ГОЛОВКА БЛОКА ЦИЛИНДРОВ

Головка блока цилиндров закрывает сверху цилиндры и крепится к блоку с помощью болтов или шпилек. Для того чтобы при сборке двигателя не произошло деформации головки блока, завора­ чивание крепежных элементов должно производиться с заданным усилием и в определенной по­ следовательности. Головка блока обычно отливается из алюминиевого сплава (реже из чугуна). В ней полностью или частично располагаются камеры сгорания. Внутри головки выполняются впускные и выпускные каналы, каналы водяной рубашки для прохода охлаждающей жидкости и каналы смазочной системы. Каналы для подачи топливно-воздушной смеси или воздуха в ци­ линдры и выпуска отработавших газов проходят в каждую камеру сгорания и заканчиваются за­ прессованными в головку блока седлами клапанов, изготовленными из чугуна или других прочных

материалов. В каждом цилиндре двигателя установлено, как минимум, по два клапана (впускной и выпускной). Клапаны прижимают­ ся к седлам с помощью пружин. В головке бло­ ка цилиндров располагаются и другие детали газораспределительного механизма. Сверху головка блока закрывается крышкой, которая крепится к головке через прокладку. Крышка головки блока изготавливается из листовой стали или алюминиевого сплава.

Головки блока цилиндров двигателей со­ временных автомобилей могут иметь до­

Рис. 2.20. Головка блока четырехцилинд­ рового рядного двигателя с двумя рас­ пределительными валами и четырьмя клапанами на цилиндр

вольно сложную конструкцию (рис. 2.20) и включать в себя большое количество дета­ лей в зависимости от конструкции механиз­ ма газораспределения.

ПОРШЕНЬ

Поршень (рис. 2.21) имеет довольно сложную конструкцию, потому что он подвергается очень большим и непостоянным по величине нагрузкам.

Наружная поверхность направляющей части носит название юбки. Во время рабо­ чего хода на поршень воздействует высокое давление расширяющихся при высокой температуре газов. С другой стороны, при работе двигателя, особенно на высоких обо­ ротах, поршень подвергается большим

знакопеременным инерционным нагруз­ кам. При нахождении поршня в ВМТ и НМТ его ускорение равно нулю, а затем поршень резко ускоряется и движется с большой скоростью, причем направление движения меняется сотни раз в секунду. Для уменьшения инерционных нагрузок необходимо максимально уменьшать массу поршня. В то же время он должен иметь высокую прочность, чтобы проти­ востоять высокому давлению и нагреву при соприкосновении с горячими газами с последующим охлаждением при подаче в цилиндр холодного свежего заряда. В настоящее время поршни бензиновых и дизельных автомобильных двигателей

изготавливают из алюминиевых сплавов. При производстве поршня в отливку в процессе изготовления часто заклады­ вают стальные вставки, которые повышают его жесткость и препятствуют темпера­ турному расширению. Иногда стальную вставку располагают в канавке под верх­ нее компрессионное (наиболее нагру­ женное) поршневое кольцо.

При нагревании поршень расширяет­ ся. Для компенсации температурного рас­ ширения поршня при нагревании ему придают специальную форму. Юбка порш­ ня впоперечной плоскости имеет форму овала, а не окружности. В продольной плоскости юбка поршня выглядит как усе­ ченный конус. Части поршня с большой температурой или с большим объемом металла расширяются сильнее (например, часть юбки, где расположены бобышки), и при достижении рабочей температуры в двигателе поршень принимает форму цилиндра.

За время своего существования поршни претерпели значительные изменения кон­ струкции. Если сравнить поршень двигателя

Рис. 2.21. Поршни современных двигате­ лей имеют тенденцию к уменьшению вы­ соты юбки

Рис. 2.22. Рабочая поверхность юбки поршня двигателя Ford Duratec покрыта антифрикционным слоем. Разъем нижней головки шатуна выполнен по специаль­ ной технологии, с помощью местного раз­ рыва, что обеспечивает исключительно точное совпадение сопрягаемых деталей

Рис. 2.23. Поршень дизельного двигателя (а) грузового автомобиля и формы поршней разных двигателей (б):1 — канавка нижнего маслосъемного кольца; 2 — проточка под стопорное кольцо поршневого пальца; 3 — внутренняя поверхность бобышки; 4 — отвер­ стие для смазки поршневого пальца; 5 — канавка верхнего маслосъемного кольца; 6 — канав­ ки компрессионных колец; 7 — головка поршня; 8 — камера сгорания в поршне; 9 — днище поршня; 10 — отверстия для отвода масла; 11 — юбка

современного автомобиля с его предшественником, можно заметить, что поршни стали зна­ чительно короче. Большая часть юбки (рис. 2.22) обрезается с каждой стороны, и остаются только две небольшие секции для того, чтобы предотвратить перекос поршня в цилиндре. Благодаря совершенству конструкции силы, воздействующие на поршень, сбалансированы таким образом, чтобы свести к минимуму тенденцию к повороту. Расстояние от днища порш­ ня до верхней канавки под поршневое кольцо уменьшают с целью снижения возможности образования нагара в этой части. За счет уменьшения размеров сечений в конструкции поршня удалось значительно снизить его массу. Для уменьшения потерь на трение и повы­ шения долговечности деталей КШМ на боковую поверхность поршня наносят слой антифрик­ ционного материала, содержащего дисульфид молибдена или графит.

Днище поршня может быть плоским, выпуклым, вогнутым, иметь канавки, для того чтобы при полном открытии клапанов они не касались поршня. У дизельного двигателя (рис. 2.23) камера сгорания может быть выполнена в поршне.

Поршни двигателей с непосредственным впрыском топлива имеют особую форму, необ­ ходимую для обеспечения процесса сгорания топлива.

Поршневые кольца изготавливаются из специально модифицированного чугуна. В дви­ гателях современных автомобилей используют несколько типов колец. Верхние компресси­ онные кольца служат для того, чтобы предотвратить прорыв газов в картер двигателя, а ниж­ нее маслосъемное — контролирует количество масла на стенках цилиндра (стенки смазыва­ ются маслом, поступающим из картера в виде масляного тумана). Масло необходимо для предотвращения износа ЦПГ, но его излишки нежелательны. Поэтому следует подавать его больше, чем нужно, а излишки удалять с помощью маслосъемного кольца, работающего как скребок. Один из способов получения более компактных и легких поршней — выполнение колец более узкими и мелкими с компактным размещением их в верхней части головки поршня. При этом предъявляются повышенные требования к материалу, из которого они из­ готовлены, и к точности их изготовления.

ШАТУН

Шатун является необходимым звеном между поршнем и коленчатым валом, обеспе­ чивая передачу давления от сгорания горючей смеси во время рабочего хода, а так­ же перемещение поршня во время других тактов. Таким образом, нагрузка на шатун постоянно изменяется в значительных пределах как по величине, так и по направ­ лению. Шатун должен быть прочным, чтобы выдерживать максимальные усилия растяжения, и в то же время жестким, чтобы не изгибаться при сжатии. Жесткость при этом должна сочетаться с небольшой массой для уменьшения инерционных нагрузок. Поэтому стержни большинства шатунов делают двутавровыми в сечении. Наиболее распространенными являются стальные шатуны. Они или штампуются (для уменьшения стоимости), или изготавливаются ковкой (более дорогие, но прочные), но в обоих случаях обязательно подвергаются упрочнению, в том числе и закалке. В некоторых последних моделях используются шатуны из алюминиевых сплавов и проводятся эксперименты по применению шатунов из композитных материалов, когда алюминий упрочняется керамическими волокнами. В высокофорсированных двигателях спортивных автомобилей, как правило, используются шатуны из сплава титана.

Верхняя головка шатуна представляет собой втулку с цилиндрическим отвер­ стием для соединения с поршнем с помощью поршневого пальца. Поршневой палец представляет собой стальной полый цилиндр, поверхность которого упроч­ няется в процессе производства и имеет высокий класс чистоты механической об­ работки для уменьшения концентраторов напряжений. Поршневой палец может иметь возможность проворачиваться как в головке шатуна, так и в бобышках поршня. В этом случае он фиксируется от продольного перемещения специальны­ ми стопорными кольцами, а между пальцем и внутренней поверхностью головки шатуна устанавливается втулка из антифрикционного материала. Такой поршне­ вой палец называется «плавающим». Преимущество «плавающего» пальца — это его равномерный износ по окружности, а также большая надежность работы (на слу­ чай заклинивания в шатуне или в бобышках). Поршневые пальцы «неплавающего» типа запрессованы в верхней головке шатуна и проворачиваются только в бобыш­ ках поршня. В этом случае стопорные

кольца и втулка не нужны и конструк­ ция получается проще и легче. Нижняя головка шатуна должна быть разбор­ ной, чтобы иметь возможность соеди­ нения с шейкой коленчатого вала, а две части шатуна соединяются болтами. Сейчас многие фирмы не разрезают нижнюю головку шатуна, а подвергают закаленные шатуны контролируемому раскалыванию нижней головки. Когда нижняя головка собирается, обе ее ча­ сти стыкуются практически идеально, обеспечивая полное совпадение раз­ лома во всех направлениях.

В настоящее время такой же способ

применяют и при изготовлении крышек ко- Рис. 2.24. Крышки коренных подшипни-ренных подшипников коленчатого вала ков коленчатого вала двигателя V8 BMW,(рис. 2.24). изготовленные методом отламывания

КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ

Коленчатый вал (рис. 2.25) воспринимает усилия, передаваемые от поршней шатуном, и преобразует их в крутящий момент. Поэтому коленчатый вал должен быть прочным и жестким.

В качестве материала для коленчатого вала используют высокопрочный чугун и сталь. Чугунные валы изготавливают методом литья, а стальные — методом ковки. Рабочие по­ верхности коренных и шатунных шеек коленчатого вала подвергают упрочнению с помощью термической обработки и последующей шлифовке.

Коленчатый вал состоит из нескольких коренных шеек, соединенных щеками с шатун­ ными шейками. Щеки коленчатого вала продолжаются в противоположном от шейки направлении, образуя противовесы. В некоторых двигателях грузовых автомобилей используют съемные противовесы, которые крепятся к коленчатому валу болтами. Ко­ ренные шейки всегда больше в диаметре, чем шатунные. Коленчатый вал будет более жестким, если коренные и шатунные шейки перекрывают друг друга при взгляде с торца вала. Очевидно, что намного легче добиться перекрытия шеек при короткоходном двига­ теле. Если по обеим сторонам от шатунной шейки расположены коренные шейки, колен­ чатый вал является полноопорным. В противном случае он неполноопорный и поэтому должен быть более жестким, а следовательно, более массивным, чтобы воспринимать значительные изгибающие и закручивающие усилия. Поэтому в современных двигате­ лях в основном применяются полноопорные валы. В настоящее время редко применяют разборные коленчатые валы, хотя такая конструкция вала дает возможность применять шатуны с неразъемной нижней головкой. Переход от шейки к щеке является опасным с точки зрения концентрации напряжений, и поэтому его выполняют по радиусу. Такая конструкция уменьшает возможность появления трещин и последующего усталостного излома.

В качестве коренных и шатунных подшипников скольжения в настоящее время при­ меняют разъемные, тонкостенные вкладыши. Вкладыши изготавливают из стальной лен­ ты с нанесенным на нее слоем антифрикционного сплава. Для того чтобы установленные вкладыши не проворачивались в опорах коленчатого вала и головках шатунов, они име­ ют выступ, с помощью которого фиксируются в соответствующих канавках. Для предо­ хранения коленчатого вала от осевых перемещений используются упорные подшипники скольжения.

Рис. 2.25. Коленчатый вал двигателя V6 58

Внутри коленчатого вала, в щеках и шейках коленчатого вала просверлены отверстия для прохода масла. Подшипники коленчатого вала подвергаются значительным нагрузкам, и даже кратковременная работа двигателя без масла приводит к его выходу из строя, поэто­ му к шейкам коленчатого вала масло подается постоянно под давлением.

К заднему концу коленчатого вала крепится маховик. Маховик служит для уменьшения неравномерности работы двигателя, запасая энергию при рабочем ходе и отдавая ее при других тактах, а также выводит КШМ из мертвых точек. Маховик представляет собой массив­ ный диск, выполненный из чугуна. На внешнюю цилиндрическую поверхность маховика на­ прессован зубчатый венец, обеспечивающий проворачивание коленчатого вала при пуске двигателя с помощью электрического стартера. У многоцилиндровых двигателей рабочий ход происходит одновременно в нескольких цилиндрах. У таких двигателей крутящий момент более равномерный и масса маховика может быть уменьшена.

Каким бы жестким ни был коленчатый вал, он подвергается крутильным колебаниям. Кру­ тильные колебания можно представить как постоянное закручивание с последующим раскру­ чиванием вала, что происходит при работе двигателя с определенной частотой. При совпадении частоты крутильных колебаний с частотой внешних сил может наступить резонанс, который приведет к резкому увеличению нагрузок, действующих на коленчатый вал, и, как следствие, к его поломке. Излом коленчатых валов (обычно в месте соединения щеки с коренной шей­ кой) был частой причиной выхода из строя двигателей старых конструкций. Современные ко­ ленчатые валы имеют высокую жесткость, и резонансные частоты находятся за пределами возможных частот вращения валов этих двигателей. Тем не менее в конструкции двигателей часто применяют гасители крутильных колебаний, которые снижают до нужного уровня виб­ роактивность коленчатого вала. Наиболее распространенный способ: разделить шкив или диск, установленный на коленчатом вале, на внутреннюю и наружную части и соединить их уп­ ругим материалом, который поглощает вибрации за счет внутреннего трения.

Сейчас все большее распространение получают двухмассовые маховики, которые ус­ пешно выполняют функцию гасителя крутильных колебаний (рис. 2.26).

Прогресс в системах управления может внести дополнительные изменения в конструк­ цию двигателей. Сегодня разработаны новые тороидные стартер-генераторы (рис. 2.27), которые не только мгновенно и бесшумно пускают двигатель, но и дают возможность за счет электронного управления гасить всевозможные колебания и вибрации, а также обеспечи­ вают возможность работы двигателя при экстремальных нагрузках. Подробнее о новых на­ правлениях в системе электрооборудования будет сказано ниже (см. гл. 8).

Рис. 2.26. Двухмассовый маховик двига­ теля автомобиля Ford Mondeo Рис. 2.27. Тороидный стартер-генератор

§9