Устройство кривошипно-шатунного механизма двигателя
УСТРОЙСТВО КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА ДВИГАТЕЛЯ
Двигатель -- это агрегат, преобразующий какой-либо вид энергии в механическую работу. На отечественных легковых автомобилях устанавливаются поршневые двигатели внутреннего сгорания, в которых тепловая энергия, получаемая при сгорании топлива внутри цилиндров двигателя, преобразуется в механическую работу, используемую для передвижения автомобиля. Расширяющиеся при сгорании рабочей смеси в цилиндрах двигателя газы воздействуют на поршни, поступательное движение которых преобразуется кривошипно-шатунным механизмом во вращательное движение коленчатого вала, которое в свою очередь передается при помощи агрегатов трансмиссии на ведущие колеса автомобиля, приводя его в движение.
Для обеспечения нормальной работы двигатель внутреннего сгорания имеет следующие механизмы и системы:
- кривошипно-шатунный механизм;
- газораспределительный механизм;
- систему охлаждения;
- систему смазки;
- систему питания;
- систему зажигания.
На легковых автомобилях отечественного производства применяются четырехтактные двигатели, а на мотоциклах и моторных лодках -- двухтактные
Кривошипно-шатунный механизм предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала.
Условно элементы КШМ (кривошипно-шатунного механизма) можно разделить на две группы: неподвижные и подвижные.
К неподвижным элементам относятся блок цилиндров, головка блока цилиндров, картер с подшипниками коленчатого вала и поддоном, соединяющие их детали. Все это образует остов двигателя.
Подвижными элементами механизма являются поршень, поршневые кольца, поршневой палец, шатун с подшипниками, коленчатый вал с маховиком, соединяющие их детали.
Поршни, поршневые кольца и поршневые пальцы в сборе образуют поршневую группу.
Рис. 1 Блок цилиндров двигателя
1. блок цилиндров
2. болт крепления крышки коренного подшипника
3. крышка первого коренного подшипника коленчатого вала
4. крышка механизма привода распределительного вала (с метками для установки зажигания)
5. передний сальник коленчатого вала
6. цилиндр двигателя гильза цилиндра
7. головка цилиндров
8. шпильки крепления корпуса подшипников распределительного вала
9. болт крепления головки блока
10. нарезное отверстие для указателя температуры охлаждающей жидкости
11. нарезное отверстие для свечи зажигания
12. железоасбестовая прокладка головки цилиндров
13. задний сальник коленчатого вала
14. держатель заднего сальника
15. крышка коренного подшипника
16. направляющая втулка впускного клапана
17. седло впускного клапана (диаметр отверстия 32,5-- 32,7 мм)
18. направляющая втулка выпускного клапана
19. седло выпускного клапана (диаметр отверстия 27,5--27,7 мм)
Блок цилиндров (рис. 1) является остовом двигателя. На нём и внутри него размещаются механизмы и устройства двигателя.
Элементы блока при работе двигателя нагружены силами давления газов и силами инерции движущихся частей. Вследствие этого элементы остова должны быть связаны между собой в общую жесткую систему во избежание недопустимых деформаций отдельных звеньев.
Блок представляет собой группу цилиндров, изготовленную в общей отливке с верхней частью картера из специально низколегированного чугуна.
Конструктивное оформление блока зависит от общей компоновки двигателя и его назначения. Размеры внутренних полостей определяются в основном размерами и траекторией движения деталей кривошипно-шатунного механизма. Внешнее очертание и число неподвижных элементов остова зависят от числа цилиндров и их расположения, от схемы механизма газораспределения, положения распределительного вала, условий монтажа, обслуживания и т. п.
Внутри блока также имеются каналы и масляная магистраль.
В нижней части блока цилиндров находятся опоры для коренных подшипников коленчатого вала, которые имеют съемные крышки прикрепляемые к блоку самоконтрящимися болтами .
Цилиндры растачиваются непосредственно в блоке и вставных гильз не имеют. В нижней части блока цилиндров расположены пять опор для коренных подшипников коленчатого вала.
К числу наиболее ответственных элементов блока относятся цилиндры. Внутренняя часть цилиндра, ограниченная с одной стороны головкой (крышкой) цилиндра, а с другой -- днищем поршня, образует камеру сгорания.
Стенки цилиндра служат направляющими для поршня при его возвратно-поступательном движении, поэтому внутренняя поверхность цилиндра, так называемое зеркало цилиндра, тщательно обрабатывается.
Во время работы двигателя стенки цилиндра находятся под воздействием давления газов, а также боковых сил трения, возникающих при движении поршня. Вследствие этого цилиндры должны быть достаточно прочными и жесткими, чтобы противостоять действующим силам, а внутренняя поверхность должна обладать хорошей износоустойчивостью.
Цилиндры нагреваются горячими газами, а также в результате трения поршня и поршневых колец о стенки. Чтобы температура стенок цилиндра и температурное напряжение в них были в допустимых пределах, применяется охлаждение цилиндров, которое может быть воздушным или жидкостным. Особенно интенсивное охлаждение требуется для наиболее нагревающейся части цилиндра -- камеры сгорания
Крышки коренных подшипников коленчатого вала обрабатываются в сборе с блоком цилиндров, поэтому они невзаимозаменяемые и для различия имеют риски на наружной поверхности
В передней части блока расположена полость для цепного привода газораспределительного механизма.
Головка блока цилиндров закрывает цилиндры сверху и служит для размещения в ней камер сгорания, клапанного механизма и каналов для подвода горючей смеси и отвода отработавших газов.
Головка блока цилиндров выполнена общей для всех цилиндров, отлита из алюминиевого сплава и имеет камеры сгорания клиновидной формы.
В ней имеются резьбовые отверстия для свечей зажигания.
В головку запрессованы седла и направляющие втулки клапанов, изготовленные из чугуна.
Головка крепится к блоку цилиндров болтами.
Между головкой и блоком цилиндров установлена металлоасбестовая прокладка, обеспечивающая герметичность их соединения.
Сверху к головке блока цилиндров шпильками крепятся корпус подшипников с распределительным валом.
Для устранения течи масла между крышкой и головкой блока цилиндров установлена уплотняющая прокладка из пробкорезиновой смеси.
С правой стороны к головке блока цилиндров крепятся шпильками через металлоасбестовую прокладку впускной и выпускной трубопроводы, отлитые из алюминиевого сплава и чугуна.
Поршень служит для восприятия давления газов при рабочем ходе и осуществления вспомогательных тактов (впуска, сжатия, выпуска).
Поршень представляет собой полый цилиндр, отлитый из алюминиевого сплава.
Он имеет плоское днище, головку и юбку. Снизу днище поршня усилено ребрами.
В головке поршня изготовлены канавки для поршневых колец.
В юбке поршня находятся приливы (бобышки) с отверстиями для поршневого пальца.
В бобышках поршня залиты стальные термокомпенсационные пластины, уменьшающие расширение поршня от нагрева и исключающие его заклинивание в цилиндре двигателя.
Юбка сделана овальной в поперечном сечении, конусной по высоте и с вырезами в нижней части.
Овальность и конусность юбки так же, как и термокомпенсационные пластины, исключают заклинивание поршня, а вырезы - касание поршня с противовесами коленчатого вала.
Кроме того, вырезы в юбке уменьшают массу поршня.
Для лучшей приработки к цилиндру наружная поверхность юбки поршня покрыта тонким слоем олова.
Отверстие в бобышках под поршневой палец смещено относительно диаметральной плоскости поршня 2мм.
Поршневые кольца уплотняют полость цилиндра, исключают прорыв газов в картер двигателя (компрессионные) и попадания масла в камеру сгорания (маслосъемное ).
Кроме того, они отводят тепло от головки поршня к стенкам цилиндра.
Компрессионные и маслосъемные кольца - разрезные.
Они изготовлены из специального чугуна.
При этом между разрезанными концами колец (в замках) сохраняется небольшой зазор (0,2-0,35мм).
Вернее компрессионное кольцо, работающее в наиболее тяжелых условиях, имеет бочкообразное сечение для улучшения его приработки.
Нижнее компрессионное кольцо имеет сечение скребкового типа (на наружной его поверхности выполнена) и фосфатировано .
Маслосъемное кольцо имеет прорези для снимаемого с цилиндра масла и внутреннюю витую пружину (расширитель).
Маслосъемные кольца служат для удаления излишка масла с рабочей поверхности гильзы и предупреждения возможности попадания его в камеру сгорания, особенно в двигателях с тронковым кривошипно-шатунным механизмом, вследствие разбрызгивания масла. Часть попавшего на стенку цилиндра масла в результате так называемого насосного действия компрессионных колец выжимается в камеру сгорания и вызывает не только излишний расход смазочного материала, но и повышенное нагарообразование, а также закоксовывание, особенно верхних колец.
Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с верхней головкой шатуна.
Поршневой палец -- стальной, трубчатого сечения, запрессован в верхнюю головку шатуна и свободно вращается в бобышках поршня.
В современных двигателях широкое применение имеет так называемый плавающий палец, который может свободно поворачиваться как в верхней головке шатуна, так и в бобышках поршня. От осевого перемещения палец фиксируется пружинными стопорными кольцами. Вследствие наличия некоторой свободы перемещения и возможности поворачиваться вокруг своей оси во время работы плавающий палец изнашивается меньше, и износ получается более равномерным по его поверхности.
При работе на поршневой палец действуют большие силы, переменные по величине и направлению, поэтому для его изготовления используют высококачественную углеродистую или легированную сталь. Рабочую поверхность пальца обычно цементируют с последующей термической обработкой для придания ей большей твердости.
Шатун служит для соединения поршня с коленчатым валом и передачи усилий между ними.
Шатун -- стальной, кованый, с разъемной нижней головкой, в которой устанавливаются вкладыши шатунного подшипника. Шатун обрабатывается вместе с крышкой, поэтому при сборке цифры на шатуне и крышке должны быть одинаковы.
Рис. 2 Кривошипно-шатунный механизм
1-- гайка крепления крышки шатуна
-- крышка шатуна
-- шатун
-- шатунный болт
5-- терморегулирующая пластина поршня
6 -- поршень
7-- верхнее компрессионное поршневое кольцо
8-- нижнее компрессионное поршневое кольцо
9-- пружина маслосъемного кольца
10-- маслосъемное поршневое кольцо
-- поршневой палец
-- гильза цилиндра
-- цилиндр двигателя
14-- пятиопорный коленчатый вал
15-- заглушка масляных каналов
16-- упорные шайбы заднего коренного подшипника
17-- зубчатый обод маховика (шестерня с прямым зубом-- 129 зубьев)
18-- маховик коленчатого вала
19-- болт крепления маховика
20-- передний подшипник ведущего вала коробки передач
21-- шайба маховика
22--центровочный штифт установки механизма сцепления
23-- канал подачи смазки от коренного подшипника коленчатого вала к шатунному
24-- вкладыши третьего центрального (среднего) коренного подшипника
25-- вкладыши шатунного подшипника
26-- вкладыши коренного подшипника
27-- антифрикционный слой (сплав 20% олова и 80%
алюминия)
28--стальная лента Пр -- прессовая посадка С -- скользящая посадка
Шатун связывает колено вала с поршнем. При работе шатун совершает сложное качательное движение и подвергается переменной по величине и направлению нагрузке от давления газов и сил инерции. Действующие на шатун силы вызывают в нем сложные деформации: сжатие, растяжение, продольный и поперечный изгибы. Поэтому шатун должен быть прочным и жестким при возможно малой массе. Материалом для шатунов обычно служит углеродистая или легированная сталь, реже -- алюминиевый сплав. Шатуны изготовляют большей частью ковкой в штампах с последующей механической и термической обработкой.
Верхняя головка шатуна, которая охватывает поршневой палец, обычно делается неразъемной цилиндрической формы. В нее запрессовывается бронзовая втулка или вставляются стальные вкладыши с тонким слоем антифрикционного сплава, которые являются подшипником поршневого пальца. Иногда втулку в верхней головке шатуна стопорят болтом, чтобы предотвратить ее проворачивание и перемещение в осевом направлении.
Нижняя головка шатуна по условиям ее монтажа, как правило, делается разъемной и имеет размеры, позволяющие вынимать поршень с шатуном через цилиндр. Разъем головки обычно располагают в плоскости оси шатунной шейки. При значительном диаметре шатунных шеек нижнюю головку шатуна иногда изготовляют с косым разъемом для облегчения демонтажа шатуна через цилиндр.
Коленчатый вал воспринимает усилия от шатунов и передаёт создаваемый на нём крутящий момент трансмиссии автомобиля.
От него также приводятся в действие различные механизмы двигателя (газораспределительный механизм, масляный насос, распределитель зажигания, насос охлаждающей жидкости и др.).
Коленчатый вал - пятиопорный, отлит из специального высокопрочного чугуна. Он состоит из коренных и шатунных шеек, щёк, противовесов, переднего и заднего концов.
Коренными шейками коленчатый вал установлен в подшипниках (коренных опорах) картера двигателя, вкладыши которых тонкостенные, биметаллические, сталеалюминевые.
К шатунным шейкам коленчатого вала присоединяют нижние головки шатунов. Шатунные подшипники смазываются по каналам, соединяющим коренные шейки с шатунными.
Щёки соединяют коренные и шатунные шейки коленчатого вала, а противовесы разгружают коренные подшипники от центробежных сил неуравновешенных масс.
На переднем конце коленчатого вала крепятся: ведущая звёздочка цепного привода газораспределительного механизма; шкив ремённой передачи для привода вентилятора, насоса охлаждающей жидкости, генератора; храповик для поворачивания вала вручную пусковой рукояткой.
В заднем конце коленчатого вала имеется специальное гнездо для установки подшипника первичного (ведущего) вала коробки передач.
К торцу заднего конца вала с помощью специальной шайбы болтами крепится маховик.
Вкладыши коренных и шатунных подшипников
Шатунные подшипники, так же как и коренные, имеют вид толсто- или тонкостенных вкладышей с баббитовой или свинцовисто-бронзовой заливкой, а также сталеалюминевых вкладышей. От проворачивания и смещения в осевом направлении вкладыши подшипника фиксируются штифтами или выступами, которые входят в соответствующие пазы в крышке.
Верхние вкладыши 1-го, 2-го, 4-го и 5-го коренных подшипников имеют канавку на внутренней поверхности, а нижние без канавки (до 1987 г. нижние вкладыши этих подшипников устанавливались с канавкой). Вкладыши центрального (3-го) коренного подшипника отличаются от остальных большей шириной и отсутствием канавки на внутренней поверхности. Все вкладыши шатунных подшипников без канавок, одинаковые и взаимозаменяемые.
Маховик обеспечивает равномерное вращение коленчатого вала, накапливает энергию при рабочем ходе для вращения вала при подготовительных тактах и выводит детали кривошипно - шатунного механизма из мёртвых точек.
Энергия, накопленная маховиком, облегчает пуск двигателя и обеспечивает трогание автомобиля с места.
Маховик представляет собой массивный диск, отлитый из чугуна.
На обод маховика напрессован стальной зубчатый венец, предназначенный для пуска двигателя электрическим стартером.
К маховику крепятся детали сцепления.Маховик, будучи деталью кривошипно - шатунного механизма, является также одной из ведущих частей сцепления.
