Как называются подшипники коленчатого вала

1.3 Подшипники коленчатого вала

Опорой для рамовых шеек коленчатого вала служат рамовые подшипники. В судовых дизелях применяют подшипники скольжения.

Подшипник состоит из двух вкладышей (4) и (8) (рисунок 1.5 а), залитых антифрикционным сплавом, и крышки (2).

Условия работы подшипника определяются многими факторами, из которых основными являются: значение и характер нагрузки на подшипник; скорость скольжения шейки вала; масляный зазор; сорт масла, его температура и расход через подшипник; свойства материалов основы вкладыша и антифрикционного рабочего слоя.

К конструкции подшипника предъявляют следующие основные требования: высокая жесткость; обеспечение условий создания масляного «клина»; хороший теплоотвод от вкладышей; минимальные перепады давлений в потоке масла через подшипник (для предотвращения кавитационных разрушений рабочего слоя); антифрикционный сплав должен выдерживать большие ударные нагрузки и давления (максимальное давление на подшипник от действия газовых и инерционных сил в МОД достигает 14 МПа, в форсированных СОД—35 МПа), малый коэффициент трения, высокая усталостная прочность, коррозионно-, кавитационно- и износостойкость, способность поглощать твердые частицы и хорошо прирабатываться.

Материалом для изготовления вкладышей подшипников служит малоуглеродистая сталь марок 10 и 15 или бронза. Вкладыши подшипников МОД обычно заливают баббитом (Б83, Б89 и Б90), а вкладыши СОД средней мощности — бронзой (Бр. СЗО) или алюминиевым сплавом (АСМ, АО20-1). Для ускорения приработки рабочий слой вкладыша часто покрывают тонким слоем олова, свинца или индия (гальваническим способом);

В современных форсированных СОД применяют тонкостенные четырехслойные вкладыши, состоящие из стальной основы слоя свинцовистой бронзы или оловоалюминиевого сплава толщиной 0,5—1,5 мм, разделительного слоя никеля толщиной 0,001-0,002 мм и рабочего слоя баббита или свинцово-оловянистого сплава (90 % свинца, 7 % олова, 3 % меди) толщиной 0,04—0,06 мм.

Стальная основа придает вкладышу необходимую жесткость; слой свинцовистой бронзы или оловоалюминиевого сплава воспринимает нагрузку и повышает усталостные характеристики рабочего слоя, а в случае его износа является предохранительным слоем, предотвращающим задир шейки вала; разделительный слой никеля предотвращает межслоевую диффузию (свинца в бронзу); рабочий слой (мягкий и пластичный материал) обладает хорошими приработочными и противоизносными свойствами и способностью поглощать твердые частицы.

Применяют вкладыши подшипников с неоднородной рабочей поверхностью: после заливки на стальную основу на слое бронзы выполняют ромбовидные выступы или кольцевые канавки; рабочий слой, нанесенный на такую поверхность гальваническим способом, будет иметь разную толщину, причем участки малой толщины воспринимают нагрузки, а участки большой толщины служат поглотителями инородных частиц.

По конструкции различают рамовые подшипники с толстостенными (обычно двухслойными) и тонкостенными (многослойными) вкладышами, подвесные и установочные (опорно-упорные).

Масляный зазор в подшипнике регулируют набором латунных прокладок (6) (рисунок 1.5, а), которые прикрепляют к верхнему вкладышу винтами (7) или фиксируют штифтами (11) (рисунок 1.5 б). Набор прокладок снижает жесткость подшипника, поэтому в современных СОД их не устанавливают (рисунок 1.5 в), а при увеличении масляного зазора заменяют вкладыши.

Рисунок 1.5 – Рамовые подшипники дизелей

Крышки подшипников для упрощения изготовления и монтажа в некоторых МОД применяют составные (рисунок 1.5 а). К раме дизеля крышку крепят шпильками, винтовыми или винтогидравлическими (9) (рисунок 1.5 б), (13) (рисунок 1.5 г) распорными домкратами. В современных дизелях шпильки затягивают гидравлическими домкратами, конструктивно подобными домкратам для затяжки анкерных связей. У некоторых дизелей последних моделей применяют электротермическую затяжку шпилек. Крепление крышки домкратами позволяет упростить разборку подшипника, уменьшить размеры крышки и расстояние между анкерными связями (при этом уменьшается момент, изгибающий крышку и поперечную балку фундаментной рамы).

Подвод масла к холодильникам подшипника осуществляется всегда через его наименее нагруженную зону. В МОД и СОД масло обычно подводят сверху по кольцевой канавке (f) на рабочей поверхности верхнего вкладыша или по кольцевой канавке (g) в крышке подшипника (рисунок 1.5 г) и далее через отверстия в верхнем вкладыше в кольцевую канавку (h) на его рабочей поверхности. В первом случае для подвода масла использована трубка (1), ввернутая во вкладыш, а во втором — винтогидравлические домкраты (13). Для упрощения разборки подшипника в некоторых МОД масло подводят снизу по каналу (d) в канавке с постели (рисунок 1.5 б) и далее по сверлениям (b, а) во вкладышах к холодильникам.

В соответствии с гидродинамической теорией смазки, а также из-за концентрации напряжений канавки на рабочей поверхности нагруженных вкладышей нежелательны. Однако для обеспечения постоянного потока масла в кривошипный подшипник канавку делают не только на верхнем, но иногда и на части нижнего вкладыша (канавка g на рисунке 1.5 г).

Подвесные рамовые подшипники воспринимают полное давление газов и силы инерции, поэтому их нижние половины (14) (рисунок 1.5 д) делают всегда массивными и крепят к станине вертикальными шпильками (15) и поперечными болтами (16).

У некоторых мощных СОД крышки подвесных подшипников крепят к станине анкерными связями. Например, у дизеля МАН — Бурмейстер и Вайн L58/64 с двумя комплектами анкерных связей верхние связи стягивают верхнюю часть станины, рубашки и крышки цилиндров, а нижние — станину и крышки подвесных подшипников.

Для предотвращения осевого перемещения коленчатого вала один из рамовых подшипников (со стороны маховика или шестерни привода распределительного вала) делают установочным (опорно-упорным), что позволяет сохранить номинальные зазоры в передаче во время работы дизеля. Коленчатый вал нагревается и удлиняется больше, чем фундаментная рама (удлинение 1 м длины вала составляет 0,01 мм/°С), поэтому для обеспечения свободного удлинения вала при его нагреве в одном направлении в установочном подшипнике предусматривают минимальный осевой зазор, а остальные рамовые подшипники выполняют меньшей длины, чем рамовые шейки вала. У установочного подшипника имеются залитые антифрикционным сплавом торцовые упорные поверхности, съемные упорные кольца или сегменты, в которые упираются бурты рамовой шейки или торцовые поверхности щек кривошипов.

Установочный подшипник не рассчитан на упор гребного, винта, поэтому при работе дизеля на винт предусматривают судовой упорный подшипник (отдельный или встроенный в раму дизеля). При наличии установочного и судового упорного подшипника осевой зазор в последнем должен быть меньше.

Коренные подшипники коленчатого вала: обзор, особенности и виды

Совершенно любой двигатель – это достаточно сложный механизм, который состоит из множества различных компонентов. Каждая деталь этого механизма обеспечивает слаженную и правильную работу всей системы в целом. При этом одни детали в большом механизме могут играть серьезные роли, а другие не настолько функциональны. Коленчатый вал, как и прочие узлы и детали, которые имеют к нему прямое отношение – это наиболее значимая часть ДВС. Именно он обеспечивает вращение маховика путем превращения энергии горения топливной смеси в механическую работу.

Одна из важных деталей в устройстве двигателя – коренной подшипник. Это небольшая деталь в форме полукольца из металла средней жесткости, имеющая специальное антифрикционное покрытие. Когда двигатель эксплуатируется в течение длительного времени, эти подшипники или вкладыши подвергаются сильному износу. В статье подробнее рассмотрим эти небольшие, но очень важные элементы ДВС.

Общее описание

Коренной подшипник двигателя или вкладыш – это не что иное, как подшипник скольжения, обеспечивающий возможность вращения коленчатого вала. Процесс вращения проходит, как результат сгорания топливной смеси в камере сгорания. При активной работе двигателя детали испытывают трение – усиленные нагрузки, а также высокий скоростной режим может вывести мотор из строя. Чтобы предотвратить эту ситуацию и максимально снизить степень трения, главные значимые элементы покрыты тонким слоем смазки – в данном случае это моторное масло. Смазываются коренные подшипники коленчатого вала посредством штатной смазочной системы. При этом масляная пленка образуется только под воздействием высокого давления масла. На рабочей поверхности вкладышей имеются отверстия, а также кольцевые канавки для подачи смазочной жидкости к шейкам коленчатого вала.

Назначение

В двигателях любой конструкции и любого типа коленчатые валы постоянно подвержены огромным нагрузкам – физическим и температурным. В процессе работы двигателя коренной подшипник удерживает коленчатый вал на оси. Работа кривошипно-шатунного механизма поддерживается и обеспечивается только этими вкладышами. Шейки коленчатого вала представлены в форме внутренних обойм, а коренные вкладыши – наружные. Эти детали, как уже было замечено, смазываются через маслоканалы.

Устройство в подробностях

Итак, тонкостенным вкладышем является изогнутая в форму полукольца стальная лента. На рабочую поверхность детали нанесен специальный антифрикционный слой. Это оловянисто-алюминиевые сплавы. В моторах с повышенными нагрузками в качестве антифрикционного покрытия применяется свинцовистая бронза.

Материалы

Коренной подшипник изготавливается из нескольких слоев. Первый слой преимущественно медный – процент содержания меди составляет от 69 до 75 процентов. Второй изготавливают из свинца – он содержится в количестве от 21 до 25 процентов. В качестве третьего слоя применяется олово – не более 4 процентов.

Размеры

Толщина коренного подшипника-вкладыша составляет около 1,5-2 миллиметров. Нужно отметить, что иногда в качестве материалов для производства этой детали может применяться другой состав – вместо меди и свинцово-оловянных сплавов используют специальные сплавы на основе алюминия.

Но стандартизация материалов для изготовления этих изделий отсутствует – каждый производитель изготавливает вкладыш по своим уникальным формулам. Единственное, что объединяет изделия между собой – это стальная лента.

Практика показывает, что используются следующие размеры слоев при производстве подшипников скольжения. Так, толщина стальной основы составляет от 0,9 миллиметра и более. Основной слой имеет толщину до 0,75 миллиметра. Слой никеля – 0,001. Слой сплава олова и свинца – 0,02-0,04 миллиметра. Оловянный слой — 0,005.

Любые сплавы, использующиеся в производстве, индивидуально подбираются для каждого мотора и рассчитываются, учитывая твердость материалов, из которых изготавливается коленчатый вал. Для повышения ресурса и работоспособности новых или ремонтных моторов рекомендуется применять только те детали, которые советует использовать производитель.

Чем тоньше коренной подшипник, тем более высокими характеристиками он обладает. Более тонкие изделия гораздо лучше лежат на постели, обладают лучшим отводом тепла, зазоры в них ниже. В современных моторах производители стараются использовать более тонкие подшипники скольжения.

Вкладыш должен быть изготовлен не только из правильно подобранных компонентов. Также очень важна и форма. Дело в том, что для правильного монтажа необходимо, чтобы подшипник имел натяг на диаметре постели коленчатого вала.

Натяг делают не только по диаметру изделия, но и по его длине. Так удается достичь отличного контакта между вкладышем-подшипником и постелью. Для валов диаметром до 40 миллиметров натяг должен составлять от 0,03 до 0,05 миллиметра. Для более крупных валов (70 миллиметров) и выше натяг составляет от 0,06 до 0,08 миллиметра.

В устройстве этой детали также имеется верхняя часть – это крышки коренных подшипников. Они фиксируются болтами или же шпильками на картере двигателя.

Производится данная деталь, а именно вкладыш, методом штамповки из стальной ленты. Штамп придает детали форму. А затем выполняется обработка торцевых частей и рабочей поверхности. Данная деталь очень точная. Допуск от номинального размера до 0,02 миллиметра на длину и до 0,005 по толщине.

Канавка и ее особенности

Чтобы к детали постоянно подавалась смазка, на всю длину коренного подшипника коленвала прорезана канавка – ширина ее составляет 3,0-4,5 миллиметров, а глубина – до 1,2. На двигателях старой конструкции данная канавка выполнялась на вкладыше и на его крышке. В современных моторах нижний вкладыш канавки не имеет. Если канавка все же имеется, тогда он отличается сниженной максимальной нагрузкой.

Отказ от нарезания канавки ведет к тому, что уровень максимальных нагрузок существенно повышается. Это позволяет снизить площадь подшипника.

Замок

Зачастую при штамповке этих деталей на нем делается замок. Устройство коренных подшипников предусматривает замок около середины. Чтобы замок был прочным, он выполняется без разрывов.

По традициям конструирования двигателей внутреннего сгорания, замки расположены в зависимости от того, в какую сторону вращается коленчатый вал. На коренном вкладыше он нужен больше для центровки при его монтаже и для подстраховки от проворачивания. Когда двигатель испытывает масляное голодание, подшипник интенсивно нагревается, и тогда его не спасут никакие замки – вкладыш проворачивается.

Основные виды

Вкладыши изготавливаются для каждого типа двигателя. Однако они различаются по внутреннему диаметру. В зависимости от модели мотора, диаметр вкладышей будет разным даже для одного конкретного мотора. Шаг размера составляет 0,25 мм. Размерный ряд – 0,25 мм, 0,5 мм, 0,75 мм и далее.

Подбирают те или иные виды подшипников по тому, в каком состоянии находятся шейки коленчатого вала. Со временем, вследствие естественного износа, шейки стачиваются. Для компенсации этого износа производителями выпускаются так называемые ремонтные коренные подшипники. Для подгонки шейки коленчатого вала под тот или иной подшипник вал шлифуют до следующего размера.

Проверка и замена

Так как коленчатый вал работает в тяжелых условиях под воздействием высоких температурных и других нагрузок, то на оси его могут удерживать только эти подшипники. Шейки выполняют роль внутренней обоймы, а вкладыши – наружных. Как и прочие элементы двигателя, эти детали также нужно периодически менять.

Меняют вкладыши чаще по причине износа, а также по причине проворота. Провернуть вкладыш может по следующим причинам. Это вязкое масло, попадание в масло абразива, малый натяг при установке крышки, недостаточная вязкость смазочного материала, эксплуатация в условиях перегрузок.

Признаки необходимости замены

Чтобы определить необходимость замены коренных подшипников, понадобится провести измерения микрометром. Но нередко удается выявить поломку визуально. Если вкладыши проворачиваются, то снятие и установка вместо них новых должна проводиться очень быстро. О том, нужна ли замена, можно понять по громкому стуку вала, снижению мощности, попыткам мотора заглохнуть.

Заключение

Итак, мы выяснили, что собой представляет коренной подшипник. Как видите, это очень важный элемент в кривошипно-шатунном механизме. От его состояния зависит работоспособность всего двигателя автомобиля. Поэтому подшипник должен быть максимально надежным и иметь высокий ресурс эксплуатации.

Подшипники скольжения

При работе двигателя между вкладышами и шейками коленчатого вала образуется и сохраняется масляная пленка .У масляной пленки две функции.

Главная функция масляной пленки это отделение вкладышей (подшипника) от шейки коленчатого вала. Вторая функция масляной пленки это охлаждение подшипника. При вращении вала генерируется тепло, которое должно отводиться масло, но частично тепло передается на сопрягаемые детали (шатун, опоры вкладышей, картер…).

В современных двигателях основная часть масла используется для охлаждения подшипников, а для смазки нужна лишь незначительная часть этого масла. Толщина масляной пленки определяется такими факторами:

• Нагрузкой на подшипники;
• Скоростью работы подшипников;
• Люфтами в узле подшипника;
• Вязкость масла.

При нормальной работе двигателя средней форсировки минимальное значение толщины масляной пленки составляет 7-8 мкм. В современных форсированных двигателях до 4 мкм.

Касаемо работы смазки в подшипниках вала ДВС, нужно выделить два физических процесса это гидродинамическая смазка и гидростатическое смачивание.

Итак, гидростатическая смазка вызывается вращением вала. При вращении вала, масло втягивается в подшипник через смазочные каналы и зазор, образуется масляная пленка, которая распределяет равномерно давление, отделяет вал от подшипника. Масло из подшипника отводиться в поперечном направлении.

После прекращения вращения вала, на деталях остается масляная пленка, которая предотвращает соприкосновение вала с подшипником. Амортизация ударных нагрузок – в этом функция гидростатического смачивания.

Зазор подшипника

Зазор подшипника имеет большое значение для работы двигателя. При уменьшении зазора в подшипнике снижаются шумы, вибрации двигателя увеличивает прилегаемость, что приводит к снижению локальных напряжений в слое подшипника, лучшей амортизации ударных нагрузок и снижению износа деталей. При уменьшении зазора в подшипнике возникают и негативные факторы, такие как снижение теплоотведения из подшипника, что опять же ведет к износу деталей. Зазор подшипника зависит от трех факторов:

• износа подшипника;
• свойства материала;
• допусков компонентов подшипникового узла.

Материалы, из которых изготавливают коленчатый вал, подшипники, блок цилиндров, могут иметь разные коэффициенты температурного расширения. Это значительно может сказаться на зазоре подшипника при низких и высоких температурах. Зазор подшипника определяется как разность между внутренним диаметром подшипника и наружным диаметром шейки коленчатого вала, диаметром посадочного гнезда и шейки коленчатого вала, а также толщины стенки коленчатого вала.

Материалы подшипников скольжения

• Материалы для изготовления подшипников должны сочетать в себе свойства:
• Малое трение;
• Износоустойчивость;
• Усталостная прочность;
• Способность выдерживать высокие нагрузки;
• Способность к адаптации (способность к прирабатываемости и компенсации неточности изготовления деталей и их сборки );
• Способность к абсорбции (задерживать посторонние частицы);
• Стойкость против коррозии;
• Невысокая стоимость материалов;
• Технологичность в обработке.
• Все это обусловлено особенностью работы двигателя.

Конструктивное исполнение

Массивные вкладыши – это подшипники целиком сделанные из подшипникового материала. Большинство таких вкладышей это втулки. Наилучшим вариантом обеспечения всех требуемых свойств — это применение композитных материалов. В массивных вкладышах чаще используются сплавы бронзы с применением несущего слоя из баббита.

Исходя из практического опыта, были выбраны композитные материалы из двух и трех слоев.

Двухслойный (биметаллический) вкладыш, как правило, состоит из стального основания и слоя подшипникового металла. В современных двигателях подшипниковый слой металла — это сплав на основе Алюминия, Олова, Меди, Никеля и Сурьмы.

Трехслойный (триметаллический) так же состоит из стального основания, слоя подшипникового металла и слоя скольжения. Подшипниковый слой чаще изготавливается из свинцовистой бронзы с толщиной покрытия 0,1-0,3 мм. Материалы с улучшенными свойствами из свинцовистой бронзы в настоящее время изготавливаются методом непрерывного литья и спекания, вытесняя метод заливки, по ряду показателей. Третий компонент триметаллического подшипника наноситься на подшипниковый слой толщиной всего лишь 0,01-0,04 мм и называется слоем скольжения или приработочным. Для предотвращения диффузии атомов из подшипникового слоя в слой скольжения, их разделяют промежуточным слоем.

Сравнительные характеристики материалов подшипников представлены в таблице.

Конструкции подшипников скольжения

• ширина подшипника;
• толщина подшипника;
• диаметр в свободном состоянии,

• Масляная канавка;
• Масляные отверстия;
• Установочная втулка;
• Монтажные фаски;
• Выемки под фланец;
• Выемки на упорных частях.

• Втулки
• Вкладыши (разборные подшипники)

• Гладкие;
• Фланцевые

К элементам вкладышей так же можно отнести упорные полукольца. В последнее время в качестве опорно-упорного подшипника начинают использовать фланцевые составные вкладыши /клинч/, заменяя цельные фланцевые вкладыши и комбинацию гладкий вкладыш с упорными полукольцами. Каждый компонент таких вкладышей может изготавливаться отдельно, что позволяет использование различных материалов для осевых и упорных элементов повышая их надежность и эксплуатационные характеристики. Следовательно, такой тип вкладыша позволяет достичь уникальных свойств и характеристик, недоступных для вкладышей из одного элемента. Еще одно важное преимущество сборных вкладышей состоит в возможности изгиба упорных полушайб, в соответствии с прогибом коленчатого вала, без образования больших нагрузок, перегрева и «масляного голодания».

Коренные подшипники коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания

Коренные подшипники скольжения изготавливаются в виде тонкостенных разрезных сменных вкладышей, устанавливаемых с натягом в точно обработанные цилиндрические гнёзда картера. После затяжки болтами коренные подшипники принимают форму этих гнёзд.

В основе конструкции тонкостенного вкладыша (12) [рис. 1] лежит изогнутая в полукольцо стальная лента, чья внутренняя поверхность имеет покрытие из антифрикционного слоя, состав которого аналогичен составу такого же слоя, нанесённого на шатунные вкладыши. Коренные вкладыши имеют толщину 2-3 мм (для карбюраторных двигателей) и 3-5 мм (для дизельных двигателей).

Рис. 1. Кривошипно-шатунный механизм дизельного двигателя СМД.

1) – Шкив коленчатого вала;

2) – Шестерня привода масляного насоса;

3) – Коленчатый вал;

5) – Втулка верхней головки шатуна;

7) – Стопорное кольцо;

8) – Поршневой палец;

10) – Поршневое маслосъёмное кольцо;

11) – Поршневые компрессионные кольца;

12) – Вкладыши коренных подшипников;

13) – Упорные полукольца;

14) – Маховик коленчатого вала;

16) – Фланец крепления маховика;

18) – Шестерня привода газораспределения;

19) – Масляная полость шатунной шейки;

20) – Шатунный болт;

21) – Крышка нижней головки шатуна;

22) – Вкладыш шатунного подшипника;

Как правило, упорные подшипники (предназначены для ограничения перемещения коленчатого вала основной массы двигателей, в частности дизельных) размещают со стороны маховика. В данном случае при тепловом удлинении вала не происходит изменения зазора в механизме сцепления. Упорные подшипники (в некоторых двигателях) устанавливаются со стороны привода ГРМ (механизм газораспределения) либо у среднего коренного подшипника. В двигателях Д-240, СМД-60 и прочих продольное перемещение коленчатого вала ограничивается посредством четырёх полуколец (13) [рис. 1] и (3) [рис. 2, а)], которые выполнены из сталеалюминиевой ленты и установлены по обе стороны заднего коренного подшипника.

Рис. 2. Коленчатые валы.

а) – Коленчатый вал дизельного двигателя Д-240:

1) – Коренная шейка;

3) – Упорные полукольца;

4) – Нижний вкладыш пятого коренного подшипника;

6) – Маслоотражательная шайба;

7) – Установочный штифт;

9) – Зубчатый венец;

10) – Верхний вкладыш пятого коренного подшипника;

11) – Шатунная шейка;

15) – Болт крепления противовеса;

16) – Замковая шайба;

17) – Шестерня коленчатого вала;

18) – Шестерня привода масляного насоса;

19) – Упорная шайба;

22) – Канал подвода масла в полость шатунной шейки;

24) – Полость в шатунной шейке;

25) – Трубка для чистого масла;

б) – Упорный подшипник коленчатого вала карбюраторных двигателей:

6) – Коленчатый вал;

7) – Крышка распределительных шестерён;

10) – Задняя неподвижная шайба;

11) – Передняя неподвижная шайба;

14) – Крышка коренного подшипника;

16) – Упорная вращающаяся шайба;

17) – Распределительная шестерня;

в) – Коленчатый вал дизельного двигателя ЯМЗ-240Б:

1) – Коренная шейка;

2) – Шатунная шейка;

Коленчатый вал в двигателях ЗМЗ-53 и ЗИЛ-130 удерживается от осевого перемещения посредством пары стальных неподвижных шайб (10) и (11) [рис. 2, б)], которые установлены с обеих сторон первого коренного подшипника.

Коренные подшипники качения (как правило, роликовые) позволяют снизить потери на трение при умеренной частоте вращения коленчатого вала, а также значительно уменьшить момент сопротивления в процессе прокрутки холодного двигателя [рис. 2, в]. Однако, применительно к многоцилиндровым двигателям (ЯМЗ-240Б), данная схема значительно усложняет конструкцию блок-картера, а также коленчатого вала с подшипниками качения. Помимо этого, в высокооборотных двигателях качение роликов осуществляется с чрезвычайно высокими скоростями и сопровождается повышенным сопротивлением гидродинамического характера. Вследствие этого, с увеличением скоростного режима снижается положительный эффект от использования подшипников качения и их применяют гораздо реже, чем подшипники скольжения.