Кривошипно-шатунный механизм (далее сокращенно – КШМ) – механизм двигателя, основным назначением которого является преобразование возвратно-поступательных движений поршня цилиндрической формы во вращательные движения коленчатого вала в двигателе внутреннего сгорания и наоборот.
Поршень имеет вид цилиндра, изготовленного из сплавов алюминия. Основная функция этой детали заключается в превращении в механическую работу изменение давления газа, или наоборот, – нагнетание давления за счет возвратно-поступательного движения.
Поршень представляет собой сложенные воедино днище, головку и юбку, которые выполняют совершенно разные функции. Днище поршня плоской, вогнутой или выпуклой формы содержит в себе камеру сгорания. Головка имеет нарезанные канавки, где размещаются поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные). Компрессионные кольца исключают прорыв газов в картер двигателя, а поршневые маслосъемные кольца способствуют удалению излишков масла на внутренних стенках цилиндра. В юбке расположены две бобышки, обеспечивающие размещение соединяющего поршень с шатуном поршневого пальца.
Шатун
Изготовленный штамповкой или кованый стальной (реже – титановый) шатун имеет шарнирные соединения. Основная роль шатуна состоит в передаче поршневого усилия к коленчатому валу. Конструкция шатуна предполагает наличие верхней и нижней головки, а также стержня с двутавровым сечением. В верхней головке и бобышках находится вращающийся («плавающий») поршневой палец, а нижняя головка – разборная, позволяющая, тем самым, обеспечить тесное соединение с шейкой вала. Современная технология контролируемого раскалывания нижней головки позволяет обеспечить высокую точность соединения ее частей.
Коленчатый вал
Изготовленный из стали или чугуна высокой прочности коленчатый вал состоит из шатунных и коренных шеек, соединенных щеками и вращающихся в подшипниках скольжения. Щеки создают противовес шатунным шейкам. Основная функция коленчатого вала состоит в восприятии усилия от шатуна для преобразования его в крутящий момент. Внутри щек и шеек вала предусмотрены отверстия для подачи под давлением масла системой смазки двигателя.
Маховик
Маховик устанавливается на конце коленчатого вала. На сегодняшний день находят широкое применение двухмассовые маховики, имеющие вид двух, упруго соединенных между собой, дисков. Зубчатый венец маховика принимает непосредственное участие в запуске двигателя через стартер.
Блок и головка блока цилиндров
Блок цилиндров и головка блока цилиндров отливаются из чугуна (реже – сплавов алюминия). В блоке цилиндров предусмотрены рубашки охлаждения, постели для подшипников коленчатого и распределительного валов, а также точки крепления приборов и узлов. Сам цилиндр выполняет функцию направляющей для поршней. Головка блока цилиндра располагает в себе камеру сгорания, впускные-выпускные каналы, специальные резьбовые отверстия для свечей системы зажигания, втулки и запрессованные седла. Герметичность соединения блока цилиндров с головкой обеспечены прокладкой. Кроме того, головка цилиндра закрыта штампованной крышкой, а между ними, как правило, устанавливается прокладка из маслостойкой резины.
В целом, поршень, гильза цилиндров и шатун формируют цилиндр или цилиндропоршневую группу кривошипно-шатунного механизма. Современные двигатели могут иметь до 16 и более цилиндров.
Уход за кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) заключается в своевременной подтяжке деталей крепления головки, блока цилиндров, проверке компрессии (величины давления в цилиндре в конце такта сжатия), замене вкладышей подшипников, очистке камер сгорания от нагара.
Через каждые 900—1000 км пробега автомобиля динамометрическим ключом, показывающим, с какой силой на определенном плече (с каким моментом) затянуты гайки и болты, проверяется степень затяжки гаек шпилек и болтов головки блока.
Затяжка головок блоков из алюминиевого сплава проверяется на холодном двигателе, из чугуна — на прогретом двигателе. Момент затяжки должен быть:
для двигателей автомобилей ГАЗ-69, ГАЗ-63 и ГАЗ-51 А — 6,7-7,2 кгм
для двигателей автомобилей ЗИЛ-157К, ЗИЛ-164 и Урал-375 — 10-12 кгм
для двигателей автомобилей КрАЗ-214, КрАЗ-219 — 22-24 кгм
Через каждые 6000 км для определения степени изношенности поршневых колец следует проверять компрессию в цилиндрах двигателя, т.е. определять максимальную величину давления в каждом цилиндре в конце такта сжатия. Эта величина должна быть немного больше величины степени сжатия и не должна отличаться в разных цилиндрах более чем на 0,5 кг/см2. Компрессия определяется компрессометром.
Через каждые 12 000 км пробега автомобиля камеры сгорания и днища поршней очищают от нагара.
Вкладыши подшипников заменяются только в случае необходимости.
Следует иметь в виду, что вскрывать двигатель следует лишь в том случае, когда в этом действительно есть необходимость.
Кривошипно-шатунный механизм двигателей автомобилей ГАЗ-69, ГАЗ-63 и ГАЗ-51 А в основном имеет одинаковые (унифицированные) детали, за исключением блока цилиндров, головки блока цилиндров и коленчатого вала, которые различаются размерами и конструктивным выполнением, зависящими от количества цилиндров двигателя и шатунов.
Блок цилиндров отлит из специального чугуна. Чтобы уменьшить износ цилиндров, в их верхнюю часть запрессовываются гильзы из кислотоупорного чугуна. Длина гильзы 50 мм, толщина стенок 2 мм. Блок цилиндров имеет рубашку охлаждения по всей длине цилиндров.
Коренные подшипники коленчатого вала снабжены взаимозаменяемыми тонкостенными вкладышами из малоуглеродистой стальной ленты, залитой баббитом специального состава. Вкладыши удерживаются от провертывания при помощи фиксирующих выступов, входящих в пазы, имеющиеся в блоке и крышке. Крышки коренных подшипников крепятся двумя болтами.
Головка блока цилиндров отлита из алюминиевого сплава и крепится к блоку шпильками. Порядок затяжки гаек показан на рисунке а и б.
Между блоком цилиндров и головкой блока цилиндров устанавливается прокладка из асбестового полотна, пропитанного графитом. В прокладке имеются окна, окантованные жестью. Поршень отлит из алюминиевого сплава. Днище поршня плоское, юбка эллиптической формы с П-образной прорезью. При установке поршня в цилиндр эта прорезь должна быть обращена в сторону, противоположную клапанной коробке. На головке поршня выполнены пять кольцевых канавок. Верхняя канавка уменьшает нагрев верхнего компрессионного кольца, остальные канавки служат для установки поршневых колец. Для улучшения приработки поршни покрыты тонким слоем олова.
На поршень устанавливаются по два одинаковых компрессионных и по два одинаковых маслосъемных кольца. Верхнее компрессионное кольцо с наружной стороны хромируют, чтобы повысить его износостойкость. Для лучшей приработки второе компрессионное кольцо и маслосъемные кольца подвергаются лужению. С этой же целью на внутренней цилиндрической поверхности обоих компрессионных колец делается фаска, в результате чего кольца при установке их в цилиндр несколько перекашиваются (скручиваются) и соприкасаются с цилиндром не всей плоскостью, а только нижней кромкой.
Поршневые пальцы плавающего типа, пустотелые, изготавливаются из стали. Наружная поверхность поршневых пальцев подвергается поверхностной закалке на глубину 1 —1,5 мм. От осевых перемещений пальцы удерживаются круглыми пружинными кольцами, устанавливаемыми в кольцевых канавках обеих бобышек поршня.
Шатуны стальные двутаврового сечения, симметричные у двигателя ГАЗ-69 и несимметричные у двигателей ГАЗ-63 и ГАЗ-51А.
Рис. Порядок затяжки болтов и гаек головок блоков цилиндров: а — двигателя автомобиля ГАЗ-69; б — двигателя автомобиля ГАЗ-63; в — двигателя автомобиля ЗИЛ-157К
В верхнюю головку шатуна запрессована втулка из оловянистой бронзы. Во втулке выполнено отверстие, которое совпадает с прорезью в верхней головке шатуна; оно предназначается для смазки поршневого пальца.
Нижняя головка шатуна снабжена взаимозаменяемыми тонкостенными вкладышами из малоуглеродистой стальной ленты, залитой баббитом специального состава. Вкладыши удерживаются от провертывания фиксирующими выступами, входящими в пазы в нижней головке шатуна. Во вкладышах имеются отверстия для прохода масла. У вкладыша, устанавливаемого в шатун, это отверстие совпадает с отверстием в нижней головке шатуна, выходящим наружу в месте перехода головки в тело шатуна. Через это отверстие выбрасывается смазка к цилиндрам и деталям распределительного механизма.
Крышка нижней головки шатуна крепится к шатуну двумя болтами.
Коленчатый вал стальной, кованый, с противовесами. Шатунные и коренные шейки подвергаются поверхностной закалке. Они соединены сверлениями для смазки шатунных подшипников. Каналы в щеках имеют специальные тупики — грязеуловители, закрытые резьбовыми пробками.
Осевые перемещения коленчатого вала воспринимаются передним коренным подшипником через две упорные шайбы. Передняя шайба обращена поверхностью, залитой баббитом, к стальной упорной шайбе, сидящей на валу на шпонке и прижатой к торцу коренного подшипника. Задняя шайба обращена поверхностью, залитой баббитом, к буртику шейки вала. Передняя шайба удерживается от вращения двумя штифтами, запрессованными в блок цилиндров и крышку переднего коренного подшипника, задняя — выступом, входящим в паз на торце крышки коренного подшипника.
Носок коленчатого вала уплотняется самоподжимным сальником, устанавливаемым в крышке распределительных шестерен с наружной стороны блока, и маслоотражательным кольцом, устанавливаемым между распределительной шестерней и ступицей шкива. Хвостовик имеет сальниковое уплотнение, состоящее из двух полуколец, изготовленных из прографиченного асбестового шнура, вкладываемых в две обоймы. Верхняя обойма крепится к торцу блока, нижняя — к крышке подшипника. Кроме того, на задней коренной шейке коленчатого вала перед сальником имеется маслосбрасывающий буртик, входящий в кольцевую выточку подшипника.
Маховик отливается из чугуна и крепится к фланцу хвостовика коленчатого вала при помощи четырех специальных болтов. На маховик напрессован стальной зубчатый венец для запуска двигателя стартером. В наружную поверхность маховика запрессован стальной шарик, служащий для установки зажигания. С этой же целью в обе стороны от шарика нанесено по 12 рисок.
Нижняя часть картера штампованная из листовой стали. Внутри картера имеется перегородка, предохраняющая масло от расплескивания при движении. Нижняя часть крепится к верхней болтами. Место стыка уплотняется пробковыми прокладками.
У кривошипно-шатунного механизма двигателей автомобилей ЗИЛ-157К и ЗИЛ-164А, а также ЗИЛ-157, ЗИЛ-151, ЗИЛ-164 и. ЗИЛ-150 в отличие от двигателей ГАЗ в блоке цилиндров не имеется вставных гильз. Плоскость разъема картера расположена на 70 мм ниже оси коленчатого вала. Крышки четвертого и седьмого (считая от носка коленчатого вала) коренных подшипников крепятся четырьмя болтами, а остальные — двумя.
Крышки коренных подшипников несимметричные. Под всеми крышками на новых двигателях устанавливается с каждой стороны по тонкой прокладке (толщиной 0,05 мм). Эти прокладки во избежание ослабления посадки подшипников удаляются примерно через 50 000—60 000 км пробега.
Головка блока цилиндров отлита из алюминиевого сплава и крепится к блоку болтами и шпильками. Порядок затяжки гаек шпилек и болтов показам на рисунке в.
Между головкой блока и блоком цилиндров устанавливается гладкой стороной к головке блока цилиндров сталеасбестовая прокладка.
Поршень алюминиевый, с юбкой цилиндрической формы. На юбке поршня имеются поперечный и продольный косой разрезы. При установке поршня в цилиндр поперечный разрез должен быть обращен в сторону, противоположную клапанной коробке. На головке поршня выполнены четыре кольцевые канавки для установки поршневых колец.
На поршень устанавливается по три компрессионных и по одному маслосъемному кольцу. В компрессионных кольцах имеются ступенчатые проточки: в верхнем кольце — с внутренней стороны, а в остальных — с наружной.
В верхние головки шатунов запрессовано по две бронзовые втулки. В верхней части нижней головки шатуна имеется боковое отверстие для разбрызгивания масла на зеркало цилиндров и детали распределительного механизма.
Крышка нижней головки шатуна крепится к шатуну двумя болтами с гайками. При сборке шатуна метки-бобышки на шатуне и крышке должны быть обращены в одну сторону. При сборке шатуна с поршнем стрелка, выбитая на поршне, и установочные метки-бобышки шатуна должны быть также обращены в одну сторону; кроме того, стрелка, выбитая на поршне, должна быть обращена к передней части двигателя.
Под крышками на новых двигателях устанавливается с каждой стороны по тонкой прокладке (толщиной 0,05 мм). Эти прокладки во избежание ослабления посадки подшипников удаляются примерно через 30 000—40 000 км пробега.
Коленчатый вал изготовляется без противовесов. В шатунных шейках имеются сквозные сверления для облегчения веса вала.
Осевые перемещения коленчатого вала воспринимаются передним коренным подшипником через две упорные шайбы. Передняя упорная шайба обращена поверхностью, залитой баббитом, к торцу распределительной шестерни, а задняя — к буртику шейки коленчатого вала. Упорные шайбы удерживаются от провертывания имеющимися в них выступами, входящими в прорези крышки переднего коренного подшипника.
Утечке смазки через передний конец коленчатого вала препятствует резиновый каркасный сальник в месте выхода хвостовика вала, а утечке через задний конец коленчатого вала — сальник из асбестовой набивки, маслоотгонная мелкая спиральная канавка и резиновые уплотнители под крышкой седьмого коренного подшипника.
Маховик крепится на фланце хвостовика коленчатого вала шестью болтами. Для установки зажигания на переднем торце маховика выбита метка ВМТ / 1-6.
У двигателя автомобиля Урал-375 блок цилиндров с двухрядным расположением цилиндров отлит из чугуна. В блоке устанавливаются съемные мокрые гильзы 4 с антикоррозийными короткими вставками из нирезиста в верхней части. На каждую группу из четырех цилиндров крепится алюминиевая головка цилиндров 6. Порядок затяжки болтов головки показан на рисунке.
Поршни двигателя отлиты из алюминиевого сплава и снаружи покрыты тонким слоем олова. Они имеют форму эллиптического конуса. В головку поршня залито чугунное кольцо 1, в котором прорезана канавка для верхнего компрессионного кольца.
На поршень установлены три компрессионных и одно маслосъемное кольцо. Два верхних компрессионных кольца 6 имеют хромированную наружную поверхность. Маслосъемное кольцо состоит из двух плоских стальных кольцевых дисков 3, осевого расширителя 4 и радиального расширителя 5.
Поршневые пальцы пустотелые, плавающего типа; фиксируются они от осевого смещения двумя стопорными кольцами. Коленчатый вал двигателя стальной, с четырьмя шатунными и пятью коренными шейками. На каждую шатунную шейку опираются два шатуна (правой и левой группы цилиндров). При сборке двигателя коленчатый вал балансируется (уравновешивается) в плоскости вращения в сборе со ступицей шкива, маховиком и сцеплением.
Коренные и шатунные подшипники — тонкостенные трехслойные вкладыши. Они представляют собой стальную ленту, на которую нанесен медно-никелевый подслой, покрытый сверху тонким слоем антифрикционного сплава СОС-6-6.
На переднем конце коленчатого вала установлено маслоотражательное кольцо, а на заднем конце вала выполнены маслосбрасывающий буртик и маслосгонная канавка. Место выхода переднего конца коленчатого вала уплотняется каркасным резиновым сальником, а заднего конца — сальниковым кольцом из асбестовой набивки. Кроме того, под крышкой заднего коренного подшипника установлены дополнительные резиновые уплотнители.
У двигателя ЯАЗ-М-206Б блок цилиндров отлит из легированного чугуна. Плоскость разъема картера расположена ниже оси коленчатого вала. В гнезда цилиндров блока вставляются сухие гильзы, имеющие в средней части отверстия (продувочные окна) для подачи воздуха в цилиндр. В стенках блока также имеются окна. Гильзы изготавливаются из легированного чугуна и подвергаются термической обработке. В верхней части гильзы имеют буртик, закраинами которого они опираются на кольцевые выточки блока. На торцах гильз выполнена спиральная нарезка для уплотнения камеры сгорания.
Рис. Порядок затяжки болтов головки блока цилиндров двигателя автомобиля Урал-375
Рис. Установка поршневых колец на поршне двигателя автомобиля Урал-375: 1 — кольцо головки поршня; 2 — нижнее компрессионное кольцо; 3 — кольцевой диск; 4 — осевой расширитель; 5 радиальный расширитель; 6 — верхние компрессионные кольца
Рубашка охлаждения окружена воздушной камерой, откуда воздух поступает в продувочные окна гильз.
К торцам блока цилиндров для повышения жесткости прикрепляются болтами стальные торцовые листы.
В блоке выполнены смотровые люки, обеспечивающие доступ к ресиверу (воздушной камере) и позволяющие наблюдать за состоянием продувочных окон, поршней и колец, не разбирая двигатель.
Коренные подшипники коленчатого вала снабжены тонкостенными вкладышами из малоуглеродистой стальной ленты со слоем свинцовистой бронзы. Верхние и нижние половины вкладышей невзаимозаменяемы. Верхние половины вкладышей отличаются от нижних наличием кольцевой канавки с отверстием посередине для подачи масла. Однако целиком комплекты вкладышей из двух половин для всех коренных подшипников взаимозаменяемы.
Вкладыши удерживаются от провертывания усиками, имеющимися на вкладышах и входящими в канавки на блоке и крышках подшипников.
Коренных подшипников семь. Крышки коренных подшипников крепятся двумя шпильками и гайками.
Головка блока цилиндров отливается из легированного чугуна и крепится к блоку 14 шпильками. Порядок затяжки гаек шпилек показан на рисунке. Поверхность головки блока над цилиндрами образует плоский свод камеры сгорания. В головке блока размещаются детали распределительного механизма и системы питания топливом.
Рис. Порядок затяжки гаек головки блока цилиндров двигателя ЯАЗ-М-206В
Между головкой блока и блоком цилиндров устанавливаются внутренняя многослойная металлическая и наружная составная пробковая прокладки.
Поршень отливается из специального ковкого чугуна большой прочности. Юбка поршня покрывается тонким слоем олова. В днище поршня имеется камера, соответствующая форме распыленной струи топлива, подаваемого в цилиндр из насос-форсунки. Форма юбки цилиндрическая. На головке поршня выполнены четыре кольцевые канавки для компрессионных .колец и на юбке поршня — две канавки для маслосъемных колец. Кроме того, под канавками для маслосъемных колец сделаны кольцевые выточки с двумя рядами радиальных отверстий для отвода масла и лучшей вентиляции картера.
На поршень устанавливается по четыре компрессионных и по два маслосъемных кольца. Верхнее компрессионное кольцо с внешней стороны хромируется, а затем для лучшей приработки на слой хрома наносится тонкий слой свинцового сплава. С этой же целью на внешней стороне остальных компрессионных колец делается по три кольцевые канавки, которые покрываются оловом.
Маслосъемные кольца состоят из трех частей: двух чугунных колец и расширителя. На наружной стороне колец сделаны особой формы прорези для отвода масла. При установке колец на поршни их острые кромки должны быть направлены вниз. Расширитель изготавливается из стальной ленты.
Поршневые пальцы плавающие, пустотелые, изготовляются из хромоникелевой стали. От осевых перемещений пальцы удерживаются стальными заглушками и пружинными кольцами, установленными с наружной стороны обеих бобышек поршня.
Шатуны стальные, двутаврового сечения. В верхнюю головку шатуна запрессовываются две бронзовые втулки с винтовыми канавками на внутренней поверхности. Нижняя головка снабжена тонкостенными вкладышами из малоуглеродистой стальной ленты, покрытой тонким слоем свинцовистой бронзы. Верхние и нижние половины вкладышей невзаимозаменяемы. Верхние половины вкладышей имеют в средней части две канавки, идущие от плоскости разъема до маслоподающих отверстий, нижняя половина — одну среднюю кольцевую канавку по всей полуокружности. Целиком комплекты вкладышей для всех шатунов взаимозаменяемы. Вкладыши удерживаются от провертывания усиками, имеющимися на вкладышах и входящими в канавки нижней головки шатуна. Крышка нижней головки шатуна крепится двумя специальными болтами с гайками. Крышки при разборке нельзя менять местами и перевертывать.
Вдоль всего тела шатуна просверлен канал, соединяющий кольцевую канавку в верхней головке шатуна, образованную впрессованными бронзовыми втулками, с канавками нижней головки. В канале около нижней головки шатуна запрессована втулка, которая ограничивает поступление масла в верхнюю головку для смазки пальца. В верхней головке установлена форсунка, через которую масло попадает на днище поршня для дополнительного его охлаждения.
Коленчатый вал стальной, штампованный, семиопорный, с двумя парами стальных противовесов, прикрепленных болтами к щекам коленчатого вала. Болты после установки противовесов завариваются. Шатунные и коренные шейки подвергаются поверхностной закалке и соединяются сверлениями для смазки шатунных подшипников.
Осевые смещения коленчатого вала воспринимаются задним коренным подшипником через четыре бронзовых полукольца, установленных попарно с каждой стороны подшипника. Для предохранения полуколец от провертывания нижние полукольца надеты на латунные штифты, запрессованные в крышку подшипника. Носок и хвостовик коленчатого вала уплотняются самоподжимными сальниками, устанавливаемыми впереди в крышке и сзади в картере маховика. Кроме того, за сальником на носке коленчатого вала устанавливается маслоотражательное кольцо.
На носке коленчатого вала устанавливаются шестерня привода масляного насоса, шкивы привода вентилятора и генератора и гаситель крутильных колебаний (демпфер).
Гаситель крутильных колебаний состоит из двух частей: малого и большого маховиков. К каждому маховику привулканизирован слой резины, другой стороной этот слой привулканизирован к фланцу. Фланцы вместе с маховиками крепятся на шкиве коленчатого вала.
На хвостовике коленчатого вала имеются фланец и цапфа, на которую устанавливается распределительная шестерня. В торец хвостовика запрессованы два штифта для правильной установки маховика.
Маховик устанавливается на хвостовике коленчатого вала и крепится к нему шестью болтами. На обработанную цилиндрическую поверхность маховика напрессован зубчатый венец. Нижняя часть картера штампованная из листовой стали. Она крепится к верхней части болтами. Место стыка уплотняется пробковой прокладкой.
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.
Кривошипно-шатунный механизм предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.
Детали кривошипно-шатунного механизма можно разделить на:
неподвижные — картер, блок цилиндров, цилиндры, головка блока цилиндров, прокладка головки блока и поддон. Обычно блок цилиндров отливают вместе с верхней половиной картера, поэтому иногда его называют блок-картером.
подвижные детали КШМ — поршни, поршневые кольца и пальцы, шатуны, коленчатый вал и маховик.
Кроме того, к кривошипно-шатунному механизму относятся различные крепежные детали, а также коренные и шатунные подшипники.
Блок-картер — основной элемент остова двигателя. Он подвергается значительным силовым и тепловым воздействиям и должен обладать высокой прочностью и жесткостью. В блок-картере устанавливают цилиндры, опоры коленчатого вала, некоторые устройства механизма газораспределения, различные узлы смазочной системы с ее сложной сетью каналов и другое вспомогательное оборудование. Блок-картер изготавливают из чугуна или алюминиевого сплава литьем.
Цилиндр
Цилиндры представляют собой направляющие элементы ⭐ кривошипно-шатунного механизма. Внутри их перемещаются поршни. Длина образующей цилиндра определяется ходом поршня и его размерами. Цилиндры работают в условиях резко изменяющегося давления в надпоршневой полости. Их стенки соприкасаются с пламенем и горячими газами, имеющими температуру до 1500… 2 500 °С.
Цилиндры должны быть прочными, жесткими, термо- и износостойкими при ограниченном количестве смазки. Кроме того, материал цилиндров должен обладать хорошими литейными свойствами и легко обрабатываться на станках. Обычно цилиндры изготавливают из специального легированного чугуна, но могут применяться также алюминиевые сплавы и сталь. Внутреннюю рабочую поверхность цилиндра, называемую его зеркалом, тщательно обрабатывают и покрывают хромом для уменьшения трения, повышения износостойкости и долговечности.
В двигателях с жидкостным охлаждением цилиндры могут быть отлиты вместе с блоком цилиндров или в виде отдельных гильз, устанавливаемых в отверстиях блока. Между наружными стенками цилиндров и блоком имеются полости, называемые рубашкой охлаждения. Последняя заполняется жидкостью, охлаждающей двигатель. Если гильза цилиндра своей наружной поверхностью непосредственно соприкасается с охлаждающей жидкостью, то ее называют мокрой. В противном случае она называется сухой. Применение сменных мокрых гильз облегчает ремонт двигателя. При установке в блок мокрые гильзы надежно уплотняются.
Цилиндры двигателей воздушного охлаждения отливают индивидуально. Для улучшения теплоотвода их наружные поверхности снабжают кольцевыми ребрами. У большинства двигателей воздушного охлаждения цилиндры вместе с их головками крепят общими болтами или шпильками к верхней части картера.
В V-образном двигателе цилиндры одного ряда могут быть несколько смещены относительно цилиндров другого ряда. Это связано с тем, что на каждом кривошипе коленчатого вала крепятся два шатуна, один из которых предназначен для поршня правой, а другой — для поршня левой половины блока.
Блок цилиндров
На тщательно обработанную верхнюю плоскость блока цилиндров устанавливают головку блока, которая закрывает цилиндры сверху. В головке над цилиндрами выполнены углубления, образующие камеры сгорания. У двигателей жидкостного охлаждения в теле головки блока предусмотрена рубашка охлаждения, сообщающаяся с рубашкой охлаждения блока цилиндров. При верхнем расположении клапанов в головке имеются гнезда для них, впускные и выпускные каналы, отверстия с резьбой для установки свечей зажигания (у бензиновых двигателей) или форсунок (у дизелей), магистрали смазочной системы, крепежные и другие вспомогательные отверстия. Материалом для головки блока обычно служит алюминиевый сплав или чугун.
Плотное соединение блока цилиндров и головки блока обеспечивается с помощью болтов или шпилек с гайками. Для герметизации стыка с целью предотвращения утечки газов из цилиндров и охлаждающей жидкости из рубашки охлаждения между блоком цилиндров и головкой блока устанавливается прокладка. Она обычно изготавливается из асбестового картона и облицовывается тонким стальным или медным листом. Иногда прокладку с обеих сторон натирают графитом для защиты от пригорания.
Нижняя часть картера, предохраняющая детали кривошипно-шатунного и других механизмов двигателя от загрязнения, обычно называется поддоном. В двигателях сравнительно малой мощности поддон служит также резервуаром для моторного масла. Поддон чаще всего выполняется литым или изготавливается из стального листа штамповкой. Для устранения подтекания масла между блок-картером и поддоном устанавливается прокладка (на двигателях небольшой мощности для уплотнения этого стыка часто используется герметик — «жидкая прокладка»).
Остов двигателя
Соединенные друг с другом неподвижные детали кривошипно-шатунного механизма являются остовом двигателя, воспринимающим все основные силовые и тепловые нагрузки, как внутренние (связанные с работой двигателя), так и внешние (обусловленные трансмиссией и ходовой частью). Силовые нагрузки, передающиеся на остов двигателя от несущей системы ТС (рама, кузов, корпус) и обратно, существенно зависят от способа крепления двигателя. Обычно он крепится в трех или четырех точках так, чтобы не воспринимались нагрузки, вызванные перекосами несущей системы, возникающими при движении машины по неровностям. Крепление двигателя должно исключать возможность его смещения в горизонтальной плоскости под действием продольных и поперечных сил (при разгоне, торможении, повороте и т.д.). Для уменьшения вибрации, передающейся на несущую систему ТС от работающего двигателя, между двигателем и подмоторной рамой, в местах крепления, устанавливаются резиновые подушки разнообразных конструкций.
Поршневую группу кривошипно-шатунного механизма образует поршень в сборе с комплектом компрессионных и маслосъемных колец, поршневым пальцем и деталями его крепления. Ее назначение заключается в том, чтобы во время рабочего хода воспринимать давление газов и через шатун передавать усилие на коленчатый вал, осуществлять другие вспомогательные такты, а также уплотнять надпоршневую полость цилиндра для предотвращения прорыва газов в картер и проникновения в него моторного масла.
Поршень
Поршень представляет собой металлический стакан сложной формы, устанавливаемый в цилиндре днищем вверх. Он состоит из двух основных частей. Верхняя утолщенная часть называется головкой, а нижняя направляющая часть — юбкой. Головка поршня содержит днище 4 (рис. а) и стенки 2. В стенках проточены канавки 5 для компрессионных колец. Нижние канавки имеют дренажные отверстия 6 для отвода масла. Для увеличения прочности и жесткости головки ее стенки снабжены массивными ребрами 3, связывающими стенки и днище с бобышками, в которых устанавливается поршневой палец. Иногда оребряют также внутреннюю поверхность днища.
Юбка имеет более тонкие стенки, чем у головки. В ее средней части расположены бобышки с отверстиями.
Рис. Конструкции поршней с различной формой днища (а—з) и их элементов:
1 — бобышка; 2 — стенка поршня; 3 — ребро; 4 — днище поршня; 5 — канавки для компрессионных колец; 6 — дренажное отверстие для отвода масла
Днища поршней могут быть плоскими (см. а), выпуклыми, вогнутыми и фигурными (рис. б—з). Их форма зависит от типа двигателя и камеры сгорания, принятого способа смесеобразования и технологии изготовления поршней. Самой простой и технологичной является плоская форма. В дизелях применяются поршни с вогнутыми и фигурными днищами (см. рис. е—з).
При работе двигателя поршни нагреваются сильнее, чем цилиндры, охлаждаемые жидкостью или воздухом, поэтому расширение поршней (особенно алюминиевых) больше. Несмотря на наличие зазора между цилиндром и поршнем, может произойти заклинивание последнего. Для предотвращения заклинивания юбке придают овальную форму (большая ось овала перпендикулярна оси поршневого пальца), увеличивают диаметр юбки по сравнению с диаметром головки, разрезают юбку (чаще всего выполняют Т- или П-образный разрез), заливают в поршень компенсационные вставки, ограничивающие тепловое расширение юбки в плоскости качания шатуна, или принудительно охлаждают внутренние поверхности поршня струями моторного масла под давлением.
Поршень, подвергающийся воздействию значительных силовых и тепловых нагрузок, должен обладать высокой прочностью, теплопроводностью и износостойкостью. В целях уменьшения инерционных сил и моментов у него должна быть малая масса. Это учитывается при выборе конструкции и материала для поршня. Чаще всего материалом служит алюминиевый сплав или чугун. Иногда применяют сталь и магниевые сплавы. Перспективными материалами для поршней или их отдельных частей являются керамика и спеченные материалы, обладающие достаточной прочностью, высокой износостойкостью, низкой теплопроводностью, малой плотностью и небольшим коэффициентом теплового расширения.
Поршневые кольца
Поршневые кольца обеспечивают плотное подвижное соединение поршня с цилиндром. Они предотвращают прорыв газов из надпоршневой полости в картер и попадание масла в камеру сгорания. Различают компрессионные и маслосъемные кольца.
Компрессионные кольца (два или три) устанавливают в верхние канавки поршня. Они имеют разрез, называемый замком, и поэтому могут пружинить. В свободном состоянии диаметр кольца должен быть несколько больше диаметра цилиндра. При введении в цилиндр такого кольца в сжатом состоянии оно создает плотное соединение. Для того чтобы обеспечить возможность расширения установленного в цилиндре кольца при нагревании, в замке должен быть зазор 0,2…0,4 мм. С целью обеспечения хорошей приработки компрессионных колец к цилиндрам часто применяют кольца с конусной наружной поверхностью, а также скручивающиеся кольца с фаской на кромке с внутренней или наружной стороны. Благодаря наличию фаски такие кольца при установке в цилиндр перекашиваются в сечении, плотно прилегая к стенкам канавок на поршне.
Маслосъемные кольца (одно или два) удаляют масло со стенок цилиндра, не позволяя ему попадать в камеру сгорания. Они располагаются на поршне под компрессионными кольцами. Обычно маслосъемные кольца имеют кольцевую канавку на наружной цилиндрической поверхности и радиальные сквозные прорези для отвода масла, которое по ним проходит к дренажным отверстиям в поршне (см. рис. а). Кроме маслосъемных колец с прорезями для отвода масла используются составные кольца с осевыми и радиальными расширителями.
Для предотвращения утечки газов из камеры сгорания в картер через замки поршневых колец необходимо следить за тем, чтобы замки соседних колец не располагались на одной прямой.
Поршневые кольца работают в сложных условиях. Они подвергаются воздействию высоких температур, а смазывание их наружных поверхностей, перемещающихся с большой скоростью по зеркалу цилиндра, недостаточно. Поэтому к материалу для поршневых колец предъявляются высокие требования. Чаще всего для их изготовления применяют высокосортный легированный чугун. Верхние компрессионные кольца, работающие в наиболее тяжелых условиях, обычно покрывают с наружной стороны пористым хромом. Составные маслосъемные кольца изготавливают из легированной стали.
Поршневой палец
Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с шатуном. Он представляет собой трубку, проходящую через верхнюю головку шатуна и установленную концами в бобышки поршня. Крепление поршневого пальца в бобышках осуществляется двумя стопорными пружинными кольцами, расположенными в специальных канавках бобышек. Такое крепление позволяет пальцу (в этом случае он называется плавающим) проворачиваться. Вся его поверхность становится рабочей, и он меньше изнашивается. Ось пальца в бобышках поршня может быть смещена относительно оси цилиндра на 1,5…2,0 мм в сторону действия большей боковой силы. Благодаря этому уменьшается стук поршня в непрогретом двигателе.
Поршневые пальцы изготавливают из высококачественной стали. Для обеспечения высокой износоустойчивости их наружную цилиндрическую поверхность подвергают закалке или цементации, а затем шлифуют и полируют.
Поршневая группа состоит из довольно большого числа деталей (поршень, кольца, палец), масса которых по технологическим причинам может колебаться; в некоторых пределах. Если различие в массе поршневых групп в разных цилиндрах будет значительным, то при работе двигателя возникнут дополнительные инерционные нагрузки. Поэтому поршневые группы для одного двигателя подбирают так, чтобы они несущественно отличались по массе (для тяжелых двигателей не более чем на 10 г).
Шатунная группа кривошипно-шатунного механизма состоит из:
шатуна
верхней и нижней головок шатуна
подшипников
шатунных болтов с гайками и элементами их фиксации
Шатун
Шатун соединяет поршень с кривошипом коленчатого вала и, преобразуя возвратно-поступательное движение поршневой группы во вращательное движение коленчатого вала, совершает сложное движение, подвергаясь при этом действию знакопеременных ударных нагрузок. Шатун состоит из трех конструктивных элементов: стержня 2, верхней (поршневой) головки 1 и нижней (кривошипной) головки 3. Стержень шатуна обычно имеет двутавровое сечение. В верхнюю головку для уменьшения трения запрессовывают бронзовую втулку 6 с отверстием для подвода масла к трущимся поверхностям. Нижнюю головку шатуна для обеспечения возможности сборки с коленчатым валом выполняют разъемной. У бензиновых двигателей разъем головки обычно расположен под углом 90° к оси шатуна. У дизелей нижняя головка шатуна 7, как правило, имеет косой разъем. Крышка 4 нижней головки крепится к шатуну двумя шатунными болтами, точно подогнанными к отверстиям в шатуне и крышке для обеспечения высокой точности сборки. Чтобы крепление не ослабло, гайки болтов стопорят шплинтами, стопорными шайбами или контргайками. Отверстие в нижней головке растачивают в сборе с крышкой, поэтому крышки шатунов не могут быть взаимозаменяемыми.
Рис. Детали шатунной группы:
1 — верхняя головка шатуна; 2 — стержень; 3 — нижняя головка шатуна; 4 — крышка нижней головки; 5 — вкладыши; 6 — втулка; 7 — шатун дизеля; S — основной шатун сочлененного шатунного узла
Для уменьшения трения в соединении шатуна с коленчатым валом и облегчения ремонта двигателя в нижнюю головку шатуна устанавливают шатунный подшипник, который выполнен в виде двух тонкостенных стальных вкладышей 5, залитых антифрикционным сплавом. Внутренняя поверхность вкладышей точно подогнана к шейкам коленчатого вала. Для фиксации вкладышей относительно головки они имеют отогнутые усики, входящие в соответствующие пазы головки. Подвод масла к трущимся поверхностям обеспечивают кольцевые проточки и отверстия во вкладышах.
Для обеспечения хорошей уравновешенности деталей кривошипно-шатунного механизма шатунные группы одного двигателя (как и поршневые) должны иметь одинаковую массу с соответствующим ее распределением между верхней и нижней головками шатуна.
В V-образных двигателях иногда используются сочлененные шатунные узлы, состоящие из спаренных шатунов. Основной шатун 8, имеющий обычную конструкцию, соединен с поршнем одного ряда. Вспомогательный прицепной шатун, соединенный верхней головкой с поршнем другого ряда, нижней головкой шарнирно крепится с помощью пальца к нижней головке основного шатуна.
Коленчатый вал
Коленчатый вал, соединенный с поршнем посредством шатуна, воспринимает действующие на поршень силы. На нем возникает вращающий момент, который затем передается на трансмиссию, а также используется для приведения в действие других механизмов и агрегатов. Под влиянием резко изменяющихся по величине и направлению сил инерции и давления газов коленчатый вал вращается неравномерно, испытывая крутильные колебания, подвергаясь скручиванию, изгибу, сжатию и растяжению, а также воспринимая тепловые нагрузки. Поэтому он должен обладать достаточной прочностью, жесткостью и износостойкостью при сравнительно небольшой массе.
Конструкции коленчатых валов отличаются сложностью. Их форма определяется числом и расположением цилиндров, порядком работы двигателя и числом коренных опор. Основными частями коленчатого вала являются коренные шейки 3, шатунные шейки 2, щеки 4, противовесы 5, передний конец (носок 1) и задний конец (хвостовик 6) с фланцем.
К шатунным шейкам коленчатого вала присоединяют нижние головки шатунов. Коренными шейками вал устанавливают в подшипниках картера двигателя. Соединяются коренные и шатунные шейки при помощи щек. Плавный переход от шеек к щекам, называемый галтелью, позволяет избежать концентрации напряжений и возможных поломок коленчатого вала. Противовесы предназначены для разгрузки коренных подшипников от центробежных сил, возникающих на кривошипах вала во время его вращения. Их, как правило, изготавливают как единое целое со щеками.
Для обеспечения нормальной работы двигателя к рабочим поверхностям коренных и шатунных шеек необходимо подавать моторное масло под давлением. Масло поступает из отверстий в картере к коренным подшипникам. Затем оно через специальные каналы в коренных шейках, щеках и шатунных шейках попадает к шатунным подшипникам. Для дополнительной центробежной очистки масла в шатунных шейках имеются грязеуловительные полости, закрытые заглушками.
Коленчатые валы изготавливают методом ковки или литья из среднеуглеродистых и легированных сталей (может применяться также чугун высококачественных марок). После механической и термической обработки коренные и шатунные шейки подвергают поверхностной закалке (для повышения износостойкости), а затем шлифуют и полируют. После обработки вал балансируют, т. е. добиваются такого распределения его массы относительно оси вращения, при котором вал находится в состоянии безразличного равновесия.
В коренных подшипниках применяют тонкостенные износостойкие вкладыши, аналогичные вкладышам шатунных подшипников. Для восприятия осевых нагрузок и предотвращения осевого смещения коленчатого вала один из его коренных подшипников (обычно передний) делают упорным.
Маховик
Маховик крепится к фланцу хвостовика коленчатого вала. Он представляет собой тщательно сбалансированный чугунный диск определенной массы. Кроме обеспечения равномерного вращения коленчатого вала маховик способствует преодолению сопротивления сжатия в цилиндрах при пуске двигателя и кратковременных перегрузок, например, при трогании ТС с места. На ободе маховика закреплен зубчатый венец для пуска двигателя от стартера. Поверхность маховика, которая соприкасается с ведомым диском сцепления, шлифуют и полируют.
Коленчатые валы большинства двигателей изготовлены штамповкой из стали 45, 40Х, 50Т и ДР-У некоторых двигателей валы изготовлены литьем из высокопрочного магниевого чугуна. Основными дефектами коленчатых валов являются износ коренных и шатунных шеек и изгиб вала. Реже встречаются повреждения резьбы, трещины, износы шпоночных канавок, отверстий под болты крепления маховика, посадочных мест под шестерню и шкив, маслосгонной резьбы.
Коленчатый вал выбраковывают при наличии трещин, за исключением небольших продольных трещин на коренных и шатунных шейках длиной до 3 мм. При износе коренных и шатунных шеек, выходящем за пределы последнего ремонтного размера, коленчатые валы дизелей также выбраковывают.
Необходимость восстановления коленчатого вала и замены подшипников определяют по превышению допустимых зазоров в подшипниках.
Перед ремонтом коленчатый вал промывают в моечной машине ОМ-36000. Особенно тщательно промывают полости для центробежной очистки масла и масляные каналы. С помощью магнитного дефектоскопа проверяют наличие трещин на шейках вала.
Изгиб вала устраняют специальной правкой местным наклепом.
Изношенные посадочные места под. шестерню или шкив восстанавливают наплавкой в среде углекислого газа проволокой Св-18ХГСА с последующей обработкой под номинальный размер.
Изношенные шпоночные канавки и отверстия под штифты для установки маховика заваривают полуавтоматом в среде углекислого газа проволокой Св-08Г2С. Шпоночную канавку фрезеруют на том же месте, чтобы не нарушить установку распределительных шестерен. Заваренные отверстия после зачистки торцовой поверхности на токарном станке просверливают, зенкуют и развертывают на сверлильном станке.
Наиболее распространенным способом восстановления коренных и шатунных шеек коленчатых валов является шлифование их под ремонтные размеры, установленные для каждой марки двигателя. Перед шлифованием шеек должны быть устранены все другие дефекты вала. Измеряют шейки в двух сечениях на расстоянии 10 мм от щек и в двух плоскостях: в плоскости кривошипа и перпендикулярно ей.
Для шлифования шеек коленчатых валов применяют универсальный шлифовальный станок 3A423, на котором можно шлифовать как коренные, так и шатунные шейки, или специализированные станки. Все шейки шлифуют под один ремонтный размер. Сначала шлифуют коренные шейки, а затем шатунные. За установочные базы при шлифовании коренных шеек принимают фаску отверстия под храповик и фаску или отверстие в торце вала под подшипник. Предварительно эти базы проверяют и при необходимости исправляют. Для проверки коленчатый вал устанавливают в центрах и измеряют его биение по неизношенным поверхностям. Радиальное биение шейки под шестерню и фланца маховика не должно превышать соответственно 0,03 и 0,05 мм.
При шлифовании шатунных шеек за установочные базы принимают шейку под шестерню и наружную цилиндрическую поверхность фланца маховика или прошлифованные крайние коренные шейки.
Перед шлифованием отверстия масляных каналов зенкуют на сверлильном станке или электродрелью со специально заправленным абразивным инструментом или сверлом диаметром 14-16 мм с твердосплавными пластинками.
При шлифовании шатунных шеек коленчатый вал устанавливают в трехкулачковых патронах центросместителей передней и задней бабок. С помощью центросместителей ось коренных шеек смещают относительно оси пинолей передней и задней бабок на величину радиуса кривошипа. Угловая ориентация вала осуществляется индикаторным приспособлением по шлифуемой шейке. Для восприятия усилия, создаваемого при врезании в шейку абразивного круга, и предугреждения прогиба вала применяют люнет.
Рис. Приспособление для установки вала при шлифовании шатунных шеек: 1 — призма; 2 — шатунная шейка; 3 — индикаторное устройство.
Шейки коленчатого вала шлифуют электрокорундовыми кругами на керамической связке зернистостью 16-60, твердостью СМ2, CI, СТ1 и СТ2. Режим шлифования: окружная скорость шлифовального круга — 25-35 м/с; окружная скорость вала — 18-25 м/мин (при шлифовании коренных шеек) и 7-12 м/мин (при шлифовании шатунных шеек), поперечная подача круга — 0,003-0,006 мм/об, продольная подача — 7-11 мм/об. С целью предотвращения образования микротрещин при шлифовании применяют обильное охлаждение.
Для получения шероховатости поверхности Ra 0,16-0,32 мкм после шлифования шейки полируют пастой ГОИ № 20-30 на установке ОР-26320 или на стенде 6749. На специализированных ремонтных предприятиях при больших программах ремонта для доводки шеек вместо полирования применяют суперфиниширование на специальном полуавтомате 3875К.
Шейки коленчатых валов автомобильных двигателей, вышедшие по размерам за пределы ремонтных, наплавляют автоматической наплавкой под слоем флюса и обрабатывают до номинальных размеров.
Восстановленные коленчатые валы подвергают динамической балансировке на специальной машине КИ-4274 или БМ-У4.
После шлифования и полирования шеек коленчатые валы и масляные каналы тщательно промывают и продувают сжатым воздухом.
При контроле восстановленных валов проверяют размеры, определяют конусообразность, овальность, бочко- и седлообразность всех шеек с помощью скобы, настроенной по концевым мерам. Взаимное расположение коренных и шатунных шеек, биение средних коренных шеек, поверхности фланца под маховик, биение поверхностей под шкив и шестерню, смещение осей шатунных шеек относительно общей плоскости, проходящей через первую коренную и первую шатунную шейки, а также радиус кривошипа определяют контрольными приспособлениями. Шероховатость поверхности определяют по образцам шероховатости.
Ремонт шатунов
Шатуны большинства автотракторных двигателей изготавливают из сталей 45, 40Х, 40Г и др. Основные дефекты шатунов: изгиб и скручивание стержня; износ отверстия нижней головки шатуна, втулки и отверстия верхней головки под втулку; износ опорных поверхностей крышки под гайки шатунных болтов и др.
Шатуны выбраковывают при наличии трещин, обломов, аварийных изгибов. Кроме того, шатуны двигателей СМД-60, СМД- 64 и их модификаций выбраковывают, если смяты треугольные шлицы на опорных поверхностях разъема нижней головки.
Рис. Приспособление КИ-724 для проверки шатунов: а — установка шатуна на приспособление; б — установка стрелки индикаторов на ноль; в — устройство оправки: 1 — шатун с крышкой; 2 — призма с индикаторами; 3 — ограничитель; 4 — плита; 5 — зажимной палец; 6 — рукоятка; 7 — оправка; 8 — опорная поверхность оправки; 9 — зажимной винт ограничителя.
Изгиб и скрученность шатунов проверяют при помощи индикаторных и оптических приспособлений. В мастерских общего назначения для проверки шатунов используют приспособление КИ-724, которое является универсальным и позволяет контролировать шатуны двигателей разных марок. Перед проверкой в отверстие плиты 4 приспособления вставляют оправу 7. При этом опорная поверхность 8 оправки для нижней головки шатуна должна находиться вверху, а зажимной палец 5 — внизу. Шатун без втулки верхней головки закрепляют на оправке 7. В отверстие верхней головки шатуна предварительно вводят малую оправку приспособления. Установив призму 2 на малую оправку, перемещают шатун вместе с оправкой и призмой до тех пор, пока упор призмы не коснется поверхности плиты. В таком положении закрепляют оправку рукояткой 6. Затем снимают шатун с приспособления, а призму с индикатором устанавливают на оправку 7 и перемещают, пока упор призмы не коснется поверхности плиты и стрелка индикатора не повернется на 1,0-1,5 оборота. В этом положении стрелку верхнего индикатора устанавливают на ноль. Поворачивают призму на оправке так, чтобы измерительный стержень нижнего индикатора и второй упор соприкасались с плитой, и устанавливают на ноль стрелку другого индикатора.
Устанавливают шатун на оправке 7 так, чтобы его нижняя головка уперлась в ограничитель 3. Ставят призму на малую оправку верхней головки шатуна и подводят ее к плите. При касании упора призмы стрелка верхнего индикатора покажет величину изгиба в сотых долях миллиметра на длине 100 мм. Повернув призму другой стороной, нижним индикатором определяют величину скрученности шатуна.
Для шатунов дизелей всех марок изгиб не должен превышать 0,05 мм, а скрученность — 0,08 мм на длине 100 мм (расстояние между упором призмы и измерительным стержнем индикатора). Допустимый изгиб шатунов автомобильных двигателей 0,03 мм, допустимая скрученность 0,06 мм.
Шатуны, имеющие изгиб или скрученность, выходящие за допустимые значения, восстанавливают или выбраковывают. Допускается правка с подогревом стержня пламенем газовой горелки до температуры 450-500°С. Подогрев снимает внутренние напряжения в стержне шатуна, которые во время работы двигателя стремятся возвратить шатун в исходное (деформированное) состояние.
Износ отверстий нижней головки шатуна устраняют несколькими способами в зависимости от степени износа. Перед восстановлением проверяют опорные поверхности под головки шатунных болтов и гаек, а также плоскости разъема.
Опорные поверхности фрезеруют до выведения следов износа. Смятые или изношенные плоскости разъема фрезеруют или шлифуют до получения параллельности плоскостей с образующей отверстия. Непараллельность допускается не более 0,02 мм на всей длине плоскостей разъема.
Если слой металла, снятый шлифованием с плоскостей разъема крышки, не превышает 0,3 мм, а с плоскостей разъема шатуна 0,2 мм для дизелей и соответственно 0,4 и 0,3 мм для карбюраторных двигателей, то шатун собирают, затягивают гайки с нормальным усилием затяжки и растачивают, а затем шлифуют до номинального размера.
Если отверстия под вкладыши в шатунах изношены настолько, что с плоскостей разъема требуется снимать слой металла больший, чем указано выше, то отверстия восстанавливают наращиванием слоя металла (железнение, газопламенное напыление и др.) с последующей обработкой под номинальный размер.
Газотермическое напыление коренных шеек коленчатого вала ЯМЗ 238. Роботизированный комплекс
Изношенное отверстие под втулку в верхней головке шатуна растачивают или развертывают до выведения следов износа и запрессовывают втулку увеличенного размера по наружному диаметру. Отверстие под втулку растачивают на станке УРБ-ВП-М или на токарном станке с помощью специального приспособления. После расточки втулку раскатывают роликовыми раскатниками на тех же станках. При растачивании оставляют припуск на раскатку 0,04-0,06 мм. Процесс раскатки уменьшает шероховатость поверхности и увеличивает прочность посадки втулки на 70—80%.
Изношенные втулки верхней головки шатуна восстанавливают обжатием с последующим наращиванием наружной поверхности меднением, осадкой в шатуне, термодиффузионным цинкованием с последующей механической обработкой.
Ремонт поршней и пальцев
В большинстве двигателей поршни изготовлены из сплавов алюминия. В процессе эксплуатации в них возможны следующие дефекта: износ наплавляющей части (юбки) поршня, канавок под поршневые кольца и отверстий в бобышках под поршневой палец; задиры и трещины. Основной дефект поршневых пальцев — износ наружной поверхности под втулку верхней головки шатуна и под отверстия бобышек поршня, возможны трещины, сколы и забоины.
Поршни и поршневые кольца, изношенные свыше допустимых пределов размеров, не восстанавливают. При текущем ремонте изношенные отверстия бобышек развертывают под палец увеличенного размера. Чтобы сохранить соосность отверстий, их разворачивают специальной длинной разверткой за один проход. После развертывания проверяют диаметр отверстия индикаторным нутромером и перпендикулярность оси отверстий к оси (или образующей) поршня на специальных приспособлениях.
При такте «сгорание—расширение» сила Р1, приложенная к поршневому пальцу, слагается из двух сил:
силы P давления газов на поршень
силы инерции Pи (сила инерции переменна по величине и направлению)
Суммарную силу P1 разложить на можно две силы: силу S, направленную вдоль оси шатуна, и силу N, прижимающую поршень к стенкам цилиндра.
Рис. Схема сил действующих на детали кривошипно-шатунного механизма
Силу S перенесем в центр шатунной шейки, а к центру коленчатого вала приложим две равные силе S и параллельные ей силы S1 и S2. Тогда совместное действие сил S1 и S создаст (на плече R) крутящий момент, приводящий во вращение коленчатый вал, а сила S2 нагрузит коренные подшипники и через них будет передаваться на картер двигателя.
Разложим силу S2 на две перпендикулярно направленные силы N1 и Р2. Сила N1 численно равна силе N, но направлена в противоположную сторону; совместное действие сил N и N1 образует момент Nl, который стремится опрокинуть двигатель в сторону, обратную вращению коленчатого вала. Сила P2 численно равная силе Р1, действует вниз, а сила Р действует на головку цилиндра вверх, т.е. в противоположную сторону. Разность между силами Р и P1 представляет собой силу инерции поступательно движущихся масс Ри. Наибольшей величины эта сила достигает в момент изменения направления движения поршня.
Вращающиеся массы шатунной шейки, щек кривошипа и нижней части шатуна создают центробежную силу Рц, направленную по радиусу кривошипа в от сторону центра вращения.
Таким образом, в кривошипно-шатунном механизме одноцилиндрового двигателя, кроме крутящего момента, возникающего на коленчатом валу, действует ряд неуравновешенных моментов и сил, как то:
реактивный, или опрокидывающий, момент Nl, воспринимаемый опорами двигателя через картер
сила инерции поступательно движущихся масс Ри, направленная по оси цилиндра
центробежная сила вращающихся масс Рц, направленная по кривошипу вала
Боковая сила N достигает наибольшей величины при расширении газов, когда поршень прижимается к левой стенке цилиндра, чем и объясняется ее обычно больший износ.
Кривошипно-шатунный механизм состоит из неподвижных деталей цилиндров 13 или блока цилиндров с головкой 12, картеров двигателя и маховика, подвижных деталей — поршней 15 с поршневыми кольцами и пальцами 16, шатунов 17, коленчатого вала 19 с подшипниками и маховика 18. В зависимости от расположения цилиндров различают рядные и V-образные двигатели. Все цилиндры рядных двигателей расположены вертикально в один ряд, а V-образных — в два ряда с наклоном (развалом).
Остов двигателя — это совокупность неподвижных деталей, соединенных между собой. Внутри и снаружи остова расположены детали механизмов и систем двигателя. В автотракторных двигателях основной деталью остова служит блок-картер. Остов двигателя с помощью опор крепят к раме трактора или автомобиля.
Верхняя часть блок-картера представляет собой блок цилиндров, нижняя — картер. Сверху блок цилиндров закрывают головкой. Головки крепят к блок-картеру шпильками или болтами. Между блок-картером и головкой устанавливают уплотнительную прокладку. Снизу к картеру также через уплотнительную прокладку крепят поддон.
На внешней поверхности поршня нарезаны кольцевые канавки под компрессионные (верхние) и маслосъемные (нижние) кольца. Поршневые кольца, обеспечивающие создание компрессии в цилиндре двигателя, называют компрессионными, а снимающие излишнее масло со стенок цилиндра — маслосъемными.
Поршневые пальцы служат для шарнирного соединения поршня с шатуном. Их выполняют в виде гладких цилиндрических стержней.
Шатун преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Соединяя поршень с коленчатым валом, шатун передает последнему усилие от давления газов и инерционные силы. В верхнюю головку шатуна запрессовывают латунную или бронзовую втулку, в нижнюю (разъемную) головку шатуна — вкладыши шатунного подшипника.
Шатунные подшипники обеспечивают снижение трения и интенсивности изнашивания шейки коленчатого вала во время работы двигателя.
Коленчатый вал преобразует усилия, воспринимаемые от поршней через шатуны, во вращающий момент и передает его механизмам трансмиссии и другим механизмам двигателя. Коленчатый вал состоит из коренных и шатунных шеек. Коренные и шатунные шейки соединяются между собой щеками и образуют колена (кривошипы). Коренными шейками вал устанавливают в подшипники скольжения, расположенные в перегородках блок-картера двигателя, а к шатунным шейкам присоединяют нижние головки шатунов. В У-образных двигателях с каждой шатунной шейкой соединяют два шатуна.
Предварительная оценка состояния сопряжения КШМ по давлению масла и стукам
Предварительную оценку состояния сопряжений КШМ можно получить по величине давлении масла в главной магистрали и характеру стуков в определенных зонах двигателя.
Давление масла проверяют устройством КИ-5472 ГОСНИТИ, которое состоит из манометра, соединительного рукава с ниппелем и накидной гайкой, демпфера для сглаживания пульсации масла при измерении давления и сменных штуцеров. Чтобы измерить давление в главной магистрали дизеля, устройство подключают к корпусу масляного фильтра, отсоединив трубку штатного манометра.
Для проверки давления выполните следующие операции:
подсоедините к корпусу масляного фильтра КИ-5472
запустите и прогрейте до нормального теплового состояния двигатель
зафиксируйте давление масла в магистрали при номинальной и минимально устойчивой частоте вращения коленчатого вала на холостом ходу
Стуки в сопряжениях КШМ прослушивают при неработающем двигателе электронным автостетоскопом ТУ 14 МО.082.017, попеременно создавая в надпоршневом пространстве разрежение и давление с помощью компрессорно-вакуумной установки КИ-4912 ГОСНИТИ или КИ-13907 ГОСНИТИ. Прослушивают стуки в сопряжениях бобышки поршня — поршневой палец, поршневой палец — втулка верхней головки шатуна, шейка коленчатого вала — шатунный механизм.
Если давление масла ниже допустимых значений, при наличии стуков в сопряжениях коленчатого вала проверяют зазоры в указанных сопряжениях. При пониженном давлении масла и отсутствии стуков проверяют регулировку сливного клапана смазочной системы. Если это не даст положительных результатов, проверяют подачу масла насосом и состояние редукционного клапана смазочной системы на стенде.
Определение состояния КШМ по зазорам в его сопряжениях
Заключение о состоянии КШМ можно сделать по величине зазоров в его сопряжениях. Суммарный зазор в верхней головке шатуна и шатунном подшипнике замеряют устройством КИ-11140 ГОСНИТИ.
Для измерения зазоров необходимо:
установить поршень проверяемого цилиндра в ВМТ на такте сжатия и застопорить коленчатый вал
закрепить устройство в головке цилиндров вместо форсунки, ослабив стопорный винт и приподняв направляющую с индикатором и штоком вверх
опустить направляющую до упора штока в днище поршня (натягом) и зафиксировать ее винтом
присоединить распределительный трубопровод компрессорно-вакуумной установки к штуцеру пневматического приемника
включить установку и довести давление и разрежение в ее ресиверах соответственно до 0,06—0,1 МПа и 0,06—0,07 МПа
выполнить два-три цикла подачи в надпоршневое пространство давления и разрежения переключением распределительного крана до получения стабильных показаний индикатора
соединить краном ресивер сжатого воздуха с надпоршневым пространством и настроить индикатор на нуль
плавно соединить ресивер разреженного воздуха с надпоршневым пространством и зафиксировать по индикатору сначала зазор в соединении поршневой палец — верхняя головка шатуна, затем суммарный зазор в верхней головке шатуна и шатунном подшипнике
Зазоры в КШМ измеряют 3-кратно и принимают среднее значение.
Если зазоры хотя бы у одного шатуна превышают допустимые значения, двигатель подлежит ремонту.
Блок цилиндров изготавливается с помощью литья с последующей механической обработкой. Нижняя часть блока цилиндров обычно обрабатывается для установки в блок коренных подшипников коленчатого вала и для присоединения поддона картера. Большое значение имеет расстояние между соседними цилиндрами. Увеличение расстояния дает возможность повысить жесткость блока и обеспечить возможность увеличения в дальнейшем рабочего объема двигателя путем увеличения диаметра цилиндров (наиболее простой способ получения модификаций двигателей различной мощности). С другой стороны, это приводит к увеличению габаритных размеров двигателя и его массы.
В последнее время некоторые производители автомобильных двигателей изготавливают блоки цилиндров, в которых соседние цилиндры соприкасаются стенками (так называемые сиамские блоки с «сухими» гильзами). Такой способ дает возможность получить довольно жесткую конструкцию при сравнительно небольшом размере. Жесткость блока цилиндров в значительной степени определяет шумовые характеристики двигателя.
Рис. Блок цилиндров двигателя Nordstar GM с «сухой» гильзой.
Характерной особенностью современных высоконагруженных двигателей является применение опорной рамы, которая крепит коленчатый вал. К опорной раме крепится высокий алюминиевый масляный поддон, который максимально изолирован от вибраций кривошипно-шатунного механизма, что положительно сказывается на акустике двигателя. Дополнительную функцию выполняет контур опорной рамы коленчатого вала. Он играет роль маслоотражателя в области противовесов коленчатого вала и шатунов. Таким образом, стекающее масло не разбрызгивается по стенкам всего блока двигателя, а улавливается и отводится непосредственно в поддон.
Рис. Блок цилиндров двигателя Audi 4,2 л V8 TDI: 1 – главная масляная магистраль; 2 – блок цилиндров; 3 – опорная рама; 4 – алюминиевый масляный поддон; 5 – каналы слива масла; 6 – приливы опорной рамы; 7 – коленчатый вал
Долгое время единственным материалом для изготовления блоков цилиндров служил чугун. Этот материал недорог, он обладает прочностью и жесткостью при хороших литьевых качествах. Кроме того, обработанные хонингованием внутренние поверхности чугунных цилиндров обладают отличными антифрикционными свойствами и высокой износостойкостью. Существенными недостатками чугуна являются его большая масса и низкая теплопроводность. Стремление конструкторов к созданию более легких двигателей привело к разработке конструкции блоков цилиндров из алюминиевых сплавов. Алюминий значительно уступает чугуну в жесткости и износостойкости, поэтому блок из алюминия должен иметь большое количество ребер жесткости, а в качестве цилиндров обычно служат чугунные гильзы, которые вставляются в алюминиевый блок в процессе сборки, заливаются или запрессовываются в него при изготовлении.
«Алюминиевые» двигатели и их преимущества
Использование в производстве современных технологий дает возможность изготовления легких «алюминиевых» двигателей, у которых блок цилиндров не имеет чугунных гильз. В рабочих поверхностях цилиндров в алюминиевых блоках электролитическим путем создается повышенное содержание кремния, а затем цилиндры подвергаются химическому травлению для создания на рабочей поверхности цилиндров износостойкой пористой пленки чистого кремния, хорошо удерживающей смазку.
Рабочие поверхности цилиндров современных алюминиевых блоков двигателей могут иметь покрытие, наносимое плазменным напылением. Напыляемый на стенки цилиндра порошок подается через плазматрон. Газ, предназначенный для создания плазмы, проходит через распылитель и поджигается электродугой. При этом температура газа повышается примерно до 11700°C и он переходит в плазменное состояние. Частицы порошка в расплавленном состоянии заполняют неровности поверхности цилиндра. При застывании частиц они надежно соединяются со стенками цилиндра. Дополнительно внутри напылённого слоя возникает напряжение сжатия, что еще больше укрепляет связь между металлом цилиндра и напылённым слоем.
После напыления, как и при традиционном исполнении цилиндров, производится хонингование, однако этом случае риски вследствие хонингования не так глубоки. Возникает весьма ровная наружная поверхность с небольшими впадинами (микроуглублениями), в которых находится масло. Каждое микроуглубление не связано с другими микроуглублениями, в отличие от хонингования чугунных гильз. Когда поршневое кольцо проходит над микроуглублением, в последнем создается давление, которое воздействует на поршневое кольцо. В результате этого поршневое кольцо всплывает поверху масляной подушки, чем и обеспечивается гидродинамическая смазка. Благодаря этому потери на трение и износ существенно уменьшаются.
Преимуществами данного способа изготовления цилиндров по сравнению с обычными являются:
снижение массы по сравнению с конструкцией с вставными гильзами цилиндров
уменьшение размеров двигателя по сравнению с чугунным блоком цилиндров за счет сужения перемычек между цилиндрами
увеличение срока службы цилиндров благодаря износостойкому покрытию, наносимому плазменным напылением
Рис. Схема нанесение покрытия на стенки цилиндра плазматроном: 1 – струя плазмы с напыляемым порошком; 2 – плазматрон; 3 – рабочая поверхность цилиндра
