Состав и устройство узлов КШМ.

Назначение КШМ и принцип работы.

Определение: механическая передача передающая энергию с преобразовани­ем видов движения.

В соответствие с общей классификацией машин и механизмов - кривошипно- ползунковый механизм (КПМ).

Назначение: КШМ служит для преобразования поступательного движения поршня под действием энергии расширения продуктов сгорания топлива во вра­щательное движение коленчатого вала.

Принцип действия: четырехтактный поршневой двигатель состоит из ци­линдра и картера, который снизу закрыт поддоном. Внутри цилиндра перемеща­ется поршень с уплотнительными (компрессионными) кольцами. Поршень через поршневой палец и шатун связан с коленчатым валом, который вращается в ко­ренных подшипниках, расположенных в картере. Сверху цилиндр накрыт голов­кой с клапанами, открытие и закрытие которых строго согласовано с вращением коленчатого вала. Перемещение поршня ограничивается двумя крайними поло­жениями, при которых его скорость равна нулю: верхней и нижней мертвой точ­кой. Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается ма­ховиком, имеющим форму диска с массивным ободом.

Состав и устройство узлов КШМ.

Состав:все детали КШМ делятся на подвижные (рис.1) и неподвижные (рис. 2). К неподвижным (детали остова двигателя )относятся: картер, блок цилиндров, головка блока цилиндров и соединяющие их детали (рис. 2, 3), к подвижным - поршень с пальцем и кольцами, шатун, коленчатый вал и маховик.

Блок цилиндров является основой двигателя. Большая часть навесного обо­рудования двигателя монтируется на блоке цилиндров. По форме блока цилинд­ров ДВС классифицируют:

• рядный двигатель: цилиндры располагаются последовательно в одной плос­кости; ось цилиндров вертикальна, под углом или горизонтальна ; число цилинд­ров - 2,3,4,5,6,8;

• V-образный двигатель: цилиндры располагаются в двух плоскостях с обра­зованием конструкции V - образной формы; угол развала - от 30° до 90°; число цилиндров 2,4,5,6,8,10,12,24;

• VR-образный двигатель: рядно-смещенное расположение цилиндров в шахматном порядке с углом развала 15°. Очень узкие V-образные двигатели тако­го типа долгое время делала итальянская фирма “Lancia”, и ее опыт используется концерном “Volkswagen”;

• W-образный двигатель: два рядно-смещенных блока VR, объединенных в V-образную конфигурацию с углом развала 72 °С. W8-Volkswagen Passat, W12- VW Phaeton и Audi A8, W16-Bugatti EB 16.4 Veyron;

• оппозитный двигатель: противолежащие друг другу цилиндры располага­ются горизонтально, число цилиндров - 2,4,6. Subaru обозначает свои оппозитные двигатели индексом "B" (Boxer), добавляя к нему цифру "4" или "6", в зависимо­сти от числа цилиндров.

Нумерация цилиндров начинается от носка коленвала, а при двух-, и четы­рехрядном расположении цилиндров - слева, если смотреть со стороны носка ко­ленвала ( за исключением «РЕНО»). Направление вращения коленвала - правое, то есть по часовой стрелке, если смотреть с носка коленвала (за исключением Honda, Mitsubishi).

В конструкцию блока входят гильзы цилиндров, рубашка охлаждения и гер­метизированные масляные полости и каналы. Во внутренних полостях блока цир­кулирует жидкость системы охлаждения, там же проходят и масляные каналы системы смазки двигателя. Блок имеет монтажные и опорные поверхности для ус­тановки вспомогательных устройств.

Картер служит опорой для подшипников, на которых вращается коленчатый вал. Обычно выполняется заодно с блоком цилиндров. Такая конструкция называ­ется блок-картер. Снизу картер закрывается поддоном, в котором обычно хранит­ся запас масла.

Чаще картер и блок цилиндров отливают как одно целое. Если картер изготовляют отдельно, то к нему крепят или отдельные цилиндры, или блок цилиндров. Блок-картер совре­менного поршневого двигателя — это наиболее сложная и дорогая деталь. Он обладает большой жесткостью. В зависимости от вос­приятия нагрузки различают силовые схемы с несущими цилиндрами, с несущим блоком цилиндров, с несущими силовыми шпильками. В первой схеме под действием сил давления газов стенки цилиндров и рубашки охлаждения испытывают напряжение разрыва. Во второй схеме, получившей наибольшее распространение, нагрузки восприни­маются стенками цилиндров и рубашки охлаждения, поперечными пе­регородками картера. В этой схеме часто используют сменные гиль­зы

Рис. 1. Подвижные детали КШМ

Рис. 2. Неподвижные детали ДВС

«мокрые» или «сухие» (рис. 3). В этом случае основную нагрузку несут стенки рубашки охлаждения. Конструкция в целом оказывается менее жесткой. В третьей схеме растягивающие нагрузки воспри­нимаются силовыми шпильками, а цилиндр (или блок цилиндров) оказывается сжатым.

Рис. 3. Гильза цилиндров (а) и схемы по­садки мокрой (б) и сухой (в) гильз

При работе силы давления газов, растягивая шпильки, разгружа­ют цилиндр. Блок-картер служит базовой деталью, на нем размеща­ются все навесные агрегаты, механизмы и системы двигателя. Блок- картер воспринимает все силы, развивающиеся в работающем двига­теле, отдельные его элементы подвергаются значительному местному нагреву, он подвержен действию колебаний, а те его элементы, кото­рые сопрягаются с подвижными деталями двигателя, в процессе экс­плуатации сильно изнашиваются. При длительной работе блок-кар­тер коробится из-за деформаций, действия силовых и тепловых нагрузок и структурных изменений в материале. Как следствие, теря­ются параллельность осей цилиндров, перпендикулярность осей ци­линдров к оси коленчатого вала, возникают другие нарушения макро­геометрии блока картера, что весьма нежелательно из-за увеличения трения, износа и даже выхода из строя всего двигателя.

Головка цилиндра (рис. 4) обеспечивает герметизацию верхней части ци­линдра. Совместно с днищами поршней, образует камеру сгорания. Обычно уста­навливается одна головка для всех цилиндров рядного и VR-образного, или две - для V, W и оппозитного двигателя. Она крепится к блоку цилиндров и, при работе составляет с ним единое целое. Уплотнение стыка обеспечивается прокладкой.

На большинстве ДВС в головке размещается привод клапанов, сами клапаны, свечи зажигания или накаливания, форсунки. Так же, как и в блоке цилиндров - имеются жидкостные и масляные каналы и полости.

Головки цилиндров подвержены действию максималь­ных сил давления газов, контактируют с нагретыми газами.

Рис. 4. Головка блока цилиндров: а) вид сверху, б) вид снизу

Для изготовления блок-картеров и головок цилиндров использу­ют серые или легированные чугуны марок СЧ 15—32, СЧ 21—40 и алюминиевые сплавы. Чугуны содержат около 3—4% углерода, ле­гирующие элементы (марганец, хром, никель, титан, медь, молибден), примеси серы и фосфора, кремний. Твердость чугунов составляет 230—250 по Бринеллю. Для све­дения к минимуму в про­цессе эксплуатации дефор­мации блока применяют операцию искусственного старения отливок перед механической обработкой. Стенки блока цилиндров при работе двигателя ис­пытывают циклические на­пряжения изгиба. Обычно стремятся уменьшить ам­плитудные значения на­пряжения, что достигается путем оребрения поперечных стенок. Что­бы снизить упругие остаточные деформации постелей коренных под­шипников коленчатого вала, обеспечить их соосность и улучшить работу кривошипно-шатунного механизма, часто вводят силовые свя­зи между крышками коренных опор и стенками блока.

Очень важно при сборке, изготовлении или ремонте снизить так называемые монтажные деформации гильзы в сборе с блоком. Повы­шенные монтажные деформации гильзы, как свидетельствует опыт эксплуатации дизелей Д-37Е, ЯМЗ-236 и др., приводят к повы­шенному трению и преждевременному износу гильзы. Равномерность деформаций достигается путем обеспечения примерного равенст­ва деформаций участка блока при затяжке каждой шпильки, а их минимизация — путем увеличения жесткости гнезда, в котором раз­мещается шпилька. Блоки цилиндров и гильзы двигателей с водяным охлаждением подвержены кавитационному износу. Причиной воз­никновения кавитации стенок блока цилиндров и гильз являются ин­тенсивные вибрации, возникающие при осуществлении рабочего про­цесса и ударах. Во избежание кавитационных износов в блоке цилинд­ров размещают антикавитационную защиту (например, в двигателе ЯМЗ), представляющую собой специальное антикавитационное пло­ское резиновое кольцо, устанавливаемое с натягом на гильзе и попада­ющее вместе с гильзой при сборке в выточку в блоке и гильзе. Как правило, при демонтаже узел разрушается, поэтому в эксплуатации при переборках его нужно заменять новым. Равномерного распре­деления нагрузок добиваются также во всех элементах головки блока цилиндров.

Особое внимание уделяют совершенствованию технологии литья головок и блоков цилиндров, чтобы снизить нарушение размеров отливок, избежать отбеливания чугуна, обеспечить точность и ста­бильность литья. Должным образом доведенная конструкция блока цилиндров и головки обеспечивает наработку 8000 моточасов и более.

Важный элемент конструкции — прокладка головки блока ци­линдров, обеспечивающая плотное соединение головки и блока ци­линдров и препятствующая прорыву газов из камеры сгорания при работе двигателя. Про­кладки делают цельноме­таллическими из меди или алюминия, тонкого сталь­ного листа (набора тонких листов), а также из листов графитизированного асбес­тового картона, положен­ных на стальную сетку.

Металлические проклад­ки используют в дизелях с жесткими блоками и го­ловками и при большой силе затяжки шпилек. Ас­бестовые прокладки при­меняют в карбюраторных двигателях, а также в ди­зелях. Шпильки, которыми притягивают головки и прокладку к блоку цилинд­ров, изготовляют из угле­родистых и легированных сталей. Нижняя часть кар­тера (поддон) в двигателях не является несущей. Ее отливают из алюминиевого сплава или штампуют из тонкого стального листа. Поддон обычно служит ванной для масла, в нем размещают маслоприемные устройства, успокоители против разбрызгивания. Устанавливают его на про­кладках для предотвращения вытекания масла.

Шпильки подвергают расчетам на прочность на знакопеременные нагрузки. Оценки напряжений в элементах головок и блоков цилинд­ров по формулам сопротивления материалов носят условный харак­тер. Лишь в последние годы, после того как был развит метод конеч­ных элементов, стала возможной постановка задачи о расчетах на прочность таких сложных по конфигурации деталей, как блок цилинд­ров и головка. Расчеты эти требуют применения мощных вычислитель­ных машин. Традиционно заводы-изготовители много времени и сил затрачивают на экспериментальное определение характеристик на­дежности, вибрационной стойкости деталей остова.

Группа поршня.

К деталям группы поршня относят собственно поршень, поршневые кольца — компрессионные и маслосъемные, порш­невой палец, стопорные кольца, заглушки. Эти детали определяют герметичность рабочей полости, потери на трение; их конструкция и техническое состояние решающим образом влияют на эффективные показатели и долговечность двигателя (рис. 5—7).

Поршень (рис. 5) воспринимает давление газов и обеспечивает передачу уси­лий на шатун, герметизирует камеру сгорания, отделяя ее от картера двигателя, отводит теплоту.

Состоит:

- днище;

- юбка;

- канавки под поршневые кольца;

- бобышки под поршневой палец.

В силу множества функций и противоречивости свойств поршень одна из са­мых сложных и наукоемких деталей мотора. Максимальное давление в камере сгорания - до 100 бар. Усилие, с которым поршень толкают газы, достигает 10 тонн. Скорость перемещения изменяется от 0 до 120 км/ч и снова до 0 км/ч 200 раз в секунду. При этом:

- во-первых, поршень, взаимодействуя с продуктами горе­ния топлива, должен сопротивляться высокой температуре, давлению газов и на­дежно уплотнять канал цилиндра.

- во-вторых, представляя собой вместе с цилин­дром и поршневыми

Рис. 5. Поршень и кольца: 1, 12— выточка под впускной клапан; 2—канавка под нижнее маслосъемное кольцо; 3 — выточка под стопорное кольцо;4 — канавка под верхнее масло- съемное кольцо; 5 — канавки под компрессионные кольца; 6—бобышка; 7 — камера сгорания; 8, 9 — дренажные отверстия; 10 — отверстия для подвода масла к пальцу; 11 — поясок для подгонки поршней по массе;13 — компрессионные и14 — маслосъемные кольца

кольцами линейный подшипник скольжения, он должен наи­лучшим образом отвечать требованиям пары трения с целью минимизировать ме­ханические потери и, как следствие, износ.

- в-третьих, испытывая нагрузки со стороны камеры сгорания и реакцию от шатуна, он должен выдерживать механическое воздействие.

- в-четвертых, совершая возвратно-поступательное движение с высокой скоростью, должен как можно меньше нагру­жать кривошипно-шатунный меха­низм инерционными силами.

Требования:

- должен быть жестким, т. е. не менять свою форму под нагруз­ками;

- иметь низкий коэффициент тем­пературного расширения (теп­ловые нагрузки не должны его деформировавть);

- иметь минимальный вес;

- быть износостойким.

Наиболее часто поршни изго­тавливают из алюминиевых спла­вов, позволяющих снизить массу и в то же время способных противостоять значительным усилиям и рабочим темпе­ратурам (до 350 °С) близким к предельным для данного материала. Из алюминие­вых сплавов используются в основном силумины, то есть сплавы алюминий- кремний с различным содержанием кремния. Кремнийсодержащие сплавы в свою очередь делятся на две группы по содержанию в них кремния. К первым относят сплавы с содержанием кремния до 12%, ко вторым - более 12%. У первых крем­ний в свободном виде, так называемый первичный кремний, отсутствует и весь он растворен в алюминии (АЛ-25, АЛ-30, АК12, Mahle 124). Вторая категория со­держит кремний в свободном виде - в виде кристаллов, которые иногда видны невооруженным глазом на срезе или сломе образца (АЛ-26, АК18, АК21, ВКЖЛС, Mahle 138, Mahle 224). Сплавы с содержанием 18% или 22% кремния применяются в основном для дизелей большого объема.

Поршень в холодном состоянии имеет сложную форму. По высоте он бочко­образный, для устранения последствий температурного расширения стенок порш­ня различной толщины при неравномерном нагреве. В сечении он овальный, так как механические нагрузки заставляют поршень «обвисать» на пальце (как лист бумаги, лежащий на карандаше). Причем в каждом сечении и овальность, и бочкообразность имеют свою величину. Такие поршни при нагреве принимают иде­альную форму.

Ось отверстия под поршневой палец смещена от диаметральной плоскости поршня. Благодаря этому устраняются стуки поршня о стенки цилиндра при пе­реходе его через ВМТ. Однако это требует установки поршня в цилиндр в строго определенном положении.

При монтаже поршни одного комплекта подгоняют по массе во избежание повышенных вибраций, поэтому поршни содержат техно­логический прилив, откуда при необходимости можно снять металл.

В серийном производстве поршни из алюминиевых сплавов отливают. Для снижения величины температурного расширения используются стальные термо­компенсирующие вставки внутри отливки. Для увеличения износостойкости поршней для дизельных двигателей:

- используют чугунную вставку в зоне верхнего кольца;

- армируют поршень керамическими волокнами;

- применяют составные поршни, состоящих из двух частей — уплотняющей и направляющей;

- покрывают тонким слоем свинца, олова и цинка, что препятствует задиру юбки в критических режимах.

Поршневые кольца (рис. 5) обеспечивают необходимое уплотнение цилин­дра и отводят тепло от поршня к его стенкам. Разрезные кольца устанавливаются в канавки на поршне и прижимаются к стенкам цилиндра под действием собст­венной упругости и давления газов. Поршневые кольца являются основным ис­точником трения в ДВС: в силу их функций они должны быть плотно прижаты к стенкам цилиндра.

Качество поршневых колец в значительной степени определяет ресурс деталей цилиндропоршневой группы, влияет на пусковые качества двигателя, его энергетические показатели, расход масла и длительность его служ­бы, дымность отработавших газов. Являясь упругими элементами уплотнения, поршневые кольца обеспечивают герметичность рабочей полости, отвод теплоты от головки поршня, предотвращение попада­ния масла в камеру сгорания двигателя. Один тип кольца не может обеспечить все эти функции должным образом, поэтому применяют два типа колец— компрессионные и маслосъемные. Уплотняющее дей­ствие компрессионного кольца обеспечивается путем создания высо­кого сопротивления перетекающему газу из камеры сгорания в картер в лабиринте: кольцо — торцовые канавки поршня — гильза. Верхнее компрессионное кольцо испытывает довольно высокие давления газов и подвержено действию высоких температур. В результате взаимодей­ствия кольца с торцовыми поверхностями канавок в поршне возника­ют усилия среза в межкольцевых перемычках.

Поршневое кольцо представляет собой криволинейный брус с боль­шим вырезом в свободном состоянии. В рабочем состоянии при установке кольца на поршень и затем поршня в цилиндр этот вырез приобретает меньшую величину и допустимый зазор между торцами кольца составляет 0,5—0,8 мм. Благодаря своим упругим качествам кольцо обес­печивает равномерное давление на стенки гильзы с некоторым увеличением в замке кольца. Замок, или стык кольца, может быть прямым, косым или сту­пенчатым .

Маслосъемные кольца дела­ют цельными или составными. Во втором случае они состоят из двух витых стальных колец и расширителей (эспандеров), обеспечивающих равномерное прилегание кольца к поверх­ности цилиндра.

Изготовляют поршневые кольца из перлитного чугуна, легированного присадками ни­келя, молибдена, вольфрама, хрома, кремния. В ряде случаев используют чугуны с шаровой формой графита. Для повыше­ния стойкости кольца и увеличения сопротивления износу его наружную цилиндрическую поверхность покрывают твердым по­ристым (для удержания смазки) хромом толщиной до 0,1 мм; иногда пористый хром заменяют накатыванием сетки канавок глубиной до 0,3 мм. Современные кольца обеспечивают пробег до 150 тыс. км. Заготовки колец подвергают старению.

Поршневой палец обеспечивает шарнирное соединение шатуна с поршнем (Рис.6.). Представляет собой стальную втулку с полиро­ванной поверхностью.

а б в

Рис.6. Способы крепления поршневого пальца в бобышках поршня: а — стопорными кольцами; б — заглушками (1); в—болтами в верхней головке шатуна

Существует три типа соединения поршневого пальца с шатунной головкой:

- запрессовка пальца в головку шатуна: применяется при массовом производ­стве (дешевый). Но подобное соединение не позволяет пальцу вращаться и при­водит к его увеличенному одностороннему износу. Для надежной фиксации поршневого пальца необходимо увеличение размера шатунной головки;

- подвижное соединение, или «плавающий палец». В шатунную головку за­прессовывается втулка, как правило, бронзовая, внутренний размер которой обес­печивает зазор между ней и пальцем. Такое соединение дороже прессового, но позволяет пальцу вращаться, отчего увеличиваются работающая поверхность и ресурс пальца в 1,7 - 2,0 раза. Трение в этом узле несколько снижается;

- плавающий палец без бронзовой втулки (сопряжение «сталь по стали»). По­зволяет уменьшить размер шатунной головки с зазорным соединением до размера даже меньшего, чем у прессового. В таких случаях специально подбираются ма­териалы пары трения или на палец наносится специальное покрытие.

Осевая фиксация плавающих пальцев и предотвращение их бокового смещения вдоль оси пальца осуществляются с помощью стальных колец, уста­навливаемых в канавки в бобышках поршня по обе стороны с торцов пальца.(Рис. 6.) Иногда используют в этих целях заглушки (пробки) из мяг­кого металла (алюминия).

От поршневого пальца требуются высокая прочность при минимальном износе, высокая стойкость наружной поверхности про­тив истирания. Поршневые пальцы изготовляют из цементируемых углеродистых или легированных сталей 20, 15Х, 15ХН, 12ХНЗА, в некоторых случаях наружную поверхность пальцев азотируют. Чаще всего пальцы подвергают цементации с последующей закалкой и отпуском.

Группа шатуна.

В эту группу входят шатун, втулка, шатунные вкладыши, шатунные болты, крышка шатуна (Рис. 7.). Эти детали обеспечи­вают шарнирную связь возвратно-поступательно движущегося порш­ня с вращающимся коленчатым валом. Ша­тун совершает комплексное движение. Верхний его конец, охватывающий палец, движется линейно, нижний конец, охватывающий коленчатую шейку, вращается. Остальные части шатуна участвуют одновременно в обоих движениях, описывая эллиптические траектории. При работе подвергается воздействию переменных усилий:

- растягивающих - от сил инерции движущегося поршня;

- сжимающих - от давления газов на поршень и сил инерции поршня возле НМТ;

- изгибающих - от сил инерции шатуна в плоскости качания.

Рис. 7. Детали группы шатуна: 1 — маслопроводящее отверстие; 2—верхняя головка шатуна;3 — стержень шатуна;4 — шатунный болт; 5 — гайка; в — нижняя го­ловка шатуна: 7 — шплинт; 8 — крышка ша­туна; 9 — шатунные вкладыши;10 — палец;11— стопорные кольца; 12— втулка верхней головки шатуна

К шатунам предъявляют требования высокой прочности, боль­шой жесткости всех элементов, малого веса. Шатуны изготовляют из среднеуглеродистых и легированных сталей (сталь 45, 40Х, 40ХНМА). Конструктивно шатуны имеют верхнюю головку, стержень, нижнюю головку. Как правило, стержень имеет двутавровое сечение. Иногда шатуны имеют вертикальный канал от нижней головки к верхней для обеспечения подвода масла.

Втулки верхней головки шатуна делают из бронзы. В нижней го­ловке шатуна может быть прямой или косой (под углом 45°) разъем. Шатуны обычно штампуют. Верхние головки шатунов бывают раз­резными и неразрезными. Крышки нижней головки шатуна снабжают продольными ребрами для увеличения жесткости.

Ответственной деталью являются шатунные болты. Болты подвер­жены одновременно изгибу и растяжению. В зависимости от конст­рукции шатуна применяют шатунные болты с гайками, шпильки с гайками, болты, ввертываемые в тело шатуна. Шатунные болты де­лают таким образом, чтобы избежать концентрации напряжений. При установке болтов и гаек всегда используются стопорные шайбы или шплинты, шпильки фиксируют штифтами.

Вкладыши (рис. 7.) - втулка подшипника скольжения, выполненная разрез­ной для облегчения монтажа. В гидродинамических под­шипниках скольжения разделительным слоем трущихся поверхностей служит масляная пленка (жидкостное тре­ние).

При нормальной работе вкладышей в зазоре между поверхностями вращающегося вала и подшипника всегда имеется разделительный слой масла и непосредственного контакта поверхностей не происходит. При вращении вал нагнетает масло в клиновидный зазор, всплывает на мас­ляном слое и приобретает стабилизированное положение, несколько сместившись в сторону. «Масляный клин» вос­принимает и передает все нагрузки, возникающие в сочленении.

Шатунный вкладыш представляет собой стальную ленту толщиной 2 - 2,5 мм, свернутую в полукольцо и покрытую антифрикционным сплавом (0,2—0,7 мм). Наименьшим коэффициентом трения обладают сплавы на основе олова (баббиты), но они не выдерживают высоких нагрузок и температур. В современных двигателях бабби­ты уступили место бронзе, сплавам на основе алюминия, кадмия и серебра.

Основным бронзовым сплавом в нашей стране служит свинцовистая бронза марки БрС30 (27 - 31% свинца, остальное медь). Вкладыши из такой бронзы до­пускают нагрузку 30 МПа и окружную скорость 30 м/с. Подшипники скольжения из свинцовистой бронзы по причине своей повышенной твердости требуют и со­ответствующей твердости сопрягаемого вала. Существенным недостатком в экс­плуатации является низкая коррозионная стойкость свинца, вымывающегося из сплава при повышении кислотного числа масла.

Все большее применение находят сплавы на основе алюминия. Сплав марки АО20-1 (17 - 23% олова; 0,7 - 1,2% меди, остальное - алюминий) выдерживает 25 МПа и 20 м/с.

За рубежом широко распространен сплав на основе кадмия (97 - 98,5% кад­мия, 1,5% никеля, магния, серебра и 0,7 - 1,7% меди). По свойствам он стоит ме­жду баббитами и свинцовистой бронзой.

Вкладыши устанавливают с на­тягом. Они имеют сверления, пазы для транспортирования масла, а также стопорные ус­тройства, предохраняющие вкла­дыши от проворачивания.