Для чего предназначены и как устроены шатуны и их подшипники: Шатун — Википедия – Устройство шатуна

Содержание

Устройство шатуна

Шатун необходим для соединения поршня с коленчатым валом и передачи усилия от поршня к коленчатому валу. Шатун штампуется из стали.

Для повышения прочности шатуна его подвергают дробеструйной обработке.

Устройство шатуна

Устройство шатуна:

1)      верхней головки 1;

2)      стержня 3;

3)      нижней головки 4 (с крышкой 6).

В верхней головке запрессовывается бронзовая втулка 2 . Во втулке и верхней головке шатуна есть специальные отверстия для подвода масла к изнашиваемой поверхности поршневого пальца. А стержень шатуна выполнен в двутавровом сечении.

Нижняя головка шатуна разъемная. Съемная часть нижней головки шатуна называется крышкой шатуна. Крепится крышка к шатуну с помощью двух болтов с лысками (которые служат для того чтобы болты не проворачивались). Под подшипники скользящего типа 5

(вкладыши) в нижней головке шатуна и крышке в сборе выполняется расточка, в связи с этим крышки шатунов являются невзаимозаменяемыми. Для обеспечения правильной комплектации деталей на них выбиты порядковые номера. На теле и крышке шатуна есть специальные пазы в которые входят выступы на вкладышах. Шатунные и коренные  подшипники представляют собой тонкостенные вкладыши с рабочим слоем из свинцовой бронзы. В верхнем вкладыше есть отверстие для подвода масла и специальная канавка по которой масло распределяется. Вкладыши верхних и нижних коренных подшипников не взаимозаменяемы. Для предотвращения смещений и проворачиваний вкладышей, а также осевых смещений выполнены выступы усики. В случае необходимости ремонта блока, коленчатого вала и шатунов создан перечень ремонтных размеров вкладышей.

СОДЕРЖАНИЕ:

1. Запрессовка поршневых пальцев из шатуна

2. Выпрессовка поршневых пальцев из шатуна
3. Ремонт шатуна современного двигателя грузового автомобиля

4. Звуки неисправностей двигателя (стуки двигателя)

5. Признаки и причины неисправностей двигателя автомобиля

6. Как проводится диагностика двигателя автомобиля

 

Кривошипно-шатунный механизм — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 26 июля 2019; проверки требует 1 правка. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 26 июля 2019; проверки требует 1 правка.

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) предназначен для преобразования разработано в 2010 возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение (например, во вращательное движение коленчатого вала в двигателях внутреннего сгорания), и наоборот. Детали КШМ делят на две группы, это подвижные и неподвижные детали:

  • Подвижные: поршень с поршневыми кольцами, поршневой палец, шатун, коленчатый вал с подшипниками или кривошип, маховик.
  • Неподвижные: блок цилиндров (является базовой деталью двигателя внутреннего сгорания) и представляет собой общую отливку с картером, головка цилиндров, картер маховика и сцепления, нижний картер (поддон), гильзы цилиндров, крышки блока, крепежные детали, прокладки крышек блока, кронштейны, полукольца коленчатого вала.

Прямая схема: Поршень под действием давления газов совершает поступательное движение в сторону коленчатого вала. С помощью кинематических пар «поршень-шатун» и «шатун-вал» поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал состоит из:

  • шатунных шеек
  • коренных шеек
  • противовеса

Обратная схема: Коленчатый вал под действием приложенного внешнего крутящего момента совершает вращательное движение, которое через кинематическую цепь «вал-шатун-поршень» преобразуется в поступательное движение поршня.

  • Центральный КШМ, у которого ось цилиндра пересекается с осью коленчатого вала.
  • Смещенный КШМ, у которого ось цилиндра смещена относительно оси коленчатого вала на величину а;
  • V-образный КШМ (в том числе с прицепным шатуном), у которого два шатуна, работающие на левый и правый цилиндры, размещены на одном кривошипе коленчатого вала.

По соотношению хода и диаметра поршня различают:

  • короткоходные[1](S/D<1) КШМ;
  • длинноходные (длинноходовые) (S/D>1) КШМ.

В автомобильных высокооборотистых ДВС преобладает короткоходная схема.

По наличию бокового усилия на гильзе КШМ бывает:

В природе[править | править код]

Задние конечности кузнечиков представляют собой кривошипно-шатунный механизм с неполным оборотом.
Бедро и голень человека и роботов-андроидов тоже представляют собой кривошипно-шатунный механизм с неполным оборотом.

В Римской империи[править | править код]

Самые ранние свидетельства появления на машине рукоятки в сочетании с шатуном относятся к пилораме из Иераполиса, 3-й век нашей эры, римский период, а также византийским каменным пилорамам в Герасе, Сирии и Эфесе, Малая Азия (6-й век нашей эры).[4] Ещё одна такая пилорама возможно существовала во 2 веке н. э. в римском городе Августа-Раурика (современная Швейцария), где был найден металлический кривошип.[5]

Уравнения движения поршня (для центрального КШМ)[править | править код]

Диаграмма показывающая геометрическое положение шатуннопоршневой оси — P, кривошипношатунной оси — N и центра кривошипа — O

Определения[править | править код]

l — длина шатуна (расстояние между шатуннопоршневой осью и кривошипношатунной осью)
r — радиус кривошипа (расстояние между кривошипношатунной осью и центром кривошипа, то есть половина хода поршня
A — угол поворота кривошипа (от «верхней мёртвой точки» до «нижней мёртвой точки»)
x — положение шатуннопоршневой оси (от центра кривошипа вдоль оси цилиндра)
v — скорость шатуннопоршневой оси (от центра кривошипа вдоль оси цилиндра)
a — ускорение шатуннопоршневой оси (от центра кривошипа вдоль оси цилиндра)
ω — угловая скорость кривошипа в радианах в секунду (рад/сек)

Угловая скорость[править | править код]

Угловая скорость кривошипа в оборотах в минуту (RPM):

ω=2π⋅RPM60{\displaystyle \omega ={\frac {2\pi \cdot \mathrm {RPM} }{60}}}

Отношения в треугольнике[править | править код]

Как показано в диаграмме, центр кривошипа, кривошипношатунная ось и шатуннопоршневая ось образуют треугольник NOP.
Из теоремы косинусов следует, что:

l2=r2+x2−2⋅r⋅x⋅cos⁡A{\displaystyle l^{2}=r^{2}+x^{2}-2\cdot r\cdot x\cdot \cos A}

Уравнения по отношению к угловому положению кривошипа (для центрального КШМ)[править | править код]

Уравнения, которые описывают циклическое движение поршня по отношению к углу поворота кривошипа.
Примеры графиков этих уравнений показаны ниже.

Положение[править | править код]

Положение относительно угла кривошипа (преобразованием отношений в треугольнике):

l2−r2=x2−2⋅r⋅x⋅cos⁡A{\displaystyle l^{2}-r^{2}=x^{2}-2\cdot r\cdot x\cdot \cos A}
l2−r2=x2−2⋅r⋅x⋅cos⁡A+r2[(cos2⁡A+sin2⁡A)−1]{\displaystyle l^{2}-r^{2}=x^{2}-2\cdot r\cdot x\cdot \cos A+r^{2}[(\cos ^{2}A+\sin ^{2}A)-1]}
l2−r2+r2−r2sin2⁡A=x2−2⋅r⋅x⋅cos⁡A+r2cos2⁡A{\displaystyle l^{2}-r^{2}+r^{2}-r^{2}\sin ^{2}A=x^{2}-2\cdot r\cdot x\cdot \cos A+r^{2}\cos ^{2}A}
l2−r2sin2⁡A=(x−r⋅cos⁡A)2{\displaystyle l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A=(x-r\cdot \cos A)^{2}}
x−r⋅cos⁡A=l2−r2sin2⁡A{\displaystyle x-r\cdot \cos A={\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}}
x=rcos⁡A+l2−(rsin⁡A)2{\displaystyle x=r\cos A+{\sqrt {l^{2}-(r\sin A)^{2}}}}

Скорость[править | править код]

Скорость по отношению к углу поворота кривошипа (первая производная взята, используя правило дифференцирования сложной функции):

x′=dxdA=−rsin⁡A+(12).(−2).r2sin⁡Acos⁡Al2−r2sin2⁡A=−rsin⁡A−r2sin⁡Acos⁡Al2−r2sin2⁡A{\displaystyle {\begin{array}{lcl}x'&=&{\frac {dx}{dA}}\\&=&-r\sin A+{\frac {({\frac {1}{2}}).(-2).r^{2}\sin A\cos A}{\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}}\\&=&-r\sin A-{\frac {r^{2}\sin A\cos A}{\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}}\end{array}}}

Ускорение[править | править код]

Ускорение относительно угла кривошипа (вторая производная взята, используя правило дифференцирования сложной функции и частное правило):

x″=d2xdA2=−rcos⁡A−r2cos2⁡Al2−r2sin2⁡A−−r2sin2⁡Al2−r2sin2⁡A−r2sin⁡Acos⁡A.(−12)⋅(−2).r2sin⁡Acos⁡A(l2−r2sin2⁡A)3=−rcos⁡A−r2(cos2⁡A−sin2⁡A)l2−r2sin2⁡A−r4sin2⁡Acos2⁡A(l2−r2sin2⁡A)3{\displaystyle {\begin{array}{lcl}x''&=&{\frac {d^{2}x}{dA^{2}}}\\&=&-r\cos A-{\frac {r^{2}\cos ^{2}A}{\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}}-{\frac {-r^{2}\sin ^{2}A}{\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}}-{\frac {r^{2}\sin A\cos A.(-{\frac {1}{2}})\cdot (-2).r^{2}\sin A\cos A}{\left({\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}\right)^{3}}}\\&=&-r\cos A-{\frac {r^{2}(\cos ^{2}A-\sin ^{2}A)}{\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}}-{\frac {r^{4}\sin ^{2}A\cos ^{2}A}{\left({\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}\right)^{3}}}\end{array}}}

График показывает x, x', x" по отношению к углу поворота кривошипа для различных радиусов кривошипа, где L — длина шатуна (l) и R — радиус кривошипа (r):

{\displaystyle {\begin{array}{lcl}x Единицами вертикальных осей являются: [дюймы] для положения, [дюймы/рад] для скорости, [дюймы/рад²] для ускорения.
Единицами горизонтальных осей является угол поворота кривошипа в [градусах].

Анимация движения поршня с шатуном одинаковой длины и с кривошипом переменного радиуса на графике выше:

{\displaystyle {\begin{array}{lcl}x

Анимация движения поршня с различными радиусами кривошипа

{\displaystyle {\begin{array}{lcl}x

Кривошипно-шатунный механизм используется в двигателях внутреннего сгорания, поршневых компрессорах, поршневых насосах, швейных машинах, кривошипных прессах, в приводе задвижек некоторых квартирных и сейфовых дверей. Также кривошипно-шатунный механизм применялся в брусовых косилках.

Другие способы преобразования вращательного движения в прямолинейное[править | править код]

Здесь была возможность смены Хойкена.

  1. ↑ Короткоходный двигатель / М. А. Латинский // Конда — Кун. — М. : Советская энциклопедия, 1973. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 13).
  2. ↑ Тронковый двигатель // Тихоходки — Ульяново. — М. : Советская энциклопедия, 1977. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 26).
  3. ↑ Крейцкопфный двигатель / В. И. Ефанов // Конда — Кун. — М. : Советская энциклопедия, 1973. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 13).
  4. 1 2 Ritti, Tullia; Grewe, Klaus; Kessener, Paul (2007), «A Relief of a Water-powered Stone Saw Mill on a Sarcophagus at Hierapolis and its Implications», Journal of Roman Archaeology, 20, pp. 138—163
  5. ↑ Schiöler, 2009

устройство, назначение, технические характеристики, особенности эксплуатации и ремонта

Двигатель внутреннего сгорания работает за счет вращения коленчатого вала. Он вращается под воздействием шатунов, которые передают усилия на коленвал от поступательных движений поршней в цилиндрах. Чтобы шатуны могли работать в паре с коленчатым валом, применяется шатунный подшипник. Это подшипник скольжения в виде двух полуколец. Он обеспечивает возможность вращения коленчатого вала и долгую эксплуатацию двигателя. Давайте подробно рассмотрим данную деталь.

шатунные подшипники

Общее описание

Подшипник шатуна (он же вкладыш) представляет собой подшипник скольжения. Он устанавливается в нижней головке шатуна и охватывает шейку коленчатого вала. Деталь представляет собой два полукольца из стали с специальным напылением – оно снижает трение. В полукольцах имеются канавки для смазки, а в одном полукольце есть отверстие для подачи масла.

Непосредственного контакта с шейкой коленчатого вала шатунный подшипник не имеет. Детали трутся в особом гидродинамическом режиме за счет масляной пленки, образующейся в зазоре между шейкой вала и подшипником.

Условия работы вкладышей двигателя

Благодаря образованию масляной пленки предотвращается локальная концентрация нагрузок. Но если будут созданы определенные условия, то нормальный для подшипника гидродинамический режим будет изменен на смешанный. Это может произойти, если в двигателе недостаточное давление масла, узел испытывает огромные нагрузи, вязкость масла низкая, смазка перегревается, на поверхности вала и подшипника имеется повышенная шероховатость. Также смешанный режим может возникнуть по причине грязного масла, деформации и геометрических дефектов подшипников.

коренные и шатунные

В этом смешанном режиме у шатунного подшипника может возникнуть контакт с поверхностью шейки коленчатого вала, что может в дальнейшем стать причиной задиров, повышенного износа, спекания вала с подшипником.

Материалы и их характеристики

Материалы для изготовления этих деталей обязаны иметь массу иногда противоречивых характеристик и свойств. Вообще материал определяет надежность и качество подшипника. Разница между разными моделями - в материале и антифрикционном напылении.

Так, материал должен иметь достаточную усталостную прочность – это максимальные циклические нагрузки, которые элемент способен выдерживать в течение неограниченного числа циклов. Если превысить данную нагрузку, то начнут появляться трещины по причине усталости металла.

Еще одно важное свойство – сопротивление материала схватыванию. Это способность материала для коренных и шатунных подшипников сопротивляться спеканию с металлом вала в процессе непосредственного контакта.

Стойкость к износу – это свойство материала хранить свои геометрические размеры, несмотря на наличие абразивов в смазке, а также при условии прямого контакта с коленчатым валом. Материал должен иметь прирабатываемость. Это означает, что подшипник должен компенсировать незначительные дефекты коленчатого вала и гнезда в шатуне за счет локального износа или деформации. Материал должен иметь свойство захватывать абразив и грязь, которая циркулирует в масле. Также важное качество – стойкость к коррозии.

подшипники двигателей

Долгая и надежная работа шатунных подшипников двигателей достигается только при помощи соединения специалистами высокой прочности материала с мягкостью. Вкладыш должен быть одновременно мягким и в то же время твердым. Это может казаться парадоксальным, но современные изделия соединяют все эти характеристики.

Устройство подшипника

На самом деле материал, из которого изготавливают данные детали, гораздо важнее, чем геометрические характеристики. Подшипник скольжения устроен из нескольких слоев. Можно выделить биметаллические элементы и триметаллические.

Биметаллический вкладыш

Вкладыши шатунного подшипника изготовлены из стального основания. Сталь обеспечивает детали необходимую жесткость, а также натяг.

Далее идет второй слой – антифрикционное напыление. Оно достаточно толстое – толщина составляет 0,3 миллиметра. Толщина этого слоя очень важна для подшипника. Он может прирабатываться даже к большим дефектам вала. Подшипник имеет высокие абсорбционные свойства. Состав антифрикционного слоя – от шести до двадцати процентов олова, а также от двух до четырех процентов кремния. В сплаве могут содержаться и такие элементы, как никель, медь, марганец, ванадий.

Триметаллический вкладыш

Здесь кроме основания из стали имеется еще и промежуточный медный слой – он содержит кроме меди до 25 % свинца и до 5 % олова. Антифрикционное напыление выполняется из сплава на основе свинца и олова. Покрытие не толстое – около 20 мкм. Такая толщина придает усталостную прочность, но антифрикционные свойства снижены. Также между основным и промежуточным слоем вкладыш покрывается никелем – толщина составляет не более 2 мкм.

коренные подшипники

Особенности эксплуатации

В процессе эксплуатации шатунный подшипник изнашивается, и это первая причина, по которой его меняют. Как бы ни пытался автовладелец сберечь эти элементы, но законы физики берут свое, и избежать этого никак нельзя. Антифрикционный слой стирается, у коленчатого вала появляется свободный ход, снижается давление масла и количество смазки. В результате из-за повышенного трения возникают поломки.

коренные и шатунные подшипники

Еще одна ситуация – проворачивание вкладышей. Это тоже причина для замены. Вкладыш просто слипается с шейкой коленчатого вала. Двигатель глохнет. Среди причин – густая смазка с большим количеством мусора, отсутствие масла, несоблюдение моментов затяжки шатунных подшипников.

Заключение

Как видно, вкладыши – это небольшие, но очень важные детали для беспроблемной работы двигателя. Без них бы двигатель попросту не работал. Это технологичные изделия, способные выдерживать высокие нагрузки, большие температуры и запредельные обороты. И именно по причине наличия вкладышей в двигателе нужно чаще менять масло – грязь убивает подшипники. Сами элементы стоят не так дорого, однако для их замены нужно полностью разбирать двигатель. Эта работа не из легких, требующая знаний, опыта и наличия большого количества времени.

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ). Назначение, устройство, принцип действия

Кривошипно-шатунный механизм предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Детали кривошипно-шатунного механизма можно разделить на:

  • неподвижные — картер, блок цилиндров, цилиндры, головка блока цилиндров, прокладка головки блока и поддон. Обычно блок цилиндров отливают вместе с верхней половиной картера, поэтому иногда его называют блок-картером.
  • подвижные детали КШМ — поршни, поршневые кольца и пальцы, шатуны, коленчатый вал и маховик.

Кроме того, к кривошипно-шатунному механизму относятся различные крепежные детали, а также коренные и шатунные подшипники.

Кривошипно-шатунный механизм

Блок-картер

Блок-картер — основной элемент остова двигателя. Он подвергается значительным силовым и тепловым воздействиям и должен обладать высокой прочностью и жесткостью. В блок-картере устанавливают цилиндры, опоры коленчатого вала, некоторые устройства механизма газораспределения, различные узлы смазочной системы с ее сложной сетью каналов и другое вспомогательное оборудование. Блок-картер изготавливают из чугуна или алюминиевого сплава литьем.

Цилиндр

Цилиндры представляют собой направляющие элементы ⭐ кривошипно-шатунного механизма. Внутри их перемещаются поршни. Длина образующей цилиндра определяется ходом поршня и его размерами. Цилиндры работают в условиях резко изменяющегося давления в надпоршневой полости. Их стенки соприкасаются с пламенем и горячими газами, имеющими температуру до 1500… 2 500 °С.

Цилиндры должны быть прочными, жесткими, термо- и износостойкими при ограниченном количестве смазки. Кроме того, материал цилиндров должен обладать хорошими литейными свойствами и легко обрабатываться на станках. Обычно цилиндры изготавливают из специального легированного чугуна, но могут применяться также алюминиевые сплавы и сталь. Внутреннюю рабочую поверхность цилиндра, называемую его зеркалом, тщательно обрабатывают и покрывают хромом для уменьшения трения, повышения износостойкости и долговечности.

В двигателях с жидкостным охлаждением цилиндры могут быть отлиты вместе с блоком цилиндров или в виде отдельных гильз, устанавливаемых в отверстиях блока. Между наружными стенками цилиндров и блоком имеются полости, называемые рубашкой охлаждения. Последняя заполняется жидкостью, охлаждающей двигатель. Если гильза цилиндра своей наружной поверхностью непосредственно соприкасается с охлаждающей жидкостью, то ее называют мокрой. В противном случае она называется сухой. Применение сменных мокрых гильз облегчает ремонт двигателя. При установке в блок мокрые гильзы надежно уплотняются.

Цилиндры двигателей воздушного охлаждения отливают индивидуально. Для улучшения теплоотвода их наружные поверхности снабжают кольцевыми ребрами. У большинства двигателей воздушного охлаждения цилиндры вместе с их головками крепят общими болтами или шпильками к верхней части картера.

В V-образном двигателе цилиндры одного ряда могут быть несколько смещены относительно цилиндров другого ряда. Это связано с тем, что на каждом кривошипе коленчатого вала крепятся два шатуна, один из которых предназначен для поршня правой, а другой — для поршня левой половины блока.

Блок цилиндров

На тщательно обработанную верхнюю плоскость блока цилиндров устанавливают головку блока, которая закрывает цилиндры сверху. В головке над цилиндрами выполнены углубления, образующие камеры сгорания. У двигателей жидкостного охлаждения в теле головки блока предусмотрена рубашка охлаждения, сообщающаяся с рубашкой охлаждения блока цилиндров. При верхнем расположении клапанов в головке имеются гнезда для них, впускные и выпускные каналы, отверстия с резьбой для установки свечей зажигания (у бензиновых двигателей) или форсунок (у дизелей), магистрали смазочной системы, крепежные и другие вспомогательные отверстия. Материалом для головки блока обычно служит алюминиевый сплав или чугун.

Плотное соединение блока цилиндров и головки блока обеспечивается с помощью болтов или шпилек с гайками. Для герметизации стыка с целью предотвращения утечки газов из цилиндров и охлаждающей жидкости из рубашки охлаждения между блоком цилиндров и головкой блока устанавливается прокладка. Она обычно изготавливается из асбестового картона и облицовывается тонким стальным или медным листом. Иногда прокладку с обеих сторон натирают графитом для защиты от пригорания.

Нижняя часть картера, предохраняющая детали кривошипно-шатунного и других механизмов двигателя от загрязнения, обычно называется поддоном. В двигателях сравнительно малой мощности поддон служит также резервуаром для моторного масла. Поддон чаще всего выполняется литым или изготавливается из стального листа штамповкой. Для устранения подтекания масла между блок-картером и поддоном устанавливается прокладка (на двигателях небольшой мощности для уплотнения этого стыка часто используется герметик — «жидкая прокладка»).

Остов двигателя

Соединенные друг с другом неподвижные детали кривошипно-шатунного механизма являются остовом двигателя, воспринимающим все основные силовые и тепловые нагрузки, как внутренние (связанные с работой двигателя), так и внешние (обусловленные трансмиссией и ходовой частью). Силовые нагрузки, передающиеся на остов двигателя от несущей системы ТС (рама, кузов, корпус) и обратно, существенно зависят от способа крепления двигателя. Обычно он крепится в трех или четырех точках так, чтобы не воспринимались нагрузки, вызванные перекосами несущей системы, возникающими при движении машины по неровностям. Крепление двигателя должно исключать возможность его смещения в горизонтальной плоскости под действием продольных и поперечных сил (при разгоне, торможении, повороте и т.д.). Для уменьшения вибрации, передающейся на несущую систему ТС от работающего двигателя, между двигателем и подмоторной рамой, в местах крепления, устанавливаются резиновые подушки разнообразных конструкций.

Поршневую группу кривошипно-шатунного механизма образует поршень в сборе с комплектом компрессионных и маслосъемных колец, поршневым пальцем и деталями его крепления. Ее назначение заключается в том, чтобы во время рабочего хода воспринимать давление газов и через шатун передавать усилие на коленчатый вал, осуществлять другие вспомогательные такты, а также уплотнять надпоршневую полость цилиндра для предотвращения прорыва газов в картер и проникновения в него моторного масла.

Поршень

Поршень представляет собой металлический стакан сложной формы, устанавливаемый в цилиндре днищем вверх. Он состоит из двух основных частей. Верхняя утолщенная часть называется головкой, а нижняя направляющая часть — юбкой. Головка поршня содержит днище 4 (рис. а) и стенки 2. В стенках проточены канавки 5 для компрессионных колец. Нижние канавки имеют дренажные отверстия 6 для отвода масла. Для увеличения прочности и жесткости головки ее стенки снабжены массивными ребрами 3, связывающими стенки и днище с бобышками, в которых устанавливается поршневой палец. Иногда оребряют также внутреннюю поверхность днища.

Юбка имеет более тонкие стенки, чем у головки. В ее средней части расположены бобышки с отверстиями.

Конструкции поршней с различной формой днища и их элементов

Рис. Конструкции поршней с различной формой днища (а—з) и их элементов:
1 — бобышка; 2 — стенка поршня; 3 — ребро; 4 — днище поршня; 5 — канавки для компрессионных колец; 6 — дренажное отверстие для отвода масла

Днища поршней могут быть плоскими (см. а), выпуклыми, вогнутыми и фигурными (рис. б—з). Их форма зависит от типа двигателя и камеры сгорания, принятого способа смесеобразования и технологии изготовления поршней. Самой простой и технологичной является плоская форма. В дизелях применяются поршни с вогнутыми и фигурными днищами (см. рис. е—з).

При работе двигателя поршни нагреваются сильнее, чем цилиндры, охлаждаемые жидкостью или воздухом, поэтому расширение поршней (особенно алюминиевых) больше. Несмотря на наличие зазора между цилиндром и поршнем, может произойти заклинивание последнего. Для предотвращения заклинивания юбке придают овальную форму (большая ось овала перпендикулярна оси поршневого пальца), увеличивают диаметр юбки по сравнению с диаметром головки, разрезают юбку (чаще всего выполняют Т- или П-образный разрез), заливают в поршень компенсационные вставки, ограничивающие тепловое расширение юбки в плоскости качания шатуна, или принудительно охлаждают внутренние поверхности поршня струями моторного масла под давлением.

Поршень, подвергающийся воздействию значительных силовых и тепловых нагрузок, должен обладать высокой прочностью, теплопроводностью и износостойкостью. В целях уменьшения инерционных сил и моментов у него должна быть малая масса. Это учитывается при выборе конструкции и материала для поршня. Чаще всего материалом служит алюминиевый сплав или чугун. Иногда применяют сталь и магниевые сплавы. Перспективными материалами для поршней или их отдельных частей являются керамика и спеченные материалы, обладающие достаточной прочностью, высокой износостойкостью, низкой теплопроводностью, малой плотностью и небольшим коэффициентом теплового расширения.

Поршневые кольца

Поршневые кольца обеспечивают плотное подвижное соединение поршня с цилиндром. Они предотвращают прорыв газов из надпоршневой полости в картер и попадание масла в камеру сгорания. Различают компрессионные и маслосъемные кольца.

Компрессионные кольца (два или три) устанавливают в верхние канавки поршня. Они имеют разрез, называемый замком, и поэтому могут пружинить. В свободном состоянии диаметр кольца должен быть несколько больше диаметра цилиндра. При введении в цилиндр такого кольца в сжатом состоянии оно создает плотное соединение. Для того чтобы обеспечить возможность расширения установленного в цилиндре кольца при нагревании, в замке должен быть зазор 0,2…0,4 мм. С целью обеспечения хорошей приработки компрессионных колец к цилиндрам часто применяют кольца с конусной наружной поверхностью, а также скручивающиеся кольца с фаской на кромке с внутренней или наружной стороны. Благодаря наличию фаски такие кольца при установке в цилиндр перекашиваются в сечении, плотно прилегая к стенкам канавок на поршне.

Маслосъемные кольца (одно или два) удаляют масло со стенок цилиндра, не позволяя ему попадать в камеру сгорания. Они располагаются на поршне под компрессионными кольцами. Обычно маслосъемные кольца имеют кольцевую канавку на наружной цилиндрической поверхности и радиальные сквозные прорези для отвода масла, которое по ним проходит к дренажным отверстиям в поршне (см. рис. а). Кроме маслосъемных колец с прорезями для отвода масла используются составные кольца с осевыми и радиальными расширителями.

Для предотвращения утечки газов из камеры сгорания в картер через замки поршневых колец необходимо следить за тем, чтобы замки соседних колец не располагались на одной прямой.

Поршневые кольца работают в сложных условиях. Они подвергаются воздействию высоких температур, а смазывание их наружных поверхностей, перемещающихся с большой скоростью по зеркалу цилиндра, недостаточно. Поэтому к материалу для поршневых колец предъявляются высокие требования. Чаще всего для их изготовления применяют высокосортный легированный чугун. Верхние компрессионные кольца, работающие в наиболее тяжелых условиях, обычно покрывают с наружной стороны пористым хромом. Составные маслосъемные кольца изготавливают из легированной стали.

Поршневой палец

Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с шатуном. Он представляет собой трубку, проходящую через верхнюю головку шатуна и установленную концами в бобышки поршня. Крепление поршневого пальца в бобышках осуществляется двумя стопорными пружинными кольцами, расположенными в специальных канавках бобышек. Такое крепление позволяет пальцу (в этом случае он называется плавающим) проворачиваться. Вся его поверхность становится рабочей, и он меньше изнашивается. Ось пальца в бобышках поршня может быть смещена относительно оси цилиндра на 1,5…2,0 мм в сторону действия большей боковой силы. Благодаря этому уменьшается стук поршня в непрогретом двигателе.

Поршневые пальцы изготавливают из высококачественной стали. Для обеспечения высокой износоустойчивости их наружную цилиндрическую поверхность подвергают закалке или цементации, а затем шлифуют и полируют.

Поршневая группа состоит из довольно большого числа деталей (поршень, кольца, палец), масса которых по технологическим причинам может колебаться; в некоторых пределах. Если различие в массе поршневых групп в разных цилиндрах будет значительным, то при работе двигателя возникнут дополнительные инерционные нагрузки. Поэтому поршневые группы для одного двигателя подбирают так, чтобы они несущественно отличались по массе (для тяжелых двигателей не более чем на 10 г).

Шатунная группа кривошипно-шатунного механизма состоит из:

  • шатуна
  • верхней и нижней головок шатуна
  • подшипников
  • шатунных болтов с гайками и элементами их фиксации

Шатун

Шатун соединяет поршень с кривошипом коленчатого вала и, преобразуя возвратно-поступательное движение поршневой группы во вращательное движение коленчатого вала, совершает сложное движение, подвергаясь при этом действию знакопеременных ударных нагрузок. Шатун состоит из трех конструктивных элементов: стержня 2, верхней (поршневой) головки 1 и нижней (кривошипной) головки 3. Стержень шатуна обычно имеет двутавровое сечение. В верхнюю головку для уменьшения трения запрессовывают бронзовую втулку 6 с отверстием для подвода масла к трущимся поверхностям. Нижнюю головку шатуна для обеспечения возможности сборки с коленчатым валом выполняют разъемной. У бензиновых двигателей разъем головки обычно расположен под углом 90° к оси шатуна. У дизелей нижняя головка шатуна 7, как правило, имеет косой разъем. Крышка 4 нижней головки крепится к шатуну двумя шатунными болтами, точно подогнанными к отверстиям в шатуне и крышке для обеспечения высокой точности сборки. Чтобы крепление не ослабло, гайки болтов стопорят шплинтами, стопорными шайбами или контргайками. Отверстие в нижней головке растачивают в сборе с крышкой, поэтому крышки шатунов не могут быть взаимозаменяемыми.

Детали шатунной группы

Рис. Детали шатунной группы:
1 — верхняя головка шатуна; 2 — стержень; 3 — нижняя головка шатуна; 4 — крышка нижней головки; 5 — вкладыши; 6 — втулка; 7 — шатун дизеля; S — основной шатун сочлененного шатунного узла

Для уменьшения трения в соединении шатуна с коленчатым валом и облегчения ремонта двигателя в нижнюю головку шатуна устанавливают шатунный подшипник, который выполнен в виде двух тонкостенных стальных вкладышей 5, залитых антифрикционным сплавом. Внутренняя поверхность вкладышей точно подогнана к шейкам коленчатого вала. Для фиксации вкладышей относительно головки они имеют отогнутые усики, входящие в соответствующие пазы головки. Подвод масла к трущимся поверхностям обеспечивают кольцевые проточки и отверстия во вкладышах.

Для обеспечения хорошей уравновешенности деталей кривошипно-шатунного механизма шатунные группы одного двигателя (как и поршневые) должны иметь одинаковую массу с соответствующим ее распределением между верхней и нижней головками шатуна.

В V-образных двигателях иногда используются сочлененные шатунные узлы, состоящие из спаренных шатунов. Основной шатун 8, имеющий обычную конструкцию, соединен с поршнем одного ряда. Вспомогательный прицепной шатун, соединенный верхней головкой с поршнем другого ряда, нижней головкой шарнирно крепится с помощью пальца к нижней головке основного шатуна.

Коленчатый вал

Коленчатый вал, соединенный с поршнем посредством шатуна, воспринимает действующие на поршень силы. На нем возникает вращающий момент, который затем передается на трансмиссию, а также используется для приведения в действие других механизмов и агрегатов. Под влиянием резко изменяющихся по величине и направлению сил инерции и давления газов коленчатый вал вращается неравномерно, испытывая крутильные колебания, подвергаясь скручиванию, изгибу, сжатию и растяжению, а также воспринимая тепловые нагрузки. Поэтому он должен обладать достаточной прочностью, жесткостью и износостойкостью при сравнительно небольшой массе.

Конструкции коленчатых валов отличаются сложностью. Их форма определяется числом и расположением цилиндров, порядком работы двигателя и числом коренных опор. Основными частями коленчатого вала являются коренные шейки 3, шатунные шейки 2, щеки 4, противовесы 5, передний конец (носок 1) и задний конец (хвостовик 6) с фланцем.

К шатунным шейкам коленчатого вала присоединяют нижние головки шатунов. Коренными шейками вал устанавливают в подшипниках картера двигателя. Соединяются коренные и шатунные шейки при помощи щек. Плавный переход от шеек к щекам, называемый галтелью, позволяет избежать концентрации напряжений и возможных поломок коленчатого вала. Противовесы предназначены для разгрузки коренных подшипников от центробежных сил, возникающих на кривошипах вала во время его вращения. Их, как правило, изготавливают как единое целое со щеками.

Для обеспечения нормальной работы двигателя к рабочим поверхностям коренных и шатунных шеек необходимо подавать моторное масло под давлением. Масло поступает из отверстий в картере к коренным подшипникам. Затем оно через специальные каналы в коренных шейках, щеках и шатунных шейках попадает к шатунным подшипникам. Для дополнительной центробежной очистки масла в шатунных шейках имеются грязеуловительные полости, закрытые заглушками.

Коленчатые валы изготавливают методом ковки или литья из среднеуглеродистых и легированных сталей (может применяться также чугун высококачественных марок). После механической и термической обработки коренные и шатунные шейки подвергают поверхностной закалке (для повышения износостойкости), а затем шлифуют и полируют. После обработки вал балансируют, т. е. добиваются такого распределения его массы относительно оси вращения, при котором вал находится в состоянии безразличного равновесия.

В коренных подшипниках применяют тонкостенные износостойкие вкладыши, аналогичные вкладышам шатунных подшипников. Для восприятия осевых нагрузок и предотвращения осевого смещения коленчатого вала один из его коренных подшипников (обычно передний) делают упорным.

Маховик

Маховик крепится к фланцу хвостовика коленчатого вала. Он представляет собой тщательно сбалансированный чугунный диск определенной массы. Кроме обеспечения равномерного вращения коленчатого вала маховик способствует преодолению сопротивления сжатия в цилиндрах при пуске двигателя и кратковременных перегрузок, например, при трогании ТС с места. На ободе маховика закреплен зубчатый венец для пуска двигателя от стартера. Поверхность маховика, которая соприкасается с ведомым диском сцепления, шлифуют и полируют.

Коленчатый вал

Рис. Коленчатый вал:
1 — носок; 2 — шатунная шейка; 3 — коренная шейка; 4 — щека; 5 — противовес; 6 — хвостовик с фланцем

Видео-уроки о КШМ

Шатун поршня: назначение, конструкция, основные неисправности

Рассмотрим конструкционные особенности шатуна поршня, из чего его изготавливают, а также основные неисправности и способы их профилактики.

Конструкция шатуна

Шатун поршня передает энергию от поршня к коленчатому валу. При этом он совершает два вида движения: круговое и возвратно-поступательное. Первое происходит в месте соединения нижней головки с коленвалом, а второе – где поршень соединен с верхней головкой. Вследствие такой конструкции шатун постоянно испытывает высокие нагрузки во время работы.

Шатун состоит из следующих элементов:


Поршневая головка

Поршневая (верхняя) головка представляет собой цельную неразборную конструкцию, а ее соединение с поршнем обеспечивает поршневой палец. Он может быть плавающим или фиксированным.

В первом случае в верхнюю головку помещаются бронзовые или биметаллические втулки. Но существуют модификации ДВС, где этих втулок нет, поэтому палец благодаря зазору свободно двигается в отверстии головки шатуна. Для того, чтобы данная деталь нормально функционировала, ей требуется достаточное количество смазки.

Фиксированные пальцы вставляются в цилиндрическое отверстие. Оно изготовлено с высокой точностью, а его диаметр меньше, чем у поршневого пальца. Благодаря этому обеспечивается необходимый уровень натяга.

Ввиду того, что на верхнюю головку действуют очень высокие нагрузки она имеет трапециевидную форму, благодаря чему увеличивается опорная поверхность при работе поршня.

Кривошипная головка


Кривошипная (нижняя) головка соединяет коленчатый вал и шатун. Многие шатуны обладают разъемной кривошипной головкой, что зависит от метода сборки двигателя. Крышку головки с шатуном соединяют болты, штифты или бандажное крепление.

На каждый шатун можно установить только ту крышку, которой он оснащался с завода, так как она обладает определенным весом и размером. При ремонте данную деталь заменить нельзя.

По расположению стержня головка может быть прямой или косой. Последняя характерна для V-образных двигателей и используется для уменьшения размеров силового агрегата.

В нижней части шатунной головке располагаются подшипники скольжения, схожие с коренными вкладышами коленчатого вала. Их изготавливают из стальной ленты, которая изнутри обработана антифрикционным материалом с высокими износостойкими характеристиками. Особенностью этого слоя является то, что он работает только в присутствии моторного масла. В режиме "сухого трения" он очень быстро истирается.

Подобное покрытие может наноситься как на заводе-изготовителе, так и в домашних условиях при замене некоторых компонентов двигателя. Например, для таких задач подойдет антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY Для деталей ДВС.

Помимо подшипников скольжения его можно использовать для юбок поршней, коренных подшипников коленвала, втулок пальцев, распредвалов и дроссельных заслонок.

MODENGY Для деталей ДВС обладает следующими преимуществами:

  • Имеет широкий диапазон рабочих температур: от -70 до +260 °C
  • Повышает КПД двигателя

  • Снижает трение и износ

  • Защищает от задира в режиме масляного голодания и при холодном пуске двигателя

  • Снижает расход топлива

  • Уменьшает шум

  • Отверждается при комнатной температуре

Совместно с покрытием рекомендуется использовать очиститель-активатор той же марки. Он не только убирает разнородные загрязнения с поверхностей, но и образует пленку, улучшающую адгезию покрытия с основанием.


Силовой стержень

Силовой стержень многих шатунов имеет двутавровую форму и расширяется от верхней головки к нижней. В дизельных двигателях используются более прочные и массивные детали по сравнению с теми, что используются в бензиновых агрегатах. В спорткарах устанавливают шатуны, изготовленные из алюминия. Благодаря такому решению снижается масса автомобиля.

Особенностью шатунов является то, что все они должны иметь одинаковый вес. В противном случае усилятся вибрации при работе силового агрегата. Это относится не только к шатуну, но и к но и обеим головкам детали.

Чтобы сделать их массу одинаковой для начала изделия взвешиваются на очень точных весах, а затем масса деталей подгоняется по самому легкому шатуну. Для этого с бобышек на головках детали и стержне снимают часть металла.

Из чего изготавливают шатуны?

Каждый производитель должен решить две задачи: уменьшить вес деталей КШМ и снизить производственные затраты. Но ввиду того, что на шатуны в процессе работы действуют высокие нагрузки, уменьшение их массы может пагубно отразиться на прочности изделий.

При массовом производстве шатуны изготавливают из специального чугуна методом литься. Это позволяет создать практически идеальное соотношение между прочностью и стоимостью детали. Такой метод подходит при производстве бензиновых двигателей.

В дизельных ДВС детали испытывают более высокие нагрузки, поэтому для производства поршней метод литья неуместен. Шатуны для агрегатов, работающих на тяжелом топливе изготавливают методом горячей ковки или горячей штамповки из легированной стали. Получаемые детали гораздо более прочные, чем литые, но их производство более затратное.

В двигателях мощных автомобилей и спорткаров используются шатуны из титановых и алюминиевых сплавов. Это позволяет снизить вес ДВС и увеличить его оборотистость. Вес алюминиевых и титановых шатунов на 50 % меньше, чем у стальных и чугунных.

Большое значение играет конструкционный материал, из которого изготовлены болты крепления крышки шатунной головки. Их производят из высоколегированной стали, предел текучести которой в 2-3 раза больше, чем у обычной углеродистой.

Почему шатуны выходят из строя?

Основной причиной выхода из строя шатунов является износ деталей. Верхняя головка редко подвергаются ремонту, а рабочий ресурс втулки нередко оказывается равен ресурсу самого двигателя.

Нарушение формы или разрушение шатуна может произойти вследствие гидроудара, попадания внутрь двигателя абразивных веществ и посторонних предметов, соударения головки блока и поршня.

Выходу из строя также подвержены подшипники нижней головки вследствие недостаточного смазывания. Определить такую неисправность можно посредством замятия вкладышей, удлинения шатунных болтов, темно-синего окраса шатунной головки и темных вкладышей. Но, если смазывание было достаточным, то причиной поломки может быть разрушение или износ самих подшипников.

К причинам выхода из строя шатуна также относится недостаточный уровень масла в двигателе, засорение масляного фильтра, несвоевременная замена масла в ДВС, загрязнение цилиндра абразивами и посторонними предметами, потеря маслом характеристик.

Ремонт шатунов

Шатуны ремонтируются в тех случаях, когда:

  • Деформирован стержень

  • Изношен зазор в верхней головке цилиндра

  • Изношена поверхность и зазор в нижней части головки

Перед началом работ деталь тщательно осматривается, измеряется ее овал и диаметр, зазоры в верхней и нижней части шатуна при помощи нутрометра.


Если все показатели в норме, то замена шатуна не понадобится. При деформации стержня отверстия головок непараллельны, что приводит к перекосу цилиндра. Об этом свидетельствует повышенная шумность ДВС при работе на холостом ходу, а также происходит износ коленвала, головки шатуна, поршня и стенок цилиндра. Еще одним методом проверки шатуна на деформацию является раскачка детали, установленной на специальной проверочной плите.

После всех измерений можно приступать к ремонту. Его качество зависит от хорошего спецоборудования.

Чтобы получить нужную геометрию зазора нижнего шатуна необходимо убрать небольшое количество металла с поверхности крышки головки. После этого крышка ставится назад и фиксируется при помощи болтов.

Расточка отверстия головки производится исходя из требуемого размера. Для этих целей используют расточный или универсальный станок. После этой операции выполняется хонингование.

Если зазор под поршневой палец увеличен, нужно заменить бронзовую втулку под верхнюю головку. Новая деталь примет нужный размер. Очень важно, чтобы отверстия головки и втулки совместились, так как масло, которое выходит из поршня, не попадет на поршневой палец.

Шатунные вкладыши рекомендуется дополнительно обработать антифрикционным покрытием.

Шатун двигателя внутреннего сгорания: конструкция, назначение, из чего делают шатуны

Шатун – это соединительная деталь между коленвалом и поршнем, основное назначение которой является преобразование поступательных движений поршня внутри цилиндра во вращательные движения коленчатого вала, с которого вращение передается на колеса автомобиля через трансмиссию.

Конструкция шатуна

Особенности конструкции шатунов напрямую зависят от типа мотора и схемы его компоновки. Так для бензиновых двигателей используются легкие шатуны, в дизелях - тяжелые.

Основные элементы шатуна – стержень, верхняя поршневая головка, нижняя кривошипная головка.

Поршневая головка соединена со стержнем поршневым пальцем, кривошипная головка – с шейкой коленвала.

Стержень

Данная деталь шатуна может иметь различный тип сечения, которое может быть похоже на прямоугольник, на круг, крест или может быты Н-образным. Некоторые типы двигателей оснащаются шатунами, в которых стержни имеют небольшую масляную канавку для своевременной подачи масла в поршневую головку.

В большинстве случаев верхний отдел кривошипной головки оснащается маленьким отверстием для разбрызгивания масла во внутренних полостях поршня и цилиндра.

Поршневая головка

Поршневая головка размещена вверху и является неразъемным шатунным элементом, конструкция которого напрямую зависит от метода установки поршневого пальца.

В двигателях, в которых установлен палец фиксированного типа, поршневая головка имеет специальное цилиндрическое отверстие для его установки. В ДВС с пальцем плавающего типа, такая головка комплектуется бронзовой или биметаллической втулкой.

В тех моделях двигателей, которые используют плавающий палец, но втулка не предусмотрена, вращательные движения пальца осуществляются в соответствующем отверстии головки.

С целью снижения значительных нагрузок на палец, некоторые модели ДВС комплектуются шатунами с поршневыми головками в форме трапеции.

Кривошипная головка

Головка шатуна, которая расположена внизу отличается разборной конструкцией, основным назначением которой является соединение двух механизмов – коленвала и самого шатуна.

Головка состоит из верхней части и крышки, которая крепится к шатуну крепежными болтами. Кроме всего прочего такая головка может иметь два типа разъемов по отношению к стержневой оси - косой (выполненный под углом) и прямой (выполненный перпендикулярно).

Длина цилиндрового блока зависит от толщины нижней головки. В головке  устанавливаются тонкие вкладыши подшипника скольжения, которые могут иметь от 2-х до 5-ти слоев, изготовленных из стальных полос, внутренняя часть которых покрывается защитным антифрикционным составом, соответствующим определенному типу двигателя.

Как правило, в современных ДВС применяются вкладыши, состоящие из 2-х и 3-х слоев. В двухслойном вкладыше на металлическую основу просто наносится слой антифрикционного состава, а в трехслойном вкладыше добавляется еще и изоляционный слой.

Чтобы снизить вибрации и шумы при работе двигателя, все установленные шатуны, а также их составные части должны иметь равную массу. Это значит, что в одном шатуне масса отдельной его детали должна быть одинаковой по отношению к массе аналогичной детали в другом шатуне.

Например, если масса стержня одного шатуна составляет 50 г., в таком случае во всех остальных шатунах стержни должны иметь аналогичную массу.

Подгонка массы шатунов происходит путем снятия тонкого металлического слоя с бобышек, которые располагаются на верхних шатунных головках. В некоторых случаях подобные бобышки находятся на шатунном стержне или нижней части поршневой головки.

Материалы для производства шатунов

Шатуны производятся двумя способами - штамповкой из высокопрочной стали или литьем из чугуна. В дизелях применяются шатуны, изготовленные из легированной стали методом ковки или горячей штамповки.

В некоторых видах бензиновых двигателей устанавливаются шатуны, производимые из порошкообразных металлов методом спекания.

Из-за напряженных условий работы данная деталь КШМ должна отличаться надежностью, долговечностью и износостойкостью.

Особое внимание уделяется не только изготовлению шатунов, но и болтов крепления. Для производства болтов используются легированные виды стали, обладающие высоким коэффициентом текучести, что в несколько раз выше, чем у высокоуглеродистых сталей.

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ): назначение, устройство, принцип работы

Если есть что-то, что прочно ассоциируется с любым автомобилем, это механизм двигателя. Как ни странно, принцип его действия мало изменился с тех пор, как 120 лет назад Карл Бенц запатентовал свой первый автомобиль. Система усложнялась, обрастала сложной электроникой, совершенствовалась, но кривошипно-шатунный механизм (КШМ) остался самым узнаваемым “портретом” любого мотора.

Что такое КШМ и для чего он нужен?

Двигатель в процессе работы должен давать какое-то постоянное движение, и удобней всего, чтобы это было равномерное вращение. Однако силовая часть (цилиндро-поршневая группа, ЦПГ) вырабатывает поступательное движение. Значит, нужно сделать так, чтобы один тип движения преобразовался в другой, причем с наименьшими потерями. Вот для этого и был создан кривошипно-шатунный механизм.
По сути, КШМ – это устройство для получения и преобразования энергии и передачи ее дальше, другим узлам, которые уже эту энергию используют.

Устройство КШМ

Строго говоря, КШМ автомобиля состоит из самого кривошипа, шатунов и поршней. Однако говорить о части, не рассказав о целостной конструкции, было бы в корне неправильно. Поэтому схема и назначение КШП и смежных элементов будет рассматриваться в комплексе.

Устройство КШМ: (1 — коренной подшипник на коренной шейке; 2 — шатунный подшипник на шатунной шейке; 3 — шатун; 4 — поршневой палец; 5 — поршневые кольца; 6 — поршень; 7 — цилиндр; 8 — маховик; 9 — противовес; 10 — коленчатый вал.)
  1. Блок цилиндров – это начало всего движения в моторе. Его составляющие – поршни, цилиндры и гильзы цилиндров, в которых эти поршни движутся;
  2. Шатуны – это соединительные элементы между поршнями и коленвалом. По сути, шатун представляет собой прочную металлическую перемычку, которая одной стороной крепится к поршню с помощью шатунного пальца, а другой фиксируется на шейке коленвала. Благодаря пальцевому соединению поршень может двигаться относительно цилиндра в одной плоскости. Точно так же шатун охватывает посадочное место коленвала – шатунную шейку, и это крепление позволяет ему двигаться в той же плоскости, что и соединение с поршнем;
  3. Коленвал – коленчатый вал вращения, ось которого проходит через носок вала, коренные (опорные) шейки и фланец маховика. А вот шатунные шейки выходят за ось вала, и благодаря этому при его вращении описывают окружность;
  4. Маховик – обязательный элемент механизма, накапливающий инерцию вращения, благодаря которой двигатель работает ровней и не останавливается в “мертвой точке”.

Эти и другие элементы КШМ можно условно разделить на подвижные, те, что выполняют непосредственную работу, и неподвижные вспомогательные элементы.

Подвижная (рабочая) группа КШМ

Как понятно из названия, к подвижной группе относятся элементы, которые активно задействованы в работе двигателя.

  1. Поршень. При работе двигателя поршень перемещается в гильзе цилиндра под действием выталкивающей силы при сгорании топлива – с одной стороны, и поворотом коленвала – с другой. Для уплотнения зазора между ним и цилиндром на боковой поверхности поршня находятся поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные), которые герметизируют промежуток и препятствуют потере мощности во время сгорания топлива.

    Устройство поршневой группы: (1 — масляно-охлаждающий канал; 2 — камера сгорания в днище поршня; 3 — днище поршня; 4 — канавка первого компрессионного кольца; 5 — первое (верхнее) компрессионное кольцо; 6 — второе (нижнее) компрессионное кольцо; 7 — маслосъемное кольцо; 8 — масляная форсунка; 9 — отверстие в головке шатуна для подвода масла к поршневому пальцу; 10 — шатун; 11 — поршневой палец; 12 — стопорное кольцо поршневого пальца; 13 и 14 — перегородки поршневых колец; 15 — жаровой пояс.)

  2. Шатун. Это соединительный элемент между поршнем и коленвалом. Верхней головкой шатун крепится к поршню с помощью пальца. Нижняя головка имеет съемную часть, так что шатун можно надеть на шейку коленвала. Для уменьшения трения между шейкой коленвала и головкой шатуна ставятся шатунные вкладыши – подшипники скольжения в виде двух пластин, изогнутых полукругом.

    Устройство шатуна

  3. Коленвал. Это центральная часть двигателя, без которой сложно представить себе его принцип работы. Основной его частью является ось вращения, которая одновременно служит опорой для коленвала в блоке цилиндров. Выступающие за ось вращения элементы предназначены для присоединения к шатунам: когда шатун движется вниз, коленвал позволяет ему описать нижней частью окружность одновременно с движением поршня. Так же, как и в случае с шатунами, опорные шейки коленвала лежат на подшипниках скольжения – вкладышах.

    Устройство коленвала

  4. Маховик. Он крепится к фланцу на торцевой части коленвала. Маховик вращается вместе с валом двигателя и частично демпфирует неизбежные в любом ДВС рывковые нагрузки. Но основная задача маховика – раскручивать коленвал (а с ним и цилиндро-поршневую группу), чтобы поршни не замерли в “мертвой точке”. Таким образом, часть мощности двигателя расходуется на поддержку вращения маховика.
Устройство маховика

Неподвижная группа КШМ

Неподвижной группой можно назвать внешнюю часть двигателя, в которой находится КШП.

  1. Блок цилиндров. По сути, это корпус, в котором располагаются непосредственно цилиндры, каналы системы охлаждения, посадочные места распредвала, коленвала и т.д. Он может выполняться из чугуна или алюминиевого сплава, и сегодня производители всё чаще используют алюминий, чтобы облегчить конструкцию. Для этой же цели вместо сплошного литья используются ребра жесткости, которые облегчают конструкцию без потери прочности. На боковых сторонах блока цилиндров располагаются посадочные места для вспомогательных механизмов двигателя.

    Блок цилиндров

  2. Головка блока цилиндров (ГБЦ). Устанавливается на блок цилиндров и закрывает его сверху. В ГБЦ предусмотрены отверстия для клапанов, впускного и выпускного коллекторов, крепления распредвала (одного или больше), крепления для других элементов двигателя. К ГБЦ, снизу, крепится прокладка (1) — пластина, которая герметизирует стык между блоком цилиндров и ГБЦ. В ней предусмотрены отверстия для цилиндров и крепежных болтов. А сверху — клапанная крышка (5), — ею закрывается ГБЦ сверху, когда двигатель собран и готов к запуску. Прокладка клапанной крышки. Это тонкая пластина, которая укладывается по периметру ГБЦ и герметизирует стык.
Устройство ГБЦ: (1 — прокладка ГБЦ; 2 — ГБЦ; 3 — сальник; 4 — прокладка крышки ГБЦ; 5 — крышка клапанная; 6- прижимная пластина; 7 — пробка маслозаливной горловины; 8 — прокладка пробки; 9 — направляющая втулка клапана; 10 — установочная втулка; 11 — болт крепления головки блока.)

Принцип работы КШМ

Работа механизма двигателя основана на энергии расширения при сгорании топливно-воздушной смеси. Именно эти “микровзрывы” являются движущей силой, которую кривошипно-шатунный механизм переводит в удобную форму. На видео, ниже, подробно описанный принцип работы КШМ в 3Д анимайии.

Принцип работы КШМ:

  1. В цилиндрах двигателя сгорает распыленное и смешанное с воздухом топливо. Такая дисперсия предполагает не медленное горение, а мгновенное, благодаря чему воздух в цилиндре резко расширяется.
  2. Поршень, который в момент начала горения топлива находится в верхней точке, резко опускается вниз. Это прямолинейное движение поршня в цилиндре.
  3. Шатун соединен с поршнем и коленвалом так, что может двигаться (отклоняться) в одной плоскости. Поршень толкает шатун, который надет на шейку коленвала. Благодаря подвижному соединению, импульс от поршня через шатун передается на коленвал по касательной, то есть вал делает поворот.
  4. Поскольку все поршни по очереди толкают коленвал по тому же принципу, их возвратно-поступательное движение переходит во вращение коленвала.
  5. Маховик добавляет импульс вращения, когда поршень находится в «мертвых» точках.

Интересно, что для старта двигателя нужно сначала раскрутить маховик. Для этой цели нужен стартер, который сцепляется с зубчатым венцом маховика и раскручивает его, пока мотор не заведется. Закон сохранения энергии в действии.

Остальные элементы двигателя: клапаны, распредвалы, толкатели, система охлаждения, система смазки, ГРМ и прочие – необходимые детали и узлы для обеспечения работы КШМ.

Основные неисправности

Учитывая нагрузки, как механические, так и химические, и температурные, кривошипно-шатунный механизм подвержен различным проблемам. Избежать неприятностей с КШП (а значит, и с двигателем) помогает грамотное обслуживание, но всё равно от поломок никто не застрахован.

Стук в двигателе.

Один из самых страшных звуков, когда в моторе вдруг появляется странный стук и прочие посторонние шумы. Это всегда признак проблем: если что-то начало стучать, значит, с ним проблема. Поскольку в двигателе элементы подогнаны с микронной точностью, стук свидетельствует об износе. Придется разбирать двигатель, смотреть, что стучало, и менять изношенную деталь.

Основной причиной износа чаще всего становится некачественное ТО двигателя. Моторное масло имеет свой ресурс, и его регулярная замена архиважна. То же относится и к фильтрам. Твердые частички, даже мельчайшие, постепенно изнашивают тонко пригнанные детали, образуют задиры и выработку.

Стук может говорить и об износе подшипников (вкладышей). Они также страдают от недостатка смазки, поскольку именно на вкладыши приходится огромная нагрузка.

Снижение мощности.
Потеря мощности двигателя может говорить о залегании поршневых колец. В этом случае кольца не выполняют свою функцию, в камере сгорания остается моторное масло, а продукты сгорания прорываются в двигатель. Прорыв газов говорит и о пустой растрате энергии, и это чувствует автовладелец как снижение динамических характеристик. Продолжительная работа в такой ситуации может только ухудшить состояние двигателя и довести стандартную, в общем-то, проблему до капремонта двигателя.

Проверить состояние мотора можно самостоятельно, измерив компрессию в цилиндрах. Если она ниже нормативной для данной модификации двигателя, значит, предстоит ремонт двигателя.

Повышенный расход масла.
Если двигатель начал “жрать” масло, это явный признак залегания поршневых колец или других проблем с цилиндро-поршневой группой. Масло сгорает вместе с топливом, из выхлопной трубы идет черный дым, температура в камере сгорания превышает расчетную, и это не добавляет двигателю здоровья. В некоторых случаях может помочь очистка без демонтажа двигателя, но в большинстве случаев предстоит разборка и дефектовка двигателя.

Нагар.
Отложения на поршнях, клапанах и свечах зажигания говорят о том, что с двигателем есть проблема. Если топливо не сгорает полностью, нужно искать причину неисправности и устранять ее. В противном случае мотору грозит перегрев из-за ухудшения теплопроводности поверхностей со слоем нагара.

Белый дым из выхлопной трубы.
Появляется, когда в камеру сгорания попадает антифриз. Причиной чаще всего бывает износ прокладки ГБЦ или микротрещины в рубашке охлаждения двигателя, и для устранения проблемы необходима ее замена.

Медлить в этой ситуации нежелательно: маленькая протечка может обернуться гидроударом. Камера сгорания наполняется жидкостью, поршень движется вверх, но жидкость, в отличие от воздуха, не сжимается, и получается эффект удара о твердую поверхность. Последствия такой катастрофы могут быть любые, вплоть до “кулака дружбы” и продажи машины на запчасти.

Заключение

Несмотря на высокие нагрузки, критические условия работы и даже небрежность владельцев, кривошипно-шатунный механизм отличается завидной живучестью. Вывести его из строя можно неправильным обслуживанием, нештатными нагрузками, поломкой смежных элементов. Да, двигатель почти всегда можно починить, но эта услуга обойдется в разы дороже, чем просто грамотное регулярное ТО. Недаром же есть двигатели “миллионники”, которые способны служить десятилетиями, не доставляя проблем владельцу машины.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *