Кривошипно-шатунный механизм

КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ

    1.1. Общие сведения и классификация

   Кривошипно-шатунный  механизм (КШМ) преобразует возвратно-поступательное  движение поршня во вращательное  движение коленчатого вала. Детали  КШМ участвуют в совершении  рабочего процесса и воспринимают  механические и тепловые нагрузки.

   Кривошипно-шатунный  механизм является основным рабочим  механизмом поршневого двигателя  внутреннего сгорания. На рис. 1.1 показаны схемы кривошипно-шатунных  механизмов, применяемых в двигателях.

  Тронковый кривошипно-шатунный механизм (рис. 1.1а) наиболее часто применяется в двигателях простого действия. Поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала при помощи шатуна, сочлененного шарнирно верхней головкой с поршневым пальцем и нижней головкой с шейкой колена вала. Рабочая полость располагается над поршнем в цилиндре, закрытом крышкой.

  Крейцкопфный  кривошипно-шатунный механизм изображен  на рис. 1.1б. Поршень в данном механизме  соединяется с шатуном при  помощи жестко связанного с поршнем  штока и крейцкопфа, совершающих поступательное движение. При таком сочленении поршень разгружается от нормальной силы, так как ее действие переносится на крейцкопф; вследствие этого становится возможным создание второй рабочей полости в цилиндре под поршнем. При этом шток должен проходить через нижнюю крышку со специальным сальником, обеспечивающим герметичность полости под поршнем. Крейцкопфная система кривошипно-шатунного механизма применяется в тихоходных двигателях простого действия большой мощности, а также в двигателях двойного действия.

  Тронковый кривошипно-шатунный механизм двигателя с V-образным расположением показан на рис. 1.1в.

а                           б                         в

Рис. 1.1. Схемы кривошипно-шатунных механизмов двигателей внутреннего  сгорания 

  На автомобильных  и тракторных двигателях применяют  центральные (аксиальные) (рис. 1.2а), смещенные (дезаксиальные) (рис. 1.2б) тронковые кривошипно-шатунные механизмы.

  В центральном КШМ ось цилиндра пересекает ось коленчатого вала. В дезаксиальном КШМ ось цилиндра не пересекает ось коленчатого вала, а смещена относительно нее на некоторое расстояние е. Смещение оси цилиндра уменьшает разницу в давлениях на правую и левую стороны цилиндра. Во время рабочего хода давление поршня на стенку цилиндра уменьшается, а во время хода сжатия – увеличивается, что в общем дает более равномерный износ двигателя. К преимуществам дизаксиального механизма следует отнести меньшую скорость поршня около верхней мертвой точки (ВМТ), благодаря чему улучшается процесс сгорания, который приближается к условиям сгорания при постоянном объеме. Величина смещения е обычно откладывается в направлении вращения коленчатого вала. Для современных двигателей относительное смещение, или дезаксаж, – отношение смещения е к радиусу кривошипа r находится в пределах 0.04–0.10. Наибольшее распространение получил центральный КШМ, кинематический и динамический анализ работы которого рассматривается ниже.

                                  а                                        б  

  Рис. 1.2. Схемы  тронковых кривошипно-шатунных механизмов двигателей внутреннего сгорания 

    1.2.  Конструкция кривошипно-шатунного механизма

  Условно элементы КШМ можно разделить на две  группы: неподвижные и подвижные. К неподвижным элементам относятся  блок цилиндров, головка блока цилиндров, картер с подшипниками коленчатого  вала и поддоном, соединяющие их детали. Все это образует остов  двигателя. Подвижными элементами механизма  являются поршень, поршневые кольца, поршневой палец, шатун с подшипниками, коленчатый вал с маховиком, соединяющие  их детали. 

    1.2.1. Остов двигателя

  Элементы остова при работе двигателя нагружены  силами давления газов и силами инерции  движущихся частей. Вследствие этого  элементы остова должны быть связаны  между собой в общую жесткую  систему во избежание недопустимых деформаций отдельных звеньев.

  Конструктивное  оформление остова зависит от общей  компоновки двигателя и его назначения. Размеры внутренних полостей определяются в основном размерами и траекторией  движения деталей кривошипно-шатунного  механизма. Внешнее очертание и  число неподвижных элементов  остова зависят от числа цилиндров  и их расположения, от схемы механизма  газораспределения, положения распределительного вала, условий монтажа, обслуживания и т. п.

  Конструкция остова, помимо обеспечения необходимой  продольной и поперечной жесткости  при рациональной силовой схеме  и внешней архитектурной форме, должна быть достаточно простой, удобной  в изготовлении и иметь малую  массу (масса металла, расходуемого на изготовление остова, составляет до 70% общей массы тихоходного двигателя  и до 30% быстроходного).

  Остов современных  двигателей строят по различным силовым  схемам. Под силовой схемой понимается схема передачи основных сил отдельными элементами двигателя, а также двигателем и его опорами во время работы.

  На рис. 1.3 изображен  разрез V-образного дизеля, выполненного по схеме с несущими (силовыми) шпильками. Такая силовая схема применяется  в двигателях различных классов, например, автомобильных, тепловозных  и судовых. При этом число плоскостей разъема между деталями корпуса  может быть разным.

  Наличие большого числа горизонтальных плоскостей разъема  упрощает изготовление крупных элементов  корпуса, облегчает монтаж и обслуживание, но снижает его общую жесткость. Поэтому в двигателях разъем между  цилиндрами и картером обычно не делают. Цилиндры и картер в этом случае изготовляют в виде общей отливки, называемой блок-картером. Двигатель при такой компоновке может иметь разъемный или неразъемный блок-картер.

  В двигателях без горизонтальных плоскостей разъема  в картере коленчатый вал часто  устанавливают на подшипниках качения  и монтируют в осевом направлении  через отверстия, растачиваемые  в стенках картера. Неразъемный  картер с торцовыми отверстиями  называют картером туннельного типа (рис. 1.4).

  В двигателях без горизонтальных плоскостей разъема  в картере коленчатый вал часто  устанавливают на подшипниках качения  и монтируют в осевом направлении  через отверстия, растачиваемые  в стенках картера. Неразъемный  картер с торцовыми отверстиями  называют картером туннельного типа (рис. 1.4). 

 

Рис. 1.3. Остов V-образного дизеля с несущими шпильками

  В двигателях без горизонтальных плоскостей разъема  в картере коленчатый вал часто  устанавливают на подшипниках качения  и монтируют в осевом направлении  через отверстия, растачиваемые  в стенках картера. Неразъемный  картер с торцовыми отверстиями  называют картером туннельного типа (рис. 1.4).

  В автомобильных  и тракторных двигателях, а также  частично в быстроходных судовых  и стационарных двигателях обычно применяют  блок-картер с подвешиванием коленчатого  вала к картеру. На рис. 1.5 показан  блок-картер быстроходного транспортного  двигателя, в котором цилиндры и  картер отлиты в виде общего блока  с подвешиванием коленчатого  вала.

  Горизонтальную  плоскость разъема располагают  по оси коленчатого вала или ниже ее. В поперечных перегородках картера  имеются гнезда для подшипников. Коленчатый вал подвешивается снизу  и поддерживается массивными крышками подшипников, (подвесками). Отдельной  фундаментной рамы в таких конструкциях нет; вместо нее снизу устанавливается  легкий поддон, не воспринимающий нагрузок от сил, действующих при работе двигателя.

  По конструкции  коренные подшипники делятся на подшипники скольжения и качения. В поршневых  двигателях внутреннего сгорания, за исключением мотоциклетных, некоторых  автомобильных, а также ряда двигателей специального назначения, применяются  подшипники скольжения.

  Конструкции подшипников скольжения двигателей представляют собой цилиндрический вкладыш, состоящий из двух половин.

Рис. 1.4. Картер туннельного  типа

Рис. 1.5. Картер с подвешиванием  коленчатого вала

  Вкладыши изготовляют  из чугуна, стали или бронзы, рабочую  поверхность, соприкасающуюся с  шейками вала, покрывают слоем  антифрикционного сплава. В зависимости  от соотношения длины вкладыша и  его толщины различают толсто- и тонкостенные вкладыши. Последние  делают только из стали и заливают слоем свинцовистой бронзы толщиной 0.3–0.7 мм, допускающей высокие удельные нагрузки на подшипники и высокую  температуру поверхностей. Широкое  распространение получили также  сталеалюминиевые вкладыши (рис. 1.6). От осевого и продольного перемещений вкладыши фиксируются штифтами или выступами, отбортованными на вкладышах и входящими в соответствующие пазы, выфрезерованные в гнезде рамы и крышке подшипника. 

Рис. 1.6. Сталеалюминиевые вкладыши

  Подшипник закрывается  крышкой. В подвесных подшипниках  крышки (подвески) делают более массивными. Подвески изготовляют литыми или коваными и крепят их к картеру с помощью шпилек или болтов. Один из коренных подшипников, обычно расположенный ближе к маховику, делают упорным. Он ограничивает осевые перемещения коленчатого вала. Для восприятия осевых сил вкладыш упорного подшипника снабжают заплечиками, залитыми антифрикционным сплавом, или устанавливают упорные шайбы в гнездах перегородки картера и в подвеске подшипника.

  К числу наиболее ответственных элементов остова относятся цилиндры. Внутренняя часть  цилиндра, ограниченная с одной стороны  головкой (крышкой) цилиндра, а с  другой – днищем поршня, образует камеру сгорания. Стенки цилиндра служат направляющими  для поршня при его возвратно-поступательном движении, поэтому внутренняя поверхность  цилиндра, так называемое зеркало  цилиндра, тщательно обрабатывается.

  Во время  работы двигателя стенки цилиндра находятся  под воздействием давления газов, а  также боковых сил трения, возникающих  при движении поршня. Вследствие этого  цилиндры должны быть достаточно прочными и жесткими, чтобы противостоять  действующим силам, а внутренняя поверхность должна обладать хорошей  износоустойчивостью.

  Цилиндры нагреваются  горячими газами, а также в результате трения поршня и поршневых колец  о стенки. Чтобы температура стенок цилиндра и температурное напряжение в них были в допустимых пределах, применяется охлаждение цилиндров, которое может быть воздушным  или жидкостным. Особенно интенсивное  охлаждение требуется для наиболее нагревающейся части цилиндра –  камеры сгорания.

  Воздушное охлаждение применяется преимущественно на авиационных и мотоциклетных  двигателях, а иногда также на двигателях для легковых автомобилей и тракторов. Цилиндры с воздушным охлаждением изготовляются отдельно один от другого и отъемными от картера. Для увеличения поверхности охлаждения стенки цилиндра снабжаются ребрами. Цилиндры могут быть изготовлены: цельностальными с механически обработанными ребрами, чугунными с отлитыми ребрами, составными – из стальной гильзы с напрессованной алюминиевой оребренной муфтой или с развальцованными у основания алюминиевыми полукольцевыми ребрами. В верхней наиболее нагретой части цилиндра ребра делают большой высоты. Ребра на поверхности цилиндра располагают в соответствии с направлением воздушного потока, омывающего цилиндр. Следует отметить, что, помимо охлаждения, ребра служат также для повышения жесткости цилиндра.

  Цилиндры двигателей с воздушным охлаждением могут  представлять собой моноблок или  быть составными. Цилиндр, изображенный на рис. 1.7, изготовлен в виде общей  отливки, состоящей из собственно цилиндра 1, головки 2, впускного и выпускного патрубков и охлаждающих ребер. В нижней части цилиндр имеет  фланец с отверстиями для крепления  болтами к картеру

Рис. 1.7. Цилиндр двигателя  с воздушным охлаждением

  При жидкостном охлаждении, применяемом в большинстве  двигателей различного назначения, вокруг цилиндров создается полость  охлаждения. В многоцилиндровых двигателях цилиндры обычно выполняют в виде общей отливки, т. е. в виде блока  цилиндров, что повышает жесткость  корпуса и уменьшает его размеры  и массу. Блоки цилиндров отливают из серого чугуна или алюминиевого сплава. Чугунные блоки обладают высокой прочностью и имеют сравнительно малую стоимость. Блоки из алюминиевого сплава легко обрабатываются, имеют небольшую массу, но стоимость их выше стоимости чугунных.

  Рабочей поверхностью цилиндра в чугунных блоках может  служить обработанная поверхность  самого блока или поверхность  специальной вставной гильзы. Применение вставных гильз позволяет увеличить  срок службы блока цилиндров путем  замены изношенных гильз, а также  изготовлением гильз из высококачественного  износостойкого чугуна или стали. Если вставленная в цилиндр гильза не соприкасается с охлаждающей  жидкостью, то ее называют сухой гильзой (рис. 1.8.а). Сухие гильзы устанавливаются  преимущественно в двигателях с  диаметром цилиндра до 200 мм.

 

а                б

 Рис. 1.8. Установка гильз цилиндров

  Кроме сухих  гильз, в цилиндрах двигателей с  жидкостным охлаждением применяются  мокрые гильзы. В этом случае наружная поверхность гильзы омывается охлаждающей  жидкостью. Мокрые гильзы (рис. 1.8б) устанавливают  сверху в блок цилиндров.

  Центрирование гильзы в отверстии блока достигается  с помощью верхнего и нижнего  цилиндрических поясов. Опоры гильзы могут быть на различной высоте, необходимо лишь обеспечить возможность  ее свободного удлинения при нагреве. В средней части цилиндра между  гильзой и блоком образуется пространство – полость охлаждения, по которому циркулирует охлаждающая жидкость. Для предотвращения утечки воды в  картер нижний пояс гильзы уплотняют  резиновыми кольцами.

  Мокрые гильзы чаще применяются в двигателях, чем  сухие, благодаря лучшей теплоотдаче  охлаждающей жидкости. К недостаткам  мокрых гильз следует отнести  уменьшение общей жесткости и  прочности блока цилиндров и  необходимость установки уплотнений.