Коленчатые валы. Повреждения коленчатых валов

Основные конструктивные элементы коленчатого вала, это шатунные и коренные шейки. Вращение шатунных шеек согласовано с порядком рабочих тактов цилиндров. Существуют варианты парных шатунных шеек, воспринимающих усилия от двух шатунов. Коренные шейки обеспечивают вращение и передачу крутящего момента на фланец коленвала и носок привода вспомогательных агрегатов. Щеки коленвала иногда усиливаются дополнительными сьемными противовесами. Стальные коленчатые валы могут изготавливаться ковкой или горячей штамповкой, в зависимости от их размера и обьема производства. Коленвалы автомбильных двигателей нередко отливаются из чугуна. Для отливки коленвалов тепловозных моторов чаще используется высокопрочный чугун с шаровидным графитом.

Коленчатые валы преобразуют силы, действующие на шатунные шейки от шатунов, в крутящий момент, суммируют крутящие моменты от отдельных цилиндров до фланца коленчатого вала и передают результирующий крутящий момент на маховик. Маховик (вместе с инерцией коленчатого вала) представляет собой устройство для накопления механической энергии в двигателе. Благодаря массе и моменту инерции вращающихся частей,

Пульсирующий крутящий момент, выравнивается и преобразуется в номинальный крутящий момент. Радиальные силы, действующие на коленвал, воспринимаются коренными подшипниками и блоком цилиндров.  Шатунные и коренные вкладыши обеспечиваются смазкой под давлением через масляные каналы в блоке и коленчатом валу.

Рисунок 1. Обозначение и конструкция цельнолитого многоцилиндрового коленчатого вала со сьемными противовесами.

Сьемные противовесы позволяют просверлить отверстия в шатунных шейках для уменьшения массы. Направляющие, вставленные в облегчающие отверстия в представленной конструкции, служат для распределения масла от каналов коренных подшипников к смазочным отверстиям, выходящим из шатунных шеек.

Усилие от шатуна действует на шатунную шейку коленчатого вала. Сила FSt делится на касательную к окружности вращения шейки коленчатого вала и радиальную  FT. Касательная или вращательная сила на радиусе кривошипа создает крутящий момент. Радиальная сила не вносит никакого вклада в развитие крутящего момента двигателя. Поэтому её также называют «реактивной силой».

Повреждения коленчатых валов

В основном, повреждения коленчатого вала обусловлены следующими причинами:

• Усталостный износ от изгиба, обычно возникающий в местах сильных напряжений в галтелях (рис. 2).
• Усталостный износ от кручения (рис. 3. и 4.), которые происходят под углами менее 45° и часто возникают в масляных каналах (рис. 5).

Пример:

После нескольких сотен часов работы в дизельном двигателе произошел отказ подшипника шатуна. При разборке была обнаружена трещина в коленчатом валу, распространяющаяся по всей шатунной шейке. Исследования показали, что повреждение было вызвано в первую очередь усталостным разрушением при кручении (рисунки 6. и 7.) в шатунной шейке, начинающимся с внутренней поверхности шейки. Состав материала коленчатого вала и значения прочности находились в пределах допустимых значений. Усталостное разрушение коленчатого вала произошло из-за неметаллического включения (макрослага), точка зарождения которого находилась примерно в 4 мм ниже поверхности шейки. Такие включения встречаются крайне редко и никогда ранее не встречались в двигателях данного типа. Рабочая поверхность подшипника шатуна была повреждена острыми краями трещины. Затем отказ подшипника дополнительно повредил поверхность шатунной шейки из-за переноса материала и термического растрескивания.

Торсионные трещины также могут возникать в виде так называемых А-трещин, идущих параллельно оси, а также в виде комбинации трещин с различными направлениями распространения.

Рисунок 2. Усталостное разрушение при изгибе.

Рисунок 3. Усталостное разрушение при кручении, возникшее в масляном канале.

Рисунок 4. Поверхность излома при усталостном разрушении при кручении, показанная на рисунке 3, с большой поверхностью усталостного разрушения и небольшой остаточной поверхностью разрушения.

Рисунок 5. Разрушение шатунной шейки вследствие усталости при кручении. Характерным признаком разрушения является сквозное разрушение в плоскости масляного канала.

Рисунок 6. Излом от усталости при кручении.

Пример:

При разборке дизельного двигателя было обнаружено несколько трещин на коленчатом валу на одной из шатунных шеек. Трещины распространялись от небольшого участка рабочей поверхности шатунной шейки к прилегающим перемычкам. Трещины являются усталостными, исходящими из точек А1 и А2 (рис. 8). Значения твердости и профиль твердости на треснувшей шатунной шейке соответствовали техническим характеристикам. Дефекты материала были исключены благодаря длительному сроку службы в 16 000 часов (рис. 9 и 10). Испытание виброгасителя, поставляемого с поврежденными деталями, показало недостаточный демпфирующий эффект.

Рисунок 7.  Поверхность разрушения при усталостном разрушении от кручения, показанная на рисунке 6.

Причиной повреждения, таким образом, была признана чрезмерная нагрузка на коленчатый вал, возникающая в результате крутильных колебаний.

В большинстве случаев повреждения коленчатого вала являются вторичными или косвенными повреждениями, вызванными повреждением подшипников: в случаях сильного заклинивания подшипников на валах с закаленными рабочими поверхностями образуются трещины, возникающие при высокой температуре (только рабочие поверхности коленчатых валов в крупных дизельных двигателях не закалены). Коленчатые валы с незначительными трещинами, возникающими при высокой температуре, могут быть частично отремонтированы, если трещины можно удалить путем перешлифовки коленчатого вала до ремонтного размера. После работы необходима соответствующая проверка. Кроме того, обычно требуется повторная закалка.

Трещины, возникающие при высокой температуре (рисунки 11. и 12.), проходят параллельно оси, хотя иногда от них могут отходить и поперечные трещины. Трещины, возникающие при высокой температуре, показанного типа, обычно распространяются через твердый слой и вызывают рыхлые, необратимые изломы вала.

В случае повреждения подшипников (рис. 13.) опасности для вала представляют не только горячие трещины, но и механические повреждения (эффект надреза) в канавках, которые всегда находятся под экстремальным напряжением в коленчатых валах и могут вызывать изгибные и крутильные разрушения.

Рисунок 8. Излом коленчатого вала в результате кручения. Вид шатунной шейки со стороны оси вращения коленчатого вала

Рисунок 9. Торсионный излом (поверхность излома).

Рисунок 10. Торсионный излом (поверхность излома).

• В случае фундаментальных повреждений (рисунки 14 – 20) — независимо от их типа - зазор в подшипнике увеличивается до такой степени, что напряжение, возникающее из-за деформации коленчатого вала, может достигать критических значений, что может привести к поломке!
• В случае отказа или неисправности демпфера крутильных колебаний напряжение от скручивания возрастает настолько, что вал больше не может его выдерживать (см. также рисунки 8 – 10).

В результате работы двигателя на коленчатый вал могут действовать недопустимые нагрузки.

• Максимальная частота вращения двигателя при движении под уклон коммерческих автомобилей, а также в случае неправильного переключения передач водителем и при других обстоятельствах.
• Гидроудар (попадание жидкости: воды, масла, топлива в камеру сгорания) даже после длительной остановки двигателя.

При ремонте двигателя уровень тщательности работ во многом зависит от оснащения ремонтной мастерской. Предшествующие повреждения коленчатых валов из-за некачественной обработки и неправильной эксплуатации становятся все более редкими. В этом контексте к возможным причинам или факторам, провоцирующим повреждения, относятся следующие:

Рисунок 11. Трещины, образовавшиеся при перегреве опорной шейки коленчатого вала.

Рисунок 12. Усталостное разрушение при изгибе, возникающее из-за трещины, образовавшейся при высокой температуре.

Рисунок 13. Усталостное разрушение при изгибе, возникающее из-за термического растрескивания, полученного в результате повреждения подшипника.

Рисунок 14. На этом детальном изображении усталостного разрушения при изгибе четко видны линии ослабления, а также грубый, плоский остаточный излом.

Рисунок 15. Основание шейки коленчатого вала, подшипник которого заклинил. На радиусе канавки к шейке коленчатого вала видны изгибная трещина (B) и крутильная трещина (T).

Рисунок 16. Место разрушения в углублении радиуса, поврежденном следами коррозии (F). Стрелками указано место возникновения разрушения.

Рисунок 17.  Поверхность излома в радиусе полой канавки. Место возникновения излома отмечено стрелками.

Рисунок 18. Поверхность усталостного излома в шейке коленчатого вала с малой зоной остаточного разрушения.

Рисунок 19. Дальнейшая трещина, вызванная кручением (стрелка), рядом с основной поверхностью излома в фундаментном штифте.

Рисунок 20. Повреждение материала коленчатого вала, деформировавшегося из-за перегрева.

Рисунок 21. Трещина в противовесе, возникшая из-за ржавчины, образовавшейся в результате трения на опорной поверхности головки винта.

Рисунок 22. Ржавчина от трения на поверхности шайбы головки винта противовеса (см. рисунок 21).

• Неправильная шлифовка коленчатого вала: чрезмерная скорость подачи или недостаточное охлаждение могут вызвать образование шлифовальных трещин на рабочей поверхности шеек коленчатого вала. Характерной особенностью таких трещин является их тонкое разветвление.
• Если коленчатый вал слишком сильно изношен или канавки отшлифованы неправильно, то неизбежно возникновение повреждений подшипников со всеми вытекающими последствиями;
• Шероховатость, возникающая в результате последующей ручной обработки отклонений от округлости.
• Дисбаланс коленчатого вала, вызванный неправильной установкой противовесов во время сборки.
• Смещение коленчатого вала из-за неисправных опор подшипников.
• Установка коренных опор не на свои места при сборке двигателя.
• Неправильный и неподходящий маховик или неисправный демпфер крутильных колебаний.
• Нарушение порядка затяжки болтов крышек коренных опор или не соблюдение момента затяжки.
• Забоины на контактных поверхностях от ударов и вмятины, возникшие в результате неправильной транспортировки и хранения.

Обычно противовесы коленчатых валов не повреждаются. Однако при относительном перемещении между противовесом и опорной поверхностью на шейке коленчатого вала или крепежными болтами может образовываться ржавчина от трения, из которой может развиться усталостное разрушение (рисунки 21 и 22).