Кривошипно-шатунный механизм двигателя внутреннего сгорания: устройство, назначение, как работает

Принцип работы кривошипно-шатунного механизма

Под давлением газов, образующихся в цилиндрах двигателя при сгорании топливовоздушной смеси, поршень совершает поступательное движение к коленчатому валу.

Важные части механизма, а именно: поршень, шатун и вал, помогают преобразовывать поступательные движения во вращательные движения, которые, в свою очередь, инициируют вращение колес автомобиля.

В обратном порядке взаимодействие вала и поршня выглядит следующим образом: вал, совершая вращательное движение через части механизма — вал, шатун и поршень, преобразует энергию в поступательное движение поршня.

Цилиндр

Цилиндры являются направляющими элементами кривошипно-шатунного механизма. Внутри них движутся поршни. Длина образующей цилиндра определяется ходом поршня и его размерами. Цилиндры работают в условиях резкого перепада давления в полости над поршнем. Их стенки контактируют с пламенем и горячими газами с температурой до 1500… 2500 ° C.

Цилиндры должны быть прочными, жесткими, устойчивыми к нагреванию и износу с ограниченным количеством смазки. Кроме того, материал цилиндров должен иметь хорошие литейные свойства и легко обрабатываться. Обычно цилиндры изготавливаются из чугуна из специального сплава, но также могут использоваться алюминиевые и стальные сплавы. Внутренняя рабочая поверхность цилиндра, называемая зеркалом, тщательно обработана и хромирована 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, установленных в отверстиях блока. Между внешними стенками цилиндров и блоком имеются полости, называемые рубашкой охлаждения. Последний наполнен жидкостью, охлаждающей двигатель. Если внешняя поверхность гильзы цилиндра находится в непосредственном контакте с охлаждающей жидкостью, она называется мокрой. В противном случае его называют сухим. Использование сменных мокрых гильз облегчает ремонт двигателя. После установки в блок мокрые рукава надежно закрываются.

Цилиндры двигателя с воздушным охлаждением отлиты индивидуально. Для улучшения теплоотвода их наружные поверхности снабжены кольцевыми выступами. В большинстве двигателей с воздушным охлаждением цилиндры вместе с головками крепятся обычными болтами или шпильками к верхней части картера.

В V-образном двигателе цилиндры одного ряда могут немного смещаться относительно цилиндров другого ряда. Это связано с тем, что на каждом кривошипе коленчатого вала есть два шатуна, один из которых предназначен для правого поршня, а другой — для поршня левой половины блока.

Способы диагностики КШМ

Вышеуказанные методы выявления причин не очень точны. Они служат поводом для поездки на заправку, где квалифицированную диагностику комбинированного кривошипно-шатунного механизма могут провести мастера с необходимым опытом и практикой работы. Они имеют кинематическую конструкцию с точными размерами, допусками и посадками. Имейте необходимое оборудование.

Предварительная на определение стуков

Поскольку ремонт кривошипа — это дорогостоящий капитальный ремонт двигателя, на начальном этапе мастер мастерской помещает внутри блока цилиндров стуки и шумы. Для этого используется стетоскоп (обычно модификация КИ-1154 производства «Экранас»). Технология поиска следующая:

• рабочая поверхность стетоскопа упирается в стенки БК на разных уровнях (в рабочей зоне шатунных и кривошипных подшипников);
• двигатель нагревается до температуры охлаждающей жидкости 75 — 80 градусов;
• скорость сначала постепенно увеличивается, затем режим работы резко меняется;
• стуки слышны только при зазоре более 0,1 — 0,2 мм.

Характер удара виден только профессионалу:

• поршни на цилиндре издают щелчки при холодном двигателе;
• от вилки раздается звон металла о металл при резком увеличении оборотов, реже при неправильно выставленном (прямом) угле стрельбы;
• основные пэды играют мягко;
• звук шатунных подшипников чуть выше.

Предупреждение: этот диагностический метод также не является окончательным. Позволяет мастеру выявить наличие имеющихся дефектов с гарантией того, что все же потребуется разобрать ДВС для замены расходных материалов.

Измерение суммарных зазоров в сопряжениях

Обычно обслуживание кривошипно-шатунного механизма производится с помощью установки КИ-11140 для определения зазора в КШМ.

В этом случае нет необходимости снимать масляный поддон и запускать двигатель. Суммарно измеряются зазоры на больших концах:

• поршень диагностируемого цилиндра находится в верхней мертвой точке»;
• коленчатый вал заблокирован, устройство закреплено на месте форсунки;
• шток с натягом упирается в нижнюю часть поршня, затянутую винтом;
• к патрубку подсоединяется компрессорная установка, создается разрежение -0,06 МПа и такое же давление;
• после 2 — 3 циклов подачи заданного давления и вакуума показания манометров стабилизируются;
• затем индикатор настраивается на отметку «0» в пространстве над поршнем давления;
• после этого ему обеспечивается отрицательное давление.

Общие зазоры измеряются не менее трех раз, вычисляется среднее значение и сравнивается с допустимой рабочей скоростью по таблицам.

Определение объема газа, прорывающегося в картер

Существующий узел кривошипно-шатунного механизма автомобиля не пригоден для эксплуатации, если проверка уходящих газов выявила их больше в картере. Измерения производятся прибором КИ-4887-И следующим образом:

• расходомер газа подсоединяется к полости картера и к глушителю или к впускной группе;
• двигатель работает в режиме «под нагрузкой»;
• выходящие газы изменяют показания прибора в соответствии со значением их объема, которое проходит в единицу времени.

При значительном износе ДВС расход может превышать 120 л / мин, требуются дополнительные регулировки расходомера. После отключения системы вентиляции картера все дополнительные отверстия необходимо закрыть пробками / заглушками.

Измерение давления масла

Кривошипный привод считается пригодным для использования, если контроль давления масла правильный. Измерения производятся прибором КИ-5472, который состоит из рукава и манометра:

• штатный манометр скручен масляным фильтром;
• устройство крепится на свое место;
• двигатель нагревается до 70 — 80 градусов;
• фиксируется минимальное значение основного давления.

Чрезвычайно простая общая компоновка системы смазки и устройства KI сокращает время диагностики.

Для ДВС карбюраторного типа нормальным считается сжатие в пределах 0,7 МПа. Поэтому в некоторых случаях диагностика СТО измеряет компрессию горячего двигателя. При этом разница показаний баллона не может превышать 0,1 МПа.

Коленчатый вал

Коленчатый вал, соединенный с поршнем посредством шатуна, воспринимает силы, действующие на поршень. На нем возникает крутящий момент, который затем передается на трансмиссию, а также используется для управления другими механизмами и группами. Под действием сил инерции и давления газа, которые резко меняются по величине и направлению, коленчатый вал вращается неравномерно, испытывая крутильные колебания, подвергаясь кручению, изгибу, сжатию и растяжению, а также воспринимая тепловые нагрузки. Следовательно, он должен обладать достаточной прочностью, жесткостью и износостойкостью при относительно небольшом весе.

Конструкции коленчатого вала сложны. Их форма определяется количеством и расположением цилиндров, порядком работы двигателя и количеством коренных подшипников. Основными частями коленчатого вала являются коренные пальцы 3, шатунные пальцы 2, щеки 4, противовесы 5, передний конец (носик 1) и задний конец (тяга 6) с фланцем.

Нижние головки шатунов прикреплены к пальцам шатуна коленчатого вала. Коренными пальцами вал устанавливается в подшипники картера. К щекам прикреплены коренные и шатунные шейки. Плавный переход от шейки к щекам, называемый резьбой, позволяет избежать концентрации напряжений и возможного повреждения коленчатого вала. Противовесы предназначены для разгрузки коренных подшипников от центробежных сил, возникающих на кривошипах вала при его вращении. Их обычно изготавливают за одно целое со щечками.

Для обеспечения нормальной работы двигателя моторное масло под давлением должно подаваться на рабочие поверхности основных штифтов и шатуна. Масло течет из отверстий в картере к коренным подшипникам. Затем он проходит через специальные каналы в основных пальцах, щеках и пальцах шатуна к подшипникам шатуна. Для дальнейшей очистки центробежного масла в пальцах шатуна имеются полости для сбора грязи, закрытые пробками.

Коленчатые валы изготавливаются методом ковки или литья из среднеуглеродистых и легированных сталей (также может использоваться качественный чугун). После механической и термической обработки поверхность главного шатуна и пальцев шатуна закаляется (для повышения износостойкости), затем шлифуется и полируется. После обработки вал уравновешивается, то есть получается такое распределение его массы относительно оси вращения, при котором вал находится в индифферентном состоянии равновесия.

В коренных подшипниках используются тонкостенные износостойкие вкладыши, аналогичные вкладышам шатунных подшипников. Для поглощения осевых нагрузок и предотвращения осевого смещения коленчатого вала один из его коренных подшипников (обычно передний) выполнен упорным.

Подвижные и неподвижные части КШМ

Компоненты КШМ условно делятся на мобильные и стационарные. К движущимся частям относятся:

• поршни и поршневые кольца;
• шатуны;
• поршневые пальцы;
• коленчатый вал;
• они летят.

Неподвижные части КШМ служат основанием, крепежом и направляющими. Это включает:

• цилиндрический блок;
• заголовок;
• подвал;
• масляный стаканчик;
• крепеж и подшипники.

Картер и поддон картера двигателя

Картер — это нижняя часть двигателя, в которой расположены подшипники коленчатого вала и смазочные каналы. В картере шатуны двигаются, а коленчатый вал вращается. Масляный поддон представляет собой резервуар для моторного масла.

В процессе эксплуатации основание картера подвергается постоянным тепловым и силовым нагрузкам. Поэтому к этой детали предъявляются особые требования по прочности и жесткости. Для его изготовления используются алюминиевые или чугунные сплавы.

Несъемные части КШМ

Картер закреплен на блоке цилиндров. Вместе они составляют каркас двигателя, основную часть его корпуса. Сами цилиндры расположены в блоке. Сверху установлена ​​головка ДВС. Вокруг цилиндров имеются полости жидкостного охлаждения.

Расположение и число цилиндров

На сегодняшний день наиболее популярны следующие схемы:

• расположить четыре или шесть цилиндров в ряд;
• Шестицилиндровое V-образное положение под углом 90°;
• VR-образное положение с нижним углом;
• противоположное положение (поршни движутся навстречу друг другу с разных сторон);
• Положение W с 12 цилиндрами.

В простом рядном расположении цилиндры и поршни расположены в ряд перпендикулярно коленчатому валу. Эта схема самая простая и надежная.

Головка блока цилиндров

Головка блока цилиндров крепится к блоку шпильками или болтами. Он закрывает сверху цилиндры с поршнями, образуя герметичную полость — камеру сгорания. Между блоком и головкой предусмотрена прокладка. В головке блока цилиндров также находятся клапанный механизм и свечи зажигания.

Цилиндры

Поршни перемещаются непосредственно в цилиндры двигателя. Их размер зависит от хода поршня и его длины. Цилиндры работают при переменном давлении и высоких температурах. В процессе эксплуатации стенки подвергаются постоянному трению и температурам до 2500 ° C. Особые требования предъявляются также к материалам и обработке цилиндров. Их делают из легированного чугуна, стали или алюминиевых сплавов. Поверхность деталей должна быть не только прочной, но и удобной в работе.

Наружная рабочая поверхность называется зеркалом. Он хромирован и отполирован до зеркального блеска для минимизации трения в условиях ограниченного смазывания. Цилиндры сплавляются с блоком (моноблоком) или выполнены в виде съемных гильз.

Основные неисправности

Учитывая механические и химические нагрузки, а также температуру, кривошипно-шатунный механизм подвержен различным проблемам. Грамотное обслуживание помогает избежать проблем с КШП (а значит, и с двигателем), но все же от поломок никто не застрахован.

Стук в двигателе

Один из самых страшных звуков, когда в двигателе внезапно возникает странный стук и другие посторонние шумы. Это всегда признак беды — если что-то начинает стучать, значит, проблема. Поскольку элементы двигателя установлены с микронной точностью, удары указывают на износ. Придется разобрать двигатель, посмотреть, что выбило, и поменять изношенную деталь.

Основной причиной износа зачастую является некачественное обслуживание двигателя. Моторное масло имеет свои ресурсы и его регулярная замена имеет первостепенное значение. То же самое и с фильтрами. Твердые частицы, даже самые мелкие, постепенно изнашивают тщательно собранные детали, образуют задиры и износ.

Удары также могут указывать на износ подшипников (вкладышей). Еще они страдают от недостатка смазки, так как именно на втулки ложится огромная нагрузка.

Снижение мощности

Снижение мощности двигателя может указывать на заедание поршневого кольца. В этом случае кольца не выполняют свою функцию, моторное масло остается в камере сгорания, а продукты сгорания проникают в двигатель. Обращение газов тоже говорит о пустой трате энергии, и это ощущается автовладельцем как снижение динамических характеристик. Длительная работа в такой ситуации может только ухудшить состояние двигателя и привести штатную проблему, в общем, к капремонту двигателя.

Вы можете самостоятельно проверить состояние двигателя, измерив компрессию в цилиндрах. Если он ниже нормы для данной модификации двигателя, двигатель требует ремонта.

Повышенный расход масла

Если двигатель начинает «есть» масло, это явный признак засорения поршневых колец или других проблем с узлом цилиндр-поршень. Масло горит вместе с топливом, из выхлопной трубы идет черный дым, температура в камере сгорания превышает расчетную, а здоровья двигателю это не прибавляет. В некоторых случаях может помочь очистка без разборки двигателя, но в большинстве случаев необходимо выполнить разборку и поиск неисправностей двигателя.

Нагар

Отложения на поршнях, клапанах и свечах зажигания указывают на проблему с двигателем. Если топливо не закончилось полностью, необходимо поискать причину неисправности и устранить ее. В противном случае двигателю грозит перегрев из-за ухудшения теплопроводности поверхностей со слоем угля.

Краткая история возникновения

Первые свидетельства использования кривошипа можно найти в III веке нашей эры, в Римской империи и Византии в VI веке нашей эры. Прекрасным примером является лесопилка в Иераполе, на которой применялся коленчатый вал. Металлическая рукоятка была найдена в римском городе Августа-Рорика на территории современной Швейцарии. Как бы то ни было, изобретение было запатентовано неким Джеймсом Паккардом в 1780 году, хотя свидетельства его изобретения были найдены еще в древности.

Для чего нужен кривошипно-шатунный механизм двигателя

КШМ приводит в движение другие механизмы, без которых машине было бы невозможно ехать. В электромобилях электродвигатель, благодаря энергии, которую он получает от аккумулятора, немедленно создает вращение, которое передается на приводной вал.

Недостаток электрических агрегатов в том, что у них небольшой запас мощности. Хотя основные производители электромобилей подняли этот порог до нескольких сотен километров, подавляющее большинство автомобилистов не могут позволить себе такие автомобили из-за их высокой стоимости.

Единственное экономичное решение, благодаря которому можно путешествовать на большие расстояния и с большой скоростью, — это автомобиль, оснащенный двигателем внутреннего сгорания. Он использует энергию взрыва (или, скорее, расширения после него), чтобы привести в движение детали цилиндро-поршневого узла.

Назначение КШМ — обеспечение равномерного вращения коленчатого вала при прямолинейном движении поршней. Идеальное вращение еще не достигнуто, но были внесены изменения в механизмы, которые сводят к минимуму толчки, вызываемые резкими ударами поршней. Примером этого являются 12-цилиндровые двигатели. Угол смещения кривошипов внутри них минимален, а привод всей группы цилиндров распределен на большее количество интервалов.

Как устроен кривошипно-шатунный механизм

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

Движущиеся части:

• поршень;
• маслосъемное кольцо (1);
• компрессионные кольца (2);
• штифт (3);
• стопорное кольцо (4);
• шатун;
• крышка шатуна (5);
• болт крепления (6);
• вставки (7);
• рукав (8);
• коленчатый вал;
• палец шатуна (9);
• противовес (10);
• корневая шейка (11);
• они летят

Детали фиксированного типа:

• блок и голова;

Пример графиков движения поршня

График показывает x, x ‘, x «в зависимости от угла поворота кривошипа для разных радиусов кривошипа, где L — длина кривошипа (l), а R — радиус кривошипа (r):

Единицы измерения вертикальных осей: по положению, по скорости, по ускорению.
Единицы измерения горизонтальных осей — угол поворота коленчатого вала в дюймах .

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

Анимация движения поршня с разным радиусом кривошипа

Блок и головка блока цилиндров

Блок цилиндров и ГБЦ выполнены из чугуна (реже — алюминиевых сплавов). В блоке цилиндров предусмотрены рубашки охлаждения, опоры коленчатого и распределительного валов, а также точки крепления устройств и агрегатов. Сам цилиндр действует как направляющая для поршней. Головка блока цилиндров содержит камеру сгорания, впускные и выпускные каналы, специальные резьбовые отверстия для свечей зажигания, втулки и формованные седла. Герметичность соединения блока цилиндров и головки блока цилиндров обеспечивается прокладкой. Кроме того, головка блока цилиндров прикрыта литой крышкой, а между ними, как правило, устанавливается маслостойкая резиновая прокладка.

Обычно поршень, гильза цилиндра и шатун образуют цилиндр или узел цилиндр-поршень кривошипно-шатунного механизма. Современные двигатели могут иметь до 16 цилиндров и более.

Поршневые кольца

Поршневые кольца обеспечивают стабильное и подвижное соединение между поршнем и цилиндром. Они предотвращают утечку газа из полости поршня в картере и попадание масла в камеру сгорания. Различают компрессионные кольца и скребковые кольца.

В верхние канавки поршня устанавливаются компрессионные кольца (два или три). В них есть прорезь, которая называется навесным замком, и поэтому они могут быть эластичными. В свободном состоянии диаметр кольца должен быть немного больше диаметра цилиндра. Когда такое кольцо вводится в цилиндр в сжатом состоянии, оно создает плотное соединение. Чтобы обеспечить возможность расширения кольца, установленного в цилиндре при нагреве, в замке должен быть зазор 0,2… 0,4 мм. Для обеспечения хорошей приработки компрессионных колец на цилиндрах часто используются кольца с конической наружной поверхностью, а также торсионные кольца со скошенной кромкой изнутри или снаружи. Из-за наличия фаски такие кольца при установке в цилиндр имеют наклон в поперечном сечении, плотно прилегая к стенкам канавок на поршне.

Скребковые кольца (одно или два) удаляют масло со стенок цилиндра, не давая ему попасть в камеру сгорания. Они расположены на поршне под компрессионными кольцами. Обычно маслосъемные кольца имеют кольцевую канавку на внешней цилиндрической поверхности и радиальные сквозные прорези для слива масла, которые проходят через них к сливным отверстиям в поршне (см. Рис. А). Помимо скребковых колец с канавками для слива масла используются стопорные кольца с осевым и радиальным расширителями.

Чтобы избежать утечки газа из камеры сгорания в картер через блоки поршневых колец, необходимо следить за тем, чтобы соседние блоки колец не были выровнены.

Поршневые кольца работают в тяжелых условиях. Они подвергаются воздействию высоких температур, и смазки их наружных поверхностей, движущихся с высокой скоростью по каналу цилиндра, недостаточно. Поэтому к материалу поршневых колец предъявляются высокие требования. Чаще всего для их изготовления используется качественный легированный чугун. Верхние компрессионные кольца, работающие в самых тяжелых условиях, обычно снаружи покрыты пористым хромом. Композитные скребковые кольца изготовлены из легированной стали.

Особенности работы двигателя. Такты

Выше описана упрощенная схема работы КШМ. Фактически, для создания необходимых условий нормального горения горючей смеси необходимы подготовительные этапы — заполнение камеры сгорания компонентами смеси, их сжатие и удаление продуктов сгорания. Эти стадии называются «тактами двигателя» и их четыре: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Из них только рабочий ход выполняет полезную функцию (именно с его помощью энергия преобразуется в движение), а остальные шаги являются подготовительными. В этом случае выполнение каждого этапа сопровождается поворотом коленчатого вала вокруг оси на 180 градусов.

Конструкторы разработали два типа двигателей: двухтактный и четырехтактный. В первом варианте такты совмещены (рабочий ход — с выпуском, а впуск — с сжатием), поэтому в таких двигателях весь рабочий цикл осуществляется за один полный оборот коленчатого вала.

В 4-тактном двигателе каждый такт выполняется отдельно, поэтому в таких двигателях полный рабочий цикл выполняется за два оборота коленчатого вала и только половина оборота выполняется (на цикле «рабочего хода») за счет энергия, выделяемая при сгорании и оставшиеся 1,5 оборота — за счет энергии маховика.

Применение

Кривошипный механизм используется в двигателях внутреннего сгорания, поршневых компрессорах, поршневых насосах, швейных машинах, кривошипно-кривошипных прессах и срабатывании клапана некоторых квартир и защитных дверей. Кроме того, кривошипный механизм применялся в газонокосилках.

Поршень с кольцами и пальцем

Поршень представляет собой небольшую цилиндрическую деталь из алюминиевого сплава. Его основное предназначение — преобразовать давление выбрасываемых газов в поступательное движение, передаваемое на шатун. Возвратно-поступательное движение обеспечивает втулка.

Поршень состоит из юбки, головки и днища (днища). Дно может иметь разную форму (выпуклую, вогнутую или плоскую) и содержит камеру сгорания. На головке небольшие канавки под поршневые кольца (скребковые и компрессионные).

Кольца компрессионного типа предотвращают попадание газов в картер двигателя, а небольшие съемные кольца предназначены для удаления излишков масла со стенок цилиндров.

Юбка снабжена специальными шпильками с отверстиями для установки штифта, соединяющего поршень и шатун.

Шатун — еще одна деталь КШМ, изготовленная из стали методом штамповки или ковки, снабженная шарнирными соединениями. Шатун предназначен для передачи энергии движения от поршня к валу.

Шатун состоит из откидной нижней верхней головки и тяги. Верхняя головка подключается к вилке. Нижняя откидная головка может быть соединена с цапфой вала с помощью заглушек (шатун).

Шток поршня крепится к любому кривошипу (колену). Часто кривошип располагается от оси шкворня на определенном радиусе, который определяет ход поршня. Именно эта деталь дала название кривошипно-шатунному механизму.

Еще одна подвижная часть механизма сложной конфигурации, изготовленная из чугуна или стали. Основное назначение вала — преобразовать движение поступательного поршня поршня в момент вращения.

Коленчатый вал состоит из пальца (коренной, шатунный), щеки (соединяющей пальцы) и противовесов. Щеки создают баланс во всем механизме. Внутренняя часть шеи и щек снабжена небольшими отверстиями, через которые под давлением подается масло.

Маховик обычно устанавливается на конце вала. Изготовлен из чугуна. Маховик предназначен для увеличения плавности вращения вала для запуска двигателя стартером.

В настоящее время чаще всего используются маховики двухмассового типа — два диска, которые достаточно плотно соединены между собой.

Это несъемная деталь КШМ, которая изготавливается из чугуна или алюминия. Блок предназначен для привода поршней, именно в них осуществляется весь процесс обработки.

Блок цилиндров может быть укомплектован рубашками охлаждения, подшипниками (распредвала и коленчатого вала), точкой крепления.

Эта деталь имеет камеру сгорания, фары (впускной и выпускной), отверстия для свечей, втулки и седла. Головка блока цилиндров изготовлена ​​из алюминия.

Головка, как и блок, имеет рубашку охлаждения, которая соединяется с рубашкой цилиндра. Но герметичность этого соединения обеспечивает специальная прокладка.

Головка блока цилиндров закрывается небольшой формованной крышкой, между ними установлена ​​маслостойкая резиновая прокладка.

Поршень, гильза цилиндра и шатун образуют то, что автомобилисты обычно называют цилиндром. Двигатель может иметь от одного до 16, а иногда и более цилиндров. Чем больше количество цилиндров, тем больше общий рабочий объем двигателя и, следовательно, больше его мощность. Но нужно понимать, что вместе с тем увеличивается и расход топлива с увеличением мощности. Цилиндры в двигателе можно размещать по разным схемам расположения:

• в линию (оси всех цилиндров находятся в одной плоскости)
• V-образная компоновка (оси цилиндров расположены под углом 60 или 120 градусов в двух плоскостях)
• противоположное расположение (оси цилиндров расположены под углом 180 градусов)
• Компоновка VR (похожа на V-образную, но плоскости немного наклонены относительно друг друга)
• W-образное расположение представляет собой комбинацию на коленчатом валу двух узлов VR, расположенных V-образно со смещением от вертикали

От компоновки зависит балансировка двигателя, а также его размер. Оптимально сбалансирован оппозитный двигатель, но на автомобилях применяется редко из-за конструктивных особенностей.

Рядный шестицилиндровый двигатель также имеет отличный баланс, но его использование в современных автомобилях практически невозможно из-за его большого размера. Наибольшей популярностью пользуются двигатели V-образной и W-образной формы благодаря наилучшему сочетанию динамических характеристик и конструктивных особенностей.

Принцип действия и назначение

В отличие от электродвигателя, принцип работы КШМ в двигателях внутреннего сгорания намного сложнее:

• поршни поочередно выталкиваются из цилиндров по мере воспламенения топливной смеси;
• внутри них шарнирно навешиваются части шатунов сложной конфигурации;
• коленчатый вал имеет соответствующую U-образную опорную поверхность для нижней головки шатуна, обеспечивающую смещение от оси вращения вала;
• из-за фиксированного расстояния между поршнем и коленчатым валом шатун описывает амплитуду в виде восьмерки, благодаря которой поступательное движение цилиндров преобразуется в крутящий момент на валу.

Основное назначение расходных элементов КШМ (втулки, втулки, кольца) — увеличение срока службы данного агрегата. Поскольку в современных автомобилях количество цилиндров достигает 16, конструкция и работа механизма КШ должны быть идеально сбалансированы.

Кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный механизм (далее сокращенно — КШМ) — механизм двигателя. Основное назначение КШМ — преобразование возвратно-поступательных движений цилиндрического поршня во вращательные движения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания и наоборот.

Типы и виды КШМ

• Центральный КШМ, где ось цилиндра пересекается с осью коленчатого вала.
• Перемещенный КШМ, у которого ось цилиндра смещена относительно оси коленчатого вала на величину а;
• КШМ V-образный (также с прицепным шатуном), у которого на кривошипе коленчатого вала расположены два шатуна, работающие на левый и правый цилиндры.

По соотношению хода и диаметра поршня различают:

• короткий ход (С / Д <1) КШМ;
• длинный ход (длинный ход) (S / D> 1) КШМ.

В быстроходных двигателях внутреннего сгорания автомобилей преобладает короткоходная схема.

Назначение КШМ и принцип работы.

Назначение: КШМ служит для преобразования поступательного движения поршня под действием энергии расширения продуктов сгорания во вращательное движение коленчатого вала.

Принцип работы: четырехтактный поршневой двигатель состоит из цилиндра и картера, закрытого снизу картером. Внутри цилиндра движется поршень с уплотнительными (компрессионными) кольцами. Поршень через палец и шатун соединен с коленчатым валом, который вращается в коренных подшипниках, расположенных в картере. Сверху цилиндр прикрыт головкой с клапанами, открытие и закрытие которых тесно согласовано с вращением коленчатого вала. Движение поршня ограничено двумя крайними положениями, в которых его скорость равна нулю: верхней и нижней мертвой точкой. Непрерывное движение поршня по мертвой точке обеспечивается дисковым маховиком с массивным ободом.

Состав: все части КШМ делятся на мобильные (рис. 1) и стационарные (рис. 2). К неподвижным (частям каркаса двигателя) относятся: картер, блок цилиндров, головка блока цилиндров и детали, соединяющие их (рис. 2, 3), к подвижным: поршень со штифтом и кольцами, шатун, коленчатый вал и маховик.

Блок цилиндров — это сердце двигателя. Большинство комплектующих к двигателю монтируются на блоки.

По форме блока цилиндров двигатель внутреннего сгорания классифицируется:

— рядный двигатель: цилиндры расположены последовательно на плоскости; ось цилиндров вертикальная, угловая или горизонтальная; количество цилиндров — 2, 3, 4, 5, 6, 8;

— V-образный двигатель: цилиндры расположены в двух плоскостях, образуя V-образную конструкцию; угол развала — от 30 ° до 90 °; количество цилиндров 2, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 24;

— Двигатель VR: цилиндры со смещением в линию и развалом 15 °. Очень узкие V-образные двигатели этого типа долгое время производились итальянской компанией Lancia, а ее опыт использовался компанией Volkswagen”;

— W-образный двигатель: два агрегата VR с линейным вылетом, объединенные в V-образную конфигурацию с углом развала 72 ° C. W8-Volkswagen Passat, W12-VW Phaeton и Audi A8, W16-Bugatti EB 16.4 Veyron;

— оппозитный двигатель: обращенные друг к другу цилиндры расположены горизонтально, количество цилиндров 2,4,6. Subaru обозначает свои оппозитные двигатели суффиксом «B» (Boxer), добавляя цифру «4» или «6», в зависимости от количества цилиндров.

Нумерация цилиндров начинается с конца коленчатого вала, а при двух- и четырехрядном расположении цилиндров — слева, если смотреть со стороны наконечника коленчатого вала (кроме «RENO»). Направление вращения коленчатого вала правильное, т.е по часовой стрелке, если смотреть с кончика коленчатого вала (кроме Honda, Mitsubishi).

В блочную конструкцию входят гильзы цилиндров, рубашка охлаждения, герметичные полости и масляные каналы. Жидкость из системы охлаждения циркулирует во внутренних полостях блока, а также проходит по масляным каналам системы смазки двигателя. Агрегат имеет монтажные и опорные поверхности для установки дополнительных устройств.

Картер поддерживает подшипники, на которых вращается коленчатый вал. Обычно выполняется совместно с блоком цилиндров. Такая конструкция называется блочным плинтусом. Низ картера закрыт поддоном, в котором обычно хранится запас масла.

Чаще всего картер и блок цилиндров отлиты как одно целое. Если картер выполняется отдельно, к нему подключаются отдельные цилиндры или блок цилиндров. Картер современного поршневого двигателя — самая сложная и дорогая деталь. Обладает большой жесткостью. В зависимости от восприятия нагрузки силовые цепи различают с опорными цилиндрами, с блоком опорных цилиндров, с силовыми опорными пальцами.

В первой схеме под действием сил давления газа стенки цилиндров и рубашка охлаждения испытывают разрывное напряжение. Во второй схеме, получившей наибольшее распространение, нагрузки снимаются со стенок цилиндров и рубашки охлаждения, поперечных перегородок картера. В этой конструкции часто используются «мокрые» или «сухие» сменные втулки (рис. 3).

Рис. 1. Движущиеся части КШМ

Устройство КШМ

Поршень

Поршень имеет форму цилиндра из алюминиевого сплава. Основная функция этой части — преобразовывать изменение давления газа в механическую работу или, наоборот, увеличивать давление за счет возвратно-поступательного движения.

Поршень представляет собой сложенные вместе днище, головку и юбку, выполняющие совершенно разные функции. Плоская, вогнутая или выпуклая головка поршня содержит камеру сгорания. Головка имеет рифленые канавки, в которых расположены поршневые кольца (компрессионные и скребковые). Компрессионные кольца предотвращают попадание газов в картер двигателя, а маслосъемные кольца помогают удалить излишки масла с внутренних стенок цилиндра. В юбке есть две шпильки, на которых установлен штифт, соединяющий поршень с шатуном.

Шатун

Изготовленный штамповкой или ковкой из стали (реже из титана) шатун имеет шарнирные соединения. Основная роль шатуна — передавать усилие поршня на коленчатый вал. Конструкция шатуна предполагает наличие верхней и нижней головки, а также стержня с двутавровым сечением. В верхней головке и шпильках имеется вращающийся («плавающий») штифт, а нижняя головка откидная, тем самым обеспечивая плотное соединение со штифтом вала. Современная управляемая технология раскалывания нижней головки позволяет с высокой точностью стыковать ее части.

Коленчатый вал

Коленчатый вал, изготовленный из высокопрочной стали или чугуна, состоит из шатуна и коренной шейки, соединенных щеками и вращающихся на подшипниках скольжения. Щеки служат противовесом шатунным штифтам. Основная функция коленчатого вала — воспринимать усилие от шатуна для преобразования его в крутящий момент. Внутри щек и шейки валов имеются отверстия для подачи масла под давлением из системы смазки двигателя.

Маховик

Маховик установлен на конце коленчатого вала. Сегодня широко используются двухмассовые маховики в виде двух упруго связанных между собой дисков. Зубчатый венец маховика напрямую участвует в запуске двигателя через стартер.