Коленчатый вал изготавливают из чугуна или стали. Чугунные валы отливают, стальные получают горячей штамповкой (ковкой), реже — литьём из специальных сталей. Выбор материала зависит от нагрузки: атмосферные бензиновые моторы массового сегмента чаще обходятся высокопрочным чугуном, дизели и форсированные двигатели почти всегда получают кованый стальной вал.
Чугун или сталь: чем отличаются и где что применяют
Речь идёт не об обычном сером чугуне, а о высокопрочном — с шаровидным графитом. Шаровидные включения графита не работают как концентраторы напряжений, поэтому такой чугун держит изгиб и кручение заметно лучше литейных сплавов прошлых поколений. Плюс — хорошая демпфирующая способность: чугунный вал гасит крутильные колебания сам по себе, тогда как стальному чаще требуется демпфер на носке.
Сталь выигрывает по пределу выносливости и по стойкости галтелей — тех самых переходов от щеки к шейке, где чаще всего зарождаются усталостные трещины. Волокна металла при ковке идут вдоль контура вала, а не пересекают его, и это даёт запас там, где чугун уже отработал свой ресурс. Обратная сторона — цена и трудоёмкость: штамповка, механическая обработка, правка и балансировка стального вала обходятся дороже отливки.
| Параметр | Высокопрочный чугун | Углеродистая и легированная сталь |
|---|---|---|
| Типичные марки | ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70 | 45, 45Х, 50Г, 40ХНМА, 18Х2Н4МА |
| Заготовка | Литьё в форму | Горячая объёмная штамповка |
| Упрочнение шеек | Закалка ТВЧ | Закалка ТВЧ, азотирование |
| Твёрдость шеек после упрочнения | ориентировочно 50–60 HRC | ориентировочно 55–62 HRC (после азотирования — выше) |
| Гашение крутильных колебаний | Высокое (свойство материала) | Низкое, нужен демпфер |
| Где встречается | Бензиновые моторы средней форсировки | Дизели, турбомоторы, спортивные ДВС |
Как устроен вал и почему это влияет на материал
Вал состоит из колен по числу цилиндров двигателя — у рядной «четвёрки» их четыре, у V-образных моторов часть шатунов может работать на общую шейку. Каждое колено образовано двумя щеками, которые соединяют шатунные шейки, а сами колена связывают коренные шейки, опирающиеся на подшипники в блоке. Щека здесь — не просто перемычка: она передаёт усилие от шатуна к коренной опоре и одновременно несёт противовес.
Именно в зонах перехода щеки в шейку металл нагружен сильнее всего, поэтому галтели не оставляют острыми — их выполняют с радиусом и часто накатывают роликом, создавая наклёп и сжимающие напряжения. Внутри щёк сверлят масляные каналы: масло идёт от коренной шейки к шатунной, и любая ошибка в геометрии сверления оборачивается масляным голоданием вкладышей.
Дизельные валы почти всегда стальные и рассчитаны на большее число ремонтных размеров: у поставщиков запчастей для спецтехники коленчатый вал perkins обычно описан с указанием диаметров коренных и шатунных шеек, а также номера ремонта, под который подобраны вкладыши. Подробнее о конкретных модификациях можно узнать на сайте поставщика.
Что делают с материалом после изготовления заготовки
Сырая заготовка ещё не вал. Шейки протачивают и шлифуют, затем упрочняют поверхностный слой: чаще всего закалкой ТВЧ на глубину нескольких миллиметров, реже — азотированием в газовой среде, что даёт очень твёрдый, но тонкий слой. После термообработки вал правят и полируют шейки до высокого класса шероховатости — грубая поверхность буквально сдирает антифрикционный слой вкладыша за первые часы работы.
Завершающая операция — динамическая балансировка. Дисбаланс убирают высверливанием металла в противовесах, поэтому на щеках заводских валов часто видны глухие отверстия. Их иногда принимают за следы ремонта, хотя это штатная технология.
Типичные ошибки
- Шлифовать чугунный вал «под сталь». Снятие слишком большого припуска убирает закалённый слой ТВЧ, под ним остаётся мягкая сердцевина — шейки начинают изнашиваться в разы быстрее, ресурс сокращается до нескольких тысяч километров.
- Занижать радиус галтели при перешлифовке. Острый переход от щеки к шейке становится концентратором напряжений; результат — усталостная трещина и обрыв вала, обычно на щеке крайнего колена.
- Ставить вкладыши, не соответствующие ремонтному размеру. Масляный зазор уходит за пределы допуска: слишком малый — задир и проворот вкладыша, слишком большой — падение давления масла и стук.
- Не промывать масляные каналы после шлифовки. Абразив и стружка остаются в сверлениях щёк и выносятся прямо на рабочие поверхности подшипников при первом же пуске.
- Пренебрегать проверкой биения и балансировкой после правки. Даже небольшая остаточная неуравновешенность разбивает коренные постели блока и нагружает упорные полукольца.
- Считать азотированный вал ремонтопригодным без ограничений. Азотированный слой тонкий, и после одной-двух перешлифовок он может быть снят полностью — часто, но не всегда: у части моторов завод предусматривает повторное азотирование, это уточняют по документации на конкретный двигатель.