Конструктивные особенности коленчатого вала

В обычном понимании вал — это цилиндрический стержень, опирающийся на два подшипника. Коленчатый же вал дизеля лежит на нескольких опорах. Объясняется это тем, что каждый из шатунов тепловозного дизеля при вспышке топлива в цилиндре передает на колена вала усилие 294—686 кН (30 000—70 000 кгс). Если допустить, что коленчатый вал длиной около 4 м лежит на двух опорах, а усилие 490 кН (50 000 кгс) приложено в середине вала, то под действием этого усилия и массы (веса) деталей шатунно-кривошипного механизма вал значительно    прогнется и в нем возникнут напряжения, которые сломают вал. Только от собственной массы(около 2000 кг) вал может прогнутья на 1,5 мм. А чрезмерно большие прогибы вала вызовут его перекос в опорных подшипниках. Это нарушит условия их работы. Чтобы этого не произошло, вал двигателя должен быть прочным и достаточно жестким. Вообще говоря, этого можно добиться за счет увеличения диаметра вала. Однако такой коленчатый вал нельзя будет разместить в двигателе. Конструкторы пошли другим путем: они увеличили число опор, на которые укладывается вал, т. е. вал по всей своей длине как бы разбили на относительно маленькие участки (пролеты). Участок вала, равный по длине одному кривошипу, опирается на два подшипника. Благодаря этому нагрузка на подшипники уменьшается, а прогиб вала составляет незначительную величину. Участки вала, которыми он опирается на подшипники, называют коренными шейками, а места сочленения шатунов с кривошипами — шатунными шейками. Коленчатые валы дизелей 10Д100 и 2Д100 лежат на двенадцати коренных подшипниках, вал дизелей типа Д50 — на семи, вал шестнадцатицилиндровых         дизелей Д49 — на девяти, а вал дизеля 11Д45 — на   десяти   подшипниках.

Рис. 53. Общие виды заготовок коленчатых валов

Коленчатый вал дизеля типа Д50 вращается с наибольшей скоростью 740 об/мин (12,3 об/с). При этой частоте вращения он воспринимает за каждую секунду 37 ударов — импульсов (12,3 х 3, где 3 — число вспышек за один оборот вала), возникающих при сгорании топлива в цилиндрах, которые через шатуны передаются на кривошипы. Создание прочной и в то же время жесткой и легкой конструкции коленчатого вала, работающего в одной «упряжке» с деталями шатунно-поршневой группы,   является   трудной   задачей. Мы уже знаем: уменьшение прогиба вала в значительной степени обеспечивается установкой достаточного количества опор и внушительными размерами шатунных и коренных шеек. Однако прочность вала зависит и от материала, из которого он изготовлен. Известно, что сталь и чугун являются основными металлами машиностроения. Термически обработанная сталь дает такую прочность, которой обладают очень немногие металлы. Именно поэтому до недавнего времени коленчатые валы изготовлялись из цельных стальных поковок, которым придавалась нужная форма под молотом или штампом. На рис. 53 вы видите поковку вала дизеля типа Д50. Ее масса выше 13 000 кг, а масса готового коленчатого вала только 1780 кг. Таким образом, при обработке в стружку уходит свыше 11 т ценнейшего металла — почти в 6 раз больше, чем весит готовый вал. Поэтому механическая обработка вала является дорогостоящей и трудоемкой операцией. Неудивительно, что из-за нерационального использования металла стоимость вала дизеля Д50 составляет 15—20% общей стоимости всего дизеля, а процесс изготовления его занимает очень много времени. Чтобы сократить расходы металла в  стружку,  упростить     механическую обработку и сэкономить время на изготовление, применяются литые валы. Харьковский завод им. Малышева в 1955—1956 гг. освоил изготовлениелитых чугунных коленчатых валов для   дизеля   2Д100. Чем же объяснить, что чугун, имеющий меньшую прочность, чем сталь, к тому же хрупкий и маловязкий, с успехом вытесняет сталь при изготовлении коленчатых валов (несущих высокие динамические нагрузки) для мощных относительно быстроходных дизелей? Объясняется это тем, что удалось решить проблемы повышения прочности чугуна и улучшения его вязкости. Прочность чугуна была значительно повышена за счет изменения формы графита. Такой чугун называется высокопрочным; по своей прочности он не уступает обычной стали. Невольно возникает вопрос, почему не применяются валы, отлитые из стали? Причина здесь кроется в том, что из-за меньшей текучести стали очень трудно получить высококачественную отливку такой сложной детали, как коленчатый вал дизеля. Чугунные валы отливаются с припуском на обработку только коренных и шатунных шеек. Щеки вала отливаются без припусков и подвергаются незначительной механической обработке, связанной с его балансировкой и устройством каналов для подвода смазки. Чтобы продлить срок службы коленчатого вала дизелей Д49, 11Д45, коломенские тепловозостроители не только отливают его из высокопрочного чугуна, но и «азотируют», т. е. насыщают азотом поверхностный слой шеек на глубину 0,5 мм. Это повышает прочность и твердость вала, что снижает   износ   его   шеек.