Наиболее используемым металлом для производства блока цилиндров является чугун, так как он обладает оптимальным соотношением цена-качество. Высокая прочность и низкая стоимость.
Как работает и устроен кривошипно-шатунный механизм двигателя
Двигатели внутреннего сгорания, используемые на автомобилях, функционируют за счет преобразования энергии, выделяемой при горении горючей смеси, в механическое действие – вращение. Это преобразование обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом (КШМ), который является одним из ключевых в конструкции двигателя автомобиля.
Устройство КШМ
Кривошипно-шатунный механизм двигателя состоит из трех основных деталей:
Все эти компоненты размещаются в блоке цилиндров.
Назначение ЦПГ — преобразование выделяемой при горении энергии в механическое действие – поступательное движение. Состоит ЦПГ из гильзы – неподвижной детали, посаженной в блок в блок цилиндров, и поршня, который перемещается внутри этой гильзы.
После подачи внутрь гильзы топливовоздушной смеси, она воспламеняется (от внешнего источника в бензиновых моторах и за счет высокого давления в дизелях). Воспламенение сопровождается сильным повышением давления внутри гильзы. А поскольку поршень это подвижный элемент, то возникшее давление приводит к его перемещению (по сути, газы выталкивают его из гильзы). Получается, что выделяемая при горение энергия преобразуется в поступательное движение поршня.
Для нормального сгорания смеси должны создаваться определенные условия – максимально возможная герметичность пространства перед поршнем, именуемое камерой сгорания (где происходит горение), источник воспламенения (в бензиновых моторах), подача горючей смеси и отвод продуктов горения.
Герметичность пространства обеспечивается головкой блока, которая закрывает один торец гильзы и поршневыми кольцами, посаженными на поршень. Эти кольца тоже относятся к деталям ЦПГ.
Шатун
Следующий компонент КШМ – шатун. Он предназначен для связки поршня ЦПГ и коленчатого вала и передает механических действий между ними.
Шатун представляет собой шток двутавровой формы поперечного сечения, что обеспечивает детали высокую устойчивость на изгиб. На концах штока имеются головки, благодаря которым шатун соединяется с поршнем и коленчатым валом.
По сути, головки шатуна представляют собой проушины, через которые проходят валы обеспечивающие шарнирное (подвижное) соединение всех деталей. В месте соединения шатуна с поршнем, в качестве вала выступает поршневой палец (относится к ЦПГ), который проходит через бобышки поршня и головку шатуна. Поскольку поршневой палец извлекается, то верхняя головка шатуна – неразъемная.
В месте соединения шатуна с коленвалом, в качестве вала выступают шатунные шейки последнего. Нижняя головка имеет разъемную конструкцию, что и позволяет закреплять шатун на коленчатом валу (снимаемая часть называется крышкой).
Коленчатый вал
Назначение коленчатого вала — это обеспечение второго этапа преобразования энергии. Коленвал превращает поступательное движение поршня в свое вращение. Этот элемент кривошипно-шатунного механизма имеет сложную геометрию.
Состоит коленвал из шеек – коротких цилиндрических валов, соединенных в единую конструкцию. В коленвале используется два типа шеек – коренные и шатунные. Первые расположены на одной оси, они являются опорными и предназначены для подвижного закрепления коленчатого вала в блоке цилиндров.
В блоке цилиндров коленчатый вал фиксируется специальными крышками. Для снижения трения в местах соединения коренных шеек с блоком цилиндров и шатунных с шатуном, используются подшипники трения.
Чтобы было более понятно, в двигателе есть цилиндро-поршневая группа, состоящая из гильз и поршней. Сверху гильза закрыта головкой, а внутри ее помещен поршень. Закрытая полость гильзы и является пространством, где производится сгорание топливной смеси.
Подвижные и неподвижные части КШМ
Составные части КШМ условно делят на подвижные и неподвижные компоненты. К подвижным частям относятся:
- поршни и поршневые кольца;
- шатуны;
- поршневые пальцы;
- коленчатый вал;
- маховик.
Неподвижные части КШМ выполняют функцию основы, крепежей и направляющих. К ним относятся:
- блок цилиндров;
- головка блока цилиндров;
- картер;
- поддон картера;
- крепежные детали и подшипники.
Картер и поддон картера двигателя
Картер – это нижняя часть двигателя, где располагаются опоры и каналы смазочной системы для коленчатого вала. В картере происходит движение шатунов и вращение коленвала. Поддон картера представляет собой резервуар с моторным маслом.
Основа картера в работе подвергается постоянным тепловым и силовым нагрузкам. Поэтому для этой детали предъявляются особые требования по прочности и жесткости. Для его изготовления используют алюминиевые сплавы или чугун.
Картер двигателя крепится к блоку цилиндров. Вместе они составляют остов двигателя, основную часть его корпуса. В блоке располагаются непосредственно сами цилиндры. Сверху крепится головка блока ДВС. Вокруг цилиндров имеются полости для жидкостного охлаждения.
Расположение и число цилиндров
На сегодняшний день существуют следующие наиболее популярные схемы:
- рядное четырех- или шестицилиндровое положение;
- V-образное шестицилиндровое положение под углом 90°;
- VR-образное положение под меньшим углом;
- оппозитное положение (поршни двигаются навстречу друг другу с разных сторон);
- W-образное положение с 12 цилиндрами.
В простом рядном расположении цилиндры и поршни расположены в ряд перпендикулярно коленчатому валу. Такая схема наиболее простая и надежная.
Головка блока цилиндров
К блоку с помощью шпилек или болтов крепится головка блока цилиндров. Она накрывает цилиндры с поршнями сверху, образуя герметичную полость – камеру сгорания. Между блоком и головкой предусмотрена прокладка. Также в ГБЦ располагаются клапанный механизм и свечи зажигания.
Цилиндры
В цилиндрах двигателя непосредственно происходит движение поршней. От хода поршня и его длины зависит их размер. Цилиндры работают в условиях меняющегося давления и высоких температур. Во время работы стенки подвергаются непрерывному трению и температурам до 2500°C. К материалам и обработке цилиндров также предъявляются особые требования. Они изготавливаются из легированного чугуна, стали или алюминиевых сплавов. Поверхность деталей должна быть не только прочной, но и легко подвергаться обработке.
Внешнюю рабочую поверхность называют зеркалом. Ее покрывают хромом и полируют до зеркальной поверхности, чтобы максимально снизить трение в условиях ограниченной смазки. Цилиндры отливаются вместе с блоком (цельные) или изготавливаются в виде съемных гильз.
Кривошипно-шатунный механизм
Основными рабочими компонентами КШМ являются коленчатый вал, поршни с шатунами и маховик.
Поршень
Движение поршня в цилиндре происходит в результате сгорания топливовоздушной смеси. Возникает давление, которое воздействует на днище поршня. В разных типах двигателей оно может отличаться по своей форме. В бензиновых изначально днище было плоским, затем стали применять вогнутые конструкции с проточками под клапаны. В дизельных моторах в камере сгорания сжимается изначально не топливо, а воздух. Поэтому днище поршня имеет также вогнутую форму, которая и образует камеру сгорания.
Форма днища имеет большое значение для формирования правильного факела сгорания топливовоздушной смеси.
Остальная часть поршня называется юбкой. Это своего рода направляющая, которая движется в цилиндре. Нижняя часть поршня или юбки сделана так, чтобы она не соприкасалась с шатуном во время его движения.
На боковой поверхности поршней выполнены канавки или проточки под поршневые кольца. Сверху располагаются два или три компрессионных кольца. Они необходимы для создания компрессии, то есть препятствуют проникновению газов между стенками цилиндра и поршнем. Кольца прижимаются к зеркалу, уменьшая зазор. Снизу расположен паз под маслосъёмное кольцо. Оно необходимо для снятия излишков масла со стенок цилиндра, чтобы то не проникало в камеру сгорания.
Поршневые кольца, особенно компрессионные, работают при постоянных нагрузках и высокой температуре. Для их изготовления применяется высокопрочные материалы типа легированного чугуна, который покрывают пористым хромом.
Поршневой палец и шатун
Шатун крепится к поршню при помощи поршневого пальца. Он представляет собой цельную или полую деталь цилиндрической формы. Палец устанавливается в отверстие в поршне и в верхней головке шатуна.
Существуют два типа крепления пальца:
Наиболее распространен так называемый «плавающий палец». Для его фиксации используются стопорные кольца. Фиксированный палец устанавливается с натягом. Как правило, используется тепловая посадка.
Шатун, в свою очередь, соединяет коленчатый вал и поршень и создает вращательные движения. При этом возвратно-поступательные движения шатуна описывают восьмерку. Он состоит из нескольких элементов:
Для уменьшения трения и смазки соприкасающихся деталей в поршневой головке запрессовывается бронзовая втулка. Кривошипная головка выполнена разборной, чтобы обеспечить возможность сборки механизма. Детали точно подогнаны друг к другу и крепятся с помощью болтов и контргаек. Чтобы уменьшить трение, устанавливаются шатунные подшипники скольжения. Они выполнены в форме двух стальных вкладышей с замками. По масляным канавкам осуществляется подвод масла. Подшипники с высокой точностью подогнаны под размер соединения.
Вопреки расхожему мнению, вкладыши удерживаются от проворота не за счет замков, а из-за возникающей силы трения между их внешней поверхностью и головкой шатуна. Поэтому при установке внешнюю часть подшипника скольжения нельзя смазывать маслом.
Коленчатый вал
Коленчатый вал является сложной по устройству и изготовлению деталью. Он принимает на себя крутящий момент, давление и другие нагрузки, поэтому выполнен из высокопрочной стали или чугуна. Коленвал передает вращение от поршней на трансмиссию и другие элементы автомобиля (например, приводной шкив).
Съемные же имеют тоже цилиндрическую форму, но с торцов они открыты. Зачастую для надежной посадки в свое посадочное место в блоке, в верхней части ее имеется небольшой отлив, обеспечивающий это. В нижней же части для плотности используются резиновые кольца, установленные в проточные канавки на гильзе.
Блок цилиндров
Это одна из самых сложных по конфигурации деталь двигателя. На схематическом объемном чертеже видно, что внутри он пронизан двумя непересекающимися системами каналов для подачи масла к точкам смазки и циркуляции охлаждающей жидкости. Он отливается из чугуна или сплавов легких металлов, содержит в себе места для запрессовки гильз цилиндра, кронштейны для подшипников коленвала, пространство для маховика, систем смазки и охлаждения. К блоку подходят патрубки системы подачи топливной смеси и удаления отработанных газов.
Снизу к блоку через герметичную прокладку крепится масляный картер- резервуар для смазки. В этом картере и происходит основная работа кривошипно- шатунного механизма, сокращенно КШМ.
Гильза должна выдерживать высокое давление в цилиндре. Его создают газы, образовавшиеся после сгорания топливной смеси. Поэтому и то место блока, куда гильзы запрессованы, должно выдерживать большие механические и термические нагрузки.
Гильзы обычно изготавливают из прочных сортов стали, реже — из чугуна. В ходе работы двигателя они изнашиваются при капитальном ремонте двигателя могут быть заменены. Различают две основных схемы их размещения:
- сухая, внешняя сторона гильзы отдает тепло материалу блока цилиндров;
- влажная, гильза омывается снаружи охлаждающей жидкостью.
Второй вариант позволяет развивать большую мощность и переносить пиковые нагрузки.
Поршни
Деталь представляет из себя стальную или алюминиевую отливку в виде перевернутого стакана. Скользя по стенкам цилиндра, он принимает на себя давление сгоревшей топливной смеси и превращает его в линейное движение. Далее через кривошипный узел она превращается во вращение коленчатого вала, а затем передается на сцепление и коробку передач и через кардан к колесам. Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме, приводят транспортное средство или стационарный механизм в движение.
Деталь выполняет следующие функции:
- на такте впуска, двигаясь вниз (или в направлении от коленчатого вала, если цилиндр расположен не вертикально) на, он увеличивает объем рабочей камеры и создает в ней разрежение, затягивающее и равномерно распределяющее по объему очередную порцию рабочей смеси;
- на такте сжатия поршневая группа движется вверх, сжимая рабочую смесь до необходимой степени;
- далее идет рабочий такт, деталь под давлением идет вниз, передавая импульс вращения коленчатому валу;
- на такте выпуска он снова идет вверх, вытесняя отработанные газы в выхлопную систему.
На всех тактах, кроме рабочего, поршневая группа движется за счет коленчатого вала, забирая часть энергии его вращения. На одноцилиндровых двигателях для аккумуляции такой энергии служим массивный маховик, на многоцилиндровые такты цилиндров сдвинуты во времени.
Конструктивно изделие подразделяется на такие части, как:
- днище, воспринимающее давление газов;
- уплотнение с канавками для поршневых колец;
- юбка, в которой закреплен палец.
Палец служит осью, на которой закреплено верхнее плечо шатуна.
