Конструирование и расчет коленчатого вала поршневого двигателя

КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ 
КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА 
ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ

П.Р. ВАЛЬЕХО МАЛЬДОНАДО
Н.Д. ЧАЙНОВ 
А.Н. КРАСНОКУТСКИЙ

Допущено Федеральным УМО по укрупненной группе 
специальностей и направлений подготовки 23.00.00 
«Техника и технологии наземного транспорта»
в качестве учебного пособия для обучающихся по направлению
подготовки 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических 
машин и комплексов», уровень образования — бакалавриат

Москва
ИНФРА-М
2023

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 621.432(075.8)
ББК 34.4я73
 
В16

Р е ц е н з е н т ы:

Н.Н. Патрахальцев, доктор технических наук, профессор, заслу
женный работник высшей школы РФ;

Ю.Ю. Трифонов, кандидат технических наук, старший научный со
трудник ООО «Научно-техническое предприятие Трубопровод»

ISBN 978-5-16-017619-2 (print)
ISBN 978-5-16-110175-9 (online)

© Вальехо Мальдонадо П.Р., Чайнов Н.Д., 

Краснокутский А.Н., 2023

Вальехо Мальдонадо П.Р.

В16  
Конструирование и расчет коленчатого вала поршневого двигателя : 

учебное пособие / П.Р. Вальехо Мальдонадо, Н.Д. Чайнов, А.Н. Красно кутский. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 130 с., [4] с. цв. ил. — (Высшее 
образование). — DOI 10.12737/1863129.

ISBN 978-5-16-017619-2 (print)
ISBN 978-5-16-110175-9 (online)
В учебном пособии изложены особенности конструкции и уравно
вешивания коленчатых валов поршневых двигателей различных типов 
и назначений. Рассмотрен расчет на прочность коленчатого вала, включая 
традиционные методы, а также современный подход при оценке напряженно-деформированного состояния вала с помощью метода конечных элементов. Показана возможность использования конечно-элементных моделей при определении величин коэффициентов концентрации напряжений 
в элементах коленчатого вала. Приведены примеры расчетов коленчатого 
вала на прочность.

Соответствует требованиям федеральных государственных образова
тельных стандартов высшего образования последнего поколения.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специаль
ности «Двигатели внутреннего сгорания» направления «Энергомашиностроение».

УДК 621.432(075.8)

ББК 34.4я73

Предисловие

Коленчатый вал относится к наиболее ответственным и дорогостоящим элементам поршневых двигателей. В большинстве 
случаев поломок при эксплуатации различных типов двигателей 
разрушение их коленчатых валов носило усталостный характер 
с зарождением усталостных трещин в зонах наибольшей концентрации напряжений. Как правило, это места у выхода отверстий 
для смазки на коренных и шатунных шейках вала, а также в галтелях сопряжения шеек со щеками.
При расчете на прочность коленчатых валов основными нагрузками, которые следует учесть в первую очередь, являются 
силы давления газов, действующие на вал через поршень и шатун, 
а также нагрузки от сил инерции деталей кривошипно-шатунного 
механизма (КШМ), включая поршневую группу. Нагрузки, связанные с колебаниями валов, и вызываемые ими напряжения рассматривают отдельно.
При расчете на выносливость коленчатых валов большое значение имеет правильный выбор коэффициентов концентраций 
напряжений в элементах вала. С повышением удельной мощности современных двигателей диапазон геометрических параметров вала, влияющих на концентрацию напряжений, существенно расширился и часто выходит за пределы существующих 
эмпирических зависимостей для оценки коэффициентов концентрации напряжений. В связи с этим целесообразно при применении традиционной разрезной схемы расчета коленчатого вала 
использовать объемные конечно-элементные модели с точным 
описанием зон концентрации для оценки значений коэффициентов концентрации напряжений. Такой подход (разновидность 
численного эксперимента) хорошо зарекомендовал себя в расчетной практике.
В предлагаемой работе с приведением численных примеров 
подробно рассмотрены кинематический и динамический расчеты 
поршневых двигателей, включая уравновешивание.
Пособие может быть полезным студентам магистратуры, занимающимся углубленным изучением конструирования поршневых 
двигателей.
В результате изучения дисциплины «Конструкция и расчет 
поршневых двигателей внутреннего сгорания» студенты будут:

знать
 
• конструкцию поршневых двигателей;
 
• кинематику и динамику кривошипно-шатунного механизма;
 
• методы расчета коленчатого вала;
уметь
 
• осуществлять кинематический и динамический расчеты двигателей;
 
• проводить расчеты на прочность коленчатого вала поршневых 
двигателей;
владеть навыками
 
• анализа результатов расчета кинематики и динамики двигателей;
 
• анализа результатов расчета на прочность коленчатого вала 
поршневых двигателей.

Глава 1. 
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ 
КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ

Коленчатый вал служит для передачи потребителю мощности, 
развиваемой в цилиндрах двигателя. Коленчатый вал воспринимает 
переменные периодические нагрузки от сил давления газов Pг, сил 
инерции Pj поступательно движущихся масс mj и сил инерции СR 
вращательно движущихся масс mR (рис. 1.1).

Рг
Рj
mj = mп + mшп

mR = mк + mшк

mк = mшш + 2mщ

R

Φ

0

ω

mп

mшп

Lшп

Lш
Lшк

mк

Сшк

СR

Ск

Рпр
Рпр

mшк
Ц. т.

mшш

m0

0

mщ

а

а

б

В
с

d

ρ

b

R

R
ρ

Рис. 1.1. Система сосредоточенных масс, динамически эквивалентная 
кривошипно-шатунному механизму:
а — приведенная система КШМ; б — приведение масс кривошипа; Ц. т. — центр 
тяжести шатуна в сборе; Lш — длина шатуна (расстояние между осями поршневой 
и кривошипной головок шатуна); Lшп — расстояние от центра отверстия 
в поршневой головке до центра тяжести шатунной группы; Lшк — расстояние 
от центра отверстия в кривошипной головке до центра тяжести шатунной группы

Основные требования, предъявляемые к конструкции вала:
 
• высокая прочностная надежность, жесткость и износостойкость 
при относительно небольшой массе;
 
• высокая точность изготовления шатунных и коренных шеек;
 
• высокая твердость и степень чистоты обработки поверхности 
шеек;
 
• хорошая уравновешенность;
 
• для быстроходных двигателей — разгруженность коренных шеек 
от центробежных сил и местных изгибающих момен тов.
Коленчатый вал (рис. 1.2, а) состоит из носка вала 1 (сторона 
свободного переднего конца), одного или нескольких кривошиповколен, противовесов 3 и хвостовика 6 (сторона отвода мощности). 
Конструкция кривошипа-колена (рис. 1.2, б), в свою очередь, состоит 
из шатунной шейки 2, двух половин коренных шеек 5 и двух щек 4.

3 5

4
2
6

5
5
4

4
2

а
б

1

Рис. 1.2. Коленчатый вал:
а — общий вид; б — кривошип; 1 — носок; 2 — шатунная шейка; 3 — противовес; 
4 — щека; 5 — коренная шейка; 6 — хвостовик

1.1. ОСНОВНЫЕ РАЗМЕРЫ ЭЛЕМЕНТОВ ВАЛА

Основные размеры элемен тов кривошипа и общая длина коленчатого вала в первую очередь зависят от расстояния между осями 
двух соседних цилиндров и типа двигателя. Остальные конструкторские размеры коленчатого вала зависят:
 
• от числа шатунных и коренных шеек;
 
• конструкции блока цилиндров (отдельные цилиндры или блок 
цилиндров, мокрые или сухие гильзы);
 
• конструкции головок цилиндров рядного и V-образного двигателей (общая головка всех цилиндров или головки, разделенные 
на один, два, три цилиндра);
 
• способа изготовления и материала вала.
На первой стадии проектирования коленчатого вала в качестве 
задаваемых параметров используют статистические данные по от

носительным геометрическим размерам основных его элемен тов 
(рис. 1.3, табл. 1.1 [18]).

а

в

2

1

R

L

bщ

rгал

dкш

dшш

δшш

δкш

Δ

г

б

Рис. 1.3. Колена вала с различной формой щек:
а — призматической; б — овальной; в — эллиптической; г — круглой

Таблица 1.1

Относительные размеры элемен тов вала автомобильных 
и тракторных двигателей

Размеры

С принудительным 
воспламенением
Дизель

рядный
V-образный
рядный
V-образный

dшш / D
0,6…0,7
0,57…0,66
0,64…0,75
0,65…0,72

dкш / D
0,65…0,8
0,63…0,75
0,72…0,9
0,7…0,75

Lшш / dшш
0,45…0,65
0,8…1,0
0,5…0,65
0,8…1,0

Lкш / dкш
0,5…0,6
0,4…0,7
0,45…0,6
0,4…0,55

bщ / D
0,2…0,22
0,2…0,22
0,24…0,27
0,24…0,27

hщ / D
1,0…1,25
1,0…1,25
1,03…1,3
1,05…1,3

rгал / bщ
0,15…0,2
0,15…0,2
0,15…0,23
0,15…0,23

Размеры

С принудительным 
воспламенением
Дизель

рядный
V-образный
рядный
V-образный

Δ = 0,5(dшш + dкш) – R
Вщ ≈ 0,5(dшш + dкш) + R + 2 rгал
δшш ≈ 0,4dшш; δкш ≈ 0,4dкш

Примечание: δшш — внутренний диаметр шатунной шейки, мм; δкш — внутренний диаметр коренной шейки, мм; Lшш — длина шатунной шейки, мм; 
Lкш — длина коренной шейки, мм; rгал — радиус галтели, мм; Δ — перекрытие шеек, мм; R — радиус кривошипа, мм; D — диаметр цилиндра, мм; 
hщ — толщина щеки, мм; bщ — ширина щеки, мм; Вщ — высота щеки, мм.

1.2. КОНСТРУКЦИИ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ

1.2.1. Шейки
Увеличение диаметра шатунной шейки приводит к росту размеров кривошипной головки шатуна, размеров картера, а также 
к увеличению величин вращающихся масс.
Коренные шейки имеют диаметр на 5…10% больше шатунных.
Для уменьшения массы коренных и шатунных шеек их зачастую 
выполняют полыми (рис. 1.4).
Особенно важно это для шатунных шеек, так как позволяет снизить силы инерции вращающихся масс. Коренные шейки чаще, чем 
шатунные, выполняют без полостей.
Наличие полостей в шатунных и коренных шейках приводит 
к незначительному (примерно на 6%) снижению момен тов сопротивления сечения изгибу и кручению по сравнению со сплошными 
конструкциями [16]. Если валы полые, то нужны заглушки 3.
При увеличении диаметров коренных и шатунных шеек, а также 
сечения щек (рис. 1.4, б) прочность вала по сравнению с исходной 
конструкцией (рис. 1.4, а) увеличивается, так как сокращается 
длина и увеличивается сечение наиболее опасных участков между 
шейками. В конструкции на рис. 1.4, г диаметр шеек увеличен 
до появления перекрытия шатунных и коренных шеек. Большое 
перекрытие Δ шеек в значительной мере повышает прочность 
при изгибе и кручении. Это дает возможность уменьшить толщину 
щеки bщ без увеличения ее ширины hщ (см. рис. 1.4, а).

Окончание табл. 1.1

1

2

3

3

а

А

m

hщ

Δ

e

bщ

А

А–А

б
в

г
д
е

Рис. 1.4. Конструкции коленчатых валов:
а–г — штампованные; д, е — литые; 1 — галтель в коренной шейке; 2 — галтель 
в шатунной шейке; 3 — заглушка

От конфигурации и расположения внутренней полости шеек 
зависят характер распределения напряжений и усталостная прочность. При смещении внутренней расточки шатунной шейки с геометрической оси шейки на величину е (риc. 1.4, в) усиливается 
связь шатунных шеек со щеками и повышается прочность в том 
числе и при изгибе. Шейки с внутренними полостями бочкообразной формы, получаемой при литье (рис. 1.4, д, е), обладают 
пониженной концентрацией напряжений от маслоподводящих 
отверстий в щеках коленчатого вала и повышенной прочностью 
соединения шеек со щеками (разгружение галтель). Такие валы 
обладают более высокой усталостной прочностью по сравнению 
с валами, имеющими шейки с внутренними полостями цилиндрической формы (см. рис. 1.4, а–в).
Помимо уменьшения величины неуравновешенных масс кривошипа внутренние полости шеек играют роль уловителей механических частиц в масле.
Для обеспечения работоспособности коленчатого вала необходимо создать надежный подвод смазки к коренным и шатунным 
подшипникам.
Существуют различные способы подвода смазочного материала 
к подшипникам коленчатого вала (рис. 1.5).
В коленчатый вал масло в основном поступает через каждый 
коренной подшипник (рис. 1.5, а) из центральной масляной

1

2

2

3

3

4

8

9

в

б

г
д

11

12
13

5 4

6

7

15

10

а

14

Рис. 1.5. Ввод масла в подшипники:
а — общий вид вала; б–д — схемы расположения масляных каналов в коленчатом 
вале; 1 — коренные подшипники; 2 — коренная шейка; 3 — трубка; 4 — полость 
шатунной шейки; 5 — отверстие в подшипниках; 6 — отверстие в стержне шатуна; 
7 — шатунные подшипники; 8 — заглушки; 9 — щека; 10 — радиальная трубка; 
11 — болты; 12 — нарезные отверстия; 13 — вытеснитель; 14 — ввод масла; 
15 — отвод масла

магистрали. От коренного подшипника масло по радиальным 
сверлениям поступает во внутренние полости коренных шеек 2 
(рис. 1.5, б) и затем по прямым или наклонным отверстиям 3 
в щеках подается в полости шатунных шеек 4 для смазки шатунных