Что представляет собой коленчатый вал

Вал двигателя внутреннего сгорания совсем не похож на обычный вал. Несколько коленообразных кривошипов, расположенных по всей длине вала (рис. 49), придают ему на первый взгляд странную, непонятную форму.

Рис.49. Нижний коленчатый вал дизелей 10Д100, 2Д100

Однако, рассматривая вал более внимательно, мы увидим, что форма его имеет определенный смысл и обусловлена особенностями устройства и работы дизеля. Кривошипы называют коленами, а сам вал — коленчатым. Шестицилиндровые дизели типа Д50 имеют один коленчатый вал с шестью коленами, десятицилиндровые дизели 10Д100, 2Д100 — два десятиколенных вала, а V-образные шестнадцатицилиндровые дизели 11Д45, 5Д49, 2Д70 и др. - один вал с   восемью  коленами. Как же расположены колена по длине коленчатого   вала?  Читателю известно, что вспышки топлива в   цилиндре   четырехтактного   дизеля   происходят  через  два  оборота    коленчатого  вала   (720°),   а  двухтактного  — через один оборот  (360°). Если вспышки   будут   происходить  последовательно в каждом цилиндре через равные  промежутки  времени,  то,  например,  в шестицилиндровом     четырехтактном дизеле Д50 за каждые два оборота  коленчатого вала  произойдет шесть вспышек,  а в десятицилиндровом   двухтактном   дизеле   типа   Д100 за   один оборот  вала возникнет  десять вспышек.  Значит,  в первом случае  между  двумя  последовательными вспышками угол  поворота  вала   будет  равен    720:6== 120°,  во     втором 360:10 = 36°.   Если   посмотреть   на  коленчатые  валы  дизелей  типов  Д50 и Д100  с  торца,  то  можно  установить, что колена  их как раз  и расположены   под  углами   120   и  36°   (рис.   50) по отношению друг к другу. Практически  это  означает вот что. Если вспышка произошла,  например, в первом цилиндре дизеля Д50, то следующая очередная вспышка   может произойти  в  цилиндре,    колено  которого расположено  под углом   120° по отношению к колену первого цилиндра; третья вспышка произойдет в цилиндре с коленом, размещенным под углом 240° к первому. При втором обороте коленчатого вала произойдут вспышки в оставшихся трех цилиндрах.

Рис. 50. Схемы расположения колен относительно друг друга а) - на коленчатом валу дизеля Д50; б) - на коленчатом валу дизеля 10Д100

В   двухтактных   многоцилиндровых V-образных   дизелях   вспышки   следуют  одна  за  другой в двух    смежных цилиндрах (т. е.   правого и левого рядов).   Величина   угла   поворота    вала между вспышками в этих цилиндрах зависит от «развала» цилиндров, т.  е. от угла  между  осями смежных  цилиндров.   Поэтому   в   V-образном   дизеле число   колеи коленчатого вала сокращается в два раза, а угол между  коленами  соответственно  увеличивается вдвое по сравнению с рядным дизелем   (при   одинаковом   числе   цилиндров).  Так, в   16-цилиндровсм двухтактном  дизеле при последовательном осуществлении    вспышек во всех цилиндрах  угол   между   коленами   может  быть   равным   45° вместо 22.5°   (360:16). Несмотря    на  это, у двухтактного   16-цилиндрового  дизеля 11Д45   угол   между   кривошипами по соображениям уравновешивания и технологии изготовления принят равным 90°. Поэтому вспышки осуществляются сразу в двух цилиндрах одновременно. Чередование вспышек в цилиндрах через равные промежутки времени способствует равномерности вращающего момента дизеля. Чем больше цилиндров, тем меньший угол поворота коленчатого вала нужно иметь между двумя соседними вспышками, тем более плавно будет вращаться коленчатый вал, а значит, и якорь тягового генератора (у тепловозов с электрической   передачей). Последовательность вспышек, называемая порядком работы цилиндров, записывается цифрами, разделенными черточками, например 1-3-5-6-4-2 (дизели 2Д50М, ПД1М, Д50) или 1-6-10-2-4-9-5-37-8 (дизели 10Д100, 2Д100). Здесь каждая цифра или число указывает, в каком цилиндре происходит очередная вспышка. В V-образном   двухтактном   дизеле  11Д45 вспышки происходят в такой последовательности через 45° угла поворота коленчатого вала: 1Л/8Л-1П/8П-4Л/ /5Л-4П/5П-2Л/7Л-2П/7П-ЗЛ/6Л-ЗП/6П. Порядок работы выбирается с таким расчетом, чтобы по возможности вспышки, следующие одна за другой, не происходили в двух соседних цилиндрах, иначе будут перегружаться отдельные подшипники коленчатого вала. Однако на работу дизеля оказывает влияние и другое весьма важное обстоятельство. Из механики известно, что всякое тело стремится сохранить состояние относительного покоя или состояние равномерного движения, в котором оно находилось. При нарушении этого состояния появляются силы, препятствующие его изменению. Так, если автобус на полном ходу резко останавливается,  то  мы  ощущаем   толчок вперед, и наоборот, если он внезапно трогается с места, нас отбрасывает назад. Это свойство тел препятствовать изменению своего состояния называется инерцией. Нечто подобное происходит и в дизелях. Средняя скорость поршней тепловозных дизелей 8—10 м/с, а максимальная еще больше. При таких высоких скоростях движения поршень буквально мечется от в. м. т. к н. м. т. Дойдя до в. м. т. или н. м. т., он изменяет направление движения на обратное. В результате изменения направления движения и величины скорости возникают силы инерции. На рис. 51 видно, что поршни I и VI (крайних цилиндров) подходят к в. м. т., при этом силы инерции направлены вверх, так как поршни замедляют движение.

Рис. 51. Силы инерции, врзникающие в шестицилиндровом дизеле Д50

По этой же причине силы инерции поршней II ш V направлены вниз. У поршней III и IV силы инерции направлены вниз, так как поршни как бы разгоняются. Силы инерции передаются на кривошипы коленчатого вала вместе с силами, возникающими от давления газов (рис. 52).

Рис. 52. Схема сил, действующих в шатуннокривошипном механизме дизеля

Силы инерции шатунно-кривошипного механизма тепловозного дизеля могут достигать значительных величин. Для уменьшения вредного действия сил инерции движущихся (при работе дизеля) деталей конструкторы добиваются такого взаимного расположения колен, при котором создавались бы одновременно инерционные силы, направленные в противоположные стороны. Это называется уравновешиванием дизеля. Посмотрим, как оно осуществляется на примере четырехтактного дизеля. Нетрудно видеть   (см.  рис.  50  а),  что  одна половина этого вала (колена 1, 2 и 5) является зеркальным отражением другой (колена 4, 5 и 6). Иными словами, одной половине вала противопоставлена точно такая же по конфигурации другая половина. Расположение колен в ней повторяется в обратном порядке. При указанных условиях силы инерции от поршней одних цилиндров направлены так, что они   почти  полностью   уравновешиваются силами инерции поршней других цилиндров. Чтобы силы инерции по цилиндрам дизеля были примерно одинаковы, предусмотрены жесткие допуски на разницу в весах (массах) отдельных деталей шатунно-кривошипного механизма; кроме того, сам коленчатый вал подвергается статической или динамической балансировке (уравновешиванию). Вал дизеля 10Д 100 не имеет зеркального расположения кривошипов. Однако большое число колен позволяет выбрать такое их размещение, при котором влияние сил инерции в дизеле будет наименьшим. Чтобы уменьшить моменты от сил инерции вращающихся масс, коленчатый вал дизеля типа Д49 снабжен (на двух крайних и двух средних щеках) противовесами, отлитыми за одно целое с валом.