Что такое коленвал в автомобиле и как он работает

Коленвал в автомобиле

Коленвал это деталь в моторе автомобиля, приводящаяся в движение поршневой группой. Он передает крутящий момент на маховик, который в свою очередь вращает шестерни трансмиссии. Далее вращение передается на полуоси ведущих колес.

Все автомобили, под капотом которых установлены двигатели внутреннего сгорания, оснащаются таким механизмом. Эта деталь создается специально под марку двигателя, а не под модель автомобиля. В процессе эксплуатации коленчатый вал притирается к особенностям строения ДВС, в котором он установлен. Поэтому при его замене мотористы всегда обращают внимание на выработку трущихся элементов и на то, почему она появилась.

Как выглядит коленвал, где он находится и какие бывают неисправности?

История коленчатого вала

Как отдельное изделие коленчатый вал не появился в одночасье. Вначале появилась технология кривошипа, которая применялась в разных областях сельского хозяйства, а также в промышленности. Например, кривошипами с ручным приводом пользовались еще в период 202-220 гг.н.э. (во времена династии Хань).

Отличительной особенностью таких изделий было отсутствие функции преобразования возвратно-поступательных движений во вращательные или обратно. Разные изделия, выполненные в форме кривошипа, использовались в Римской империи (II-VI век н.э.). Некоторые племена центральной и северной Испании (кельтиберы) пользовались навесными ручными мельницами, которые работали по принципу кривошипа.

В разных народах эта технология совершенствовалась и использовалась в разных устройствах. Многие из них использовались в механизмах вращения колес. Примерно в 15 веке текстильная промышленность начала использовать барабаны с конструкцией кривошипа, на которые наматывались мотки пряжи.

Но сам по себе кривошип не обеспечивает вращение. Поэтому его нужно совместить с другим элементом, который обеспечивал бы преобразование возвратно-поступательных движений во вращение. Арабский инженер Аль-Джазари (жил в период с 1136 по 1206 год) изобрел полноценный коленчатый вал, который при помощи шатунов был способен выполнять подобные преобразования. Этот механизм он использовал в своих машинах для подъема воды.

На основе этого устройства постепенно разрабатывались всевозможные механизмы. Например, современник Леонардо да Винчи,  Корнелис Корнелисзун построил пилораму, которая работала от ветряной мельницы. В ней коленчатый вал выполнят обратную функцию по сравнению с коленвалом в ДВС. Под действием ветра вращался вал, который при помощи шатунов и кривошипов преобразовывал вращательные движения в возвратно-поступательные и двигал пилу.

По мере развития промышленности коленчатые валы приобретали все больше популярности за счет универсальности их применения. На сегодняшний день самый эффективный двигатель работает на основе преобразования возвратно-поступательных движений во вращательные, которое возможно благодаря коленвалу.

Для чего нужен коленчатый вал

Как известно, в большинстве классических двигателей внутреннего сгорания (о том, как могут работать другие ДВС, читайте в другой статье) происходит процесс преобразования возвратно-поступательных движений во вращательное движение. В блоке цилиндров установлены поршни с шатунами. Когда смесь воздуха и топлива попадает в цилиндр и воспламеняется от искры, высвобождается большая энергия. Расширяющиеся газы давят на поршень, перемещая его к нижней мертвой точке.

Все цилиндры посажены на шатуны, которые в свою очередь закреплены на шатунных шейках коленчатого вала. Благодаря тому, что момент срабатывания всех цилиндров разный, на кривошипно-шатунный механизм оказывается равномерное воздействие (частота колебаний зависит от количества цилиндров в моторе). Это приводит коленвал к постоянному вращению. Вращательное движение дальше передается на маховик, а от него через сцепление на коробку передач и затем на ведущие колеса.

Итак, коленчатый вал предназначен для преобразования разного рода движений. Эта деталь всегда создается предельно точно, так как от симметричности и точно выверенном угле наклона кривошипов относительно друг друга зависит чистота вращения первичного вала в КПП.

Материалы, из которых изготовлен коленчатый вал

Для изготовления коленчатых валов используется сталь или высокопрочный чугун. Причина в том, что деталь подвергается большой нагрузке (большой крутящий момент). Поэтому данная деталь должна отличаться высокой прочностью и жесткостью.

Для изготовления чугунных модификаций используется литье, а стальных – ковка. Для придания идеальной формы используются токарные станки, которые управляются электронными программами. После того как изделие получит нужную форму, его шлифуют, а чтобы оно было прочнее, его подвергают обработке при помощи высоких температур.

Строение коленвала

Коленчатый вал устанавливается в нижнюю часть двигателя непосредственно над масляным картером и состоит из:

• коренной шейки – опорная часть детали, на которой устанавливается коренной подшипник картера мотора;
• шатунной шейки – упоры для шатунов;
• щек – соединяют  все шатунные шейки с коренными;
• носка – выходная часть коленвала, на которой закреплен шкив привода газораспределительного механизма (ГРМ);
• хвостовика – противоположная часть вала, к которой крепится маховик, приводящий в движение шестерни коробки передач, к нему же подсоединяется и стартер;
• противовесов – служат для сохранения баланса во время возвратно-поступательных движений поршневой группы и снимают нагрузки центробежной силы.

Осью коленвала являются коренные шейки, а шатунные всегда поочередно смещены в противоположном направлении друг от друга. В этих элементах сделаны отверстия для подачи масла на подшипники.

Кривошип коленчатого вала это узел, состоящий из двух щек и одной шатунной шейки.

Раньше в автомобили устанавливали сборные модификации кривошипов. Сегодня все двигатели оснащены цельными коленвалами. Они изготавливаются из высокопрочной стали путем ковки, а затем обработки на токарных станках. Менее дорогие варианты изготавливаются из чугуна при помощи литья.

Вот пример создания стального коленвала:

3 Вытачивание коленвала Полная автоматизация процесса

Для чего нужен датчик коленвала

ДПКВ – это датчик, который определяет положение коленвала в определенный момент. Этот сенсор всегда устанавливается в автомобилях с электронным зажиганием. Подробней об электронном или бесконтактном зажигании читайте здесь.

Чтобы в нужный момент в цилиндр подавалась воздушно-топливная смесь, а также вовремя она воспламенялась, нужно определить, когда каждый цилиндр выполняет подходящий такт. Сигналы, поступающие от датчика, используются в разных системах электронного управления автомобилем. Если эта деталь не будет работать, силовой агрегат невозможно будет запустить.

Существует три разновидности датчиков:

• Индуктивный (магнитный). Вокруг датчика образуется магнитное поле, в которое попадает точка синхронизации. Синхронизационная метка позволяет электронному блоку управления посылать нужные импульсы на исполнительные механизмы.
• Датчик Холла. Имеет похожий принцип действия, только магнитное поле датчика прерывается при помощи экрана, закрепленного на валу.
• Оптический. Для синхронизации электроники и вращения коленвала тоже используется зубчатый диск. Только вместо магнитного поля используется световой поток, который попадает на приемник от светодиода. Импульс, идущий на ЭБУ, формируется в момент прерывания светового потока.

Дополнительно об устройстве, принципе работы и неисправностях датчика положения коленвала читайте в отдельном обзоре.

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:

• Полноопорные коленвалы. Количество коренных шеек увеличено на оду по сравнению с шатунными. Это обусловлено тем, что по бокам каждой шатунной шейки стоят опоры, которые также служат осью кривошипно-шатунного механизма. Такие коленвалы используются чаще всего, так как производитель может использовать облегченный материал, что влияет на КПД двигателя.
• Неполноопорные коленвалы. В таких деталях коренных шеек меньше, чем шатунных. Такие детали изготавливаются из более прочных металлов, чтобы в процессе вращения они не деформировались и не сломались. Однако такая конструкция приводит к увеличению веса самого вала. В основном такие коленчатые валы использовались в низкооборотных моторах прошлого столетия.

Полноопорная модификация показала себя более легкой и надежной, поэтому ее используют в современных ДВС.

Как работает коленчатый вал в двигателе автомобиля

Для чего нужен коленвал? Без него невозможно движение машины. Работает деталь по принципу вращения педалей велосипеда. Только в автомобильных моторах используется больше шатунов.

Коленвал работает следующим образом. В цилиндре мотора воспламеняется воздушно-топливная смесь. Образовавшаяся энергия выталкивает поршень. При этом приводится в движение шатун, подсоединенный к кривошипу коленчатого вала. Эта деталь совершает постоянное вращательное движение вокруг оси коленвала.

В этот момент другая деталь, расположенная на противоположной части оси, движется в обратном направлении и опускает следующий поршень в цилиндр. Цикличные движения этих элементов приводит к ровному вращению коленвала.

Так возвратно-поступательное движение преобразуется во вращательное. Крутящий момент передается на шкив привода ГРМ. От вращения коленвала зависит работа всех механизмов двигателя – водяной помпы, масляного насоса, генератора и другого навесного оборудования.

В зависимости от модификации двигателя кривошипов может насчитываться от одного до 12 (по одному на цилиндр).

Подробно о принципе работы кривошипно-шатунного механизма и разновидности их модификаций смотрите в видео:

Смазка коленвала и шатунных шеек, принцип работы и особенности разных конструкций

Возможные проблемы коленвала и их решение

Хотя коленвал изготавливается из прочного металла, из-за постоянных нагрузок он может выйти из строя. Данная деталь испытывает механические нагрузки от поршневой группы (порой давление на один кривошип может достигать десяти тонн). Помимо этого во время работы мотора температура внутри него поднимается до нескольких сотен градусов.

Вот некоторые причины поломок составной части кривошипно-шатунного механизма.

Задиры шатунных шеек кривошипа

Износ шатунных шеек – распространенная неисправность, так как в этом узле образуется сила трения при большом давлении. В результате таких нагрузок на металле появляются выработки, которые затрудняют свободный ход подшипников. Из-за этого коленвал неравномерно нагревается и впоследствии может деформироваться.

Игнорирование данной проблемы чревато не только сильными вибрациями в моторе. Перегрев механизма приводит к его разрушению и по цепной реакции – всего двигателя.

Проблема устраняется путем шлифовки шатунных шеек. При этом их диаметр уменьшается. Чтобы размер этих элементов был одинаковым на всех кривошипах, данную процедуру следует выполнять исключительно на профессиональных токарных станках.

Так как после процедуры технические зазоры детали становятся больше, после обработки на них устанавливается специальный вкладыш, компенсирующий образовавшееся пространство.

Задиры появляются из-за низкого уровня масла в картере двигателя. Также на возникновение неисправности влияет качество смазки. Если не менять масло вовремя, оно загустевает, от чего масляный насос не способен создать нужное давление в системе. Своевременное ТО позволит кривошипно-шатунному механизму работать длительный срок.

Срез шпонки кривошипа

Шпонка кривошипного механизма позволяет передать крутящий момент с вала на приводной шкив. Эти два элемента оснащены пазами, в которые вставляется специальный клин. Из-за некачественного материала и большой нагрузки эту деталь в редких случаях может обрезать (например, при заклинивании двигателя).

Если пазы шкива и КШМ не разбиты, то достаточно просто заменить эту шпонку. В старых моторах такая процедура может не принести желаемого результата из-за люфта на соединении. Поэтому единственным выходом из ситуации будет замена этих деталей на новые.

Износ отверстий фланца

На хвостовике коленчатого вала закреплен фланец с несколькими отверстиями для подсоединения маховика. Со временем эти гнезда могут разбиваться. Такие неисправности относятся к категории усталостного износа.

В результате работы механизма под большими нагрузками в металлических деталях образуются микротрещины, из-за которых образуются одиночные или групповые углубления на соединениях.

Неисправность устраняется путем рассверливания отверстий под больший диаметр болтов. Эту манипуляцию следует выполнить как с фланцем, так и с маховиком.

Течь из-под сальника

На коренных шейках вала устанавливается два сальника (по одному с каждой стороны). Они предотвращают вытекание масла из-под коренных подшипников. Если смазка попадает на приводные ремни газораспределительного механизма, это значительно снижает их ресурс.

Течь сальников может появиться по следующим причинам.

1. Вибрации коленчатого вала. В этом случае изнашивается внутренняя часть сальника, и она неплотно прилегает к шейке.
2. Длительный простой на морозе. Если машина долго стоит на улице, сальник пересыхает и теряет свою эластичность. А из-за мороза он дубеет.
3. Качество материала. Бюджетные детали всегда имеют низкий рабочий ресурс.
4. Ошибка в установке. Большинство механиков производят монтаж при помощи молоточка, аккуратно набивая сальник на вал. Чтобы деталь функционировала дольше, производитель рекомендует использовать предназначенный для данной процедуры инструмент (оправка для подшипников и сальников).

Чаще всего сальники изнашиваются одновременно. Однако если возникла необходимость в замене только одного – следует поменять и второй.

Неисправность датчика коленвала

Этот электромагнитный датчик устанавливается на двигатель для синхронизации работы системы инжектора и зажигания. Если он неисправен, то мотор невозможно будет запустить.

Датчик коленвала определяет положение кривошипов в мертвой точке первого цилиндра. На основании этого параметра электронный блок управления автомобиля определяет момент впрыска топлива в каждый цилиндр и подачи искры. Пока от датчика не поступит импульс, искра не образуется.

В случае выхода из строя этого датчика проблема решается его заменой. Только подобрать следует ту модель, которая разработана для данного типа двигателей, иначе параметры положения коленчатого вала не будут соответствовать реальности, и ДВС будет неправильно функционировать.

Обслуживание коленчатого вала

В автомобиле нет таких деталей, которые не нуждались бы в периодической проверке, обслуживании или замене. То же касается и коленчатых валов. Так как эта деталь постоянно находится под большой нагрузкой, она изнашивается (особенно быстро это происходит, если мотор часто испытывает масляное голодание).

Чтобы проверить состояние коленвала, его необходимо демонтировать из блока.

Снятие коленчатого вала производится в такой последовательности:

• Вначале нужно слить масло;
• Далее необходимо снять мотор с машины, затем от него отсоединяются все его элементы;
• Корпус ДВС переворачивается поддоном кверху;
• В процессе разбора крепления коленвала необходимо запомнить расположение крышек коренных подшипников – они разные;
• Демонтируются крышки опорных или коренных подшипников;
• Снимается заднее уплотнительное кольцо, и деталь вынимается из корпуса;
• Снимаются все коренные вкладыши.

Далее проверяем коленвал – в каком он состоянии.

Ремонт и стоимость поврежденного коленчатого вала

Коленчатый вал – деталь, которую крайне сложно отремонтировать. Причина в том, что эта деталь работает в условиях высоких оборотов под большими нагрузками. Поэтому эта деталь должна иметь идеальную геометрию. Этого возможно достичь только при использовании высокоточного оборудования.

Если коленчатый вал нужно шлифовать из-за появления задир и других повреждений, эту работу должен выполнять профессиональный мастер на специальном оборудовании. Чтобы восстановить изношенный коленчатый вал помимо шлифовки нуждается в:

• Чистке каналов;
• Замене подшипников;
• Термообработке;
• Балансировке.

Естественно, такие работы способны выполнить только высококлассные специалисты, а они за это возьмут большие деньги (работа выполняется на дорогостоящем оборудовании). Но это только вершина айсберга. Прежде чем мастер приступит к ремонту коленвала, его нужно снять с мотора, а после – грамотно установить на место. А это дополнительные растраты на работу моториста.

Стоимость всех этих работ зависит от прайса мастера. Это нужно уточнять в местности, где проводятся подобные работы.

Нет смысла при полном разборе мотора ремонтировать только коленвал, поэтому данную процедуру лучше сразу совместить с капитальным ремонтом ДВС. В некоторых случаях проще купить контрактный мотор (ввезен из другой страны не под капотом авто и без пробега по территории данной страны) и установить взамен старого.

Алгоритм проверки коленчатого вала:

Чтобы определить, в каком состоянии деталь, ее необходимо промыть бензином, чтобы удалить остатки масла с поверхности и из масляных каналов. После промывки деталь продувается при помощи компрессора.

Далее проверка производится в такой последовательности:

• Проводится осмотр детали: нет ли на ней сколов, царапин или трещин, а также определяется, насколько сильно она изношена.
• Продуваются и прочищаются все масляные каналы, чтобы выявить возможную закупорку.
• При обнаружении задир и царапин на шатунных шейках деталь подлежит шлифовке и последующей полировке.
• При обнаружении повреждений на коренных подшипниках их необходимо заменить на новые.
• Проводится визуальный осмотр маховика. Если на нем есть механические повреждения, деталь меняется.
• Осматривается подшипник, установленный на носке. В случае дефектов деталь выпрессовывается, и запрессовывается новая.
• Проверяется сальник крышки распределительных звездочек. Если у автомобиля большой пробег, то сальник подлежит обязательной замене.
• Производится замена уплотнителя задней части коленвала.
• Проверяются и в случае необходимости заменяются все резиновые уплотнители.

После проверки и соответствующего обслуживания деталь возвращается на свое место, и мотор собирается в обратном порядке. После выполнения процедуры коленчатый вал должен плавно вращаться, без больших усилий или рывков.

Шлифовка коленвала

Независимо от того, из какого материала изготовлен коленвал, рано или поздно на нем образуется выработка. На самых ранних этапах износа, чтобы продлить рабочий ресурс детали, ее шлифуют. Так как коленчатый вал – деталь, которая должна иметь идеальную форму, то процесс шлифовки и полировки должен выполнять понимающий и опытный токарь.

Всю работу он сделает самостоятельно. От автовладельца зависит только покупка ремонтных шатунных вкладышей (они толще заводских). Ремонтные детали отличаются своей толщиной, и бывают размеры 1,2 и 3. В зависимости от того, сколько раз шлифовался коленвал или от степени его износа, приобретаются соответствующие детали.

Более подробно о функции ДПКВ и диагностики его неисправностей смотрите в видео:

Датчики коленвала и распредвала: принцип работы, неисправности и способы диагностики. Часть 11

Видео на тему

Дополнительно посмотрите видео о том, как восстанавливается коленчатый вал:

Восстановление шеек коленвала наплавкой

Вопросы и ответы:

Где у машины коленвал? Эта деталь находится в корпусе двигателя под блоком цилиндров. К шейкам кривошипно-шатунного механизма крепятся шатуны с поршнями на противоположной стороне.

Как по-другому называется коленвал? Коленвал это сокращенное название. Полное название детали – коленчатый вал. Он имеет сложную форму, неотъемлемыми элементами которого являются так называемые колени. Другое название – колено.

Что приводит в действие коленчатый вал? Коленчатый вал соединяется с маховиком, куда передается крутящий момент. Данная деталь предназначена для того, чтобы преобразовать возвратно-поступательные движения во вращательные. В движение коленвал приводится за счет поочередного срабатывания поршней. В цилиндре воспламеняется воздушно-топливная смесь, которая вытесняет поршень, подсоединенный к кривошипу коленвала. Благодаря тому, что такие же процессы происходят в соседних цилиндрах, коленвал начинает вращаться.