Кривошипно-шатунный механизм (КШМ). Назначение, устройство, принцип действия

Видео: Кривошипно-шатунный механизм (КШМ). Основы

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.

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.

Картер двигателя

Служит конструктивной основой всего двигателя, к нему крепятся все остальные детали. От него отходят внешние кронштейны, на них весь агрегат прикреплен к кузову. К картеру крепится трансмиссия, передающая от двигателя к колесам крутящий момент. В современных конструкциях картер исполняется единой деталью с блоком цилиндров. В его пространственных рамках и происходит основная работа узлов, механизмов и деталей мотора. Снизу к картеру крепится поддон для хранения масла для смазки подвижных частей.

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»).

Неисправности КШМ

К основным признакам неисправности КШМ относятся следующие:

• Падение мощностных показателей двигателя;
• Появление посторонних шумов и стуков;
• Увеличенный расход масла;
• Возникновение дыма в отработанных газах;
• Перерасход топлива.

Шумы и стуки в моторе возникают из-за износа его главных составляющих и возникновение между сопряженными составляющими увеличенного зазора. При износе цилиндра и поршня, а также при возникновении большего зазора между ними появляется металлический стук, который удается отчетливо услышать при работе холодного мотора. Резкий и звонкий металлический стук при любых режимах работы мотора говорит об увеличенном зазоре между втулкой, верхней головки шатуна и поршневым пальцем. Усиление стука и шума при быстром увеличении числа оборотов коленвала свидетельствует об износе вкладышей шатунных или коренных подшипников, причем более глухой стук говорит об износе вкладышей коренных подшипников. Если износ вкладышей достаточно большой, то, вероятнее всего, давление масла резко понизится. В таком случае экс­плу­а­ти­ро­вать мотор не рекомендуется.

Падение мощности мотора возникает при износе цилиндров и поршней, износе или залегании в канавах поршневых колец, некачественной затяжке головки цилиндров. Подобные неисправности способствуют падению компрессии в цилиндре. Чтобы проверить компрессию, существует специальный прибор – компрессометр, измерения необходимо выполнять на теплом моторе. Для этого необходимо выкрутить все свечи, после чего установить наконечник компрессометра на место одной из них. При абсолютно открытом дросселе проворачивают мотор стартером в течение трех секунд. Подобным методом последовательно выполняют проверку всех остальных цилиндров. Значение компрессии должно быть в рамках, указанных в технических характеристиках мотора. Разница компрессии между цилиндрами не должна быть не выше 1 кг/см2.

Увеличенное потребление масла, перерасход топлива, образование дыма в отработанных газах обычно происходит при износе цилиндров и колец или при залегании поршневых колец. Вопрос с залеганием кольца можно решить без разборки мотора, залив в цилиндр через специальные отверстия для свечи соответствующую жидкость.

Отложение нагара на камерах сгорания и днищах поршней уменьшает теп­ло­про­вод­ность, что способствует перегреву мотора, повышению топливного расхода и падению мощности.

Трещины на стенках рубашки охлаждения блока, а также головки блока цилиндров могут образоваться в связи с замерзанием охлаждающей жидкости, в результате перегрева мотора, в результате заполнения охлаждающей системы ( см. система охлаждения двигателя) горячего мотора холодной охлаждающей жидкостью. Трещины на блоке цилиндров могут пропускать охлаждающую жидкость в цилиндры. В связи с этим выхлопные газы приобретают белый цвет.

Выше рассмотрены основные неисправности КШМ.

Крепежные работы

Чтобы предотвратить пропуск охлаждающей жидкости и газов через прокладку головки цилиндров, следует периодически контролировать крепление головки ключом со специальной динамометрической рукояткой с определенной последовательностью и усилием. Положение затяжки и последовательность затягивания гаек обозначают ав­то­мо­биль­ные заводы.

Головку цилиндров из чугуна прикрепляют, когда мотор находится в нагретом положении, алюминиевую голову, наоборот, на холодный двигатель. Необходимость затягивания крепления алюминиевых головок в холодном состоянии объясняется разным коэффициентом линейного расширения материала шпилек и болтов и материала головки. В связи с этим подтягивание гаек на сильно разогретом моторе не обеспечивает после остывания мотора должной плотности прилегания к блоку головки цилиндров.

Затяжку болтов прикрепления поддона картера для предотвращения деформации картера, нарушения при герметичности также проверяют с соблюдением пос­ле­до­ва­тель­нос­ти, то есть поочередным затягиванием диаметрально противоположных болтов.

Проверка состояния кривошипно-шатунного механизма

Техническое состояние кривошипно-шатунных механизмов определяется:

• По компрессии (изменению давления) в цилиндрах мотора в конце хода сжатия;
• По расходу масла в процессе эксплуатации и уменьшению давления в системе смазки двигателя;
• По разрежению в трубопроводе впуска;
• По утечке газов из цилиндров;
• По объему газов, проникающих в картер мотора;
• По наличию стуков в моторе.

Расход масла в малоизношенном моторе незначителен и может равняться 0,1-0,25 литра на 100 км пути. При общем значительном износе мотора расход масла может составлять 1 литр на 100 км и больше, что, как правило, сопровождается обильным дымом.

Давление в масляной системе мотора должно соответствовать пределам, ус­та­нов­лен­ным для данного типа мотора и используемого сорта масла. Уменьшение давления масла на незначительных оборотах коленвала прогретого силового агрегата указывает на неисправность в смазочной системе или на присутствие недопустимых износов под­шип­ни­ков мотора. Падение масляного давления по манометру до 0 говорит о не­исп­рав­нос­ти редукционного клапана или манометра.

Компрессия является показателем герметичности цилиндров мотора и ха­рак­те­ри­зу­ет состояние клапанов, цилиндров и поршней. Герметичность цилиндров можно установить с помощью компрессометра. Изменение давления (компрессию) проверяют после пред­ва­ри­тель­но­го разогрева мотора до 80°C при выкрученных свечах. Установив наконечник компрессометра в отверстия для свечей, проворачивают стартером коленвал мотора на 10 – 14 оборотов и фиксируют показания компрессометра. Проверка выполняется по 3 раза для каждого цилиндра. Если показания компрессии на 30 – 40% ниже установленной нормы, это говорит о неисправностях (пригорание поршневых колец или их поломка, повреждение прокладки головки цилиндров или негерметичность клапанов).

Разрежение в трубопроводе впуска мотора измеряют вакуумметром. Значение разрежения у работающего на установившемся режиме моторов может меняться от изношенности цилиндро–поршневой группы, а также от состояния элементов га­зо­расп­ре­де­ле­ния ( см. газораспределительный механизм ), регулировки карбюратора ( см. устройство карбюратора ) и установки зажигания. Таким образом, такой метод проверки является об­щим и не дает возможности выделить конкретную неисправность по одному показателю.

Объем газов, проникающих в картер мотора, изменяется из–за неплотности сопряжений цилиндр + поршень + поршневое кольцо, увеличивающейся по степени изнашивания данных деталей. Количество проникающих газов измеряют при полной нагрузке мотора.

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.

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.

Неполадки в системе зажигания также могут привести к появлению нагара на поршне и п\его 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.

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.

Материалы для производства шатунов

Шатуны производятся двумя способами — штамповкой из высокопрочной стали или литьем из чугуна. В дизелях применяются шатуны, изготовленные из легированной стали методом ковки или горячей штамповки.

В некоторых видах бензиновых двигателей устанавливаются шатуны, производимые из порошкообразных металлов методом спекания.

Из-за напряженных условий работы данная деталь КШМ должна отличаться надежностью, долговечностью и износостойкостью.

Особое внимание уделяется не только изготовлению шатунов, но и болтов крепления. Для производства болтов используются легированные виды стали, обладающие высоким коэффициентом текучести, что в несколько раз выше, чем у высокоуглеродистых сталей.

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.

ОСНОВНЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ

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 КШМ 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.

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

Как устроен кривошипно-шатунный механизм

Рисунок: https://mediaport.net.ua

Механизм состоит из деталей, как подвижных, так и неподвижных.

Детали подвижного типа:

• поршень;
• маслосъемное кольцо (1);
• компрессионные кольца (2);
• поршневой палец (3);
• стопорное кольцо (4);
• шатун;
• крышка шатуна (5);
• крепежный болт (6);
• вкладыши (7);
• втулка (8);
• коленчатый вал;
• шатунная шейка (9);
• противовес (10);
• коренная шейка (11);
• маховик

Детали неподвижного типа:

• блок и головка цилиндров;

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.

Устройство КШМ

При рассмотрении устройства КШМ необходимо выделить основные элементы его конструкции: коленвал, коренная шейка, шатунная шейка, шатуны, вкладыши, поршневые кольца (маслосъемные и компрессионные), пальцы и поршни ( см. работа поршня ).

Сложная конструкция вала обеспечивает получение и передачу энергии от поршня с шатуном на последующие узлы и агрегаты. Сам вал собран из элементов, называемых коленами. Колена соединены цилиндрами, расположенными со смещением относительно основной центральной оси в определенном порядке. На техническом языке название этих цилиндров — шейки. Те шейки, что смещены, крепятся к шатунам, соответственно и название — шатунные. Шейки, расположенные вдоль основной оси — коренные. За счет расположения шатунных шеек со смещением относительно центральной оси образуется рычаг. Поршень, опускаясь вниз, через шатун заставляет проворачиваться коленчатый вал.

Варианты конструкций вала представлены на следующем рисунке.

В зависимости от числа цилиндров, а также конструктивных решений ДВС по рас­по­ло­же­нию цилиндров бывает однорядный или двухрядный.

В первом случае (1) цилиндры расположены в одной плоскости относительно коленчатого вала. Если конкретнее, то все они на двигателе расположены вертикально, по центральной оси, а сам вал находится внизу. В двухрядном двигателе (поз. 2 и 3), цилиндры размещены в два ряда под углом друг к другу 60, 90 или 180°, то есть противоположно друг к другу. Возникает вопрос: «А зачем?». Обратимся к физике. Энергия от сгорания рабочей смеси очень большая и значительная доля ее погашения приходится на коренные шейки коленчатого вала, которые хоть и железные, но имеют определенный запас прочности и ресурса. В четырехцилиндровом двигателе автомобиля этот вопрос решается просто: 4 цилиндра — 4 такта рабочего цикла по очереди. В итоге нагрузка на коленвал равномерно распределяется на всех участках. В тех ДВС, где цилиндров больше, или требуется большая мощность, их размещают в «V»-образном виде, дополнительно смягчая нагрузку на коленчатый вал. Таким образом, энергия гасится не вертикально, а под углом, что зна­чи­тель­но смягчает нагрузку на коленчатый вал.

После краткого рассмотрения устройства КШМ необходимо также уделить внимание коленчатому валу. Говоря о нагрузке на коленчатый вал, стоит остановиться на под­шип­ни­ках шеек коленвала. Рассмотрим соединение шатуна с коленчатым валом двигателя.

Те перегрузки, что испытывает вал, не под силу шариковым подшипникам. Здесь и огромное давление, высокая температура, труднодоступность смазки трущихся элементов и высокая скорость вращения. Поэтому именно для шеек применяются подшипники сколь­же­ния, которые обеспечивают работу всего двигателя. Вращение коленчатого вала происходит на вкладышах. Вкладыши делятся на коренные и шатунные. Из коренных вкладышей образуется кольцо вокруг коренных шеек вала. Из шатунных вкладышей по аналогии — вокруг шатунных шеек. Для уменьшения трения скользящие поверхности подшипников и шеек смазываются маслом, подаваемым через отверстия в коленвале под высоким дав­ле­ни­ем.

Значительную работу по обеспечению равномерности и плавности работы двигателя автомобиля выполняет маховик, о котором упоминалось ранее. Это зубчатое колесо на конце вала сглаживает перебои во вращении коленвала и обеспечивает совершение всех «холостых» тактов рабочего цикла каждого цилиндра ДВС.

Теперь обратимся к конструкции поршня двигателя.

Сам поршень представляет собой перевернутую вверх дном банку. Это самое дно имеет плавно вогнутую форму, что улучшает равномерность нагрузки на поршень при совершении рабочего хода и образование рабочей смеси. Поршень крепится к шатуну через палец с подшипником, обеспечивающим колебательные движения шатуна. Стенки поршня носят название «юбка». Она имеет, на первый взгляд, округлую форму, но есть едва заметные отличия.

Первое — это утолщение стенок юбки в направлениях движения шатуна. Поршень с шатуном через палец крепления давят поочередно друг на друга в одной плоскости. В той, которой собственно и двигается шатун относительно поршня. Следовательно, стенки поршня испытывают там большую нагрузку и давление, поэтому и сделаны толще.

Второе — это сужение диаметра юбки к низу. Сделано это для недопущения заклинивания поршня в цилиндре при нагреве и обеспечения смазки трущихся поверхностей юбки поршня и стенки цилиндра. Сами стенки цилиндра настолько гладко и ювелирно выполнены, что сравнимы с поверхностью зеркала. Но тогда остается зазор, который существенно влияет на герметичность цилиндра при такте сжатия и рабочего хода.

Для решения этих противоположных по смыслу проблем, на юбке поршня пре­дус­мот­ре­ны кольца. Именно через них сам поршень соприкасается со стенками цилиндра. На каждом поршне имеется два типа колец — компрессионные и маслосъемные. Комп­рес­си­он­ные кольца обеспечивают герметичность за счет давления сгораемых газов.

Маслосъемные кольца говорят сами за себя. Остатков масла, поступающего для смягчения трения в связке поршень-цилиндр, не должно оставаться при процессе горения топливно-воздушной смеси. Иначе возможна детонация, засорение свечей или форсунок остатками тяжелых фракций нефтяных продуктов, присутствующих в масле. А все это нарушает весь рабочий цикл. Поэтому масло, впрыскиваемое на стенки цилиндра при «холостых» тактах, снимается маслосъемными кольцами при рабочем ходе поршня.

Все цилиндры двигателя размещены в едином корпусе, который называется блоком цилиндров двигателя. Его конструкция довольно сложна. В нем многочисленное количество каналов для всех систем двигателя, а также он выполняет несущую основу для многих деталей и компонентов для силовой установки в целом.

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.

Как работает коленвал – взгляд изнутри

Принцип работы коленчатого вала заключается в следующем. В момент максимального удаления поршня щеки и шатун коленвала вытягиваются в одну линию. В это время в цилиндрах начинает гореть топливо, и, соответственно, выделяются горючие газы, которые перемещают поршень по направлению к коленвалу. Вместе с ним также перемещается и шатун, нижняя головка которого поворачивает относительно своей оси коленчатый вал. Как только он развернется на 180°, шатунная шейка начинает движение в обратном направлении, таким образом, перемещается и поршень.

Получается следующая картина: поршень равномерно то удаляется, то приближается к детали, крайние точки поршня называются «мертвыми», так как в этих положениях его скорость равна нулю. Таким образом, мы разобрались, как работает коленчатый вал.

Немаловажную роль играет и система смазки в детали. От общей магистрали к опорам коренных шеек обеспечивается подвод масла, которое подается под давлением. Далее по специальным каналам, расположенным в щеках, это масло подается к шатунным шейкам. Благодаря масляной пленке, повышается износостойкость данных элементов. Кроме того, благодаря давлению масла можно проверить, нуждаются ли шейки коленчатого вала в замене. Определившись, для чего нужен коленчатый вал, можно смело утверждать, что он занимает одну из ведущих позиций среди деталей двигателя.

• Распечатать

Главная →

Устройство →

Двигатель →

Коленвал (коленчатый вал) →

Это интересно: Заправка автокондиционеров – инструкция к комфортному климату!

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

Что такое коленвал

Коленчатый вал – это механическая деталь автомобильного двигателя, которая является промежуточным звеном-преобразователем тепловой энергии сгораемого топлива в механическую энергию вращения колёс. По внешнему виду он представляет собой вал из стального сплава со множеством шатунных шеек, которые между собой соединены коленной шейкой. Число шеек-колен соответствует числу цилиндров в двигателе, их расположению, форме. Шейки соединены с поршнями через шатуны, которые, двигаясь возвратно-поступательно, приводят вал в движение.
Если в коленчатом вале шатунные шейки находятся с двух сторон от коленной шейки, он называется полноопорным. Если же они расположены только с одной стороны – неполноопорным.

Коленвал производится из углеродистой или легированной стали с повышенной износостойкостью (для спорткаров, люкс-моделей и автомобилей с повышенной мощностью) или модифицированного чугуна (для стандартных серийных моделей) с помощью литья или прессования. Для легирования стали применяются молибден, хром и иные металлы, существенное увеличивающие прочность сплава.

В большинстве двигателей коленчатый вал располагается в нижней части, над картером, в оппозитных – выше, по центру мотора.

ОБСЛУЖИВАНИЕ КШМ

Чтобы КШМ не стало причиной выхода из строя силового агрегата, 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.