Системы и механизмы двигателя II: Кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный механизм

В автомобильных двигателях в основном используются следующие типы кривошипно-шатунного механизма: центральный (аксиальный), смещенный (дезаксиальный). Комбинируя данные схемы, можно сформировать кривошипно-шатунный механизм (КШМ) как линейного, так и многорядного многоцилиндрового двигателя. При этом смещенный механизм возможен в двухвариантах. В первом случае ось цилиндра смещена относительно оси коленчатого вала, а во втором — ось поршневого пальца смещена относительно оси цилиндра.

При работе двигателя основные элементы КШМ совершают различные виды перемещений. Поршень движется возвратно-поступательно. Шатун совершает сложное плоскопараллельное движение в плоскости его качания. Кривошип коленчатого вала совершает вращательное движение относительно его оси.

Кинематические схемы кривошипно-шатунного мехенизма

а — центральная линейная;
б — смещенная линейная

Детали поршневой группы совершают прямолинейное возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра.

Кривошип коленчатого вала совершает равномерное вращательное движение. Конструктивно он состоит из совокупности двух половин коренной шейки, двух щек и шатунной шейки. При равномерном вращении на каждый из указанных элементов кривошипа действует центробежная сила, пропорциональная его массе и центростремительному ускорению.

Элементы шатунной группы совершают сложное плоскопараллельное движение.

Цилиндровая группа и картеры.

Корпус является базовой частью двигателя. На него устанавливаются все его основные механизмы и системы. Он обеспечивает крепление двигателя на транспортном средстве. Корпус состоит из двух функциональных элементов: цилиндра и картера.

Цилиндр выполняет функцию направляющего элемента для движущегося поршня, он участвует в обеспечении необходимого теплового режима поршневой группы. Головка цилиндра соединена с цилиндром шпильками или болтами, а стык между ними уплотняется прокладкой. Головка совместно с цилиндром формирует камеру сгорания, а с движущимся поршнем создает пространство, в которрм реализуется рабочий процесс.

Картер предназначен для установки коленчатого вала, ограничивает объем для движущихся элементов КШМ и обеспечивает крепление двигателя на транспортном средстве. Картер состоит из перегородок коренных опор, боковых и торцевых стенок, опорной плиты и нижней части. Нижняя часть картера может служить емкостью для масла и называется масляным поддоном. Обычно она не является несущей и штампуется из листовой стали толщиной 1... 1,5 мм или отливается из алюминиевого сплава.

В автомобильных двигателях корпусные детали могут иметь различную конструкцию и компоновку. В зависимости от компоновки цилиндров различают следующие автомобильные двигатели:

однорядные (линейные) и двухрядные (V-образные). На конструкцию корпуса большое влияние оказывает тип системы охлаждения (воздушная или жидкостная). Так, для двигателей с жидкостным охлаждением характерно объединение цилиндров в единый узел, называемый блоком цилиндров, что позволяет существенно повысить жесткость корпуса двигателя. В двигателях воздушного охлаждения цилиндры обычно изготовляют индивидуально, что связано с технологическими сложностями отливки наружного оребрения. В ряде случаев цилиндры блока выполняют в виде автономного элемента и называют гильзами. В автотракторных двигателях с жидкостным охлаждением с числами цилиндров в ряду до шести включительно блок цилиндров и верхнюю половину картера обычно выполняют в виде единой отливки, называемой блоккартером. Это наиболее предпочтительная конструкция корпуса двигателя, обеспечивающая его наибольшую жесткость.

В современных автотракторных двигателях масса корпуса составляет 25...35 % от массы всего двигателя. Относительно меньшую массу по сравнению с линейными имеет корпус V-образных двигателей.

Корпусные элементы двигателей жидкостного охлаждения

Блок цилиндров состоит из следующих элементов: боковых и торцовых стенок, межцилиндровых перемычек и верхней горизонтальной плиты, объединенных термином «водяная рубашка», а также цилиндров. Если в цилиндры, отлитые совместно с водяной рубашкой, устанавливают тонкостенные гильзы, то они называются сухими. Если цилиндры съемные и омываются охлаждающей жидкостью, то их называют мокрыми гильзами.

Картер состоит из перегородок коренных опор боковых стенок, верхней горизонтальной опорной плиты и нижней привалочной плоскости, на которой фиксируется масляный поддон. Последний может быть выполнен к ак в виде тонкостенной конструкции, образующей емкость для сбора и размещения масла, так и в виде монолитного несущего элемента, что способствует повышению жесткости корпуса.

Силовые схемы двигателей с жидкостным охлаждением:
а — с несущим блоком цилиндров, б — с несущей рубашкой; в — с несущими силовыми шпильками

По тому как элементы корпуса двигателей с жидкостным охлаждением воспринимают нагрузку от газовых сил, различают следующие силовые схемы:

1) с несущим блоком цилиндров , когда силы давления газов воспринимаются головкой, силовыми болтами (шпильками), опорами коренных подшипников и нагружают растягивающими усилиями с генки блока цидиндров. Разновидностью данной силовой схемы при мокрых гильзах является схема с несущей рубашкой . При этом газовые силы нагружают (растягивают) только стенки водяной рубашки;

2) с несущими силовыми шпильками. Силы газов, действуя на головку, воспринимается длинными шпильками, которые крепятся в верхней части картера. При этом рубашка охлаждения и мокрые гильзы в результате предварительной затяжки шпилек находятся в сжатом состоянии, и газовые силы разгружают их Блок-картеры, выполненные по данной схеме, могут отливаться из алюминиевого сплава в силу их меньшей нагруженности.

Конструктивные мероприятия по повышению жесткости блок-картера
а — полноопорный коленчатый вал, б — оребрение перегородок коренных опор и боковых стенок, в — понижение плоскости разъема картера, г — туннельный картер, д — рамная плита или коробчатая конструкция масляного поддона, объединенная с крышками коренных опор

Цилиндры двигателя могут быть выполнены совместно с элементами водяной рубашки блгока или изготовляться как отдельные детали — гильзы. Применение негильзованного блока цилиндров обеспечивает высокую прочность и жесткость блок-картера. Такая конструкция имеет меньшие габариты и массу, требует относительно небольшой механической обработки. Однако при этом технологически сложно получить качественную отливку со стабильными геометрическими параметрами. Кроме того, при выходе из строя одного из цилиндров требуется замена всего блока.

Блоки цилиндров с мокрыми вставными и сухими гильзами в большей или меньшей степени лишены указанных недостатков. При этом упрощается технология отливки блок-картеров (для них можно использовать менее дорогостоящие материалы и только для гильз — более качественные), уменьшается неравномерность нагрева, а следовательно, и термическое коробление гильз и блоков, уменьшаются затраты на ремонт.

Сухие гильзы изготовляют двух видов: с верхним опорным буртом и без него . Толщина стенок таких гильз цилиндров составляет 2...4 мм. Гильзы второго типа запрессовывают в блок с некоторым натягом для фиксации их перед окончательной обработкой после установки в блок и при работе двигателя. Сухие гильзы также могут выполняться в виде вставки в верхней зоне цилиндра, подверженной наибольшему износу. Для повышения износостойкости сухие гильзы изготовляют из кислотоупорного высоколегированного чугуна аустенитной структуры.

Особое внимание при монтаже сухих гильз уделяют обеспечению хорошего контакта с блоком В противном случае ухудшаются условия отвода теплоты от гильзы в охлаждающую жидкость, что вызывает нежелательную дополнительную деформацию гильзы в цилиндре.

Мокрая вставная гильза имеет фланец в верхней, средней или нижней части гильзы, опирающийся на кольцевой прилив блока. Жесткость фланца должна быть достаточной для обеспечения допустимой деформации гильзы при затяжке силовых болтов (шпилек).

Более низкое расположение опорного фланца способствует улучшению охлаждения наиболее термически нагруженных верхней части гильзы и поршневых колец. Это уменьшает термические деформации верхнего пояса гильзы, что позволяет снизить износ и исключить задиры поверхностей трения элементов цилиндропоршневой группы, а также уменьшить расход масла.

Для сохранения геометрической формы во время работы гильзу фиксируют в двух опорных направляющих поясах, расположенных в верхней и нижней ее частях.

Герметизация водяной рубашки в кольцевых канавках нижнего направляющего пояса гильзы осуществляется уплотнительными кольцами из каучука или резины.

Типы гильз цилиндров:
а — сухая без опорного бурта, б — сухая с верхним опорным буртом, в — мокрая с верхним опорным фланцем, г — мокрая с нижним опорным фланцем; д — мокрая со средним опорным фланцем

Верхний посадочный пояс гильзы располагают таким образом, чтобы уплотняющая зона поршня при его положении в ВМТ находилась на уровне жидкости в рубашке охлаждения.

Вследствие высокочастотной вибрации мокрой гильзы, вызываемой перекладкой поршня, на ее поверхности, омываемой охлаждающей жидкостью, происходят кавитационные процессы, приводящие к частичному или: полному разрушению гильзы. Для уменьшения их интенсивности применяют комплекс конструктивных мероприятий, способствующих снижению энергии перекладки, таких, как дезаксаж, уменьшение зазора, бочкообразность юбки поршня и т.д. Аналогичный эффект дают повышение жесткости гильзы, более плотная ее посадка в направляющие пояса, установка специального демпфирующего кольца в месте нижнего стыка гильзы и блока.

Торец гильзы должен выступать над опорной плоскостью блока на 0,05...0,15 мм, чтобы сила затяжки шпилек обеспечивала надежность газового стыка.

Толщину стенок цилиндра назначают из условия необходимой жесткости и допустимой деформации при сборке двигателя и реализации рабочего процесса (для стенок мокрых чугунных гильз — 5... 8 мм). У моноблочной конструкции толщину стенки цилиндра выбирают с учетом возможности его растачивания при ремонте.

Длину цилиндра устанавливают из условия свободного движения противовесов и шатуна. При этом допускается выход нижней кромки юбки поршня за пределы цилиндра при его положении в НМТ.

Коренные подшипники являются одними из наиболее нагруженных элементов двигателя. Для обеспечения гарантированного жидкостного трения в подшипниках коленчатого вала важно ограничить деформации элементов данного узла, а также обеспечить соосность опор вдоль двигателя.

Крепление крышек коренных подшипников коленчатого вала с использованием фиксирующих элементов:
а — выступов; б — поверхностей и стяжных шпилек; в — штифтов; г — втулок; 1— основная силовая шпилька; 2 — фиксирующие выступы крышки; 3 - стяжная сквозная шпилька; 4 - фиксирующая поверхность; 5 - стяжной болт; 6 - штифт; 7 — втулка

Головки цилиндров выполняют в виде единой отливки для одного ряда цилиндров или индивидуально для каждого цилиндра.

Индивидуальные головки обеспечивают более надежный газовый стык. Их применение облегчает выполнение монтажно-демонтажных работ при производстве и ремонте. Они обычно используются в двигателях, форсированных наддувом.

Ввиду высоких газовых и термических нагрузок для обеспечения необходимой жесткости нижнюю опорную стенку головки со стороны привалочной плоскости делают достаточно массивной. Это снижает вероятность коробления седел клапанов и повышает надежность газового стыка.

Уплотнение газового стыка:
а — прокладкой и плоским торцом гильзы; б — прокладкой и выступающим буртиком верхнего торца гильзы; в — прокладкой и уплотняющим кольцом; г — уплотняющим кольцом; 1— опорная плоскость, 2 — центрирующий пояс; 3 — прокладка; 4—уплотняющее кольцо, 5 —резиновое кольцо уплотнения жидкостного стыка

Поршень

Основные элементы поршня:
1 — юбка; 2 — головка; 3 — уплотняющий пояс; 4 — днище; 5 — огневой пояс; 6 —бобышки

Поршни дизелей:
а — листовой пяршень; б и в —штамповые поршни, 1 — ребра, соединяющие днище и бобышки поршня; 2 — бобышка со скошенным внутренним торцом; 3 — вырез под клапан

Поршни двигателей с искровым зажиганием:
а и б — поршни с поперечной прорезью и терморегулирующей вставкой, в и г — поршни с Т-образной прорезью; 1— терморегулирующая вставка; 2 — поперечная прорезь; 3 — вставка канавки под первое компрессионное кольцо, 4 — Т-образная прорезь, 5 — зона выборки металла для подгонки по массе; е — дезаксаж поршня

Параметры конструктивных элементов поршневой группы

На втором и третьем рисунке представлены наиболее типичные в настоящее время конструкции поршней дизелей и двигателей с искровым зажиганием. Теплота, подводимая к поршню через его головку, отводится в охлаждаемую стенку цилиндра через компрессионные кольца поршня (20... 30 %), в систему смазывания через внутреннюю поверхность днища поршня (5... 10%). Поршень также воспринимает часть теплоты, выделяющейся в результате трения цилиндра и поршнепой группы.

Высота поршня Н определяется в основном высотой головки h_т. При малой Н существенно возрастает влияние на характер движения поршня несоблюдение при производстве и эксплуатации зазоров, что может интенсифицировать процессы перекладки.

При выборе высоты огневого пояса h стремятся обеспечить расположение Верхнего компрессионного кольца в пределах охлаждаемой части цилиндра при нахождении поршня в ВМТ. Увеличение h в целях поддержания температуры верхней канавки на уровне ниже температуры коксования масла приводит к росту теплотой нагруженности и вредного объема между огневым поясом и цилиндром.

Толщину днища поршня § назначают исходя из требований обеспечения необходимого теплоотвода от элементов головки поршня.

Количество компрессионных колец, обеспечивающих эффективное уплотнение в современных двигателях, как правило, не превышает двух. Большее количество колец приводит к существенному возрастанию потерь на трение. Зазоры между элементами поршня и цилиндром являются одним из наиболее важных параметров, влияющих на работоспособность поршневой группы. Они зависят от механической и температурной нагруженности элементов цилиндропоршневой группы, соотношения геометрических параметров элементов поршня, теплофизических свойств материалов, монтажных зазоров.

С учетом характера распределения температуры прогретого двигателя для обеспечения оптимального одинакового зазора по высоте уплотняющего пояса головку поршня выполняют одной из следующих форм: ступенчатой, конической, переменной по лекальной кривой.

Профиль бочкообразного поршня по высоте (а) и окружности (б)

Прочность и долговечность поршня достигаются внедрением ряда конструктивных решений.

Верхняя канавка компрессионного кольца является одним из наиболее слабых элементов конструкции поршня. Она изнашивается в результате трения при перемещениях кольца внутри канавки поршня, а также эрозионного воздействия. Для создания необходимых условий работы компрессионного кольца предусматривают:

заливку в головку поршня из алюминиевого сплава вставки из износостойкого материала. В качестве материала вставки применяют износостойкий чугун (нирезист) или слаболегированные стали, которые обладают повышенной износостойкостью и жаропрочностью. Метод позволяет увеличить износостойкость канавки в 3...4 раза, однако при этом резко возрастает стоимость изготовления и на 7... 10 % повышается масса поршня;

упрочнение верхней канавки переплавом ее поверхностного слоя с введением легирующих элементов для повышения твердости и жаропрочности ее поверхности. Для переплавки используют проволоку из никеля, хрома, железа;

усиление верхней канавки и камеры сгорания поршня введением в его структуру керамических волокон из оксида алюминия, нитрида и карбида кремния. В этом случае большая износостойкость канавки обеспечивается без увеличения массы конструкции поршня;

эмалирование головки поршня, включая первую кольцевую канавку, что помимо защиты от эрозии позволяет уменьшить тепловой поток через днище, особенно в дизелях. Это существенно облегчает условия работы поршня и компрессионных колец.

При конструировании поршней необходимо ограничение температуры в зоне верхнего компрессионного кольца. При высоких температурах происходит закоксовывание верхней кольцевой канавки маслом с потерей подвижности кольца. Устранить это можно применением специальных присадок в масле, организацией теплоотвода от кольца в систему охлаждения, а также масляным охлаждением поршня. Однако последний метод усложняет конструкцию поршня и приводит к сокращению срока старения моторного масла.

Поршневые кольца

Компрессионные кольца, кроме основной функции, обеспечивают отвод значительной доли теплоты от поршня в стенки цилиндра. Конструкции наиболее распространенных в автотракторных двигателях компрессионных колец приведены ниже.

Основные конструктивные решения компрессионных поршневых колец (поперечное сечение):
а — прямоугольное; б — коническое («минутное»); в — бочкообразное; г и д —
прямоугольное с внутренней выточкой, е и ж — трапециевидное (симметричное
и несимметричное), з — скребковое; и — стальное витое, к — торсионное с обратным закручиванием

Кольца с прямоугольным поперечным сечением просты в изготовлении, имеют большую площадь контакта по рабочей поверхности со стенкой цилиндра, что способствует хорошему теплоотводу от головки поршня в систему охлаждения. Однако их недостатком является трудность приработки рабочей поверхности к зеркалу цилиндра.

Кольца с конической рабочей поверхностью («минутные») имеют угол наклона рабочей поверхности к зеркалу цилиндра 15...30'. Благодаря повышенному давлению на рабочей (нижней) кромке они быстро прирабатываются, после чего приобретают все качеству колец с прямоугольным сечением. Однако производство таких колец более сложное.

Достоинства прямоугольного и конического сечений в значительной мере объединены в конструкции скручивающихся (торсионных) колец. В рабочем состоянии такое кольцо скручивается за счет большей его деформации в верхней зоне сечения, и его рабочая поверхность контактирует с зеркалом цилиндра под углом, работая как «минутное» кольцо. Это способствует быстрой его приработке. Однако такие кольца плохо контактируют со стенками канавки, что затрудняет теплообмен через них между головкой поршня и стенкой цилиндра.

Бочкообразная рабочая поверхность кольца (симметричная или асимметричная) обеспечивает оптимальное распределение масла по ходу поршня, исключает кромочный контакт кольца с цилиндром и, следовательно, разрыв масляной пленки при перекладке поршня. Такое кольцо быстро и хорошо прирабатывается к зеркалу цилиндра.

Кольца с поперечным сечением в виде односторонней или двусторонней трапеции и с прямоугольной или бочкообразной рабочей поверхностью хорошо противостоят прогоранию даже при повышенных температурах в зоне канавки. Осeвое и радиальное движения поршня при перекладке приводит к изменению зазора между торцовыми поверхностями кольца и канавки поршня, что вызывает разрушение нагара в нем. Кольца с односторонней трапецией из-за их несимметричности обладают всеми свойствами торсионных колец.

Конический скос в виде проточек нижней части рабочей поверхности у скребковых колец приводит к уменьшению ее площади и, следовательно, к увеличению радиального давления кольца на зеркало цилиндра Такое кольцо, оставаясь компрессионным, может частично выполнять функцию маслосъемного.

Нижнее компрессионное кольцо иногда выполняют торсионным с обратным закручиванием вследствие расположения ослабляющей проточки в нижней части сечения и одновременного наклона рабочей поверхности. При скручивании его в рабочем положении обеспечивается контакт с цилиндром по нижней кромке. По функциональным качествам оно близко к скребковому кольцу. 

Лабиринтное уплотнение компрессионных колец обладает насосным действием, т. е. способствует перекачке масла из зазора в камеру сгорания.

Маслосъемные кольца регулируют режим смазывания. Их конструкция должна обеспечивать хороший съем со стенок излишков масла, а также распределение его по зеркалу цилиндра в виде пленки постоянной толщины.

Основные конструктивные решения маслосъемных колец:
а — коробчатою типа без расширителя, б — коробчатого типа с витым пружинным расширителем, в — два скребковых кольца; г — коробчатого типа с радиальным расширителем; д — с радиальным и осевым расширителем; е — с тангенциальным расширителем

Чугунные монолитные кольца с витым цилиндрическим пружинным расширителем браслетного типа характеризуются высокой гибкостью и обеспечивают равномерное распределение давления по высоте кольца. Внутреннюю поверхность кольца выполняют в виде полуокружности или V-образной формы. В первом случае пружина быстрее прирабатывается, однако она может закрывать часть площади дренажных окон. Этот тип кольца используют практически на всех автомобильных дизелях и примерно на трети конструкций двигателей с искровым зажиганием.

Система из двух колец скребкового типа устанавливаемых в одну канавку (верхнее кольцо при этом имеет дренажные прорези), характеризуется независимой работой колец, что улучшает их функционирование при движении поршня с некоторым перекосом.

Стальные составные (сборные) хромированные маслосъемные кольца имеют две кольцевые опорные пластины и расширители (осевой и радиальный или тангенциальный) и используются в основном на двигателях с искровым зажиганием. Расширители за счет собственной упругости позволяют повысить давление кольца на стенку при минимальной его радиальной толщине.

Шатунная группа

В состав шатунной группы входят шатун, шатунные вкладыши, шатунные болты (шпильки), элементы фиксации болтов.

Конструкция одинарного шатуна:
1— верхняя головка; 2 — бронзовая втулка; 3 — стержень; 4 — шатунный болт; 5 — нижняя головка; 6 — съемная крышка; 7 — усики; 8 — верхний вкладыш; 9— нижний вкладыш

Шатун состоит из поршневой (верхней) головки с бронзовой втулкой (при плавающем пальце), стержня и кривошипной головки со съемной крышкой.

Поршневая головка шатуна имеет геометрическую форму и размеры, определяемые типом ее соединения с поршневым пальцем (плавающим или защемленным).

Поршневые головки шатунов двигателей с искровым зажиганием (а...в), дизелей (г.. е) и методы их упрочнения (ж...л):
1— прилив, 2— распылитель

При большом диаметре шатунной шейки, характерном для форсированных двигателей, разъем выполняют косым под углом Ф = 30, 45 или 60° к продольной оси стержня шатуна.

Кривошипная головка шатуна с косым разъемом и фиксацией треугольными шлицами (а), буртиками (б) и фиксирующими штифтами (в)

Группа коленчатого вала

В группу коленчатого вала входят коленчатый вал, противовесы, маховик, элементы привода газораспределительного и других вспомогательных механизмов, узел осевой фиксации и детали маслоуплотняющих устройств.

На коленчатый вал действуют переменные по величине и направлению газовые и инерционные силы и их моменты. Он подвергается деформациям изгиба и кручения. Его шейки работают при больших относительных скоростях и значительных механических и тепловых нагрузках.

Характерными дефектами коленчатого вала являются: усталостные поломки, износы шеек, разрушение подшипников. С учетом указанных условий работы коленчатый вал должен отвечать следующим требованиям: форма коленчатого вала должна обеспечивать равномерное чередование рабочих ходов и уравновешенность двигателя; максимальная жесткость при минимальной массе; высокая усталостная прочность; хорошая износостойкость шеек вала.

Состав и структура коленчатого вала

Коленчатый вал состоит из кривошипов, ориентированных относительно друг друга в пространстве, носка 5 и хвостовика 1.

Коленчатый вал.
а — стальной; б— чугунный; 1 — хвостовик; 2 — шатунная шейка; 3 — щека;
4 — коренная шейка; 5 — носок


Кривошип формируется из двух коренных шеек 4, шатунной шейки 2 и элементов соединяющих их, называемых щеками 3.

Коленчатые валы могут быть монолитными или составнымц. Коленчатые валы современных двигателей в основном изготовляют полноопорными, когда число коренных шеек на единицу больше числа кривошипов. Этим обеспечивается большая жесткость вала.

В процессе работы коленчатый вал подвергается воздействию значительных осевых усилий, возникающих из-за изменения ориентации транспортного средства и двигателя относительно горизонта в результате ускорения и замедления транспортного средства, работы на валу косозубых шестерен и при выключении сцепления. Осевая фиксация вала по одной шейке относительно картера обеспечивается упорными кольцами, буртами вкладышей или упорным подшипником при осевых зазорах 0,05...0,15 мм.

Осевая фиксация коленчатого вала:
а — вкладышами с буртиками; б — упорными кольцами; в — упорным шарико-подшипником