Основні теоретичні відомості

Кривошипно-шатунний механізм (КШМ) є основним механізмом двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ).

Цей механізм сприймає тиск газів, які утворюються при згорянні паливно-повітряної суміші в циліндрах двигуна і перетворює прямолінійний рух поршня в обертальний рух колінчастого вала.

Кривошипно-шатунний механізм складається з рухомих та нерухомих елементів.

Циліндри, головки циліндрів, картер та деталі кріплення є елементами корпуса (остова) двигуна і складають нерухому частину кривошипно-шатунного механізму.

Поршень із поршневими кільцями і поршневим пальцем, шатун, колінчастий вал, маховик складають рухому частину кривошипно-шатунного механізму.

На рис. 1.1 показані деталі тронкового кривошипно-шатунного механізму V-подібного шестициліндрового тракторного двигуна: шатуни 4, поршні 5, колінчатий вал 1, противаги 11.

Поступальний рух поршня перетвориться в обертальний колінчатого вала за допомогою шатуна 4, з’єднаного шарнірно з поршнем 5 і кривошипом 3 колінчатого валу.

Поршнева група будь-якого двигуна складається з поршня, поршневих кілець, поршневого пальця. Залежно від особливостей конструкції вона включає додатково деталі фіксації пальця від осьових переміщень і деталі системи охолодження поршня.

Поршень - найважливіша й одна з найбільш напружених деталей двигуна. Він є однієї з деталей, що утворять камеру згоряння двигуна, забезпечує її герметичність, передає силу тиску газів шатуну; у двотактних двигунах поршень виконує також функції розподільного пристрою, управляючи відкриттям впускних і випускних вікон у циліндрі.

Поршень (рис. 1.2, а) має головку із днищем 1, спідницю 2, канавки для поршневих кілець і бобишки 3 для установки поршневого пальця. На поршень діють високі механічні (тиск газів, сили інерції) і теплові навантаження. Бічна поверхня поршня піддається зношуванню при русі по поверхні циліндра. У результаті тертя поршневих кілець і бічної поверхні об стінку циліндра поршень додатково нагрівається. Через високі температури поверхні днища поршня знижуються допустимі напруження його матеріалу, що може у виняткових випадках привести до утворення тріщин. Перегрів зони розташування поршневих кілець порушує їх нормальну роботу й веде до збільшення витрати палива, масла й зношування канавок, а також іншим неприємним наслідкам. Поршень установлюють у циліндрі двигуна із зазором, однак перегрів поршня може викликати задири на бічній поверхні й навіть заклинювання поршня в циліндрі.

Для зменшення сил інерції, що виникають внаслідок зворотно-поступального руху поршня, його маса повинна бути якомога менша, що досягається в першу чергу застосуванням алюмінієвих сплавів для їх виготовлення. Однак у форсованих двигунах, коли міцність алюмінієвих сплавів виявляється недостатньої, застосовують чавунні, сталеві й часто комбіновані конструкції поршнів.

По конструкції поршні значно різняться залежно від типу й призначення двигуна, на якому вони застосовуються. Поршні двигунів із примусовим запаленням, зокрема карбюраторних (рис. 1.2, а), відрізняються мінімальною товщиною стінок, що при використанні легких сплавів забезпечує легкість конструкції. Поршні таких двигунів мають, як правило, плоске днище.

Для зменшення зазору між поршнем і циліндром і усунення при цьому небезпеки заклинювання спідницю 2 поршнів карбюраторних двигунів часто роблять розрізною. Вона має в поперечному перерізі овальну форму, більша вісь перпендикулярна осі поршневого пальця, установленого в бобишках 3. При роботі двигуна поршень, нагріваючись, розширюється так, що форма спідниці наближається до циліндричної.

Поршні автомобільних і тракторних дизелів більше масивні, що пов'язане з більшими механічними й тепловими навантаженнями, що діють у дизелях. Форма днища може бути різної й залежить від прийнятого типу камери згоряння.

На рис. 1.2, б показаний поршень автомобільного дизеля з напіврозділеною камерою згоряння. Спідниці 2 поршнів дизелів виконують також овальної форми й часто профілюють по висоті. На відміну від поршнів карбюраторних двигунів поршні дизелів не мають розрізів.

Для зниження температур головки поршня й зони першого компресійного кільця внутрішня поверхня днища може охолоджуватися струменем масла, що направляється знизу через шатун або, що більш ефективно, через спеціальну нерухливу форсунку, установлену в картері. Такий спосіб подачі масла доцільний у двигунах з підвищеною частотою обертання колінчатого вала.

Для підвищення терміну служби поршні з легких сплавів багатьох двигунів мають залиту вставку 4 під перше компресійне кільце. Іноді вставку виконують під два верхніх кільця з міцного зносостійкого матеріалу, що забезпечує стабільність розмірів поршневих канавок в експлуатації.

Поршневі кільця ущільнюють порожнину камери згоряння, перешкоджаючи проникненню продуктів згоряння в порожнину картера і масла в камеру згоряння, що необхідно для зменшення витрати масла на вигар.

Відповідно до цього кільця ділять на компресійні (верхні) і маслоз’ємні (нижні). Для здійснення монтажу на поршень кільця роблять розрізними із прямим або косим розрізом. Через кільця від поршня у втулку циліндра відводиться значна кількість теплоти.

На рис. 1.3 представлений комплект поршневих кілець автомобільного двигуна із примусовим запалюванням: два верхніх кільця 1 і 2 є компресійними, а нижнє 3 – маслоз’ємним. Дизелі мають більшу кількість кілець, оскільки тиск газу в циліндрі в них вище.

Компресійні кільця працюють у важких умовах, обумовлених високою температурою, великими швидкостями зміни тиску газу й прискореннями при русі кілець. При цьому необхідна тривала працездатність кільцевого ущільнення.

Ущільнення здійснюється завдяки притисненню кільця до стінки циліндра силами пружності кільця й тиску газів.

Маслоз’ємні кільця призначені для видалення зайвого мастильного матеріалу з робочої поверхні втулки циліндра й перешкоджають, таким чином, потраплянню масла в камеру згоряння.

Основним матеріалом для виготовлення кілець служить сірий перлітний чавун з легуючими добавками. Верхні кільця форсованих двигунів іноді роблять сталевими.

У тронковому кривошипно-шатунному механізмі поршень з'єднаний з верхньою поршневою головкою шатуна за допомогою пальця, розташованого в розточеннях бобишок поршня. Палець сприймає змінні по величині механічні навантаження від сил тиску газу на поршень і інерційних сил. Внаслідок тертя палець піддається зношування, що обумовлює необхідність ретельної обробки його зовнішньої поверхні й додання поверхневому шару металу високої твердості шляхом термообробки. Пальці виконують зі сталі.

У наш час найбільше поширення одержали конструкції із плаваючим пальцем; при цьому можливо вільне провертання останнього як у головці шатуна, так і в бобишках поршня, що сприяє більше рівномірному зношуванню пальця. Від осьового переміщення палець фіксується пружинними стопорними кільцями 1 (рис. 1.4, а и б) або спеціальними обмежувачами 2 з м'якого металу - грибками (рис. 1.4, в). Застосовується й фіксування пальця в головці шатуна або в бобишках поршня. Останнє використовується в конструкціях поршня з підведенням масла на охолодження головки поршня через порожнину поршневого пальця.

Шатун шарнірно з’єднує поршень з шатунною шийкою колінчатого валу. При роботі шатун робить складний рух у площині, перпендикулярній осі колінчатого вала, і піддається впливу високих газових і інерційних сил. Шатун повинен мати високу міцність, по можливості малу масу, але одночасно достатню твердість, що забезпечує стабільність форми й розмірів, зокрема отворів під підшипники. Залежно від типу кривошипно-шатунного механізму й розташування циліндрів можна виділити шатуни рядного типу двигунів із тронковим механізмом; шатуни причіпного типу багаторядних двигунів (V-подібних і зіркоподібних); шатуни двигунів із крейцкопфним механізмом.

На рис. 1.5, а показана конструкція шатуна двигуна рядного типу, застосовувана також і в V-подібних двигунах.

Основними елементами шатуна є: верхня (або поршнева) головка з запресованою втулкою 5, у якій переміщається палець; стрижень 2, що з'єднує верхню головку з нижньою (або кривошипною) головкою 3. За допомогою нижньої головки 3 і її кришки 4 шатун з'єднаний із шатунною шийкою колінчатого вала.

Верхню головку шатуна роблять звичайно нероз'ємної циліндричної форми. У неї запресовують бронзову втулку; у деяких конструкціях застосовують голчасті підшипники. Для більше раціонального розподілу навантаження між бобишками поршня й шатуном верхня головка часто має конічну форму перетину в площині осі отвору під палець, для змащення якого передбачені отвори 8.

Шатуни виконують із якісних сталей звичайно куванням у штампах з наступною термічною й механічною обробкою.

Стрижень 2 шатуна сприймає осьове й поперечне навантаження й має звичайно двотавровий поперечний переріз, що добре працює на вигин у площині хитання шатуна. У багатьох випадках для подачі масла до підшипника верхньої (поршневої) головки шатуна й поршня в тілі шатуна на всю довжину стрижня просвердлюють канал. У цьому випадку передбачається стовщення стінки, що з'єднує полиці двотавру. Можливі й інші форми перетину стрижня (зокрема, кругла з отвором).

Нижню головку 3 шатуна роблять рознімною; її габарити повинні дозволяти виймати поршень із шатуном, як правило, через циліндр, що визначається умовами складання двигуна. Після установки поршня із шатуном у двигун до нижньої головки 3 кріплять

її кришку 4 за допомогою шатунних болтів 6 і гайок 7. По конструкції нижні (кривошипні) головки шатунів відрізняються більшою розмаїтістю. Найбільш проста показана на рис. 1.5, а плоско-симетричная конструкція. Прагнення збільшити діаметр корінних шийок колінчатого вала при форсуванні двигунів приводить до зменшення товщини нижньої головки в місці рознімання. У зв'язку із цим, а також для забезпечення можливості виїмки шатуна через циліндр широке поширення одержали шатуни з косим розніманням нижньої головки (рис. 1.5, б), у яких стик розташований під кутом 42...50° до осі стрижня шатуна. Для сприйняття сил, що зрізують, у площині стику застосовують зубчасте (шліцьове) з'єднання.

У більшості сучасних двигунів внутрішнього згоряння застосовують підшипники ковзання, виконані у вигляді розрізних сталевих вкладишів рис. 1.1. поз. 9, залитих по поверхні, зверненої до шийки колінчатого вала, шаром антифрикційного матеріалу (бабітом, свинцюватою бронзою, сплавом на основі алюмінію, кадмію тощо).

Колінчатий вал є найбільш напруженою деталлю і складною у виготовленні. При роботі вал навантажується змінними силами й моментами, сприймає крутильні і поздовжні коливання, які при несприятливих умовах (резонансні й близькі до них режими роботи) можуть істотно збільшити напруги у валу від основних газових і інерційних зусиль. Шийки вала під дією тертя піддаються зношування. Тому колінчатий вал повинен мати високу міцність, твердість й зносостійкість.

Основним елементом колінчатого вала є коліно, що складається з коріних 3, шатунних 8 шийок і щік 6 (див. рис. 1.1). Останні можуть бути виконані як одне ціле із противагами для зрівноважування моментів, відцентрових і інерційних сил; часто противаги виконують окремо й кріплять до щік болтами. Сучасні двигуни мають, як правило, повноопорні колінчаті вали. Число й взаємне розташування колін залежать від числа циліндрів, їхнього розташування й тактності двигуна.

При цьому важливі рівномірність спалахів по циліндрах двигуна, а також урівноваженість сил і моментів інерції. Так, вал V-подібного восьмициліндрового чотиритактного автомобільного дизеля має хрестоподібну форму, що при куті розвалу циліндрів 90° забезпечує рівномірне чергування спалахів.

На передньому кінці вала (див. рис. 1.1) розташовують шків 12 привода вентилятора й генератора, зубчасте колесо 2 привода масляного насоса, масляний відбивач.

Передній кінець колінчатого вала ущільнюють гумовим сальником, розташовуючи його в спеціальній кришці. Ущільнення заднього кінця колінчатого вала здійснюється також за допомогою масловідбивача й сальника; іноді застосовують маслогінне різьблення по напрямку, зворотному від обертання вала. Вал обертається в корінних підшипниках, що складаються з двох тонкостінних сталевих розрізних вкладишів 9 (див. рис. 1.1), залитих, як і шатунні вкладиші, антифрикційним сплавом. Вкладиші встановлюють у розточеннях картера й у спеціальних підвісках, з'єднаних з картером шпильками. Від осьових переміщень вал утримується кільцями вкладиша 9 (див. рис. 1.1), поверхня яких, звернена до опорного пояса щоки колінчатого вала, покрита антифрикційним сплавом.

Місце положення упорного підшипника по довжині вала може бути різним і залежить від компонування двигуна. Підшипники вала змазуються під тиском; при цьому мастильний матеріал підводить до корінних опор, а потім по масляних порожнинах у колінах подається на шатунні шийки. Спеціальні брудоуловлювачі порожнини в шийках колінчатого вала служать для вловлювання часток металу, нагару й інших механічних домішок і тим самим поліпшують умови роботи підшипників.

Колінчаті вали виготовляють куванням і штампуванням зі сталі, а також литтям зі спеціального високоміцного чавуну. При одержанні литих валів істотно скорочуються витрати на механічну обробку при забезпеченні раціональних геометричних форм елементів вала, але литі вали поступаються за міцністю штампованим.