Кривошипно-шатунный механизм (далее сокращенно – КШМ ) – механизм двигателя. Основным назначением КШМ является преобразование возвратно-поступательных движений поршня цилиндрической формы во вращательные движения коленчатого вала в и наоборот.
Устройство КШМ
Поршень
Поршень
имеет вид цилиндра, изготовленного из сплавов алюминия. Основная функция этой детали заключается в превращении в механическую работу изменение давления газа, или наоборот, – нагнетание давления за счет возвратно-поступательного движения.
Поршень представляет собой сложенные воедино днище, головку и юбку, которые выполняют совершенно разные функции. Днище поршня плоской, вогнутой или выпуклой формы содержит в себе камеру сгорания. Головка имеет нарезанные канавки, где размещаются поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные). Компрессионные кольца исключают прорыв газов в картер двигателя, а поршневые маслосъемные кольца способствуют удалению излишков масла на внутренних стенках цилиндра. В юбке расположены две бобышки , обеспечивающие размещение соединяющего поршень с шатуном поршневого пальца.
Шатун
Изготовленный штамповкой или кованый стальной (реже – титановый) шатун
имеет шарнирные соединения. Основная роль шатуна состоит в передаче поршневого усилия к коленчатому валу. Конструкция шатуна предполагает наличие верхней и нижней головки, а также стержня с двутавровым сечением. В верхней головке
и бобышках находится вращающийся («плавающий») поршневой палец, а нижняя головка
– разборная, позволяющая, тем самым, обеспечить тесное соединение с шейкой вала. Современная технология контролируемого раскалывания нижней головки позволяет обеспечить высокую точность соединения ее частей.
Коленчатый вал
Изготовленный из стали или чугуна высокой прочности коленчатый вал
состоит из шатунных и коренных шеек, соединенных щеками и вращающихся в подшипниках скольжения. Щеки создают противовес шатунным шейкам. Основная функция коленчатого вала состоит в восприятии усилия от шатуна для преобразования его в крутящий момент. Внутри щек и шеек вала предусмотрены отверстия для подачи под давлением масла .
Маховик
Маховик
устанавливается на конце коленчатого вала. На сегодняшний день находят широкое применение двухмассовые маховики, имеющие вид двух, упруго соединенных между собой, дисков. Зубчатый венец маховика принимает непосредственное участие в запуске двигателя через .
Блок и головка блока цилиндров
Блок цилиндров
и головка блока цилиндров
отливаются из чугуна (реже – сплавов алюминия). В блоке цилиндров предусмотрены , постели для подшипников коленчатого и распределительного валов, а также точки крепления приборов и узлов. Сам цилиндр выполняет функцию направляющей для поршней. Головка блока цилиндра располагает в себе камеру сгорания, впускные-выпускные каналы, специальные резьбовые отверстия для свечей , втулки и запрессованные седла. Герметичность соединения блока цилиндров с головкой обеспечены прокладкой. Кроме того, головка цилиндра закрыта штампованной крышкой, а между ними, как правило, устанавливается прокладка из маслостойкой резины.
В целом, поршень, гильза цилиндров и шатун формируют цилиндр или цилиндропоршневую группу кривошипно-шатунного механизма . Современные двигатели могут иметь до 16 и более цилиндров.
К кривошипно-шатунному механизму предъявляются следующие требования: высокие прочность, жесткость, износостойкость, небольшая масса, плотная посадка поршня в цилиндре, уравновешенность вращающихся деталей.
Все детали КШМ делятся на две группы: неподвижные и подвижные. К неподвижным деталям относятся корпус (картер и цилиндры), головка блока цилиндров и поддон картера. Подвижными частями являются поршни с кольцами и поршневыми пальцами, шатуны, коленчатый вал и маховик.
Неподвижные детали КШМ
Корпус КШМ
Корпус КШМ объединяет в себе картер и цилиндры (цилиндр). Он является базовой частью (остовом) двигателя. На нем устанавливаются все механизмы и системы двигателя, и посредством него двигатель устанавливается на автомобиле.
Корпус двигателя может иметь три исполнения:
- картер, к которому крепятся отдельные цилиндры;
- картер, к которому крепятся цилиндры, объединенные в один блок цилиндров;
- блок-картер, в котором все элементы отлиты как одно целое.
В настоящее время с отдельными цилиндрами производят только двигатели воздушного охлаждения, так как изготовление блока цилиндров с охлаждающимися ребрами (высотой до 18 мм) представляет значительные технологические трудности.
Применение отдельных блоков цилиндров в современных автомобильных двигателях также ограничено. Они чаще всего используются в мощных дизелях, картеры и цилиндры которых изготовляют из легких сплавов. В большинстве автомобильных двигателей применяются блок-картеры несколько более сложные в изготовлении, но обладающие наиболее высокой жесткостью.
В зависимости от того, какие элементы корпуса двигателя воспринимают основную нагрузку, существуют следующие варианты силовых схем:
- с несущим блоком цилиндров (рис. 3.1, а);
- с несущими цилиндрами;
- с несущими силовыми шпильками (рис. 3.1, б).
^/2 Ъ/Ц
г Р г "/2 УР г "/2"
Р г 6)
Рис. 3.1. Силовые схемы двигателей с жидкостным охлаждением: а - с несущим блоком цилиндров; б - с несущими силовыми шпильками; Р г - сила давления газов
Первый вариант получил наибольшее распространение. Здесь нагрузки от рабочих газов воспринимаются стенками цилиндров, рубашкой охлаждения (полости для прохода охлаждающей жидкости), головкой блока цилиндров, поперечными перегородками картера, которые заканчиваются коренными опорами.
Второй вариант используется в двигателях с отдельными цилиндрами, соединенными с картером и головкой блока цилиндров короткими болтами или шпильками. В этом случае под действием давления рабочего тела стенки цилиндров и рубашки охлаждения, если она имеется, испытывают напряжение разрыва.
В третьем варианте блок цилиндров (или отдельные цилиндры), головка блока цилиндров и крышки коренных подшипников стягиваются длинными силовыми шпильками, ввернутыми в перегородки картера.
Блок-картер отливают из чугуна или алюминиевого сплава. Блок-картер У-образного двигателя показан на рис. 3.2.
Горизонтальная перегородка делит блок-картер на верхнюю и нижнюю части. В верхней части блока и горизонтальной перегородке имеются отверстия под цилиндры или гильзы цилиндров. В вертикальных перегородках картера есть отверстия под подшипники коленчатого вала, которые обрабатывают в сборе с крышками подшипников. Поэтому крышки подшипников не взаимозаменяемы. Для того чтобы повысить жесткость блок-картера, крышки коренных опор у некоторых двигателей дополнительно крепят к картерной части блока поперечными стяжными болтами.
В блок-картере выполнены отверстия для деталей механизма газораспределения, имеются плоскости для крепления фильтров, насосов и других механизмов.
Рис. 3.2. Блок-картер У-образного двигателя: / - корпус; 2 - отверстие под коленчатый вал; 3 - отверстие под распределительный вал; 4 - каналы для подвода охлаждающей жидкости;
5 - гильзы
Блок-картеры могут быть с цилиндрами, выполненными непосредственно в блоке, и со сменными гильзами цилиндров.
Гильзы цилиндров могут быть «мокрыми» или «сухими»: «мокрые» - если их наружные стенки омываются охлаждающей жидкостью, «сухие» - запрессовываются в расточенные отверстия цилиндров и не имеют контактов с охлаждающей жидкостью.
Для увеличения жесткости блок-картера двигателя выполняют следующее:
- объединяют все основные элементы в единый силовой каркас, имеющий пространственную конфигурацию (рис. 3.3);
- увеличивают число несущих перегородок, расположенных в одной плоскости с коренными опорами коленчатого вала;
- делают дополнительное оребрение перегородок и стенок;
- располагают плоскости разъема картера ниже оси коленчатого вала;
- используют У-образную компоновку;
- применяют туннельный картер.
Рис. 3.3. Блок-картер двигателя ЯМЗ-238: а - поперечный разрез; б - продольный разрез
Наиболее жесткую конструкцию имеет блок-картер с неразъемным туннельным картером (рис. 3.4), который обычно применяется при использовании в качестве коренных опор подшипников качения. В этом случае коленчатый вал монтируется с торца двигателя и наружные обоймы подшипников устанавливаются в расточенных гнездах картера. Туннельный блок-картер наиболее сложен в производстве.
Рис. 3.4. Туннельный блок-картер: а - продольный разрез; б - поперечный разрез
Себестоимость блок-картера, выполненного из серого чугуна, ниже блок-картера из алюминиевого сплава. Серый чугун обладает хорошими литейными качествами, прочен и легко обрабатывается. Отливки из серого чугуна не склонны к короблению и образованию трещин.
Если чугунные блоки отливаются в земляные формы, то блоки из алюминиевого сплава изготовляются литьем под давлением в разборные металлические формы. При этом обеспечиваются высокие точность и производительность. Существенным недостатком алюминиевых блоков является их повышенное тепловое расширение, что в процессе работы может вызвать искажение форм.
Вероятность деформации блок-картера при эксплуатации во многом определяется технологией его изготовления.
Искажение формы может произойти при неудачном выборе схемы КШМ двигателя, неравномерном нагреве, а также вследствие механической и особенно термической перегрузки двигателя при работе.
Кроме того, это может произойти при сборке двигателя, если не соблюдать рекомендуемый порядок и моменты затяжки болтов и гаек крепления головки блока цилиндров и крышек коренных подшипников.
Недопустимые деформации элементов блок-картера вплоть до разрушения могут произойти при его заправке холодной охлаждающей жидкостью при разогретом двигателе, а также при замерзании воды в рубашке охлаждения.
Поршень (рис. 4) воспринимает давление газов и передает его через поршневой палец и шатун на коленчатый вал. В двухтактных двигателях наряду с этим поршень выполняет роль золотника механизма газораспределения.
Поршни работают в весьма тяжелых условиях: они испытывают воздействие горячих газов и воспринимают большие динамические нагрузки. Например, в начале рабочего хода на днище поршня диаметром 100 мм действует сила 20…40 кН у карбюраторного двигателя и 6…100 кН – у дизельного. Поршень движется в цилиндре с высокой (до 2 м/с) переменной скоростью, вследствие чего в шатунно-поршневых комплектах возникают значительные (до 15…20 кН) знакопеременные силы инерции (с частотой изменения знака до 200 Гц).
Рисунок. 4. Поршень двигателя ЗИЛ-130: а – общий вид; б – поршневые кольца; в – размещение колец в поршне: 1– ребро поршня; 2 – канавки для поршневых колец; 3 – бобышки; 4 – днище поршня; 5 – головка поршня; 6 – юбка поршня; 7 – компрессионные кольца; 8 – нижнее коническое компрессионное кольцо; 9, 10, 11, 12 – маслосъемные кольца с расширителями; 13 – чугунная всатвка
Применение поршней из алюминиевых сплавов дает возможность снизить конструкционную массу и, следовательно, силы инерции на 20…30% по сравнению с чугунными. Наряду с этим поршни из алюминиевого сплава имеют и недостатки: меньшую механическую прочность, повышенный износ, больший коэффициент линейного расширения (в 2…2,5 раза).
Поскольку поршень непосредственно охлаждаться не может, он нагревается значительно сильнее, чем охлаждаемая гильза. Чтобы предотвратить заклинивание поршня в гильзе, необходимо иметь между ними определенный зазор, когда они находятся в холодном состоянии. Этот зазор уменьшается при прогреве двигателя.
В настоящее время с целью уменьшения коэффициента линейного расширения и повышения прочности применяют поршни, изготовленные из высококремнистого алюминиевого сплава (содержание кремния до 22%, как например, у семейства двигателей ЯМЗ).
Для предотвращения заклинивания поршня его устанавливают в цилиндр с зазором. Поскольку днище и головка поршня нагреваются интенсивнее, чем юбка, зазор между цилиндром и головкой делают большим.
Конструкция и размеры поршня определяются главным образом величиной и скоростью нарастания давления газов и быстроходностью двигателя. Поршни дизелей имеют более массивную и жесткую конструкцию, большее число поршневых колец.
На долговечность поршня и бесшумность его работы большое влияние оказывает размещение оси поршневого пальца. С целью обеспечения одинаковых условий работы поршня при различных направлениях его движения ось поршневого пальца несколько смещают вниз и располагают на высоте 0,64…0,68 рабочей высоты юбки. Чтобы избежать стуков при переходе через мертвые точки, ось поршневого пальца смещают на 1,4…1,6 мм от оси поршня в сторону действия боковой силы при рабочем ходе (противоположную направлению вращения).
Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с шатуном. Для уменьшения массы и снижения сил инерции его делают пустотелым. Поршневой палец работает под воздействием ударных нагрузок, переменных по величине и направлению, подвергается изгибу и истиранию. Чтобы противостоять этим нагрузкам, поршневой палец должен иметь мягкую сердцевину и, твердую поверхность. Этим требованиям удовлетворяют поршневые пальцы, изготовленные из углеродистой или малолегированной стали. Их подвергают термической обработке – цементации на глубину 0,5…1,0 мм, с последующей поверхностной закалкой токами высокой частоты на глубину 1,0…1,5 мм. Наружную поверхность пальца шлифуют и полируют.
Подавляющее распространение на современных двигателях получили плавающие поршневые пальцы, которые могут проворачиваться как в верхней головке шатуна, так и в бобышках поршня. Такая конструкция обеспечивает более равномерный износ сопряжения. Осевая фиксация поршневого пальца осуществляется стопорными пружинными кольцами, устанавливаемыми в бобышках поршня.
Поршневые компрессионные кольца служат для герметизации надпоршневого пространства и предотвращают прорыв газов в картер двигателя. Поршневое кольцо представляет собой криволинейный брус, имеющий в свободном состоянии вырез. При установке в цилиндр кольцо сжимается и благодаря своей упругости прижимается наружной поверхностью к зеркалу цилиндра. Уплотняющее действие поршневых колец тем лучше, чем больше их число. В карбюраторных двигателях устанавливают на поршне 2 - 3 компрессионных кольца, в дизельных – 3 - 4.
Поршневые кольца современных быстроходных двигателей работают в чрезвычайно тяжелых условиях, под воздействием высоких давлений и температур, сил инерции и трения. В наиболее тяжелых условиях работает верхнее компрессионное кольцо.
Самым распространенным материалом для изготовления поршневых компрессионных колец является легированный чугун. Чугунные поршневые кольца получают из индивидуально отлитых заготовок. Однако качество литых чугунных колец не полностью удовлетворяет современным требованиям.
В настоящее время часто применяют стальные кольца. Более перспективными являются кольца из металлокерамических материалов, обладающие большей износостойкостью. Такие кольца получают прессованием порошкообразной смеси железа, меди и графита под большим давлением и при высокой температуре.
В процессе работы двигателя компрессионные кольца попеременно прижимаются к верхней и нижней кромкам канавок поршня и действуют как насос, стремясь перекачивать масло со стенок цилиндра в камеру сгорания. Поэтому на поршнях устанавливают, кроме компрессионных, маслосъемные кольца . Они снимают масло со стенок цилиндра, направляя его обратно в картер двигателя. Длительное время маслосъемные кольца изготовлялись из чугуна. В настоящее время широкое распространение получили стальные составные маслосъемные кольца. Обладая гибкостью, относительной подвижностью элементов и высоким давлением на стенки цилиндра, стальное кольцо хорошо приспосабливается к поверхности цилиндра, имеющего искаженную форму (вследствие износа) и обеспечивает хорошее распределение масла по поверхности цилиндра как в новом, так и в изношенном двигателе. Переход с чугунных маслосъемных колец на стальные позволил уменьшить расход смазочного масла в 2 раза, а пробег двигателя до замены колец увеличить до 150000 км.
Шатун обеспечивает шарнирную связь прямолинейно движущегося поршня с вращающимся коленчатым валом. Он передает от поршня коленчатому валу силу давления газов при рабочем ходе. Шатун совершает сложное плоскопараллельное движение: возвратно-поступательное вдоль оси цилиндра и качательное относительно оси поршневого пальца. Шатун испытывает значительные знакопеременные нагрузки, действующие по его продольной оси. Во время рабочего хода сила давления газов сжимает шатун. Силы инерции стремятся оторвать поршень от коленчатого вала и растягивают шатун. Наряду с этим качательное движение вызывает знакопеременные силы инерции, изгибающие шатун в плоскости его качания.
Указанные условия работы предъявляют к конструкции шатуна следующие требования: высокая жесткость; достаточная усталостная прочность; небольшая масса; простота и технологичность. Габаритные размеры нижней головки шатуна не должны препятствовать его проходу через цилиндр при сборке двигателя.
Основными элементами шатуна являются верхняя (неразъемная) и нижняя (разъемная) головки и соединяющий их стержень. Наилучшей формой поперечного сечения стержня шатуна, обеспечивающей ему высокую жесткость при минимальной массе, является двутавр.
В верхнюю головку шатуна устанавливаются бронзовые втулки, обладающие высокой износостойкостью и сопротивляемостью усталостным разрушениям.
В нижнюю головку шатуна устанавливаются тонкостенные шатунные вкладыши, которые выполняются подобно вкладышам коренных подшипников, с тем же материалом антифрикционного слоя.
Шатуны для карбюраторных двигателей изготовляют из углеродистой или легированной стали. В дизельных двигателях шатуны работают при больших динамических нагрузках, поэтому для их изготовления требуются высоколегированная сталь и увеличенные сечения элементов (утяжеление конструкции).
Коленчатый вал (рис. 5) воспринимает усилия от шатунов и преобразует их в крутящийся момент. Коленчатый вал является наиболее напряженной деталью КШМ. Он подвергается растяжению, сжатию, изгибу, скручиванию, срезу, поверхностному трению, продольным и поперечным деформациям. При этом нагрузки носят динамический характер и достигают значительных величин.
При большой длине вала эти нагрузки могут вызвать заметные продольные и угловые деформации и привести к усталостным разрушениям.
Исходя из условий работы, характера и величены нагрузок, коленчатый вал должен удовлетворять следующим требованиям: обладать статической и динамической уравновешенностью; быть достаточно жестким и долговечным при небольшой массе; иметь высокую усталостную прочность; быть устойчивым против вибрации и крутильных колебаний; иметь точные размеры и высокую износостойкость трущихся поверхностей (коренных и шатунных шеек).
Коленчатые валы изготовляют ковкой или штамповкой из углеродистой или низколегированной стали. В последние годы получают распространение литые валы из магниевого чугуна. Они имеют меньшую массу и дешевле, чем кованые.
Валы подвергают термической обработке – закалке и отпуску. Шейки коленчатого вала закаливают токами высокой частоты на глубину 3…4 мм, шлифуют и полируют.
Рисунок
5. Подвижные детали кривошипно-шатунного
механизма: 1 – храповик; 2 – фиксаторные
шайбы; 3, 13 – шатунные шейки; 4 – вкладыши
шатунных шеек; 5 – пружинное кольцо; 6 –
поршневой палец; 7 – верхняя головка
шатуна; 8 – стержень шатуна; 9 – болты;
10 – нижняя головка шатуна; 11 – крышка
шатуна; 12, 19, 24, 29 – коренные шейки
коленчатого вала; 
14, 26 – вкладыши коренных шеек; 15, 16 – поршни; 17, 28 – противовесы; 18 – маховик; 20 – задняя часть вала; 21 – стопорное кольцо; 22, 27, 30 – крышки; 23 – масляная полость; 31 – шестерня привода ГРМ; 32 – передняя часть вала; 33 – шкив ременной передачи
Коленчатый вал имеет коренные и шатунные шейки, соединенные друг с другом при помощи щек. Коренные шейки выполняются одинаковыми по диаметру. Шатунная шейка со смежными щеками составляет колено, кривошип вала. Все шатунные шейки по длине и диаметру одинаковы.
В автотракторных двигателях коленчатые валы могут вращаться в подшипниках качения и скольжения. Подшипники качения обеспечивают уменьшение потерь на трение, что обеспечивает значительное облегчение запуска двигателя в холодное время. Однако в многоцилиндровых двигателях конструкция блока цилиндров и коленчатого вала с подшипниками качения значительно усложняется. Имеются и другие недостатки. Поэтому чаще всего используются подшипники скольжения. Коренные подшипники скольжения выполняют в виде тонкостенных стальных вкладышей (полуколец), которые устанавливают в расточках блока цилиндров. На внутреннюю поверхность вкладыша наносится слой из антифрикционного сплава, состав и свойства которого зависят от степени нагруженности.
В карбюраторных двигателях длительное время использовались свинцовооловянистые сплавы (баббиты). Широкое распространение получил сплав СОС–6–6 на свинцовой основе, содержащей 6% олова, 6% сурьмы, 0,5% меди. Однако свинцовооловянистые сплавы чувствительны к повышению температуры и, имеют недостаточную сопротивляемость уста-лостным выкрашиваниям.
В связи с этим в настоящее время получили широкое применение сталеалюминиевые вкладыши, обладающие высокой усталостной прочностью и хорошими противокоррозийными качествами. Сталеалюминиевые вкладыши широко применяются на современных V-образных карбюраторных двигателях и обеспечивают им достаточно высокий межремонтный срок службы.
В дизельных двигателях, имеющих повышенную нагрузку на подшипники, применяются стальные вкладыши с антифрикционным сплавом из свинцовистой бронзы, содержащей 30% свинца, улучшающего противозадирные свойства. Подшипники из свинцовистой бронзы выдерживают без усталостных разрушений почти вдвое большую нагрузку, чем баббиты и стабильно работают при нагреве до 140…150°С, в то время как для баббитов предельно допустимой является температура 120°С.
Вместе с тем антифрикционный сплав из свинцовистой бронзы плохо поглащает твердые абразивные частицы, недостаточно хорошо прирабатывается, имеет склонность к коррозии. Поэтому в двигателях с подшипниками из свинцовистой бронзы можно применять только специальное масло с противокоррозийной присадкой.
Маховик устанавливают на задний конец коленчатого вала для уменьшения неравномерности работы двигателя и выведения поршней из мертвых точек.
В многоцилиндровых двигателях рабочие ходы протекают с частичным перекрытием, что обеспечивает хорошую равномерность и позволяет кривошипному механизму проходить мертвые точки без помощи маховика. В этих случаях маховик обеспечивает плавную работу двигателя на малой частоте вращения, облегчает трогание машины и способствует пуску двигателя.
Маховик отливают из серого чугуна и крепят к фланцу коленчатого вала. На обод маховика напрессовывают стальной зубчатый венец, служащий для пуска двигателя от стартера.
На торцевой поверхности маховика наносят метки, соответствующие ВМТ и моменту зажигания. Этими метками пользуются при установке зажигания или впрыска, а также при проведении различных регулировок. В сборе с коленчатым валом маховик должен быть динамически сбалансирован.
При работе двигателя на детали КШМ действуют давление газов на поршень, силы инерции масс, движущихся возвратно-поступательно (поршень и часть массы шатуна) и вращающихся (колено вала и часть массы шатуна), силы веса. По мере вращения вала эти силы, за исключением силы веса, меняют величину и направление.
Приветствую читателей нашего уютного блога! Сейчас поговорим о сердце наших железных коней, двигателях внутреннего сгорания. А если точнее, в этот раз рассмотрим назначение кривошипно шатунного механизма – одного из ключевых механизмов мотора.
Трудно переоценить назначение кривошипно шатунного механизма. По сути, именно его мы обязаны благодарить за то, что наши железные кони не стоят на месте, а могут перевозить наши бренные тела и дарить нам радость вождения.
Если говорить сухим техническим языком, то назначение кривошипно шатунного механизма (КШМ) предназначено для преобразования энергии сгоревшей топливно-воздушной смеси в механическое вращение.
Естественно, КШМ не монолитная конструкция и состоит из ряда более простых деталей, о которых пойдёт речь ниже.
Условно элементы кривошипно-шатунного механизма можно разделить на две большие подгруппы: подвижные и неподвижные части.
К первой относятся поршни с кольцами и пальцами, шатуны, коленчатый вал (в простонародье коленвал), а также маховик.
Блок цилиндров
Неподвижные элементы КШМ представлены блоком цилиндров и головкой блока цилиндров, картером, а также прокладкой, расположенной между блоком и головкой.
А теперь чуточку подробнее о роли каждого из актёров театра кривошипно-шатунного механизма. Одним из первых удар сгорающей топливно-воздушной смеси принимает на себя .
Этот героический элемент представляет собой металлическую цилиндрическую деталь, грубо говоря, имеющую форму стакана.
На самом деле его форма довольно непростая – с канавками, выпуклостями, отверстиями и вырезами.
Все эти сложности форм нужны не только для эффективной работы мотора, но и для того, чтобы было где разместить поршневые кольца, а также куда вставить поршневой палец, к которому крепится следующая важная деталь механизма – .
Смысл существования шатуна прост, как пять копеек — передача поступательного движения поршня коленчатому валу.
Довольно скучная, но важная роль. Сам по себе шатун выглядит как металлический стержень двутаврового сечения.
С одного его конца находится отверстие для крепления к поршню при помощи поршневого пальца, а с другого – полукольцо, которое надевается на шатунную шейку вала и фиксируется болтовыми соединениями специальной крышкой.
Стоит отметить, что соединение шатуна с коленвалом подвижное – он же должен вращаться.
Коленчатый вал
Важность следующего элемента КШМ сложно переоценить – это .
Конечно, назвать эту деталь валом в привычном понимании довольно трудно – форма у него сложная и всё из-за того, что к нему крепятся все шатунно-поршневые связки двигателя.
Коленвал — ключевой вращающий элемент мотора и ему приходится выдерживать невероятные нагрузки, поэтому и требования к качеству его исполнения и прочности материалов высочайшие.
Основными деталями коленчатого вала являются шатунные шейки (места, куда крепятся шатуны), щёки, коренные шейки и противовесы. Кстати, своё название кривошипно-шатунный механизм получил именно благодаря части коленвала, а если быть точным, кривошипу – так иногда называют связку шатунной шейки и щёк по обе стороны от неё.
Венчает коленчатый вал с одной из сторон .
Нужно отметить, что, несмотря на свою относительную внешнюю простоту, маховик играет сразу несколько ролей.
Во-первых, в его главную задачу входит поддержание равномерного вращения коленвала во время работы мотора.
Во-вторых, именно это скромное металлическое колесо выступает связующим звеном между стартером и всё тем же коленчатым валом, когда Вы поворачиваете ключ зажигания для запуска двигателя.
Практически все подвижные части кривошипно-шатунного механизма располагаются в блоке цилиндров, а закрывает всё это крутящееся и вращающееся безобразие от наших с Вами глаз головка блока цилиндров.
В неё, как правило, встроены клапаны, свечи и каналы для подвода охлаждающей жидкости, масла, а также воздушно-топливной смеси.
Нужно отметить, что именно вместе с головкой обуславливают такой немаловажный параметр двигателя, как его масса.
В классическом исполнении эти элементы изготавливаются из чугуна, но, благодаря современным технологиям, автопроизводители всё чаще применяют алюминий в их конструкции, что благотворно влияет на вес мотора и, как следствие, всего автомобиля.
Применение лёгких сплавов стало возможным даже в столь критичном элементе блока, как гильзы цилиндров (в них перемещаются вверх и вниз поршни), которые должны обладать стойкостью к износу и выдерживать высокие температуры.
А сколько цилиндров у твоего коня?
В заключение, дорогие наши читатели, хотелось бы сказать несколько слов о видах компоновки двигателей внутреннего сгорания и схемах расположения цилиндров.
Автомобильные концерны комплектуют свои творения моторами нескольких видов, а именно:
- рядными;
- V-образными;
- оппозитными;
- W-образными.
С точки зрения баланса, самыми оптимальными являются рядные и оппозитные двигатели.
Первые довольно распространены в автомире – рядные четырёхцилиндровые агрегаты встречаются сплошь и рядом, а вот судьба оппозитных не столь публична – они стали синонимом некой эксклюзивности и «клубности».
Так, к примеру, их можно встретить в недрах спортивных Porsche или Subaru.
Оптимальным же сочетанием характеристик обладают V-образные и их родственные W-образные двигатели. На их базе строят как доступные для среднестатистического автолюбителя машины, так и сумасшедшие суперкары, стоимость которых столь же невероятна, как и характер.
Работа W-образного двигателя:
//www.youtube.com/watch?v=xKBpiNorQYQ
Уважаемые посетители блога, в этой небольшой статье мы попытались прояснить назначение кривошипно шатунного механизма, рассмотреть его в общих чертах его компоненты. Буду признателен за подписку.
Читайте статьи на блоге и повышайте свой профессиональный уровень.
Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) служит для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.
КШМ состоит из неподвижных и подвижных деталей. Группу неподвижных деталей составляют блок цилиндров, головки цилиндров, гильзы, вкладыши, крышки коренных подшипников.
В группу подвижных деталей входят поршни, поршневые кольца, поршневые пальцы, шатуны, коленчатый вал с маховиком.
Неподвижные детали кшм
Блок цилиндров является базовой деталью (остовом) двигателя (рис. 3). На нем устанавливаются все основные механизмы и системы двигателя.
Рисунок 3. Неподвижные детали кривошипно-шатунного механизма: 1 – крышка блока зубчатых колес ГРМ; 2 – сталеасбестовая прокладка; 2 – головка блока цилиндров; 4, 10 – входные отверстия водяной рубашки; 5, 9 – выходные отверстия водяной рубашки; 6, 8 – каналы для подачи горючей смеси; 11 – седло клапана; 12 – гильза; 13 – шпильки крепления; 14 –верхняя часть; 15 – блок цилиндров; 16 – гнезда гильз
В автотракторных многоцилиндровых двигателях с жидкостным охлаждением все цилиндры выполняются в виде общей отливки, которая и называется блоком цилиндров. Такая конструкция обладает наиболее высокой жесткостью и хорошей технологичностью. С раздельными цилиндрами в настоящее время выполняются только двигатели воздушного охлаждения.
Блок цилиндров работает в условиях значительного до 2000 °С и неравномерного нагрева и давления (9,0…10,0 МПа). Чтобы противостоять действию значительных силовых и температурных нагрузок, блок цилиндров должен обладать высокой жесткостью, обеспечивающей минимальные деформации всех его элементов, гарантировать герметичность всех полостей (цилиндры, рубашка охлаждения, каналы и т. д.), иметь высокий срок службы, простую и технологичную конструкцию.
Для изготовления блока цилиндров применяют серый чугун или алюминиевые сплавы. Наиболее предпочтительным материалом для изготовления блока цилиндров в настоящее время является чугун, т.к. он дешев, обладает большой прочностью и мало поддается температурным деформациям.
В конце шестидесятых годов отечественная промышленность освоила литье чугунных блоков с толщиной стенок 2,5…3,5 мм. Такие блоки характеризуются высокой прочностью, жесткостью и стабильностью размеров, почти не уступают алюминиевым по массе.
Существенным недостатком блоков из алюминиевых сплавов является их повышенное тепловое расширение и относительно невысокие механические качества.
Расположение цилиндров может быть однорядным (вертикальным или наклонным), двухрядным или V-образным, с углом развала между цилиндрами 60°, 75°, 90°. Двигатели с углом развала 180° называются оппозитными. V-образная компоновка в 80-е годы XX века получила широкое распространение, так как обеспечивает большую компактность и меньшую удельную массу двигателя. Жесткость коленвала и его опор в этом случае повышается, что способствует увеличению срока службы двигателя. Меньшая длина двигателя облегчает компоновку его на машине и при одинаковой колесной базе позволяет получить большую полезную площадь грузовой платформы.
На двигателях с однорядным расположением цилиндров их номеруют, начиная с переднего. На V-образных двигателях номера присваивают вначале правому ряду цилиндров, начиная с переднего, а затем маркируют левый ряд.
Цилиндр в большинстве автотракторных двигателей выполняется в виде гильз, устанавливаемых в блок. Гильзы по способу установки делятся на сухие и мокрые.
Мокрые гильзы, омываемые снаружи охлаждающей жидкостью, обеспечивают лучший тепло отвод и более удобны при ремонте, т.к. могут быть легко заменены без использования специального инструмента и приспособлений.
Герметичность мокрой гильзы обеспечивают уплотнением нижней части резиновым кольцом и установкой медной прокладки под верхним буртиком. Применение мокрых гильз улучшает отвод от цилиндров избыточного тепла, однако снижает жесткость блока цилиндров.
Сухие гильзы используются преимущественно в двухтактных двигателях, где применение мокрых гильз затруднительно.
Гильза воспринимает высокое давление рабочих газов, имеющих значительную температуру. Поэтому гильзы изготовляют, как правило, из легированного чугуна, хорошо противостоящего эрозийному и абразивному износу и обладающего удовлетворительной коррозийной стойкостью. Внутренняя поверхность гильзы – зеркало цилиндра – тщательно обработана.
Поскольку условия работы верхней части гильзы наиболее тяжелые, а изнашивается она наиболее интенсивно, в современных двигателях равномерность износа цилиндров по высоте обеспечивается короткими вставками из противокоррозийного высоколегированного аустенитного чугуна (нирезиста). Использование такой вставки повышает срок службы гильз в 2,5 раза.
Головка цилиндров служит для размещения камер сгорания, впускных и выпускных клапанов, свечей зажигания или форсунок.
В процессе работы двигателя головка цилиндров подвергается воздействию высоких температур и давлений. Нагрев отдельных частей головки неравномерен, т.к. одни из них соприкасаются с продуктами сгорания, имеющими температуру до 2500° С, а другие омываются охлаждающей жидкостью.
Основные требования к конструкции головки цилиндров: - высокая жесткость, исключающая деформации от механических нагрузок и коробление при рабочих температурах; простота; технологичность конструкции и небольшая масса.
Головка цилиндров выполняется отливкой из чугуна или алюминиевого сплава. Выбор материала зависит от типа двигателя. В карбюраторных двигателях, где сжимается горючая смесь, предпочтение отдается более теплопроводным алюминиевым сплавам, т. к. это обеспечивает бездетонационную работу. В дизельных двигателях, где сжимается воздух, головка цилиндров из чугуна способствует повышению температуры стенок камер сгорания, что улучшает протекание рабочего процесса, особенно при запуске в холодное время.
Головки цилиндров могут выполняться индивидуальными или общими. Индивидуальные головки, как правило, применяют в двигателях воздушного охлаждения. В большинстве двигателей, имеющих жидкостное охлаждение, применяют общие головки для каждого ряда цилиндров. В некоторых случаях, при большой длине блока цилиндров, применяют головки для группы в два -три цилиндра (например, у двигателя ЯМЗ-240 и А=01 Л).
У двигателя ЯМЗ-740 головки цилиндров отдельные на каждый цилиндр. Применение отдельных головок повышает надежность двигателя, позволяет избежать перекоса головки при неравномерной затяжке ее и прорыва газов через прокладку.
У карбюраторных двигателей и у некоторых типов дизелей обычно камеры сгорания располагают в головках цилиндров. Форма и расположение камер сгорания, впускных и выпускных каналов являются важным конструктивным параметром, определяющим мощностные и экономические показатели двигателей.
Форма камеры сгорания должна обеспечивать наилучшие условия для наполнения цилиндра свежим зарядом, полное и бездетонационное сгорание смеси, а также хорошую очистку цилиндра от продуктов сгорания.
В настоящее время у дизелей предпочтение отдается камерам сгорания, расположенным в поршнях. Такие камеры имеют меньшую поверхность и, следовательно, небольшие тепловые потери. Двигатели с камерами сгорания в поршне обладают более высокими антидетонационными качествами и повышенным коэффициентом наполнения.
Технология изготовления головки цилиндров в двигателях с камерой сгорания в поршне не сложная. Камеру в поршне легко получить при отливке и последующей механической обработкой довести объем камеры до заданного с высокой точностью.
Длительная работа головки цилиндров без деформации и коробления обеспечивается рациональным охлаждением, т.е. более интенсивным отводом тепла от наиболее нагретых ее частей.
