Кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный механизм показан на продольном раз­резе дизеля (рис. 12).
Цилиндр 27 вместе с поршнем 23 и головкой 1 образует зам­кнутый объем, в котором совершается рабочий цикл двигателя. Внутренняя поверхность стенок цилиндра служит направляющей при движении поршня. Цилиндры могут изготовляться каждый в отдельности (см. рис. 9, а) или в общей отливке блока цилиндров (см. рис. 9, б).
Внутреннюю шлифованную поверхность цилиндров, называемую зеркалом, обрабатывают с достаточно высокой точностью (ее оваль­ность и конусность должны быть не более 0,02 мм), чтобы обеспе­чить легкость движения поршня и плотное прилегание его к ци­линдру.
При использовании жидкостного охлаждения большинство картеров выполняют со вставными гильзами 10 (см. рис. 9, б) цилиндров. Для повышения износоустойчивости внутреннюю по­верхность гильз, изготовляемых из легированного чугуна, часто подвергают закалке с нагревом токами высокой частоты на глу­бину 1,5—3 мм. Применение вставных гильз позволяет увеличить срок службы блока путем замены изношенных гильз.
Гильзы (рис. 13), устанавливаемые в блоки, подразделяют на мокрые, т. е. омываемые с наружной стороны охлаждающей жидкостью, и сухие, устанавливаемые в расточенный цилиндр и не омываемые охлаждающей жидкостью. Для центрирования гильзы относительно блока на ее поверхности сделаны два устано­вочных пояса 2 и 4 (рис. 13, а). Буртик 5 является опорой для гильз.
Мокрую гильзу (рис. 13, б) устанавливают в гнезде так, чтобы предотвратить утечку жидкости из водяной рубашки в цилиндр и картер. Уплотнение гильзы достигается с помощью медной про­кладки 10 и резиновых колец 9, помещаемых в канавки 1. Резино­вые кольца заполняют пространство в канавках и создают надеж­ное уплотнение между гильзой и блок-картером. Торец гильзы несколько выступает над верхней плоскостью блока, что создает надежное уплотнение от прорыва газов из цилиндра путем плот­ного прижатия прокладки 11. Сухие гильзы (рис. 13, в) запрессо­вывают в блок цилиндров.
Поршень (рис. 14) служит для восприятия давления расширяющихся газов и передачи его через поршневой палец и шатун на коленчатый вал. Поршень находится под действием высокой температуры га­зов (1000—2500 °C) и перемещается с большой скоростью (5—15 м/с), поэтому к его конструкции предъявляются вы­сокие требования. Поршни изготовляют из серого чугуна или из алюминиевых сплавов. В автотракторных двигателях ввиду ряда преимуществ (меньшая мас­са, большая теплопроводность, меньшие потери на трение) применяют поршни из алюминиевых сплавов.
У поршня различают три части: на­правляющую (юбку) 1, уплотняющую (головку) 2 и днище 3. Головка поршня при нагревании расширяется больше, поэтому она имеет меньший диаметр, чем юбка.
Днище поршня выполняют плоским или фасонной формы (у всех дизелей).
Фасонная форма днища способствует хо­рошему перемешиванию топлива с воз­духом во время сгорания.
Внутри поршня имеется два прили­ва — бобышки 10 с расточенными отверстиями 8 под поршневой палец. Для повышения прочности и лучшего отвода тепла бобышки связаны с днищем симметрично
расположенными ребрами 5. Кольцевые канавки 9 на внутренней поверхности бобышек служат для установки стопорных колец, удерживающих поршневой палец от перемещения. На наружной боковой поверхности поршня сделано от четырех до пяти канавок 6 и 7 для поршневых колец. Две или три верхние канавки 6 предназ­начены для компрессионных колец, а одна или две нижние 7 — для маслосъемных колец. Если имеется несколько маслосъемных колец, то одно из них устанавливают в канавке 7, расположенной ниже отверстия 8 под поршневой палец.
Иногда под канавками для маслосъемных колец расположены неглубокие кольцевые канавки 14. По окружности канавок 7 и 14 сделаны сквозные отверстия 12, по которым избыток масла, снимае­мого кольцами с рабочей поверх­ности цилиндра, стекает внутрь поршня, а затем в картер.
Так как поршень движется не­ равномерно, то вследствие этого возникают силы инерции, которые создают дополнительные ударные нагрузки на кривошипно-шатун­ный механизм. Во избежание повы­шенной вибрации дизеля от неурав­новешенных сил инерции поршни тщательно подбирают по массе.
Срезая металл с пояска 11, доби­ваются, чтобы разница в массе у поршней на одном двигателе не превышала установленной нормы (10—14 г).
Для получения минимального зазора между направляющей ча­стью 1 поршня и стенкой цилиндра в холодном двигателе и устра­нения заедания поршня при нагревании на его наружной поверх­ности иногда снимают часть металла у бобышек, делая неглубокие вырезы прямоугольной формы, называемые холодильниками 13.
Поршневые кольца (рис. 15) подразделяют на компрес­сионные и маслосъемные.
Компрессионные кольца предназначены для того, чтобы между поршнем и стенкой цилиндра не проходили газы. Маслосъемные кольца используют для снятия со стенки цилиндра избытка масла, дающего большое количество нагара и вызывающего дымление двигателя.
Поршневые кольца изготовляют из легированного чугуна путем индивидуальной отливки с последующей механической обработкой и вырезкой замка 3, который может иметь различную форму: пря­мую, косую или ступенчатую. Наиболее надежными в работе явля­ются прямые замки.
Торцовую поверхность колец шлифуют. Диаметр кольца делают несколько больше диаметра поршня, вследствие чего выступающая из канавки часть кольца перекрывает зазор между цилиндром и поршнем, а наличие в кольце разреза позволяет ему пружинить во время работы.
Компрессионные кольца устанавливают в канавки поршня так, чтобы замки их были смещены один относительно другого во избе­жание прорыва газов через зазоры в замках. В то время, когда газы в цилиндре находятся под большим давлением, они проникают в зазор между внутренней цилиндрической поверхностью кольца и поверхностью канавки и прижимают кольцо к стенке цилиндра (рис. 16, а). Следовательно, компрессионные кольца прижимаются к стенке цилиндра как силами упругости, так и давлением газов.
Для уменьшения износа наружную цилиндрическую поверхность компрессионных колец покрывают слоем пористого хрома. В порах
удерживается смазка, благодаря чему уменьшается износ колец и стенок цилиндра.
С целью лучшего снятия излишков масла и отвода его в кар­ тер двигателя маслосъемным кольцам придают специальную форму.
На наружной цилиндрической поверхности протачивают канавку 1 (см. рис. 15), которая уменьшает опорную поверхность кольца, вследствие чего увеличивается удельное давление кольца на стенку цилиндра. В дне канавки 1 по всей окружности делают прорези 2.
При движении поршня вниз (см. рис. 16, б) излишки масла сни­маются кромками кольца и через зазор между кольцами и стенкой канавки поршня и прорезь 2 в кольце, а затем через канал 3 в поршне отводятся в картер двигателя. Если у поршня имеются маслоотвод­ные каналы 1 под маслосъемным кольцом, то часть снятого масла стекает в картер по этим каналам. Подобный процесс перетекания излишков масла в картер происходит при движении поршня вверх.
Зазор между поршневыми кольцами и канавками по высоте делают очень малым (0,03—0,15 мм). При увеличенных зазорах происходит прорыв газов и перегрев колец. В результате масло окисляется, в зазорах образуются отложения, кольца перестают сво­бодно перемещаться и пружинить. Это явление носит название пригорания (закоксовывания) колец и сопровождается потерей двига­телем мощности и повышенным расходом масла. Зазоры у нижних колец должны быть меньше, чем у верхних, так как нижние кольца из-за сравнительно слабого нагрева меньше коробятся. По толщине кольцо подбирают таким, чтобы оно могло легко перемещаться в ка­навке поршня и полностью углубляться в нее.
Поршневой палец (рис. 17) служит для шарнирного соединения поршня с шатуном. Условия работы поршневого пальца весьма тяжелы: он подвергается воздействию переменных и удар­ных нагрузок. Наружная поверхность пальцев должна обладать значительной твердостью, их изготовляют из малоуглеродистых или легированных сталей, а для уменьшения массы делают из труб (рис. 17, в). Если палец изготовлен из малоуглеродистой стали, его наружную поверхность цементируют (насыщают углеродом).
Все пальцы подвергают закаливанию, шлифованию и полированию.
Для большей жесткости внутренний канал в пальце иногда выполняют переменного сечения (рис. 17, б). У двухтактных дви­гателей для предотвращения прорыва горючей смеси из кривошип­ ной камеры в выпускной канал палец имеет перегородку (рис. 17, а).

По характеру сопряжения с поршнем и шатуном, поршневые пальцы разделяют на три типа: закрепленные в бобышках, закреп­ ленные в головке шатуна и плавающего типа. В двигателях чаще всего применяют пальцы плавающего типа, которые во время работы легко могут поворачиваться как в бобышках поршня, так и во втулке шатуна. Это повышает срок службы пальца вслед­ствие более равномерного износа его поверхности.
От осевого перемещения палец удерживают либо стопорными кольцами 3 (см. рис. 17, а и б), либо алюминиевыми заглушками 4 (см. рис. 17, в) с выпуклыми сферическими головками. При этом палец не соприкасается с зеркалом цилиндра и не портит его.
Шатун (рис. 18) предназначен для соединения поршня с ко­ленчатым валом. В рабочем такте усилие, создаваемое давлением газов, передается через шатун от поршня коленчатому валу, а в остальных тактах, наоборот, от коленчатого вала поршню для вытал­кивания отработавших газов, впуска и сжатия горючей смеси или воздуха.
Шатун состоит из верхней головки, соединяющейся с помощью пальца с поршнем, стержня 3 обычно двутаврового сечения и ниж­ней головки. Для соединения с ко­ленчатым валом нижняя головка сделана разъемной. Съемная часть нижней головки шатуна называет­ся крышкой. Шатуны должны быть прочными, жесткими и легкими.
Их изготовляют штамповкой из вы­сококачественной углеродистой или легированной стали с после­дующей термической и механиче­ской обработкой.
Шатуны различают по способу подвода масла к поверхности паль­ца. В некоторых двигателях мас­ло к бронзовой или латунной втулке 12 (рис. 18, а), запрессо­ванной в верхнюю головку, по­ дается принудительно из нижней головки по каналу 14 в стержне шатуна. Избыток масла после сма­зывания пальца через два отвер­стия 1 впрыскивается на внутрен­нюю поверхность днища поршня и охлаждает его.
В других двигателях верхняя головка шатуна смазывается разбрызгиванием. Через сквозные от­верстия 13 (рис. 18, б), в которые масло попадает в результате разбрызгивания его коленчатым валом и вытекания из-под поршневых ко­лец, смазочный материал посту­пает к трущимся поверхностям. На внутренней поверхности втулки масло заполняет мелкие неровности и благодаря этому равномерно распределяется по поршневому пальцу. Колодец 11, сделанный в верхней головке шатуна, является резервуаром, из которого масло вытекает на поверхность пальца в период уменьшения нагрузки, действующей по направлению к нижней головке. Во избежание тре­ния о бобышки поршня длина верхней головки шатуна на 2—4 мм меньше, чем расстояние между торцами бобышек поршня.
Шатуны также различаются способом крепления крышки 9.
В одном случае (см. рис. 18, а) крышку крепят к шатуну шлифованными шатунными болтами 2 с корончатыми гайками 8. В другом (см. рис. 18, б) крышку 9 фиксируют треугольными шлицами и крепят к шатуну двумя болтами, которые завертывают в резьбовые отверстия в теле шатуна и стопорят специальными пластинами.
Шатунные болты и гайки изготовляют из хромистой стали и подвер­гают термической обработке. Болты устанавливают по одному с каждой стороны, гайки стопорят шплинтами 7. Чтобы при за­тяжке гаек болты не проворачивались, их головки удерживают штифтами 4 или с помощью лысок. Внутреннюю поверхность ниж­ней головки шатуна, которая служит постелью для установки шатун­ного подшипника, обрабатывают с большой точностью. Верхнюю часть нижней головки шатуна и крышку обрабатывают совместно, поэтому переставлять крышку 9 с одного шатуна на другой нельзя.
На поверхности обеих половин нижней головки шатуна ставят одинаковые метки, в соответствии с которыми соединяют крышку с шатуном и шатун с поршнем соответствующего цилиндра.
Шатунные подшипники большинства двигателей представляют собой тонкостенные вкладыши 5 и 10, изготовленные из стальной ленты толщиной 1—4 мм, внутренняя поверхность которой для уменьшения трения и износа шеекколенчатого вала покрыта тонким слоем антифрикционного сплава толщиной 0,25—0,7 мм. Новые вкладыши шатунных подшипников взаимозаменяемы, т. е. их можно устанавливать в шатун без подгонки. Коленчатый вал (рис. 19) воспринимает усилия, пере­даваемые шатунами от поршней, и приводит в действие механизмы машин, а также вспомогательные механизмы двигателя.
Коленчатый вал штампуют из высокоуглеродистой стали или отливают из высокопрочного чугуна. Он состоит из коренных шеек, которыми вал опирается на коренные подшипники, расположен­ные в картере; щек 16, связывающих коренные 17 и шатунные 15 шейки; фланца или конуса для крепления маховика 1 и переднего конца (носка) для установки ряда деталей.
Шатунная шейка 15 и прилегающие к ней щеки 16 образуют кривошип (колено). Для повышения износостойкости шейки колен­чатого вала подвергают поверхностной закалке токами высокой частоты на глубину 1—2 мм с последующим шлифованием и полиро­ванием.
У коленчатых валов дизелей коренных шеек обычно бывает на одну больше, чем шатунных. На переднем конце вала (носке) за­крепляют одну или две шестерни 6 и 7, передающие вращение меха­низму газораспределения и другим механизмам двигателя, храпо­вик 10 для проворачивания коленчатого вала рукояткой, маслоот­ражатель 8 и шкив 11 привода вентилятора.
У многих коленчатых валов за задним коренным подшипником на хвостовике имеется маслосгонная резьба для предотвращения вытекания масла из картера. В местах выхода из блок-картера передний и задний концы коленчатого вала тщательно уплотнены сальниками.
Осевое перемещение вала ограничивают специальным устрой­ством одного из коренных подшипников или другим приспособле­нием. Для ограничения перемещения вала установлено четыре полу­ кольца 4, изготовленных из сталеалюминиевой ленты и помещенных на третьем коренном подшипнике.
У большинства двигателей в коленчатом валу сверлят каналы для подвода масла к шатунным подшипникам. Кроме того, в шатун­ных шейках создают специальные полости 13 для центробежной очистки масла (грязеуловители). Масло, поступившее в эту полость из коренной шейки, при вращении вала очищается, так как механи­ческие примеси под действием центробежной силы отбрасываются и оседают на стенках полости, а чистое масло подается по каналу на поверхность шатунной шейки. Полости 13 закрывают резьбовыми пробками 12.
На задний конец вала напрессовывают шарикоподшипники 3 вала муфты сцепления или вала коробки передач. Вкладыши 5 и 14 коренных подшипников по устройству подобны шатунным вклады­шам. Изношенные вкладыши заменяют новыми нормального или ре­монтного размера.
Маховик 1 предназначен для уменьшения неравномерности вращения коленчатого вала, накопления энергии во время рабо­чего такта и отдачи ее кривошипно-шатунному механизму для выпол­нения остальных тактов. За счет запаса энергии маховик облегчает работу двигателя и помогает преодолевать кратковременные пере­ грузки. Маховик крепят посредством фланца и болтов к коленча­тому валу.
На ободе чугунного маховика устанавливают стальной зубча­тый венец 2, в зацепление с которым во время пуска дизеля вво­дится шестерня пускового устройства (пускового двигателя или электрического стартера). От маховика к трансмиссии машины движение передается через муфту сцепления, соединенную с махо­виком пальцами, болтами или шестернями. Коленчатый вал в сборе с маховиком балансируют.