Работа и устройство кривошипно-шатунного механизма двигателя

Кривошипно-шатунный механизм (сокращенно КШМ) обеспечивает преобразование поступательно-вращательного движения поршня внутри цилиндра во вращательное движение коленчатого вала двигателя. У стандартного четырехцилиндрового мотора КШМ включает в себя блок цилиндров с картером, головку блока цилиндров, поддон картера двигателя, поршни в комплекте с поршневыми кольцами и пальцами, шатуны (на которых крепятся поршни), коленчатый вал и маховик.

Главная часть КШМ (да и двигателя вообще) — это блок цилиндров. Он состоит не только из цилиндров (рис. 2.7) и деталей поршневой группы, но и целого ряда прочих элементов: каналов, заглушек, подшипников, сверлений. Коленвал, который установлен на специальных подшипниках, вращается именно в блоке цилиндров.

Внизу блока цилиндров расположен картер. Внутри блока цилиндров во время работы двигателя постоянно циркулирует охлаждающая жидкость: летом это может быть простая вода, в холодный же сезон необходимо использовать тосол или антифриз. Также внутри блока цилиндров проходят масляные каналы, которые относятся к системе смазки двигателя.

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.

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

Блок цилиндров

Это одна из самых сложных по конфигурации деталь двигателя. На схематическом объемном чертеже видно, что внутри он пронизан двумя непересекающимися системами каналов для подачи масла к точкам смазки и циркуляции охлаждающей жидкости. Он отливается из чугуна или сплавов легких металлов, содержит в себе места для запрессовки гильз цилиндра, кронштейны для подшипников коленвала, пространство для маховика, систем смазки и охлаждения. К блоку подходят патрубки системы подачи топливной смеси и удаления отработанных газов.

Снизу к блоку через герметичную прокладку крепится масляный картер- резервуар для смазки. В этом картере и происходит основная работа кривошипно- шатунного механизма, сокращенно КШМ.

Гильза должна выдерживать высокое давление в цилиндре. Его создают газы, образовавшиеся после сгорания топливной смеси. Поэтому и то место блока, куда гильзы запрессованы, должно выдерживать большие механические и термические нагрузки.

Гильзы обычно изготавливают из прочных сортов стали, реже — из чугуна. В ходе работы двигателя они изнашиваются при капитальном ремонте двигателя могут быть заменены. Различают две основных схемы их размещения:

• сухая, внешняя сторона гильзы отдает тепло материалу блока цилиндров;
• влажная, гильза омывается снаружи охлаждающей жидкостью.

Второй вариант позволяет развивать большую мощность и переносить пиковые нагрузки.

Подвижные и неподвижные части КШМ

Составные части КШМ условно делят на подвижные и неподвижные компоненты. К подвижным частям относятся:

• поршни и поршневые кольца;
• шатуны;
• поршневые пальцы;
• коленчатый вал;
• маховик.

Неподвижные части КШМ выполняют функцию основы, крепежей и направляющих. К ним относятся:

• блок цилиндров;
• головка блока цилиндров;
• картер;
• поддон картера;
• крепежные детали и подшипники.

Картер и поддон картера двигателя

Картер – это нижняя часть двигателя, где располагаются опоры и каналы смазочной системы для коленчатого вала. В картере происходит движение шатунов и вращение коленвала. Поддон картера представляет собой резервуар с моторным маслом.

Основа картера в работе подвергается постоянным тепловым и силовым нагрузкам. Поэтому для этой детали предъявляются особые требования по прочности и жесткости. Для его изготовления используют алюминиевые сплавы или чугун.

Неподвижные части КШМ

Картер двигателя крепится к блоку цилиндров. Вместе они составляют остов двигателя, основную часть его корпуса. В блоке располагаются непосредственно сами цилиндры. Сверху крепится головка блока ДВС. Вокруг цилиндров имеются полости для жидкостного охлаждения.

Расположение и число цилиндров

На сегодняшний день существуют следующие наиболее популярные схемы:

• рядное четырех- или шестицилиндровое положение;
• V-образное шестицилиндровое положение под углом 90°;
• VR-образное положение под меньшим углом;
• оппозитное положение (поршни двигаются навстречу друг другу с разных сторон);
• W-образное положение с 12 цилиндрами.

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

Головка блока цилиндров

К блоку с помощью шпилек или болтов крепится головка блока цилиндров. Она накрывает цилиндры с поршнями сверху, образуя герметичную полость – камеру сгорания. Между блоком и головкой предусмотрена прокладка. Также в ГБЦ располагаются клапанный механизм и свечи зажигания.

Цилиндры

В цилиндрах двигателя непосредственно происходит движение поршней. От хода поршня и его длины зависит их размер. Цилиндры работают в условиях меняющегося давления и высоких температур. Во время работы стенки подвергаются непрерывному трению и температурам до 2500°C. К материалам и обработке цилиндров также предъявляются особые требования. Они изготавливаются из легированного чугуна, стали или алюминиевых сплавов. Поверхность деталей должна быть не только прочной, но и легко подвергаться обработке.

Внешнюю рабочую поверхность называют зеркалом. Ее покрывают хромом и полируют до зеркальной поверхности, чтобы максимально снизить трение в условиях ограниченной смазки. Цилиндры отливаются вместе с блоком (цельные) или изготавливаются в виде съемных гильз.

Поршни

Деталь представляет из себя стальную или алюминиевую отливку в виде перевернутого стакана. Скользя по стенкам цилиндра, он принимает на себя давление сгоревшей топливной смеси и превращает его в линейное движение. Далее через кривошипный узел она превращается во вращение коленчатого вала, а затем передается на сцепление и коробку передач и через кардан к колесам. Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме, приводят транспортное средство или стационарный механизм в движение.

Деталь выполняет следующие функции:

• на такте впуска, двигаясь вниз (или в направлении от коленчатого вала, если цилиндр расположен не вертикально) на, он увеличивает объем рабочей камеры и создает в ней разрежение, затягивающее и равномерно распределяющее по объему очередную порцию рабочей смеси;
• на такте сжатия поршневая группа движется вверх, сжимая рабочую смесь до необходимой степени;
• далее идет рабочий такт, деталь под давлением идет вниз, передавая импульс вращения коленчатому валу;
• на такте выпуска он снова идет вверх, вытесняя отработанные газы в выхлопную систему.

На всех тактах, кроме рабочего, поршневая группа движется за счет коленчатого вала, забирая часть энергии его вращения. На одноцилиндровых двигателях для аккумуляции такой энергии служим массивный маховик, на многоцилиндровые такты цилиндров сдвинуты во времени.

Конструктивно изделие подразделяется на такие части, как:

• днище, воспринимающее давление газов;
• уплотнение с канавками для поршневых колец;
• юбка, в которой закреплен палец.

Палец служит осью, на которой закреплено верхнее плечо шатуна.

Гильза

Съёмная гильза

Гильзы существуют двух типов – сделанные непосредственно в блоке и являющиеся их частью, и съемные. Что касается выполненных в блоке, то представляют они собой цилиндрические углубления в нем нужной высоты и диаметра.

Съемные же имеют тоже цилиндрическую форму, но с торцов они открыты. Зачастую для надежной посадки в свое посадочное место в блоке, в верхней части ее имеется небольшой отлив, обеспечивающий это. В нижней же части для плотности используются резиновые кольца, установленные в проточные канавки на гильзе.

Внутренняя поверхность гильзы называется зеркалом, потому что она имеет высокую степень обработки, чтобы обеспечить минимально возможное трение между поршнем и зеркалом.

В двухтактных двигателях в гильзе проделываются на определенном уровне несколько отверстий, которые называются окнами. В классической схеме ДВС используется три окна – для впуска, выпуска и перепуска топливной смеси и отработанных продуктов. В оппозитных же установках типа ОРОС, которые тоже являются двухтактными, надобности в перепускном окне нет.

Поршневые кольца

Назначение и устройство поршневых колец обуславливается их ролью в работе кривошипных- устройств. Кольца выполняются плоскими, они имеют разрез шириной в несколько десятых частей миллиметра. Их вставляют в проточенные для них кольцевые углубления на уплотнении.

Кольца выполняют следующие функции:

• Уплотняют зазор между гильзой и стенками поршня.
• Обеспечивают направление движения поршня.
• Охлаждают. Касаясь гильзы, компрессионные кольца отводят избыточное тепло от поршня, оберегая его от перегрева.
• Изолируют рабочую камеру от смазочных материалов в картере. С одной стороны, кольца задерживают капельки масла, разбрызгиваемые в картере ударами противовесов щек коленвала, с другой, пропускают небольшое его количество для смазки стенок цилиндра. За это отвечает нижнее, маслосъемное кольцо.

Смазывать необходимо и соединение поршня с шатуном.

Отсутствие смазки в течение нескольких минут приводит детали цилиндра в негодность. Трущиеся части перегреваются и начинают разрушаться либо заклиниваются. Ремонт в этом случае предстоит сложный и дорогостоящий.

Поршневые пальцы

Осуществляют кинематическую связь поршня и шатуна. Изделие закреплено в поршневой юбке и служит осью подшипника скольжения. Детали выдерживают высокие динамические нагрузки во время рабочего хода, а также смены такта и обращения направления движения. Вытачивают их из высоколегированных термостойких сплавов.

Различают следующие типы конструкции пальцев:

• Фиксированные. Неподвижно крепятся в юбке, вращается только обойма верхней части шатуна.
• Плавающие. Могут проворачиваться в своих креплениях.

Плавающая конструкция применяется в современных моторах, она снижает удельные нагрузки на компоненты кривошипно- шатунной группы и увеличивает их ресурс.

Шатун

Эта ответственный элемент кривошипно-шатунного механизма двигателя выполнен разборным, для того, чтобы можно было менять вкладыши подшипников в его обоймах. Подшипники скольжения используются на низкооборотных двигателях, на высокооборотных устанавливают более дорогие подшипники качения.

Внешним видом шатун напоминает накидной ключ. Для повышения прочности и снижения массы поперечное сечение сделано в виде двутавровой балки.

При работе деталь испытывает попеременно нагрузки продольного сжатия и растяжения. Для изготовления используют отливки из легированной или высокоуглеродистой стали.

Коленчатый вал

Преобразование осуществляет с помощь.

Из деталей кривошипно-шатунной группы коленчатый вал имеет наиболее сложную пространственную форму. Несколько коленчатых сочленений выносят оси вращения его сегментов в сторону от основной продольной оси. К этим вынесенным осям крепятся нижние обоймы шатунов. Физический смысл конструкции точно такой же, как и при закреплении оси шатуна на краю маховика. В коленвала «лишняя», неиспользуемая часть маховика изымается и заменяется противовесом. Это позволяет существенно сократить массу и габариты изделия, повысить максимально доступные обороты.

Основные части, из которых состоит коленвал, следующие:

• Шейки. Служат для крепления вала в кронштейнах картера и шатунов на валу. Первые называют коренными, вторые — шатунными.
• Щеки. Образуют колена, давшие узлу свое название. Вращаясь вокруг продольной оси и толкаемые шатунами, преобразуют энергию продольного движения поршневой группы во вращательную энергию коленвала.
• Фронтальная выходная часть. На ней размещен шкив, от которого цепным или ременным приводом крутятся валы вспомогательных систем мотора- охлаждения, смазки, распределительного механизма, генератора.
• Основная выходная часть. Передает энергию трансмиссии и далее — колесам.

Тыльная часть щек, выступающая за ось вращения коленвала, служит противовесом для основной их части и шатунных шеек. Это позволяет динамически уравновесит вращающуюся с большой скоростью конструкцию, избежав разрушительных вибраций во время работы.

Для изготовления коленвалов используются отливки из легких высокопрочных чугунов либо горячие штамповки (поковки) из упрочненных сортов стали.

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

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.

Принцип работы кривошипно-шатунного механизма

Принцип работы кривошипно — шатунного механизма не изменился за последние три столетия.

Во время рабочего такта воспламенившаяся в конце такта сжатия рабочая смесь быстро сгорает, продукты сгорания расширяются и толкают поршень вниз. Он толкает шатун, тот упирается в нижнюю ось, разнесенную в пространстве с основной продольной осью. В результате под действием приложенных по касательной сил коленвал проворачивается на четверть оборота в четырехтактных двигателях и на пол-оборота в двухтактных. таким образом продольное движение поршня преобразуется во вращение вала.

Расчет кривошипно-шатунного механизма требует отличных знаний прикладной механики, кинематики, сопротивления материалов. Его поручают самым опытным инженерам.

Проектирование (производство) кулисного механизма

Несмотря на кажущуюся простоту устройств кулисного механизма, для того, чтобы он работал эффективно, требуется провести большую работу по его расчету и проектированию. При этом рассматриваются следующие основные аспекты:

• производительность и КПД;
• себестоимость производства и эксплуатации;
• отказоустойчивость и межремонтный ресурс;
• точность действия;
• безопасность.

Учитывая сложность взаимовлияния этих аспектов друг на друга, расчет кривошипно-кулисного механизма представляет из себя многоступенчатую итеративную задачу.

В ходе проектирования проводят следующие виды расчета и моделирования:

• расчет кинематики;
• динамический расчет;
• статический расчет.

Обычно проектирование и расчет разбивается на следующие этапы:

• Определение требуемого закона движения расчетно-аналитическим или графоаналитическим методом.
• Кинематическое моделирование. Выполнение общего плана, скоростного плана, графическое моделирование моментов инерции, графика энерго-массовых зависимостей.
• Силовое моделирование. Построение плана ускорений, эпюр сил, приложенных к звеньям в нескольких положения.
• Синтез кулисно-рычажного механизма. Построение графиков перемещения, скорости, ускорений графико-дифференциальным методом. расчет динамики кулисного механизма и его динамический синтез.
• Проверка на соответствие закону движения. Окончательное профилирование кулис.
• Проверка на соблюдение норм безопасности и охраны труда.
• Выпуск чертежей.

Расчет и проектирование кулисного механизма долгое время представлял собой весьма трудоемкий процесс, требовавший большого сосредоточения и внимательности от конструктора. В последнее время развитие средств вычислительной техники и программных продуктов семейства CAD-CAE существенно облегчил все рутинные операции по расчету. Конструктору достаточно выбрать подходящую кинематическую пару или звено из поставляемых производителем программ библиотек и задать их параметры на трехмерной модели. Существуют модули, на которых достаточно отобразить графически закон движения, и система сама подберет и предложит на выбор несколько вариантов кинематической его реализации.

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.

Область применения

Сегодня храповик как деталь применяется при создании различных промышленных агрегатов с компонентами инженерных конструкций. При этом может обеспечиваться стабильная работа различных небольших элементов инструментов. Этот момент указывает на универсальность применения храповых механизмов.

С точки зрения технической интеграции устройство обходит многие другие варианты исполнения.

Очень часто производители используют храповик в качестве элемента, через который проводится установка рабочих параметров. Примером можно назвать фиксацию шага реза в определенном диапазоне. Кроме этого, установка проводится при непосредственном изготовлении станочного оборудования.

В последнее время установка проводится в станках для круглой шлифовки, устройство обеспечивает радиальную подачу. Встречается механизм в домкратах и различных лебедочных системах, заводных автомобилях и других устройствах.

Перечень неисправностей КШМ

Наиболее распространенными поломками механизма являются:

• износ и разрушение шатунных и коренных шеек коленвала;
• стачивание, выкрашивание или плавление вкладышей подшипников скольжения;
• загрязнение нагаром сгорания поршневых колец;
• перегрев и поломка колец;
• скопление нагара на поршневом днище приводит к его перегреву и возможному разрушению;
• длительная эксплуатация двигателя с детонационными эффектами вызывает прогорание днища поршня.

Сочетание этих неисправностей со сбоем в системе смазки может вызвать перекос поршней в цилиндрах и заклинивание двигателя. Устранение всех этих поломок связано демонтажом двигателя и его частичной или полной разборкой.

Ремонт занимает много времени и обходится недешево, поэтому лучше выявлять сбои в работе на ранних стадиях и своевременно устранять неполадки.

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.

Признаки наличия неисправностей в работе КШМ

Для своевременного выявления сбоев и начинающих развиваться негативных процессов в кривошипно- шатунной группе полезно знать из внешних признаков:

• Стуки в двигателе, непривычные звуки при разгоне. Звенящие звуки часто бывают вызваны детонационными явлениями. Неполное сгорание топлива во время рабочего такта и взрывообразное его сгорание на такте выпуска приводят к скоплению нагара на кольцах и днище поршня, к ухудшению условий их охлаждения и разрушению. Необходимо залить качественное топливо и проверит параметры работы системы зажигания на стенде.
• Глухие стуки говорят об износе шеек коленвала. В этом случае следует прекратить эксплуатацию, отшлифовать шейки и заменить вкладыши на более толстые из ремонтного комплекта.
• «Поющий» на высокой звонко ноте звук указывает на возможное начало плавления вкладышей или на нехватку масла при повышении оборотов. Также нужно срочно ехать в сервис.
• Сизые клубы дыма из выхлопного патрубка свидетельствуют о избытке масла в рабочей камере. Следует проверить состояние колец и при необходимости заменить их.
• Падение мощности также может вызываться закоксовыванием колец и снижением компрессии.

При обнаружении этих тревожных симптомов не стоит откладывать визит в сервисный центр. Заклиненный двигатель обойдется намного дороже, и по деньгам, и по затратам времени.