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, заслуженный 
работник высшей школы РФ;

Ю.Ю. Трифонов, кандидат технических наук, старший научный сотрудник 
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 уравновешивания 
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 образовательных 
стандартов высшего образования последнего поколения.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «
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 коэффици-
ентов концентрации напряжений. Такой подход (разновидность 
численного эксперимента) хорошо зарекомендовал себя в рас-
четной практике.
В предлагаемой работе с приведением численных примеров 
подробно рассмотрены кинематический и динамический расчеты 
поршневых двигателей, включая уравновешивание.
Пособие может быть полезным студентам магистратуры, зани-
мающимся 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 двига-
телей;
 
• проводить расчеты на прочность коленчатого вала поршневых 
двигателей;
владеть навыками
 
• анализа результатов расчета кинематики и динамики двига-
телей;
 
• 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 кривошипов-
колен, 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 колен-
чатого вала в первую очередь зависят от расстояния между осями 
двух соседних цилиндров и типа двигателя. Остальные конструк-
торские 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 двига-
телей (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 — внут-
ренний диаметр коренной шейки, мм; Lшш — длина шатунной шейки, мм; 
Lкш — длина коренной шейки, мм; rгал — радиус галтели, мм; Δ — пере-
крытие 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 раз-
меров 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 сни-
зить 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 сопро-
тивления 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 проч-
ность. При смещении внутренней расточки шатунной шейки с гео-
метрической 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 бочко-
образной 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