Устройство кривошипно-шатунного механизма

Кривошипно-шатунный механизм

В одноцилиндровом четырехтактном двигателе на каждые два оборота коленчатого вала приходится четыре хода поршня, только один из которых — рабочий. Это приводит к неравномерной работе двигателя. Для небольших двигателей, таких? Как легкие лодочные моторы, двигатели мопедов, легких мотоциклов и т. д., такая неравномерность не представляет большой проблемы. Для более тяжелых автомобилей требуется большая мощность двигателя, а, следовательно, и больший рабочий объем цилиндра. В этом случае неравномерность работы двигателя становится более заметной. Вот почему на современных автомобилях применяются многоцилиндровые ДВС. Применение нескольких цилиндров, в которых рабочий ход происходит в разные моменты времени, дает возможность сгладить пульсации крутящего момента на вале двигателя. Большинство легковых автомобилей малого класса имеют четырехцилиндровые двигатели, хотя иногда используются двухцилиндровые и трехцилиндровые. На более тяжелых автомобилях, требующих большой мощности, наряду с четырехцилиндровыми, могут применяться пятицилиндровые и шестицилиндровые двигатели. Легковые автомобили высшего класса оборудуются восьмицилиндровыми и двенадцатицилиндровыми двигателями, хотя встречаются двигатели с десятью цилиндрами. Большинство грузовых автомобилей средней и большой грузоподъемности имеют двигатели с шестью и восемью цилиндрами.

Технология ремонта

Поршни и пальцы

Поршень, условно входящий в кривошипно шатунный механизм двигателя авто, изготавливается из алюминиевых сплавов. Палец создан из легированной стали, изнашивается меньше.

У поршней восстанавливается зеркало, геометрия канавок для колец и бобышек, внутри которых находится палец. Размеры поршневого пальца подбираются при температуре воздуха в мастерской 20 градусов в зависимости от размерной группы поршня.

Ремонт шатунов

В основном изготавливают шатуны из стали 40Г, 40Х или ст45, характерными дефектами считаются:

• выработка металла посадочных мест;
• износ отверстий;
• изменение геометрии (скручивание и изгиб).

Выбраковывают кинематический элемент механизма при аварийном изгибе, поломке и раскрытии трещин. В остальных случаях изгибы и скручивание устраняют при нагреве до 500 градусов для снятия внутренних напряжений. Посадочные поверхности фрезеруются, затем шлифуются до следующего ремразмера.

После чего, работа кривошипно шатунного механизма вновь удовлетворяет требованиям регламента ГОСТ. Запрещено удалять слой металла больше 0,2 – 0,4 мм для дизелей, карбюраторных ДВС, соответственно. В противном случае нарушается кинематическая схема узла.

Реставрация коленвала

Основными нюансами ремонта коленчатого вала являются:

• деталь изготавливается из магниевого чугуна высокопрочного, сталей ДР-У, 50Т, 40Х или ст45;
• основными дефектами становятся изгиб и выработка стали посадочных мест;
• реже изнашиваются шпоночные канавки, повреждаются резьбы, раскрываются трещины;
• ремонтопригодной считается сборка кривошипно шатунного механизма с выработкой посадочных поверхностей и поврежденными резьбами;
• трещины более 3 мм приводят к отбраковке коленвала.

После промывки масляных каналов и наружных поверхностей изделие исследуется дефектоскопом. Выработку восстанавливают наплавлением Св-18ХГСА проволоки с проточкой под ремонтные параметры. Шпоночные канавки фрезеруют с заданной чистотой обработки. При этом должна соблюдаться схема установки шестеренок.

После шлифовки коленвал балансируют на динамической установке БМ-У4 либо КИ-4274.

Таким образом, кривошипно шатунный механизм КШМ проще и дешевле поддерживать в работоспособном состоянии. Для этого нужно своевременно проходить ТО и обращаться в сервис к специалистам при малейшем постороннем звуке в блоке цилиндров. В этом случае, даже капремонт обойдется дешевле.

Неисправности КШМ. Снижение мощности двигателя, повышенный расход масла, топлива, дымление и увеличение стуков при работе двигателя — вот основные неисправности КШМ.

Признаки: двигатель не развивает полной мощности.

Причины: снижена компрессия из-за износа гильз цилиндров, поршней, поломки или пригорания поршневых колец.

Признаки: расход масла и топлива, дымление двигателя.

Причины: изнашивание деталей шатунно-поршневой группы, поломка поршневых колец, закоксование поршневых колец, в канавках, прорезей в малосъемных кольцах, отверстий в канавке под малосъемные кольца.

Признаки: стук коленчатого вала.

Причины: вызывается либо недостаточными давлением и подачей масла, либо недопустимо увеличившимися зазорами между шейками коленчатого вала и вкладышами коренных и шатунных подшипников из-за изнашивания этих деталей.

Признаки: стуки поршней и поршневых пальцев.

Причины: свидетельствует об изнашивании деталей шатунно-поршневой группы.

При значительных изнашиваниях и поломках детали КШМ восстанавливают или заменяют. Эти работы, как правило, выполняют, отправляя в централизованный ремонт.

Закоксование поршневых колец в канавках можно устранить без разборки двигателя. Для этого в конце рабочего дня, пока двигатель не остыл, в каждый цилиндр через отверстие для свечей зажигания заливают по 20 г смеси равных частей денатурированного спирта и керосина. Утром двигатель пускают и после его работы 10-15 мин на холодном ходу останавливают и заменяют масло.

Устройство механизма

Первые кривошипные устройства были изобретены в античном мире. На древнеримских лесопилках вращательное движение водяного колеса, вращаемого речным течением, преобразовывалось в возвратно-поступательной движение полотна пилы. В античности большого распространения такие устройства не получили по следующим причинам:

• деревянные части быстро изнашивались и требовали частого ремонта или замены;
• рабский труд обходился дешевле высоких для того времени технологий.

В упрощенном виде кривошипно-шатунный механизм использовался с XVI века в деревенских прялках. Движение педали преобразовывалось во вращение прядильного колеса и других частей приспособления.

Разработанные в XVIII веке паровые машины тоже использовали кривошипный механизм. Он располагался на ведущем колесе паровоза. Давление пара на поршневое дно преобразовывалось в возвратно- поступательное движение штока, соединенного с шатуном, шарнирно закрепленном на ведущем колесе. Шатун придавал колесу вращение. Такое устройство кривошипно-шатунного механизма было основой механического транспорта до первой трети XX века.

Паровозная схема была улучшена в крейцкопфных моторах. Поршень в них жестко прикреплен к крейцкопфу- штоку, скользящему в направляющих взад и вперед. На конце штока закреплен шарнир, к нему присоединен шатун. Такая схема увеличивает размах рабочих движений, позволяет даже сделать вторую камеру с другой стороны от поршня. Таким образом каждое движение штока сопровождается рабочим тактом. Такая кинематика и динамика кривошипно-шатунного механизма позволяет при тех же габаритах удвоить мощность. Крейцкопфы применяются в крупных стационарных и корабельных дизельных установках.

Элементы, составляющие кривошипно-шатунный механизм, разбивают на следующие типы:

• Подвижные.
• Неподвижные.

К первым относятся:

• поршень;
• кольца;
• пальцы;
• шатун;
• маховик;
• коленвал;
• подшипники скольжения коленчатого вала.

К неподвижным деталям кривошипно-шатунного механизма относят:

• блок цилиндров;
• гильза;
• головка блока;
• кронштейны;
• картер;
• другие второстепенные элементы.

Поршни, пальцы и кольца объединяют в поршневую группу.

Каждый элемент, равно как и подробная кинематическая схема и принцип работы заслуживают более подробного рассмотрения

Шарнирно-рычажные механизмы

Подобный тип механизма также получил весьма широкое распространение. При этом за его длительный срок эксплуатации было изобретено несколько вариантов исполнения, которые характеризуются своими определенными свойствами. Выделяют следующие виды шарнирно рычажных механизмов:

1. С двумя кривошипами.
2. Кривошипно-коромысловые.
3. Двух коромысловые.

Примером использования варианта исполнения с двумя кривошипами можно назвать перенос тяжелой заготовки с тележки на обрабатывающий станок. Его конструкция характеризуется следующими особенностями:

1. В качестве основы применяется две четырехлучевые звездочки, которые фиксируются на валу.
2. Также фиксация осуществляется за счет шарнирного соединения с осью и четырьма ложементами. На момент воздействия усилия они создают двухкривошпный механизм, который принимает часть нагрузки.
3. Валы фиксируются на подшипниках скольжения, которые расположены в корпусе. При помощи кронштейна они устанавливаются на общей раме, принимающую основную нагрузку.

Именно конструктивные особенности во многом определяют то, где и каким образом может применяться устройство.

Устройство коленчатого вала

Коленчатый вал внешне полностью соответствует названию, так как состоит из нескольких колен, расположенных на одной оси. Колена это крупные выступы сложной формы, отлитые единым целым с валом. Колена предназначены для крепления шатунов, на которых, в свою очередь, закреплены поршни. Кроме колен у вала есть и другие элементы. Прежде всего, это шейки, то есть цилиндрические опорные «проставки» между коленами, позволяющие крепить вал в теле блока цилиндров.

Коленчатый вал в процессе эксплуатации автомобиля прирабатывается к тому двигателю, в котором он установлен. Поэтому переставлять бывший в употреблении коленвал в другой блок не рекомендуется

Коленвал

Для обеспечения проворачивания шатунов в конструкции коленвала присутствуют другие опорные шейки, которые называются шатунными. В отличие от коренных, они расположены не на одной оси с коренными шейками, а с в стороне. Коренные шейки соосны с отверстиями в нижних концах шатунов.

Каждое колено вала состоит из двух щек и одной шейки, на которой «надет» нижний конец шатуна.  Шатуны, двигаясь вверх и вниз, давят на шатунные шейки и заставляют вал вращаться. Так и осуществляется трансформация возвратно-поступательного движения во вращение.

Помимо колен с шатунными шейками коленчатый вал имеет еще и противовесы для уравновешивания остаточных масс вала. Насколько важны эти элементы, можно представить, вспомнив, что средняя скорость вращения коленчатого вала при работе двигателя примерно 3000 оборотов в минуту. Коленчатый вал – деталь сложной формы. Чтобы тяжелые колена при вращении не создавали разрушительной вибрации, каждое из них и уравновешено своим противовесом.

Хотя при производстве коленчатого вала выполняются условия высочайшей точности, минимальное биение при вращении неизбежно. Именно поэтому текущие сальники коленвала одинаковы у Запорожца и Мерседеса

Внутри тела коленчатого вала имеются специальные каналы для подачи масла к коренным и шатунным вкладышам  и специальные пустоты, закрытые пробками, для улавливания грязи и частиц износа присутствующих в масле. При помощи этой системы вал при вращении мягко скользит в точках крепления, обильно смазанных чистым моторным маслом. При ремонте коленчатого вала пробки вскрываются и выполнятся прочистка пустот и каналов подачи масла с последующей продувкой воздухом под давлением.

На переднем конце (носке) коленчатого вала при помощи фрезеровального станка вырезают шпоночный  паз для крепления звездочки привода ГРМ и шкива привода вспомогательных механизмов.

На заднем конце вала на токарном станке вытачивают фланец, в котором имеется центральное отверстие под подшипник, служащий опорой первичного вала КПП. Фланец также имеет отверстия с резьбой для крепления маховика.  

Впереди и сзади коленчатый вал уплотнен сальниками, препятствующими утечке масла в тех местах, где концы маховика выходят наружу из блока цилиндров.

Помимо двигателей внутреннего сгорания, и даже до их появления, коленчатый вал нашел применение в поршневых двигателях, компрессорах, насосах, в прессовых установках и других механизмах, где используется кривошипно-шатунный механизма.



Коленчатый вал – деталь для каждого двигателя уникальная, и переставить ее из одного двигателя в другой можно, но не рекомендовано. На каждом двигателе колена вала расположены по своему, и расположение их зависит от расположения и количества цилиндров, рабочего цикла, длины хода поршня и еще массы параметров.

Гильза

Съёмная гильза

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

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

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

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

Устройство кривошипно-шатунного механизма

Поршень похож на перевернутый стакан, в который укладываются кольца. На любом из них присутствуют два вида колец: маслосъемное и компрессионное. Маслосъемных обычно ставят два, а компрессионных – одно. Но бывают и исключения в виде: два таких и два таких — все зависит от типа двигателя.

Шатун изготавливается из двутаврового стального профиля. Состоит из верхней головки, которая соединяется с поршнем при помощи пальца, и нижней – соединение с коленчатым валом.

Коленчатый вал изготавливается в основном из чугуна повышенной прочности. Представляет собой несоосный стержень. Все шейки тщательно шлифуются, с соблюдением необходимых параметров. Существуют коренные шейки — для установки коренных подшипников, и шатунные – для установки через подшипники шатунов.

Роль подшипников скольжения выполняют разрезные полукольца, выполненные в виде двух вкладышей, которые обработаны токами высокой частоты для прочности. Все они покрыты антифрикционным слоем. Коренные крепятся к блоку двигателя, а шатунные — к нижней головке шатуна. Чтобы вкладыши хорошо работали, в них делают канавки для доступа масла. Если вкладыши провернуло – значит, имеется недостаточный подвод масла к ним. Это обычно происходит при засорении масляной системы. Вкладыши ремонту не подлежат.

Продольное перемещение вала ограничивают специальные упорные шайбы. С обоих концов обязательно применение различных сальников для предотвращения выхода масла из системы смазки двигателя.

К передней части коленвала крепится шкив привода системы охлаждения и звездочка, которая приводит в действие распредвал при помощи цепной передачи. На основных моделях выпускаемых сегодня автомобилей ей на замену пришел ремень. К задней части коленчатого вала крепится маховик. Он предусмотрен для устранения дисбаланса вала.

Также на нем стоит зубчатый венец, предназначенный для пуска двигателя. Чтобы при разборке и дальнейшей сборке не возникало проблем – крепеж маховика выполняется по не симметричной системе. От расположения меток его установки зависит и момент зажигания – следовательно, оптимальная работа двигателя. При изготовлении его балансируют вместе с коленчатым валом.

Картер двигателя изготавливается вместе с блоком цилиндров. Он служит основой для крепления ГРМ и КШМ. Имеется поддон, который служит емкостью для масла, а так же для защиты двигателя от деформации. Снизу предусмотрена специальная пробка для слива моторного масла.

Принцип работы КШМ

На поршень оказывают давление газы, которые вырабатываются при сгорании топливной смеси. При этом он совершает возвратно – поступательные движения, заставляя проворачиваться коленчатый вал двигателя. От него вращательное движение передается на трансмиссию, а оттуда – на колеса автомобиля.

А вот на видео показано как работает КШМ в тюнингованном ВАЗ 2106:

https://youtube.com/watch?v=jmcssqJNFTg

Основные признаки неисправности КШМ:

• стуки в двигателе;
• потеря мощности;
• снижение уровня масла в картере;
• повышенная дымность выхлопных газов.

Кривошипно-шатунный механизм двигателя очень уязвим. Для эффективной работы необходима своевременная замена масла. Лучше всего ее производить на станциях техобслуживания. Даже, если Вы недавно поменяли масло, и приходит пора сезонного ТО – обязательно перейдите на то масло, какое указано в инструкции по эксплуатации машины. Если в работе двигателя возникают какие-то проблемы: шумы, стуки – обращайтесь к специалистам – только в авторизированном центре Вам дадут объективную оценку состояния автомобиля.

Также на эту тему вы можете почитать:

Панель приборов ВАЗ 2114 (обозначения, описание и схема)

Обкатка нового автомобиля обеспечит ему долговечность

Рейтинг лучших колесных литых дисков для авто (производители, цена, качество, надежность, отзывы) 20…

Nissan Teana второго поколения с надежными моторами

Чип тюнинг Lexus IS 250: новый образ спортивного седана

Alex S 13 октября, 2013

Опубликовано в: Полезные советы и устройство авто

Метки: Как устроен автомобиль

Поршневые кольца

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

Кольца выполняют следующие функции:

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

Смазывать необходимо и соединение поршня с шатуном.

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

Для чего нужен кривошипно-шатунный механизм двигателя

КШМ приводит в движение другие механизмы, без которых невозможно было бы машине ехать. В электротранспорте электрический мотор благодаря энергии, которую он получает от батареи, сразу создает вращение, поступающее на вал трансмиссии.

Недостаток электрических агрегатов в том, что у них маленький запас хода. Хотя ведущие производители электромобилей и повысили эту планку до нескольких сотен километров, подавляющему большинству автомобилистов такой транспорт недоступен по причине его дороговизны.

Единственным дешевым решением, благодаря которому возможно передвижение на большие расстояния и с большой скоростью, является автомобиль, оснащенный ДВС. В нем используется энергия взрыва (а точнее расширения после него), чтобы приводить в движение детали цилиндропоршневой группы.

Назначение КШМ в том, чтобы обеспечить равномерное вращение коленчатого вала при прямолинейном перемещении поршней. Идеального вращения пока невозможно достичь, однако существуют модификации механизмов, которые минимизируют рывки, образующиеся при резких толчках поршней. Примером тому служат 12-цилиндровые двигатели. Угол смещения кривошипов в них минимален, а срабатывание всей группы цилиндров распределено на большее количество интервалов.

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.

Устройство КШМ

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.

Коленчатый вал

Преобразование осуществляет с помощь.

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

Основные части, из которых состоит коленвал, следующие:

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

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

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