Устройство кривошипно-шатунного механизма

Поршень с кольцами и пальцем

Поршень – это небольшая цилиндрическая деталь, изготовленная из алюминиевого сплава. Его основным назначением является преобразование давления выделяемых газов в поступательное движение, передаваемое в шатун. Возвратно-поступательное движение обеспечивается за счет гильзы.

Поршень состоит из юбки, головки и дна (днища). Дно может иметь разную форму (выпуклую, вогнутую или плоскую), в нем содержится камера сгорания. На головке расположены небольшие канавки для поршневых колец (маслосъемных и компрессионных).

Кольца компрессионного типа предотвращают возможное попадание газов в двигательный картер, а кольца малосъемного типа предназначены для удаления лишнего масла со стенок цилиндра.

Юбка оснащена специальными бобышками с отверстиями, для установления поршневого пальца, соединяющий поршень и шатун.

Шатун

Шатун – еще одна деталь КШМ, которая изготавливается из стали методом штамповки или ковки, оснащенная шарнирными соединениями. Шатун предназначен для передачи энергии движения от поршня к валу.

Шатун складывается из верхней, разборной нижней головки и стержня. Верхняя головка соединяется с поршневым пальцем. Нижнюю разборную головку можно соединять с шейкой вала с помощью крышек (шатунных).

Кривошип (колено)

К любому кривошипу (колено) крепится шатун поршня. Зачастую кривошип располагается от оси шеек в определенном радиусе, что определяет ход поршня. Именно эта деталь дала название кривошипно-шатунному механизму.

Коленчатый вал

Еще одна подвижная деталь механизма сложной конфигурации, изготовленная из чугуна или стали. Основным назначением вала является преобразование поступательного поршневого движения поршня во вращательный момент.

Коленчатый вал складывается из шеек (коренных, шатунных), щек (соединяющих шейки) и противовесов. Щеки создают равновесие при работе всего механизма. Внутри шейки и щеки оснащены небольшими отверстиями, через которые под давлением происходит подача масла.

Маховик

Маховик, как правило, установлен на конце вала. Изготавливается из чугуна. Маховик предназначен для повышения равномерного вращения вала для запуска двигателя с помощью стартера.

В настоящее время чаще применяются маховики двухмассового типа – два диска, которые достаточно плотно соединены между собой.

Блок цилиндров

Это неподвижная деталь КШМ, которая изготавливается из чугуна или алюминия. Блок предназначен для направления поршней, именно в них осуществляется весь рабочий процесс.

Блок цилиндров может быть оснащен рубашками охлаждения, постелями для подшипников (распределительного и коленчатого вала), точкой крепления.

Головка цилиндров

Эта деталь оснащена камерой сгорания, каналами (впускными и выпускными), отверстиями для свечей зажигания, втулками и седлами. Головка цилиндров изготавливается из алюминия.

Как и блок, головка также имеет рубашку охлаждения, которая соединяется с рубашкой цилиндра. А вот герметичность этого соединения обеспечивается специальная прокладка.

Закрывается головка небольшой штампованной крышкой, при этом между ними устанавливается резиновая прокладка, устойчивая к воздействию масел.

Поршень, гильза цилиндров и шатун образуют то, что автомобилисты обычно называют цилиндр. Двигатель может иметь от одного до 16, а иногда и больше цилиндров. Чем больше цилиндров, тем больше общий рабочий объем двигателя и, соответственно, тем больше его мощность. Но нужно понимать, что при этом одновременно с мощностью растет и расход топлива. Цилиндры в двигателе могут располагаться по различным компоновочным схемам:

• рядная (оси всех цилиндров располагаются в одной плоскости)
• V-образная компоновка (оси цилиндров располагаются под углом 60 или 120 градусов в двух плоскостях)
• оппозитная компоновка (оси цилиндров располагаются под углом 180 градусов)
• VR-компоновка (аналогично V-образной, но плоскости располагаются под небольшим углом относительно друг друга)
• W-образная компоновка представляет собой совмещение на одном коленчатом валу двух VR-компоновок, расположенных V-образно со смещением относительно вертикали

От компоновочной схемы зависит балансировка двигателя, а так же его размер. Наилучшей балансировкой обладает оппозитный двигатель, однако он редко используется на автомобилях из-за конструктивных особенностей.

Так же отличным балансом обладает рядный шестицилиндровый двигатель, но его применение на современных автомобилях практически невозможно из-за его громоздкости. Наибольшее распространение получили V-образные и W-образные двигатели из-за наилучшего сочетания динамических характеристик и конструктивных особенностей.

Гильза

Съёмная гильза

Гильзы существуют двух типов – сделанные непосредственно в блоке и являющиеся их частью, и съемные. Что касается выполненных в блоке, то представляют они собой цилиндрические углубления в нем нужной высоты и диаметра.

Съемные же имеют тоже цилиндрическую форму, но с торцов они открыты. Зачастую для надежной посадки в свое посадочное место в блоке, в верхней части ее имеется небольшой отлив, обеспечивающий это. В нижней же части для плотности используются резиновые кольца, установленные в проточные канавки на гильзе.

Внутренняя поверхность гильзы называется зеркалом, потому что она имеет высокую степень обработки, чтобы обеспечить минимально возможное трение между поршнем и зеркалом.

В двухтактных двигателях в гильзе проделываются на определенном уровне несколько отверстий, которые называются окнами. В классической схеме ДВС используется три окна – для впуска, выпуска и перепуска топливной смеси и отработанных продуктов. В оппозитных же установках типа ОРОС, которые тоже являются двухтактными, надобности в перепускном окне нет.

Гильза

Съёмная гильза

Гильзы существуют двух типов – сделанные непосредственно в блоке и являющиеся их частью, и съемные. Что касается выполненных в блоке, то представляют они собой цилиндрические углубления в нем нужной высоты и диаметра.

Съемные же имеют тоже цилиндрическую форму, но с торцов они открыты. Зачастую для надежной посадки в свое посадочное место в блоке, в верхней части ее имеется небольшой отлив, обеспечивающий это. В нижней же части для плотности используются резиновые кольца, установленные в проточные канавки на гильзе.

Внутренняя поверхность гильзы называется зеркалом, потому что она имеет высокую степень обработки, чтобы обеспечить минимально возможное трение между поршнем и зеркалом.

В двухтактных двигателях в гильзе проделываются на определенном уровне несколько отверстий, которые называются окнами. В классической схеме ДВС используется три окна – для впуска, выпуска и перепуска топливной смеси и отработанных продуктов. В оппозитных же установках типа ОРОС, которые тоже являются двухтактными, надобности в перепускном окне нет.

Перечень неисправностей КШМ

Наиболее распространенными поломками механизма являются:

• износ и разрушение шатунных и коренных шеек коленвала;
• стачивание, выкрашивание или плавление вкладышей подшипников скольжения;
• загрязнение нагаром сгорания поршневых колец;
• перегрев и поломка колец;
• скопление нагара на поршневом днище приводит к его перегреву и возможному разрушению;
• длительная эксплуатация двигателя с детонационными эффектами вызывает прогорание днища поршня.

Сочетание этих неисправностей со сбоем в системе смазки может вызвать перекос поршней в цилиндрах и заклинивание двигателя. Устранение всех этих поломок связано демонтажом двигателя и его частичной или полной разборкой.

Ремонт занимает много времени и обходится недешево, поэтому лучше выявлять сбои в работе на ранних стадиях и своевременно устранять неполадки.

1. Общие принципы конструирования и расчетов

Создание
современного
двигателя
внутреннего
сгорания -сложный
процесс, в котором
участвуют
различные
специа­листы.
Центральное
место в этом
процессе занимает
разработ­ка
конструкторского
проекта.

Конструирование
двигателя
заключается
в инженерной
раз­работке
его конструкции.
Научно-технический
прогресс требует
от конструкторов
создания двигателей
с высокими
значениями
основных показателей,
главными из
которых являются
эконо­мичность,
надежность,
ресурс, материалоемкость,
доступность
изготовления
и простота
обслуживания.
Для того чтобы
созда­ваемый
двигатель
удовлетворял
перечисленным
требованиям,
необходимо
при его проектировании
использовать
новые кон­структорские
решения. Это
не отрицает
преемственности
кон­струкции
и возможности
применения
хорошо зарекомендовав­ших
себя конструкций,
а также узлов
и деталей.

Научно-технический
прогресс в
области двигателестроения
зависит от
развития отраслей,
поставляющих
материалы,
ком­плектующие
изделия, топлива
и масла. Он
осуществляется
по комплексным
планам, разрабатываемым
на основе
перспек­тивных
типажей двигателей,
под которыми
понимается
обосно­ванная
совокупность
минимального
числа типов
и размеров
двигателей.
Типаж определяется
мощностным
рядом, в ко­торый
входят двигатели,
одинаковые
по компоновке
и кон­струкции
основных узлов
и деталей.
Целесообразно,
чтобы вновь
создаваемый
двигатель
являлся одним
из элементов
мощностного
ряда, что обусловит
сокращение
сроков освоения
новой конструкции
и повышение
качества изготовления
двига­теля.
Однако несмотря
на все преимущества,
связанные с
вне­дрением
разработанных
типажей, в качестве
базовой модели
может быть
принята принципиально
новая и целесообразная
с технико-экономической
точки зрения
конструкция
двигателя.

При создании
новых двигателей
и их семейств
большое внимание
уделяется
степени их
стандартизации
и унификации,
которая оценивается
долей стандартизованных
и унифициро­ванных
элементов во
всей конструкции
двигателя.
Степень уни­фикации
должна определяться
оптимальностью
общего реше­ния
компоновки
конструкции
и ее экономической
целесообраз­ностью. Непрерывное
форсирование
современных
двигателей
по удельной
мощности
сопровождается
ростом температур
и напряжений
в их деталях.
Поэтому большую
роль при создании
современных
двигателей
приобретают
расчеты на
прочность

Непрерывное
форсирование
современных
двигателей
по удельной
мощности
сопровождается
ростом температур
и напряжений
в их деталях.
Поэтому большую
роль при создании
современных
двигателей
приобретают
расчеты на
прочность.

Расчет на
прочность
деталей двигателя
включает следую­щие
основные этапы:
составление
расчетной
схемы, отражаю­щей
наиболее существенные
особенности
конструкции
и усло­вий
нагружения
деталей; анализ
этой схемы с
помощью современных
методов расчета;
формулировку
на основе
прове­денного
анализа практических
выводов применительно
к реаль­ной
конструкции.
Используемые
ранее (при малых
и средних уровнях
форсирования),
часто очень
упрощенные,
методы рас­чета
на прочность
деталей двигателя
не вызывали
возражений,
так как заложенные
в самих конструкциях
двигателей
запасы прочности
при средних
параметрах
рабочего процесса
были ве­лики.
В настоящее
время требуются
методы расчета,
значи­тельно
более точно
учитывающие
геометрию
деталей и усло­вия
их нагружения.

Особенности
проектирования
современных
двигателей,
предусматривающего
(наряду с повышением
качества) сниже­ние
его сроков при
усложнении
конструкции
двигателя,
обусло­вили
создание
автоматизированного
проектирования.
При этом особенно
возрастает
роль расчетов,
которые должны
быть ориентированы
на систематическое
применение
ЭВМ и выполнены
на качественно
новом, более
высоком уровне.

Устройство КШМ

1. Подвижные;

2. Неподвижные.

Подвижные элементы – это поршни, поршневые кольца, пальцы, коленвал с маховиком и шатун. Все элементы поршней – это поршневая группа.

Неподвижные элементы – это соединительные детали, блок цилиндра и его головка, а также поддон и картер с подшипниками коленвала.

Разберем каждый элемент более подробно.

Поршень
Поршень – элемент КШМ, изменяющий давление газа. Такие изменения осуществляются путем его возвратно-поступательного движения.

Внешне поршень выполнен в форме цилиндра, изготовленного из алюминиевого сплава. Основные детали поршня – днище, юбка и головка. Каждая деталь выполняет свою функцию. Днище имеет камеру сгорания. В головке находятся специальные нарезные канавки, в которых располагаются поршневые кольца. Основное предназначение колец – защита картера двигателя от газов и удаление излишек масла со стенок цилиндра. Юбка внутри себя имеет поршневой палец, который размещается в этом элементе механизма за счет специальных бобышек.

В юбке находятся две бобышки для размещения поршня с шатуном пальца.

Шатун
Шатун – главный элемент кривошипно-шатунного механизма для передачи поршневого усилия к коленвалу. Данная деталь может быть кованой из стали или титана.

По конструкции шатун состоит из стержня с двутавровым сечением, а также головок (верхней и нижней). Верхняя головка, как и юбка имеет бобышки, в которых находится поршневой палец, а нижняя разборная головка обеспечивает высокую точность соединения деталей.

Блок и головка цилиндров
Блок цилиндров имеет специальные охлаждающие рубашки, точки крепления для основных узлов и приборов, а также постель для подшипников коленвала и распредвала.

Сам блок и головка отливаются из чугуна или алюминия. Ну, а основное назначение блока – направление поршней.

Что касается головки блока, то она имеет внутри себя специальные отверстия под свечи зажигания, впускные-выпускные каналы, втулки, а также камеру сгорания и запрессованные седла.

Коленвал
Коленчатый вал – элемент для восприятия усилий от шатуна, в дальнейшем преобразующий эти усилия в крутящий момент. Чаще всего его изготавливают из чугуна или стали. Состоит он из корневых и шатунных шеек. Шейки соединяются специальными щеками. Их основной рабочий процесс происходит непосредственно в подшипниках скольжения. Щеки и шейки имеют специальные отверстия, предназначенные для подачи масла.

Маховик
Маховик располагается на конце коленвала. Он играет одну из главных ролей в работе двигателя – участвует в запуске ДВС через стартер.

Вот основные элементы кривошипно-шатунного механизма. Сейчас же Авто-Гурман.ру хочет познакомить вас принципом работы КШМ.

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ. ТАКТЫ

Выше описана упрощенная схема работы КШМ. В действительности чтобы создать необходимые условия для нормального сгорания топливной смеси, требуется выполнение подготовительных этапов – заполнение камеры сгорания компонентами смеси, их сжатие и отвод продуктов горения. Эти этапы получили название «такты мотора» и всего их четыре – впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Из них только рабочий ход выполняет полезную функцию (именно при нем энергия преобразуется в движение), а остальные такты – подготовительные. При этом выполнение каждого этапа сопровождается проворотом коленвала вокруг оси на 180 градусов.

Конструкторами разработано два типа двигателей – 2-х и 4-тактный. В первом варианте такты совмещены (рабочий ход с выпуском, а впуск – со сжатием), поэтому в таких моторах полный рабочий цикл выполняется за один полный оборот коленвала.

В 4-тактном двигателе каждый такт выполняется по отдельности, поэтому в таких моторах полный рабочий цикл выполняется за два оборота коленчатого вала, и только один полуоборот (на такте «рабочий ход») выполняется за счет выделенной при горении энергии, а остальные 1,5 оборота – благодаря энергии маховика.

Поршневой палец

Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с шатуном. Он представляет собой трубку, проходящую через верхнюю головку шатуна и установленную концами в бобышки поршня. Крепление поршневого пальца в бобышках осуществляется двумя стопорными пружинными кольцами, расположенными в специальных канавках бобышек. Такое крепление позволяет пальцу (в этом случае он называется плавающим) проворачиваться. Вся его поверхность становится рабочей, и он меньше изнашивается. Ось пальца в бобышках поршня может быть смещена относительно оси цилиндра на 1,5…2,0 мм в сторону действия большей боковой силы. Благодаря этому уменьшается стук поршня в непрогретом двигателе.

Поршневые пальцы изготавливают из высококачественной стали. Для обеспечения высокой износоустойчивости их наружную цилиндрическую поверхность подвергают закалке или цементации, а затем шлифуют и полируют.

Поршневая группа состоит из довольно большого числа деталей (поршень, кольца, палец), масса которых по технологическим причинам может колебаться; в некоторых пределах. Если различие в массе поршневых групп в разных цилиндрах будет значительным, то при работе двигателя возникнут дополнительные инерционные нагрузки. Поэтому поршневые группы для одного двигателя подбирают так, чтобы они несущественно отличались по массе (для тяжелых двигателей не более чем на 10 г).

Шатунная группа кривошипно-шатунного механизма состоит из:

• шатуна
• верхней и нижней головок шатуна
• подшипников
• шатунных болтов с гайками и элементами их фиксации

Коленчатый вал

Коленчатый вал, соединенный с поршнем посредством шатуна, воспринимает действующие на поршень силы. На нем возникает вращающий момент, который затем передается на трансмиссию, а также используется для приведения в действие других механизмов и агрегатов. Под влиянием резко изменяющихся по величине и направлению сил инерции и давления газов коленчатый вал вращается неравномерно, испытывая крутильные колебания, подвергаясь скручиванию, изгибу, сжатию и растяжению, а также воспринимая тепловые нагрузки. Поэтому он должен обладать достаточной прочностью, жесткостью и износостойкостью при сравнительно небольшой массе.

Конструкции коленчатых валов отличаются сложностью. Их форма определяется числом и расположением цилиндров, порядком работы двигателя и числом коренных опор. Основными частями коленчатого вала являются коренные шейки 3, шатунные шейки 2, щеки 4, противовесы 5, передний конец (носок 1) и задний конец (хвостовик 6) с фланцем.

К шатунным шейкам коленчатого вала присоединяют нижние головки шатунов. Коренными шейками вал устанавливают в подшипниках картера двигателя. Соединяются коренные и шатунные шейки при помощи щек. Плавный переход от шеек к щекам, называемый галтелью, позволяет избежать концентрации напряжений и возможных поломок коленчатого вала. Противовесы предназначены для разгрузки коренных подшипников от центробежных сил, возникающих на кривошипах вала во время его вращения. Их, как правило, изготавливают как единое целое со щеками.

Для обеспечения нормальной работы двигателя к рабочим поверхностям коренных и шатунных шеек необходимо подавать моторное масло под давлением. Масло поступает из отверстий в картере к коренным подшипникам. Затем оно через специальные каналы в коренных шейках, щеках и шатунных шейках попадает к шатунным подшипникам. Для дополнительной центробежной очистки масла в шатунных шейках имеются грязеуловительные полости, закрытые заглушками.

Коленчатые валы изготавливают методом ковки или литья из среднеуглеродистых и легированных сталей (может применяться также чугун высококачественных марок). После механической и термической обработки коренные и шатунные шейки подвергают поверхностной закалке (для повышения износостойкости), а затем шлифуют и полируют. После обработки вал балансируют, т. е. добиваются такого распределения его массы относительно оси вращения, при котором вал находится в состоянии безразличного равновесия.

В коренных подшипниках применяют тонкостенные износостойкие вкладыши, аналогичные вкладышам шатунных подшипников. Для восприятия осевых нагрузок и предотвращения осевого смещения коленчатого вала один из его коренных подшипников (обычно передний) делают упорным.

Коленчатый вал

Перейдем к коленчатому валу. Он имеет достаточно сложную форму. Осью его выступают коренные шейки, посредством которых он соединен с блоком цилиндров. Для обеспечения жесткого соединения, но опять же подвижного, в блоке посадочные места вала выполнены в виде полуколец, второй частью этих полуколец выступают крышки, которыми вал поджимается к блоку. Крышки к с блоком соединены болтами.

Коленвал 4-х цилиндрового двигателя

Коренные шейки вала соединены с щеками, которые являются одной из составных частей кривошипа. В верхней части этих щек располагается шатунная шейка.

Количество коренных и шатунных шеек зависит от количества цилиндров, а также их компоновки. В рядных и V-образных двигателях на вал передаются очень большие нагрузки, поэтому должно быть обеспечено крепление вала к блоку, способное правильно распределять эту нагрузку.

Для этого на один кривошип вала должно приходиться две коренные шейки. Но поскольку кривошип размещен между двух шеек, то одна из них будет играть роль опорной и для другого кривошипа. Из этого следует, что у рядного 4-цилиндрового двигателя на валу имеется 4 кривошипа и 5 коренных шеек.

У V-образных двигателей ситуация несколько иная. В них цилиндры расположены в два ряда под определенным углом. Поэтому один кривошип взаимодействует с двумя шатунами. Поэтому у 8-цилиндрового двигателя используется только 4 кривошипа, и опять же 5 коренных шеек.

Уменьшение трения между шатунами и шейками, а также блоком с коренными шейками достигается благодаря использованию вкладышей – подшипников трения, которые помещаются между шейкой и шатуном или блоком с крышкой.

Смазка шеек вала производится под давлением. Для подачи масла применяются каналы, проделанные в шатунных и коренных шейках, их крышках, а также вкладышах.

В процессе работы возникают силы, которые пытаются сместить коленчатый вал в продольном направлении. Чтобы исключить это используются опорные полукольца.

В дизельных двигателях для компенсации нагрузок используются противовесы, которые прикрепляются к щекам кривошипов.

Конструкция КШМ

В отличие от прочих агрегатов автомобиля конструкция механизма кривошипно-шатунного условно включает в себя часть поршневой группы и коленчатый вал. Состоит КШМ из подвижных деталей и неподвижных элементов. Одну или несколько степеней свободы имеют:

• шатун и поршень;
• кольца компрессионные, стопорные и маслосъемные;
• палец поршневой и кольцо стопорное;
• вкладыши, болт крепежный и крышка шатуна;
• маховик и коленвал;
• противовес и шейки шатунные, коренные;
• вкладыши.

К неподвижным элементам относятся головка и блок цилиндров.

В зависимости от конструкции ДВС и количества цилиндров кинематика кривошипно шатунного механизма несколько видоизменяется:

• в рядном двигателе плоскость коленвала и цилиндров полностью совпадает;
• в VR-образном моторе происходит смещение на угол 15 градусов;
• в W-образном приводе величина смещения достигает 72 градусов.

Другими словами, в рядном двигателе рабочий цикл осуществляется поочередно 4-мя цилиндрами, что позволяет равномерно распределить нагрузки на коленвал. Для достижения компактных размеров ДВС модификации с большим количеством цилиндров размещаются V-образно. Что так же позволяет смягчить нагрузки на коленвал за счет гашения части энергии.

Чертеж КШМ в разрезе

Чтобы характеристика кривошипно шатунного механизма была стабильной в момент перегрузок (высокая температура, большое давление и обороты, трудности с подачей смазки), вместо шариковых/роликовых подшипников применяются элементы скольжения с шатунными и коренными вкладышами. Неравномерность угловых скоростей вала в отдельных циклах сглаживается массивным маховиком за счет инертности этой детали.