От какви материали обикновено се произвеждат коляновите валове?

От какви материали се произвеждат коляновите валове?

Изборът на материали за колянови валове зависи предимно от работните условия и представлява предимно абстрактен анализ, тъй като те могат да бъдат подложени на механични напрежения, високи температури, триене и/или други екстремни условия; затова е оправдана оценката на работната им производителност, издръжливост и надеждност. Съществува почти безкраен брой измерими параметри, които трябва да бъдат балансирани, а тъй като противотежестите за колянов валове се избират за оптимална производителност въз основа на конструкцията на коляновия вал и действащите стандарти за колянови валове, така и материалите за противотежестите на коляновите валове.

Градивни елементи от въглеродна стомана.

За производството на основния колянов вал за двигатели на автомобили от входно ниво и за двигатели от среден клас в продължение на много години въглеродната стомана е била материала по избор за производството на колянови вали. Въглеродната стомана се ценява за добрата си обработваемост и механични характеристики при термична обработка, както и за своята икономичност. Когато става дума за баланс между якост и пластичност, предпочитан е въглеродният стоманен сплав със средно съдържание на въглерод, чието съдържание на въглерод е между 0,30 % и 0,50 %. Макар закаляването и отпускането да подобряват твърдостта и ударопрочността му, той е способен да понася цикличните натоварвания по време на работа на двигателя. Повечето въглеродни стоманени колянови вали, предлагани на пазара, се произвеждат за леки пътни и търговски превозни средства. Това позволява техното икономично производство, като се подобряват най-важните експлоатационни характеристики. Много индустрии масово произвеждат колянови вали от въглеродна стомана, поради което има дълга история на използване на въглеродна стомана в автомобилната промишленост, която отговаря на установените инженерни изисквания за безопасни стандартни експлоатационни условия.

Сплавена стомана за подобрената производителност

Сплавената стомана наскоро се превърна в предпочитан материал за колянови валове, които са необходими за тежки условия на експлоатация и високопроизводителни приложения. Производителите използват различни легиращи компоненти, за да подобрят структурата на стоманата; чрез добавяне на хром, никел, молибден или ванадий могат да се постигнат ключови подобрения в свойствата, като например здравина на опън, устойчивост на умора и ударна втвърденост. Легиращите компоненти също подобряват зърнестата структура, общата способност за закаляване и намаляват вероятността от износване или деформация при екстремни условия. Сплавени стоманени колянови валове се използват във високопроизводителни спортни автомобили, тежкотоварни камиони и промишлени дизелови двигатели. Сплавените стоманени колянови валове се отличават със способността си да издържат по-високи въртящи моменти и да функционират по-дълго време, като осигуряват стабилна работа в по-широк спектър от промишлени експлоатационни условия. В сравнение с въглеродната стомана проучвания в отрасъла показват, че сплавената стомана може да издържи с 30 % повече цикли на умора на коляновия вал и прави изискващите експлоатационни среди по-ефективни. За своите премиални и търговски автомобили водещите производители на автомобили също ценят над всичко надеждността на двигателя и разпознават сплавената стомана като неразделна компонента.

Ковкият чугун, известен още като сфероиден чугун, е гъвкав и достъпен заместител на стоманата при производството на коленчати валове. Той се различава и от сивия чугун, тъй като в ковкия чугун са включени сферични графитни частици. Тези частици подобряват неговата ковкост, устойчивост на ударни натоварвания, литейност и износостойкост. Освен тези свойства, ковкият чугун притежава способността да поглъща вибрации и шумове, както и да подобрява общата плавност на работата на двигателя. Балансът между здравина, издръжливост и икономичност в едно и също време е причината ковкият чугун да се използва широко в морски приложения, селскостопанска техника и двигатели със средна мощност. Благодарение на напредналите литейни технологии последователността и качеството на компонентите от ковък чугун са се подобрили значително. Днешните литейни процеси постигат размерна точност, съпоставима с тази при кованите стоманени детайли. Много производители на двигатели предпочитат коленчати валове от ковък чугун вместо по-скъпи компоненти, тъй като повечето двигатели, произвеждани днес, са проектирани само за умерени мощности.

Напреднали материали за специализирани приложения

Екстремните изисквания към производителността изискват използването на напреднали материали в специализирани приложения за двигатели. Въпреки че титановите сплави са скъпи, те притежават изключително добро съотношение между якост и тегло, което ги прави идеални за двигатели, използвани в скоростни състезания, както и в аерокосмическата индустрия. За да се отговори на изискванията към теглото, титановите коленчати валове намаляват общата маса и подобряват реактивността на двигателя и разхода на гориво. Освен това някои специализирани приложения използват нови композитни материали, като например въглеродно-волокнени полимери, усилени с титан, които притежават изключителна якост и устойчивост към корозия. Напредналите материали в технологиите за производство на коленчати валове неизбежно ще станат стандарт, но сложността на производствения процес и високата цена на материалите все още ограничават тяхното приложение във висококласното и специализирано оборудване. Водещите производители и научноизследователските институции активно се фокусират върху използването на тези материали за различни типове двигатели по начин, който е икономически ефективен.

Ключови фактори, влияещи върху избора на материали

Изборът на материали за колянови валове се влияе от множество фактори, като например типовете двигатели и мощност. В случая с големи мощностни двигатели критично е да се повиши пределната здравина при опън и умората. За по-малките двигатели приоритет може да имат разходите и обработваемостта. Освен противоречивите изисквания относно разходите и обработваемостта, трябва да се вземат предвид и други фактори, като работните условия, температурния диапазон и циклите на натоварване. Например двигателите, използвани в сурови климатични условия, могат да изискват по-висока корозионна и термична устойчивост. Също така методите за производство – като коване, леене и термична обработка – са определящи за избора на материали, тъй като някои материали функционират по-добре с определени производствени процеси, отколкото с други. Разходите са практически ограничение, тъй като производителите търсят баланс между производителност и стойност. Накрая използваните материали трябва също така да отговарят на индустриалните стандарти и нормативни изисквания. Това осигурява на производителите и крайните потребители гаранция, че използваните материали са безопасни и издръжливи.

Заключение относно материали за колянов вал

Изборът на материали за колянов вал е процес, който изисква разбиране на изискванията и целите, както и на ограниченията и компромисите, свързани с тях. Всеки материал – като въглеродна стомана, легирана стомана, ковък чугун и други, колкото и напреднали да са, предлага предимства за конкретно приложение и определени експлоатационни условия на двигателя. Развитието на двигателите е съпроводено от съответното развитие на материаловедението, което постепенно подготвя пътя за по-висока производителност и по-голяма издръжливост на компонентите. Производителите комбинират знанията си за свойствата на материалите с емпирични изпитания и практически опит, за да направят оценка, която най-добре балансира производителността и надеждността на двигателя. Производителите на двигатели, които се стремят да предлагат конкурентен и качествен продукт, трябва да сътрудничат със специалисти по материали и компоненти, за да осигурят най-напредналите персонализирани решения, отговарящи на конкретните изисквания и ограничения за приложението.