Принцип действия кшм двигателя. Кривошипно-шатунный механизм

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

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.

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.

Рис. Коленчатый вал:
1 - носок; 2 - шатунная шейка; 3 - коренная шейка; 4 - щека; 5 - противовес; 6 - хвостовик с фланцем

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ), пожалуй, самая важная система двигателя.
Назначение кривошипно-шатунного механизма – преобразовывать возвратно-поступательное движение во вращательное и обратно.

Все детали кривошипно-шатунного механизма делятся на две группы: подвижные и неподвижные. К подвижным относятся:

• поршень,
• коленчатый вал,
• маховик.

К неподвижным:

• головка и блок цилиндров,
• крышка картера.

Устройство кривошипно-шатунного механизма

Поршень похож на перевернутый стакан, в который укладываются кольца. На любом из них присутствуют два вида колец: маслосъемное и компрессионное. Маслосъемных обычно ставят два, а компрессионных – одно. Но бывают и исключения в виде: два таких и два таких — все зависит от типа двигателя.

Шатун изготавливается из двутаврового стального профиля. Состоит из верхней головки, которая соединяется с поршнем при помощи пальца, и нижней – соединение с коленчатым валом.

Коленчатый вал изготавливается в основном из чугуна повышенной прочности. Представляет собой несоосный стержень. Все шейки тщательно шлифуются, с соблюдением необходимых параметров. Существуют коренные шейки — для установки коренных подшипников, и шатунные – для установки через подшипники шатунов.

Роль подшипников скольжения выполняют разрезные полукольца, выполненные в виде двух вкладышей, которые обработаны токами высокой частоты для прочности. Все они покрыты антифрикционным слоем. Коренные крепятся к блоку двигателя, а шатунные — к нижней головке шатуна. Чтобы вкладыши хорошо работали, в них делают канавки для доступа масла. Если вкладыши провернуло – значит, имеется недостаточный подвод масла к ним. Это обычно происходит при засорении масляной системы. Вкладыши ремонту не подлежат.

Продольное перемещение вала ограничивают специальные упорные шайбы. С обоих концов обязательно применение различных сальников для предотвращения выхода масла из системы смазки двигателя.

К передней части коленвала крепится шкив привода системы охлаждения и звездочка, которая приводит в действие распредвал при помощи цепной передачи. На основных моделях выпускаемых сегодня автомобилей ей на замену пришел ремень. К задней части коленчатого вала крепится маховик. Он предусмотрен для устранения дисбаланса вала.

Также на нем стоит зубчатый венец, предназначенный для пуска двигателя. Чтобы при разборке и дальнейшей сборке не возникало проблем – крепеж маховика выполняется по не симметричной системе. От расположения меток его установки зависит и момент зажигания – следовательно, оптимальная работа двигателя. При изготовлении его балансируют вместе с коленчатым валом.

Картер двигателя изготавливается вместе с блоком цилиндров. Он служит основой для крепления ГРМ и КШМ. Имеется поддон, который служит емкостью для масла, а так же для защиты двигателя от деформации. Снизу предусмотрена специальная пробка для слива моторного масла.

Принцип работы КШМ

На поршень оказывают давление газы, которые вырабатываются при сгорании топливной смеси. При этом он совершает возвратно – поступательные движения, заставляя проворачиваться коленчатый вал двигателя. От него вращательное движение передается на трансмиссию, а оттуда – на колеса автомобиля.

А вот на видео показано как работает КШМ в :

Основные признаки неисправности КШМ:

• стуки в двигателе;
• потеря мощности;
• снижение уровня масла в картере;
• повышенная дымность выхлопных газов.

Кривошипно-шатунный механизм двигателя очень уязвим. Для эффективной работы необходима своевременная замена масла. Лучше всего ее производить на станциях техобслуживания. Даже, если Вы недавно поменяли масло, и приходит пора сезонного ТО – обязательно перейдите на то масло, какое указано в инструкции по эксплуатации машины. Если в работе двигателя возникают какие-то проблемы: шумы, стуки – обращайтесь к специалистам – только в авторизированном центре Вам дадут объективную оценку состояния автомобиля.

Крипошип (рис. 32) - звено кривошип­ного механизма, которое может совершать полный оборот вокруг неподвиж­ной оси. Кривошип (I) имеет цилиндрический выступ - шип 1 , ось которого смещена относительно оси вращения кривошипа на расстояние r, которое мо­жет быть постоянным или регулируемым. Более сложным вращающимся зве­ном кривошипного механизма является коленчатый вал. Эксцен­трик (III) - диск, насаженный на вал с эксцентриситетом, то есть со смеще­нием оси диска относительно оси вала. Эксцентрик можно рассматривать как конструктивную разновидность кривошипа с малым радиусом.

Рис. 32

Кривошипный механизм - механизм, преобразующий один вид движения в другой. Например, равномерно вращательное - в поступа­тельное, качательное, неравномерное вращательное и т. д. Вращающееся звено кривошипного механизма, выполненное в виде кривошипа или ко­ленчатого вала, связано со стойкой и другим звеном вращательными кине­матическими парами (шарнирами). Принято различать подобные механиз­мы на кривошипно-шатунные, кривошипно-коромысловые, кривошипно- кулисные и др. в зависимости от характера движения и наименования того звена, в паре с которым работает кривошип.

Используются кривошипные механизмы в поршневых двигателях, насо­сах, компрессорах, прессах, в приводе движения металлорежущих станках и других машинах.

Кривошипно-шатунный механизм - один из самых распрост­раненных механизмов преобразования движения. Его применяют как для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (на­пример, поршневые насосы), так и для преобразования возвратно-поступа­тельного во вращательное (например, двигатели внутреннего сгорания).

Шатун - деталь кривошипно-шатунного (ползунного) механизма, передающая движение поршня или ползуна на кривошип коленчатого ва­ла. Часть шатуна, служащая для присоединения к коленчатому валу, назы­вается кривошипной головкой, а противоположная часть - поршневой (или ползунной)головкой.

Механизм состоит из стойки 1 (рис. 33), кривошипа 2, шатуна 3 и ползуна 4. Кривошип совершает непрерывное вращение, ползун - возвратно-посту­пательное движение, а шатун - сложное, плоско-параллельное движение. , Полный ход ползуна получается равным удвоенной длине кривошипа. Рассматривая перемещения ползуна из одного положения в другое, нетруд­но увидеть, что при повороте кривошипа на равные углы ползун проходит разное расстояние: при движении от крайнего положения к среднему участ­ки пути ползуна увеличиваются, а при движении от среднего положения к крайнему - уменьшаются. Это свидетельствует о том, что при равномерном движении кривошипа ползун движется неравномерно. Так скорость движе­ния ползуна меняется от нуля в начале его движения и достигает наиболь­шей величины, когда кривошип и шатун образуют между собой прямой угол, затем снова уменьшается до нуля при другом крайнем положении.

Рис. 33

Неравномерность хода ползуна вызывает появление сил инерции, ока­зывающих отрицательное влияние на весь механизм. В этом главный недо­статок кривошипно-ползунного механизма.

В некоторых кривошипно-шатунных механизмах возникает необходи­мость в обеспечении прямолинейности движения поршневого штока 4 (рис. 34). Для этого между кривошипом 1, шатуном 2 и ползуном 5 используют так называемый крейцкопф 3, воспринимающий на себя качательные движения шатуна (4 - шток промежуточный).

Рис. 34

Основные подвижные детали ДВС входят в состав кривошипно-шатунного механизма, назначением которого является преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. В зависимости от конструкции кривошипно-шатунного механизма двигатели, как и их поршни, бывают тронковые и крейцкопфные, простого и двойного действия. В отличие от тронковых крейцкопфные двигатели имеют наряду с поршнем, шатуном и коленчатым валом поршневой шток и ползун (крейцкопф), перемещающийся вдоль поперечины.

Тронковый поршень одновременно является как бы ползуном, поэтому он имеет длинную направляющую часть, называемую юбкой или тронком. Примером такого поршня может служить поршень четырехтактного дизеля, изображенный на рис. 43. Поршень состоит из головки 1 и тронка 7, имеющего внутри камеру. Головка поршня включает в себя донышко и боковую поверхность, на которой расположены канавки для поршневых уплотнительных 2 и маслосъемных 3 колец. Такая же. канавка для маслосъемных колец расположена на нижней части тронка.

Направляющая часть поршня имеет устройство для соединения его с шатуном, состоящее из поршневого пальца 5, втулок 6 и заглушек 4. В практике распространены два способа установки поршневого пальца в бобышках направляющей части поршня: палец закрепляется в бобышках жестко, шатун посажен на него неподвижно; палец не закрепляется в бобышках, шатун также имеет возможность поворота вокруг него (так называемый плавающий палец). В последнем случае конструкция пальца (рис. 43, поз. 5) имеет несомненные преимущества, так как износ пальца уменьшается и происходит более равномерно, улучшаются условия работы пальца.

Рис. 43. Тронковый поршень четырехтактного двигателя.

При диаметре цилиндра более 400 мм поршни тронковых двигателей изготовляют разъемными.

Поршни крейцкопфных двигателей отличаются от тронковых тем, что имеют жесткое соединение поршня со штоком. Поршневой шток обычно заканчивается фланцем, который соединяется с поршнем посредством шпилек.

Во избежание перегрева донышка поршня у двигателей с ползунами, как и у тронковых двигателей с цилиндрами больших диаметров, применяют искусственное охлаждение донышек. Для этой цели используют пресную или забортную воду и масло.

На рис. 44 показан укороченный поршень современного двухтактного дизеля с наддувом. В таких дизелях нижняя полость цилиндра используется в качестве продувочного насоса, поэтому направляющая часть поршня значительно сокращается (короткий или укороченный поршень). Кованая стальная головка поршня 4 имеет снаружи канавки для уплотнительных колец 3, а внутри головки поршня расположен вытеснитель 5, предназначенный для ускорения движения охлаждающего масла. В направляющей части поршня 1, изготовленной из чугуна, предусмотрены канавки для направляющих колец 2. Внутри направляющей части находятся шпильки 7 для крепления штока поршня 8 с головкой поршня через отверстия в направляющей части. Донышко поршня охлаждается маслом, которое подводится по каналу 9 в штоке поршня, а отводится из верхней полости по трубе 6. Наиболее нагруженная часть поршней всех видов - головка поршня. На донышко головки в процессе работы двигателя давят горячие газы, которые нагревают его и, кроме того, стремятся прорваться внутрь двигателя. Вследствие этого донышко головки поршня имеет особую конфигурацию, обусловленную требуемой формой камеры сгорания, и охлаждаемую внутреннюю поверхность.

Рис. 44. Укороченный поршень двухтактного дизеля с наддувом.

Высота боковой поверхности головки поршня зависит от размеров и числа поршневых уплотнительных колец. Поршневые кольца обеспечивают не только уплотнения цилиндра от прорыва газов, но и передачу тепла от головки поршня к стенкам рабочей втулки цилиндра. Эти функции обычно выполняют два-три верхних кольца, а остальные являются как бы вспомогательными, повышая надежность их работы. В тихоходных двигателях обычно ставят пять - семь поршневых колец, а в быстроходных, благодаря уменьшению времени протекания газа через неплотности между поршнем и стенками цилиндра, достаточно трех- пяти.

Поршневые кольца изготовляют прямоугольного или реже трапециевидного сечения из более мягкого металла, чем втулка цилиндра. Для возможности установки колец в пазы поршня их делают разрезными, а место стыка, называемое замком, выполняют с косым, ступенчатым (внахлестку) или прямым срезом. Благодаря разрезной конструкции и пружинящим свойствам материала поршневые кольца плотно прижимаются к стенкам втулки цилиндра, предотвращая трение о них поршня. Тем самым улучшаются условия работы поршня и уменьшается износ втулки.

В отличие от уплотнительных маслосъемные кольца служат для предотвращения попадания масла в камеру сгорания и снятие его излишка со стенок цилиндровой втулки.

Шатун двигателя предназначен для передачи усилия от поршня коленчатому валу. Он состоит из трех основных частей (рис. 45): нижней головки I, стержня II и верхней головки III. Шатуны, как и поршни, бывают тронковые и крейцкопфные. Их различие определяется в основном конструкцией верхней головки и расположением шатуна по отношению к поршню.

Рис. 45. Шатун тронкового двигателя.

Верхняя головка шатуна тронковых двигателей (двигатели малой и средней мощности) выполняется неразъемной. В отверстие головки 1 (рис. 45) запрессовывают бронзовую втулку 2, которая выполняет роль головного подшипника и служит для соединения шатуна с поршнем при помощи поршневого пальца. Втулка 2 имеет по внутренней поверхности кольцевую канавку 3 и отверстия 4 для подвода смазки из центрального канала 5, просверленного в стержне.

Шатуны крейцкопфных двигателей, к которым относятся в основном двигатели большой мощности (как правило, двухтактные дизели с цилиндровой мощностью более 300 э.л.с.), изготовляют с разъемной верхней головкой. Такая головка крепится болтами к верхней части шатуна, имеющей форму развилки или прямоугольного фланца. Стержень 6 шатуна выполняют круглого сечения с центральным каналом 5, что характерно для тихоходных двигателей.

Стержни шатунов быстроходных двигателей имеют обычно кольцевую или двутавровую форму сечений, часто изготовляются заодно с верхней половиной нижней головки, что способствует уменьшению веса шатуна. Нижняя головка шатуна служит для расположения в ней мотылевого подшипника, посредством которого шатун соединяется с мотылевой шейкой коленчатого вала. Головка состоит из двух половин, снабженных бронзовыми или стальными взаимозаменяемыми вкладышами, внутренняя поверхность которых заливается слоем баббита.

В тихоходных двигателях шатун выполняют с отъемной нижней головкой 9, состоящей из двух стальных половин - отливок без вкладышей. В этом случае слоем баббита заливают рабочую поверхность каждой половины головки. Такая конструкция нижней головки позволяет быстро ее заменять в случае выхода из строя и дает возможность регулировать высоту камеры сжатия цилиндра двигателя путем изменения толщины компрессионной прокладки 7 между пяткой шатуна и верхней частью головки. Для центровки нижней головки со стержнем шатуна на верхней ее части предусмотрен выступ 11.

Обе половины мотылевого подшипника стягиваются двумя шатунными болтами 8, которые имеют по два посадочных пояска, крепятся с помощью корончатых гаек и шплинтуются. Набор прокладок 10 в разъеме подшипника необходим для регулирования масляного зазора между мотылевой шейкой коленчатого вала и антифрикционной заливкой. Прокладки фиксируются в разъеме шпильками и винтами.

Коленчатый вал - одна из наиболее ответственных, сложных в изготовлении и дорогостоящих деталей двигателя. Коленчатый вал при работе испытывает значительные нагрузки, поэтому для его изготовления применяют качественные углеродистые и легированные стали, а также модифицированный и легированный чугуны. Ввиду сложности конструкции изготовление коленчатого вала связано с выполнением трудоемких и сложных процессов, а его стоимость, включая материал, ковку и механическую обработку, составляет иногда более 10% стоимости всего двигателя.

Коленчатые валы быстроходных двигателей малой и средней мощности изготовляют цельноковаными или цельноштампованными, валы двигателей средней и большой мощности - составными из двух и более частей, соединенных фланцами. При большом диаметре шеек валы изготовляют с составными кривошипами.

В зависимости от конструкции и числа цилиндров двигателя коленчатый вал может иметь разное число колен (кривошипов): в однорядных двигателях - равное числу цилиндров, а в двухрядных (V-образных)- равное половине числа цилиндров. Колена вала развертывают по отношению друг к другу на определенный угол, величина которого зависит от числа цилиндров и порядка их работы (порядка вспышки у двигателей с числом цилиндров четыре, шесть и более).

Основными элементами коленчатого вала (рис. 46, а) являются: мотылевые (или шатунные) шейки 2, рамовые (или коренные) шейки I и щеки 3, соединяющие шейки между собой.

Иногда для уравновешивания центробежных сил колена к щекам 1 крепят противовес 2 (рис. 46,6). Мотылевые шейки охватываются подшипником нижней головки шатуна, а рамовые шейки лежат в рамовых подшипниках, размещенных в фундаментной раме или картере двигателя и являющихся опорами коленчатого вала. Смазка шеек осуществляется следующим образом. К рамовым шейкам масло подается под давлением через сверления в крышке и в верхнем вкладыше рамового подшипника, затем через сверления в щеке (рис. 46, в) подводится к мотылевой шейке. В пустотелых коленчатых валах быстроходных двигателей масло поступает в полость вала и попадает на рабочие поверхности шеек через полости и радиальные отверстия, выполненные в них.

Рис. 46. Коленчатый вал двигателя.

Рамовые подшипники воспринимают все нагрузки, передающиеся на коленчатый вал. Каждый рамовый подшипник состоит из двух половин: корпуса, отлитого заодно с рамой, и крышки, закрепленной на корпусе болтами. Внутри подшипника закрепляется стальной вкладыш, состоящий из двух взаимозаменяемых половин (верхней и нижней), залитых по рабочей поверхности антифрикционным сплавом - баббитом. Длина вкладыша выбирается обычно меньше длины рамовой шейки вала. Один из рамовых подшипников (первый от передачи вращения распределительному валу) выполняется как установочный (рис. 47).

Рис. 47. Установочный рамовый подшипник коленчатого вала.

Длина вкладыша 7 установочного подшипника равна длине шейки вала; он имеет антифрикционную заливку 1 не только внутри, но и с торцевой поверхности. В свою очередь рамовая шейка вала в месте посадки этого подшипника имеет выступающие кольцевые бурты. Таким образом, установочный подшипник обеспечивает вполне определенное положение коленчатого вала относительно фундаментной рамы. Вкладыш 7 подшипника стопорится от проворачивания и осевого перемещения вставкой 5, расположенной между крышкой 3 подшипника и верхней половиной вкладыша. Плоскость разъема вкладыша совпадает с плоскостью, проходящей через ось вала, которая находится ниже плоскости соединения рамы со станиной двигателя. В плоскости разъема устанавливают на двух контрольных штифтах прокладки 6, предназначенные для регулирования масляного зазора между вкладышем и шейкой вала.

Крышка 3 подшипника выполняется стальной литой. Она имеет в центре сквозное вертикальное отверстие для подвода смазки к шейке вала. В верхней половине вкладыша расположено такое же соосное отверстие, из которого масло попадает в кольцевую масляную канавку 4 на поверхность антифрикционной заливки, а затем - в масляный холодильник 2.

На кормовом конце коленчатого вала обычно крепится маховик, предназначенный для уменьшения и выравнивания угловой скорости вращения вала. Кроме того, инерция маховика облегчает переход шатуна с поршнем через мертвые точки. Размер и вес маховика находятся в обратной зависимости от числа цилиндров двигателя: чем больше число цилиндров, тем меньше должен быть вес Маховика. Нередко маховик, в частности его диск, используют для соединения с гребным валом, валом редуктора или валом электрогенератора при помощи эластичной муфты.

Если есть что-то, что прочно ассоциируется с любым автомобилем, это механизм двигателя. Как ни странно, принцип его действия мало изменился с тех пор, как 120 лет назад Карл Бенц запатентовал свой первый автомобиль. Система усложнялась, обрастала сложной электроникой, совершенствовалась, но кривошипно-шатунный механизм (КШМ) остался самым узнаваемым “портретом” любого мотора.

Что такое КШМ и для чего он нужен?

Двигатель в процессе работы должен давать какое-то постоянное движение, и удобней всего, чтобы это было равномерное вращение. Однако силовая часть (цилиндро-поршневая группа, ЦПГ) вырабатывает поступательное движение. Значит, нужно сделать так, чтобы один тип движения преобразовался в другой, причем с наименьшими потерями. Вот для этого и был создан кривошипно-шатунный механизм.
По сути, КШМ – это устройство для получения и преобразования энергии и передачи ее дальше, другим узлам, которые уже эту энергию используют.

Строго говоря, КШМ автомобиля состоит из самого кривошипа, шатунов и поршней. Однако говорить о части, не рассказав о целостной конструкции, было бы в корне неправильно. Поэтому схема и назначение КШП и смежных элементов будет рассматриваться в комплексе.

Устройство КШМ: (1 — коренной подшипник на коренной шейке; 2 — шатунный подшипник на шатунной шейке; 3 — шатун; 4 — поршневой палец; 5 — поршневые кольца; 6 — поршень; 7 — цилиндр; 8 — маховик; 9 — противовес; 10 — коленчатый вал.)

1. Блок цилиндров – это начало всего движения в моторе. Его составляющие – поршни, цилиндры и гильзы цилиндров, в которых эти поршни движутся;
2. Шатуны – это соединительные элементы между поршнями и коленвалом. По сути, шатун представляет собой прочную металлическую перемычку, которая одной стороной крепится к поршню с помощью шатунного пальца, а другой фиксируется на шейке коленвала. Благодаря пальцевому соединению поршень может двигаться относительно цилиндра в одной плоскости. Точно так же шатун охватывает посадочное место коленвала – шатунную шейку, и это крепление позволяет ему двигаться в той же плоскости, что и соединение с поршнем;
3. Коленвал – коленчатый вал вращения, ось которого проходит через носок вала, коренные (опорные) шейки и фланец маховика. А вот шатунные шейки выходят за ось вала, и благодаря этому при его вращении описывают окружность;
4. Маховик – обязательный элемент механизма, накапливающий инерцию вращения, благодаря которой двигатель работает ровней и не останавливается в “мертвой точке”.

Эти и другие элементы КШМ можно условно разделить на подвижные, те, что выполняют непосредственную работу, и неподвижные вспомогательные элементы.

Подвижная (рабочая) группа КШМ

Как понятно из названия, к подвижной группе относятся элементы, которые активно задействованы в работе двигателя.

1. Поршень . При работе двигателя поршень перемещается в гильзе цилиндра под действием выталкивающей силы при сгорании топлива – с одной стороны, и поворотом коленвала – с другой. Для уплотнения зазора между ним и цилиндром на боковой поверхности поршня находятся поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные), которые герметизируют промежуток и препятствуют потере мощности во время сгорания топлива.

   
   Устройство поршневой группы: (1 — масляно-охлаждающий канал; 2 — камера сгорания в днище поршня; 3 — днище поршня; 4 — канавка первого компрессионного кольца; 5 — первое (верхнее) компрессионное кольцо; 6 — второе (нижнее) компрессионное кольцо; 7 — маслосъемное кольцо; 8 — масляная форсунка; 9 — отверстие в головке шатуна для подвода масла к поршневому пальцу; 10 — шатун; 11 — поршневой палец; 12 — стопорное кольцо поршневого пальца; 13 и 14 — перегородки поршневых колец; 15 — жаровой пояс.)

2. Шатун . Это соединительный элемент между поршнем и коленвалом. Верхней головкой шатун крепится к поршню с помощью пальца. Нижняя головка имеет съемную часть, так что шатун можно надеть на шейку коленвала. Для уменьшения трения между шейкой коленвала и головкой шатуна ставятся шатунные вкладыши – подшипники скольжения в виде двух пластин, изогнутых полукругом.

   
   Устройство шатуна

3. Коленвал . Это центральная часть двигателя, без которой сложно представить себе его принцип работы. Основной его частью является ось вращения, которая одновременно служит опорой для коленвала в блоке цилиндров. Выступающие за ось вращения элементы предназначены для присоединения к шатунам: когда шатун движется вниз, коленвал позволяет ему описать нижней частью окружность одновременно с движением поршня. Так же, как и в случае с шатунами, опорные шейки коленвала лежат на подшипниках скольжения – вкладышах.

   
   Устройство коленвала

4. Маховик . Он крепится к фланцу на торцевой части коленвала. Маховик вращается вместе с валом двигателя и частично демпфирует неизбежные в любом ДВС рывковые нагрузки. Но основная задача маховика – раскручивать коленвал (а с ним и цилиндро-поршневую группу), чтобы поршни не замерли в “мертвой точке”. Таким образом, часть мощности двигателя расходуется на поддержку вращения маховика.

Устройство маховика

Неподвижная группа КШМ

Неподвижной группой можно назвать внешнюю часть двигателя, в которой находится КШП.

1. Блок цилиндров . По сути, это корпус, в котором располагаются непосредственно цилиндры, каналы системы охлаждения, посадочные места распредвала, коленвала и т.д. Он может выполняться из чугуна или алюминиевого сплава, и сегодня производители всё чаще используют алюминий, чтобы облегчить конструкцию. Для этой же цели вместо сплошного литья используются ребра жесткости, которые облегчают конструкцию без потери прочности. На боковых сторонах блока цилиндров располагаются посадочные места для вспомогательных механизмов двигателя.

   
   Блок цилиндров

2. Головка блока цилиндров (ГБЦ). Устанавливается на блок цилиндров и закрывает его сверху. В ГБЦ предусмотрены отверстия для клапанов, впускного и выпускного коллекторов, крепления распредвала (одного или больше), крепления для других элементов двигателя. К ГБЦ, снизу, крепится прокладка (1) — пластина, которая герметизирует стык между блоком цилиндров и ГБЦ. В ней предусмотрены отверстия для цилиндров и крепежных болтов. А сверху — клапанная крышка (5), — ею закрывается ГБЦ сверху, когда двигатель собран и готов к запуску. Прокладка клапанной крышки. Это тонкая пластина, которая укладывается по периметру ГБЦ и герметизирует стык.

Устройство ГБЦ: (1 — прокладка ГБЦ; 2 — ГБЦ; 3 — сальник; 4 — прокладка крышки ГБЦ; 5 — крышка клапанная; 6- прижимная пластина; 7 — пробка маслозаливной горловины; 8 — прокладка пробки; 9 — направляющая втулка клапана; 10 — установочная втулка; 11 — болт крепления головки блока.)

Принцип работы КШМ

Работа механизма двигателя основана на энергии расширения при сгорании топливно-воздушной смеси. Именно эти “микровзрывы” являются движущей силой, которую кривошипно-шатунный механизм переводит в удобную форму. На видео, ниже, подробно описанный принцип работы КШМ в 3Д анимайии.

Принцип работы КШМ:

1. В цилиндрах двигателя сгорает распыленное и смешанное с воздухом топливо. Такая дисперсия предполагает не медленное горение, а мгновенное, благодаря чему воздух в цилиндре резко расширяется.
2. Поршень, который в момент начала горения топлива находится в верхней точке, резко опускается вниз. Это прямолинейное движение поршня в цилиндре.
3. Шатун соединен с поршнем и коленвалом так, что может двигаться (отклоняться) в одной плоскости. Поршень толкает шатун, который надет на шейку коленвала. Благодаря подвижному соединению, импульс от поршня через шатун передается на коленвал по касательной, то есть вал делает поворот.
4. Поскольку все поршни по очереди толкают коленвал по тому же принципу, их возвратно-поступательное движение переходит во вращение коленвала.
5. Маховик добавляет импульс вращения, когда поршень находится в «мертвых» точках.

Интересно, что для старта двигателя нужно сначала раскрутить маховик. Для этой цели нужен стартер, который сцепляется с зубчатым венцом маховика и раскручивает его, пока мотор не заведется. Закон сохранения энергии в действии.

Остальные элементы двигателя: клапаны, распредвалы, толкатели, система охлаждения, система смазки, ГРМ и прочие – необходимые детали и узлы для обеспечения работы КШМ.

Основные неисправности

Учитывая нагрузки, как механические, так и химические, и температурные, кривошипно-шатунный механизм подвержен различным проблемам. Избежать неприятностей с КШП (а значит, и с двигателем) помогает грамотное обслуживание, но всё равно от поломок никто не застрахован.

Стук в двигателе.

Один из самых страшных звуков, когда в моторе вдруг появляется странный стук и прочие посторонние шумы. Это всегда признак проблем: если что-то начало стучать, значит, с ним проблема. Поскольку в двигателе элементы подогнаны с микронной точностью, стук свидетельствует об износе. Придется разбирать двигатель, смотреть, что стучало, и менять изношенную деталь.

Основной причиной износа чаще всего становится некачественное ТО двигателя. Моторное масло имеет свой ресурс, и его регулярная замена архиважна. То же относится и к фильтрам. Твердые частички, даже мельчайшие, постепенно изнашивают тонко пригнанные детали, образуют задиры и выработку.

Стук может говорить и об износе подшипников (вкладышей). Они также страдают от недостатка смазки, поскольку именно на вкладыши приходится огромная нагрузка.

Снижение мощности.
Потеря мощности двигателя может говорить о залегании поршневых колец. В этом случае кольца не выполняют свою функцию, в камере сгорания остается моторное масло, а продукты сгорания прорываются в двигатель. Прорыв газов говорит и о пустой растрате энергии, и это чувствует автовладелец как снижение динамических характеристик. Продолжительная работа в такой ситуации может только ухудшить состояние двигателя и довести стандартную, в общем-то, проблему до капремонта двигателя.

Проверить состояние мотора можно самостоятельно, измерив компрессию в цилиндрах. Если она ниже нормативной для данной модификации двигателя, значит, предстоит ремонт двигателя.

Повышенный расход масла.
Если двигатель начал “жрать” масло, это явный признак залегания поршневых колец или других проблем с цилиндро-поршневой группой. Масло сгорает вместе с топливом, из выхлопной трубы идет черный дым, температура в камере сгорания превышает расчетную, и это не добавляет двигателю здоровья. В некоторых случаях может помочь очистка без демонтажа двигателя, но в большинстве случаев предстоит разборка и дефектовка двигателя.

Нагар.
Отложения на поршнях, клапанах и свечах зажигания говорят о том, что с двигателем есть проблема. Если топливо не сгорает полностью, нужно искать причину неисправности и устранять ее. В противном случае мотору грозит перегрев из-за ухудшения теплопроводности поверхностей со слоем нагара.

Белый дым из выхлопной трубы.
Появляется, когда в камеру сгорания попадает антифриз. Причиной чаще всего бывает износ прокладки ГБЦ или микротрещины в рубашке охлаждения двигателя, и для устранения проблемы необходима ее замена.

Медлить в этой ситуации нежелательно: маленькая протечка может обернуться гидроударом. Камера сгорания наполняется жидкостью, поршень движется вверх, но жидкость, в отличие от воздуха, не сжимается, и получается эффект удара о твердую поверхность. Последствия такой катастрофы могут быть любые, вплоть до “кулака дружбы” и продажи машины на запчасти.

Заключение

Несмотря на высокие нагрузки, критические условия работы и даже небрежность владельцев, кривошипно-шатунный механизм отличается завидной живучестью. Вывести его из строя можно неправильным обслуживанием, нештатными нагрузками, поломкой смежных элементов. Да, двигатель почти всегда можно починить, но эта услуга обойдется в разы дороже, чем просто грамотное регулярное ТО. Недаром же есть двигатели “миллионники”, которые способны служить десятилетиями, не доставляя проблем владельцу машины.