Кривошипно шатунный механизм назначение и принцип действия

Содержание

Как работает и устроен кривошипно-шатунный механизм двигателя

Двигатели внутреннего сгорания, используемые на автомобилях, функционируют за счет преобразования энергии, выделяемой при горении горючей смеси, в механическое действие – вращение. Это преобразование обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом (КШМ), который является одним из ключевых в конструкции двигателя автомобиля.

устройство кривошипно-шатунного механизма

Кривошипно-ползунный механизм — устройство, принцип работы, применение — принцип действия, анализ, применение

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.

Устройство и принцип работы кривошипно-шатунного механизма двигателя

Кривошипно-шатунный механизм двигателя преобразует возвратно-поступательное движение поршней (от энергии сгорания топливной смеси) во вращательное движение коленчатого вала и наоборот. Это технически сложный механизм, составляющий основу ДВС. В статье подробно рассмотрим устройство и особенности работы КШМ.

Кривошипно-шатунный механизм двигателя КШМ

При контролируемом сгорании топлива в ДВС автомобиля поршням придается возвратно поступательное движение. Для преобразования его в крутящий момент служит узел КШМ – кривошипно-шатунный механизм, шарнирно закрепленный к поршням и коленвалу. Основных неисправностей немного, но для устранения требуется полная разборка двигателя.

КШМ

Кривошипно-шатунный механизм двигателя внутреннего сгорания: устройство, назначение, как работает – полезные статьи на Автодромо

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) преобразует прямолинейное возвратно-поступательные движения поршней, воспринимающих давление газов, во вращательное движение коленчатого вала.

Устройство КШМ можно разделить на две группы: подвижные и неподвижные.

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.

Примечание.

Немалая доля навесного моторного оборудования монтируется именно на блоке цилиндров, и при включенном двигателе работает с ним как единое целое.

Что касается назначения и принципа работы поршня и иных деталей поршневой группы, то об этом мы уже говорили выше. Напомним лишь, что под силой мощного давления, которое образуется в цилиндре после сгорания рабочей смеси, поршень движется вниз и передает свое движение через шатун (на котором он установлен) на коленчатый вал, образуя тот самый крутящий момент, с помощью которого автомобиль и приводится в движение.

Знайте, что двигатель внутреннего сгорания работает в довольно жестком режиме. На холостых оборотах (т. е. когда мотор работает, но машина стоит на месте, находясь на нейтральной передаче) коленчатый вал вращается со скоростью 600–900 оборотов в минуту (или около 10–16 оборотов в секунду). Во время движения со средней скоростью мотор работает еще интенсивнее, и коленчатый вал крутится со скоростью от 2000 до 3000 оборотов в минуту. А у современных спортивных авто скорость вращения коленвала может зашкаливать за 200 оборотов в секунду (10 000 — 13 000 оборотов в минуту).

Следовательно, поршни в цилиндрах перемещаются вверх-вниз очень быстро. Ранее мы уже отмечали, что за один полный оборот коленвала поршень успевает дважды пройти расстояние между ВМТ и НМТ. Так вот: эти движения он выполняет буквально за какие-то доли секунды. Если к этому добавить мощное давление, а также высокую температуру в каждом цилиндре, то условия работы двигателя внутреннего сгорания можно назвать экстремальными.

Устройство механизма

Первые кривошипные устройства были изобретены в античном мире. На древнеримских лесопилках вращательное движение водяного колеса, вращаемого речным течением, преобразовывалось в возвратно-поступательной движение полотна пилы. В античности большого распространения такие устройства не получили по следующим причинам:

  • деревянные части быстро изнашивались и требовали частого ремонта или замены;
  • рабский труд обходился дешевле высоких для того времени технологий.

В упрощенном виде кривошипно-шатунный механизм использовался с XVI века в деревенских прялках. Движение педали преобразовывалось во вращение прядильного колеса и других частей приспособления.

Разработанные в XVIII веке паровые машины тоже использовали кривошипный механизм. Он располагался на ведущем колесе паровоза. Давление пара на поршневое дно преобразовывалось в возвратно- поступательное движение штока, соединенного с шатуном, шарнирно закрепленном на ведущем колесе. Шатун придавал колесу вращение. Такое устройство кривошипно-шатунного механизма было основой механического транспорта до первой трети XX века.

Паровозная схема была улучшена в крейцкопфных моторах. Поршень в них жестко прикреплен к крейцкопфу- штоку, скользящему в направляющих взад и вперед. На конце штока закреплен шарнир, к нему присоединен шатун. Такая схема увеличивает размах рабочих движений, позволяет даже сделать вторую камеру с другой стороны от поршня. Таким образом каждое движение штока сопровождается рабочим тактом. Такая кинематика и динамика кривошипно-шатунного механизма позволяет при тех же габаритах удвоить мощность. Крейцкопфы применяются в крупных стационарных и корабельных дизельных установках.

Крейцкопф

Элементы, составляющие кривошипно-шатунный механизм, разбивают на следующие типы:

  • Подвижные.
  • Неподвижные.

К первым относятся:

  • поршень;
  • кольца;
  • пальцы;
  • шатун;
  • маховик;
  • коленвал;
  • подшипники скольжения коленчатого вала.

К неподвижным деталям кривошипно-шатунного механизма относят:

  • блок цилиндров;
  • гильза;
  • головка блока;
  • кронштейны;
  • картер;
  • другие второстепенные элементы.

Поршни, пальцы и кольца объединяют в поршневую группу.

Каждый элемент, равно как и подробная кинематическая схема и принцип работы заслуживают более подробного рассмотрения

Принцип работы механизма

Принцип работы кривошипно-шатунного механизма рассмотрим упрощенно на примере одноцилиндрового мотора. Такой двигатель включает в себя:

  • коленчатый вал с двумя коренными шейками и одним кривошипом;
  • шатун;
  • и комплект деталей ЦПГ, включающий в себя гильзу, поршень, поршневые кольца и палец.

Воспламенение горючей смеси выполняется когда объем камеры сгорания минимальный, а обеспечивается это при максимальном поднятии вверх поршня внутри гильзы (верхняя мертвая точка – ВМТ). При таком положении кривошип тоже «смотрит» вверх. При сгорании выделяемая энергия толкает вниз поршень, это движение передается через шатун на кривошип, и он начинает двигаться по кругу вниз, при этом коренные шейки вращаются вокруг своей оси.

При провороте кривошипа на 180 градусов поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ). После ее достижения выполняется обратная работа механизма. За счет накопленной кинетической энергии маховик продолжает вращать коленвал, поэтому чему кривошип проворачивается и посредством шатуна толкает поршень вверх. Затем цикл полностью повторяется.

Если рассмотреть проще, то один полуоборот коленвала осуществляется за счет выделенной при сгорании энергии, а второй – благодаря кинетической энергии, накопленной маховиком. Затем процесс повторяется вновь.

Ещё кое-что полезное для Вас:

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.

Принцип действия и назначение

В отличие от электродвигателя принцип действия КШМ в двигателях внутреннего сгорания значительно сложнее:

  • поршни поочередно выталкиваются из цилиндров при воспламенении топливной смеси;
  • внутри них шарнирно закреплены шатунные детали сложной конфигурации;
  • коленчатый вал имеет ответную посадочную поверхность П-образного типа для нижней головки шатуна, что обеспечивает смещение от оси вращения вала;
  • за счет фиксированного расстояния между поршнем и коленвалом шатун описывает амплитуду в виде восьмерки, за счет чего и преобразуется поступательное движение с цилиндров в крутящий момент на валу.

Основное назначение расходных элементов КШМ (вкладыши, втулки, кольца) заключается в увеличении эксплуатационного ресурса этого узла. Поскольку число цилиндров достигает 16 штук в современных авто, устройство и работа механизма КШ должна быть идеально сбалансирована.

Особенности работы двигателя. Такты

циклы работы двигателя внутреннего сгорания

Выше описана упрощенная схема работы КШМ. В действительности чтобы создать необходимые условия для нормального сгорания топливной смеси, требуется выполнение подготовительных этапов – заполнение камеры сгорания компонентами смеси, их сжатие и отвод продуктов горения. Эти этапы получили название «такты мотора» и всего их четыре – впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Из них только рабочий ход выполняет полезную функцию (именно при нем энергия преобразуется в движение), а остальные такты – подготовительные. При этом выполнение каждого этапа сопровождается проворотом коленвала вокруг оси на 180 градусов.

Конструкторами разработано два типа двигателей – 2-х и 4-тактный. В первом варианте такты совмещены (рабочий ход с выпуском, а впуск – со сжатием), поэтому в таких моторах полный рабочий цикл выполняется за один полный оборот коленвала.

В 4-тактном двигателе каждый такт выполняется по отдельности, поэтому в таких моторах полный рабочий цикл выполняется за два оборота коленчатого вала, и только один полуоборот (на такте «рабочий ход») выполняется за счет выделенной при горении энергии, а остальные 1,5 оборота – благодаря энергии маховика.

Головка блока цилиндров

Цилиндр сверху закрыт головкой.

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

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

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

blank

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

blank

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

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

Основные неисправности и обслуживание КШМ

Несмотря на то, что кривошипно-шатунный механизм работает в жестких условиях, эта составляющая двигателя достаточно надежная. При правильном проведении технического обслуживания, механизм работает долгий срок.

При правильной эксплуатации двигателя ремонт кривошипно-шатунный механизма потребуется только из-за износа ряда составных деталей – поршневых колец, шеек коленчатого вала, подшипников скольжения.

Поломки составных компонентов КШМ происходят в основном из-за нарушения правил эксплуатации силовой установки (постоянная работа на повышенных оборотах, чрезмерные нагрузки), невыполнения ТО, использования неподходящих горюче-смазочных материалов. Последствиями такого использования мотора могут быть:

  • залегание и разрушение колец;
  • прогорание поршня;
  • трещины стенок гильзы цилиндра;
  • изгиб шатуна;
  • разрыв коленчатого вала;
  • «наматывание» подшипников скольжения на шейки.

Такие поломки КШМ очень серьезны, зачастую поврежденные элементы ремонту не подлежат их нужно только менять. В некоторых случаях поломки КШМ сопровождаются разрушениями иных элементов мотора, что приводит мотор в полную негодность без возможности восстановления.

Чтобы кривошипно-шатунный механизм двигателя не стал причиной выхода из строя мотора, достаточно выполнять ряд правил:

  1. Не допускать длительной работы двигателя на повышенных оборотах и под большой нагрузкой.
  2. Своевременно менять моторное масло и использовать смазку, рекомендованную автопроизводителем.
  3. Использовать только качественное топливо.
  4. Проводить согласно регламенту замену воздушных фильтров.

Не стоит забывать, что нормальное функционирование мотора зависит не только от КШМ, но и от смазки, охлаждения, питания, зажигания, ГРМ, которым также требуется своевременное обслуживание.

История

В природе

Задние конечности кузнечиков представляют собой кривошипно-шатунный механизм с неполным оборотом.
Бедро и голень человека и роботов-андроидов тоже представляют собой кривошипно-шатунный механизм с неполным оборотом.

В Римской империи

Самые ранние свидетельства появления на машине рукоятки в сочетании с шатуном относятся к пилораме из Иераполиса, 3-й век нашей эры, римский период, а также византийским каменным пилорамам в Герасе, Сирии и Эфесе, Малая Азия (6-й век нашей эры). Ещё одна такая пилорама возможно существовала во 2 веке н. э. в римском городе Августа-Раурика (современная Швейцария), где был найден металлический кривошип.

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.

Конструкции поршней с различной формой днища и их элементов

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.

Технология ремонта

Основное назначение капремонта КШМ – восстановление ресурса поршневой группы и коленчатого вала. Для этого реставрируются посадочные места, заменяются пальцы, вкладыши.

Ремонт КШМ

Поршни и пальцы

Поршень, условно входящий в кривошипно шатунный механизм двигателя авто, изготавливается из алюминиевых сплавов. Палец создан из легированной стали, изнашивается меньше.

У поршней восстанавливается зеркало, геометрия канавок для колец и бобышек, внутри которых находится палец. Размеры поршневого пальца подбираются при температуре воздуха в мастерской 20 градусов в зависимости от размерной группы поршня.

Ремонт шатунов

В основном изготавливают шатуны из стали 40Г, 40Х или ст45, характерными дефектами считаются:

  • выработка металла посадочных мест;
  • износ отверстий;
  • изменение геометрии (скручивание и изгиб).

Выбраковывают кинематический элемент механизма при аварийном изгибе, поломке и раскрытии трещин. В остальных случаях изгибы и скручивание устраняют при нагреве до 500 градусов для снятия внутренних напряжений. Посадочные поверхности фрезеруются, затем шлифуются до следующего ремразмера.

После чего, работа кривошипно шатунного механизма вновь удовлетворяет требованиям регламента ГОСТ. Запрещено удалять слой металла больше 0,2 – 0,4 мм для дизелей, карбюраторных ДВС, соответственно. В противном случае нарушается кинематическая схема узла.

Шатуны

Реставрация коленвала

Основными нюансами ремонта коленчатого вала являются:

  • деталь изготавливается из магниевого чугуна высокопрочного, сталей ДР-У, 50Т, 40Х или ст45;
  • основными дефектами становятся изгиб и выработка стали посадочных мест;
  • реже изнашиваются шпоночные канавки, повреждаются резьбы, раскрываются трещины;
  • ремонтопригодной считается сборка кривошипно шатунного механизма с выработкой посадочных поверхностей и поврежденными резьбами;
  • трещины более 3 мм приводят к отбраковке коленвала.

После промывки масляных каналов и наружных поверхностей изделие исследуется дефектоскопом. Выработку восстанавливают наплавлением Св-18ХГСА проволоки с проточкой под ремонтные параметры. Шпоночные канавки фрезеруют с заданной чистотой обработки. При этом должна соблюдаться схема установки шестеренок.

После шлифовки коленвал балансируют на динамической установке БМ-У4 либо КИ-4274.

Таким образом, кривошипно шатунный механизм КШМ проще и дешевле поддерживать в работоспособном состоянии. Для этого нужно своевременно проходить ТО и обращаться в сервис к специалистам при малейшем постороннем звуке в блоке цилиндров. В этом случае, даже капремонт обойдется дешевле.

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.

Газораспределительный механизм

Под давлением газов, которые образуются в цилиндрах двигателя при сгорании топливно-воздушной смеси, поршень совершает поступательное движение по направлению к коленчатому валу.

Важные детали механизма, а именно: поршень, шатун и вал помогают преобразовывать движения поступательного характера в движения вращательного, что в свою очередь запускает вращение колес автомобиля.

В обратном порядке взаимодействие вала и поршня выглядит следующим образом: вал при вращательном движении через детали механизма – вал, шатун и поршень, преобразовывает энергию в поступательное поршневое движение.

By A. Schierwagen using OpenOffice Draw , via Wikimedia Commons

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

Уравнения по отношению к угловому положению кривошипа (для центрального КШМ)

Уравнения, которые описывают циклическое движение поршня по отношению к углу поворота кривошипа.
Примеры графиков этих уравнений показаны ниже.

Положение

Положение относительно угла кривошипа (преобразованием отношений в треугольнике):

Скорость

Скорость по отношению к углу поворота кривошипа (первая производная взята, используя правило дифференцирования сложной функции):

Ускорение

Ускорение относительно угла кривошипа (вторая производная взята, используя правило дифференцирования сложной функции и частное правило):

Вкладыши

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

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

blank

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

Коленчатый вал

Коленчатый вал, 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.

Коленчатый вал

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

Пример графиков движения поршня

График показывает x, x’, x» по отношению к углу поворота кривошипа для различных радиусов кривошипа, где L — длина шатуна (l) и R — радиус кривошипа (r):

Единицами вертикальных осей являются: для положения, для скорости, для ускорения.
Единицами горизонтальных осей является угол поворота кривошипа в .

Анимация движения поршня с шатуном одинаковой длины и с кривошипом переменного радиуса на графике выше:

Анимация движения поршня с различными радиусами кривошипа

Гаситель крутильных колебаний (демпфер)

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

Картер двигателя

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Применение

Кривошипно-шатунный механизм используется в двигателях внутреннего сгорания, поршневых компрессорах, поршневых насосах, швейных машинах, кривошипных прессах, в приводе задвижек некоторых квартирных и сейфовых дверей. Также кривошипно-шатунный механизм применялся в брусовых косилках.

Примечания

  1. ↑ Короткоходный двигатель / М. А. Латинский // Конда — Кун. — М. : Советская энциклопедия, 1973. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 13).
  2. ↑ Тронковый двигатель // Тихоходки — Ульяново. — М. : Советская энциклопедия, 1977. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 26).
  3. ↑ Крейцкопфный двигатель / В. И. Ефанов // Конда — Кун. — М. : Советская энциклопедия, 1973. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 13).
  4. 12
    Ritti, Tullia; Grewe, Klaus; Kessener, Paul (2007), «A Relief of a Water-powered Stone Saw Mill on a Sarcophagus at Hierapolis and its Implications», Journal of Roman Archaeology, 20, pp. 138—163
  5. ↑ Schiöler, 2009

Неисправности, возникающие при работе КШМ и их причины

Сбои в работе могут случиться в разных элементах кривошипно-шатунной группы. Сложность конструкции и сочетания параметров шатунных механизмов двигателей заставляет особенно внимательно относить к их расчету, изготовлению и эксплуатации.

Наиболее часто к неполадкам приводит несоблюдение режимов работы и технического обслуживания мотора. Некачественная смазка, засорение каналов подачи масла, несвоевременная замена или пополнение запаса масла в картере до установленного уровня- все эти причины приводят к повышенному трению, перегреву деталей, появлению на их рабочих поверхностях задиров, потертостей и царапин. При каждой замене масла обязательно следует менять масляный фильтр. В соответствии с регламентом обслуживания также нужно менять топливные и воздушные фильтры.

Нарушение работы системы охлаждения также вызывает термические деформации деталей вплоть до их заклинивания или разрушения. Особенно чувствительны к качеству смазки дизельные моторы.

Износ стенки цилиндра КШМ

Неполадки в системе зажигания также могут привести к появлению нагара на поршне и пего кольцах Закоксовывание колец вызывает снижение компрессии и повреждение стенок цилиндра.

Бывает также, что причиной поломки становятся некачественные либо поддельные детали или материалы, примененные при техническом обслуживании. Лучше приобретать их у официальных дилеров или в проверенных магазинах, заботящихся о своей репутации.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Максим Коновалов
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий