Работа двигателя на бензине, дизеле, газе происходит благодаря сжиганию топливно-воздушной смеси в цилиндрах силового агрегата. Благодаря этому колеса транспортного средства получают необходимую энергию и машина, трактор, мотоцикл или другая техника могут двигаться. Ключевым компонентом двигателя является поршень, или центральная поршневая группа, сокращенно называемая ЦПГ.
Именно ЦПГ двигателя является наиболее важной частью конструкции, которая обеспечивает сжигание топлива и преобразование получаемой от этого энергии в движение. Рассмотрим, как устроена ЦПГ, как происходит работа данного узла.
Основные понятия
Чтобы приступить к рассмотрению цилиндра, необходимо разобраться в общих чертах, как работает двигатель внутреннего сгорания и какую роль играет в нем цилиндр. Вот ключевые детали системы, участвующие в работе:
Цилиндр. Это металлический объем с герметичной конструкцией, который обеспечивает движение поршня внутри и сжатие рабочей смеси до необходимого давления;
Поршень. Выглядит в форме цилиндра, к которому с помощью так называемого пальца присоединен коленчатый вал. Двигается по цилиндру вверх-вниз, обеспечивая выполнение рабочих тактов двигателя;
Шатун. Механический рычаг, который обеспечивает соединение между поршнем и маховиков – коленчатым валом, заставляя последний двигаться после очередного взрыва топливно-воздушной смеси в системе;
Маховик. Это большой тяжелый вал, к которому с одной стороны присоединяется шатун, а с другой – система передачи движения к ведущим колесам. Благодаря маховику энергия сжигания топлива превращается в механическую силу передвижения транспортного средства.
Каждый из указанных элементов состоит из массы более мелких частей, но мы рассматриваем их в общих чертах, делая акцент именно на поршне.
Как работает поршень
Работа поршневой группы достаточно проста в теории, но на практике настроить ее не так легко. Высокие требования выставляются к качеству компонентов системы, их правильному монтажу, расположению клапанов и прочего. Нередко при покупке некачественных китайских комплектующих техника никак не желает ехать, хотя кажется, что поршень или вся ЦПГ совершенно новая.
Что касается принципа работы поршня, то он достаточно прост:
При движении в цилиндре поршня вниз, вверху над ним создается область сниженного давления, куда затягивается топливо;
Когда поршень начинает двигаться вверх, топливо, состоящее из смеси бензина и воздуха, или другого горючего, сжимается до давления в 10-14 Атм.;
В верхней точке поршень создается максимальное давление и именно здесь происходит подача искры от свечи зажигания. Это приводит к тому, что горючее взрывается и поршень от этого по инерции снова движется вниз.
Указанная схема – наиболее простой вариант работы так называемого 2-тактного двигателя. Современная техника работает немного сложнее – обычно в ней двигатели 4-тактные, но принцип приблизительно тот же.
Конструкция поршня
Сам поршень – это многокомпонентная деталь, которая состоит из следующих частей:
Юбка. Это корпус цилиндрической формы, который обеспечивает движение поршня в цилиндре в строго заданном направлении: вверх или вниз;
Днище. Вершина цилиндра юбки, которая непосредственно выполняет сжимание топлива и контактирует с горючей смесью. Днище должно быть очень прочным и износостойким;
Палец поршня. Элемент, которым поршень крепится к шатуну и обеспечивает его движение и вращение маховика.
Закрепление пальца поршня происходит с применением специального стопорного кольца.
В целом, ЦПГ – очень ответственная часть двигателя, можно сказать ключевая, без достойного качества которой транспортное средство просто не сможет двигаться. Поэтому на покупке качественной ЦПГ никогда нельзя экономить.
Во время работы двигателя поршни в его цилиндрах перемещаются вверх и вниз, при этом за каждый полный оборот коленчатого вала двигателя они совершают по одному ходу вверх и вниз.
Крайнее верхнее положение поршня в цилиндре называется верхней мертвой точкой (рис. а).
Крайнее нижнее положение поршня в цилиндре называется нижней мертвой точкой (рис. б).
Рис. Положения поршня: а — положение поршня в верхней мертвой точке; б — положение поршня в нижней мертвой точке
Пространство в цилиндре над поршнем при положении поршня в верхней мертвой точке называется объемом камеры сгорания.
Пространство в цилиндре, освобождаемое поршнем при перемещении поршня из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку, называется рабочим объемом цилиндра.
Сумма объема камеры сгорания и рабочего объема цилиндра называется полным объемом цилиндра.
Сумма рабочих объемов всех цилиндров двигателя называется литражом двигателя (она измеряется в литрах).
Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия двигателя.
Расстояние между крайними положениями поршня в верхней и нижней мертвых точках называется ходом поршня.
Периодически повторяющиеся в определенной последовательности процессы, происходящие в каждом цилиндре и вызывающие превращение тепловой энергии в механическую работу двигателя, называются рабочим циклом двигателя.
Часть рабочего цикла двигателя, совершаемая за один ход поршня, называется тактом.
В процессе работы поршни могут иметь следующие дефекты:
нагар на днище и в канавках под кольцами;
трещины и царапины на стенках;
износ по диаметру;
износ канавок для поршневых колец;
износ отверстий в бобышках.
Нагар с днища удаляют тупым металлическим скребком или металлической щеткой, предварительно смочив нагар керосином.
Нагар из канавок удаляют специальным приспособлением. Наличие трещин в поршне определяют на слух, для чего поршень берут за головку, а по юбке наносят легкие удары металлическим предметом. Глухой, дребезжащий звук указывает на наличие трещин.
Рис. Приспособление для удаления нагара из канавок поршня.
Поршни, имеющие большой износ по диаметру, трещины и глубокие царапины, необходимо заменить. Изношенные канавки для поршневых колец могут быть проточены под увеличенный размер колец по высоте на токарном станке при помощи приспособления, представляющего собой кольцо с наружным диаметром, равным внутреннему центрирующему пояску поршня. На кольцо, установленное в патрон станка, надевают поршень и закрепляют его болтом с проушиной. Болт проушиной соединен с поршнем посредством поршневого пальца и проходит сквозь шпиндель станка. С обратной стороны болт закреплен гайкой. Канавки на поршне следует протачивать с учетом установленных ремонтных размеров поршневых колец.
Изношенные отверстия в бобышках ремонтируют развертыванием их под увеличенный диаметр поршневого пальца при помощи раздвижной развертки с направляющим хвостовиком. Применение коротких разверток недопустимо, так как это легко приводит к нарушению перпендикулярности оси пальца с осью поршня; поэтому после развертывания необходимо проверять перпендикулярность осей на специальном приспособлении.
Рис. Проверка перпендикулярности оси поршневого пальца.
Поршень надевают на палец приспособления и придвигают вплотную к стойке. При этом штифт индикатора, укрепленного к стойке, соприкасается с поршнем, и стрелка индикатора даст определенное отклонение. Заметив показания индикатора, поршень снимают и надевают на палец другой стороной. Разница в показаниях индикатора не должна превышать 0,05 мм. В противном случае поршень необходимо забраковать.
Подбор поршней
Поршни подбирают в соответствии с ремонтными размерами цилиндров. Цифру увеличения диаметра поршня выбивают на его днище. Каждый поршень подбирают индивидуально по цилиндру для получения нужного зазора. Величину зазора определяют путем протягивания ленты-щупа между поршнем и цилиндром при помощи динамометра со стороны, противоположной разрезу юбки. Усилие на динамометре при движений щупа через зазор должно лежать в обусловленных пределах.
Рис. Проверка зазора между поршнем и цилиндром: 1 — динамометр; 2 — лента-щуп.
При отсутствии ленты-щупа поршень подбирают с таким расчетом, чтобы он проходил свободно по всей длине цилиндра под легким нажимом руки, но не перемещался от собственного веса при вертикальном положении цилиндра. Кроме зазора, при подборе поршней учитывают также и их вес. Разность в весе алюминиевых поршней одного комплекта должна быть не более 5 г.
Подбор поршневых колец
При износе поверхности колец и потере упругости кольца заменяют новыми ремонтного размера, соответствующего ремонтному размеру поршня и цилиндра. Цифру ремонтного увеличения диаметра поршневого кольца выбивают на его торцевой поверхности около замка. Новое кольцо подбирают по цилиндру и поршню.
Рис. Проверка зазора в стыке поршневого кольца.
Для подбора кольца по цилиндру нужно установить его в цилиндр, выравнять поршнем и щупом измерить зазор в стыке. Если зазора нет или он мал, то опиливают стык напильником до нормальной величины. Если зазор больше нормального, то кольцо для данного цилиндра непригодно.
Рис. Измерение зазора в канавке поршневого кольца.
Для подбора кольца по поршню его следует сначала «прокатить» кругом по канавке поршня, а затем щупом измерить зазор в канавке поршневого кольца. При заедании кольца в канавке или при малом зазоре торцевую часть кольца шлифуют вручную на листе наждачной бумаги, укрепленной на ровной деревянной плите.
Упругость колец проверяют на специальном приборе. При этом величина нагрузки должна соответствовать зазору в стыке кольца, установленного в цилиндр.
Рис. Проверка упругости поршневого кольца.
Ремонт поршневого пальца
Поршневые пальцы с износом по диаметру более 0,5 мм подлежат замене, а с износом менее 0,5 мм восстанавливаются путем перешлифовывания на меньший размер (если палец был увеличенного ремонтного размера), хромированием или раздачей.
Палец шлифуют на круглошлифовальном или токарном станке при помощи специального супортно-шлифовального приспособления. Это приспособление состоит из электродвигателя со шлифовальным камнем, оно укрепляется в супорте токарного станка.
Первоначальный размер пальца восстанавливают хромированием его или раздачей. Раздачу производят в специальном приспособлении, состоящем из основания, матрицы и оправки (пуансона). Палец нагревают до температуры 800—900° и устанавливают в матрицу, затем внутри пальца под давлением пресса или ударами молотка прогоняется оправка. Матрица ограничивает расширение пальца и придает ему правильную форму. После раздачи палец подвергают закалке в масле с последующим отпуском и шлифуют под номинальный размер.
Отремонтированный или новый поршневой палец подбирают по втулке шатуна и отверстиям бобышек поршня.
Рис. Проверка посадки поршневого пальца во втулке головки шатуна.
Во втулку шатуна поршневой палец входит под давлением большого пальца руки. В отверстия бобышек алюминиевого поршня он также входит под нажимом руки, но для этого поршень должен быть нагрет в масле до температуры 70—80°.
Необходимый специальный инструмент и приспособления:
тонкий бородок
сосуд с горячей водой
оправка для выпрессовки поршневого пальца
Последовательность разборочно-сборочных операций:
Вынуть стопорные кольца, удерживающие поршневой палец в бобышках, поддевая каждое из них тонким бородком.
Нагреть поршень, погружая его на 2—3 мин в сосуд с температурой воды около 55° С.
Выпрессовать поршневой палец из поршня и втулки головки шатуна ударом молотка через латунную оправку.
Сборку шатуна с поршнем производят в обратной последовательности. При этом необходимо обратить внимание на следующее:
В случае замены одного из шатунов он должен быть подобран по весу и по размеру отверстия под поршневой палец к остальным шатунам.
Разница в весе самого тяжелого и самого легкого шатуна в комплекте, устанавливаемом на двигатель, не должна превышать 8 г. Принадлежность шатуна к определенной весовой группе маркируется краской на приливе его крышки.
Зазор между поршневым пальцем и втулкой головки шатуна, принадлежащих к одной и той же размерной группе (имеющих одинаковую цветовую маркировку), проверяют на ощупь. Поршневой палец должен плотно входить в отверстие втулки от давления большого пальца, как показано на рисунке. В пределах данной размерной группы деталей посадка поршневого пальца во втулке головки шатуна осуществляется с зазором 0,0045—0,0095 мм.
Рис. Проверка правильности подбора поршневого пальца к втулке головки шатуна.
Проверить состояние поршней и шатунов и заменить при необходимости их деталями ремонтных размеров.
При сборке поршня с шатуном и поршневым пальцем обязательно проверить:
совпадение отмеченных ранее номеров цилиндров на поршне и шатуне
совпадение направления стрелки, выбитой на днище поршня, с выступами на теле шатуна и на его крышке
Рис. Установочные метки на поршне и шатуне. (А и 2)
Провернуть коленчатый вал настолько, чтобы демонтируемый поршень оказался в нижней мертвой точке (н.м.т.).
Расшплинтовать и отвернуть гайки крепежных болтов подшипника нижней головки шатуна и снять крышку шатуна.
Протолкнуть шатун с поршнем и вынуть комплект этих деталей из цилиндра.Перед извлечением поршни в сборе с шатуном из цилиндра нужно проверить состояние верхней кромки зеркала цилиндров. При наличии здесь буртика (недоношенного участка зеркала цилиндра) его нужно удалить специальным режущим инструментом.
Пометить поршень порядковым номером цилиндра и проверить наличие заводской отметки порядкового номера цилиндра на шатуне и его крышке со стороны, обращенной к распределительному валу (см. обозначения А и 2 в круге на рисунке). Остальные поршни в сборе с шатунами вынимают из цилиндров аналогичным способом.
Рис. Установочные метки на поршне и шатуне. (А и 2)
Устанавливают поршни с шатунами в цилиндры двигателя в обратной последовательности. При этом необходимо:
Перед установкой в цилиндр собранного комплекта поршень — шатун смазать маслом для двигателя поршневые кольца, юбку поршня и поршневой палец.
Развернуть поршневые кольца в канавках поршня так, чтобы замки соседних колец отстояли друг от друга на 180°.
Вставляя шатун в сборе с поршнем в цилиндр, обратить внимание на то, чтобы стрелка с выбитая на днище поршня, выступ а на теле шатуна и выступ в на крышке шатуна были обращены в сторону водяного насоса. При такой установке и взаимном расположении деталей ось поршневого пальца будет смещена от оси цилиндра в требуемую сторону (в сторону распределительного вала).
Перед тем как вставить кольца в цилиндр, сжать их специальной обжимкой и проследить, чтобы кольца не сместились и не нарушилось взаимное расположение их замков.
Повернуть коленчатый вал так, чтобы шатунная шейка установилась в нижней мертвой точке.
Проверить, правильно ли установлены вкладыши в шатуне и в его крышке, смазать их маслом, применяемым для двигателя, и протолкнув поршень вглубь цилиндра, собрать шатунный подшипник на шейке коленчатого вала. Гайки шатунных болтов затягивать равномерно. Окончательную затяжку гаек производить динамометрическим ключом с моментом 5,0—6,5 кгм.
Проверить, легко ли вращается коленчатый вал.
Зашплинтовать гайки шатунных болтов. При этом обязателен натяг шплинтов в отверстиях болтов в шлицах гаек. Качание шплинта с разведенными концами в пазах гайки не допускается.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ
Перед удалением из цилиндра поршня в сборе с шатуном или перед установкой этого комплекта необходимо проверить, нет ли заусенцев на теле шатуна под головками шатунных болтов. Во избежание повреждения зеркала цилиндров (образования царапин) заусенцы следует удалить напильником.
Нужно иметь в виду, что повредить зеркало цилиндров может также и выступающая за габариты тела шатуна головка шатунного болта. Поэтому при разборочно-сборочных работах нужно обращать внимание на правильность положения головки шатунного болта.
Двигатель, у которого ход поршня меньше внутреннего диаметра цилиндра, называется двигателем с укороченным ходом.
Двигатель, у которого, наоборот, ход поршня превышает внутренний диаметр цилиндра, называется двигателем с удлиненным ходом.
Если внутренний диаметр цилиндра равен ходу поршня, такой двигатель называется двигателем с уравновешенным ходом.
Рабочие характеристики двигателя зависят от многих факторов, в том числе от соотношения между диаметром цилиндра и ходом поршня. Но существует определенная взаимосвязь между конструктивными и рабочими параметрами, характерная для всех двигателей.
Двигатель с укороченным ходом (ход поршня меньше внутреннего диаметра цилиндра)
Как правило, быстро набирает обороты, достигает более высокой скорости вращения (измеряемой количеством оборотов в минуту — rpm).
На высоких оборотах отличается высокой приемистостью.
На низких оборотах характерно снижение крутящего момента (мощности).
Часто для использования преимущества высоких скоростных характеристик двигатель комплектуется коробкой передач,у которой последняя передача имеет более низкое передаточное число (т.е. более высокий номер).
Двигатель с удлиненным ходом (ход поршня превышает внутренний диаметр цилиндра)
Как правило, низкоприемистый (медленно набирает обороты) из-за удлиненного хода поршня.
На низких оборотах обеспечивает высокий крутящий момент.
По существу, является низкооборотным двигателем.
Вследствие более низкой скорости работы обладает, как правило, высокой экономичностью и обычно комплектуется коробкой передач, у которой последняя передача имеет более высокое передаточное число.
Двигатель с уравновешенным ходом (внутренний диаметр цилиндра равен ходу поршня)
Обеспечивает оптимальный баланс между крутящим моментом на низких оборотах и мощностью на высоких оборотах.
Обеспечивает высокий крутящий момент на низких оборотах и высокую мощность на высоких оборотах.
Способен работать на пониженной передаче, обеспечивающей экономию топлива, и при этом сохраняет высокую приемистость в городском цикле.
Расстояние, которое поршень проходит в цилиндре двигателя, называется ходом поршня. Чем оно больше, тем больше топливно-воздушной смеси поступает в цилиндр, и, следовательно, тем выше давление газов, образующихся при сгорании смеси.
Какие детали двигателя определяют ход поршня?
Ход поршня — это расстояние между верхней и нижней мертвыми точками поршня. Он определяется радиусом кривошипа коленчатого вала.
Радиус кривошипа — это расстояние между осевой линией вращения коленчатого вала и осевой линией шатунной шейки. Радиус кривошипа равен половине хода поршня.
Рис. Ход поршня и объемы цилиндра двигателя: а — а положение поршня в нижней мертвой точке; б — положение поршня в верхней мертвой точке.
В случае замены коленчатого вала другим, имеющим больший ход, верхняя мертвая точка хода поршней может оказаться над верхней плоскостью (плитой) блока цилиндров. Решить эту проблему можно, установив новые поршни, на которых поршневые пальцы стоят выше. Еще один возможный вариант — заменить шатуны более короткими, чтобы уменьшить максимальную высоту подъема поршней в цилиндрах.
При изменении длины шатуна ход поршня не изменяется, изменяется только положение мертвых точек хода поршня.
Площадь А замкнутого участка индикаторной диаграммы соответствует работе, выполняемой в цилиндре за один рабочий цикл W. Если преобразовать данный участок в прямоугольник равной площади, то его высота h будет соответствовать среднему давлению на поршень С помощью данного давления можно выразить работу, выполняемую в цилиндре за один рабочий цикл:
W=pi*vh
pi — среднее давление на поршень, среднее указанное давление на поршень; Vh — рабочий объем одного цилиндра (измеряется в литрах).
Рис. Среднее давление на поршень
Среднее давление на поршень можно обозначить также как удельную работу поршня. Согласно формуле pi= W/Vh оно представляет собой отношение работы к рабочему объему. В качестве единицы давления используются чаще всего бары, а в качестве единицы удельной работы поршня, например, кДж/дм3.
Рис. Типы поршневых колец: 1 — поршневое кольцо со скосом; 2 — поршневое кольцо с проточкой и скосом; 3 — канавка [паз] в маслосъёмном поршневом кольце; 4 — поршневое кольцо со скосом на внутренней поверхности; 5 — скручивающееся поршневое кольцо с выточкой на внутренней цилиндрической поверхности; 6 — поршневое кольцо с канавкой; 7 — поршневое кольцо с проточкой; 8 — поршневое кольцо с двумя скребкообразными выступами; 9 — поршневое кольцо с наружной поверхностью в виде двух конусов; 10 — поршневое кольцо с одним скребкообразным выступом; 11 — составное поршневое кольцо; 12 — поршневое кольцо трапециевидного сечения; 13 — поршневое кольцо со скосом на наружной поверхности у нижнего торца; 14 — выступ маслосъёмного поршневого кольца; 15 — поршневое кольцо с конической наружной поверхностью; 16 — маслосъёмное поршневое кольцо с просверленными [профрезерованным] отверстиями.
Pic. Types of piston rings: 1 — bevel p. r.; 2 — bevel scraper p. r.; 3 — channel of oil p. r.; 4 — Inside bevel(ed) p. r.; 5 — counterbored p. r., Internally stepped p. r., torsional p. r., twist-type p. r.; 6 — grooved p. r.; 7 — scraper; 8 — double-hook p. r.; 9 — double taper-faced p. r.; 10 — single-hook p. r.; 11 — multlplece p. r.; multiple piece p. r., compound p. r.; 12 — keystone p. r.; 13 — Inverted bevel(ed) p. r.; 14 — flange of oil p. r.; 15 — taper-face p. r.; 16 — ventilated oil p. r..
правильно расположить и оптимально скоординировать действие клапанов и инжектора.
Эти требования взаимозависимы. Турбулентность обычно получается за счет факторов объема. Конструктивно сложные утопленные впускные клапаны или касательно направленные воздушные каналы создают препятствия воздушной струе к поэтому мало пригодны для применения на быстродействующих двигателях.
Чтобы помочь в вентилировании камеры, могут использоваться четыре или даже шесть клапанов на цилиндр. Преимущество такой конструкции состоит в сохранении центрального положения инжектора — желательной цели для двигателей прямого впрыска. Напротив, увеличение размеров клапана и связанный с этим его высокий подъем, помимо механических проблем, обычно требуют специальных пазов на поршне для создания воздушных потоков.
Полусферическая камера сгорания помогает увеличить область, доступную для клапанов, за счет использования бокового инжектора. Камеры предварительного сгорания, будь то воздушный элемент или камера «вихревою сгорания», имеют общий недостаток. Температурные нагрузки в этой области чрезвычайно высоки, и камеры склонны к отказу из-за нарушения свойств металла — по крайней мере, находятся в состоянии риска с того момента, как они обязаны создавать «горячую точку», чтобы помочь сгоранию. Не существует никакого уникального решения, и получающаяся в итоге камера сгорания — всегда компромисс.
Покройте моторным маслом поверхности отверстий цилиндров.
Все шатуны в сборе разложите по номерам цилиндров. Приливы на нижней головке шатуна и его крышке, а также стрелки на донышках поршней должны быть направлены в сторону ременного шкива коленвала.
Замки колец расположите равномерно по периметру, через 120 градусов.
Установите на поршневые кольца приспособление — хомут и утопите кольца полностью в канавки поршня.
На болты шатуна наденьте отрезки резиновых или пластмассовых трубок, чтобы не повредить при установке поверхность гильзы цилиндра.
Поверните коленвал так, чтобы два его колена находились в ВМТ.
Положите двигатель набок. В этом положении удобнее соединять нижнюю головку шатуна и шатунную шейку.
Вставьте шатун в цилиндр. Полувкладыш шатуна должен уже находиться в отверстии нижней головки шатуна.
Вставьте поршень в цилиндр так, чтобы кольца по очереди вошли в цилиндр, а нижняя головка шатуна села на шатунную шейку.
Обязательно проследите, чтобы оба прилива, показанные на рисунке находились рядом. Рис. Приливы на шатуне и его крышке — со стороны ременного шкива коленвала
Затягивайте гайки шатунных болтов поэтапно и по очереди моментом 30 Нм, а затем из этого положения доверните еще на 90 градусов (на 1/4 оборота).
После установки шатуна несколько раз поверните коленвал, чтобы проверить качество и правильность сборки. При появлении заметного сопротивления необходимо найти и устранить его причину. Возможны следующие случаи:
грязь под вкладышем или на нем
установка крышек на несоответствующие им шатуны
проворот вкладыша с валом
заклинивание поршневых колец
Проверьте щупом зазор между боковой поверхностью нижней головки шатуна и опорной поверхностью шатунной шейки коленвала, так как это показано на рисунке. Это осевой зазор шатуна, он не должен превышать 0,37 мм. Рис. Измерение зазора шатуна на шатунной шейке
Нагрейте поршни до 60 градусов (погрузив их в горячую воду).
Приготовьте соответствующую оправку, чтобы ее диаметр соответствовал внутреннему диаметру поршневого пальца.
Вставьте поршневой палец в нагретый поршень и шатун.
Соединяя поршень с шатуном, следует соблюдать следующие рекомендации:
стрелка (нарисованная либо выбитая на дне новых поршней) должна быть направлена в сторону ремня привода. Рис. Маркировка поршней перед демонтажем
приливы на нижней головке шатуна и его крышке должны быть направлены в сторону ременного шкива коленвала. Рис. Приливы на шатуне и его крышке — со стороны ременного шкива коленвала
обозначение номера цилиндра на нижней головке шатуна и крышки нижней головки шатуна должны быть одинаковы.
Проверьте, свободно ли движется поршень на шатуне после сборки.
При помощи приспособления установите по очереди поршневые кольца в канавки поршня. Чтобы не перепутать местами компрессионное и маслосъемное кольца следует обратить внимание на форму их сечения. Все кольца имеют с одной стороны надпись «ТОР» или «OBEN» и эта надпись должна быть видна со стороны дна поршня (сверху) после установки кольца.
Рис. Демонтаж поршневых колец при помощи специального инструмента
Проверьте осевой зазор поршневых колец в канавках поршня, используя кольцо из этой канавки и плоский щуп. Если Вы определите, что зазор превышает 0,15 мм, это значит что изношено либо кольцо, либо его канавка. Купите новые кольца и повторите измерение. Если Вы определите, что и теперь зазор превышает предельно допустимое значение, то все поршни подлежат замене. Монтажный зазор новых колец в новом поршне должен находится в пределах 0,02-0,05 мм. Рис. Измерение осевого зазора поршневого кольца в канавках поршня
Вставьте по очереди поршневые кольца в соответствующий цилиндр со стороны коленвала. Вставленное кольцо продвиньте перевернутым поршнем приблизительно на 15 мм вниз, чтобы оно установилось перпендикулярно к оси цилиндра.
Измерьте щупом зазор замка кольца. Зазор замка компрессионных колец должен составлять 0,3-0,45 мм. Если в рабочем (по диаметру) цилиндре зазор замка старого кольца больше предельно допустимого, то кольцо подлежит замене. Пределом износа для всех колец является 1.0 мм. У новых колец зазор замка также подлежит замеру. Если зазор меньше допустимого, то его следует увеличить, подпилив торцы кольца. Рис. Измерение зазора замка поршневого кольца в цилиндре
Проверьте степень износа поршневых пальцев и втулок верхних головок шатунов.
Если хотя бы один из шатунов поврежден (изогнут, повреждена поверхность при повороте вкладыша и т. д.), необходимо заменить все шатуны.
Всегда заменяйте гайки болтов шатунов.
Проверьте на специальном приспособлении, не деформированы ли шатуны. Рис. Проверка шатуна на специальном приспособлении
Проверьте, не повреждены ли болты шатуна и при необходимости замените их.
Форсирование двигателя наддувом сопровождается ростом температуры днища поршня, его термонапряжённости. В результате существенно понижается его прочность, ухудшаются условия смазки, а у двигателей с внешним смесеобразованием повышается опасность детонационного сгорания. Вообще, для улучшения процесса сгорания температуру днища поршня целесообразно повышать, конечно, до определённого уровня, при этом обеспечивается также сжигание отложений продуктов неполного сгорания топлива и масла, однако происходит снижение коэффициента наполнения.
Для снижения термонапряжённости применяют следующие методы:
отвод тепла от днища поршня в стенки цилиндра через поршневые кольца и юбку;
отвод тепла жидкостью, подводимой к днищу поршня;
применение накладок на днище из жароупорных чугуна или стали с низким коэффициентом теплопроводности.
иногда применяют комбинацию из указанных методов.
У ДВС с наддувом первый способ обычно применяется для алюминиевых поршней увеличением сечений их корпуса. При втором способе применяют обычно масло, реже — воду. Известно, что крупные судовые двухтактные дизели принципиально всегда имеют систему охлаждения поршней. Но лёгкие быстроходные двигатели такой системой, как правило, не оснащаются. Однако с ростом напряжённости двигателя в связи с турбонаддувом появилась необходимость такого охлаждения. Рассмотрим несколько принципиальных схем выполнения таких систем. На рисунке показаны три таких схемы. Они могут быть классифицированы следующим образом. Л — охлаждение разбрызгиванием, Б — охлаждение с помощью масляной форсунки и В — масляное охлаждение путём циркуляции масла или путём взбалтывания масла в полостях поршня.
Рис. Принципиальные схемы охлаждения поршней
Система А известна давно и применялась ещё тогда, когда отсутствовала принудительная смазка с помощью подкачивающего масляного насоса. В этом случае на шатуне размещено приспособление в виде ложки так, что при вращении шатуна ложка черпает масло из картера и разбрызгивает его по зеркалу цилиндра и по днищу поршня. Эта система применяется в высокооборотных ДВС с малым диаметром цилиндров, но её возможности эффективно охлаждать поршни высокофорсированных двигателей ограничены.
В быстроходных двигателях с наддувом и сравнительно малым диаметром цилиндра широко применяется система Б, в которой специальная масляная форсунка, неподвижно установленная под цилиндром или в верхней головке шатуна и связанная с каналом подачи масла, непрерывно, а иногда прерывисто, подаёт струю или факел масла вверх — на днище поршня вблизи поршневой головки шатуна, охлаждая поршень. Чтобы не нанести вред основной системе смазки и охлаждения подшипников, которая, естественно, более важна, чем охлаждение головки поршня, эта система охлаждения связана со специальным каналом подвода масла, давление в котором повышается лишь после того, как уровень давления в основной системе превысит необходимое давление для смазки подшипников после начала работы двигателя. Эффективность работы такой системы охлаждения поршня существенно зависит от точности направлении факела масла, от охвата факелом масла всей поверхности днища, что следует контролировать при монтаже, диагностике двигателя и т.д. Но эффективность метода всё же мала, так как масло находится в контакте с днищем поршня лишь сравнительно короткое время. Наличие рёбер на днище поршня увеличивает эффективность теплоотвода.
На схеме В показано, что масло под давлением подводится к каждому коренному подшипнику коленчатого вала (по сверлениям в шейках), поступает к шатунным шейкам, затем по сверлениям в теле шатуна — к поршневой головке шатуна, в подшипник и затем через специальные устройства (ползуны) подаётся в полости охлаждения головки поршня.
При этом может обеспечиваться либо непрерывная циркуляция охлаждающего масла в полостях поршня, либо производится охлаждение путём взбалтывания масла в полостях поршня. Когда силы инерции направлены вверх, слой масла, прилегая к днищу, отбирает от него тепло. При обратном направлении сил инерции часть масла вытекает через специальные каналы, а часть вытесняется в карманы в полости охлаждения. Применение этого способа позволяет снизить температуру поршня почти на 70 градусов по сравнению с температурой при проточном охлаждении.
На рисунке показано размещение масляной форсунки А в нижней части цилиндра и её связь с масляным каналом в блоке двигателя. На юбке поршня видна специальная выемка, куда входит масляная форсунка, когда поршень опускается к нижней мёртвой точке. Наличие выемки позволяет приблизить днище поршня к форсунке в положении вблизи НМТ. Нагретое масло после отвода тепла от днища поршня сбрасывается в картер двигателя. При этом, конечно, повышаются общий уровень температуры масла, а следовательно требуется повышенное охлаждение его в масляном холодильное. Охлаждение взбалтыванием широко применяется в двигателях с противоположно движущимися поршнями и двигателях с клапанно-щелевой системой газообмена.
Желательно, чтобы поршень имел достаточно большую длину, тогда скорость масла при ударе о днище может быть достаточно высокой, что улучшает охлаждение.
На рисунке показан шатун с каналами для прохода масла под давлением, показаны зоны 1 шатунного подшипника, наименее нагруженные при работе двигателя, и в них — канавки для прохода масла. В конечном итоге масло почти постоянно подаётся из поршневой головки шатуна в полости головки поршня. Такая подача может происходить двумя путями, которые показаны на рисунке.
Рис. Схема шатуна с каналами для прохода масла под давлением
Рис. Схема поршней с внутренним охлаждением
Схема А применяется для среднеразмерных двигателей, а схема Б — для высокооборотных. Согласно схеме А, масло проходит из сверления в теле шатуна в головку для смазки поршневого подшипника и также по канавке вокруг подшипника — в канал В в специальном «башмаке», стакане, постоянно связанном с поршнем и способном скользить по головке шатуна при его качании. Далее масло поступает в полости охлаждения головки поршня, выполненные в виде спирального канала и образованного специальными приливами на днище поршня.
Рис. Схема распределения температур в поршне
На схеме видна существенная неравномерность температур.
Видно, что в зоне отвода тепла от поршня через поршневые кольца в стенки цилиндра температуры достигают 200 — 220 °С, а в зоне факела горящей смеси, вытекающей из камеры сгорания, — до 400 °С. При этом температуры головки цилиндра вблизи места посадки тарелки выпускного клапана могут достигать 650 — 700 °С. Как в двигателе с естественным всасыванием, так и в двигателе с наддувом температуры на днище поршня не должны превышать 400°С, причём температуры внутренней части днища поршня, охлаждаемой маслом, не должны превышать 200 °С. Последнее связано с тем, что при чрезмерно высоких температурах охлаждаемой поверхности внутренней части днища поршня масло быстро стареет, теряет свои качества и т.д.
Необходимость модификации поршней при модернизации двигателя наддувом связана прежде всего с повышением давлений и температур и камере сгорания. Конструкция современных поршней столь совершенна, что они выдерживают высокие механические и термические нагрузки. Поэтому часто можно снимать металл с днища поршня без угрозы его прочности. В то же время, снижение степени сжатия создаёт проблемы эффективного пуска двигателя в условиях, когда система наддува не работает и давление и температуры в цилиндре не достигают в процессе сжатия того минимума, который обеспечивает самовоспламенение (или воспламенение) смеси. Для решения этой проблемы приходится пользоваться средствами повышения температуры заряда в цилиндре перед пуском и во время пуска, т. е. использовать специальные нагревании в камере сгорания и проч. Об этом речь пойдёт в дальнейшем.
Рис. Зависимость давления и температуры сжатия в цилиндре от степени сжатия при разных условиях на впуске
Как показано на рисунке, важнейшим показателем, определяющим возможность или невозможность применения данной степени наддува в неизменной конструкции двигателя является температура в цилиндре. При этом речь может идти как о снижении прочности материала поршня, так и о термических деформациях поршней, а также усталостной прочности, в результате знакопеременных тепловых деформаций. Материалы для изготовления поршней и колец должны обладать крипо-стойкостью (т. е. способностью выдерживать длительные статические и динамические нагрузки при повышенной температуре без накопления остаточных деформаций). Во всех случаях форсирования двигателя головка поршня должна иметь достаточный зазор с цилиндром. Наилучшими путями сохранения этого зазора во время работы двигателя является охлаждение поршня. Возможно применение системы постоянного охлаждения. В этом случае охлаждающее поршень масло подаётся через шатун и его головку к специальному распылителю масла на внутреннюю поверхность днища поршня. С омываемой маслом поверхности днища масло постоянно снимается специальным скребком, связанным с головкой шатуна и прижимаемым к днищу поршня пружиной. Затем масло перетекает в полости охлаждения зоны размещения колец и стекает в картер. Конечно, такая система усложняет конструкцию машины. А вот применение периодического охлаждения днища поршня маслом более просто и достаточно эффективно. На рисунке показана схема такого охлаждения.
Рис. Охлаждение внутренней части поршня с помощью струи масла, подаваемой форсункой 1
При приближении поршня к нижней мёртвой точке форсунка 1, направленная вверх, впрыскивает масло в его полости. Масло поступает в область днища, омывает его и сливается по соответствующим каналам поршня на поршневую головку шатуна, а затем в картер двигателя. Следует обратить внимание, что полость охлаждения приближена к зоне размещения первого поршневого кольца, т. к. именно оно испытывает наибольшие и механические, и тепловые нагрузки.
В данном случае стенки днища поршня и боковые стенки поршня вблизи первого и других колец делаются уменьшенной толщины для лучшего отвода тепла от днища поршня в систему охлаждения. Надёжная работа поршневой группы зависит от обеспечения эффективных способов отвода тепла от днища поршня и создания благоприятных условий для работы поршневых колец. Через поршень может отводиться до 7 — 9 % тепла, вводимого с топливом в цилиндр двигателя.
Проблема отвода тепла от днища поршня может решаться также применением материалов (например, алюминиевых сплавов) с высокой теплопроводностью, а также повышенной толщиной головки поршня для облегчения передачи тепла к кольцам, которые в свою очередь, отдают его втулке цилиндра, охлаждаемой водой. (До 75 — 80 % тепла, полученного головкой поршня, уходит через кольца, а 20 — 25 % отнимается воздухом и разбрызгиваемым в картере маслом).
Геометрическая форма поршня представляет собой несколько усечённых конусов. Конусность верхней части поршня допускает повышенный нагрев в этой части, а следовательно, большее расширение, чем в нижней. Поэтому в нагретом состоянии поршень будет иметь форму, приблизительно цилиндрическую. Зазоры колец в поршневых канавках зависят от температуры: чем сильнее нагревается участок поршня, тем больше зазоры в кольцах. Чем меньше зазор в горячем состоянии между головкой поршня над первым кольцом и цилиндром, тем больше дросселирование газа в этом зазоре и лучше условия работы колец. Так, при зазоре 0,05 мм и температуре газа в верхней части зазора, равной 800 С, уже на расстоянии 20 мм от верхней части температура газа снижается до 400 °С, а при зазоре, равном 0,5 мм — лишь до 700 С. Давление газа на поршневые кольца меняется как от расстояния до кольца, так и от давления газа в цилиндре. Если принять давление в цилиндре за 100%, то давление, действующее на первое кольцо, составит 75%, на второе -17%, а на третье — лишь 7%.
Для предупреждения интенсивной выработки ручьёв под кольца, которая наблюдается особенно у алюминиевых поршней, применяется плазменная износостойкая наплавка ручьёв или вставка из специального чугуна (нерезиста). В высокофорсированных дизелях с диаметрами цилиндра порядка 200 — 300 мм наряду с алюминиевыми охлаждаемыми поршнями применяют и составные — тонкостенная головка из жаропрочной стали, тронк из алюминиевого сплава или чугунный. Составные поршни обеспечивают высокую износостойкость канавок компрессионных колец, благодаря высокой твёрдости жаропрочных сталей при высоких температурах. А также допускают минимальный зазор между головкой и втулкой цилиндра, поскольку коэффициент линейного расширения материалов головки и втулки примерно одинаковы.
Для более нагруженных двигателей рекомендуется применять в качестве верхних колец трапецеидальные кольца. В этом случае усиливается перемычка между соседними канавками, уменьшается нагар в канавках за счёт их самоочистки и более интенсивного вымывания нагара.
Рис. Схема размещения трапецеидального поршневого кольца в чугунной вставке алюминиевого поршня
На днище поршня нанесено обозначение группы поршня по диаметру юбки, на передней части поршня — ремонтной группы и ремонтного размера поршня. Для облегчения индивидуального подбора поршней к цилиндрам каждый из размеров ремонтной группы подразделяют на размерные группы, в которых размеры поршней по диаметру юбки следуют через 0,01 мм. Все операции подбора поршней по цилиндрам необходимо проводить при температуре окружающей среды 17… 23 °С.
Для облегчения индивидуального подбора поршневых пальцев поршни по диаметру отверстия под поршневой палец подразделяют на четыре размерные группы. Маркировку размерной группы по диаметру отверстий под поршневой палец осуществляют нанесением краски на бобышку поршня.
При замене поршней без замены гильзы цилиндров верхнюю кромку (буртик) гильзы, которая образовалась в результате износа гильзы под верхним поршневым кольцом, целесообразно обработать шабером или мелкозернистым шлифовальным кругом, установленным на пневматической или электрической дрели.
Поршни к цилиндрам следует подбирать так, чтобы зазор между стенкой цилиндров и юбкой поршня был 0,03…0,05 мм. Зазор определяется лентой-щупом толщиной 0,08 мм, шириной 10… 13 мм и длиной не менее 200 мм. Ленту-щуп протягивают через зазор между поршнем и цилиндром при неподвижном поршне с усилием 25… 45 Н, При этом поршень должен быть обращен днищем вниз, а лента-щуп должна находиться в плоскости, перпендикулярной оси отверстия под поршневой палец. Подбор поршней можно проводить не выпрессовывая гильзы из блока или после их выпрессовки. После подбора поршней к гильзам цилиндров необходимо на днищах поршней выбить порядковые номера цилиндров.
Посадку пальца в бобышках поршня выполняют с натягом 0,0025… 0,0075 мм. Допуск цилиндричности пальца равен 0,00125 мм в радиусном выражении. Стопорные кольца поршневого пальца следует устанавливать в канавках поршня с некоторым натягом, т.е. они не должны проворачиваться от усилия руки. Кольца, потерявшие упругость, следует заменить.
Шатуны
Нижнюю головку шатуна обрабатывают в сборе с крышкой, поэтому при разборке, контроле и сборке следует сохранять комплектность шатуна и крышки шатуна. Крышки шатунов центрируют по шлифованным поверхностям шатунных болтов. Ремонт верхней головки шатуна обычно заключается в выпрессовывании, запрессовывании и растачивании втулки. Усилие запрессовки втулки должно быть не менее 7 000 Н, При ремонте верхней головки шатуна размеры под втулку и палец должны соответствовать размерам, рекомендованным заводом-изготовителем. Для подбора пары поршневой палец — шатун размеры верхней головки шатуна (диаметр от-верстия под втулку) подразделяют на размерные группы, которые отличаются друг от друга на 0,0025 мм.
Рис. Подбор поршня к гильзе с помощью ленты-щупа: а — гильза запрессована в блок цилиндров; б — гильза выпрессована из блока цилиндров
Сборка шатунно-поршневой группы
Для сборки шатуна с поршнем нужно подобрать поршневой палец к втулкам верхней головки шатуна и бобышкам поршня. Для соединения с шатуном поршень нагревают в масле или в электронагревательном приборе до температуры 55 °С. При этом палец в отверстие бобышки нагретого поршня должен входить плавно от усилия большого пальца правой руки. В таком соединении после охлаждения поршня появляется необходимый натяг 0,0025 …0,0075 мм.
Затем нужно сверить порядковые номера поршней и шатунов. Шатун закрепляют в тисках, устанавливают поршень, их соединение фиксируют пальцем. Поршень при сборке с шатуном должен быть установлен так, чтобы метка на днище поршня была направлена к передней части двигателя. Бобышка, выштампованная на шатуне для левой группы цилиндров, также должна быть направлена к передней части двигателя, т.е. в одну сторону с меткой на поршне. Для правой группы цилиндров при сборке поршня с шатуном бобышка шатуна должна быть направлена к задней части двигателя, а метка на днище поршня — к передней части.
После соединения и проверки шатунно-поршневой группы следует закрепить стопорными кольцами палец в бобышках поршня, затем тщательно протереть подобранные по канавкам и подогнанные к цилиндрам поршневые кольца и установить их на поршни с помощью специального приспособления. Поршни в сборе с шатуном необходимо проверить по массе. Детали комплекта, установленного на одном двигателе, не должны отличаться по массе более чем на 12 г, т.е. шатуны должны соответствовать по массе одной группе. Для установки поршней с шатунами в цилиндры блока нужно выполнить следующие операции:
повернуть блок двигателя, установить его на стенде вертикально, передней частью вверх;
последовательно, один за другим брать поршни с шатунами в сборе;
тщательно протереть салфеткой постель под вкладыши в нижней головке шатуна;
отвернуть гайки и снять крышку шатуна;
установить шатун с поршнем.
При этом рекомендуется надеть на шатунные болты специальные колпачки из латуни или меди, предохраняющие зеркало гильзы цилиндров от повреждений.
Затем необходимо проверить и продуть отверстие в нижней головке шатуна, служащее для разбрызгивания масла на стенки цилиндра, вставить вкладыши в шатун и в крышку, протереть салфеткой верхние вкладыши шатуна и поршень, установить на поршень кольца, располагая внутреннюю выточку вверх, развести стыки компрессионных колец по окружности поршня примерно на 120°. После установки развести стыки компрессионных колец на 180°.
Далее следует протереть салфеткой гильзы цилиндров блока и шатунную шейку, смазать чистым маслом, применяемым для двигателя, поверхность шатунного вкладыша, поршня, поршневых колец и гильз цилиндров, вставить поршень с шатуном в цилиндр, направив метку на днище поршня к передней части двигателя с помощью специального приспособления, довести подшипники шатуна до шейки коленчатого вала, продвигая поршень по цилиндру с помощью деревянной оправки, смазать маслом шейку вала и подтянуть нижнюю головку к ней, снять предохранительные наконечники с шатунных болтов и поставить на место нижнюю крышку шатуна, закрепив ее шатунными гайками.
Перед окончанием сборки нужно проверить суммарный осевой зазор между торцами шатунов и шатунной шейки коленчатого вала с помощью щупа и окончательно затянуть болты шатунных подшипников динамометрическим ключом. После затяжки каждой пары шатунных подшипников следует проворачивать коленчатый вал. Момент прокручивания вала при правильно подобранных радиальных зазорах в подшипниках должен быть не более 100 Нм. Аналогичные операции нужно провести при установке в цилиндры остальных поршней с шатунами.
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.
В настоящее время поршни бензиновых и дизельных автомобильных двигателей изготавливают из алюминиевых сплавов. При производстве поршня в отливку в процессе изготовления часто закладывают стальные вставки, которые повышают его жесткость и препятствуют температурному расширению. Иногда стальную вставку располагают в канавке под верхнее компрессионное (наиболее нагруженное) поршневое кольцо.
Поршни стали значительно короче. Большая часть юбки обрезается с каждой стороны, и остаются только две небольшие секции для того, чтобы предотвратить перекос поршня в цилиндре. Благодаря совершенству конструкции силы, воздействующие на поршень, сбалансированы таким образом, чтобы свести к минимуму тенденцию к его повороту. Расстояние от днища поршня до верхней канавки под поршневое кольцо уменьшают с целью снижения возможности образования нагара в этой части. За счет уменьшения размеров сечений в конструкции поршня удалось значительно снизить его массу. Для уменьшения потерь на трение и повышения долговечности деталей КШМ на боковую поверхность поршня наносят слой антифрикционного материала, содержащего дисульфид молибдена или графит.
Для отвода тепла из зоны колец в поршне может быть предусмотрен охлаждающий каналы, по которым циркулирует масло, подаваемое через форсунку 6 при положении поршня вблизи нижней мертвой точки. В бобышках поршня устанавливаются латунные втулки 7, а в днище поршня делаются подклапанные 2 выемки, исключающие соприкосновение клапана с поршнем.
Рис. Поршень современного двигателя: 1 – подклапанные выемки; 2 – камера сгорания; 3 – высота жарового слоя; 4, 5 – охлаждающий канал; 6 – форсунка; 7 – латунная втулка; а – общий вид; б – расположение каналов
Поршни двигателей с непосредственным впрыском топлива имеют особую форму, необходимую для обеспечения процесса сгорания топлива.
В современных дизельных двигателях, в связи с повышенным давлением сгорания по сравнению с обычными двигателями, применяются трапециевидные поршни и шатуны.
Рис. Распределение усилий на поршне и шатуне: а – с параллельными сопрягающимися поверхностями; б – с трапециевидными сопрягающимися поверхностями
В отличие от традиционной формы связи между поршнем и шатуном благодаря трапециевидной форме плоскостей сопряжения поршня и шатуна площадь нагруженных поверхностей отверстий в поршне и в шатуне под поршневой палец увеличивается. Вследствие такой формы поверхностей сила давления сгорания распределяется на большей площади, в результате чего удельные давления на поршневой палец и шатун уменьшаются.
Поршневые кольца изготавливаются из специально модифицированного чугуна. Один из способов получения более компактных и легких поршней – выполнение колец более узкими и мелкими с компактным размещением их в верхней части головки поршня. При этом предъявляются повышенные требования к материалу, из которого они изготовлены, и к точности их изготовления.
