Как работает коленвал и как не довести его до поломки

Коленвал, или коленчатый вал, — деталь двигателя, которая превращает прямолинейное движение поршней во вращение и передает работу через маховик к сцеплению.

Если кривошипно-шатунный механизм, частью которого является коленвал, выйдет из строя — двигатель застучит или даже заклинит. Если понять, как устроен вал и от чего страдают его подшипники, проще вовремя заметить признаки серьезных проблем.

Коленвал входит в кривошипный механизм  ​— узел, который связывает поршни с вращающимися деталями двигателя. Кроме коленвала, в него входят шатуны, поршни, цилиндры и картер.

У каждой детали своя роль. Поршень ходит внутри цилиндра туда и обратно. Шатун — стержень, который одним концом соединен с поршнем, а другим держится за шатунную шейку вала. Картер — корпус двигателя, в подшипниках которого вал вращается своими коренными шейками.

Без коленвала эта система бесполезна. Поршень движется только прямолинейно, а прямое движение само по себе ничего не вращает. Коленвал работает так же, как велосипедные педали: шатунные шейки смещены от оси вала, и усилие шатуна, приложенное к такой шейке, поворачивает весь вал.

Деталь назвали так из-за формы: смещенные шейки и щеки, которые их соединяют, делают вал похожим на ряд согнутых колен.

Когда в сервисе говорят о проблеме «с коленвалом», важно уточнить, о чем именно речь: о самом вале, его шейках или вкладышах — деталях подшипников, в которых шейки вращаются. От этого зависит, какой ремонт предстоит.

Кривошипный механизм превращает прямолинейное движение поршня во вращение и передает работу от поршня к валу. При вспышке топлива в цилиндре газы давят на поршень, поршень толкает шатун, шатун давит на смещенную шатунную шейку, и вал поворачивается. Дойдя до края хода, поршень идет обратно — его ведет уже вращающийся вал. Поршни раскручивают вал толчками, а вал своим вращением водит поршни.

Толчки от вспышек идут не непрерывно, поэтому вал сам по себе вращался бы рывками. Чтобы двигатель работал равномернее, на коленчатом валу есть маховик — массивный диск, который своей инерцией сглаживает рывки между вспышками. Через маховик усилие с вала передается сцеплению.

Вал связан и с приводом газораспределительного механизма ремнем или цепью. Для такого привода на валу бывает шпоночная канавка — паз под шпонку, которая не дает шестерне или звездочке проворачиваться.

Коленвал вращается в картере двигателя на коренных подшипниках. Шатунные шейки вала соединены с шатунами, а шатуны — с поршнями в цилиндрах. На шкиве вала бывает демпфер — гаситель колебаний.

Там, где вал выходит из корпуса, стоят сальники — уплотнения, которые не дают маслу вытекать из картера. Сам вал без разборки двигателя не увидеть. Течь масла со стороны шкива вала или со стороны маховика — повод показать машину мастеру.

Основные элементы коленчатого вала — коренные шейки, шатунные шейки и щеки. Коренные шейки лежат на одной оси и вращаются в подшипниках картера: вокруг них поворачивается весь вал. Шатунные шейки смещены от оси, на них держатся шатуны. Щеки соединяют шейки между собой и задают смещение: расстояние от оси вала до шатунной шейки работает как плечо рычага, на которое давит шатун.

Сколько у вала шатунных шеек, зависит от числа цилиндров: у рядного двигателя, где цилиндры стоят в одну линию, их столько же, сколько цилиндров.

На одном конце вала есть фланец — площадка, к которой прилегает маховик. Торец фланца должен быть плоским или вогнутым. В шейки выходят смазочные каналы: по ним масло попадает на поверхность шейки, туда, где она вращается в подшипнике. Острые кромки там, где канал выходит на шейку, должны быть притуплены. У вала есть и противовесы.

Вал быстро вращается, и если его масса распределена вокруг оси неравномерно, на каждом обороте возникает сила, которая раскачивает его в подшипниках. Поэтому коленвал обязательно динамически балансируют — проверяют уравновешенность на вращении  .

Заготовку вала получают ковкой или литьем из стали и чугуна.

Поверхность шеек упрочняют одним из двух способов. Первый — закалкой токами высокой частоты, ТВЧ, — поверхностный слой нагревают током и закаливают. По стандарту твердость шеек после нее должна быть в пределах 53—63 HRC  .

Второй способ — азотирование, когда поверхность насыщают азотом. У валов, азотированных на глубину 0,25—0,40 мм, твердость поверхности по стандарту должна быть не ниже 500 HV  .

Если вал ставят на замену, важно уточнить у мастера, что он динамически сбалансирован.

Вал вращается от толчков: каждый цилиндр толкает свою шатунную шейку в момент вспышки. Чтобы вал вращался ровно, вспышки в цилиндрах должны чередоваться в правильном порядке, который задает форма вала — то, как шатунные шейки развернуты относительно друг друга.

У четырехцилиндрового двигателя все шатунные шейки лежат в одной плоскости с коренными: две средние смотрят в одну сторону от оси вала, две крайние — в другую. При такой форме вспышки чередуются правильно, а вся система достаточно уравновешена: пока средняя пара поршней движется в одну сторону, крайняя движется в противоположную.

У шестицилиндрового двигателя шатунные шейки разнесены на 120° и уже не лежат в одной плоскости — так вспышки в шести цилиндрах тоже чередуются правильно. Число цилиндров определяет, сколько у вала шатунных шеек и как они развернуты.

Вал испытывает крутильные колебания — его участки периодически чуть поворачиваются относительно друг друга вокруг оси. Чтобы снизить их, на шкиве коленвала ставят демпфер, который снижает амплитуду крутильных колебаний вала. Демпфер состоит из ступицы, эластомера — резиноподобного упругого слоя — и инерционного кольца.

Если вал вращается неравномерно, особенно на низких оборотах, он может шуметь или раньше времени выводить из строя ремень и детали ременного привода.

Шейки вала вращаются в подшипниках с вкладышами, и металл шейки не должен касаться металла вкладыша. Для этого в подшипниках предусмотрен зазор на масляный клин. Вращаясь, шейка затягивает масло в зазор. Нагрузка прижимает ее к одной стороне, зазор там сужается клином, и масло в нем создает давление, на котором шейка держится, как на подушке.

Пока масла хватает, клин работает. Когда давления масла недостаточно, первыми в КШМ разрушаются шатунные вкладыши, и двигатель начинает стучать. Поэтому очень важно держать в норме уровень масла и не оставлять без внимания индикатор низкого давления масла.

Коленвал стоит внутри картера, визуально неисправность этой детали не увидеть. Но симптомы заметить можно.

Разрушение вкладышей. Они почти всегда разрушаются из-за недостаточного давления масла или из-за того, что его не меняли вовремя, и оно утратило свои свойства.

При недостаточном давлении масляный клин не держит шейку, металл трется о металл, и двигатель сразу начинает стучать. Как и когда менять масло, подробно написано в гайде Т⁠—⁠Ж о замене масла в двигателе.

Износ шеек. Нагрузка на шейки неравномерная, поэтому со временем шатунные и коренные шейки из круглых в сечении становятся овальными. Для сравнения: у нового вала форма шеек может отличаться от ровного круглого цилиндра не больше чем на 0,005 мм  . Овальная шейка в круглом вкладыше дает неравномерный зазор, который меняется на каждом обороте.

Биение и течь масла. Биение — вращение вала не строго вокруг своей оси, когда его поверхности на каждом обороте смещаются. Постоянное биение шкива и места под задний сальник дает неустранимую течь масла с обеих сторон двигателя.

Трещины на коленвалах — дефект изготовления и сборки. Такое бывает достаточно редко.

Что делать при признаках. Если при работающем двигателе загорелся сигнализатор аварийного давления масла, нужно как можно скорее остановиться, заглушить двигатель и ехать в сервис на эвакуаторе.

Стук в двигателе — типичная картина поломки КШМ, иногда после этого двигатель заклинивает.

Коленвал лежит коренными шейками в подшипниках картера и вращается в них.

Стандарт допускает и стальные, и чугунные коленвалы  . Стальные делают из сталей 45, 50Г, 40Х, 40ХН, 40ХНМА, 50ХФА или из других аналогичных, чугунные коленвалы — из чугунов ВЧ-50, ВЧ-60, ВЧ-70 и КЧ 60-3, КЧ 70-2.

Ресурса в километрах или моточасах для коленвала стандарт не называет. Он требует другого: вал, который ставят на двигатель при сборке, должен прослужить не меньше, чем сам двигатель до капитального ремонта  .

Да. При сильном износе шейки перешлифовывают под вкладыши ремонтного размера. У вала, закаленного ТВЧ, даже после шлифовки под последний ремонтный размер закаленный слой должен оставаться толщиной не меньше 1 мм  .

Заваривать и зачеканивать дефекты вала нельзя, кроме площадок под противовесы и недолитых или недокованных мест на вершинах противовесов и фланцах. До и после шлифовки вал обязательно проверяют на прогиб.

1. Коленвал превращает прямолинейное движение поршней во вращение и через маховик передает усилие сцеплению.
2. Вал вращается в картере на коренных подшипниках, а шатуны держатся за его смещенные шатунные шейки.
3. У рядного двигателя шатунных шеек столько же, сколько цилиндров.
4. В подшипниках вала предусмотрен зазор на масляный клин, а при недостаточном давлении масла первыми разрушаются шатунные вкладыши.
5. Загоревшаяся лампа давления масла — сигнал как можно скорее остановиться, заглушить двигатель и обратиться в сервис.
6. Изношенный вал можно перешлифовать под ремонтные вкладыши.