Кривошипно-шатунний механізм( КШМ )

1. Визначення і будова КШМ.

2. Циліндри і блок-картери.

3. Поршнева та шатунна групи.

4. Колінчасті вали.

1. Кривошипно-шатунний механізм є основою конструкції поршневих двигунів внутрішнього згоряння. Він призначений для сприймання тиску газів, що виникають у циліндрах під час згоряння палива, і перетворення зворотно-поступального руху поршнів в обертальний рух колінчастого вала.

У поршневих двигунах застосовують два типи кривошипно-шатунних механізмів: тронкові й крейцкопфні.

У сучасних поршневих автотракторних двигунах застосовуються в основному тронкові кривошипно-шатунні механізми з однорядним вертикальним і дворядним V-подібним розміщенням циліндрів (рис. 13).

Кривошипно-шатунний механізм складається з нерухомих і рухомих деталей. До нерухомих деталей відносяться: циліндри, головка циліндрів і картер (блок-картер). До рухомих: поршні з поршневими кільцями, поршневими пальцями, шатуни, колінчастий вал і маховик. До обох груп відносять деталі кріплення, а також підшипники ковзання (вкладиші) колінвала.

Деталі КШМ між собою надійно з’єднуються і становлять остов (кістяк) двигуна. Вони навантажуються силами тиску газів (рис. 13 е), силами інерції мас, що здійснюють зворотно-поступальний та обертальний рух, моментами від цих сил, а також сприймають великі теплові навантаження. Внаслідок цього корпусні деталі повинні мати високу міцність і жорсткість.

2. Циліндри відносяться до основних деталей поршневих двигунів. Внутрішні стінки циліндрів є напрямними для поршня при його переміщеннях між крайніми положеннями, тому довжина твірних циліндра визначається ходом поршня та його розмірами. Циліндр працює в умовах різко змінних тисків в надпоршневій порожнині. Стінки його стикаються з полум’ям і гарячими газами, розжареними до температури 2000...2500 °С, а середня швидкість ковзання поршня по стінках досягає 10...15 м/с. Тому циліндри повинні мати високу механічну міцність, підвищену жорсткість і здатність протистояти різним видам спрацювання за обмеженого мащення. Метал циліндрів повинен мати хороші ливарні властивості і легко оброблятися на верстатах.

Рис. 13. Схеми найбільш поширених компоновок кривошипно-шатунних механізмів автотракторних двигунів: а, б,          в – однорядні двигуни; г, д – дворядні двигуни; е – схема сил, що діють на деталі кривошипно-шатунного механізму; 1 – піддон картера; 2 – картер; 3 – циліндр; 4 – головка циліндра; 5 – поршневий палець; 6 – поршень; 7 – шатун; 8 – колінчастий вал; І – блок-картер; Р_r – сила тиску газів; Р_j – сила інерції зворотно-рухомих мас, М_кр. – крутний момент двигуна

Циліндр разом із головкою та поршнем утворюють замкнутий об’єм, у якому протікає весь тепловий процес роботи двигуна. За конструктивним виконанням циліндри можуть бути виконані кожен окремо або загальною відливкою – блоком циліндрів. Циліндри індивідуального виготовлення кріпляться до картера з допомогою шпильок. Оскільки циліндри в двигуні зношуються в першу чергу, то вони виготовляються із змінними гільзами.

Якщо охолодження двигуна повітряне, то циліндри мають спеціальні ребра охолодження. При рідинному охолодженні між зовнішньою поверхнею циліндра і внутрішніми стінками блока існує кільцевий простір – водяна сорочка, яка заповнюється рідиною.

Циліндри двигунів повітряного охолодження відливають індивідуально, а для збільшення тепловідведення зовнішню поверхню виготовляють ребристою. Отже, при повітряному охолодженні циліндр складається з двох конструктивних елементів: гільзи або втулки і системи ребер (рис. 14). Розміри ребер і проміжків між ними вибирають так, щоб вони створювали як умога менший опір охолоджуючому повітрю і в той самий час забезпечували достатню інтенсивність тепловідведення. В існуючих конструкціях площа поверхні системи ребер приблизно в 10 разів перевищує площу дзеркала циліндра в зоні розміщення ребер.

Рис. 14. Циліндри двигунів із повітряним охолодженням: а і            в – суцільнометалеві; б – комбіновані; 1 – напрямний поясок циліндра; 2 – ребра циліндра; 3 – дзеркало циліндра;          4 – алюмінієві ребра; 5 – отвір для кріплення головки;       6 – фланець для кріплення циліндра до картера

У двигунах з повітряним охолодженням використовують як монолітні (рис. 14 а, в), так і комбіновані циліндри (рис. 14 б). Перші відливають з чавуну, рідше роблять стальними, а в малих двигунах використовують також алюмінієві сплави з хромованою поверхнею дзеркала. Ребра відливають разом із гільзою і механічно не обробляють. Комбінований циліндр являє собою алюмінієву ребристу основу із запресованою в ній, наприклад, чавунною гільзою. В таких циліндрах висока стійкість проти спрацювання поєднується з хорошим тепловідведенням. Більш високі якості у біметалічних циліндрів, які отримують методом заливання ребер, що забезпечує монолітність з’єднання. У більшості двигунів з повітряним охолодженням циліндри разом з їх головками кріплять спільними болтами або шпильками до верхньої частини картера, тобто наскрізними анкерними зв’язками. Спосіб кріплення циліндрів наскрізними несучими або анкерними шпильками, а особливо болтами, полегшує складання і розбирання двигуна, сприяє зближенню суміжних циліндрів і розвантажує стінки циліндрів від розтягуючих зусиль, що виникають у результаті тиску газів у надпоршневій порожнині.

У випадку кріплення циліндрів до картера приєднувальними фланцями (рис. 14 в), що відливаються разом із гільзами, їх стінки зазнають розтягуючих зусиль і повинні бути товстішими. Фланцеве з’єднання менш надійне і збільшує масу циліндра.

Багатоциліндрові двигуни з повітряним охолодженням мають спільний для всіх циліндрів картер, а стик його з нижнім торцем гільзи ущільнюють металічними прокладками, які використовують також для вирівнювання надпоршневого проміжку до заданої величини.

Циліндри двигунів із рідинним охолодженням сучасних багатоциліндрових двигунів виготовляють із подвійними стінками і відливають у спільному блоці звичайно з верхньою частиною картера, що значно ускладнює їх конструкцію. Внутрішні стінки утворюють гільзи циліндрів, а зовнішні – стінку охолоджувальної сорочки  (рис. 15). Порожнина, створена внутрішніми і зовнішніми стінками, називається охолоджувальною сорочкою.

З міркувань спрощення ремонту і збільшення часу служби циліндри з рідинним охолодженням у більшості випадків виготовляють комбінованими, із вставками на всю довжину дзеркала циліндра і з легкозмінними гільзами (рис. 15 б, в). Можуть використовуватись також короткі вставки довжиною близько  50...60 мм, які виготовляють з аустенітного стійкого проти спрацювання чавуну (рис. 15 г).

Вставки, що запресовуються на всю довжину циліндра, не стикаються з охолоджуючою рідиною, внаслідок чого їх називають сухими гільзами. Сухі гільзи не ослаблюють загальну жорсткість циліндра, але дещо ускладнюють конструкцію і підвищують вартість, тому в сучасних двигунах їх використовують порівняно рідко.

Легкознімні гільзи встановлюють у циліндри вільно з гарантованим проміжком (0,08 мм). При спрацюванні їх легко замінюють новими або відремонтованими. Легкознімні гільзи безпосередньо омиваються охолоджуючою рідиною, яка циркулює в охолоджувальній сорочці, тому їх називають "мокрими". Ущільнюють такі гільзи за допомогою гумових кілець прямокутного або круглого перерізу чи мідних кілець.

Рис. 15. Циліндри двигунів із рідинним охолодженням:

а – суцільнометалеві; б, в, г – комбіновані; 1 – стінка циліндра; 2 – стінка охолоджувальної сорочки; 3 – сорочка охолоджувальна; 4 – дзеркало циліндра; вставка проти спрацювання на всю довжину циліндра (суха гільза);        6 – легкознімна (мокра) гільза; 7 – ущільнювальні гумові кільця; 8 – коротка вставка проти спрацювання;                 9 – ущільнювальне мідне кільце; 10 – установочний пояс

Легкознімні гільзи у більшості випадків відливають із сірого перлітного чавуну СЧ 21-40 і загартовують струмами високої частоти. Гільзи з легованого чавуну не загартовують.

Картер є масивною нерухомою металевою деталлю, яка несе основні складові одиниці і деталі двигуна. Знизу картер закриває піддон, який служить також резервуаром для масла.

Картер більшості двигунів виконаний у загальній відливці з блоком, наприклад – А-41, Д-240, СМД-60, ГАЗ-53, ЗІЛ-130. Тоді такі відливки називаються блок-картерами. При цьому конструкція двигуна більш жорстка. Відливають блок-картери і картери із сірого чавуну або з алюмінієвого сплаву.

Конструкція блока картера залежить від розміщення клапанів. У двигунах з боковим розміщенням клапанів у блок-картері існує боковий прилив – клапанна коробка (ГАЗ-53 ).

У двигунах з підвісним розміщенням клапанів останні розміщуються в головках циліндрів, тому конструкція блок-картера спрощується (А-41, Д-240).

Внутрішню поверхню циліндра називають дзеркалом.

Гільзи називаються мокрими, якщо вони омиваються рідиною із зовнішньої сторони, сухими – якщо вони встановлені в попередньо розточений циліндр блок картера. Товщина стінок мокрих гільз становить 6 – 8 мм, сухих 2 – 4 мм.

Найбільший знос проходить у верхній частині циліндра (гільзи), де висока температура і корозійний вплив відпрацьованих газів. Тому в даному місці запресовують короткі вставки, виготовленні із антикорозійного (кислотно-опірного) чавуну.

Головка циліндрів є складною за формою деталлю, яку встановлюють зверху циліндра (Д-21), групи циліндрів (ГАЗ-53) або блок-картери (Д-240). Відливається також із чавуну або алюмінієвого сплаву.

У головці циліндрів розміщенні камери згоряння (рис. 16), де передбачено встановлення свічок або форсунок, інколи додаткові камери.

Рис. 16. Форми камер згорання двигунів: а – карбюраторних;           б – дизельних; І – циліндрична; ІІ – напівсферична;          ІІІ – клиновидна; ІV – зміщена (Г-подібна); V і                 VІ – нероздільні; VІI і VIIІ родільні; 1 – клапан; 2 – свічка; 3 – форсунка; 4 – камера згорання; 5 – передкамера;           6 – основна камера; 7 – віхрева камера

Конструкція головки циліндрів залежить від типу двигуна, системи охолодження і розміщення клапанів. Форми камер згорання встановлені на таких марках машин або двигунів: клиновидна – ЗІЛ-130, ЗМЗ-53; зміщена (Г-подібна) – ЗІЛ-120, ЗМЗ-51, ЗМЗ-52; нероздільні – Д-240, А-41, А-01, СМД-60 і всі дизелі ЯМЗ і КамАЗ; родільні: передкамерні – КМД-100, віхреві – Д-50, СМД-14.

3. Для нормальної роботи двигуна велике значення має ущільнююча властивість поршневої групи, яка працює у складних температурних умовах із різкозмінними навантаженнями за обмеженого мащення поверхонь тертя і недостатнім тепловідведенням.

Поршнева група складається з поршнів, поршневих кілець, поршневих пальців та кріпильних деталей шатунної групи (рис. 17).

Рис. 17. Деталі поршневої та шатунної групи: 1 – мастильноз’ємне поршневе кільце; 2, 3 – компресійні поршневі кільця;      4, 6 – поршні; 5 – поршневий палець; 7 – шатун; 8 – кришка шатуна; 9 – шатунний вкладиш; 10 – отвір на шатуні для виходу мастила; 11 – мітка П на поршні

Поршень є базовою деталлю поршневої групи і найбільш навантаженим елементом кривошипно-шатунного механізму. Він сприймає тиск газів і передає його через палець і шатун на колінчастий вал, створює розрідження, необхідне для впуску свіжого заряду (повітря або пальної суміші), стискує свіжий заряд, виштовхує залишки продуктів згоряння.

Поршень працює у важких умовах. Тиск газів на днище поршня досягає у карбюраторних двигунах 5...6 МПа, у дизельних без наддуву 8...10 МПа, а в дизельних з наддувом – 15 МПа. Поршень перебуває під дією високих температур і погано охолоджується (температура деяких верхніх поверхонь може досягати 300°С; рухається з великою змінною швидкістю, що призводить до виникнення значних сил інерції і додаткового навантаження як на поршень, так і на інші деталі кривошипно-шатунного механізму.

Виходячи з умов роботи, поршень (рис. 18) повинен мати високу міцність, теплопровідність, стійкість проти спрацювання і при цьому малу масу і легко рухатись у циліндрі.

До недоліків поршнів з алюмінієвих сплавів необхідно віднести високий коефіцієнт лінійного розширення (в результаті чого відбувається збільшення зазору між стінками циліндра і поршнем) і погіршенням механічних властивостей.

(а)                                              (б)

Рис. 18. Будова поршня (а) та форма його днища (б)

Поршні сучасних двигунів виготовляють з алюмінієвих сплавів. Вони легші від чавунних, поглинають менше тепла і краще його відводять (теплопровідність більша в 4–5 разів). Температура днища поршня з алюмінієвого сплаву нижча від температури днища чавунного поршня на 100...150°С, а це сприяє кращому наповненню циліндрів свіжим зарядом. Застосування поршнів з алюмінієвого сплаву дає можливість за рахунок менших температур і кращого наповнення циліндрів одержати більшу потужність двигуна з одиниці об’єму циліндрів за меншої питомої витрати палива, а за рахунок меншої ваги поршня значно розвантажити деталі механізму від сил інерції.

Поршень встановлюють в циліндрі з деяким зазором. Він сприймає тиск газів, що розширюються і передає його через поршневий палець і шатун на колінчастий вал.

На поршень двигуна діють високі температури, тиск та швидкості, що досягають 15 м/с. Тому їх виготовляють із алюмінієвих сплавів АК-4, АЛ-25, АЛ-30 та ін. Проводять також термічну обробку. Днище поршня може бути плоским, ввігнутим, випуклим, фасонним.

У бобишки вставляється палець, який стопориться пружинним кільцем (стопором ).

Головка поршня має канавки для поршневих кілець. Крім цього, на зовнішній поверхні поршня можуть бути передбаченні додаткові кільця (вставки), отвори, прорізи.

Нижня частина юбки також має різну конфігурацію.

Зазор між циліндром і направляючою частиною поршня, якщо вона має овальну форму чи розріз, повинен бути 0,05…0,10 мм, а якщо вона циліндричної форми і немає розрізу, то 0,18…0,30 мм.

Щоб забезпечити підбір поршня до циліндра і поршневих пальців за отворами в бобишках з необхідним зазором, поршні сортують на розмірні групи в межах допуску за діаметрами юбки і отворах в бобишках.

Поршневі кільця за призначенням поділяють на компресійні і мастильноз’ємні. Виготовляють із легованого чавуну або сталі.

Поршневі компресійні кільця служать для ущільнення зазору між поршнем і стінкою циліндра. У результаті їх встановлення попереджується прорив повітря чи газів з простору над поршнем в картер двигуна, а також проникнення мастила в камеру згоряння. Одночасно компресійні кільця відводять тепло від головки поршня до стінок циліндрів.

Поршневі мастильноз’ємні кільця призначені для зняття залишків мастила зі стінок циліндра.

Компресійні кільця притискаються до стінки циліндра силами своєї пружності і тиску газів.

Виріз в поршневому кільці називається замком, зазор в якому під час постановки в циліндр повинен складати 0,2…0,8 мм.

Найбільше поширення отримали кільця із прямими замками, також бувають косі (30-40°), ступінчасті, фасонні.

Якщо прийняти тиск в камері згоряння за 100%, то зверху перше кільце сприймає (гасить) 76% тиску, друге – 20%, третє – 7,6%.

У поперечному січенні компресійні кільця можуть мати різну форму (рис. 19).

Для ущільнення, яке забезпечує геометричність циліндра, у карбюраторних двигунах на поршні встановлюється – 2-3, а у дизелів де тиск газів значно більший – 3-4 компресійних кільця. Замки кілець не повинні знаходитись на одній лінії.

Мастильноз’ємні кільця знімають лишки мастила із стінки циліндра. Як правило на поршень встановлюють одне або два кільця. За конструктивним виконанням вони бувать циліндричні з проточками та отворами для відведення масла, з пружним розширювачем, скребкового типу, яких в канавку поршня вкладається два. Кільця виготовляють як чавуну, так і сталі.

Рис. 19. Форми поперечних січень поршневих компресійних кілець

Поршневий палець служить для шарнірного з’єднання поршня із шатуном. Під час роботи поршневий палець піддається дії великих механічних навантажень, змінних за значенням і напрямком, тому він повинен бути міцним і жорстким. Крім цього, поршневий палець повинен бути легким і зносостійким. Виготовляють пальці із труб маловуглецевої сталі. Поверхню цементують на глибину 1,0…1,5 мм, потім калять і відпускають. Внутрішня поверхня пальця може бути різної конфігурації, а зовнішня полірується. Деколи з обох сторін в бобишках палець закривається алюмінієвими заглушками.

У сучасних автомобілях під час роботи палець вільно обертається у бобишках і у верхній головці шатуна, тому його називають плаваючим.

Шатун з’єднує поршень із колінчастим валом, передає зусилля від поршня на вал і, навпаки, від колінчастого вала до поршня. Він здійснює складний рух і перетворює зворотно-поступальний рух поршня в обертальний рух колінчастого вала. Він повинен бути міцним, жорстким і легким. Його штампують із високоякісної вуглецевої або легованої сталі, після чого проводять механічну і термічну обробку.

У верхню головку запресовують латунну чи бронзову втулку. Нижня головка, як правило, роз’ємна, але буває і нероз’ємна. Знімна частина нижньої головки шатуна називається кришкою.

Шатуни підбирають під кожен циліндр, але відхилення не повинно перевищувати 8–10 г.

Крім шатуна у шатунну групу входить комплект підшипників верхньої і нижньої його головок, шатунні болти з гайками та елементи їх фіксації.

Шатунні підшипники більшості двигунів являють собою тонкостінні вкладиші, які виготовляють із сталевої стрічки товщиною 1…3 мм, внутрішня поверхня яких для зменшення тертя покрита тонким шаром антифрекційного сплаву (бабіт, свинець, бронза, алюміній), товщиною шару 0,40…0,90 мм. Зазор між тонкостінним вкладишем і шийкою вала становить приблизно 0,03…0,13 мм. Шатунні підшипники не регулюються.

Зношені вкладиші замінюються новими, нормального та ремонтного розмірів.

За внутрішнім діаметром вкладиші виготовляють двох виробничих стандартів і кількох ремонтних розмірів (Р1, Р2, Р3, Р4).

4. Колінчастий вал сприймає зусилля від шатунів і передає його на механізми силової передачі. Обертаючись, він переміщує поршні в циліндрах під час підготовчих тактів і приводить в рух агрегати й допоміжні механізми двигуна (насоси, вентилятор, генератор тощо).

Колінчастий вал (рис. 20) – одна з найвідповідальніших рухомих деталей двигуна. Він сприймає ударні навантаження від періодично діючих сил тиску газів, які передаються через шатуни, і навантаження від сил інерції деталей шатунної і поршневої груп. Ці навантаження скручують і згинають вал, а його шатунні і корінні шийки спрацьовуються від тертя.

Колінчастий вал складається із таких основних елементів:

а) корінних шийок, якими вал спирається на корінні підшипники, що розміщенні у картері;

б) шатунних шийок;

в) щік, які зв’язують корінні і шатунні шийки для зменшення концентрації напружень. Місця переходу шийок в щоки виконані у вигляді заокруглень і називаються галтелями;

г) носка (передній кінець);

д) хвостовика (задній кінець).

Рис. 20. Колінчатий вал і маховик: 1 – колінчатий вал; 2 – вкладиш шатунного підшипника; 3 – упорні напівкільця; 4 – маховик; 5 – шайба болтів кріплення маховика; 6 – вкладиші 1, 2, 4 і 5 корінних підшипників; 7 – вкладиш центрального 3-го корінного підшипника

Колінвал штампують із високовуглецевої сталі (СМД-60, Д-240, ЯМЗ), або виливають із магнієвого чавуну (ГАЗ-53). Поверхні з якими контактують інші деталі обробляються, конусність і овальність не більше 0,015 мм. Шийки калять на глибину 1,5…5 мм з нагрівом СВЧ. Інколи на щоки ставлять противаги. У різних двигунах число шатунних шийок рівне числу циліндрів, у V-подібних двигунах на кожну шийку кріпиться два шатуни. Кількість корінних шийок різна.

У більшості двигунів на передньому кінці валу встановлюється ведуча шестерня механізму газорозподілу та інших механізмів двигуна, а також храповик. Хвостовик колінчастого вала закінчується флянцем для кріплення маховика.

Попередження повздовжньому переміщенню колінвала здійснюється за допомогою стопорних упорних шайб, напівкілець, кілець.

У більшості двигунів у колінчастому валові робляться отвори для підведення мастила до корінних і шатунних підшипників, а також передбачені порожнини для центробіжної очистки мастила (в щоках і корінних шийках є отвори і порожнини для накопичення металевих домішок).

Колінчастий вал спирається на постелі блок-картера через підшипники ковзання (вкладиші), аналогічно шатунним. Верхні вкладиші корінних підшипників мають наскрізні отвори, під час встановлення яких ці отвори співпадають із каналами в блок- картері.

У підшипниках кочення втрати на тертя значно менші, чим в ковзання, але застосування їх у багатоциліндричних двигунах, які мають декілька опор, ускладнює конструкцію двигуна. Роликові підшипники не мають внутрішнього кільця і ролики перекочуються безпосередньо по бігових доріжках, виконаних на опорних шийках колінчастого вала (двигун ЯМЗ-240). Тому підшипники кочення у якості корінних підшипників колінчастого вала застосовуються у більшості випадків на одно і двоциліндрових двигунах ПД-8, ПД-10У, П-23М.

В окремих двигунах ЯМЗ-240 встановлюють пристрій для погашення крутильних коливань, що встановлюється на маховику, який призначений для виведення деталей КШМ із мертвих точок.

Збільшення кількості циліндрів приводить до більш рівномірної роботи колінчастого вала, відповідно і маховик у таких двигунів значно менший.

Зовнішній вінець маховика призначений для обертання колінвала стартером або пусковим двигуном, тому він має зуби.

У більшості двигунів на поверхні обода (вінця), або на торцевій поверхні маховика нанесені мітки, за якими можна визначити мертві точки, а також встановити момент подачі палива або запалення свічки.

Тактність двигунів чотирьохциліндрових – Д-50, Д-240,  СМД-14, А-41 - 1,3,4,2; шестициліндрових (ГАЗ-53) – 1,5,3,6,2,4.

V-подібні СМД-60 з кутом розводу 90° першого ряду 1,2,3 і лівого 4,5,6 – рахуючи назад до маховика – порядок роботи : 1-4-2-5- 3-6. V-подібних восьмициліндрових чотирьохтактних двигунів  ГАЗ-53, ЗИЛ-130, ЯМЗ-238 – 1-5-4-2-6-3-7-8. V-подібних               12-циліндрових 1-12-5-8-3-10-6-7-2-11-4-9.

ЛЕКЦІЯ №4