Кривошипно-шатунный механизм (КШМ)

КШМ преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал в процессе работы воспринимает и суммирует механическую энергию всех поршней двигателя. Детали КШМ, работающие в условиях больших знакопеременных нагрузок, упругих колебаний и высокой температуры, должны иметь достаточную прочность, жесткость и износостойкость.

КШМ должен быть компактным и легким. Уменьшение массы движущихся относительно остова двигателя деталей при сохранении их прочности и жесткости снижает инерционные силы, а, следовательно, нагрузки и износ деталей.

Для уменьшения утечки газов из цилиндров детали, образующие рабочие полости (цилиндры, поршни с кольцами, головки и прокладки), должны постоянно поддерживать требуемую герметичность цилиндров. Устройство деталей КШМ и компоновка его узлов на двигателе должны обеспечивать простоту технического обслуживания и ремонта.

Остов двигателя служит основанием, внутри и снаружи которого расположены детали механизмов и систем двигателя. Остов автотракторных двигателей образован из нескольких неподвижно соединенных между собой частей. В зависимости от типа и мощности двигателя составные части остова несколько отличаются конструктивно, но в принципе устроены одинаково.

Блок-картер - основная часть остова многоцилиндрового двигателя. В большинстве современных двигателей он изготовлен в виде единой коробчатой отливки. Чтобы повысить жесткость и разделить блок-картер на несколько отсеков, внутри него выполнены перегородки. Горизонтальная перегородка делит его на две половины: верхнюю - блок цилиндров и нижнюю - картер. В блоке устанавливают гильзы цилиндров, которые плотно входят в отверстия верхней плиты и горизонтальной перегородки. Вдоль одной из сторон блока проходит сплошная вертикальная перегородка, отделяющая камеру штанг от водяной рубашки. Нижняя часть - картер расширена для размещения коленчатого вала. В картере выполнены перегородки. В нижней части этих перегородок имеются приливы 7 (рис. 10, а), образующие вместе с крышками 6 опоры для коренных подшипников коленчатого вала. Со стороны камеры штанг в перегородках картера имеются отверстия 9 под втулки распределительного вала. Чтобы вода из водяной рубашки блока не проникла в картер, в расточках горизонтальной перегородки помещены уплотнительные резиновые кольца 8. Водяная рубашка блока через отверстия 2 в верхней плите сообщается с водяной рубашкой головки цилиндров. В верхней плите имеются резьбовые отверстия 3 для шпилек, соединяющих головку цилиндров с блок-картером, и отверстия 1 для штанг толкателей. В блоке отлиты каналы 4 для подвода воды в водяную рубашку от насоса, просверлены отверстия и каналы 5 для подвода масла к некоторым трущимся деталям двигателя.

В блок-картере V-образного двигателя (рис. 10, б) выполнены большие отверстия (в ряду их одинаковое число) для установки гильз 10 цилиндров. Наружные стенки всех цилиндров объединены общей водяной рубашкой. В центральной части блок-картера имеются расточные отверстия 2 под втулки распределительного вала. К перегородкам картера шпильками 14 закрепляют крышки 6 коренных подшипников коленчатого вала. На плоскости А полублоков 11 и 13 ставят головки цилиндров.

Двигатели воздушного охлаждения в отличие от жидкостного не имеют блок-картера Все детали расположены на литом картере 17 (рис. 10, в). В верхней плите картера расточены отверстия 16 для установки гильз цилиндров 15. Между цилиндрами и картером установлены медные уплотнительные прокладки 18. Внутри картера, как и у двигателей с жидкостным охлаждением, размещены коленчатый и распределительный валы.

Рис. 10. Блок-картер тракторных двигателей:

а - жидкостного охлаждения с рядным расположением цилиндров;

б- жидкостного охлаждения с V-образным расположением цилиндров; в — воздушного охлаждения;

А — плоскость крепления головки цилиндров; Б — плоскость крепления картера распределительных шестерен; В - плоскость крепления крышки с опорой под турбокомпрессор;

1 - отверстия для штанг толкателей; 2 - отверстия для отвода воды; 3 - отверстия для шпилек крепления головки цилиндров; 4 – водораспределительный канал; 5 - канал для подвода масла; 6 - крышка коренного подшипника; 7 - прилив; 8 - резиновое уплотнительное кольцо; 9 - отверстие для втулки распределительного вала; 10 - гильза цилиндра; 11,13 - левый и правый патрубки; 12 - воздушная полость; 14 - шпилька; 15 - гильза цилиндра воздушного охлаждения; 16 - отверстие для гильзы цилиндров; 17 - картер; 18 - уплотнительная прокладка

Головка цилиндров многоцилиндрового двигателя внешне представляет собой толстую чугунную плиту, которая закрывает блок-картер сверху. Нижняя плоскость головки тщательно обработана, она же - верхняя стенка камер сгорания всех четырех цилиндров. В головке размешены отверстия для клапанов, форсунок, штанг, впускные и выпускные каналы.

Пространство между стенками каналов и головки (водяная рубашка 6) заполнено водой. Чтобы не было утечки газов и воды, между головкой цилиндров и блок-картером устанавливают металлоасбестовую прокладку. На верхней плоскости головки закрепляют детали привода клапанов, которые закрывают крышкой с колпаком. На колпаке смонтирован сапун. Он сообщает полость картера с атмосферой. К нижней плоскости блок-картера прикреплен поддон, который служит резервуаром для масла и закрывает нижнюю часть двигателя. По месту разъема поддон уплотнен прокладкой из пробки или паронита. Чтобы масло меньше плескалось во время работы трактора, поддон снабжен успокоителем.

Поршневая группа. Цилиндры рассматриваемых автотракторных двигателей - съемные. Отдельно изготовленный цилиндр называют гильзой. Применение вставных гильз позволяет увеличить срок службы блок-картера за счет смены старых изношенных гильз новыми. Гильзы обычно изготавливают из легированного чугуна. Внутреннюю поверхность гиль­зы, называемую зеркалом, тщательно обрабатывают и закаляют.

По внутреннему диаметру гильзы тракторных двигателей сортируют на три размерные группы: Б, С и М (большая, средняя и малая). Обозначения размерной группы наносят на торце буртика гильзы. Гильзы, наружная поверхность которых омывается охлажденной жидкостью, называют "мокрыми". На цилиндрах двигателей с воздушным охлаждением снаружи имеются охлаждающие ребра. В нижней части цилиндра выполнен бурт, который упирается в поверхность картера. Между картером и буртом устанавливают медное кольцо.

Каждый цилиндр вместе с головкой закрепляют специальными (анкерными) шпильками на картере.

Поршни (рис. 11) воспринимают и передают на шатун усилие, возникающее от давления газов, а также обеспечивают протекание все тактов рабочего цикла. Они подвергаются действию высоких температур и давлений и движутся со значительными скоростями внутри цилиндра.

Рис. 11. Поршни:

а - поршень тракторного дизельного двигателя; б— сечение тракторных поршней; в - поршень автомобильного карбюраторного двигателя; г - поршневой палец;

1 - маслосбрасывающая кромка; 2 - канавка для маслосъемного кольца; 3 - канавка для стопорного кольца; 4 - отверстие для подвода масла к поршне­вому кольцу; 5 - канавки для компрессионных колец; 6 - камера сгорания в поршне; 7 - прорезь; 8 - поршневой палец;

А - днище;Б - головка; В - направляющая часть; Г - бобышки; Д - холодильник; Е - места клеймения массы и размерной группы поршня; Ж - метка направления установки поршня; З - место клеймения размерной группы пальца

Поршень имеет вид перевернутого стакана. Он состоит из днища А (рис. 11, а), головки Б (или уплотняющей части) и направляющей части В, называемой юбкой. Днище поршня дизеля делают фасонной формы с выемкой, которая зависит от типа двигателя и частоты вращения коленчатого вала. По окружности канавок под маслосъемные кольца просверлены сквозные отверстия для отвода масла в картер двигателя. На внутренней стороне юбки имеются два прилива-бобышки Г, в отверстия которых устанавливают поршневой палец.

Поршневые пальцы (рис. 11, г) делают пустотелыми из стали. От осевого перемещения палец удерживается разжимными стопорными кольцами, которые установлены в канавках бобышек поршня. Палец соединяет поршень с шатуном.

Поршневые кольца по назначению разделяют на компрессионные 1 (рис. 12) и маслосъемные 2.

Компрессионные кольца предотвращают прорыв газов из камеры сгорания в картер. Вырез в поршневом кольце называют замком. При перегреве двигателя образуются шлаковые отложения, которые заполняют зазоры между кольцами и стенками канавок поршня по высоте. Кольца перестают свободно перемещаться и пружинить. Это явление носит название пригорания (закоксовывания) колец и сопровождается потерей мощности двигателя и повышенным расходом масла.

Маслосъемные кольца препятствуют прониканию масла из картера в камеру сгорания, снимая его излишки со стенок цилиндра. Их устанавливают ниже компрессионных.

 

Рис. 12. Поршневые кольца: а - внешний вид; б - формы компрессионных колец в рабочем состоянии; в - составное маслосъемное кольцо; г - расположение колец на поршне;

1 - компрессионное кольцо; 2 - маслосъемное кольцо; 3 - плоские стальные кольца; 4 - осевой расширитель; 5 - радиальный расширитель; 6 - поршень

Они в отличие от компрессионных колец имеют сквозные прорези или состоят из двух колец скребкового типа. На поршни некоторых двигателей устанавливают составные маслослосъемные кольца (рис. 12, в), изготовленные из двух стальных дисков и двух пружинных расширителей - осевого и радиального. Осевой расширитель, расположенный между дисками, плотно прижимает их к стенкам канавки поршня. Радиальный расширитель плотно прижимает диски к цилиндру.

Кривошипная группа. Шатуны соединяют поршни с коленчатым валом и передают ему усилие от давления газов, воспринимаемого поршнями. При работе двигателя на шатун действует силы давления газов и инерции, поэтому он должен быть прочным, жестким и легким. Стержень 3 (рис. 13, а) шатуна - двутаврового сечения. В верхнюю головку шатуна запрессовывают бронзовую вилку 2. Нижняя головка шатуна - разъемная. Ее отъемная часть - крышка 6. Верхняя половина головки изготовлена заодно с шатуном.

Рис 13. Шатуны:

а - детали шатуна; б - сечение стержня шатунов и подвод масла к поршневому пальцу; в - косой разъем нижней головки шатуна; г - способы фиксации крышки нижней головки шатунов:

1 - верхняя головка шатуна; 2 - втулка верхней головки; 3 - стержень шатуна; 4 - нижняя головка шатуна; 5 - вкладыш шатунного подшипника; 6 - крышка нижней головки шатуна; 7 - шплинт; 8 - корончатая гайка; 9 - фиксирующий усик вкладыша; 10 - шатунный болт; 11 - отверстие для масла; 12 - канал для подвода масла в теле шатуна; 13 - треугольные шлицы в стыке крышки с ниж­ней головкой шатуна; 14 - стопорная шайба

Коленчатый вал воспринимает усилия, передающиеся от поршней через шатуны, и преобразует их в крутящийся момент, а также используется для привода в действие различных механизмов и деталей двигателя. Воспринимаемые коленчатым валом периодически действующие силы давления газов и инерции движущихся деталей могут вызвать износ, деформацию изгиба и кручения вала. Поэтому он должен обладать большой прочностью и быть износостойким. Коленчатый вал штампуют из высококачественной стали или отливают из высокопрочного чугуна. Он состоит из опорных коренных шеек 1 (рис. 14), шатунных шеек 2, носка (передней части) и хвостовика (задней части).

 

Рис. 14. Коленчатые валы:

а - тракторного рядного двигателя, б - автомобильного V-образного двигателя; А - место для клеймения размерной группы шеек коленчатого вала; Б – канал подвода масла в полость шатунной шейки; В - полость шатунной шейки; 1 - коренная шейка; 2 - щека; 3 - упорные полукольца; 4 - нижний вкладыш коренного подшипника; 5 - маховик; о - маслоотражатель; 7 - установочный штифт; 8 - болт крепления маховика; 9 - зубчатый венец; 10 - верхний вкладыш коренного подшипника; 11 - шатуннная шейка; 12 - противовесы; 13 - шестерня коленчатого вала; 14 - ведущая шестерня привода масляного насоса; 15 -болт; 16 - шкив; 17 - пробка; 18 - трубка для чистого масла; 19 - фланец

К щекам прикреплены или отлиты вместе с валом противовесы 12, необходимые для его балансировки. Шейки вала для большой износоустойчивости закалены токами высокой частоты (ТВЧ). В щеках вала проходят косые каналы, по которым масло поступает к шатунным подшипникам. Внутри шатунных шеек выполнены полости В для центробежной очистки масла. Полости закрыты резьбовыми пробками 17. При вращении коленчатого вала механические примеси (продукты изнашивания) под действием центробежной силы оседают на стенках полости Очищенное масло выходит на поверхность шатунной шейки из средней части полости по трубке 18.

Маховик способствует равномерному вращению коленчатого вала и помогает двигателю преодолевать повышенные нагрузки при строга­нии с места и во время работы. Маховик представляет собой тяжелый чугунный диск. С задней стороны маховика некоторых двигателей пре­дусмотрена выточка для размещения сцепления. На переднем торце на­ходится углубление, по которому определяют расположение поршня первого цилиндра. При совпадении этого углубления с отверстием в картере маховика поршень первого цилиндра находится в ВМТ. В ряде двигателей это совпадение соответствует положению поршня в момент начала подачи топлива к первому цилиндру.

 

 

Контрольные вопросы

1. Каково назначение перегородок в блок-картере?

2. Каковы особенности устройства цилиндра и его головки в двигателе воздушного охлаждения?

3. Каково назначение поршневых колец?