Оси служат для поддержания вращающихся вместе с ними или на них различных деталей машин и механизмов. Валы в отличие от осей предназначены для передачи крутящих моментов и в большинстве случаев для поддержания вращающихся вместе с ними относительно подшипников различных деталей машин.
Определение, конструктивные особенности
Вал — деталь механизма, выполненная из металла, имеющая сечение определенной формы и передающая крутящий момент на другие элементы, вызывая их вращение.
Ось, отличается от вала тем, что служит только для их опоры. Если оси подразделяются на подвижные и статические, то валы всегда вращающиеся. Геометрическая форма оси, может быть только прямой.
Вал составляют следующие участки:
- Опорный.
- Промежуточный.
- Концевой.
Кольцевое утолщение называется буртиком. Промежуточная часть между разными диаметрами для фиксации одеваемых деталей носит название – заплечик.
Участок где происходит изменение диаметра вала называется галтелью. С Целью увеличения прочности кривизна галтели меняется плавно. Различают 2 вида кривизны: постоянная и переменная. Увеличение значения кривизны галтели и изготовление специальных отверстий повышает надежность вала на одну десятую часть.
В зависимости от распределения величины нагрузок, отражённого в специальных графиках (эпюрах) определяют длину и форму вала. Также этот параметр зависит от условий сборки и метода изготовления.
Размеры посадочных мест для крутящихся элементов расположенных на концах валов жестко стандартизированы по ГОСТам.
Основные элементы коленчатого вала[править | править код]
- Коренная шейка — опора вала, лежащая в коренном подшипнике, размещённом в картере двигателя.
- Шатунная шейка — опора, при помощи которой вал связывается с шатунами (для смазки шатунных подшипников имеются масляные каналы).
- Щёки — связывают коренные и шатунные шейки.
- Передняя выходная часть вала (носок) — часть вала, на которой крепится зубчатое колесо или шкив отбора мощности для привода газораспределительного механизма (ГРМ) и различных вспомогательных узлов, систем и агрегатов.
- Задняя выходная часть вала (хвостовик) — часть вала, соединяющаяся с маховиком или массивной шестернёй отбора основной части мощности.
- Противовесы — обеспечивают разгрузку коренных подшипников от центробежных сил инерции первого порядка неуравновешенных масс кривошипа и нижней части шатуна.
Выемка коленчатого вала из блока дизельного двигателя трактора
Что такое вал-шестерня?
Этот механизм представляет собой узел, объединивший функционал двух элементов – вала и шестерни. Выполняется из углеродистой и легированной стали. Работа вала-шестерни заключается в передаче момента вращения от одного элемента другому – механизм зацепляет соседнее зубчатое колесо, передавая воздействие ему. Особенности процесса изготовления валов-шестерен позволяют задействовать такие механизмы в условиях высоких оборотов и сильных нагрузок. Монолитная конструкция позволяет изготавливать шестерни размером, превышающим диаметр вала в два раза.
Вал-шестерня является более надежным и точным аналогом насадной шестерни. Парная конструкция нашла широкое применение в механизмах с редукторами и приводами. Вал-шестерни не смогли вытеснить насадные только в тех механизмах, в которых зубчатое колесо должно двигаться в процессе работы по оси вала.
Готовый вид вала-шестерни определяется:
- типом вала – он может быть гладким, полым или ступенчатым;
- формой оси – прямой, гибкой, коленчатой, геометрической;
- типом зубьев – выполняются прямые, косые и шевронные зубья.
Назначение вала редуктора
Вал редуктора – основной элемент передачи крутящего момента. На валу располагаются практически все детали редуктора – шестерни, звездочки, также валы сочленяются с внешними механизмами, для этого концы валов выполняются со шпоночными пазами или коническими. В корпусе вал редуктора устанавливается в подшипниковые гнезда. Выходной вал редуктора обеспечивает момент и скорость для основного рабочего механизма, входной вал сочленен с исходным механизмом (двигателем) и воспринимает его момент и скорость. В некоторых источниках выходной вал называют ведущим валом редуктора, а входной именуется ведомым валом редуктора.
Валы редуктора несут на себе существенную нагрузку, как от собственного веса, деталей самого редуктора, так и нагрузку со стороны исходного и основного механизмов, она может быть и осевой и радиальной. При проектировании особое внимание уделяется тщательным расчетам прочности валов на кручение, изгиб для обеспечения нормальной работы продолжительное время. В процессе расчетов выбираются необходимые диаметры валов редуктора, как главного геометрического параметра, определяющего его работоспособность, его форма и другие размеры, также возможно различное взаимное расположение валов относительно друг друга.
Размеры коленчатых валов[править | править код]
Определяются как результат расчётов, причём часть размеров задаётся исходя из выбранной компоновки. Например, количество шатунных шеек определяется в зависимости от числа цилиндров. В многорядных двигателях (V, W, X-образных, звездообразных) одна шатунная шейка воспринимает нагрузки сразу нескольких шатунов (или одного центрального, соединённого с прицепными). Коленчатый вал воспринимает крутящий момент, имеющий переменное значение, а следовательно, работает на скручивание и должен иметь достаточный запас прочности (обычно 2,5) по усталостному напряжению на сдвиг[источник не указан 374 дня].
Стальные валы (чаще всего) имеют невысокое внутреннее демпфирование крутильных колебаний, что в некоторых случаях угрожает валу разрушением из-за резонанса при прохождении опасной зоны по числу оборотов. Поэтому валы такие снабжают демпферами крутильных колебаний, расположенными на переднем носке вала[источник не указан 374 дня].
Кроме усталостной прочности, коленвалы должны иметь определённую площадь шеек, задающую контактное давление подшипников скольжения или качения. Максимальное контактное давление и скорость скольжения для антифрикционных материалов может быть несколько повышено при высокой твёрдости шеек и высококачественной смазке. Превышение их выше допустимых ведёт к выплавке/растрескиванию антифрикционного слоя или питтингу роликов (подшипники качения)[источник не указан 374 дня].
Диаметр шатунных шеек (исходя из упомянутых соображений) может быть увеличен косым разъёмом шатуна (что увеличивает его трудоёмкость и стоимость), длину же можно увеличить либо за счёт коренных шеек (что увеличивает контактное давление), либо увеличением расстояния между цилиндрами (что ведёт к увеличению габаритов и массы двигателя). В последние десятилетия, в связи с появлением новых высокопрочных антифрикционных сплавов и высококачественных масел, длину шеек валов (а вместе с ним — и межцилиндровое расстояние) конструкторы сокращают[источник не указан 374 дня].
Материалы
В зависимости от внешних сил, которым подвергается деталь вал в процессе эксплуатации, осуществляется подбор материала для его изготовления.
Для этой цели используют легированные стали с высоким содержанием углерода, так как обладают улучшенными механическими характеристиками и износостойкостью. Получают данные детали методом прокатки.
Основную массу валов производят из легированной стали марки 45Х, со средним содержанием углерода. Для валов, подвергающихся высоким напряжениям используют стали 40ХН, 40ХНГМА, 30ХГТ и другие, которые подвергаются процессу закалки с высоким отпуском.
Кроме того, для коленчатых тяжелых валов в качестве материала используют высокопрочные чугуны, образованные путем вкрапления в металлическую решетку шарообразных включений углерода и содержащие в составе Mg, Ca, Se, Y.
Принцип действия коленчатого вала
Несмотря на сложность самого устройства, принцип работы коленвала достаточно прост.
В камерах сгорания происходит процесс сжигания поступившего туда топлива и выделения газов. Расширяясь, газы воздействуют на поршни, совершающие поступательные движения. Поршни передают механическую энергию шатунам, соединенным с ними втулкой или поршневым пальцем.
Шатун в свою очередь соединен с шейкой коленвала подшипником, вследствие чего каждое поступательное поршневое движение преобразуется во вращательное движение вала. После того как происходит разворот на 180˚, шатунная шейка движется уже в обратном направлении, обеспечивая возвратное движение поршня. Затем циклы повторяются.
Классификация валов
По назначению:
- Валы передач, на которых расположены детали механизма передач (шестеренки, муфты, шкифы).
- Коренные, которые несут другие части.
По форме оси:
- Прямые.
- Кривошипные.
- Гибкие.
Прямые делятся на:
- Гладкие.
- Ступенчатые.
- Червячного типа.
- Фланцевые.
- Карданные.
По форме сечения:
- Гладкие.
- Пустотелые.
- Шлицевые.
Форма коленчатого вала
Форма коленчатого вала зависит от количества и расположения цилиндров, их порядка работы и тактов, которые выполняются цилиндропоршневой группой. В зависимости от этих факторов коленвал может быть с разным количеством шатунных шеек. Есть моторы, в которых на одну шейку воздействует нагрузка от нескольких шатунов. Примером таких агрегатов служат ДВС V-образной формы.
Даная деталь должна изготавливаться так, чтобы в процессе вращение на высоких оборотах была максимально минимизирована вибрация. В зависимости от количества шатунов и порядка образования вспышек в коленвалах могут использоваться противовесы, но также существуют и модификации без этих элементов.
Все коленчатые валы делятся на две категории:
Полноопорная модификация показала себя более легкой и надежной, поэтому ее используют в современных ДВС.
Неисправности[править | править код]
При эксплуатации из-за разных причин могут наблюдаться такие неисправности:
- износ вала по коренным или шатунным шейкам;
- изгиб;
- разрушение вала[4];
- износ посадочных поверхностей под маховик, сальник (сальники), переднюю шестерню.
Разрушение вала происходит от усталостных трещин[4], возникающих иногда из-за прижога галтелей при шлифовке. Трещины развиваются в некачественном материале (волосовины, неметаллические включения, флокены, отпускная хрупкость) либо при превышении расчётных величин крутильных колебаний (ошибки при проектировании, самостоятельная форсировка по числу оборотов дизеля). Возможна поломка по причине превышения числа оборотов, отказе демпфера, заклинивания поршня[5]. Сломанный вал ремонту не подлежит. При износе посадочных поверхностей могут применяться электрохимическая обработка, плазменная или электродуговая наплавка поверхностей, а также другие решения.
См. также
- Дисбаланс
- Поршневой двигатель внутреннего сгорания
- Гидроудар
Подробно рассмотрев те вопросы, которые были поставлены выше, можно заключить:
- Вал отличается от оси своей функциональностью и геометрией.
- Вал состоит из 3-х участков (цапфы, шейки, шипа).
- Существуют различные типы классификации валов по назначению и формам.
- Материалом для детали выступают легированные стали различных марок, реже высокопрочные чугуны с шарообразными вкраплениями углерода.
- Изготовление вала включает в себя несколько этапов и требует специальных знаний и значительных затрат энергоресурсов.
- Для увеличения времени эксплуатации валов на этапе производства их поверхность покрывают специальными материалами.
- Вал широко применяется во многих механизмах в различных областях деятельности человека.
См. также[править | править код]
- Кривошипно-шатунный механизм
- Поршневой двигатель внутреннего сгорания
- Дисбаланс
