Общее устройство кривошипно-шатунного механизма (КШМ)

Кривошипно-шатунный механизм состоит из:

  • блока цилиндров;
  • головки блока цилиндров;
  • поршней с кольцами и пальцами;
  • шатунов;
  • коленчатого вала;
  • подшипников;
  • маховика;
  • картера двигателя.

Цилиндры двигателя

В цилиндрах происходит рабочий процесс двигателя. К прочности, жесткости и износоустойчивости цилиндров предъявляются повышенные требования вследствие большого давления и высокой температуры газов в цилиндрах, а также вследствие большой силы трения между стенками поршней и цилиндров.

Конструкция цилиндров и материал, из которого они сделаны, должны также обеспечить интенсивный отвод тепла от их стенок, чтобы исключить перегрев двигателя, приводящий к ненормальной работе его и потере мощности.

Для повышения прочности и износоустойчивости цилиндров их изготавливают из специальных сортов чугуна или из алюминиевых сплавов со вставными гильзами из особо прочных материалов (из легированного чугуна и стали), а боковые внутренние поверхности (зеркало цилиндров) тщательно обрабатывают.

Блок цилиндров

Жесткость цилиндров обеспечивается главным образом выполнением всех цилиндров двигателя в виде одной общей отливки, называемой блоком цилиндров.

Конструкция блока цилиндров во многом зависит от принятого вида охлаждения — жидкостного или воздушного. При жидкостном охлаждении цилиндры снабжаются рубашками охлаждения, т.е. полым пространством, в котором непрерывно циркулирует охлаждающая жидкость вокруг сильно нагревающихся мест цилиндра: верхней части зеркала цилиндра, поверхности камеры сгорания, мест установки выпускных клапанов. При воздушном охлаждении наружные поверхности цилиндров, чтобы увеличить поверхность их охлаждения, снабжаются сильно развитыми ребрами.

Гильзы

Гильзы, устанавливаемые в цилиндры блока, называются сухими (рис. а и б), если гильзы всей поверхностью соприкасаются с блоком и непосредственно охлаждающей жидкостью не омываются, и мокрыми, если гильзы непосредственно омываются охлаждающей жидкостью.

Сухие гильзы бывают длинными (рис. а) и короткими (рис. б). Короткие гильзы устанавливаются лишь в верхней части цилиндров, подверженной наибольшему износу, длинные гильзы — на всю длину цилиндра.

Мокрые гильзы (рис. в) устанавливаются в блок цилиндров так, что они соприкасаются с блоком только верхним и нижним кольцевыми поясками. Между стенками блока и гильзы образуется пространство (рубашка охлаждения), заполняемое охлаждающей жидкостью. Чтобы предупредить проникновение охлаждающей жидкости из рубашки охлаждения в цилиндры и картер двигателя, гильзы уплотняются в верхней части буртиком 6, а в нижней — резиновыми кольцами 8.

Для повышения коррозионной стойкости в верхнюю часть мокрой гильзы запрессовывают вставку 7 из специального материала.

Головка блока цилиндров

Цилиндр сверху закрыт головкой.

Головка цилиндра вместе с боковыми, стенками цилиндра образует замкнутое пространство, в котором происходит рабочий цикл двигателя. Со стороны, обращенной к цилиндру, в головке выполняется особой формы полость, образующая камеру сгорания.

Так как цилиндры двигателя отливаются в виде одного блока, то и их головки изготовляются в виде общей отливки, называемой головкой блока цилиндров. Материалом для головок блока цилиндров служит обычно серый чугун или алюминиевые сплавы. Головка, изготовленная из алюминиевого сплава, обладает повышенной теплопроводностью. Установка такой головки приводит к снижению температуры рабочей смеси в цилиндрах двигателя в конце такта сжатия, позволяет превысить степень сжатия и, следовательно, мощность двигателя, не нарушая нормального режима работы двигателя.

Головка блока цилиндров и блок цилиндров соединяются посредством болтов и шпилек. Между блоком цилиндров и их головкой устанавливается прокладка, предотвращающая пропуск газов и протекание охлаждающей жидкости в местах стыка.

Рис. Гильзы цилиндров: а — сухая длинная гильза (двигатель ЯАЗ-М-206Б); б — сухая короткая гильза (двигатель ГАЗ-69); в — мокрая гильза (двигатель ЗИЛ-375); 1 — гильза; 2 — рубашка охлаждения; 3 — продувочное окно в гильзе; 4 — продувочное окно в блоке цилиндров; 5 — блок цилиндров; 6 — буртик; 7 — вставка гильзы; 8 — уплотнительные резиновые кольца

Рис. Шатун с поршнем в сборе: а — шатун с поршнем в сборе (двигатель ЯАЗ-М-206Б); б — шатун с поршнем в сборе (двигатель ЗИЛ-157К); 1 — головка поршня; 2 — компрессионное кольцо; 3 — поршневой палец; 4 — стопорное кольцо; 5 — маслосъемное кольцо; 6 — бобышка поршня; 7 — расширитель; 8 — вкладыши; 9 — крышка шатуна; 10 — нижняя головка шатуна; 11 — тело шатуна; 12 — канал в теле шатуна; 13 — верхняя головка шатуна; 14 — юбка поршня; 15 — втулки

Конструкция блока цилиндров и головки блока в большой степени зависит от типа и расположения механизма газораспределения. Если применяется клапанный механизм газораспределения с нижним расположением клапанов в блоке цилиндров, то в конструкции блока предусматривается клапанная коробка с каналами для подвода горючей смеси и отвода отработавших газов и со сверлениями для направляющих втулок клапанов. Если применяется клапанный механизм с верхним расположением клапанов (подвесные клапаны), то клапаны, их направляющие втулки, впускные и выпускные каналы размещаются в головке блока цилиндров.

Поршень

Поршень воспринимает при рабочем ходе давление газов и передает его через палец и шатун коленчатому валу двигателя.

Поршень состоит из головки 1 и юбки 14. Верхняя плоскость головки (днище) ограничивает снизу рабочую полость цилиндра и непосредственно воспринимает давление газов.

В головке поршня имеются канавки для поршневых колец.

Юбка поршня, соприкасаясь со стенками цилиндра, направляет движение поршня и передает боковое усилие от него стенкам цилиндра.

На поршень действуют силы давления газов, достигающие больших величин, силы инерции возвратно-поступательно движущихся деталей, боковые силы, возникающие при отклонении шатуна от оси цилиндра, и, наконец, сила трения между поршнем и зеркалом цилиндра. Поэтому поршень должен обладать достаточной прочностью, жесткостью и износоустойчивостью.

Кроме того, вследствие неблагоприятных условий охлаждения (тепло в основном отводится через поршневые кольца и юбку поршня к стенкам цилиндра) поршни могут нагреваться до очень высокой температуры.

Поэтому к конструкции поршня и материалу, из которого он изготовляется, предъявляются повышенные требования. Для изготовления поршней применяются алюминиевые сплавы и чугун. Несмотря на большую прочность чугунных поршней, в современном автомобилестроении предпочтение отдается поршням из алюминиевых сплавов. Алюминиевые поршни легче чугунных, а это уменьшает силы инерции и нагрузку на детали двигателя при его работе.

Алюминиевые поршни обладают большой теплопроводностью, следовательно, днища таких поршней имеют более низкую температуру нагрева, что улучшает наполнение цилиндра свежей горючей смесью и позволяет увеличить-степень сжатия. Наконец, силы трения, возникающие между поршнем и стенками цилиндра, у алюминиевых поршней меньше, чем у чугунных.

В алюминиевых поршнях в верхней части головок иногда делаются глубокие узкие канавки, уменьшающие передачу тепла от днища к поршневым кольцам, чтобы избежать пригорания колец.

В средней части поршня имеются приливы — бобышки 6 для установки поршневого пальца.

Во время работы двигателя поршень и цилиндр расширяются от нагревания. Но условия охлаждения цилиндра значительно лучше, чем условия охлаждения поршня, поэтому цилиндр расширяется меньше, чем поршень. Чтобы избежать заклинивания поршня при нагревании, поршень устанавливается в цилиндре с небольшим зазором.

Чтобы уменьшить зазор между поршнем и цилиндром (вызывающий стуки поршня при непрогретом двигателе и утечку газов), алюминиевые поршни изготавливаются с разрезной и овальной юбками. Разрезные юбки могут иметь разрез различной длины и формы (П- и Т-образные).

Поршневые кольца

Поршневые кольца разделяются на компрессионные и маслосъемные. Компрессионные кольца 2 уплотняют поршень в цилиндре и тем самым предотвращают прорыв газов через зазор между поршнем и цилиндром. Через эти же кольца отводится большая часть тепла от поршня к стенкам цилиндра.

Маслосъемные кольца 5 снимают излишки масла со стенок цилиндра и препятствуют проникновению масла в камеру сгорания.

Чтобы обеспечить хорошее уплотнение поршня в цилиндре, поршневые кольца должны плотно и равномерно прилегать к внутренним стенкам цилиндров. Поэтому они выполняются разрезными и имеют форму, приближающуюся к кругу, диаметр которого в свободном состоянии больше диаметра цилиндра. Место разреза колец называется замком. При введении колец в цилиндр они сжимаются, принимают круглую форму и вследствие упругости и своей формы плотно и равномерно прижимаются к стенкам цилиндра.

Обычно в карбюраторных двигателях устанавливается на каждом поршне по два — четыре кольца. В дизелях, где давление во время сжатия и рабочего хода высокое, на поршень устанавливаются четыре компрессионных кольца.

Маслосъемные кольца имеют более сложную форму поперечного сечения, чем компрессионные кольца: в них имеются радиальные маслоотводные отверстия, выполненные так же, как и в канавке поршня.

При движении поршня вверх или вниз масло со стенок цилиндра снимается кромкой маслосъемного кольца и отводится в картер двигателя через маслоотводные отверстия в поршне.

На поршне обычно устанавливаются одно — два маслосъемных кольца: на головке после компрессионных колец или на нижней части юбки поршня.

Для повышения упругости поршневых колец между кольцом и поршнем на двигателях некоторых типов устанавливают пружинящие стальные кольца, называемые расширителями 7. Расширитель повышает работоспособность кольца при его износе.

Поршневой палец

Поршневой палец 3 служит для шарнирного соединения поршня с шатуном. Он представляет собой короткую толстостенную трубку, изготовленную из высококачественной стали и обработанную так, что при очень твердой наружной поверхности она имеет сравнительно мягкую, но прочную сердцевину. Наружная поверхность пальца тщательно шлифуется.

Чтобы при работе двигателя палец не мог выдвинуться из поршня и повредить стенки цилиндра, положение пальца фиксируют.

По способу фиксации пальцы разделяются на плавающие и закрепленные в головке шатуна.

Плавающий палец может поворачиваться и в бобышках поршня, и в головке шатуна. Его осевое перемещение ограничивается стопорными кольцами 4, устанавливаемыми в проточках бобышек поршня.

Палец, закрепленный в головке шатуна, может поворачиваться только в бобышках поршня, в которые, чтобы уменьшить трение, запрессовываются бронзовые втулки. Палец затягивается в этом случае в верхней разрезной головке шатуна стяжным болтом. Плавающие пальцы изнашиваются значительно меньше и более равномерно, чем закрепленные.

Шатун

Шатун соединяет поршень с коленчатым валом. Он передает усилия от поршня к коленчатому валу во время рабочего хода и от коленчатого вала к поршню во время остальных тактов. Вместе с коленчатым валом шатун преобразовывает возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение вала.

Шатун изготовляется из стали штамповкой с последующей механической и термической обработкой. Шатун состоит из трех основных частей: тела 11, верхней 13 и нижней 10 головок.

Тело шатуна обычно имеет двутавровое сечение, которое постепенно увеличивается от верхней головки к нижней. Такая форма обеспечивает шатуну прочность и жесткость при минимальном весе. Если в двигателе предусмотрена принудительная смазка поршневого пальца, то в теле шатуна вдоль его оси просверливается канал 12.

Верхняя головка шатуна выполняется неразрезной, если применяется плавающий палец, или разрезной, если применяется закрепленный палец. В первом случае головку изготовляют большей ширины. Внутрь такой головки запрессовываются одна или две бронзовые втулки 15, чтобы уменьшить трение и облегчить ремонт. Обычно внутренняя поверхность бронзовых втулок гладкая, но в ряде двигателей для лучшей смазки пальца на поверхности втулок делаются канавки.

При креплении поршневого пальца стяжным болтом верхняя головка шатуна изготовляется более узкой, с разрезом и утолщением с одной стороны; в утолщении выполняется отверстие и нарезается резьба для стяжного болта.

Нижняя головка шатуна всегда выполняется из двух частей, соединенных болтами с гайками: верхней, изготовляемой заодно с телом шатуна, и нижней, называемой крышкой 9. Чтобы избежать ослабления крепления крышки шатуна, гайки шатунных болтов стопорятся при помощи шплинтов или стопорных шайб. В нижней головке шатуна располагается шатунный подшипник.

Вкладыши

Чтобы уменьшить трение и износ шеек коленчатого вала, в современных двигателях применяются тонкостенные вкладыши, изготовляемые из стальной ленты толщиной 1—2 мм, залитой тонким (0,1—0,5 мм) слоем антифрикционного сплава (баббита, свинцовистой бронзы). Так как усадка сплава ничтожна, то шатунные подшипники с тонкостенными вкладышами не нуждаются в подтяжке и не имеют регулировочных прокладок.

Чтобы исключить проворачивание и сдвиг, вкладыши фиксируются специальными усиками, входящими в пазы головок шатунов. Для прохода смазки в подшипнике имеются отверстия и канавки. В нижней головке шатуна у большинства двигателей имеется отверстие для разбрызгивания масла.

 

Рис. Коленчатый вал: а — двигателя ЯАЗ-М-206Б (с противовесами); б — двигателя автомобиля ЗИЛ-157К (без противовесов); 1 — носки; 2 — Щеки; 3 — шатунные шейки; 4 — коренные шейки; 5 — противовесы; 6 — хвостовики

Коленчатый вал

Коленчатый вал передает усилия от поршней к агрегатам и механизмам силовой передачи автомобиля. Коленчатый вал состоит из коренных 4 и шатунных 3 шеек, щек 2, носка 1, хвостовика 6 и противовесов 5.

Коренными шейками коленчатый вал опирается на коренные подшипники, расположенные в картере. Количество их может быть различным. По числу коренных шеек коленчатые валы разделяются на двух-, трех-, четырехопорные и т.п.

Шатунные шейки соединяют коленчатый вал с нижней головкой шатуна; диаметр их несколько меньше диаметра коренных шеек. Количество шеек зависит от количества и расположения цилиндров двигателя. Так, при рядном расположении цилиндров оно совпадает с количеством цилиндров.

Щеки связывают шатунные и коренные шейки и образуют вместе с шатунными шейками кривошипы коленчатого вала. Расположение кривошипов на валу зависит от порядка работы цилиндров двигателя.

Носок коленчатого вала используется для установки распределительной шестерни, шкива привода вентилятора и храповика для запуска двигателя при помощи пусковой рукоятки.

Хвостовик коленчатого вала имеет фланец, на который устанавливается маховик.

Противовесы предназначены для уравновешивания сил инерции, возникающих при движении поршней и шатунов. Уравновешивание сил инерции способствует более равномерной работе двигателя и уменьшает износ коренных шеек и подшипников коленчатого вала. Обычно они устанавливаются на коленчатых валах быстроходных двигателей с чугунными поршнями, а в двигателях с легкими алюминиевыми поршнями и жестким коленчатым валом не устанавливаются.

Для подвода масла от коренных шеек к шатунным подшипникам в щеках коленчатого вала просверливаются каналы.

Коленчатые валы изготовляются из качественных сталей ковкой или штамповкой с последующей механической и термической обработкой. Шейки коленчатого вала тщательно шлифуются и полируются.

В последнее время в автомобильной промышленности широко внедряется литье коленчатых валов из специального чугуна. Литые валы применяются, в частности, для двигателей автомобилей «Волга».

В некоторых многоцилиндровых двигателях коленчатый вал имеет значительную длину. При работе такого двигателя происходит незаметное на глаз закручивание коленчатого вала попеременно то в одну, то в другую сторону — вал начинает колебаться относительно своей оси. Такие колебания называются крутильными. Чтобы предупредить поломку вала в результате действия крутильных колебаний, на нем устанавливается специальный гаситель.

Гаситель крутильных колебаний (демпфер)

Гаситель крутильных колебаний (демпфер) представляет собой тяжелый диск, устанавливаемый обычно на носке коленчатого вала без жесткой связи с валом. Возникающие крутильные колебания при наличии демпфера ослабляются (в зависимости от конструкции) либо в результате возникновения сил трения между демпфером и деталями коленчатого вала, либо в результате деформации слоя резины, которой демпфер соединен с коленчатым валом.

Маховик

Маховик представляет собой чугунный диск, торцовая поверхность которого используется в качестве ведущего диска сцепления.

Маховик способствует более равномерному вращению коленчатого вала двигателя. Кроме того, вследствие запаса энергии, полученной при вращении, маховик помогает двигателю преодолевать перегрузку в момент трогания автомобиля с места.

На обод маховика напрессовывается зубчатый венец для запуска двигателя электрическим стартером и наносится метка для определения верхней мертвой точки поршня первого цилиндра.

Картер двигателя

Картер — это основание двигателя. Ом воспринимает все нагрузки, возникающие при работе двигателя, изолирует от окружающей среды детали кривошипно-шатунного механизма и служит резервуаром для масла.

Картер состоит из двух частей: верхней и нижней. Верхняя часть картера отливается вместе с блоком цилиндров и снабжается поперечными перегородками и ребрами, придающими картеру жесткость.

Боковые стенки верхней части картера заканчиваются фланцем, которому болтами крепится нижняя часть картера (поддон).

Нижняя часть картера штампуется из стали и служит резервуаром для масла. Внутри нее имеются перегородки для предупреждения вспенивания и излишнего разбрызгивания масла. Между верхней и нижней, частями картера устанавливается пробковая прокладка.

Плоскость разъема картера может проходить по оси коленчатого вала или несколько ниже. В последнем случае увеличиваются — жесткость и прочность верхней части картера.

В картере расположены коренные подшипники, в которых устанавливается коленчатый вал. Каждый коренной подшипник состоит из основания, прилива, расточенного в перегородке картера, и крышки, прикрепленной к основанию двумя или четырьмя болтами. Болты крышки шплинтуются проволокой, стопорными шайбами или пластинками.

Коренные подшипники коленчатого вала, так же как и шатунные, имеют тонкостенные вкладыши. Рабочая поверхность их выполняется или гладкой, или с канавками и отверстиями для подвода масла.

Один из коренных подшипников используется для ограничения осевых перемещений коленчатого вала и называется поэтому упорным. Вкладыши такого подшипника изготавливаются с заплечиками, которые заливаются антифрикционным сплавом, или применяются специальные упорные шайбы, которые также заливаются антифрикционным сплавом. Шайбы устанавливаются в основании и крышке подшипника.

Для предотвращения вытекания смазки из картера двигателя в местах выхода коленчатого вала у многих двигателей на заднем конце вала выполняется маслосбрасывающий буртик и нарезается маслосгонная резьба (направление резьбы противоположно направлению вращения вала), а на переднем конце устанавливается маслоотражательное кольцо. Кроме того, места выхода коленчатого вала уплотняются сальниками.

В картере имеются различные полости, сверления, приливы и фланцы для размещения и крепления распределительного и других механизмов, а также масляных трубок. С наружной стороны картера крепятся детали и приборы системы охлаждения и питания двигателя.

В двухтактных дизелях имеется уравновешивающий механизм. Хотя этот механизм конструктивно и связан с распределительным механизмом, но он имеет непосредственное отношение к кривошипно-шатунному механизму и предназначен для уравновешивания сил инерции, возникающих в нем при работе двигателя и достигающих наибольших значений в тот момент, когда поршни проходят мертвые точки. В механизм входят дополнительный уравновешивающий вал и противовесы на распределительном и уравновешивающем валах.

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (оцени первым)

Система усовершенствованного прямого впрыска бензина GDI (Mitsubishi)

Инновационная технология двигателестроения в течение многих лет была приоритетом развита компании Mitsubishi Motors. В частности, компания Mitsubishi стремилась повысить эффективность двигателей в стремлении удовлетворить растущие требования со стороны экологии, как-то уменьшение расхода топлива и с...

Снятие и установка головки цилиндров, двигатель остается на автомобиле (на примере автомобиля Москвич)

Необходимый специальный инструмент и приспособления: динамометрический ключ с головкой 17 мм Снятие головки цилиндров производят при необходимости притирки к седлам или замены клапанов, очистки камер сгорания от нагара, замены уплотнительной прокладки, помещенной между головкой и блоком цилин...

Обкатка отремонтированного двигателя

Обкатка двигателя является заключительной стадией ремонта. От тщательности ее проведения, не меньше чем от качества ремонта, зависит надежность и долговечность работы двигателя. Процесс обкатки двигателя состоит из двух этапов: первый этап — обкатка на холостом ходу в течение 50 мин; второ...
✪Устройство автомобиля Авто⚡сайт №❶