В чем заключается работа шатунно кривошипного механизма. Назначение, устройство, принцип работы кривошипно-шатунного механизма
Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) в двигателях внутреннего сгорания отвечает за преобразование возвратно-поступательных движений поршня во вращательное движение коленчатого вала. Параллельно с этим вращательное движение коленвала преобразуется в обратное возвратно-поступательное движение поршней в цилиндрах двигателя.
Как работает КШМ
Кривошипно-шатунный механизм принимает на себя давление расширяющихся газов, которое возникает в результате сгорания порции топливно-воздушной смеси в герметично закрытой камере сгорания. Другими словами, КШМ преобразует тепловую энергию сгорания топлива в механическую работу коленчатого вала.
Энергия сгоревшего топлива в передается в виде давления на подвижные поршни, которые совершают возвратно-поступательные движения в специальных неподвижных втулках (гильзах). Указанные гильзы выполнены в блоке цилиндров. Поршень соединен с коленчатым валом двигателя при помощи шатуна. Через шатун полученное усилие от поршня передается на коленчатый вал, который в итоге формирует крутящий момент двигателя внутреннего сгорания.
Детали кривошипно-шатунного механизма ДВС
Конструктивно КШМ состоит из подвижных и неподвижных деталей. Базовыми неподвижными элементами конструкции являются:
- блок цилиндров;
- головка блока цилиндров;
- картер и поддон картера двигателя;
В списке основных подвижных элементов находятся:
- поршень;
- поршневые кольца;
- поршневой палец;
- шатун;
- коленчатый вал;
Блок цилиндров и ГБЦ
) и головка блока цилиндров () являются основой всего двигателя внутреннего сгорания. Указанные элементы отливают из чугуна или алюминиевых сплавов. Цилиндр в блоке является направляющей поршня.
Блок цилиндров имеет каналы для подачи охлаждающей жидкости (), в нем выполнены постели для установки подшипников коленчатого вала, на блок цилиндров крепится дополнительное оборудование.
Головка блока цилиндра является местом расположения камеры сгорания, в ГБЦ бензиновых двигателей выполнены свечные колодцы с резьбой для установки свечей зажигания.
Также в головке блока имеются каналы для впуска топливно-воздушной смеси и выпуска отработавших газов. Блок цилиндров и головка блока цилиндров соединяются при помощи прокладки головки блока, благодаря чему достигается герметичность соединения.
Энергия образующихся и расширяющихся в результате сгорания топлива газов создает давление на . Материалом изготовления поршней двигателя внутреннего сгорания являются алюминиевые сплавы. Поршень конструктивно имеет головку и юбку. Головки поршней бывают плоскими, вогнутыми или выпуклыми, то есть могут иметь различную форму. Также в головке поршня может быть выполнена камера сгорания, что характерно для дизельных моторов. Головка поршня имеет специальные прорези, в которые устанавливаются поршневые кольца.
Сегодня в конструкции предусмотрено использование поршневых колец двух типов: компрессионные и маслосъемные кольца. Компрессионные кольца устанавливаются для создания уплотнения зазора между стенкой цилиндра (гильзой) и поршнем.
Благодаря этому удается минимизировать количество газов, которые попадают в картер двигателя из камеры сгорания, а также добиться необ
Кривошипно-шатунный механизм (КШМ): устройство и предназначение
Одной из составляющих частей двигателя является кривошипно-шатунный механизм (сокращенно – КШМ). О нем и пойдет речь в нашей статье.
Основное предназначение КШМ в изменении прямолинейных движений поршня на вращательные действия коленвала в моторе, а также наоборот.
Схема кривошипно-шатунного механизма(КШМ): 1 – Вкладыш шатунного подшипник; 2 – Втулка верхней головки шатуна; 3 – Поршневые кольца; 4 – поршень; 5 – Поршневой палец; 6 — Стопорное кольцо; 7 – Шатун; 8 – Коленчатый вал; 9 – Крышка шатунного подшипника
Строение КШМ
Поршень
Эта деталь КШМ представлена в виде цилиндра, сделанного из алюминия и некоторых примесей. Составляющими частями поршня есть: юбка, головка, днище, соединенные в единую деталь, но имеющие разные функции. В днище поршня, которое может иметь разную форму, находится камера сгорания. Продолговатые углубления головки предназначены для колец. Кольца компрессионные защищают механизм от прорывов газа. В свою очередь кольца маслосъемные обеспечивают удаление лишнего количества масла из цилиндра. Юбка содержит две бобышки, которые способствуют расположению поршневого пальца, служащего связующим звеном между поршнем и шатуном.
По своей сути поршень – это деталь, которая трансформирует колебания давления газа в механический процесс и способствует обратному действию – нагнетает давление путем обратно-поступательной деятельности.
Шатун
Основное предназначение шатуна – перемещение усилия, полученного от поршня на коленвал. В строении шатуна существует верхняя и нижняя головка, соединение деталей осуществляются с помощью шарниров. Составляющей частью детали является еще двутавровый стержень. Благодаря разбирающейся нижней головке создается крепкое и точное крепление с шейкой коленвала. Что касается верхней головки, то в ней расположен вращающийся поршневой палец.
Коленчатый вал
Главная роль коленвала – обработка усилия, поступающего от шатуна для трансформирования его в крутящий момент. Коленвал составляют несколько коренных, шатунных шеек, обитающих в подшипниках. В шейках и щеках есть специальные отверстия, использующиеся в виде маслопроводов.
Маховик
Маховик размещен на конце коленвала. Механизм представлен в виде 2-х объединенных дисковых пластин. Зубчатая сторона детали задействована напрямую в запуске мотора.
Блок и головка цилиндров
Предназначение цилиндра КШМ – направление работы поршней. В блоке цилиндров сосредоточены точки крепления агрегатов, рубашки охлаждения, подушки для подшипников. В голове блока цилиндров размещена камера сгорания, втулки, посадочные места для свечей, седла клапана, каналы для впуска и выпуска. Сверху блок цилиндров защищает специальная герметичная прокладка. Вместе с этим головка цилиндра прикрыта резиновой прокладкой, а также штампованной крышкой.
Изучение устройства конструкций кривошипно-шатунного механизма (КШМ)
Лабораторная работа № 1
Тема: Изучение устройства конструкций кривошипно-шатунного механизма (КШМ)
1. Цель: Ознакомиться с устройством КШМ различных двигателей, уметь анализировать их конструктивные особенности
2. Краткие сведения
Кривошипно-шатунный механизм предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре во вращательное движение коленчатого вала двигателя.
Рис. 1 Общий вид четырехцилиндрового двигателя (продольный и поперечный разрез)
1 – блок цилиндров; 2 – головка блока цилиндров; 3 – поддон картера двигателя; 4 – поршни с кольцами и пальцами; 5 – шатуны; 6 – коленчатый вал; 7 – маховик; 8 – распределительный вал; 9 – рычаги; 10 – впускные клапаны; 11 – выпускные клапаны; 12 – пружины клапанов; 13 – впускные и выпускные каналы
У четырехцилиндрового двигателя кривошипно-шатунный механизм состоит из:
головки блока цилиндров,
поддона картера двигателя,
поршней с кольцами и пальцами,
шатунов,
коленчатого вала,
маховика.
В состав КШМ кривошипно-шатунного механизма двигателя входит две группы деталей: неподвижные и подвижные.
К неподвижным деталям относятся блок цилиндров, служащий основой двигателя, цилиндр, головки блока или головки цилиндров и поддон картера. Подвижными деталями являются поршни с кольцами и поршневыми пальцами, шатун, коленчатый вал, маховик. Кривошипно-шатунный механизм воспринимает давление газов при такте сгорание-расширение и преобразовывает прямолинейное, возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. У V-образных двигателей блок цилиндров представляет собой массивный литой корпус, снаружи и внутри которого монтируются все механизмы и системы. Блок цилиндров объединяет в себе не только цилиндры и шатунно-поршневую группу, но и другие системы двигателя. Он является основой двигателя, в которой есть множество литых каналов и сверлений, подшипников и заглушек. Именно в блоке цилиндров вращается (на подшипниках) коленчатый вал. Во внутренних полостях блока циркулирует жидкость системы охлаждения, там же проходят и масляные каналы системы смазки двигателя. Большая часть из навесного оборудования двигателя монтируется, опять же, на блоке цилиндров. Нижняя часть блока является картером, в литых поперечинах которого расположены опорные гнезда для подшипников коленчатого вала. Такую отливку часто называют блок-картером. В средней части блока цилиндров имеются отверстия для установки подшипников скольжения под опорные шейки распределительного вала. Плоскость разъема блока может проходить по оси коленчатого вала или быть смещенной относительно ее вниз. К нижней части блок-картера крепится стальной штампованный поддон, служащий резервуаром для масла. По каналам в блоке масло из поддона подается к трущимся деталям двигателя. На V-образных двигателях для повышения жесткости блока цилиндров его плоскость разъема, расположена ниже оси коленчатого вала. В отливке блока цилиндров имеется рубашка для жидкостного охлаждения двигателя, представляющая собой полость между стенками блока и наружной поверхностью вставных гильз. Охлаждающая жидкость подается в рубашку охлаждения через два канала, расположенные по обеим сторонам блока цилиндров. К передней части блока цилиндров крепится крышка распределительных шестерен, а к задней – картер сцепления.
Блок цилиндров отливается из серого чугуна или из алюминиевого сплава.
В головке цилиндров размещены камеры сгорания, в которых установлены впускные и выпускные клапаны, свечи зажигания или форсунки. На головке цилиндров крепятся детали и узлы привода клапанного механизма.Значительное влияние на процесс смесеобразования как в карбюраторных двигателях, так и в дизельных имеют формы камеры сгорания. В карбюраторных двигателях наибольшее распространение получили цилиндрические полусферические и клиновые камеры с верхним расположением клапанов. Для создания герметичности между блоком и головкой цилиндров установлена прокладка, а крепление головки к блоку цилиндров осуществлено шпильками с гайками. Прокладка должна быть прочной, жаростойкой и эластичной. Поршень воспринимает давление газов при рабочем такте и передает его через поршневой палец и шатун на коленчатый вал. Поршень представляет собой перевернутый цилиндрический стакан, отлитый из алюминиевого сплава. В верхней части поршня расположена головка с канавками, в которые вставлены поршневые кольца. Ниже головки выполнена юбка, направляющая движение поршня. В юбке поршня имеются приливы-бобышки с отверстиями для поршневого пальца.
При работе двигателя поршень, нагреваясь, расширится и, если между ним и зеркалом цилиндра не будет необходимого зазора, заклинится в цилиндре и двигатель прекратит работу. Однако большой зазор между поршнем и зеркалом цилиндра также нежелателен, так как это приводит к прорыву части газов в картер двигателя, падению давления в цилиндре и уменьшению мощности двигателя. Чтобы поршень не заклинивался при прогретом двигателе, головку поршня выполняют меньшего диаметра, чем юбка, а саму юбку в поперечном сечении изготавливают не цилиндрической формы, а в виде эллипса с большой осью его в плоскости, перпендикулярной поршневому пальцу. На юбке поршня может быть разрез. Благодаря овальной форме и разрезу юбка предотвращает заклинивание поршня при работе прогретого двигателя.
Поршневые кольца, применяемые в двигателях, подразделяются на компрессионные и маслосъемные. Компрессионные кольца уплотняют зазор между поршнем и цилиндром и служат для уменьшения прорыва газов из цилиндров в картер, а малосъемные снимают излишки масла с зеркала цилиндров и не допускают проникновение масла в камеру сгорания. Кольца, изготовленные из чугуна или стали, имеют разрез (замок). При установке поршня в цилиндр поршневое кольцо предварительно сжимают, в результате чего обеспечивается его плотное прилегание к зеркалу цилиндра при разжатии. На кольцах имеются фаски, за счет которых кольцо несколько перекашивается и быстрее притирается к зеркалу цилиндра, и уменьшается насосное действие колец. При установке колец на поршень их замки следует размещать в разные стороны. Для шарнирного соединения поршня с верхней головкой шатуна служит поршневой палец. Через пальцы передаются значительные усилия, поэтому их изготовляют из легированных или углеродистых сталей с последующей цементацией или закалкой ТВЧ. Поршневой палец представляет собой толстостенную трубку с тщательно отшлифованной наружной поверхностью, проходящую через верхнюю головку шатуна и концами опирающуюся на бобышки поршня. По способу соединения с шатуном и поршнем пальцы делятся на плавающие и закрепленные (обычно в головке шатуна). Наибольшее распространение получили плавающие поршневые пальцы, которые свободно поворачиваются в бобышках и во втулке, установленной в верхней головке шатуна. Осевое перемещение поршневого пальца ограничивается стопорными кольцами, расположенными в выточках бобышек поршня. При работающем двигателе в бобышках поршня возможны стуки пальцев из-за различного коэффициента линейного сплава и стали. Шатун служит для соединения поршня с кривошипом коленчатого вала и обеспечивает при такте рабочего хода передачу усилия от давления газов на поршень к коленчатому валу, а при вспомогательных тактах (впуск, сжатия, выпуск), наоборот, от коленчатого вала к поршню. При работе двигателя шатун совершает сложное движение. Он движется возвратно-поступательно вдоль оси цилиндра и качается относительно оси поршневого кольца. Шатун штампуют из легированной или углеродистой стали. Он состоит из стержня двутсеврового сечения, верхней головки, нижней головки и крышки. В стержне шатуна при принудительном смазывании плавающего поршневого пальца (в основном у дизелей) сверлится сквозное отверстие — масляный канал. Нижнюю головку, как правило, делают разъемной в плоскости, перпендикулярной к оси шатуна. В тех случаях, когда нижняя головка имеет значительные размеры и превышает диаметр цилиндра. Крышка шатуна изготовляется из той же стали, что и шатун, и обрабатывается совместно с нижней головкой, поэтому перестановка крышки с одного шатуна на другой не допускается. На шатунах и крышках с этой целью делают метки, чтобы обеспечить высокую точность при сборке нижней головки шатуна, его крышку фиксируют шлифованными поясками болтов, которые затягивают гайками и стопорят шклинтами или шайбами. В нижнюю головку устанавливают шатунный подшипник в виде тонкостенных стальных вкладышей, которые с внутренней стороны покрыты слоем антифрикционного сплава. От осевого смещения и провертывания вкладыши удерживаются выступами (усиками), которые входят в канавки нижней головки шатуна и его крышки. В нижней головке шатуна и во вкладыши делается отверстие для периодического выбрызгивания масла на зеркало цилиндра или на распределительный вал.
Для лучшей уравновешенности кривошипно-шатунного механизма разница в масле шатунов не должна превышать 6 — 8 г. В V-образных двигателях на каждой шатунной шейке коленчатого вала расположены два шатуна. В этих двигателях для правильной сборки шатуннопоршневой группы поршни и шатуны устанавливают строго по меткам. Коленчатый вал воспринимает силу давления газов на поршень и силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс кривошипно-шатунного механизма. Силы, передающиеся поршнями на коленчатый вал, создают крутящий момент, который при помощи трансмиссии передается на колеса автомобиля. Коленчатый вал изготовляют штамповкой из легированных сталей или отливают из высокопрочных чугунов. Коленчатый вал состоит из коренных и шатунных шеек, противовесов, заднего конца с отверстием для установки шарикоподшипника ведущего вала коробки передач и фланца для крепления маховика, переднего конца, на котором установлен хроповик пусковой рукоятки и шестерня газораспределения, шкива привода вентилятора, жидкостного насоса и генератора. Шатунные шейки со щеками образуют кривошипы. Для разгрузки коренных подшипников от центробежных сил служат противовесы, которые изготовляют за одно целое со щеками, имеющими каналы для подвода масла, или прикрепляют к ним болтами. Если с обеих сторон шатунной шейки расположены коренные шейки, то такой коленчатый вал называется полнопорным.
В щеках коленчатого вала просверлены наклонные каналы для подвода масла от коренных подшипников к масляным полостям, выполненных в шатунных шейках в виде каналов большого диаметра, закрываемых резьбовыми заглушками. Эти полости являются грязеуловителями, в которых под действием центробежных сил при вращениии коленчатого вала собираются продукты изнашивания, содержащиеся в масле. Гнезда в блоке цилиндров под коренные подшипники и их крышки растачивают совместно, поэтому при сборке двигателя их необходимо устанавливать по меткам только на свои места. Тонкостенные вкладыши коренных подшипников покрыты таким же антифрикционным сплавом, что и вкладыши шатунных подшипников, и отличаются от последних только размерами. Широкое использование триметаллических сталеалюминиевых и сталесвинцовых вкладышей связано с тем, что слой антифрикционного покрытия обладает хорошими противоударными свойствами и повышенной прочностью. От продольного смещения и проворачивания вкладыши удерживаются выступами, входящие в соответствующие пазы в гнездах блока и их крышках. Осевые нагрузки коленчатого вала в большинстве карбюраторных двигателей воспринимаются упорной шайбой и стальными упорными кольцами, залитыми с внутренней стороны антифрикционным сплавом СОС-6-6, содержащим свинец, олово и сурьму. Осевые нагрузки коленчатого вала дизелей воспринимаются двумя парами упорных полуколец из бронзы или сталеалюминия, установленных в выточках задней коренной опоры.Маховик служит для обеспечения вывода поршней из мертвых точек, более равномерного вращения коленчатого вала многоцилиндрового двигателя при его работе на режиме холостого хода, облегчение пуска двигателя, снижение кратно-временных перегрузок при трогании автомобиля с места и передачи крутящего момента агрегатам трансмиссии на всех режимах работы двигателя. Маховик изготовляют из чугуна и динамически балансируют в сборе с коленчатым валом. На фланце маховика центрируются в строго определенном положении с помощью штифтов или болтов, которыми он крепится к фланцу. На обод маховика напрессован зубчатый венец, предназначенный для вращения коленчатого вала стартером при пуске двигателя. На торце или ободе маховика многих двигателей наносят метки, по которым определяют в. м. т. поршня первого цилиндра при установке зажигания (у карбюраторных двигателей) или момента начала подачи топлива (у дизелей).
Кривошипно-шатунный механизм состоит из следующих основных частей: цилиндра 7 (рис. 2), поршня 6 с кольцами 5, шатуна 3 с подшипником 2, поршневого пальца 4, коленчатого вала 10 с противовесами 9, вращающегося в подшипниках 1, и маховика 8. Детали кривошипно-шатунного механизма воспринимают большое давление (до 6…8 МПа) газов, возникающих при сгорании топлива в цилиндрах, а некоторые из них, кроме того, работают в условиях высоких температур (350° и выше) и при большой частоте вращения коленчатого вала (свыше 2000 мин»‘). Чтобы детали могли удовлетворительно работать длительное время (не менее 8…9 тыс. часов) в таких тяжелых условиях, обеспечивая работоспособность двигателя, их изготавливают с большой точностью из высококачественных прочных металлов и их сплавов, а детали из черных металлов (сталь, чугун), кроме того, подвергают термической обработке (цементации, закалке).
Рисунок 2 Кривошипно-шатунный механизм: 1 – коренной подшипник; 2 – шатунный подшипник; 3 – шатун; 4 – поршневой палец; 5 – поршневые кольца; 6 – поршень; 7 – цилиндр; 8 – маховик; 9 – противовес; 10 – коленчатый вал
В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри цилиндров и тепловая энергия, выделяющаяся при этом, преобразуется в механическую работу. Рабочим циклом называется совокупность процессов, периодически повторяющихся в определенной последовательности в цилиндре. В четырехтактном двигателе рабочий цикл совершается за четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход (сгорание и расширение) и выпуск, или, иначе говоря, за два оборота коленчатого вала.
Такт – это процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня.
Ход поршня S — путь, проходимый поршнем от одной мертвой точки до другой.
Мертвыми точками называются крайние верхнее и нижнее положения поршня, где его скорость равна нулю. Верхняя мертвая точка сокращенно обозначается в.м.т., нижняя мертвая точка – н.м.т.
Рабочий объем цилиндра Vр – объем, освобождаемый поршнем при движении от в.м.т. до н.м.т.
Литраж – рабочий объем всех цилиндров двигателя.
Объем камеры сгорания Vc — объем, образующийся над поршнем, когда последний находится в в.м.т.
Полный объем цилиндра Vп – это его рабочий объем плюс объем камеры сгорания.
Индикаторная мощность – мощность, развиваемая расширяющимися газамитпри сгорании топлива в цилиндрах двигателя (без учета потерь).
Эффективная мощность – мощность, получаемая на маховике коленчатого вала. Она на 10 – 15% меньше индикаторной из-за потерь на трение в двигателе и приведение в движение его вспомогательных механизмов и приборов.
Литровой мощностью называется наибольшая эффективная мощность, получаемая с одного литра рабочего объема (литража) цилиндрического двигателя.
Рабочий цикл четырехтактного двигателя происходит следующим образом.
Первый такт – впуск. При движении поршня от в.м.т. (вниз) вследствие увеличения объема в цилиндре создается разрежение, под действием которого из карбюратора через открывающийся впускной клапан в цилиндр поступает горючая смесь (паров бензина с воздухом). В цилиндре горючая смесь смешивается с оставшимися в нем от предыдущего рабочего цикла отработавшими газами и образует рабочую смесь.
Второй такт – сжатие. Поршень движется вверх, при этом оба клапана закрыты. Так как объем в цилиндре уменьшается, то происходит сжатие рабочей смеси.
Третий такт – рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется электрической искрой и быстро сгорает (за 0,001 – 0,002 с). При этом происходит выделение большого количества тепла и газы, расширяясь, создают сильное давление на поршень, перемещая его вниз. Сила давления газов от поршня передается через поршневой палец и шатун на коленчатый вал, создавая на нем определенный крутящий момент. Таким образом, во время рабочего хода происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу.
Четвертый такт – выпуск. После совершения полезной работы поршень движется вверх и выталкивает отработавшие газы наружу через открывающийся выпускной клапан.
Из рабочего цикла двигателя видно, что полезная работа совершается только в течение рабочего хода, а остальные три такта являются вспомогательными. Для равномерности вращения коленчатого вала на его конце устанавливают маховик, обладающий значительной массой. Маховик получает энергию при рабочем ходе и часть ее отдает на совершение вспомогательных тактов.
В целях получения большей мощности и равномерного вращения коленчатого вала двигатели делают многоцилиндровые. Так, в четырехцилиндровом двигателе за два оборота коленчатого вала получается не один, а четыре рабочих хода.
3. Учебные пособия, приспособления и инструменты
3.1. Учебные плакаты, стенды с разрезами КШМ, отдельные узлы и детали КШМ
4. Порядок проведения работы
4.1 Изучить принцип работы КШМ
4.2 Изучить устройство КШМ
4.3 Изучить неподвижные и подвижные детали КШМ
5. Содержание отчета
5.1 Описать назначение, общее устройство и работу КШМ
5.2 Описание принципа действия КШМ
5.3 Описание особенностей сборки деталей и узлов КШМ
5.4 Начертить схему КШМ
5.5. Описание материалов, применяемых для изготовления деталей КШМ
6. Контрольные вопросы
6.1. Назначение, устройство и принцип работы КШМ?
6.2. Краткое конструктивное описание элементов входящих в КШМ?
6.3. Порядок работы четырех-, шести- и восьмитактных двигателей?
6.4. Применяемые материалы для изготовления деталей КШМ двигателя?
6.5. Способ фиксации коленчатого вала от осевых перемещений у изучаемых двигателей?
6.6. Как установить поршень первого цилиндра в ВМТ?
6.7. Основные особенности устройства КШМ изучаемых двигателей?
6.8. Основные параметры двигателя?
6.9.Классификация двигателей?
6.10. Для чего служит дезаксаж двигателя?
6.11. Способы повышения надежности деталей и узлов КШМ?
Список литературы
Боровских Ю.Л,Кленников В.М., усторйство автомобиля. М Высшая школа, 1983г
Михайловский Е.В., Серебряков Е.Я. « Устройство автомобиля». Машиносртоение, 1985г.
Соснин Д. А. « Автотроника», СОЛОН- Р, 2001 г
Соснин Д. А., Колесниченко В.Н. « Теоретические аспекты современных электорнных систем зажигание для ДВС». Сборник трудов МАДИ. 1981 г.
Спинов В.Р. « Системы впрыска бензиновых двигателей» М. Машиностроение , 1995 г.
Селифонов В.В., Бирюков М.К. « Устройство и техническое обслуживание атобусов» , за рулем, федеральный комплект учебников.
ЮТТ В.Е. Электрооборудование автомобилей,- М Транспорт, 1989-
М.Н. Фесенко.Теория, конструкция и расчет автотракторного электрооборудование М- машиностроение.
Неподвижные детали КШМ
Блок картер является остовом двигателя, в котором размещаются и работают подвижные детали, к нему крепятся практически все навесные агрегаты и приборы, обеспечивающие работу двигателя.
Коренные подшипники
Для коренных подшипников применяются подшипники скольжения, выполненные в виде вкладышей, основой которых является стальная лента толщиной 1,9—2,8 мм для карбюраторных двигателей и 3—6 мм для дизелей. В качестве антифрикционного материала вкладышей используют высокооловянистый алюминиевый сплав для карбюраторных двигателей и трехслойные с рабочим слоем из свинцовой бронзы.
Маховик
Маховик служит для уменьшения неравномерности вращения коленчатого вала, накопления энергии во время рабочего хода поршня, необходимой для вращения вала и течение подготовительных тактов, и вывода деталей КШМ из ВМТ и НМТ.
В многоцилиндровых двигателях маховик является, в основном, накопителем кинетической энергии, необходимой для пуска двигателя и обеспечения плавного трогания автомобиля с места.
Маховики отливают из чугуна в виде лиски с массивным ободом и проводят его динамическую балансировку в сборе с коленчатым валом.
На ободе маховика имеется посадочный поясок для напрессовки зубчатого венца для электрического пуска стартером. На цилиндрической поверхности маховика находятся метки или маркировочные штифты и надписи, определяющие момент прохождения ВМТ поршнем первого цилиндра. На торцевую рабочую поверхность опирается фрикционный диск сцепления. Для крепления его кожуха имеются резьбовые отверстия. Маховик центрируют по наружной поверхности фланца с помощью выточки, а положения его относительно коленчатого вала фиксируют установочным штифтом или несимметричным расположением отверстий крепления маховика.
а — V- образного карбюраторного двигателя; 6 — V-образного дизельного двигателя; в — соединение головки блока цилиндров, гильзы и блока цилиндров двигателя KaМA3-740; 1- крышка блока распределительных зубчатых колес; 2 — прокладка головки блока цилиндров; 3 — камера сгорания, 4 — головка блока цилиндров, 5 — гильза цилиндра; 6 и 19 — уплотнительные кольца, 7 — блок цилиндров; 8 — резиновая прокладка; 9 — головка блока цилиндров; 10 -прокладка крышки; 11 — крышка головки блоки цилиндров; 12 и 13 — болты крепления крышки и головки блока цилиндров; 14 — патрубок выпускного коллектора; 15 — болт-стяжка; 16 — крышка коренного подшипника: 17 — болт крепления крышки коренного подшипника; 17 — стопорное кольцо: 20 — стальная прокладка головки блока цилиндров.
Блок картер
Блок-картер отливают из легированного чугуна или алюминиевых сплавов.
Блок-картер разделен на дне части горизонтальной перегородкой. В нижней части в вертикальных перегородках имеются разъемные отверстия крепления коленчатого вала, в верхней гильзы цилиндров. Блок-картер может быть отлит вместе с цилиндрами («сухие» гильзы), либо иметь вставные сменные гильзы, непосредственно омываемые охлаждающей жидкостью, так называемые «мокрые» гильзы. Также в блок-картере выполнены гладкие отверстия пол коренные опоры распределительного вала, под толкатели ГРМ, имеются гладкие и резьбовые отверстия и припадочные поверхности крепления деталей и приборов.
Гильзы цилиндров
Гильзы цилиндров являются направляющими для поршня и вместе с головкой образуют полость, в которой осуществляется рабочий ЦИКЛ, Изготовляют гильзы литьем из специального чугуна. На наружной поверхности имеется одна или две посадочные поверхности крепления гильзы в блоке цилиндров. Внутреннюю поверхность цилиндра подвергают закалке с нагревом ТВЧ и тщательно обрабатывают, получая «зеркальную» поверхность.
Верхняя часть цилиндра наиболее нагружена, так как здесь происходит сгорание рабочей смеси, сопровождаемое резким повышением давления и температуры. Кроме того, в этой зоне происходит перекладка поршня, сопровождаемая ударными нагрузками на стенки цилиндра. Для повышения износостойкости верхней част цилиндров в карбюраторных двигателях (ЗМЗ-53 и ЗИЛ-508.10) применяют пеганки из специального износостойкого чугуна» запрессованные в верхней части цилиндра. Толщина вставки 2—4 мм. высота 40—50 мм. используемый материал — аустенитный чугун.
«Мокрые» гильзы могут быть установлены в блок-картер с центровкой по одному или двум поясам. Первый способ применяется для постановки гильзы в алюминиевые, в юрой — в чугунные блоки.
Для уплотнения нижнего центрирующего пояска «мокрых» гильз применяют резиновые кольца гильзы с центровкой по одному нижнему поясу уплотняются одной медной прокладкой под горне нон плоскостью буртика.
Головка блока
Головка блока цилиндров закрывает цилиндры и образует верхнюю часть рабочей полости двигателя, в ней частично или полностью размещаются камеры сгорания. Головки блока цилиндров отливают из легированного серого чугуна или алюминисвого сплава. Чаще всего они являются общими для всех цилиндров, образующих ряд.
В головках блока цилиндров разметаются гнезда и направляющие втулки клапанов, впускные и выпускные каналы. Их внутренние полости образуют рубашку для охлаждающей жидкости. В верхней части имеются опорные площадки для крепления деталей клапанного механизма, В конструкциях с верхним расположением распределительного вала предусмотрены соответствующих опоры. Для уплотнения стыка головки блока цилиндров и блока цилиндров применяю) сталеасбестовую уплотняющую
прокладку, предотвращающую прорыв газов наружу и исключающую проникновение охлаждающей жидкости и масла в цилиндры. В двигателях послушного охлаждения головки блока цилиндров делают ребренными. Причем ребра располагают по движению потока охлаждающего воздуха. Так, чтобы обеспечивался более эффективный теплоотвод.
Поддон картера
Поддон картера закрывает KШМ снизу и одновременно является резервуаром для масла. Поддоны изготовляют штамповкой из листовой стали или отливают из алюминиевых сплавов. Внутри поддонов могут выполняться лотки и перегородки, препятствующие перемещению и взбалтыванию масла при лвижении автомобиля по неровным дорогам,
Привалочная поверхность, стыкующаяся с блок-картером, имеет от-бортовку металла и усиливается для придания жесткости стальной полосой, приваренной по периметру. В нижней точке поддона приваривается бобышка с резьбовым отверстием, которое закрывают пробкой с магнитом для улавливания металлических продуктов износа, образующихся вследствие изнашивания двигателя.
Подвижные детали кшм
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.