Arskama.ru

Автомобильный журнал
4 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что входит в кшм двигателя

Кривошипно-шатунный механизм

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

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

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


Рис. 43. Тронковый поршень четырехтактного двигателя.

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

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

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

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


Рис. 44. Укороченный поршень двухтактного дизеля с наддувом.

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

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

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

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


Рис. 45. Шатун тронкового двигателя.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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


Рис. 46. Коленчатый вал двигателя.

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


Рис. 47. Установочный рамовый подшипник коленчатого вала.

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

Читать еще:  Чем плох вариаторный двигатель

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

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

Что входит в кшм двигателя

Этот механизм служит для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала. Он состоит из блока цилиндров с одной или двумя головками, поршней с кольцами, поршневых пальцев, шатунов, коленчатого вала с подшипниками, маховика и поддона блока цилиндров.

Блок цилиндров представляет собой общую отливку для всех цилиндров с рубашкой охлаждения. На автомобилях «Москвич» блок отливается из алюминиевого сплава. В него устанавливаются четыре легкосъемные чугунные гильзы — цилиндры. Полость между цилиндрами и наружными стенками блока является рубашкой охлаждения. В нижней части блока расположены пять коренных подшипников коленчатого вала.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Рис. 1. Блок цилиндров с гильзами двигателя «Москвич-412»:
1 — гнездо переднего коренного подшипника коленчатого вала; 2 — водораспределительный канал; 3 — уплотнительная прокладка гильзы цилиндра; 4 — гильза цилиндра; 5 — рубашка блока; 6 — блок цилиндров; 7 — гнездо для установки стартера; 8 — прилив для крепления водяного насоса

Блок цилиндров двигателя наклонен на 20° к вертикальной плоскости вправо по ходу автомобиля, что обеспечивает лучший доступ к стартеру, генератору и топливному насосу.

“Блок цилиндров двигателя ВАЗ отливается из специального легированного чугуна вместе с цилиндрами; в нижней части расположены пять коренных подшипников коленчатого вала. Крышки коренных подшипников на том и другом блоках невзаимозаменяемы и занумерованы для правильной сборки. Нижняя часть

блока цилиндров закрывается стальным штампованным поддоном, в котором помещается необходимый запас масла.

Блок цилиндров двигателя МеМЗ-968 с V-образным расположением цилиндров отливается из магниевого сплава. В передней и задней стенках блока устанавливаются крайние неразъемные коренные подшипники коленчатого вала, изготовляемые из специального алюминиевого сплава. Передний подшипник запрессован в специальную опору и фиксируется штифтом, а задний запрессован непосредственно в стенку блока и укрепляется стопором. Выше коренных подшипников в стенках блока расточены гнезда под опоры распределительного вала. Средний коренной подшипник коленчатого вала разборный и вместе со средней опорой укрепляется двумя болтами в постели внутренней перегеродки блока.

Рис. 2. Блок цилиндров двигателя МеМЗ-968:
1 — передняя крышка блока; 2 — уплотнительная прокладка; 3 — шпильки для крепления цилиндров к блоку; 4 — гнездо для крепления стартера; 5 — отверстие для установки цилиндра; 6 — блок цилиндров; 7 — цилиндр

В верхней части блока расточены и расположены попарно под углом 90° четыре отверстия для установки в них цилиндров 7, которые отливаются из чугуна и имеют для охлаждения ребра.

Цилиндры вместе с головками попарно крепятся длинными шпильками 3, ввернутыми в блок цилиндров.

Головки блоков цилиндров автомобилей «Москвич» и ВАЗ отливаются из алюминиевого сплава и являются общими для всех цилиндров. Внутри головок расположены камеры сгорания, впускные и выпускные клапаны, резьбовые отверстия для установки свечей зажигания. Двойные стенки головки образуют водяную рубашку, по которой циркулирует охлаждающая жидкость. Головка крепится к блоку цилиндров десятью шпильками с гайками или десятью болтами (двигатель ВАЗ ). Для уплотнения стыка между плоскостью головки и блоком цилиндров устанавливается металлоасбестовая прокладка. На двигателе МеМЗ головок цилиндров две — по одной на каждые два цилиндра.

Поршни отливаются из алюминиевого сплава и имеют выпуклое (двигатель «Москвич») или плоское (двигатели МеМЗ, ВАЗ ) днище. Вследствие неодинакового расширения головки и юбки (головка больше нагревается, а поэтому и больше расширяется) диаметр головки делают меньше диаметра юбки. Юбка поршня в поперечном сечении овальная с меньшей осью овала в плоскости поршневого пальца и большей — в плоскости действия боковых сил, что дает возможность уменьшить зазор между поршнем и цилиндром и исключить стуки при работе холодного двигателя. С внешней стороны головки поршня делаются три канавки (кольцевые выточки) для поршневых колец, В средней части поршня имеются две бобышки для установки поршневого пальца. Ось отверстия под поршневой палец в бобышках смещена в правую сторону по ходу автомобиля в двигателе «Москвич» на 1,5 мм, в двигателе ВАЗ — на 2 мм. Такое смещение обеспечивает более плавное перемещение поршня при изменении направления движения в зоне ВМТ при рабочем ходе, что уменьшает боковое давление поршня на стенку цилиндра и износ последнего. В двигателе МеМЗ смещение поршневого пальца в левую сторону по ходу автомобиля.

Рис. 3. Головки блока цилиндров:
а — двигателя «Москвич»; б —двигателя МеМЗ; 1 — прокладка головки блока цилиндров; 2 — головка блока цилиндров; 3 — пробка маслоналивной горловины; 4 — крышка механизма газораспределения; 5 — прокладка крышки; 6 — головка одной пары цилиндров; 7 — крышка клапанного механизма; 8 — футорка свечи зажигания

Поршневые кольца, изготовляемые из специального чугуна, имеют разрезы (замки). Два верхних кольца компрессионные, служат для уменьшения утечки газов; верхнее компрессионное кольцо хромировано, что повышает его износостойкость; нижнее — луженое.

Рис. 4. Шатунно-поршневая группа двигателя «Москвич-412»:
а — поршень; б — поршневые кольца; в — шатун; 1 — юбка поршня; 2 — бобышки; 3 — стопорные кольца; 4 — головка поршня; 6 — днище; 6 — канавки для установки поршневых колец; 7 — поршневой палец; 8 — компрессионные кольца; 9 — масло-съемное кольцо; 10 — нижняя крышка шатуна; 11 — вкладыши; 12 — бронзовая втулка; 13 — отверстие для смазки поршневого пальца; 14 — верхняя головка шатуна; 15 — стержень

Третье поршневое кольцо — маслосъемное, на наружной цилиндрической поверхности имеет проточку и восемь щелевидных прорезей для отвода излишнего масла со стенки цилиндра во внутреннюю полость поршня и далее в картер (двигатели «Москвич» и ВАЗ ). На внутренней поверхности маслосъемного кольца двигателя ВАЗ проточена канавка, в которую устанавливается специальная стальная расширительная пружина. Маслосъемное поршневое кольцо двигателя МеМЗ состоит из двух стальных дисков и двух расширителей — осевого и радиального.

Рис. 5. Поршневые кольца двигателя МеМЗ;
1 — компрессионные; 2 масло-съемное

Поршневой палец, служащий для шарнирного соединения поршня с шатуном, изготовляется пустотелым из стали с поверхностной закалкой токами высокой частоты. От продольного перемещения, что могло бы вызвать задиры на стенках цилиндров, палец удерживается в бобышках поршня при помощи двух стопорных колец, вставляемых в кольцевые выточки. Такой способ крепления позволяет поршневому пальцу поворачиваться в головке шатуна и в бобышках поршня, поэтому палец называется плавающим (двигатели «Москвич» и МеМЗ). В двигателе ВАЗ поршневой палец от осевого перемещения зафиксирован в верхней головке шатуна путем горячей посадки, обеспечивающей необходимый натяг.

Рис. 6. Коленчатый вал двигателя «Москвич-412»:
1 — храповик; 2 — стопорная шайба; 3 — шкив; 4 — передний сальник; 5 — маслоотражатель; 6 — шестерня привода масляного насоса; 7 — распорная втулка; 3 — звездочка; 9 — шпонки; 10 — противовес; 11 — вкладыш; 12 — прокладка; 13 — крышка заднего сальника; 14 — задний сальник; 15 — маховик; 16 — трубчатые штифты; 17 — крышка коренного подшипника; 18 — шатунные шейки

Шатун соединяет поршень с шатунной шейкой коленчатого вала и служит для передачи силы от поршня на коленчатый вал при рабочем ходе, а при вспомогательных тактах — от коленчатого вала к поршню. Он состоит из стержня двутаврового сечения, верхней головки с бронзовой втулкой (кроме двигателя ВАЗ , у которого втулка не ставится) и нижней разъемной головки, имеющей тонкостенные вкладыши: на двигателе ВАЗ — сталеалюминиевые, а на двигателях МеМЗ и «Москвич» — стале-бронзовые.

Коленчатый вал двигателя «Москвич» пяти-опорный стальной, коренные и шатунные шейки имеют поверхностную закалку токами высокой частоты. Коренные подшипники с тонкостенными вкладышами. Для разгрузки коренных подшипников от действия центробежных сил на щеках вала имеются противовесы, откованные вместе с валом. Для подвода смазки от коренных к шатунным подшипникам в щеках коленчатого вала имеются сверления. На переднем конце коленчатого дала на сегментных шпонках установлены ведущая звездочка 8 цепного привода распределительного вала, шестерня 6 привода масляного насоса и прерывателя-распределителя зажигания, шкив привода вентилятора; в торец завинчивается храповик для заводной рукоятки. Коленчатый вал двигателя ВАЗ изготовляется из специального чугуна и устанавливается в блоке цилиндров на пяти коренных подшипниках, имеющих сталеалюминиевые вкладыши. На переднем конце размещаются ведущая звездочка цепного привода распределительного вала и шкив привода вентилятора, которые закрепляются храповиком, ввернутым в торец вала.

Читать еще:  Эфир для запуска двигателя инструкция

На двигателе МеМЗ коленчатый вал трехопорный с полыми коренными и шатунными шейками. Он отливается из высокопрочного чугуна. Вал динамически сбалансирован вместе с маховиком, сцеплением и корпусом центробежного масляного фильтра. Вкладыши заднего и переднего коренных подшипников неразъемные, в виде втулок, а среднего подшипника — разъемные, состоящие из двух половин. Разъемный средний подшипник монтируется на коленчатом валу до постановки вала в картер блока.

Маховик отливается из чугуна, служит для вывода поршней из мертвых точек, равномерного вращения колен-чахого вала, способствует за счет своей массы плавному троганию автомобиля с места и облегчает вращение коленчатого вала при пуске двигателя. На обод маховика напрессовывают стальной зубчатый венец для пуска двигателя стартером.

Рис. 7. Коленчатого вала и задняя опора балансирного вала двигателя МеМЗ:

На двигателях «Москвич» и ВАЗ маховик крепится к фланцу коленчатого вала при помощи болтов. Маховик двигателя МеМЗ устанавливается на четырех штифтах на заднем торце коленчатого вала, закрепляется специальным болтом, в выточке которого устанавливается подшипник первичного вала коробки передач.

Устройство кривошипно-шатунного механизма

Основной задачей двигателей внутреннего сгорания, использующиеся на всевозможной технике, является преобразование энергии, которая выделяется при сжигании определенных веществ, в случае с ДВС – это топливо на основе нефтепродуктов или спиртов и воздуха, необходимого для горения.

Преобразование энергии производится в механическое действие – вращение вала. Далее уже это вращение передается дальше, для выполнения полезного действия.

Однако реализация всего этого процесса не такая уж и простая. Нужно организовать правильно преобразование выделяемой энергии, обеспечить подачу топлива в камеры, где производиться сжигание топливной смеси для выделения энергии, отвод продуктов горения. И это не считая того, что тепло, выделяемое при сгорании нужно куда-то отводить, нужно убрать трение между подвижными элементами. В общем, процесс преобразования энергии сложен.

Поэтому ДВС – устройство довольно сложное, состоящее из значительного количества механизмов, выполняющих определенные функции. Что же касается преобразования энергии, то выполняет его механизм, называющийся кривошипно-шатунным. В целом, все остальные составные части силовой установки лишь обеспечивают условия для преобразования и обеспечивают максимально возможный выход КПД.

Принцип действия кривошипно-шатунного механизма

Основная же задача лежит на этом механизме, ведь он преобразовывает возвратно-поступательное перемещение поршня во вращение коленчатого вала, того вала, от движения которого и производится полезное действие.

Чтобы было более понятно, в двигателе есть цилиндро-поршневая группа, состоящая из гильз и поршней. Сверху гильза закрыта головкой, а внутри ее помещен поршень. Закрытая полость гильзы и является пространством, где производится сгорание топливной смеси.

При сгорании объем горючей смеси значительно возрастает, а поскольку стенки гильзы и головка являются неподвижными, то увеличение объема воздействует на единственный подвижный элемент этой схемы – поршень. То есть поршень воспринимает на себя давление газов, выделенных при сгорании, и от этого смещается вниз. Это и является первой ступенью преобразования – сгорание привело к движению поршня, то есть химический процесс перешел в механический.

И вот далее уже в действие вступает кривошипно-шатунный механизм. Поршень связан с кривошипом вала посредством шатуна. Данное соединение является жестким, но подвижным. Сам поршень закреплен на шатуне посредством пальца, что позволяет легко шатуну менять положение относительно поршня.

Шатун же своей нижней частью охватывает шейку кривошипа, которая имеет цилиндрическую форму. Это позволяет менять угол между поршнем и шатуном, а также шатуном и кривошипом вала, но при этом смещаться шатун вбок не может. Относительно поршня он только меняет угол, а на шейке кривошипа он вращается.

Поскольку соединение жесткое, то расстояние между шейкой кривошипа и самим поршнем не изменяется. Но кривошип имеет П-образную форму, поэтому относительно оси коленвала, на которой размещен этот кривошип, расстояние между поршнем и самим валом меняется.

За счет применения кривошипов и удалось организовать преобразование перемещения поршня во вращение вала.

Но это схема взаимодействия только цилиндро-поршневой группы с кривошипно-шатунным механизмом.

На деле же все значительно сложнее, ведь имеются взаимодействия между элементами этих составляющих, причем механические, а это значит, что в местах контакта этих элементов будет возникать трение, которое нужно по максимуму снизить. Также следует учитывать, что один кривошип неспособен взаимодействовать с большим количеством шатунов, а ведь двигатели создаются и с большим количеством цилиндров – до 16. При этом нужно же и обеспечить передачу вращательного движения дальше. Поэтому рассмотрим, из чего состоит цилиндро-поршневая группа (ЦПГ) и кривошипно-шатунный механизм (КШМ).

Начнем с ЦПГ. Основными в ней являются гильзы и поршни. Сюда же входят и кольца с пальцами.

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.

Поршень

Поршень принимает на себя энергию, выделяемую при сгорании, и за счет своего перемещения преобразовывает ее в механическое действие. Состоит он из днища, юбки и бобышек для установки пальца.

Именно днищем поршень и воспринимает энергию. Поверхность днища в бензиновых моторах изначально была ровной, позже на ней стали делать углубления для клапанов, предотвращающих столкновение последних с поршнями.

В дизельных же моторах, где смесеобразование происходит непосредственно в цилиндре, и составляющие смеси туда подаются по отдельности, в днищах поршня выполнена камера сгорания – углубления особой формы, обеспечивающие более лучшее смешивание компонентов смеси.

В инжекторных бензиновых двигателях тоже стали применять камеры сгорания, поскольку в них тоже составные части смеси подаются по отдельности.

Юбка является лишь его направляющей в гильзе. При этом нижняя часть ее имеет особую форму, чтобы исключить возможность соприкосновения юбки с шатуном.

Чтобы исключить просачивание продуктов горения в подпоршневое пространство используются поршневые кольца. Они подразделяются на компрессионные и маслосъемные.

В задачу компрессионных входит исключение появления зазора между поршнем и зеркалом, тем самым сохраняется давление в надпоршневом пространстве, которое тоже участвует в процессе.

Если бы компрессионных колец не было, трение между разными металлами, из которых изготавливаются поршень и гильза было бы очень высоким, при этом износ поршня происходил бы очень быстро.

В двухтактных двигателях маслосъемные кольца не применяются, поскольку смазка зеркала производиться маслом, которое добавляется в топливо.

В четырехтактных смазка производится отдельной системой, поэтому чтобы исключить перерасход масла используются маслосъемные кольца, снимающие излишки его с зеркала, и сбрасывая в поддон. Все кольца размещаются в канавках, проделанных в поршне.

Бобышки – отверстия в поршне, куда вставляется палец. Имеют отливы с внутренней части поршня для увеличения жесткости конструкции.

Палец представляет собой трубку значительной толщины с высокоточной обработкой внешней поверхности. Часто, чтобы палец не вышел за пределы поршня во время работы и не повредил зеркало гильзы, он стопориться кольцами, размещающимися в канавках, проделанных в бобышках.

Это конструкция ЦПГ. Теперь рассмотрим устройство кривошипно-шатунного механизма.

Шатун

Итак, состоит он из шатуна, коленчатого вала, посадочных мест этого вала в блоке и крышек крепления, вкладышей, втулки, полуколец.

Шатун – это стержень с отверстием в верхней части под поршневой палец. Нижняя часть его сделана в виде полукольца, которым он садится на шейку кривошипа, вокруг шейки он фиксируется крышкой, внутренняя поверхность ее тоже выполнена в виде полукольца, вместе с шатуном они и формируют жесткое, но подвижное соединение с шейкой – шатун может вращаться вокруг ее. Соединяется шатун со своей крышкой посредством болтовых соединений.

Чтобы снизить трение между пальцем и отверстием шатуна применяется медная или латунная втулка.

По всей длине внутри шатун имеет отверстие, через которое масло подается для смазки соединения шатуна и пальца.

Коленчатый вал

Перейдем к коленчатому валу. Он имеет достаточно сложную форму. Осью его выступают коренные шейки, посредством которых он соединен с блоком цилиндров. Для обеспечения жесткого соединения, но опять же подвижного, в блоке посадочные места вала выполнены в виде полуколец, второй частью этих полуколец выступают крышки, которыми вал поджимается к блоку. Крышки к с блоком соединены болтами.

Коленвал 4-х цилиндрового двигателя

Коренные шейки вала соединены с щеками, которые являются одной из составных частей кривошипа. В верхней части этих щек располагается шатунная шейка.

Количество коренных и шатунных шеек зависит от количества цилиндров, а также их компоновки. В рядных и V-образных двигателях на вал передаются очень большие нагрузки, поэтому должно быть обеспечено крепление вала к блоку, способное правильно распределять эту нагрузку.

Читать еще:  Газель 402 двигатель карбюратор заливает

Для этого на один кривошип вала должно приходиться две коренные шейки. Но поскольку кривошип размещен между двух шеек, то одна из них будет играть роль опорной и для другого кривошипа. Из этого следует, что у рядного 4-цилиндрового двигателя на валу имеется 4 кривошипа и 5 коренных шеек.

У V-образных двигателей ситуация несколько иная. В них цилиндры расположены в два ряда под определенным углом. Поэтому один кривошип взаимодействует с двумя шатунами. Поэтому у 8-цилиндрового двигателя используется только 4 кривошипа, и опять же 5 коренных шеек.

Уменьшение трения между шатунами и шейками, а также блоком с коренными шейками достигается благодаря использованию вкладышей – подшипников трения, которые помещаются между шейкой и шатуном или блоком с крышкой.

Смазка шеек вала производится под давлением. Для подачи масла применяются каналы, проделанные в шатунных и коренных шейках, их крышках, а также вкладышах.

В процессе работы возникают силы, которые пытаются сместить коленчатый вал в продольном направлении. Чтобы исключить это используются опорные полукольца.

В дизельных двигателях для компенсации нагрузок используются противовесы, которые прикрепляются к щекам кривошипов.

Маховик

С одной из сторон вала сделан фланец, к которому прикрепляется маховик, выполняющий несколько функций одновременно. Именно от маховика передается вращение. Он имеет значительный вес и габариты, что облегчает вращение коленчатому валу после того, как маховик раскрутится. Чтобы запустить двигатель нужно создать значительное усилие, поэтому по окружности на маховик нанесены зубья, которые называются венцом маховика. Посредством этого венца стартер раскручивает коленчатый вал при запуске силовой установки. Именно к маховику присоединяются механизмы, которые и используют вращение вала на выполнение полезного действия. У автомобиля это трансмиссия, обеспечивающая передачу вращения на колёса.

Чтобы исключить осевые биения, коленчатый вал и маховик должны быть хорошо отбалансированы.

Другой конец коленчатого вала, противоположный фланцу маховика используется зачастую для привода остальных механизмом и систем мотора: к примеру, там может размещаться шестерня привода масляного насоса, посадочное место для приводного шкива.

Это основная схема коленчатого вала. Особо нового пока ничего не придумано. Все новые разработки направлены пока только на снижение потерь мощности в результате трения между элементами ЦПГ и КШМ.

Также стараются снизить нагрузку на коленчатый вал путем изменения углов положения кривошипов относительно друг друга, но особо значительных результатов пока нет.

Кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение (например, во вращательное движение коленчатого вала в двигателях внутреннего сгорания), и наоборот. Детали КШМ делят на две группы, это подвижные и неподвижные детали:

  • Подвижные: поршень с поршневыми кольцами, поршневой палец, шатун, коленчатый вал с подшипниками или кривошип, маховик.
  • Неподвижные: блок цилиндров (является базовой деталью двигателя внутреннего сгорания) и представляет собой общую отливку с картером, головка цилиндров, картер маховика и сцепления, нижний картер (поддон), гильзы цилиндров, крышки блока, крепежные детали, прокладки крышек блока, кронштейны, полукольца коленчатого вала.

Содержание

  • 1 Принцип действия
  • 2 Типы и виды КШМ
  • 3 История
    • 3.1 В природе
    • 3.2 В Римской империи
  • 4 Уравнения движения поршня (для центрального КШМ)
    • 4.1 Определения
    • 4.2 Угловая скорость
    • 4.3 Отношения в треугольнике
  • 5 Уравнения по отношению к угловому положению кривошипа (для центрального КШМ)
    • 5.1 Положение
    • 5.2 Скорость
    • 5.3 Ускорение
  • 6 Пример графиков движения поршня
  • 7 Применение
  • 8 См. также
    • 8.1 Другие способы преобразования вращательного движения в прямолинейное
  • 9 Примечания
  • 10 Литература
  • 11 Ссылки

Принцип действия [ править | править код ]

Прямая схема: Поршень под действием давления газов совершает поступательное движение в сторону коленчатого вала. С помощью кинематических пар «поршень-шатун» и «шатун-вал» поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал состоит из:

  • шатунных шеек
  • коренных шеек
  • противовеса

Обратная схема: Коленчатый вал под действием приложенного внешнего крутящего момента совершает вращательное движение, которое через кинематическую цепь «вал-шатун-поршень» преобразуется в поступательное движение поршня.

Типы и виды КШМ [ править | править код ]

  • Центральный КШМ, у которого ось цилиндра пересекается с осью коленчатого вала.
  • Смещенный КШМ, у которого ось цилиндра смещена относительно оси коленчатого вала на величину а;
  • V-образный КШМ (в том числе с прицепным шатуном), у которого два шатуна, работающие на левый и правый цилиндры, размещены на одном кривошипе коленчатого вала.

По соотношению хода и диаметра поршня различают:

  • короткоходные [1] (S/D 1) КШМ.

В автомобильных высокооборотистых ДВС преобладает короткоходная схема.

По наличию бокового усилия на гильзе КШМ бывает:

  • тронковый[2] (с боковым усилием);
  • крейцкопфный[3] (разгруженный поршень);

История [ править | править код ]

В природе [ править | править код ]

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

В Римской империи [ править | править код ]

Самые ранние свидетельства появления на машине рукоятки в сочетании с шатуном относятся к пилораме из Иераполиса, 3-й век нашей эры, римский период, а также византийским каменным пилорамам в Герасе, Сирии и Эфесе, Малая Азия (6-й век нашей эры). [4] Ещё одна такая пилорама возможно существовала во 2 веке н. э. в римском городе Августа-Раурика (современная Швейцария), где был найден металлический кривошип. [5]

Уравнения движения поршня (для центрального КШМ) [ править | править код ]

Определения [ править | править код ]

l — длина шатуна (расстояние между шатуннопоршневой осью и кривошипношатунной осью)
r — радиус кривошипа (расстояние между кривошипношатунной осью и центром кривошипа, то есть половина хода поршня
A — угол поворота кривошипа (от «верхней мёртвой точки» до «нижней мёртвой точки»)
x — положение шатуннопоршневой оси (от центра кривошипа вдоль оси цилиндра)
v — скорость шатуннопоршневой оси (от центра кривошипа вдоль оси цилиндра)
a — ускорение шатуннопоршневой оси (от центра кривошипа вдоль оси цилиндра)
ω — угловая скорость кривошипа в радианах в секунду (рад/сек)

Угловая скорость [ править | править код ]

Угловая скорость кривошипа в оборотах в минуту (RPM):

ω = 2 π ⋅ R P M 60 ><60>>>

Отношения в треугольнике [ править | править код ]

Как показано в диаграмме, центр кривошипа, кривошипношатунная ось и шатуннопоршневая ось образуют треугольник NOP.
Из теоремы косинусов следует, что:

l 2 = r 2 + x 2 − 2 ⋅ r ⋅ x ⋅ cos ⁡ A =r^<2>+x^<2>-2cdot rcdot xcdot cos A>

Уравнения по отношению к угловому положению кривошипа (для центрального КШМ) [ править | править код ]

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

Положение [ править | править код ]

Положение относительно угла кривошипа (преобразованием отношений в треугольнике):

l 2 − r 2 = x 2 − 2 ⋅ r ⋅ x ⋅ cos ⁡ A -r^<2>=x^<2>-2cdot rcdot xcdot cos A> l 2 − r 2 = x 2 − 2 ⋅ r ⋅ x ⋅ cos ⁡ A + r 2 [ ( cos 2 ⁡ A + sin 2 ⁡ A ) − 1 ] -r^<2>=x^<2>-2cdot rcdot xcdot cos A+r^<2>[(cos ^<2>A+sin ^<2>A)-1]> l 2 − r 2 + r 2 − r 2 sin 2 ⁡ A = x 2 − 2 ⋅ r ⋅ x ⋅ cos ⁡ A + r 2 cos 2 ⁡ A -r^<2>+r^<2>-r^<2>sin ^<2>A=x^<2>-2cdot rcdot xcdot cos A+r^<2>cos ^<2>A> l 2 − r 2 sin 2 ⁡ A = ( x − r ⋅ cos ⁡ A ) 2 -r^<2>sin ^<2>A=(x-rcdot cos A)^<2>> x − r ⋅ cos ⁡ A = l 2 − r 2 sin 2 ⁡ A -r^<2>sin ^<2>A>>> x = r cos ⁡ A + l 2 − ( r sin ⁡ A ) 2 -(rsin A)^<2>>>>

Скорость [ править | править код ]

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

x ′ = d x d A = − r sin ⁡ A + ( 1 2 ) . ( − 2 ) . r 2 sin ⁡ A cos ⁡ A l 2 − r 2 sin 2 ⁡ A = − r sin ⁡ A − r 2 sin ⁡ A cos ⁡ A l 2 − r 2 sin 2 ⁡ A x’&=&>\&=&-rsin A+<2>>).(-2).r^<2>sin Acos A>-r^<2>sin ^<2>A>>>\&=&-rsin A-sin Acos A>-r^<2>sin ^<2>A>>>end>>

Ускорение [ править | править код ]

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

x ″ = d 2 x d A 2 = − r cos ⁡ A − r 2 cos 2 ⁡ A l 2 − r 2 sin 2 ⁡ A − − r 2 sin 2 ⁡ A l 2 − r 2 sin 2 ⁡ A − r 2 sin ⁡ A cos ⁡ A . ( − 1 2 ) ⋅ ( − 2 ) . r 2 sin ⁡ A cos ⁡ A ( l 2 − r 2 sin 2 ⁡ A ) 3 = − r cos ⁡ A − r 2 ( cos 2 ⁡ A − sin 2 ⁡ A ) l 2 − r 2 sin 2 ⁡ A − r 4 sin 2 ⁡ A cos 2 ⁡ A ( l 2 − r 2 sin 2 ⁡ A ) 3 x»&=&x>>>\&=&-rcos A-cos ^<2>A>-r^<2>sin ^<2>A>>>-sin ^<2>A>-r^<2>sin ^<2>A>>>-sin Acos A.(-<2>>)cdot (-2).r^<2>sin Acos A>-r^<2>sin ^<2>A>>right)^<3>>>\&=&-rcos A-(cos ^<2>A-sin ^<2>A)>-r^<2>sin ^<2>A>>>-sin ^<2>Acos ^<2>A>-r^<2>sin ^<2>A>>right)^<3>>>end>>

Пример графиков движения поршня [ править | править код ]

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

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

Применение [ править | править код ]

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

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector