомобиля к коробке передач (КПП).
• Снижение вибрационных шумов двигателя (уменьшение неравномерных движений вала).

Принцип действия маховика двигателя

Маховик закреплен с торцевой части коленвала, непосредственно у заднего подшипника коренного типа. Коренной подшипник не только удерживает маховик в одном положении, но и снижает его рабочие нагрузки.

Принцип действия самого маховика заключается в снижении вибрации при вращательном моменте коленчатого вала. При интенсивной работе двигателя на такте движения идет накопление энергии, которая передается коленвалу. В других рабочих тактах происходит обратный процесс – сброс энергии.

Маховик позволяет аккумулировать энергию, обеспечивая равномерное движение коленчатого вала от одного такта к другому.

Как устроен маховик и основные его виды

Как уже было сказано ранее, маховик – важная деталь автомобильного двигателя, относительно небольшой, но весьма увесистый диск, диаметр которого может составить 30-40 см. Торец маховика имеет зубчатые края, что позволяет ему соединяться со стартерным валом для передачи вращательной энергии коленвалу двигателя.

Виды маховиков

По типу конструкции маховики двигателя могут быть двухмассовыми, сплошными и облегченными. Наиболее распространенным и широко используемым является сплошной маховик. Мы рассмотрим каждый из этих видов.

Двухмассовый маховик (демпферный)

Это часто используемый вид маховика в современном автомобильном двигателе. Двухмассовый маховик – устройство, состоящее из двух дисков, соединенных специальным пружинно-демпферным устройством. Основными элементами двухмассового маховика являются: маховик, подшипник, пружина-дуга с наружными демпфером, нажимная пружина с внутренним демпфером и приводная пластина.

Подобное устройство выполняет ряд важных функций и задач:

• принимает на себя все избыточные вибрации коленвала;
• защищает трансмиссию от лишних вращательных движений и перегруза;
• уменьшает возможный износ синхронизирующих элементов;
• обеспечивает плавное переключение передач;
• позволяет экономить расход топлива в двигателе.

Однако чрезмерно интенсивна работа такого вида маховика в конечном итоге может привести к быстрому износу пружинно-демпферного механизма или выходу из строя отдельных его элементов, например, пружины.

Такой вид маховика является более эффективным для использования в автомобильных двигателях современного образца. Сплошной маховик – тяжеловесный чугунный диск, диаметр которого составляет 35-40 см. На внешней поверхности маховика находится стальной венец с зубьями, который обеспечивает движение коленчатого вала при запуске стартера. Одна сторона маховика оснащена ступицей, при помощи которой маховик соединяется с фланцем коленвала, противоположная сторона работает как диск сцепления.

Данный вид маховика часто используют для проведения тюнинга двигателя автомобиля. Облегченный маховик — диск, на который надевается предварительно разогретое зубчатое колесо, после остывания которого, маховик приобретает вид шестерни.

Облегченный маховик имеет небольшую массу, в среднем в полтора раза меньше, чем у обычного маховика. Облегченный маховик позволяет автомобильному двигателю достигать максимальных рабочих оборотов, увеличивать мощность на 5-7 %, улучшать разгонную динамику автомобиля.

Маховик облегченного типа изготавливается из износостойкого металла, который способен выдерживать чрезмерные нагрузки при работе двигателя, при этом работать быстро, бесшумно и эффективно.

Коленчатые валы — условия работы, нагрузки

Коленчатый вал служит для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршней во вращательное и передачи крутящего момента потребителю мощности. Коленчатый вал является одной из наиболее ответственных, напряженных и дорогостоящих деталей. Стоимость вала может достигать 30% стоимости всего дизеля, а масса — до 15% массы дизеля.

Коленчатый вал состоит из кривошипов (колен) 2 (рис. 10.1а), передней шейки 1, шейки 4 отбора мощности и жесткого соединительного фланца 3.

При относительно небольших размерах и массе вал изготавливают цельным (рис. 10.16). Каждый кривошип состоит из двух рамовых шеек 4, размещенных в рамовых подшипниках 6, двух щек 3 и шатунной (кривошипной) шейки 2, соединенной с нижним концом шатуна 5. На валу размещают шестерню 1 привода вспомогательных механизмов, противовесы 7, шестерню 8 привода распределительного вала, маховики, иногда — демпфер осевых колебаний вала или гаситель крутильных колебаний.

Условия работы, нагрузки

Коленчатый вал передает крутящий момент потребителю энергии и воспринимает нагрузки, создаваемые силами давления газов и инерции поступательно движущихся и вращающихся масс. Эти силы определяют наличие в валах циклически действующих сжимающих и растягивающих нагрузок и переменных скручивающих и изгибающих моментов. Составляющие силы Р_ш (рис. 10.1 в), производной от суммы сил давления газов и инерции, тангенциальная Т и радиальная Z и их реакции на рамовых подшипниках изгибают шатунную шейку (опасное сечение I-I), щеки кривошипа (опасное сечение II-II) и рамовые шейки (опасное сечение III-III).

Одновременно с деформацией возникают соответствующие им напряжения. Крутящий момент, передаваемый от соседних цилиндров М_в , скручивает левую рамовую и мотылевую шейки рассматриваемого цилиндра. Правая рамовая шейка скручивается суммарным моментом М’_в , представляющим собой сумму подходящего момента М_в и момента, создаваемого касательной силой рассматриваемого цилиндра. Изгибающие напряжения в валу возникают также при нарушении оси вала вследствие его неправильной укладки на рамовых подшипниках или просадке подшипников при их большом износе. Схематическое изображение возникающих в шейках вала нагрузок от рассматриваемых сил и моментов приведено на рис. 10.2.

Помимо рассмотренных сил на коленчатый вал действуют неуравновешенные силы инерции поступательно движущихся и вращающихся масс и их моменты.

Особое место в нагружении вала и его поломках вызывают крутильные и осевые колебания вала, создаваемые переменным крутящим моментом. Наиболее опасную величину напряжения кручения приобретают при резонансе вынужденных и собственных колебаний вала (работа двигателя в зоне критических оборотов). Опасными местами, где чаще всего действуют концентраторы напряжения, являются галтели перехода шеек к щекам (см. рис. 10.3), испытывающие попеременные напряжения сжатия и расширения. Концентраторами напряжений могут быть также глубокие царапины и надрезы на шейках вала, а также дефекты материала, наличие в нем посторонних включений, нарушения технологии ковки и термической обработки.

Учитывая циклический характер всех рассмотренных сил и моментов, поломки вала обычно носят усталостный характер.

К конструкции коленчатого вала предъявляют следующие основные требования: возможно большая жесткость и прочность при наименьшей массе; высокая износостойкость шеек; динамическая уравновешенность (все массы должны быть расположены так, чтобы не было неуравновешенных пар).

Материал коленчатых валов: углеродистая сталь 35, 40, 45, 50, 35Г, 45Г (для МОД и СОД средней мощности), легированная сталь 40ХН, 40ХНВА и др. (для ВОД и мощных СОД). Легированная сталь не увеличивает жесткости вала, но повышает его усталостную прочность и износостойкость.

Валы дизелей малой и средней мощности иногда изготавливают из высокопрочного модифицированного чугуна со сферическим графитом ВЧ45-5, ВЧ50-2 и др. Преимущества чугунных валов: меньшая стоимость изготовления; возможность использования более рациональных конструктивных форм (с точки зрения снижения концентрации напряжений); меньшая чувствительность к концентраторам напряжений (рискам, царапинам и т.п.); повышенная износостойкость шеек (за счет наличия в чугуне графита и хорошей смачиваемости шеек маслом). Недостатки чугунных валов: пониженная жесткость и прочность и трудность обнаружения внутренних литейных пороков.

Кривошипы (колена) вала изготавливают цельными (рис. 10.4а), полусоставными (рис. 10.46) и составными (рис. 10.4е). В полусоставных и составных кривошипах соединение отдельных частей обеспечивается горячей посадкой или холодом (без шпонок или стопоров). Достаточное обжатие достигается натягом 1/800-1/1000 при нагреве до 200-250°С.

Полусоставные и составные кривошипы применяют в МОД, главным образом для валов с большими диаметрами шеек.

Угол заклинки кривошипов и порядок вспышек в цилиндрах выбирают из условий наибольшей равномерности вращающего момента, наиболее полного уравновешивания, равномерной нагрузки на рамовые подшипники, наименьших дополнительных напряжений от крутильных колебаний.

Для обеспечения равномерного вращения коленчатого вала вспышки в цилиндрах должны происходить через одинаковые углы п.к.в.: для четырехтактных дизелей (φ = 720/ Ɩ, для двухтактных (φ = 360/ Ɩ (где Ɩ — число цилиндров). У ВОД условие наиболее полного уравновешивания часто является решающим и угол φ может быть другим. Для равномерного нагружения вала и рамовых подшипников последовательные вспышки не должны происходить в соседних цилиндрах, так как рамовый подшипник между этими цилиндрами будет перегружен.

Рамовые и шатунные шейки обычно имеют одинаковый диаметр; у СОД и ВОД для обеспечения демонтажа шатуна через цилиндр диаметр шатунной шейки иногда уменьшают на 10-15%. Места переходов шеек к щекам для уменьшения концентрации напряжений выполняют плавными с возможно большими радиусами закруглений. Сверления в шейках могут иметь разное назначение: для уменьшения массы вала (сверления в рамовых и шатунных шейках); для уменьшения центробежных сил инерции неуравновешенных вращающихся масс (сверления в шатунных шейках); для подвода смазки к кривошипным подшипникам и контроля качества поковки вала; для искусственного уравновешивания без применения противовесов (сверления различного диаметра только в некоторых шатунных шейках). В современных МОД сверления часто не делают, так как они являются концентраторами напряжений и существенно снижают прочность вала.

Смазка шеек коленчатого вала — циркуляционная под давлением. Масло обычно подводится по отдельным патрубкам из общей масляной магистрали к рамовым подшипникам, а затем по сверлениям в кривошипах поступает на смазку шатунных шеек. Поступлению масла к шатунным подшипникам способствует центробежная сила массы масла. Если кривошипы сверлений не имеют, в рамовые подшипники масло подводится по отдельным патрубкам, а в шатунный — от крейцкопфных подшипников по сверлению в шатуне.

У некоторых ВОД вследствие больших центробежных сил нагруженной оказывается вся поверхность рамового подшипника. В этом случае масло подводят не через подшипники, а через торец коленчатого вала.

Для подвода масла от рамового в шатунный подшипник часто используют косое сверление в кривошипе; при этом для непрерывного поступления масла в кривошипный подшипник и далее по сверлению в шатуне в поршневой подшипник в рамовых и кривошипном подшипниках приходится делать нежелательные кольцевые канавки. Для устранения этого в рамовой шейке делают два входных сверления 1 и 2 (рис. 10.4г), а в шатунной шейке — выходные сверления 3 и 4.

При использовании для канализации масла облегчающих осевых сверлений в шейках (такие сверления делают большего диаметра) их торцы уплотняют заглушками 5 (рис. 10.4д). Однако заглушки и большой объем масла в облегчающих сверлениях увеличивают вращающиеся массы, а на заполнение больших объемов требуется время. Для устранения этого недостатка в косых сверлениях кривошипа иногда развальцовывают латунные трубки 7 (рис. 10.4в). Для ускорения подачи масла в пусковой период в ряде случаев в осевых сверлениях рамовых (или рамовых и шатунных) шеек устанавливают вытеснители 9 (рис. 10.ж). В ВОД в радиальные сверления шатунных шеек часто завальцовывают короткие сепарационные трубки 8 (рис. 10.4.ж ).

При вращении вала механические примеси центробежной силой отбрасываются к периферии и откладываются на поверхности осевого сверления шейки, а в трубку поступает чистое масло (иногда для этого радиальное сверление в шейке располагают в плоскости, перпендикулярной плоскости колена вала).

Радиальные сверления в шейках стремятся расположить в области минимальных давлений на шейку; в реверсивных дизелях предусматривают обычно два сверления в шатунной шейке.

Щеки кривошипа могут иметь различную конструктивную форму. Прямоугольные щеки (рис. 10.4з) просты в изготовлении; однако нерациональное использование материала (опасным является сечение х-х, а ширина щеки одинакова по всей длине) увеличивает неуравновешенные вращающиеся массы, центробежные силы которых дополнительно нагружают рамовые подшипники. Для устранения этого недостатка и уменьшения общей массы вала углы щек часто срезают (рис. 10.4а, б, г, ж).

Овальные щеки (рис. 10.4u) являются наиболее рациональными в отношении прочности, массы и равномерного распределения напряжений, но сложны в изготовлении.

Круглые щеки (рис. 10.4к) менее рациональны в сравнении с овальными, но проще в изготовлении.

Фигурные щеки (рис. 10.46, в) применяют в полусоставных и составных кривошипах. Их форма обусловлена необходимостью создания «кольца» для надежного обжатия шеек.

Для повышения усталостной прочности коленчатого вала тщательно обрабатывают и полируют напряженные места (особенно галтели и выходы радиальных сверлений в шейках), а галтели сопряжения шеек и щек выполняют с возможно большими радиусами; радиальные сверления в кривошипной шейке располагают не в плоскости кривошипа, а под углом 90 или 270°. Применяют «перекрытие» рамовых и кривошипной шеек, «подвнутрение» галтелей в щеку или в шейку. Осевые сверления в кривошипных шейках растачивают эксцентрично; внутренние полости шеек чугунных валов выполняют бочкообразной формы.

Противовесы на коленчатом валу устанавливают для уравновешивания свободных сил инерции (неуравновешенных путем заклинки кривошипов) и их моментов; разгрузки рамовых подшипников (за счет уравновешивания центробежных сил инерции неуравновешенных вращающихся масс) и уравновешивания внутренних моментов центробежных сил и передающихся через рамовые подшипники на остов дизеля. К щекам кривошипа противовесы чаще всего крепят болтами, для разгрузки которых от срезающей силы применяют замки различных типов или шпонки (рис. 10.5а, б). Для МОД противовесы часто отковывают или отливают заодно со щеками (рис. 10.5в). Для уменьшения массы противовеса его центр тяжести должен быть расположен возможно дальше от оси вала.

Шейки коленчатого вала при выходе из картера во избежание утечки масла уплотняют специальными маслоотбойными гребнями в комбинации с лабиринтным или сальниковым уплотнением (резинопластик, фетр) или предусматривают маслосгонную резьбу (при малых диаметрах вала у нереверсивных дизелей).

Свободный конец вала обычно используют для монтажа шестерни 1 (см. рис. 10.16), привода навешенных на дизель насосов (масляного, водяного, топливоподкачивающего) и других вспомогательных механизмов.

При больших размерах коленчатого вала и гребного винта осевые колебания вала могут достигать значительной величины. Для снижения амплитуды осевых колебаний в ряде случаев на свободном конце вала устанавливают демпфер осевых колебаний. Для уменьшения амплитуды крутильных колебаний на свободном конце вала (участке наибольших амплитуд колебаний) в ВОД и СОД иногда устанавливают гасители крутильных колебаний: антивибраторы и демпферы.

Конец вала со стороны отбора мощности обычно имеет фланец для соединения с упорным валом, маховиком или фланцем генератора и шестерню 8 (рис. 10.16) привода распределительного вала. Привод длинных распределительных валов иногда располагают в средней части коленчатого вала, что уменьшает погрешности распределения от скручивания распределительного вала.

Маховик служит для уменьшения колебаний угловой скорости коленчатого вала и обеспечения равномерного его вращения за счет аккумулирования и отдачи кинетической энергии массой маховика. В МОД равномерность вращения вала обычно обеспечивается маховыми массами самого дизеля, и установка маховика не требуется. Вместо него устанавливают диск валоповоротного устройства с зубчатым венцом. На ободе диска (или маховика) обычно наносят отметки ВМТ всех цилиндров и риски от нуля до 360°, которые используют при проверке и регулировке фаз газораспределения и топливоподачи.

Повреждения и поломки

Происходящие в эксплуатации повреждения валов могут быть приведены к следующим видам:

Износам подвержены шейки валов, работающие в подшипниках.

Абразивный износ чаще всего является следствием попадания грязи при небрежно проведенных работах по очистке двигателя после его переборки и ремонта. К другой причине относится попадание в циркулирующее в подшипниках масло твердых частиц кокса и продуктов износа, под воздействием которых на шейках и рабочей поверхности вкладышей подшипников появляются риски, царапины, а иногда и глубокие борозды. В последнем случае поверхности выглядят так, как это происходит при задирах из-за недостатка масла, чрезмерно высоких нагрузок и перегрева. Появление в масле абразивных частиц обусловливается прорывом из цилиндров газов, несущих в себе сажу и отколовшиеся частицы нагара (более мелкие частицы вдавливаются в мягкий поверхностный слой подшипника и благодаря этому не приводят к заметному повреждению шеек). Большая часть механических примесей должна задерживаться в сепараторе и фильтре, но при неудовлетворительной работе сепаратора и фильтра этого не происходит. Следует помнить, что при загрязнении фильтра открывается байпасный клапан и в двигатель поступает нефильтрованое масло, несущее в себе крупные частицы.

Адгезионный износ возникает при недостаточном поступлении масла в подшипники, чаще всего возникающем при загрязнении масляных каналов. Причинами также могут быть падение давления масла и существенное снижение несущей способности масляного клина из-за разжижения масла топливом или образования водомасляной эмульсии, а также увеличение масляного зазора при большом износе или подплавке подшипника.

Отмеченные явления приводят к контактному изнашиванию «металл по металлу», при котором сначала происходит заполировывание поверхностного слоя, сопровождающееся ростом температур в зоне трения, затем размягчение антифрикционных сплавов, их утонение вследствие выдавливания, их оплавление и наволакивание на шейки вала.

Фреттинг-коррозия выражается в выкрашивании частиц металла в зоне контакта под действием усталостных разрушений, вызываемых вибрациями и микроперемещениями контактирующих поверхностей. Одновременно с фреттингом возникает коррозия.

Фреттинг происходит при достаточно малых скоростях скольжения, когда элементы длительное время находятся в контакте, что затрудняет унос продуктов износа из зоны контакта и тем самым способствует абразивному изнашиванию.

Большинство аварийных повреждений двигателей вызывается потерей прочности деталей или узлов и их поломкой. При этом в ряде случаев видимых причин поломки не обнаруживается, а действовавшие в поврежденной детали напряжения обычно значительно ниже напряжений, при которых в данном металле происходит разрушение или появляется остаточная деформация. В подобных случаях обычно утверждают, что поломка вызвана «усталостью металла». Объясняется это часто бытующим неправильным представлением о природе «усталого металла». Одни полагают, что металл, длительное время находившийся в напряженном состоянии, будто бы изменяет свои свойства. Другие считают, что под действием большого числа переменных нагрузок во всей массе металла он становится слабым и хрупким. Оба представления неверны. Только в результате нахождения металла под нагрузкой свойства его не меняются, сколько бы времени оно ни продолжалось, если нагрузка не превышает предела упругости материала (не вызывает остаточной деформации).

Усталость металла объясняется образованием в наиболее «слабом» месте микроскопической трещины, которая под действием знакопеременной нагрузки растет и достигает видимых простым глазом размеров. В вершине трещины резко повышаются напряжения. Это вызывает ее дальнейшее распространение и прогрессирующий рост напряжений. В конечном итоге, когда напряжения превысят предел прочности металла, деталь быстро разрушается. Появлению усталостной трещины предшествует накопление сдвигов в структуре металла, вызванных действием циклической нагрузки. В дальнейшем развитие и распространение линий сдвига в детали приостанавливаются, за исключением одного наиболее слабого места, где действующие напряжения достигают определенного значения. Здесь линии сдвига непрерывно множатся, растут и, наконец, сливаются в трещину. Вся энергия внешней силы устремляется в это место, вследствие чего остальная масса металла остается в неизменном состоянии. Чтобы в наиболее слабом месте детали образовалась трещина, действующие в нем напряжения должны достигнуть или превысить предел усталости металла.

Под пределом усталости подразумевается то максимальное напряжение, при котором образец не разрушается под воздействием очень большого числа циклов нагружения (10-20 миллионов).

Следовательно, если напряжения, возникающие в образце металла при циклической нагрузке, не превышают предела усталости, то этот образец может выдержать бесконечно большое число циклов нагружения. Это в полной мере оправдывается для лабораторного образца. В действительности детали машин редко служат в таких идеальных условиях. Обычно в деталях имеются понизители циклической прочности, значительно снижающие их предел усталости. К таким понизителям относятся различные концентраторы напряжения и в первую очередь всевозможные резкие изменения формы. Известно, что в местах перелома поверхности (на дне входящих углов галтелей, по краям отверстий) местные напряжения в несколько раз превышают средние расчетные напряжения. Не менее опасны разного рода случайные повреждения поверхностей детали, возникшие при ее изготовлении или при сборке (риски, царапины, надрезы).

Причинами могут быть также наличие флокенов, неметаллических включений в стали, микротрещины, образовавшиеся при термической обработке, коррозионные повреждения при эксплуатации и т.д.

Поэтому при среднем напряжении, не превышающем предела усталости, в месте расположения понизителя прочности напряжение может оказаться весьма большим и с течением времени под влиянием циклической нагрузки деталь разрушится.

В условиях эксплуатации усталостные поломки деталей двигателей чаще всего происходят при изменении условий работы, когда возникающие дополнительные напряжения в сумме с номинальными превышают предел усталости материала детали. Такими дополнительными напряжениями могут быть напряжения крутильных резонансных колебаний (работа двигателя в зоне критических оборотов), напряжения изгиба коленчатого вала при неравномерном износе или неправильной укладке вала на рамовых подшипниках, деформация корпуса судна и фундаментной рамы, напряжения изгиба в стержне шатуна при заклинивании головного соединения и пр.

Практика показывает, что во всех случаях усталостное разрушение деталей двигателей вызывается действием одного из перечисленных выше факторов. При определении причины поломки большую помощь может оказать изучение структуры поверхности излома, обращая внимание на следующие признаки:

• характер излома;
• глубина развития усталостной трещины;
• степень и характер наклепа поверхности излома;
• число очагов, в которых началось развитие трещины;
• характер линии фронта.

Место возникновения усталостной трещины (рис. 10.6) обычно удается определить легко и безошибочно, около него видны расходящиеся в различных направлениях линии.

Для этой стадии усталостного излома (зона 1) характерно наличие волнообразных полос, представляющих собой ряд границ ее последовательного распространения.

Геометрические оси этих полос направлены к месту возникновения трещины. По мере распространения трещины по поперечному сечению ее поверхности становятся все менее и менее гладкими, что является признаком перехода ко второй фазе развития (см. зону 2). В этой стадии поломки наступает момент, когда оставшееся сечение детали не может более противостоять действующим повторяющимся нагрузкам и деталь разрушается. Поверхность разрыва остаточного сечения имеет вид типичной поломки от приложенной нагрузки и в противоположность первой фазе характеризуется признаками хрупкого излома. Скорость развития усталостной трещины определяется величиной действующего в детали напряжения. Чем меньше действующее напряжение, тем дальше будет развиваться усталостная трещина (рис. 10.76) и тем меньшей будет площадь зоны статического напряжения. На поверхности зоны усталостного излома образуется наклеп.

Если зона 1 невелика и наклеп отчетливо выражен на границе зон, то это свидетельствует о большой циклической перегрузке. Если же номинальное напряжение невелико, то трещина развивается медленно и максимальный наклеп получается у наружной поверхности, там, где образуются первые очаги усталостной трещины.

На рис. 10.7 линии b—c—d определяют фронт развития усталостной трещины. Их характер зависит от того, с какой скоростью отдельные участки трещины проникают в глубь сечения. По характеру линии фронта можно определить условия роста трещины; последние зависят от величины номинального напряжения, характера действующих сил и концентрации напряжения в детали. При растяжении -сжатии линия фронта располагается так, как показано на рис. 10.7. При умеренном номинальном напряжении фланги (точки b и d) продвигаются несколько медленнее центра (точка с). В случае изгиба линия фронта приближается к прямой. При симметричном изгибе (вращении) усталостная трещина развивается не только в радиальном на-

Литература

Судовые двигатели внутреннего сгорания — Возницкий И.В. Пунда А.С. [2010]