Коленчатый вал. Распределительные валы. Отстойник.
Назначение коленчатого вала — преобразовать работу сил давления газов, действующих на поршни в тактах рабочего хода, в крутящий момент и передать его на воздушный винт. Кроме того, коленчатый вал обеспечивает перемещение поршней в течение их нерабочих ходов и приводит в действие нагнетатель, механизм газораспределения и агрегаты, установленные на двигателе.
Элементами коленчатого вала являются:
- носок вала;
- кривошипы;
- противовесы;
- демпферы крутильных колебаний;
Носок вала, а в случае редукторных моторов — носок редуктора служит для правильной центровки и крепления воздушного винта и для передачи ему вращающего момента мотора.
Кривошип состоит из двух коренных шеек, одной шатунной шейки и двух щек. Число кривошипов на коленчатых валах рядных двигателей равно числу цилиндров в одном ряду. Кривошипы располагают под углом, обеспечивающий равномерность чередования вспышек в цилиндрах (Рис. 3.6).
Рис.3.6.Коленчатый валV-образного рядного двигателя
|
|
Коленчатые валы — наиболее ответственные и напряженные детали двигателя. Они работают на срез, истирание, изгиб и кручение от знакопеременных нагрузок, изменяющихся с большой частотой. Поэтому коленчатые валы изготовляются из высокосортных сталей, механические и физические свойства которых улучшены присадкой различных элементов: никеля, хрома, вольфрама, молибдена и др.
Для уменьшения веса коленчатого вала все его коренные и шатунные шейки. Полости шеек закрываются заглушками или специальными втулками, способствующими центрифугированной очистке масла, подаваемого на смазку вала.
Хвостовик вала служит для привода вспомогательных агрегатов, механизму газораспределения, нагнетателя и пр.Соединение между валиком приводя и хвостовиком обычно производится при помощи шлиц. Коленчатый же вал, работающий на изгиб икручение, не может быть изготовлен из материала, большой твердости, поэтому хвостовик выполняется как отдельная деталь, которая впрессовывается в последнюю коренную шейку (считай от винта). Кроме того, это устранят необходимость замены коленчатого вала в случае износа хвостовики.
Коленчатые валы звездообразных двигателей имеют следующие особенности:
1.Учитывая, что главные шатуны звездообразных двигателей имеют неразъемную нижнюю готовку, коленчатые валы приходится делать с разъемным кривошипом.
Наиболее распространенный способ соединения отдельных; частей коленчатого вала звездообразного двигателя показан на рис. 3.7. Задняя щека вала имеет разрезную проушину, в которой зажимается шатунная шейка.
|
|
Рис. 3.7.Коленчатый вал однорядного звездообразного двигателя
Шатунную шейку всегда делают заодно с передней щекой, чтобы крутящий момент мотора передавался навинт через целое место. В двухрядных звездообразных двигателях обе шатунные шейки скрепляются одной промежуточной щекой. Прочность и жесткость соединения обеспечиваются только силой затяжки болтов. Величина вытяжки зависит от длины болта и выбирается с таким расчетом, чтобы напряжение в материале болта после его затяжки не превышало 4000 — 5000 кг/см2.
2. Кривошип коленчатого вала звездообразного двигателя значительно более нагружен по сравнению с кривошипом рядного двигателя. Это объясняется большими значениями сил инерции вращающихся масс и результирующей сил инерции поступательно-движущихся масс, а также тем, что газовые силы многих цилиндров передаются на один кривошип.
Поэтому в звездообразных двигателях кривошипы должны быть более массивными. Как правило, у таких кривошипов значительны длина шатунной шейки и толщина щек. Коренные шейки вала работают на роликовых или шариковых подшипниках.
3. Для уравновешивания сил инерции вращающихся и поступательно-движущихся масс коленчатые валы звездообразных двигателей снабжаются массивными противовесами. С целью уменьшения веса противовесы разминают насколько возможно дальше от оси коленчатого вала, придавая им формы сегментов.
Для разгрузки от срезывающих усилий, возникающих под действием сил инерции противовесов, болтов или заклепок, крепящих к щекам противовесы, последние обычно устанавливают в специальных пазах или выступах, выполненных на щеках.
На некоторых звездообразных двигателях противовесы одновременно работают как демпферы крутильных колебаний. В этом случае они подвешиваются к щеке вала на двух роликах, допускающих свободное перемещение противовесов в направлении вращения на некоторую расчетную величину 6—8 мм. Конструктивное выполнение коленчатого вала двухрядного звездообразного двигателя показано на Рис. 3.8.
Рис. 3.8. Основные части коленчатого вала двухрядного звездообразного двигателя: 1 — передняя часть коленчатого вала; 2- средняя часть коленчатого вала, 3 — задняя часть коленчатого вала;4 –противовесы; 5-стяжной болт; 6-детали крепления противовеса;7-детали разъемного подшипника;
Скользящие подшипники коленчатых валов
В авиационном двигателе подшипники являются самой распространенной деталью, имеющей десятки разновидностей, отличающихся как по своему назначению, так и по материалу,
конструкции и условиям работы. Во всех случаях назначение подшипников — воспринимать радиальные и осевые нагрузки, передающиеся от вращающихся деталей на опоры, и уменьшать трение между вращающимися деталями и их опорами.
В зависимости от того, какого направления нагрузки подшипники воспринимают, они делятся на следующие группы:
— радиальные или опорные подшипники, воспринимающие нагрузки, направленные перпендикулярно к оси вала;
— упорные, воспринимающие нагрузки, направленные вдоль оси вала;
— радиально-упорные, воспринимающие нагрузки, направленные как вдоль, так и перпендикулярно оси вала.
В зависимости от характера трения между валом и подшипником последние делятся на подшипники скольжения и подшипники качения.
В подшипниках скольжения поверхность вала непосредственно касается поверхности подшипника или его вкладыша. При вращении вала его шейка, опирающаяся на подшипник, скользит по поверхности вкладыша.
В подшипниках качения поверхность вала отделена от поверхности подшипника роликами или шариками, которые при вращении вала перекатываются по обоймам.
В авиационных двигателях наиболее употребительны скользящие подшипники, которые по сравнению с подшипниками качении имеют следующие преимущества:
|
|
— простота в изготовлении и удобство монтажа;
— незначительные габариты по диаметру вала;
— эластичность в работе, вследствие чего смягчаются удары и толчки, передающиеся на опоры;
Последнее объясняется тем, что, как уже указывалось, вал при своем вращении увлекает за собой концентричные слои масла, образующие как бы масляную подушку, отделяющую поверхность вала от поверхности вкладыша (жидкостное трение). Эти слои масла амортизируют удары и толчки, передающиеся от вала на его опоры.
Непременным условием надежной работы скользящего подшипника является достаточная смазка, поэтому, как правило, в авиационном двигателе к скользящим подшипникам масло подводится под давлением. При небольших значениях удельного давления на подшипник и небольшой относительной скорости между валом и подшипником хорошо работают подшипники, изготовленные из алюминиевых и медных сплавов.
В наиболее тяжелых условиях работают подшипники скольжения коленчатых валов, нагруженные значительными усилиями, переменными по величине и направлению.
Как указывалось, в нормальных условиях работы трение скользящего подшипника имеет жидкостный характер, однако в случае недостаточной жесткости вала или его опор, плохой механической обработки трущихся поверхностей, неправильного монтажа, а также при попадании механических частиц неизбежно возникает полужидкостное, а иногда и сухое трение. При этом температура подшипника возрастает, что приводит к выплавлению антифрикционного слоя и наволакиванию его на шейку вала, к заклиниванию вала в подшипнике и к другим серьезным дефектам.
Рис. 3.9 Форма вкладышей: Рис. 3.10. Схема деформации коленвала
а) с конической расточкой; под действием нагрузки
б) с параболической расточкой;
Вкладыши подшипников коленчатого вала заливаются антифрикционный сплавом, что обеспечивает хорошую приработку подшипника к валу, дает возможность путем шабровки точно подогнать поверхность вкладыша к шейке вала и, кроме того, уменьшает износ шеек,
|
|
Наилучшим материалом для наливки вкладышей являются сплавы на оловянной основе, известные под названием баббитов.
Подшипники качения
Достоинствами подшипников качения являются:
1) незначительная величина трения;
2) способность воспринимать большие нагрузки и работать надежно при больших числах оборотов;
3) отсутствие необходимости подводить смазку к подшипнику под давлением.
К недостатком подшипников качения относятся:
1) большой вес (по сравнению с подшипниками скольжения);
2) значительные размеры по диаметру;
3) отсутствие разъема, что в ряде случаев затрудняет монтаж;
4) большая жесткость работы и чувствительность к неточности изготовления и
монтажа вала.
Подшипники качения состоят из следующих деталей: наружного кольца а (рис. 3.11), внутреннего кольца б, комплекта роликов или шариков в и сепаратора г, закрепляющего ролики или шарики между наружным и внутренним кольцами и предохраняющего их от выпадения.
Рис. 3.11. Детали подшипника качения
В зависимости от направления воспринимаемых нагрузок подшипники качения делятся на радиальные, упорные и радиально-упорные. Каждая из этих разновидностей имеет свои конструктивные особенности и делится на серии, различающиеся по габаритным размерам и по величине допускаемых | нагрузок.
Различные виды подшипников качения, применяемых в авиационных моторах, приведены в схеме и на рис. 3.12.
Рис.3.12. Виды подшипников качения: а- шариковые; б- роликовые; в- игольчатые;
В авиационных двигателях упорные подшипники обычно устанавливаются для восприятия тяги винта. При этой конструкция подшипников должна обеспечивать возможность работы мотора как с тянущим, так и с толкающим винтом, чтобы он мог воспринимать осевую нагрузку любого направления. Детали такого подшипника показаны на Рис. 3.13.
Рис. 3.13
В звездообразных двигателях коренные шейки коленчатого вала монтируются на подшипниках качении, чаще всего роликовых. При этом одни из подшипников (обычно передний) радиально-упорный.
Подшипники качения находят также применение в агрегатах мотора: магнето, нагнетателе, приводах и в ряде других деталей, к которым подвод масла под давлением затруднен.
Рис.3.14
Роликовые подшипники способны выдерживать большие нагрузки по сравнению с шариковыми подшипниками такого же размера, но осевую нагрузку они выдерживают плохо. Этот недостаток устраняют путем применения конических или сферических роликов. Подшипники с такими роликами не уступают однорядным шариковым подшипникам по способности воспринимать осевую нагрузку, но при этом они могут выдерживать гораздо большую радиальную нагрузку.
При сочетании большей радиальной нагрузки с осевой, действующей то в одном, то в другом направлении, прекрасно работают подшипники с двумя рядами конусных роликов, вершины которых расположены в противоположные стороны (Рис. 3.14). Такие подшипники применяются в коромыслах клапанов некоторых звездообразных двигателей.
Игольчатые подшипники
Конструкция игольчатых подшипников относится к промежуточной между подшипниками скольжения и подшипниками качения.
Иглы диаметром от 2.5 до 5 мм и длиной от 10 до 50 мм представляют собой как бы плавающую гильзу, заложенную в пространство между палом и его опорой.
Преимущества игольчатых подшипников заключаются в следующем:
- малые размеры по длине и незначительное увеличение по диаметру;
- хорошая сопротивляемость нагрузкам большой величины и ударного характера;
- надежная работа при больших числах оборотов.
В отличие от роликовых и шариковых подшипников, у игольчатых подшипников вместо наружного и внутреннего колец могут быть использованы поверхности валика и сопряженной с ним опоры, если твердость этих поверхностей не менее 650 по Бринеллю.
Соответственно этому игольчатые подшипники могут быть либо с одним наружным или с внутренним кольцом, либо совершенно без колец.
Несмотря на большие преимущества, игольчатые подшипники сравнительно редко применяются в авиационных двигателях, что объясняется большой сложностью их монтажа.
Иглы монтируются в корпус подшипника обычно при помощи монтажного (ложного) валика, имеющего меньший диаметр по сравнению с действительным валиком.
В отдельных случаях монтаж легко осуществляется при помощи тавота. Для этой цели иглы собираются на смазанной тавотом рабочей поверхности и благодаря прилипанию не рассыпаются при дальнейшем монтаже.
Игольчатые подшипники применяются только как радиальные, так как осевую нагрузку они не воспринимают.
Шатун, впускной и выпускной коллекторы
Назначение шатунов — передавать усилия давления газов от поршня на коленчатый вал.
Основной нагрузкой для шатуна является усилие от давления газов в цилиндре в момент наибольшего его значения. Эти усилия вызывают продольный изгиб шатуна; кроме того, шатун работает на растяжение от сил инерции поступательно-движущихся масс и на изгиб от сил инерции шатуна, возникающих вследствие переменного, колебательного его движения (Рис. 3.14).
В конструкциях с прицепными шатунами главный шатун дополнительно нагружен изгибающими усилиями, передаваемыми от прицепных шатунов.
Рис.3.14. Силы, Рис. 3.15. Разрыв верхней головки
действующие на шатуна силами инерции
шатун поступательно-движущихся масс
В результате перечисленных нагрузок напряжения в шатунах достигают значительных величин, поэтому шатуны выполняются из высокосортной стали, часто такого же состава, как и коленчатые валы. Чтобы избежать царапин, являющихся источником появления третий, шатуны подвергаются полировке.
Конструктивно в шатуне рассматривают три основные части: верхняя или поршневая головка; стержень шатуна; нижняя, или кривошипная, головка.
Верхняя головка шатуна работает на разрыв от сил инерции поступательно-движущихся масс (Рис. 3.15) и на износ от трения о поршневой палец.
Для уменьшения трения в верхнюю головку стального шатуна запрессовывают втулку, изготовленную из фосфористой или свинцовистой бронзы. От проворачивания втулка контрится стопорными штифтами. Смазка верхней головки, как правило, осуществляется маслом, обильно стекающим внутрь поршня через отверстия в канавках маслосборных колец. Для этой цели а верхней головке предусматриваются смазочные отверстия или канавки. В некоторых двигателях смазка верхней головки осуществляется маслом, подводимым под давлением по специальным трубочкам, укрепленным на шатунах, или по внутреннему сверлению шатуна.
Длина верхней головки подбирается так, чтобы удельное давление на поршневой палец было в пределах 400—500 кг/см2, а толщина ее обеспечивала напряжение на разрыв не более 600-700 кг/см2.
Стержень шатуна работает на продольный изгиб от силы давления газов и на изгиб от сил инерции шатуна и от усилий, передаваемых от прицепных шатунов. Поэтому стержни шатуна обычно делают двутаврового сечения, обеспечивающего наилучшее сопротивление изгибу.
При небольшой длине шатуна в целях облегчения его изготовления стержню придается круглое сечение.
У главных шатунов звездообразных двигателей стержень делают более массивным по сравнению с стержнями прицепных шатунов, хотя силы давления газов на шатуны одинаковы в первом и втором случаях. Это объясняется следующим:
1) длина главного шатуна на 30—35% больше длины прицепных шатунов, следовательно, напряжения от продольного изгиба в главных шатунах больше, чем в прицепных;
2) вес главного шатуна во много раз превосходит вес прицепного шатуна, следовательно, инерционные силы, изгибающие стержень главного шатуна, имеют несравненно большее значение;
3) стержень главного шатуна дополнительно нагружен усилиями изгиба, передаваемыми от прицепных шатунов.
Нижняя головка шатунов
По способу крепления шатуна на коленчатый вал различают два основных типа нижних головок:
—разъемные, применяются для рядных двигателей;
—неразъемные, применяются преимущественно для звездообразных двигателей.
Отъемная часть нижней головки называется крышкой. Для увеличения жесткости нижние головки шатунов делаются массивными и снабжаются ребрами. Крепление крышки возможно болтами или шпильками, располагаемыми в горизонтальной плоскости (Рис. 3.16).
При работе двух шатунов на одном кривошипе (V-образные двигатели) возможно два вида их сочленения:
1) Центральное сочленение (Рис. 3.17)— нижние головки обоих шатунов вращаются вокруг центра шатунной шейки;
2) Прицепное сочленение - главный шатун крепится непосредственно к шатунной шейке, а прицепной - к проушине главного шатуна (Рис. 3.16).
Эксцентричное сочленение, конструктивно наиболее простое и надежное, является преобладающим в рядных двигателях и единственно возможным в звездообразных.
Рис. 3.16. Способы крепления крышки нижней головки шатуна:
а - болтами; б - шпильками;
Нижняя головка главного шатуна звездообразного двигателя делается, как правило, неразъемной, и для возможности монтажа необходимо сделать разъемным коленчатый вал.
Рис. 3.17. Шатуны с центральным сочленением
При числе цилиндров, равном семи и меньше, на некоторых моторах применяют разъемные головки при неразъемном вале (Рис. 3.18). Это обусловлено желанием иметь более жестким коленчатый вал теряя несколько вжесткости нижней головки шатуна.
Нижняя головка главного шатуна звездообразного двигателя имеет две щеки, между которыми помещаются нижние головки прицепных шатунов (Рис. 3.19).
Соединение прицепных шатунов с главным осуществляется при помощи пальцев, которые запрессовываются в отверстия щек в специальными пласт инками контрится от проворачивания.
На главных шатунах звездообразных двигателей антифрикционный слой заливается не на нижнюю головку, а на специальную втулку, которая одновременно используется для подвода масла под давлением к пальцам прицепных шатунов.
Нижние головки прицепных шатунов конструктивно мало отличаются от верхних головок.
Рис.3.18 Разъемный шатун двигателя с семью цилиндрами
Сборка цилиндра и поршня
Цилиндр вместе с поршнем образуют камеру, в которой происходит сгорание топливо-воздушной смеси и преобразование тепловой энергии в механическую работу.
При работе двигателя на цилиндр действуют следующие
силы:
1. Сила давления газов. Действуя на днище цилиндра, сила Рг (Рис. 3.20) стремится оторвать цилиндр от картера. Эта сила растягивает стенки цилиндра и крепящие его болты.
Рис.3.19 Детали главного и прицепных шатунов
1- передняя шайба втулки главного шатуна; 2 – кольцо; 3 - пружина; 4 – замок втулки главного шатуна;5 – втулка главного шатуна;6- главный шатун;7- задняя шайба втулки главного шатуна;8- винт для крепления замка пальца;9- замок; 10-палец прицепного шатуна; 11-втулка кривошипной головки прицепного шатуна;12-прицепной шатун;13-втулка верхней головки шатуна;
Рис.3.20 Действие сил на цилиндр
2. Сила бокового давления N. Эта сила действует в плоскости вращении
кривошипе и, будучи переменной по величине и направлению, приводит к неравно-
черному износу стенок цилиндра,
Кроме того цилиндр находится под действием термических нагрузок. Температуры отдельных участков цилиндра, в особенности головни, могут резко отличаться (на 150—200°С).
Часть головки цилиндра, на которой расположен всасывающий клапан, охлаждается при наступлении свежей смеси; часть же головки с выхлопным клапаном дополнительно нагревается при выпуске сгоревших газов. По этим причинам температуры различных участков головки могут резко различаться, вызывая неравномерное расширение их. В результате этого возникают большие внутренние тепловые напряжения, но многих случаях превосходящие но своему значению напряжения от давления газов. Термические нагрузки являются причиной коробления головок цилиндров.
По своему назначению и условиям работы выделяют следующие элементы:
- головку цилиндра;
- гильзу цилиндра;
- охлаждающее устройство цилиндра.
Головка цилиндра
В головке цилиндра расположены впускные и выпускные клапаны, гнезда для свечей, воздушных клапанов и форсунок впрыска топлива (у двигателей с непосредственным впрыском). Вместе с поршнем головка цилиндра образует камеру сгорания.
По форме камеры сгорания делятся на полусферические, плоские и шатровые.
Полусферическая камера (Рис. 3.21, а) обеспечивает наименьшие потери тепла, уменьшает склонность к детонации, дает возможности устанавливать клапаны, диаметр которых превосходит 0,5D и облегчает размещение охлаждающих ребер воздушного охлаждении.
Недостаток этой камеры сгорания состоит в том, что она допускает установку лишь двух клапанов, так как привел большего числа клапанов, а также размещение клапанных коробок и их охлаждение представляют большие трудности.
Наиболее простыми и удобными для расположения клапанов являются цилиндрические камеры с шатровыми (Рис. 3.21, б) или плоскими (Рис. 3.21, с) днищами. Эти камеры несколько уступают полусферическим по своим тепловым качествам, но более удобны при расположении нескольких клапанов, свечных и других гнезд. Увеличение числа клапанов в камере сгорания дает возможность увеличить проходное сечение для газов и, следовательно, уменьшить гидравлическое сопротивление на всасывании и выпуске. Так, например, при расположении в плоскодонной камере двух клапанов равного диаметра отношение суммарной площади клапанов к площади днища цилиндра находится в пределах 0,32—0,35, в то время как при расположении четырех клапанов это отношение составляет примерно 0,5. В рядных двигателях обычно применяют плоскодонные и шатровые камеры сгорания с четырьмя клапанами. В звездообразных двигателях с целью лучшего охлаждения головки наиболее часто применяют полусферические камеры, более удобные для размещения на них охлаждающих ребер.
С целью предохранения головки от ударов и наклепа при закрывании клапанов в головку запрессовывают клапанные седла, изготовленные из алюминиевой бронзы или хромоникелевой стали. Последние предпочтительнее, так как при работе стеллитированных клапанов наблюдаются случаи наволакивания бронзы на фаску клапана, что нарушает плотность прилегания клапана к седлу и способствует их выгоранию.
Свечи в головке располагают так, чтобы струя входящей смеси по возможности охлаждала электроды. Одну из свечей устанавливают вблизи выпускного клапана, с тем чтобы возможно быстрее воспламенить смесь в этом месте камеры и тем самым предотвратить детонацию вследствие высокой температуры смеси возле клапана.
Конструкция головки должна обеспечить хороший отвод тепла от наиболее нагретых мест, расположенных у выпускного клапана, и обладать достаточной жесткостью, чтобы противостоять короблению и растрескиванию. Наиболее полно этим требованиям отвечают головки из алюминиевых сплавов.
Рис.3.21 Формы камер сгорания
Гильза цилиндра
Термические условия работы гильзы более благоприятны по сравнению с условиями работы головки. Это объясняется как меньшим значением температур газов, действующих на стенки гильзы, так и возможностью более интенсивного охлаждения стенок.
Гильза служит направляющей при движении поршня. Ее внутренняя поверхность подвержена износу от действия поршневых колец и поршня.
Особенно большой износ стенок гильзы происходит вследствие попадания в цилиндр пыли через всасывающую систему. Наблюдается также коррозия гильзы вследствие конденсации продуктов сгорания после остановки двигателя и образования из них сернистой, азотной и других кислот.
Наибольший износ гильзы наблюдается в верхней ее части (Рис.. 3.22) что объясняется повышенным давлением верхнего поршневого кольца, неблагоприятными условиями смазки, а также газовой коррозией, возникающей пол действием горячих газов, особенно при работе из бензинах с примесью этиловой жидкости.
Для увеличения стойкости против износа и коррозии внутренняя поверхность гильзы актируется или хромируется. С целью уменьшения трения гильза внутри обрабатывайся до получения зеркальной поверхности.
Рис.3.22 Распределение Рис. 3.23 Гильза Рис. 3.24 Нижнее уплотнение в
износа по высоте цилиндра цилиндра головке блока: а- без пружинных
стальных колец; б- с пружинными
стальными кольцами;
По условиям прочности гильза может быть выполнена сравнительно малой толщины (2—3 мм), но такая гильза не обладает достаточной жесткостью и, деформируясь под действием силы бокового давления на поршень, принимает овальную форму вместо круглой, что нарушает плотность прилегания поршневых колец. Увеличение жесткости гильзы достигается либо утолщением ее стенок, либо устройством круговых ребер но наружной поверхности гильзы (Рис. 3.23).
В нижней части гильзы имеется толстый фланец для крепления цилиндра к картеру шпильками. Последние должны обеспечить не только прочность и жесткость соединения, но и плотность стыка между фланцами цилиндра и картером, поэтому число шпилек берется достаточно большим (12—16).
В гильзах моторов блочной конструкции в нижней части сделаны специальные проточки или буртики для расположения резиновых колец, уплотняющих соединение гильзы с рубашкой блока и предотвращающих вытекание охлаждающей жидкости.
При завертывании манжетной гайки 3 резиновые кольца 1 (Рис.3.24, а) деформируются и плотно прилегают к стенкам гильзы и блока. Чтобы уплотнение находилось под действием постоянной упругой силы, достаточной для деформации резиновых колец в радиальном направлении, на некоторых моторах между стальными кольцами уплотнения прокладывают пружинящие (волнистые) кольца 4 (Рис. 3.24, б), изготовленные из пальмой проволоки. Одновременно этим устраняется опасность перезатяжки стыка.
Уплотнение между гильзой и головкой цилиндра
Соединение стальной гильзы с алюминиевой головкой должно обеспечить герметичность при рабочих температурах цилиндра. Вследствие значительно большего расширения материала головки по сравнению с материалом гильзы возможно образование зазора, достаточного для проникания газов в полость между гильзой и головкой. В результате этого образуется нагар, ухудшающий отвод тепла, что обычно приводит к местному перегреву и короблению головки у двигателей воздушного охлаждения и к попаданию волы в цилиндр или вытеснению ее из блока газами в моторах жидкостного охлаждения.
Герметичность соединения обеспечивается следующими способами:
1. Нагревом головки до температуры более высокой по сравнению с рабочей температурой ее перед завертыванием головки на гильзу. Вследствие этого при работе двигателя всегда имеется некоторый натяг между головкой и гильзой.
2. Применением резьбы специального профиля (Рис. 3.25, а) — уплотнительной резьбы. По сравнению с нарезкой нормального профиля такая резьба уменьшает радиальные силы Ррад, возникающие в соединении при вспышке, и поэтому допускает завертывание головки на гильзу с большим натягом, достигающим 0,4-0,45 мм.
Рис.3.25 Разложение силы Рг в резьбе головки цилиндра
3. Выполнением на гильзе острой кромки, которая при завертывании врезается в материал головки (Рис. 3.26, б).
4. Применением специальных у плотни тельных приспособлений в виде прокладок из мягкого металла, стальных упругих колец, которые вследствие предварительной их деформации при завертывании гильзы плотно прилегают к точно обработанным поверхностям головки и гильзы, контргайки с коническим срезом и других.
Рис. 3.26 Виды уплотнения между стальной гильзой и алюминиевой головкой
Обычно надежное уплотнение достигается комбинированием нескольких из перечисленных способов, например, завертывание гильзы с острой кромкой и уплотнительной резьбой в предварительно нагретую головку или завертывание гильзы с уплотнительной резьбой в предварительно нагретую головку и, кроме того, постановка упругого кольца (для гильзы блока).
Отдельные цилиндры
Отдельно стоящие цилиндры применяются на звездообразных двигателях и на маломощных рядных двигателях жидкостного и воздушного охлаждения.
Цилиндры воздушного охлаждения, как правило, состоят из навертной головки, отлитой из алюминиевого сплава, и стальной гильзы (Рис. 3.27).
В головке цилиндра, обычно сферической, располагают две коротки для клапанов впуска и выпуске с развалом 50—70°. Развал позволяет применять клапаны увеличенного диаметра и обеспечивает удобное расположение охлаждающих ребер как на головке, так и на коробке выпускного клапана.
До 70° охлаждающей поверхности цилиндра отводится для охлаждения головки, а пятая часть от охлаждающей поверхности головки используется для охлаждения выпускного клапана.
Гильза цилиндра также оребрена и в нижней части снабжена пассивным фланцем для крепления цилиндра к картеру. Уплотнение между гильзой и головкой осуществляется способами, указанными выше.
Рис.3.28 Цилиндр с наварной стальной рубашкой
В рядных двигателях жидкостного охлаждения с отдельно стоящими цилиндрами каждый из цилиндров охватывается наварной рубашкой из тонкой листовой стали (Рис. 3.28). Рубашки соседних цилиндров соединяются между собой патрубками. Охлаждающая жидкость поступает в рубашку цилиндра через патрубок, расположенный в нижней части цилиндра. Нагреваясь, жидкость поднимается вверх и через верхний патрубок отводится в радиатор.
Большим недостатком двигателей с отдельно стоящими цилиндрами является недостаточная жесткость цилиндрового ряда, что вызывает вибрацию цилиндров, трещины в сварном шве рубашки, трещины в картере и ряд других неисправностей.
К достоинствам таких двигателей относится:
— хорошая циркуляция охлаждающей жидкости;
— легкая смена цилиндра;
— меньшая емкость системы охлаждения.
Сложность изготовления стальных цилиндров, недостаточная приспособленность к массовому производству и неудовлетворительный отвод тепла от стальных камер сгорания послужили серьезным препятствием для развития двигателей с отдельно стоящими цилиндрами.
Эти недостатки устранены в моторах блочной конструкции. где все цилиндры одного ряда заключены в общий блок из алюминиевого сплава.
Цилиндровые блоки
Блочная конструкции цилиндров обладает следующими достоинствами:
— хорошей жесткостью цилиндрового ряда;
— меньшим весом конструкции благодаря применению алюминиевого литья и сближению цилиндров;
— простотой механической обработки, так как сложные очертания получаются литьем.
Существенный недостаток блочной конструкции — сложность замены клапанов, поршней, гильз и других деталей, так как в случае замены одной из этих деталей приходится снимать весь блок.
По способу передачи давления газов от цилиндра на картер блочные конструкции бывают двух типов:
1) блоки с передачей давления посредством рубашки блока;
2) блоки с передачей давления посредством силовых шпилек.
В блоках первого типа (Рис. 3.29) весь блок изготовлен в одной отливке, в которую на резьбе ввертываются стальные гильзы. К картеру блок крепится при помощи большого числа шпилек, обеспечивающих жесткое крепление и равномерную затяжку стыка между блоком и картером. При такой конструкции рубашка блока воспринимает усилия от давления газов на головку и поэтому выполняется достаточно жесткой и прочной. К недостаткам таких блоков относится сложность отливки и трудность замены отдельных гильз.
Блоки второго типа состоят из двух частей (Рис. 3.30): общей для всех цилиндров водяной рубашки, в которую вставляются гильзы, и головки с отлитыми в ней камерами сгорания по числу цилиндров в блоке,
Головка блока и рубашка соединяются при помощи силовых шпилек, ввернутых в картер. При такой конструкции рубашка блока разгружена от усилия давления газов, передающихся на картер через силовые шпильки. Крепление гильз в рубашке такого блока осуществляется весьма просто, отливка рубашки и головки блока сравнительно несложна.
Однако наличие большого числа массивных шпилек, гаек и других дополнительных элементов увеличивает вес конструкции.
К недостаткам блоков второго типа следует также отнести сложность монтажа блока на двигатель. Наличие стыка между рубашкой и головкой блока, через который возможен прорыв газов и течь воды, может явиться причиной ряда неисправностей.
Существенным вопросом в конструкциях блоков является система подвода и отвода охлаждающей жидкости. Температура в различных точках внутренней поверхности блока, особенно головки, меняется в значительных пределах, что может вызвать коробление и трещины в стенках блока. Для предотвращения этого предусматриваются меры к более интенсивному охлаждению клапанных коробок выхлопа.
Рис. 3.29 Блок, в котором давление вспышек воспринимается рубашкой |
Во избежание образования воздушных и паровых мешков отвод жидкости осуществляется в наивысшей точке блока. Системой каналов и отверстий обеспечивается хорошая циркуляция жидкости и устранение карманов, препятствующих удалению жидкости из всей системы при сливе.
Блоки отливаются из алюминиевых сплавов, обладающих хорошими литейными качествами и большой механической прочностью. К таким сплавам относится силумин, из которого преимущественно изготовляются блок.
Рис.3.30 Блок, рубашка которого не воспринимает давление вспышек |