Что такое коленчатый вал? Назначение, признаки неисправности и обслуживание

Груженый тягач трогается на подъёме, и снизу от двигателя доносится глухой, тяжёлый стук; при сбросе газа стихает, при нагрузке возвращается. На горячем холостом ходу на миг мигнула лампа давления масла. При сливе масла через пробку картера оно оказывается более жидким, чем должно быть, а на магнитной пробке и в сетке фильтра видны мелкие металлические чешуйки. Такая картина указывает на несущий каркас двигателя — коленчатый вал и его вкладыши. Это руководство рассматривает коленвал не как отдельную деталь, а как главный элемент цепочки поршень-шатун-вкладыш-масло, чьё состояние зависит от здоровья всей цепочки.

Что такое коленчатый вал? Главный вал, преобразующий поступательное движение во вращательное

Коленчатый вал — это главный вал двигателя, который через шатуны преобразует возвратно-поступательное движение поршней, возникающее под давлением газов в камере сгорания, в непрерывное вращательное движение и собирает на себе весь крутящий момент, вырабатываемый двигателем. Выработанная мощность передаётся через маховик на заднем конце вала — в трансмиссию, а через шкив на переднем конце — на вспомогательные агрегаты: генератор, компрессор пневмосистемы тормозов, насос гидроусилителя руля и водяной насос.

Самое распространённое заблуждение — считать коленвал просто прямым валом. На нём поочерёдно расположены участки на оси вращения и участки, смещённые от этой оси. Первые удерживают вал в блоке, вторые превращают ход поршня во вращение по окружности заданного радиуса. Величина смещения определяет ход поршня: ход равен удвоенному радиусу кривошипа. Отсюда и геометрическая причина того, что длинноходные дизели тяжёлых грузовиков развивают высокий момент на низких оборотах. Вал состоит из следующих участков:

• Коренные шейки — поверхности на оси вращения, которыми вал опирается на блок цилиндров. В рядном шестицилиндровом двигателе обычно семь коренных опор.
• Шатунные шейки — смещённые от оси поверхности, которые охватывает нижняя головка шатуна; именно они превращают силу в крутящий момент.
• Щёки кривошипа и противовесы — элементы, соединяющие шейки, и выступы, уравновешивающие центробежную силу вращающихся масс.
• Масляные каналы — внутренние отверстия, по которым масло от коренной шейки через наклонное сверление в щеке подаётся к шатунной шейке.
• Передний и задний концы вала — на одном конце шкив, шестерня привода ГРМ и посадочная поверхность переднего сальника; на другом — фланец маховика, поверхность заднего сальника и датчик положения коленвала.

Шейки шлифуются до зеркальной чистоты и закаливаются, однако самый критичный участок вала — переходная галтель между шейкой и щекой: здесь концентрируются напряжения, и усталостные трещины почти всегда зарождаются именно в этом радиусе. Осевое перемещение вала ограничивают упорные поверхности у одной из коренных опор.

В чём разница между коленчатым и распределительным валом?

Коленчатый вал расположен в нижней части двигателя: он воспринимает движение поршней и отдаёт мощность наружу. Распределительный (кулачковый) вал, напротив, — это управляющий вал: своими кулачками он задаёт, когда откроются клапаны, а в некоторых конструкциях — и насос-форсунки. Проще говоря, коленвал несёт силу, распредвал — время. Валы связаны шестернями, цепью или ремнём, и в четырёхтактном двигателе, пока коленвал делает два оборота, распредвал успевает сделать один; на полный цикл коленчатому валу нужно повернуться на 720 градусов. Признаки неисправности распредвала разобраны в руководстве по распределительному валу.

Как работает коленчатый вал? Силовая цепочка, порядок работы цилиндров и непрерывность вращения

Давление в камере сгорания давит на днище поршня. Поршень через палец передаёт силу шатуну, а тот — через вкладыш нижней головки — шатунной шейке. Шейка смещена от оси, поэтому сила действует на плече кривошипа и создаёт вращающий эффект: крутящий момент равен произведению силы на радиус кривошипа. Эффективность меняется с углом поворота: в верхней мёртвой точке вращающая составляющая минимальна, а после поворота вала достигает максимума. Момент зажигания и впрыска настраивают именно под эту геометрию.

В четырёхтактном двигателе каждый цилиндр даёт рабочий ход лишь раз за четыре такта; в остальные три такта вал вращают сила соседних цилиндров и инерция маховика. В рядных шестицилиндровых дизелях тяжёлых грузовиков 720 градусов цикла делятся поровну между цилиндрами, поэтому вспышки идут через каждые 120 градусов, и поток мощности почти непрерывен. Рядная шестёрка к тому же уравновешена конструктивно: силы инерции первого и второго порядка компенсируют друг друга. Распространённый порядок работы — 1-5-3-6-2-4, но он зависит от кода двигателя.

Так как вспышки происходят в разных точках вдоль вала, при каждой из них коленвал слегка скручивается и пружинит обратно. Эти крутильные колебания нарастают на оборотах, близких к собственной частоте вала, и становятся главным источником усталостных трещин; демпфер на переднем конце гасит именно эту энергию. Вал одновременно испытывает три нагрузки: сжатие, изгиб и кручение.

Карта внутренней механики двигателя: цепочка от коленвала до клапана

Коленвал крайне редко выходит из строя сам по себе. Внутренняя механика двигателя — связанная цепь, и дефект в любом звене чаще всего проявляется на коренных и шатунных вкладышах. Порядок цепи такой: коленвал, шатун, поршень с кольцами, гильза, головка блока, клапаны, коромысла и распредвал.

Эти связи действуют не в одну сторону. Изношенная пара поршень-гильза теряет не только компрессию: прорыв газов горения в картер разжижает масло и загрязняет его сажей, сокращая срок службы вкладышей — характер этого износа рассмотрен в руководстве по поршню и гильзе двигателя. Течь сверху тоже сказывается снизу: пропускающая охлаждающую жидкость прокладка головки вызывает коррозию вкладышей; признаки неисправности головки блока — в руководстве по группе головки блока цилиндров.

Материал и технология изготовления коленвала: ковка, литьё и упрочнение поверхности

Коленвал несёт наибольшую усталостную нагрузку среди деталей двигателя, поэтому технологию выбирают исходя из ожидаемой удельной мощности. Кованый коленвал формуют из разогретой стальной заготовки между штампами; волокна металла повторяют форму детали и сохраняют непрерывность в галтелях, что даёт высокую усталостную прочность — распространённое решение для современных двигателей с высоким давлением в цилиндрах. Литой коленвал из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом даёт сложную геометрию за один цикл и обходится дешевле; шаровидный графит придаёт материалу большую вязкость по сравнению с серым чугуном, хотя по прочности он уступает кованому валу.

После того как заготовка вала получила форму, настоящую прочность ему придаёт обработка поверхности: шейки закаливают, а зону галтелей упрочняют.

На практике это означает: коленвал нельзя ремонтировать бесконечно. Закалённый слой тонкий, и каждая шлифовка снимает часть от него. На некоторых двигателях коленвал вообще не подлежит ремонту; решение принимается не по возможностям станка, а по документации производителя.

Коренные и шатунные вкладыши: масляная плёнка микронной толщины, несущая коленвал

Коленвал не сидит в блоке металлом по металлу. Между коренными шейками и вкладышами есть тонкая масляная плёнка, и вал буквально «плавает» на ней. Механизм называется гидродинамической смазкой: вращающаяся шейка увлекает масло в сужающийся клиновидный зазор, и давление в этом клине даёт несущую способность, достаточную для удержания вала. Давление насоса напрямую эту плёнку не создаёт — его задача в бесперебойной подаче нужного расхода масла в зазор.

Вкладыш-полувтулка состоит из стального основания со слоем мягкого антифрикционного сплава. Мягкость слоя — не дефект, а расчёт: он позволяет мелким твёрдым частицам из масла вдавливаться внутрь, не повреждая шейку. В двухслойных биметаллических вкладышах применяется алюминиево-оловянный слой; в трёхслойных триметаллических, предпочтительных при высоких нагрузках, поверх среднего слоя наносится тонкое антифрикционное покрытие. Фиксатор на основании лишь задаёт положение вкладыша — удерживает его кольцевое натяжение при затяжке крышки.

Что такое масляный зазор вкладыша и почему он так важен?

Масляный зазор — разница между диаметром шейки и внутренним диаметром вкладыша, одна из самых точных величин в двигателе. Слишком малый зазор не пропускает достаточно масла: плёнка тоньше, растёт температура трения, вкладыш быстро проворачивает. Слишком большой зазор — масло вытекает быстрее, давление падает, а шейка при каждой вспышке бьёт по вкладышу — так механически и объясняется тот самый глухой стук снизу. Зазор измеряют методом пластиковой нити (Plastigage) либо микрометром с нутромером.

Упорный подшипник и осевой люфт

Продольное перемещение вала ограничивают упорные полукольца или упорные шайбы, установленные с обеих сторон одной из коренных опор. При увеличении осевого люфта вал начинает «гулять» вперёд-назад: появляется люфт на шкиве, течь через задний сальник и неровная работа привода сцепления. Самый частый враг упорного подшипника — привычка водителя держать ногу на педали сцепления: это постоянно поджимает вал вперёд и лишает упорную поверхность масляной плёнки.

Масляные каналы и зависимость от давления масла

Масло под давлением сначала попадает через канал в постели блока на коренную шейку, а оттуда по наклонному сверлению внутри щеки — на шатунную шейку. Иными словами, шатунный вкладыш получает то же масло, что прошло через коренной; когда зазор коренного вкладыша увеличивается или канал сужается от нагара и шлама, первым голодает именно шатунный вкладыш. Некоторое падение давления на горячем холостом ходу — это норма, но оно не должно приближаться к порогу срабатывания сигнализации. По мере износа вкладышей суммарная площадь утечки растёт, и давление устойчиво снижается; поэтому давление масла — самый ранний и самый надёжный индикатор состояния коренных и шатунных вкладышей.

Как распознать признаки неисправности коленчатого вала?

Признаки неисправности чаще всего проявляются через вкладыши и развиваются постепенно: сначала незаметное падение давления масла, затем звук под нагрузкой, и в конце — вибрация и металлическая стружка в масле.

Большинство этих признаков не уникальны для коленвала: ослабленный болт шкива, изношенная втулка поршневого пальца или забитый маслоприёмник дают похожую картину. Блок двигателя хорошо проводит звук, поэтому даже самая громкая точка при прослушивании стетоскопом не гарантирует, что неисправность находится именно там.

Как развивается проворот вкладыша? Механизм и основные причины

То, что на практике называют «провернуло вкладыш», — не одномоментный обрыв, а короткая цепная реакция. В какой-то момент плёнка теряет несущую способность, шейка касается антифрикционного слоя, температура трения резко растёт, мягкий слой начинает течь и намазывается на шейку, зазор сужается ещё больше, и процесс лавинообразно ускоряется. В итоге слой исчезает, стальная основа режет шейку и проворачивается в постели, перекрывая масляное отверстие.

На этом повреждение не заканчивается. Тепло меняет свойства термообработки в этой зоне вала, на шейке появляются синие пятна побежалости; проворачивающийся вкладыш разбивает и постель блока. Поэтому на двигателе с провёрнутым вкладышем измеряют и постели блока.

• Недостаточное давление или расход масла — низкий уровень масла, износ масляного насоса, забитый маслоприёмник, зависший в открытом положении редукционный клапан.
• Забитый масляный канал — сужение наклонного сверления в вале или канала блока нагаром, шламом или абразивной стружкой после ремонта.
• Неверная вязкость или деградировавшее масло — масло вне одобренного класса, превышенный интервал замены, разжижение топливом, попадание охлаждающей жидкости, забитый фильтр.
• Неверный зазор и ошибки сборки — установка вкладыша без замера, использование неверного ремонтного размера, непромытая постель, грязь под вкладышем, неверный момент или порядок затяжки болтов.
• Перегрузка и геометрические дефекты — работа с высокой нагрузкой на низких оборотах, нагрузка на непрогретый двигатель, погнутый шатун, овальная постель, биение вала.

Практический смысл списка таков: проворот вкладыша — это следствие. Не найдёте причину до сборки — новый вкладыш проживёт ровно столько же. Самый короткий путь к диагнозу — осмотр снятых вкладышей: форма и цвет износа чаще всего прямо указывают на механизм отказа.

Дополнительные материалы

Понятный технический обзор этой темы см. в справочной статье на Wikipedia. Всегда сверяйте конкретные значения и процедуры с сервисными данными изготовителя.

Диагностика коленвала: последовательный метод от площадки до цеха

Самая дорогая ошибка при диагностике — разобрать двигатель, лишь предположив источник звука. Правильный метод начинается с дешёвых и обратимых шагов.

1. Поднимите историю автомобиля: записи о замене масла, класс масла, последние ремонты, случаи перегрева и жалобы на расход масла.
2. Проверьте уровень и состояние масла. Если уровень поднялся, а масло стало жиже — ищите разбавление топливом; если масло приобрело цвет кофе с молоком — ищите попадание охлаждающей жидкости.
3. При сливе процедите масло и осмотрите магнит на сливной пробке картера. Блестящие серебристые чешуйки указывают на антифрикционный слой вкладыша, стальная стружка — на более серьёзное механическое повреждение.
4. Измерьте давление масла механическим манометром, а не по штатному прибору — отдельно на холодную и на рабочую температуру.
5. Прослушайте двигатель под нагрузкой и без неё. Стук шатунного вкладыша обычно усиливается под нагрузкой и заметно стихает при отключении подачи топлива в этот цилиндр; стук коренного вкладыша более глухой.
6. Осмотрите шкив и маховик визуально и индикатором часового типа; следы проскальзывания на наружном кольце указывают на возможный выход из строя демпфера. Измерьте биение переднего конца вала и осевой люфт.
7. Измерьте давление в картере; повышенное значение объясняет течи через сальники и одновременно указывает на проблему в паре кольца-гильза.
8. Если признаки указывают на вкладыш, снимите картер и в порядке контроля вскройте один шатунный вкладыш; характер износа даёт представление о состоянии всего двигателя, после чего классифицируйте повреждение.

Чаще всего в этой последовательности пропускают второй и седьмой шаги. Состояние масла и давление в картере — два недорогих измерения, которые задают направление диагностики, и оба выполняются без разборки двигателя.

Измерение и ремонтная шлифовка: микрометр, контроль трещин и ремонтный размер вкладыша

После снятия и очистки вала осмотра недостаточно — пригодность к эксплуатации определяет измерение. Диаметр и геометрия шейки: каждую коренную и шатунную шейку измеряют микрометром минимум в двух-трёх сечениях, в каждом — в двух перпендикулярных направлениях. Разница между направлениями в одном сечении даёт овальность, между сечениями — конусность. При превышении предела производителя вал шлифуют под ремонтный размер либо заменяют.

Проверка биения и трещин: вал ставят крайними коренными шейками на призмы, на среднюю шейку — индикатор часового типа, и, медленно вращая вал, снимают биение; погнутый вал изнашивает вкладыши очень быстро и с одной стороны. Каждый вал после высокой нагрузки или проворота вкладыша дополнительно проверяют на трещины: магнитопорошковая дефектоскопия выявляет поверхностные и подповерхностные трещины на стали, а зоны контроля известны заранее — это галтели и выходы масляных отверстий. Трещина в галтели означает, что вал непригоден; заварка или сошлифовка такого дефекта недопустимы. Пятна побежалости на шейке говорят о термическом перегреве — такой вал нельзя использовать без замера твёрдости.

При допустимых результатах вал шлифуют на станке под меньший размер и ставят соответствующий ремонтный (заниженный) вкладыш. Обычно размеры идут с шагом, кратным 0,25 мм, но какие доступны и допускается ли ремонт вообще — зависит от кода двигателя. При шлифовке неизменны три правила: радиус сохраняется в исходном размере, кромки масляных отверстий раззенковываются и зачищаются, вал на последнем этапе полируется. После обработки обязательны промывка вала и продувка каналов под давлением.

Противовесы, балансировка, шкив и маховик: управление вибрацией

Коленвал должен управлять и той неуравновешенностью, которую сам создаёт. Шатунные шейки и вращающиеся с ними массы смещены от оси и создают центробежную силу; противовесы на щеках компенсируют именно эту силу. Остаточный дисбаланс измеряют на балансировочном станке и обычно устраняют съёмом металла. В большинстве конструкций балансируют не один вал, а сборку с маховиком и шкивом; перед разборкой пометьте взаимное положение деталей.

Демпфер крутильных колебаний (на шкиве) заслуживает отдельного разговора. Он гасит эти колебания резиновым элементом либо вязкой жидкостью внутри корпуса. Демпфер не рассчитан на весь срок службы двигателя: резина стареет и трескается, наружное кольцо смещается относительно ступицы, а в вязкостном исполнении со временем меняются свойства самой жидкости. Вышедший из строя демпфер не даёт предупреждения, но оставляет вал беззащитным перед усталостью от кручения; за многими поломками коленвала на практике стоит именно демпфер, не менявшийся годами. Смещение метки газораспределения на кольце — и самый заметный признак неисправности, и причина неверного считывания угла опережения.

Маховик на заднем конце вала одновременно служит инерционной массой и интерфейсом трансмиссии: он крепится болтами к фланцу коленвала, несёт зубчатый венец стартера и рабочую поверхность сцепления. На многих двигателях болты маховика одноразовые и затягиваются методом момент + угол. Ослабленный или смещённый маховик ускоряет износ заднего коренного вкладыша и заднего сальника; жалоба, начавшаяся как вибрация сцепления, со временем может перерасти в повреждение вкладыша.

Сальники коленвала и течь масла: передний и задний сальник

Коленвал выходит наружу с обоих концов двигателя, и в обоих местах стоит сальник против утечки масла. Передний — за шкивом, на крышке привода ГРМ; задний — перед маховиком, обычно на отдельном держателе. Течь через задний сальник обсуждают чаще всего: его замена требует снятия маховика, а нередко и узла сцепления.

Установить причину течи важнее, чем просто заменить сальник. Основные причины — старение сальника с потерей эластичности кромки, выработка канавки на валу, чрезмерный люфт вала и, чаще всего упускаемое из виду, повышенное давление в картере. При забитой вентиляции или росте прорыва газов давление выдавливает масло через самое слабое место — течь возвращается быстро даже после замены сальника.

При монтаже особенно важно одно правило: классические резиновые сальники устанавливают с лёгкой смазкой кромки, тогда как сальники с губкой из PTFE, работающие всухую, монтируют без смазки и напрессовывают на вал с помощью штатной оправки; смазанный по ошибке такой сальник сразу теряет герметизирующую способность. Чтобы не повредить кромку, острые кромки на конце вала закрывают защитной гильзой, а сам сальник запрессовывают не молотком, а подходящей оправкой строго перпендикулярно посадочному месту.

Замена коленвала и дисциплина сборки

Замена коленвала требует снятия двигателя с автомобиля и полной разборки нижнего блока. Сложность этой работы — не столько в мастерстве рук, сколько в дисциплине: чистота, замеры, порядок и момент затяжки. Значения моментов, порядок операций и специальный инструмент отличаются от двигателя к двигателю и берутся из руководства производителя.

1. Обезопасьте автомобиль, отсоедините аккумулятор, слейте масло и охлаждающую жидкость установленным порядком, снимите двигатель подходящим оборудованием и установите на стенд.
2. Снимите маховик, узел сцепления, шкив, крышку привода ГРМ и масляный картер; зафиксируйте положение и установочные метки каждой детали.
3. Снимите головку блока и поршни с шатунами. Перед снятием крышек шатунных и коренных вкладышей проверьте их номера и ориентацию — крышки не взаимозаменяемы.
4. Извлеките коленвал, поддерживая его в опорах. Вал тяжёлый и несбалансирован при снятии — одного удара шейки о твёрдую поверхность достаточно, чтобы вал пришлось выбраковать.
5. Измерьте постели коренных вкладышей в блоке; при их овальности или несоосности одной лишь замены коленвала недостаточно.
6. Перед установкой вала промойте все масляные каналы под давлением и убедитесь в их проходимости; абразивная стружка после ремонтной обработки — самая частая причина гибели новых вкладышей. Протрите постели и обратную сторону вкладышей безворсовой ветошью: даже одна соринка под вкладышем локально перекрывает зазор и вызывает проворот.
7. Измерьте зазор методом пластиковой нити либо микрометром и нутромером и убедитесь, что он соответствует значению производителя.
8. Нанесите на поверхности вкладышей монтажную смазку, установите вал, поставьте крышки по своим номерам и в правильной ориентации, затяните болты моментом производителя в указанном порядке, при необходимости — методом момент + угол. После затяжки каждой крышки проворачивайте вал вручную и проверяйте, что он вращается свободно.
9. Измерьте осевой люфт и убедитесь, что он в пределах нормы производителя; установите шатунные группы, картер, сальники, шкив и маховик. Перед первым запуском обеспечьте создание давления масла и в период приработки избегайте высоких нагрузок.

Технические величины и общие справочные диапазоны

В таблице ниже собраны наиболее востребованные параметры; она предназначена не для принятия решения, а для оценки того, насколько разумен полученный результат измерения.

Неизменное правило этой таблицы таково: ни одна числовая величина по коленвалу не действует в отрыве от кода двигателя. Даже два двигателя одного объёма от одного производителя могут требовать разных зазоров и разных правил ремонта.

Обслуживание, ресурс и роль коленвала в двигателе

У коленвала нет установленного регламентного интервала замены. При правильном обслуживании коленвал тяжёлого грузового двигателя служит весь ресурс двигателя и, как правило, вообще не заменяется. Его ресурс определяет не пробег, а давление, чистота и температура проходящего через него масла. Из двух одинаковых двигателей один может ни разу не потребовать вскрытия нижнего блока, а другой — из-за пропущенной замены масла — попасть в ремонт нижнего блока гораздо раньше.

• Дисциплина замены масла и фильтра. Меняйте по тому показателю — пробегу или сроку, — который наступает раньше, сокращайте интервал при тяжёлой эксплуатации и не выходите за пределы класса вязкости, одобренного производителем двигателя; именно этот выбор напрямую определяет толщину масляной плёнки.
• Уровень и давление масла. Убеждайтесь, что уровень не падает и не растёт; зафиксируйте давление на горячем холостом ходу как индивидуальную норму конкретного автомобиля и отслеживайте её тенденцию.
• Дисциплина прогрева и остывания. Не нагружайте непрогретый двигатель сразу и давайте короткий холостой ход перед остановкой.
• Вентиляция картера, демпфер и учёт. Забитая вентиляция вызывает течь сальников; демпфер периодически проверяют на трещины и смещение кольца; ремонтный размер и размер вкладышей фиксируют в паспорте автомобиля.

Коленвал во внутренней механике двигателя одновременно самая долговечная и самая зависимая деталь: закалённые поверхности рассчитаны на то, чтобы к ним вообще не прикасались, но при этом вал держится на масляной плёнке толщиной в микроны, а за сохранность этой плёнки отвечает вся остальная цепочка. Поэтому неисправность коленвала чаще всего — не вина самого коленвала. Правильный порядок диагностики известен: сначала доказывают чистоту масла, затем — наличие давления, затем — исправность верхнего блока, и лишь в последнюю очередь под вопрос ставится сам коленвал. В любом случае решающим документом остаётся актуальная сервисная документация производителя (OE) для конкретного кода двигателя и шасси.

О признаках износа и порядке замены группы поршень-гильза, передающей это движение коленчатому валу, читайте в руководстве поршень и гильза двигателя.

Категория товара: Двигатель

Подробное техническое руководство: Диагностика неисправностей, пошаговая замена и интервалы обслуживания: Коленвал компрессора: неисправности, замена и обслуживание

Все наши технические руководства по этой теме

• Комплект прокладок двигателя: неисправности, замена, уход
• Поршень и гильза двигателя: неисправности, замена и ремонт
• Поршень, гильза цилиндра и кольца: диагностика и замена
• Головка блока цилиндров: неисправности, замена и обслуживание
• Клапанная группа двигателя: неисправности, замена и обслуживание
• Что такое регулировка клапанов (коромысел)? Зачем и когда она нужна?
• Прогар прокладки головки блока цилиндров: признаки и причины
• Коромысла и ось коромысел: неисправности, замена и уход
• Распределительный вал: неисправности, диагностика, замена
• Картер маховика (колокол сцепления): неисправности и замена
• Когда менять ремень ГРМ? Что произойдёт, если он порвётся?
• Что такое стартер? Признаки неисправности и замена щёток
• Что такое генератор? Функции и признаки неисправности генератора

Продукция VADEN ORIGINAL

• Поршень и Гильза — 84 товаров
• Головка блока — 66 товаров
• Клапан двигателя — 54 товаров
• Эксцентричный — 19 товаров