Черчение. Назначение, устройство, принцип работы кривошипно-шатунного механизма Особенности неподвижных деталей кшм

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.

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) предназначен для преобразования поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала (КВ). Основными движущимися деталями КШМ являются: поршни с кольцами, поршневые пальцы, шатуны, шатунные и коренные подшипники, маховик.
Поршневая группа деталей дизелей Д-65 и Д-240 сконструирована одинаково.

Рис. 1. Поршень с шатуном (Д-65):
1 — шатунный болт; 2 — крышка головки шатуна; 3 — шатун; 4 — стопорное кольцо; 5 — поршневой палец; 6 — поршень; 7 — маслосъемные кольца; 8 — компрессионные кольца; 9 — верхнее компрессионное кольцо; 10 — втулка верхней головки шатуна; 11 — верхний вкладыш шатуна; 12-нижний вкладыш шатуна; 13 — контровочная пластина

Поршни 6 (рис. 1) изготовлены из алюминиевого сплава с тремя канавками под компрессионные 8, 9 и двумя под маслосъемные 7 кольца. В днище поршня выполнена камера сгорания. В канавках под маслосъемные кольца и ниже этих канавок просверлены отверстия для отвода масла внутрь поршня. По наружному диаметру юбки (в плоскости, перпендикулярной к плоскости поршневого пальца) поршни подразделяются на три размерные группы (табл. 1). Клеймо группы наносится на днище.

В комплект на двигатель поршни, шатуны и поршневые пальцы подбирают одинаковой размерной группы. Отклонение в массе поршней и шатунов в комплекте не должно превышать 15 г. По диаметру отверстия под поршневой палец поршни делят на две размерные группы (табл. 2), их маркируют краской на бабышках. Поршневые пальцы 5 полые, стальные. От осевого перемещения они удерживаются разжимными стопорными кольцами 4. установленными в канавки поршня. По наружному диаметру пальцы разделены на две группы (см. табл. 2). Маркировочная краска нанесена на внутренней поверхности пальца.

Поршневые кольца изготовлены из специального чугуна. Верхнее компрессионное кольцо 9 прямоугольного сечения для уменьшения износа хромировано (по наружной поверхности). Второе и третье 8 кольца для улучшения компрессионных качеств имеют на внутренней поверхности торсионные выточки, которые при установке колец должны быть обращены вверх — к днищу поршня. В две нижней канавки поршня установлены маслосъемные 7 кольца скребкового типа (по два в каждую канавку). Верхним в канавке устанавливается кольцо с дренажными окнами на торце, а нижний — без окон; выточки наружной поверхности маслосъемных колец должны быть обращены вниз (к юбке поршня).

Замки поршневых колец располагают на ровном расстоянии по окружности. Нормальный зазор в замке новою кольца, установленного в новую гильзу 0,3…0,7 мм. Поршневые кольца заменяют, если зазор превышает 4 мм, а поршни меняют, если зазор между новым кольцом и канавкой в поршне по высоте превышает 0.4 мм. У дизеля Д-245 несколько иное расположение колец (рис. 2): под верхнее компрессионное кольцо трапецеидальной формы залито чугунную вставку 2, маслосъемное кольцо одно — как и у Д-240 — коробчатого типа.

Рис. 2. Схемы расположения колец на поршнях дизелей Д-245 (а) и Д240 (б):
а) 1 — поршень; 2 — чугунная вставка типа «нирезист»; 3 — верхнее компрессионное кольцо; 4, 5 — компрессионные кольца; 6 — маслосъемное кольцо;
б) 1 — поршень; 2 — верхнее компрессионное кольцо; 3, 4 — компрессионные кольца; 5 — маслосъемное кольцо

Шатуны 3 (см. рис. 1) стальные, штампованные. В верхнюю головку запрессована биметаллическая втулка 10 (стальная со слоем бронзы). Для смазки поршневого пальца в верхней головке шатуна и втулки есть отверстие. По внутреннему диаметру втулки сортируются на две размерные группы: с большим диаметром маркируются черной краской, с меньшими — желтой.

Нижняя головка шатуна разъемная. Разъем выполнен косым для обеспечения прохода нижней части через гильзу при монтаже. Крышка 2 прикреплена к шатуну двумя болтами из высококачественной стали, застопоренными контровочной пластиной 3.

Рис. 3. Детали кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов (Д-65):
1 — заглушка; 2 — шестерня распределительного вала; 3 — упорное кольцо; 4 — упорный фланец распределительного вала; 5 — толкатели; 6 — впускной клапан; 7 — направляющая втулка клапана; 8 — рукоятка декомпрессионного механизма; 9 — валики декомпрессионного механизма; 10-регулировочный винт: 11 — выпускной клапан; 12 — штанги толкателя; 13-поршень; 14-распределительный вал; 15 — втулка; 16 — палец маховика, 17 — шарикоподшипники; 18 — болт; 19 — маховик; 20 — венец; 21 — шатун; 22, 23 — вкладыши коренных подшипников; 24 — шестерня; 25 — маслоотражатель; 26 — коленчатый вал; 27 — шкив; 28 — головка цилиндров; 29 — пружина клапана; 30 — сухарик; 31 — регулировочный винт декомпрессионного механизма; 32 — коромысло клапана.

Коленчатый вал 26 (рис. 3) полноопорный, стальной (имеет пять коренных и четыре шатунных шейки, рабочие поверхности которых закалены токами высокой частоты. В шатунных шейках имеются полости для центробежной очистки масла при вращении вала. Полости закрыты резьбовыми заглушками 1, которые у двигателя должны быть одной группы (номер группы выбит на торце заглушки), чтобы не нарушилась балансировка вала. На первой, четвертой, пятой и восьмой щеках вала дизелей Д-240 и Д-245 закреплены съемные противовесы. Их наличие обусловлено большой частотой вращения коленчатого вала этих дизелей (2200 мин1), вследствие чего центробежные силы сильно возрастают. Установка противовесов значительно уменьшает нагрузки на подшипники. В коренных и шатунных шейках выполнены сверления, по которым подается масло к подшипникам (вкладышам).

На переднем конце вала смонтированы шестерня 24 привода распределения и насоса системы смазки, шкив 27 привода насоса системы охлаждения и генератора, маслоотражатель 25; на заднем — маслоотражатель и маховик 19 с напрессованным на нем зубчатым стальным венцом 20.

Коленчатые валы изготовлены с шейками двух номинальных размеров: для дизелей Д-65 диаметры коренных и шатунных шеек в первом номинале соответственно равны 85,25 мм и 75,25 мм, во втором — 85,0 мм и 75,0 мм; для дизелей Д-240 в первом — 75,25 мм и 68,25 мм, во втором — 75,0 мм и 68,0 мм. Валы с шейками второго стандартного размера имеют на первой щеке обозначение: 2КШ — все шейки вала второго номинала; 2К — коренные второго, а шатунные первого; 2Ш — шатунные второго, а коренные первого.

Вкладыши коренных 23 и шатунных 22 подшипников изготовлены из сталеалюмнневой ленты. От перемещений и проворачивания вкладыши стопорятся выштампованными на них усиками, входящими во фрезеровки в постелях вкладышей в блоке и шатуне. На наружной поверхности вкладыша проставляется товарный знак завода и размер, а на внутренней поверхности усика (выступа) — клеймо (« + » или « — ») группы вкладыша по высоте (вкладыши комплектуют так, чтобы один из них имел на усике знак « + » а другой « — » или оба без маркировки). Отверстия в верхних половинках коренных вкладышей совпадают с маслоподводящими каналами в блоке.

Зазор в подшипниках нового или отремонтированного двигателя в пределах 0,065…0,123 мм для шатунных и 0,070…0,134 мм для коренных. При увеличении зазора в шатунных подшипниках до 0,25 мм и овальности шейки более 0,06 мм или в коренных — соответственно до 0,3 и более 0,1 мм шейки вала шлифуют на соответствующий ремонтный размер.

Осевое перемещение вала ограничивается упорами пятой коренной шейки (допустимое в эксплуатации — 0,5 мм), осевое перемещение нижней головки шатуна допускаемое 0,7 мм. Коленчатый вал и маховик дизеля Д-240 изображены на рис. 4.

Рис. 4. Коленчатый вал с маховиком (Д-240):
1 — коренная шейка; 2 и 12 — щеки; 3 — упорные кольца; 4 — нижний вкладыш коренного подшипника; 5 — маховик; 6 — маслоотражательная шайба; 7 — установочный штифт; 8 — болт; 9 — зубчатый венец; 10 — верхний вкладыш коренного подшипника; 11 — шатунная шейка; 13 — галтель; 14 — противовесы; 15 — болт крепления противовеса; 16 — замковая шайба; 17 — шестерня коленчатого вала; 18 — шестерня привода масляного насоса; 19 — упорная шайба; 20 — болт; 21 — шкив; 22 — канал подвода масла в полость шатунной шейки; 23 — пробка; 24 — полость в шатунной шейке; 25 — трубка для масла.
[Тракторы «Беларус» семейств МТЗ и ЮМЗ. Устройство, работа, техническое обслуживание. Я.Е. Белоконь, А.И. Окоча, Г.В. Шкаровский; Под ред. Я.Е. Белоконя. 2003 г.]

Статьи о КШМ двигателей тракторов: ; ; ; ;

Практически в любом поршневом двигателе, установленном в автомобиле, тракторе, мотоблоке, используется кривошипно- шатунный механизм. Стоят они и компрессорах для производства сжатого воздуха. Энергию расширяющихся газов, продуктов сгорания очередной порции рабочей смеси, кривошипный механизм преобразует во вращение рабочего вала, передаваемое на колеса, гусеницы или привод мотокосы. В компрессоре происходит обратное явление: энергия вращения приводного вала преобразуется в потенциальную энергию сжимаемого в рабочей камере воздуха или другого газа.

Устройство механизма

Первые кривошипные устройства были изобретены в античном мире. На древнеримских лесопилках вращательное движение водяного колеса, вращаемого речным течением, преобразовывалось в возвратно-поступательной движение полотна пилы. В античности большого распространения такие устройства не получили по следующим причинам:

деревянные части быстро изнашивались и требовали частого ремонта или замены;
рабский труд обходился дешевле высоких для того времени технологий.

В упрощенном виде кривошипно-шатунный механизм использовался с XVI века в деревенских прялках. Движение педали преобразовывалось во вращение прядильного колеса и других частей приспособления.

Разработанные в XVIII веке паровые машины тоже использовали кривошипный механизм. Он располагался на ведущем колесе паровоза. Давление пара на поршневое дно преобразовывалось в возвратно- поступательное движение штока, соединенного с шатуном, шарнирно закрепленном на ведущем колесе. Шатун придавал колесу вращение. Такое устройство кривошипно-шатунного механизма было основой механического транспорта до первой трети XX века.

Паровозная схема была улучшена в крейцкопфных моторах. Поршень в них жестко прикреплен к крейцкопфу- штоку, скользящему в направляющих взад и вперед. На конце штока закреплен шарнир, к нему присоединен шатун. Такая схема увеличивает размах рабочих движений, позволяет даже сделать вторую камеру с другой стороны от поршня. Таким образом каждое движение штока сопровождается рабочим тактом. Такая кинематика и динамика кривошипно-шатунного механизма позволяет при тех же габаритах удвоить мощность. Крейцкопфы применяются в крупных стационарных и корабельных дизельных установках.

Элементы, составляющие кривошипно-шатунный механизм, разбивают на следующие типы:

Подвижные.
Неподвижные.

К первым относятся:

поршень;
кольца;
пальцы;
шатун;
маховик;
коленвал;
подшипники скольжения коленчатого вала.

К неподвижным деталям кривошипно-шатунного механизма относят:

блок цилиндров;
гильза;
головка блока;
кронштейны;
картер;
другие второстепенные элементы.

Поршни, пальцы и кольца объединяют в поршневую группу.

Каждый элемент, равно как и подробная кинематическая схема и принцип работы заслуживают более подробного рассмотрения

Это одна из самых сложных по конфигурации деталь двигателя. На схематическом объемном чертеже видно, что внутри он пронизан двумя непересекающимися системами каналов для подачи масла к точкам смазки и циркуляции охлаждающей жидкости. Он отливается из чугуна или сплавов легких металлов, содержит в себе места для запрессовки гильз цилиндра, кронштейны для подшипников коленвала, пространство для маховика, систем смазки и охлаждения. К блоку подходят патрубки системы подачи топливной смеси и удаления отработанных газов.

Снизу к блоку через герметичную прокладку крепится масляный картер- резервуар для смазки. В этом картере и происходит основная работа кривошипно- шатунного механизма, сокращенно КШМ.

Гильза должна выдерживать высокое давление в цилиндре. Его создают газы, образовавшиеся после сгорания топливной смеси. Поэтому и то место блока, куда гильзы запрессованы, должно выдерживать большие механические и термические нагрузки.

Гильзы обычно изготавливают из прочных сортов стали, реже — из чугуна. В ходе работы двигателя они изнашиваются при капитальном ремонте двигателя могут быть заменены. Различают две основных схемы их размещения:

сухая, внешняя сторона гильзы отдает тепло материалу блока цилиндров;
влажная, гильза омывается снаружи охлаждающей жидкостью.

Второй вариант позволяет развивать большую мощность и переносить пиковые нагрузки.

Поршни

Деталь представляет из себя стальную или алюминиевую отливку в виде перевернутого стакана. Скользя по стенкам цилиндра, он принимает на себя давление сгоревшей топливной смеси и превращает его в линейное движение. Далее через кривошипный узел она превращается во вращение коленчатого вала, а затем передается на сцепление и коробку передач и через кардан к колесам. Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме, приводят транспортное средство или стационарный механизм в движение.

Деталь выполняет следующие функции:

на такте впуска, двигаясь вниз (или в направлении от коленчатого вала, если цилиндр расположен не вертикально) на, он увеличивает объем рабочей камеры и создает в ней разрежение, затягивающее и равномерно распределяющее по объему очередную порцию рабочей смеси;
на такте сжатия поршневая группа движется вверх, сжимая рабочую смесь до необходимой степени;
далее идет рабочий такт, деталь под давлением идет вниз, передавая импульс вращения коленчатому валу;
на такте выпуска он снова идет вверх, вытесняя отработанные газы в выхлопную систему.

На всех тактах, кроме рабочего, поршневая группа движется за счет коленчатого вала, забирая часть энергии его вращения. На одноцилиндровых двигателях для аккумуляции такой энергии служим массивный маховик, на многоцилиндровые такты цилиндров сдвинуты во времени.

Конструктивно изделие подразделяется на такие части, как:

днище, воспринимающее давление газов;
уплотнение с канавками для поршневых колец;
юбка, в которой закреплен палец.

Палец служит осью, на которой закреплено верхнее плечо шатуна.

Поршневые кольца

Назначение и устройство поршневых колец обуславливается их ролью в работе кривошипных- устройств. Кольца выполняются плоскими, они имеют разрез шириной в несколько десятых частей миллиметра. Их вставляют в проточенные для них кольцевые углубления на уплотнении.

Кольца выполняют следующие функции:

Уплотняют зазор между гильзой и стенками поршня.
Обеспечивают направление движения поршня.
Охлаждают. Касаясь гильзы, компрессионные кольца отводят избыточное тепло от поршня, оберегая его от перегрева.
Изолируют рабочую камеру от смазочных материалов в картере. С одной стороны, кольца задерживают капельки масла, разбрызгиваемые в картере ударами противовесов щек коленвала, с другой, пропускают небольшое его количество для смазки стенок цилиндра. За это отвечает нижнее, маслосъемное кольцо.

Смазывать необходимо и соединение поршня с шатуном.

Отсутствие смазки в течение нескольких минут приводит детали цилиндра в негодность. Трущиеся части перегреваются и начинают разрушаться либо заклиниваются. Ремонт в этом случае предстоит сложный и дорогостоящий.

Поршневые пальцы

Осуществляют кинематическую связь поршня и шатуна. Изделие закреплено в поршневой юбке и служит осью подшипника скольжения. Детали выдерживают высокие динамические нагрузки во время рабочего хода, а также смены такта и обращения направления движения. Вытачивают их из высоколегированных термостойких сплавов.

Различают следующие типы конструкции пальцев:

Фиксированные. Неподвижно крепятся в юбке, вращается только обойма верхней части шатуна.
Плавающие. Могут проворачиваться в своих креплениях.

Плавающая конструкция применяется в современных моторах, она снижает удельные нагрузки на компоненты кривошипно- шатунной группы и увеличивает их ресурс.

Эта ответственный элемент кривошипно-шатунного механизма двигателя выполнен разборным, для того, чтобы можно было менять вкладыши подшипников в его обоймах. Подшипники скольжения используются на низкооборотных двигателях, на высокооборотных устанавливают более дорогие подшипники качения.

Внешним видом шатун напоминает накидной ключ. Для повышения прочности и снижения массы поперечное сечение сделано в виде двутавровой балки.

При работе деталь испытывает попеременно нагрузки продольного сжатия и растяжения. Для изготовления используют отливки из легированной или высокоуглеродистой стали.

Преобразование осуществляет с помощь.

Из деталей кривошипно-шатунной группы коленчатый вал имеет наиболее сложную пространственную форму. Несколько коленчатых сочленений выносят оси вращения его сегментов в сторону от основной продольной оси. К этим вынесенным осям крепятся нижние обоймы шатунов. Физический смысл конструкции точно такой же, как и при закреплении оси шатуна на краю маховика. В коленвала «лишняя», неиспользуемая часть маховика изымается и заменяется противовесом. Это позволяет существенно сократить массу и габариты изделия, повысить максимально доступные обороты.

Основные части, из которых состоит коленвал, следующие:

Шейки. Служат для крепления вала в кронштейнах картера и шатунов на валу. Первые называют коренными, вторые — шатунными.
Щеки. Образуют колена, давшие узлу свое название. Вращаясь вокруг продольной оси и толкаемые шатунами, преобразуют энергию продольного движения поршневой группы во вращательную энергию коленвала.
Фронтальная выходная часть. На ней размещен шкив, от которого цепным или ременным приводом крутятся валы вспомогательных систем мотора- охлаждения, смазки, распределительного механизма, генератора.
Основная выходная часть. Передает энергию трансмиссии и далее — колесам.

Тыльная часть щек, выступающая за ось вращения коленвала, служит противовесом для основной их части и шатунных шеек. Это позволяет динамически уравновесит вращающуюся с большой скоростью конструкцию, избежав разрушительных вибраций во время работы.

Для изготовления коленвалов используются отливки из легких высокопрочных чугунов либо горячие штамповки (поковки) из упрочненных сортов стали.

Картер двигателя

Служит конструктивной основой всего двигателя, к нему крепятся все остальные детали. От него отходят внешние кронштейны, на них весь агрегат прикреплен к кузову. К картеру крепится трансмиссия, передающая от двигателя к колесам крутящий момент. В современных конструкциях картер исполняется единой деталью с блоком цилиндров. В его пространственных рамках и происходит основная работа узлов, механизмов и деталей мотора. Снизу к картеру крепится поддон для хранения масла для смазки подвижных частей.

Принцип работы кривошипно-шатунного механизма

Принцип работы кривошипно — шатунного механизма не изменился за последние три столетия.

Во время рабочего такта воспламенившаяся в конце такта сжатия рабочая смесь быстро сгорает, продукты сгорания расширяются и толкают поршень вниз. Он толкает шатун, тот упирается в нижнюю ось, разнесенную в пространстве с основной продольной осью. В результате под действием приложенных по касательной сил коленвал проворачивается на четверть оборота в четырехтактных двигателях и на пол-оборота в двухтактных. таким образом продольное движение поршня преобразуется во вращение вала.

Расчет кривошипно-шатунного механизма требует отличных знаний прикладной механики, кинематики, сопротивления материалов. Его поручают самым опытным инженерам.

Неисправности, возникающие при работе КШМ и их причины

Сбои в работе могут случиться в разных элементах кривошипно-шатунной группы. Сложность конструкции и сочетания параметров шатунных механизмов двигателей заставляет особенно внимательно относить к их расчету, изготовлению и эксплуатации.

Наиболее часто к неполадкам приводит несоблюдение режимов работы и технического обслуживания мотора. Некачественная смазка, засорение каналов подачи масла, несвоевременная замена или пополнение запаса масла в картере до установленного уровня- все эти причины приводят к повышенному трению, перегреву деталей, появлению на их рабочих поверхностях задиров, потертостей и царапин. При каждой замене масла обязательно следует менять масляный фильтр. В соответствии с регламентом обслуживания также нужно менять топливные и воздушные фильтры.

Нарушение работы системы охлаждения также вызывает термические деформации деталей вплоть до их заклинивания или разрушения. Особенно чувствительны к качеству смазки дизельные моторы.

Неполадки в системе зажигания также могут привести к появлению нагара на поршне и п\его кольцах Закоксовывание колец вызывает снижение компрессии и повреждение стенок цилиндра.

Бывает также, что причиной поломки становятся некачественные либо поддельные детали или материалы, примененные при техническом обслуживании. Лучше приобретать их у официальных дилеров или в проверенных магазинах, заботящихся о своей репутации.

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.

Признаки наличия неисправностей в работе КШМ

Для своевременного выявления сбоев и начинающих развиваться негативных процессов в кривошипно- шатунной группе полезно знать из внешних признаков:

Стуки в двигателе, непривычные звуки при разгоне. Звенящие звуки часто бывают вызваны детонационными явлениями. Неполное сгорание топлива во время рабочего такта и взрывообразное его сгорание на такте выпуска приводят к скоплению нагара на кольцах и днище поршня, к ухудшению условий их охлаждения и разрушению. Необходимо залить качественное топливо и проверит параметры работы системы зажигания на стенде.
Глухие стуки говорят об износе шеек коленвала. В этом случае следует прекратить эксплуатацию, отшлифовать шейки и заменить вкладыши на более толстые из ремонтного комплекта.
«Поющий» на высокой звонко ноте звук указывает на возможное начало плавления вкладышей или на нехватку масла при повышении оборотов. Также нужно срочно ехать в сервис.
Сизые клубы дыма из выхлопного патрубка свидетельствуют о избытке масла в рабочей камере. Следует проверить состояние колец и при необходимости заменить их.
Падение мощности также может вызываться закоксовыванием колец и снижением компрессии.

При обнаружении этих тревожных симптомов не стоит откладывать визит в сервисный центр. Заклиненный двигатель обойдется намного дороже, и по деньгам, и по затратам времени.

Обслуживание КШМ

Чтобы не повредить детали КШМ, нужно соблюдать все требования изготовителя по периодическому обслуживанию и регулярному осмотру автомобиля.

Уровень масла, особенно на не новом автомобиле, следует проверять ежедневно перед выездом. Занимает это меньше минуты, а может сэкономить месяцы ожидания при серьезной поломке.

Топливо нужно заливать только с проверенных АЗС известных брендов, не прельщаясь двухрублевой разницей в цене.

При обнаружении перечисленных выше тревожных симптомов нужно незамедлительно ехать на СТО.

Не стоит самостоятельно, по роликам из Сети, пытаться растачивать цилиндры, снимать нагар с колец и выполнять другие сложные ремонтные работы. Если у вас нет многолетнего опыта такой работы- лучше обратиться к профессионалам. Самостоятельная установка шатунного механизма после ремонта- весьма сложная операция.

Применять различные патентованные средства «для преобразования нагара на стенках цилиндров», «для раскоксовывания» разумно лишь тогда, когда вы точно уверены и в диагнозе, и в лекарстве.

Вам также могут быть интересны статьи:

Кривошипно-ползунный механизм: устройство, принцип работы, применение

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) представляет собой важный механизм автомобильного двигателя , который преобразовывает поступательные движения поршневой системы во вращательное движение коленчатого вала двигателя, от которого, в свою очередь, это движение передается на колеса автомобиля, что и приводит машину в движение.

Принцип работы кривошипно-шатунного механизма

Под давлением газов, которые образуются в цилиндрах двигателя при сгорании топливно-воздушной смеси, поршень совершает поступательное движение по направлению к коленчатому валу.

Важные детали механизма, а именно: поршень, шатун и вал помогают преобразовывать движения поступательного характера в движения вращательного, что в свою очередь запускает вращение колес автомобиля.

«Cshaft». Под лицензией Public domain с сайта Викисклада - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cshaft.gif#mediaviewer/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Cshaft.gif

В обратном порядке взаимодействие вала и поршня выглядит следующим образом: вал при вращательном движении через детали механизма - вал, шатун и поршень, преобразовывает энергию в поступательное поршневое движение.

By A. Schierwagen using OpenOffice Draw , via Wikimedia Commons

Как устроен кривошипно-шатунный механизм

Рисунок: http://mediaport.net.ua

Механизм состоит из деталей, как подвижных, так и неподвижных.

Детали подвижного типа:

поршень;
маслосъемное кольцо (1);
компрессионные кольца (2);
поршневой палец (3);
стопорное кольцо (4);
шатун;
крышка шатуна (5);
крепежный болт (6);
вкладыши (7);
втулка (8);
коленчатый вал;
шатунная шейка (9);
противовес (10);
коренная шейка (11);
маховик

Детали неподвижного типа:

блок и головка цилиндров ;

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.

Основной задачей , использующиеся на всевозможной технике, является преобразование энергии, которая выделяется при сжигании определенных веществ, в случае с ДВС – это топливо на основе нефтепродуктов или спиртов и воздуха, необходимого для горения.

Преобразование энергии производится в механическое действие – вращение вала. Далее уже это вращение передается дальше, для выполнения полезного действия.

Однако реализация всего этого процесса не такая уж и простая. Нужно организовать правильно преобразование выделяемой энергии, обеспечить подачу топлива в камеры, где производиться сжигание топливной смеси для выделения энергии, отвод продуктов горения. И это не считая того, что тепло, выделяемое при сгорании нужно куда-то отводить, нужно убрать трение между подвижными элементами. В общем, процесс преобразования энергии сложен.

Поэтому ДВС – устройство довольно сложное, состоящее из значительного количества механизмов, выполняющих определенные функции. Что же касается преобразования энергии, то выполняет его механизм, называющийся кривошипно-шатунным. В целом, все остальные составные части силовой установки лишь обеспечивают условия для преобразования и обеспечивают максимально возможный выход КПД.

Принцип действия кривошипно-шатунного механизма

Основная же задача лежит на этом механизме, ведь он преобразовывает возвратно-поступательное перемещение поршня во вращение коленчатого вала, того вала, от движения которого и производится полезное действие.

Устройство КШМ

Чтобы было более понятно, в двигателе есть цилиндро-поршневая группа, состоящая из гильз и поршней. Сверху гильза закрыта головкой, а внутри ее помещен поршень. Закрытая полость гильзы и является пространством, где производится сгорание топливной смеси.

При сгорании объем горючей смеси значительно возрастает, а поскольку стенки гильзы и головка являются неподвижными, то увеличение объема воздействует на единственный подвижный элемент этой схемы – поршень. То есть поршень воспринимает на себя давление газов, выделенных при сгорании, и от этого смещается вниз. Это и является первой ступенью преобразования – сгорание привело к движению поршня, то есть химический процесс перешел в механический.

И вот далее уже в действие вступает кривошипно-шатунный механизм. Поршень связан с кривошипом вала посредством шатуна. Данное соединение является жестким, но подвижным. Сам поршень закреплен на шатуне посредством пальца, что позволяет легко шатуну менять положение относительно поршня.

Шатун же своей нижней частью охватывает шейку кривошипа, которая имеет цилиндрическую форму. Это позволяет менять угол между поршнем и шатуном, а также шатуном и кривошипом вала, но при этом смещаться шатун вбок не может. Относительно поршня он только меняет угол, а на шейке кривошипа он вращается.

Поскольку соединение жесткое, то расстояние между шейкой кривошипа и самим поршнем не изменяется. Но кривошип имеет П-образную форму, поэтому относительно оси коленвала, на которой размещен этот кривошип, расстояние между поршнем и самим валом меняется.

За счет применения кривошипов и удалось организовать преобразование перемещения поршня во вращение вала.

Но это схема взаимодействия только цилиндро-поршневой группы с кривошипно-шатунным механизмом.

На деле же все значительно сложнее, ведь имеются взаимодействия между элементами этих составляющих, причем механические, а это значит, что в местах контакта этих элементов будет возникать трение, которое нужно по максимуму снизить. Также следует учитывать, что один кривошип неспособен взаимодействовать с большим количеством шатунов, а ведь двигатели создаются и с большим количеством цилиндров – до 16. При этом нужно же и обеспечить передачу вращательного движения дальше. Поэтому рассмотрим, из чего состоит цилиндро-поршневая группа (ЦПГ) и кривошипно-шатунный механизм (КШМ).

Начнем с ЦПГ. Основными в ней являются гильзы и поршни. Сюда же входят и кольца с пальцами.

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.

Поршень

Поршень принимает на себя энергию, выделяемую при сгорании, и за счет своего перемещения преобразовывает ее в механическое действие. Состоит он из днища, юбки и бобышек для установки пальца.

Устройство поршня

Именно днищем поршень и воспринимает энергию. Поверхность днища в бензиновых моторах изначально была ровной, позже на ней стали делать углубления для клапанов, предотвращающих столкновение последних с поршнями.

В дизельных же моторах, где смесеобразование происходит непосредственно в цилиндре, и составляющие смеси туда подаются по отдельности, в днищах поршня выполнена камера сгорания – углубления особой формы, обеспечивающие более лучшее смешивание компонентов смеси.

В инжекторных бензиновых двигателях тоже стали применять камеры сгорания, поскольку в них тоже составные части смеси подаются по отдельности.

Юбка является лишь его направляющей в гильзе. При этом нижняя часть ее имеет особую форму, чтобы исключить возможность соприкосновения юбки с шатуном.

Чтобы исключить просачивание продуктов горения в подпоршневое пространство используются поршневые кольца. Они подразделяются на компрессионные и маслосъемные.

В задачу компрессионных входит исключение появления зазора между поршнем и зеркалом, тем самым сохраняется давление в надпоршневом пространстве, которое тоже участвует в процессе.

Если бы компрессионных колец не было, трение между разными металлами, из которых изготавливаются поршень и гильза было бы очень высоким, при этом износ поршня происходил бы очень быстро.

В двухтактных двигателях маслосъемные кольца не применяются, поскольку смазка зеркала производиться маслом, которое добавляется в топливо.

В четырехтактных смазка производится отдельной системой, поэтому чтобы исключить перерасход масла используются маслосъемные кольца, снимающие излишки его с зеркала, и сбрасывая в поддон. Все кольца размещаются в канавках, проделанных в поршне.

Бобышки – отверстия в поршне, куда вставляется палец. Имеют отливы с внутренней части поршня для увеличения жесткости конструкции.

Палец представляет собой трубку значительной толщины с высокоточной обработкой внешней поверхности. Часто, чтобы палец не вышел за пределы поршня во время работы и не повредил зеркало гильзы, он стопориться кольцами, размещающимися в канавках, проделанных в бобышках.

Это конструкция ЦПГ. Теперь рассмотрим устройство кривошипно-шатунного механизма.

Шатун

Итак, состоит он из шатуна, коленчатого вала, посадочных мест этого вала в блоке и крышек крепления, вкладышей, втулки, полуколец.

Шатун – это стержень с отверстием в верхней части под поршневой палец. Нижняя часть его сделана в виде полукольца, которым он садится на шейку кривошипа, вокруг шейки он фиксируется крышкой, внутренняя поверхность ее тоже выполнена в виде полукольца, вместе с шатуном они и формируют жесткое, но подвижное соединение с шейкой – шатун может вращаться вокруг ее. Соединяется шатун со своей крышкой посредством болтовых соединений.

Чтобы снизить трение между пальцем и отверстием шатуна применяется медная или латунная втулка.

По всей длине внутри шатун имеет отверстие, через которое масло подается для смазки соединения шатуна и пальца.

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.

Маховик

С одной из сторон вала сделан фланец, к которому прикрепляется маховик, выполняющий несколько функций одновременно. Именно от маховика передается вращение. Он имеет значительный вес и габариты, что облегчает вращение коленчатому валу после того, как маховик раскрутится. Чтобы запустить двигатель нужно создать значительное усилие, поэтому по окружности на маховик нанесены зубья, которые называются венцом маховика. Посредством этого венца стартер раскручивает коленчатый вал при запуске силовой установки. Именно к маховику присоединяются механизмы, которые и используют вращение вала на выполнение полезного действия. У автомобиля это трансмиссия, обеспечивающая передачу вращения на колёса.

Чтобы исключить осевые биения, коленчатый вал и маховик должны быть хорошо отбалансированы.

Другой конец коленчатого вала, противоположный фланцу маховика используется зачастую для привода остальных механизмом и систем мотора: к примеру, там может размещаться шестерня привода масляного насоса, посадочное место для приводного шкива.

Это основная схема коленчатого вала. Особо нового пока ничего не придумано. Все новые разработки направлены пока только на снижение потерь мощности в результате трения между элементами ЦПГ и КШМ.

Также стараются снизить нагрузку на коленчатый вал путем изменения углов положения кривошипов относительно друг друга, но особо значительных результатов пока нет.

Autoleek