Кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы

Цель работы: изучить назначение, устройство, принцип действия и регулировки кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов двигателей внутреннего сгорания.

Оборудование рабочего места: двигатели СМД-14, ЗИЛ-130, ЯМЗ-236, КАМАЗ-740, плакаты по устройству двигателей, детали механизмов.

Основное содержание темы:

1. Кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный механизм многоцилиндровых двигателей включает следующие детали: блок цилиндров с головкой и уплотняющей прокладкой, поршни, поршневые кольца, поршневые пальцы, шатуны, коленчатый вал, маховик и картер двигателя с поддоном.

Поршень с кольцами и пальцем образует поршневую группу, блок с головкой и картером – корпус двигателя.

По расположению цилиндров двигатели делятся на рядные и V-образные.

У рядного двигателя все цилиндры расположены в одну линию. При V-образной конструкции двигателя цилиндры расположены в два ряда в двух секциях блока и обычно под углом 90° между их осями.

При V-образном расположении цилиндров их диаметр может быть больше, чем в рядных двигателях, без заметного увеличения длины двигателя.

Кроме того, в V-образных двигателях имеется возможность более удобно расположить различные обслуживающие устройства: карбюратор, топливный насос, масляные фильтры, распределитель зажигания и др., находящиеся обычно на верхней части блока. Это облегчает доступ к устройствам и их обслуживание.

Благодаря перечисленным выше преимуществам двигатели с V-образным расположением цилиндров получают все большее применение на отечественных автомобилях (двигатели ЗИЛ-130, ЯМЗ-236).

Блоком цилиндров называется общая отливка, в которой располагаются цилиндры. У рядных двигателей имеется одна секция блока цилиндров, а у V-образных – две секции (правая и левая), объединяемые общим картером. Блок цилиндров изготовляется вместе с картером. Эта отливка, называемая блок-картером, служит для крепления и сборки всех механизмов и устройств двигателя.

Блок-картер отливается из чугуна или алюминиевого сплава.

В рядных двигателях при изготовлении блока из чугуна цилиндры отливаются вместе с блоком. Внутренняя рабочая поверхность цилиндров, тщательно обработанная и отшлифованная, называется зеркалом цилиндра. Между стенками цилиндров и наружными стенками блока имеется полость, которая заполняется водой, охлаждающей двигатель, и называется водяной рубашкой.

В случае отливки блок-картера из алюминиевого сплава, а также и при чугунном блоке у V-образных двигателей, цилиндры изготовляются в виде отдельных чугунных гильз, устанавливаемых в отверстия верхней и нижней перегородок блока. В блоке гильза закрепляется верхним или нижним буртом, входящим в выточки перегородок блока, и зажимается устанавливаемой сверху на блок головкой на прокладке.

Гильза непосредственно соприкасается с водой, циркулирующей в водяной рубашке, и называется “мокрой”. В этом случае гильза надежно уплотняется в нижней перегородке блока с помощью медного или резинового кольца или нескольких резиновых колец, устанавливаемых внизу в выточках на гильзе.

В верхнюю часть цилиндров блока или гильз, наиболее подвергающихся воздействию высокой температуры и разъедающему действию отработавших газов, обычно запрессовывают короткие гильзы из специального износоустойчивого антикоррозионного чугуна для увеличения срока службы цилиндров двигателя.

При верхнем расположении клапанов в боковой камере блока или обеих его секциях при V-образной конструкции располагаются толкатели и штанги механизма газораспределения.

К передней части блок-картера крепится крышка распределительных шестерен, отливаемая из чугуна или алюминиевого сплава. К задней части блок-картера присоединен чугунный картер маховика. В передней и задней стенках блок-картера и внутренних его перегородках располагаются опоры коленчатого и ра-спределительного валов.

Верхняя плоскость блока цилиндров или каждой его секции при V-образной конструкции тщательно обрабатывается и на нее устанавливается общая головка, закрывающая цилиндры сверху. В головке над цилиндрами сделаны углубления, образующие камеры сгорания, а также имеется водяная рубашка, сообщающаяся с водяной рубашкой блока. При верхнем расположении клапанов в головке цилиндров, кроме того, размещены седла клапанов и отлиты впускные и выпускные каналы. В головке имеются отверстия с резьбой для ввертывания свечей зажигания.

Головка цилиндров у карбюраторных двигателей отливается из алюминиевого сплава. Такая головка обладает высокой теплопроводностью, вследствие чего снижается температура рабочей смеси в цилиндрах двигателя в конце тактов сжатия. Головка цилиндров крепится к блоку гайками на шпильках или болтами. Между блоком и головкой установлена уплотняющая прокладка, устраняющая пропуск газов из цилиндров и протекание воды из водяной рубашки в месте стыка головки и блока. Прокладка изготовляется из асбестового картона, облицованного тонкой листовой сталью, или асбестового картона, пропитанного графитом с металлической окантовкой краев и отверстий. Снизу к фланцу картера двигателя крепится на уплотняющей прокладке болтами стальной штампованный поддон. Плоскость разъема картера совпадает с осью коленчатого вала или располагается ниже нее.

В дизелях давление газов при сгорании значительно выше, чем в карбюраторных двигателях, поэтому блок цилиндров изготовляют из чугуна особенно прочным и жестким. Это достигается значительной толщиной стенок цилиндров и картера, наличием внутри картера большего количества ребер и смещением плоскости разъема картера значительно ниже оси коленчатого вала. Головки цилиндров дизелей изготовляют из чугуна и также делают более прочными и жесткими, чем у карбюраторных двигателей.

В двигателях с непосредственным впрыском топлива (дизели ЯМЗ-236, КАМАЗ-740) головка не имеет углублений над цилиндрами, а камера сгорания образуется соответствующим углублением в днище поршня.

Поршень представляет собой металлический стакан, установленный в цилиндре с некоторым зазором. Поршень днищем воспринимает давление газов. Верхняя усиленная часть поршня, воспринимающая давление газов, называется головкой, а нижняя направляющая часть – юбкой. Приливы в стенках юбки, служащие для установки поршневого пальца, называются бобышками.

Поршни карбюраторных двигателей изготовляют из алюминиевых сплавов. Алюминиевые поршни обладают малым весом, вследствие чего уменьшаются силы инерции, а следовательно, и нагрузки на детали двигателя при его работе. Кроме того, алюминиевые поршни, так же как и алюминиевые головки, обладают лучшей теплопроводностью, поэтому они меньше нагреваются при работе и способствуют снижению температуры рабочей смеси.

В целях повышения износостойкости поршней для их изготовления применяются высококремнистые алюминиевые сплавы с большим содержанием кремния (до 20–25%). Поршни из алюминиевых сплавов изготовляют путем отливки в металлические формы. Для снятия внутренних напряжений в материале литые заготовки поршней подвергают длительному отжигу, а затем механической обработке.

В карбюраторных двигателях головка поршня имеет плоское днище и толстые стенки с внутренними ребрами, повышающими ее прочность и обеспечивающими хороший отвод тепла. В головке на боковой наружной поверхности имеются канавки для установки поршневых колец. В некоторых двигателях (ЗИЛ-130) в головку при заливке поршня заделывается чугунная кольцевая вставка, в которой протачивается канавка для верхнего компрессионного кольца. Такое мероприятие повышает долговечность поршня.

Для улучшения приработки поршней в цилиндрах и для уменьшения износа на юбку поршня наносят специальные покрытия. Обычно трущуюся поверхность юбки лудят – покрывают очень тонким слоем олова (толщиной 0,004–0,006 мм). В средней части юбки делают приливы-бобышки с отверстиями для установки поршневого пальца.

Для того чтобы при нагревании поршень мог расширяться без заедания в цилиндре, его устанавливают с зазором между стенкой цилиндра и юбкой. Алюминий расширяется при нагревании значительно больше, чем чугун. Чтобы в холодном двигателе зазор между поршнем и цилиндром не был чрезмерно большим, что может вызвать стуки поршня и утечку газов из цилиндра, в алюминиевых поршнях применяют пружинящие разрезные юбки. При боковом разрезе по всей длине юбка несколько пружинит, и поршень вставляется в цилиндр холодного двигателя плотно, с малым зазором. При нагревании поршня разрез дает возможность юбке расшириться без заедания поршня в цилиндре. Применяют также поршни с частичным, несквозным разрезом Т- или П-об-разной формы, что повышает жесткость юбки.

Для уменьшения бокового зазора сечение юбки делают не круглой формы, а овальной. Величина овальности (разность осей овала) юбки равна примерно 0,15–0,29 мм. Поршень устанавливают в цилиндре холодного двигателя с минимальным зазором по большой оси овала юбки, располагаемой в плоскости качания шатуна, где действуют боковые силы, прижимающие поршень к стенкам цилиндра. При нагревании поршня юбка может расширяться в направлении малой оси овала, где между юбкой и цилиндром имеется большой зазор. Поршни по длине изготовляют ступенчатыми или конусными, т.к. зазор вверху между стенкой цилиндра и головкой поршня должен быть больше, чем внизу, вследствие большего нагревания головки. Величина зазора между юбкой поршня и цилиндром для двигателей разных марок колеблется в пределах 0,012–0,08 мм.

Для уменьшения веса у некоторых поршней вырезают нерабочую часть юбки. Эти вырезы служат также дляпрохода противовесов при вращении коленчатого вала у короткоходных двигателей.

Для обеспечения лучшего уравновешивания двигателя поршни к каждому двигателю подбирают равного веса. С этой целью на днище поршня, кроме указания группы по размеру, выбивают соответствующую метку весовой группы. Разница в весе поршней, подбираемых для одного двигателя, не должна превышать 6–8 г.

При сборке поршни обычно устанавливают разрезом на левую сторону двигателя, т.к. во время работы к этой стороне поршень прижимается с меньшей силой. Для удобства сборки на днище поршня в этом случае делают специальную метку, которая должна быть обращена к передней части двигателя.

В дизелях применяют поршни из специального чугуна (двухтактные дизели ЯАЗ) или из высококремнистого алюминиевого сплава (четырехтактные дизели ЯМЗ) с неразрезной юбкой. Так как в дизелях боковая сила, прижимающая поршень к стенке цилиндра, достигает значительной величины, то для получения нормального удельного давления между цилиндром и поршнем юбку делают большей длины. Днище поршня, воспринимающее значительное давление газов, делают более прочным с усилением его внутренней стороны большим количеством ребер. Для обеспечения хорошего смесеобразования при непосредственном впрыске топлива в днище поршня располагается камера сгорания специальной формы.

Поршневые кольца. На поршне устанавливают компрессионные и маслосъемные кольца. Компрессионные кольца уплотняют поршень в цилиндре и служат для предотвращения прорыва газов через зазор между юбкой поршня и стенкой цилиндра. Маслосъемные кольцаснимают излишки масла со стенок цилиндров, препятствуя проникновению его в камеру сгорания.

Компрессионные кольца устанавливают в верхние канавки на головке поршня (два-три кольца). Маслосъемные кольца (одно или два) располагают под компрессионными кольцами на головке или одно кольцо размещают внизу на юбке.

Компрессионные кольца изготовляют из чугуна путем их индивидуальной отливки и последующей обработки; торцовую поверхность колец шлифуют. На кольце делают прямой вырез, называемый замком и позволяющий кольцу пружинить.

Кольцо плотно (с зазором 0,02–0,08 мм) подгоняют по высоте к канавке поршня, и в свободном состоянии оно имеет диаметр, несколько больший диаметра цилиндра. При установке в цилиндр поршня вместе с кольцом его предварительно сжимают, а затем оно вследствие упругости плотно прилегает к стенке цилиндра, обеспечивая хорошее уплотнение поршня. Для возможности свободного расширения кольца при нагревании в замке кольца, установленного в цилиндр, должен быть зазор 0,2–0,4 мм.

Для обеспечения хорошей приработки компрессионных колец к цилиндрам иногда применяют кольца с наклонной (конусной) наружной поверхностью, а также кольца, имеющие фаску с внутренней или наружной стороны (скручивающиеся кольца). Из-за наличия фаски при сжатии и установке в цилиндр такие кольца перекашиваются, и их наружная поверхность располагается под углом к стенке цилиндра. Для правильной установки скручивающихся колец на поршне на них с верхней стороны иногда делают метки.

Чтобы улучшить приработку и повысить износоустойчивость колец, на их трущуюся поверхность наносят специальные покрытия. Верхнее компрессионное кольцо (одно или два кольца), работающее в наиболее тяжелых условиях, обычно покрывают пористым хромом (общая толщина покрытия 0,10–0,15 мм, толщина слоя пористого хрома 0,04–0,06 мм). Хромированная поверхность износоустойчива, а пористый слой хрома хорошо удерживает в себе смазку. Это значительно повышает износоустойчивость кольца и улучшает условия работы колец, расположенных ниже. Остальные кольца для лучшей прирабатываемости обычно подвергают электролитическому лужению (толщина слоя олова 0,005–0,01 мм).

Для увеличения плотности прилегания кольца к стенке цилиндра его изготовляют таким образом, что в свободном состоянии форма кольца отклоняется от окружности, вследствие чего при его сжатии и установке в цилиндр обеспечивается правильное распределение давления кольца на стенку цилиндра.

Маслосъемные кольца, также изготовляемые из чугуна, имеют сквозные прорези, а иногда еще и канавку на наружной поверхности. Маслосъемные кольца устанавливают в канавки с отверстиями. При движении поршня маслосъемное кольцо снимает излишнее масло со стенок цилиндра, и через прорези на кольце и отверстия в поршне масло отводится в картер.

Кроме чугунных маслосъемных прорезных колец, применяют также стальные составные маслосъемные кольца, состоящие из двух стальных плоских колец (дисков), между которыми установлен осевой расширитель, прижимающий их к стенкам канавки. Для облегчения прижатия колец к стенке цилиндра под ними в канавке установлен радиальный расширитель. Оба расширителя представляют собой стальные гофрированные пружинящие кольца.

Поршневой палец предназначен для шарнирного соединения поршня с шатуном.

Палец, представляющий собой короткую стальную трубку, проходит через верхнюю головку шатуна и концами лежит в бобышках поршня. При работе двигателя на палец действуют силы, стремящиеся его изогнуть; поверхность пальца подвергается износу в верхней головке шатуна и бобышках поршня. Для получения достаточной прочности и износоустойчивости палец изготовляют из мягкой углеродистой стали и после механической обработки подвергают термической обработке (цементируют или закаливают). Наружную поверхность пальца шлифуют.

Для того чтобы при работе двигателя палец не мог выдвинуться из поршня и повредить стенки цилиндра, его закрепляют. На двигателях широко применяют пальцы плавающего типа. Такой палец может проворачиваться и в бобышках поршня, и в верхней головке шатуна. Палец крепят по бокам двумя пружинящими стопорными кольцами, установленными в канавках бобышек поршня. Головка шатуна в этом случае снабжается бронзовой втулкой. У плавающего пальца вся поверхность является рабочей, вследствие чего обеспечивается меньший его износ и уменьшается возможность заедания.

Так как алюминиевый сплав при нагревании расширяется больше, чем сталь, то, чтобы избежать появления большого зазора и стука в прогретом двигателе, палец в бобышках холодного алюминиевого поршня устанавливают с натягом, для чего диаметр отверстия в бобышках поршня делают несколько меньше диаметра пальца. Поэтому при установке пальца при сборке шатуна с поршнем алюминиевый поршень предварительно нагревают обычно в воде до температуры 55–70 °С.

Шатун передает усилие от поршня на коленчатый вал и вместе с валом преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение вала. Основными элементами шатуна являются стержень, верхняя и нижняя головки.

Шатун изготовляют из углеродистой или специальной стали путем штамповки нагретых заготовок, после чего подвергают его механической и термической обработке (закалке и отпуску).

Стержень шатуна для увеличения прочности имеет двутавровое сечение. В случае принудительной смазки поршневого пальца в стержне шатуна высверливают канал.

Верхняя головка шатуна предназначена для установки поршневого пальца, соединяющего шатун с поршнем. При плавающем пальце головку изготовляют цельной и в нее запрессовывают одну или две бронзовые втулки. Для смазки трущейся поверхности в головке и втулках сделаны отверстия.

Нижняя головка шатуна служит для соединения его с шатунной шейкой коленчатого вала. Для возможности сборки с валом нижнюю головку шатуна делают разъемной. Крышку крепят к шатуну двумя шатунными болтами, изготовленными из специальной стали. Чтобы избежать ослабления крепления, гайки шатунных болтов стопорят при помощи шплинтов или стопорными шайбами.

Для уменьшения трения в соединении и износа шейки коленчатого вала в нижнюю головку шатуна устанавливают шатунный подшипник, выполненный в виде двух тонкостенных стальных вкладышей, залитых особым, снижающим трение антифрикционным сплавом. Внутренняя поверхность вкладышей очень точно подогнана по шейкам вала и плотно охватывает их по всей поверхности.

От проворачивания и сдвигания вкладыши фиксируются в головке шатуна отогнутыми усиками, входящими в соответствующие пазы головки.

При небольшом износе шатунной шейки вала вкладыши заменяют вкладышами несколько большего размера без перешлифовки шейки вала, что облегчает и ускоряет ремонт; при большом износе шейки вала шлифуют и ставят в шатуны вкладыши соответствующего ремонтного размера.

Основание вкладышей изготовляют из малоуглеродистой стальной ленты толщиной 1–2 мм, на которую наплавляют тонкий слой антифрикционного материала толщиной 0,2–0,4 мм.

В двигателях с V-образным расположением цилиндров нижние головки шатунов двух цилиндров, расположенных в одной поперечной плоскости, соединяют с одной общей шатунной шейкой вала. Это ограничивает ширину вкладышей шатунного подшипника, вследствие чего нагрузка на него возрастает. Для получения необходимой долговечности шатунных подшипников в V-образных двигателях начинают использовать антифрикционные сплавы, обладающие еще большей нагрузочной способностью. Так, для этой цели применяют алюминиевый сплав, содержащий 20% олова и 1% меди. Этот сплав наносится на стальную ленту основания вкладыша путем раскатки. Применяют также сталеалюминиевые вкладыши, изготовленные из биметаллической ленты, у которой со стальным основанием прочно соединен антифрикционный слой из алюминиево-сурмянисто-медного (АСМ) сплава.

В дизелях шатуны делают особенно прочными и жесткими, т.к. они передают значительно большие усилия, чем шатуны в карбюраторных двигателях. Ввиду увеличения размеров нижней головки шатуна для возможности его выемки через цилиндр, нижняя головка в некоторых дизелях (четырехтактные дизели ЯМЗ) имеет косой разъем с ребристой поверхностью соприкосновения крышки с шатуном, что разгружает шатунные болты от возникающего на крышке бокового усилия.

Для обеспечения хорошей уравновешенности двигателя шатуны, так же как и поршневую группу двигателя, подбирают одинакового веса и с соответствующим распределением веса между нижней и верхней головками. Чтобы правильно собрать шатун с поршнем и установить его в двигателе в надлежащем положении, на шатуне делают соответствующие метки. На нижней головке шатуна и на крышке обычно выбивают порядковый номер шатуна.

Коленчатый вал с помощью шатунов воспринимает усилия, действующие на поршни, от давления газов в цилиндрах.

Коленчатый вал состоит из коренных шеек, шатунных шеек, щек, фланца, переднего конца и противовесов.

В большинстве двигателей коленчатый вал изготовляют из углеродистой стали ковкой или штамповкой нагретых заготовок. После этого вал подвергают механической и термической обработке. Шейки вала для получения гладкой точной цилиндрической поверхности шлифуют и полируют, а для повышения их износостойкости подвергают поверхностной закалке токами высокой частоты. После обработки проверяют правильность распределения массы вала относительно оси вращения, т. е. вал балансируют.

Коренными шейками вал устанавливают в подшипниках картера двигателя, а к шатунным присоединяют нижние головки шатунов. Шейки соединяются щеками. Места перехода от шеек к щекам, которые для избежания поломок вала делают закругленными, называются галтелями.

Задняя коренная шейка коленчатого вала обычно имеет маслоотражательный гребень и резьбу для устранения утечки масла из картера двигателя.

На переднем конце вала закрепляют распределительную шестерню, маслоотражатель, шкив привода вентилятора и храповик для проворачивания вала пусковой рукояткой. Фланец на заднем конце вала служит для присоединения маховика.

Расположение кривошипов вала и количество коренных шеек зависят от типа двигателя, числа и расположения цилиндров. В рядном четырехцилиндровом двигателе вал устанавливается на трех или пяти опорах, в шестицилиндровом рядном двигателе – на четырех или семи опорах. Чем больше число опор, тем выше жесткость вала и лучше условия его работы.

В V-образных двигателях каждая шатунная шейка вала используется для присоединения двух шатунов, число коренных шеек для восьмицилиндрового двигателя равно пяти, а для шестицилиндрового – четырем.

Для подачи масла к шатунным подшипникам из коренных в щеках вала высверливают каналы или заделывают трубки. Шатунные шейки коленчатых валов обычно снабжаются грязеуловителями, которые значительно улучшают очистку масла, поступающего к шатунным подшипникам, от механических примесей, тем самым снижая износ шеек и подшипников. Грязеуловитель представляет собой камеру, высверленную (или отлитую) в шатунной шейке и закрываемую пробкой на резьбе. Масло поступает в грязеуловитель по каналу из коренного подшипника. Механические примеси, имеющиеся в масле, при вращении вала отбрасываются центробежной силой в карман грязеуловителя, и очищенное масло через отверстие проходит к шатунному подшипнику.

Противовесы, имеющиеся на коленчатом валу, служат для разгрузки коренных подшипников от действия моментов, создаваемых центробежными силами, возникающими на кривошипах вала при его вращении, или для уравновешивания сил инерции поступательно движущихся частей. Противовесы делают как одно целое со щеками кривошипов (СМД-14, ЗИЛ-130) или крепят к щекам наглухо специальными болтами (ЯМЗ-236).

Маховик представляет собой чугунный, тщательно сбалансированный диск определенного веса. Кроме обеспечения равномерного вращения коленчатого вала, маховик после раскручивания вала способствует преодолению сопротивления сжатия в цилиндрах при пуске двигателя.

Маховик крепится к фланцу коленчатого вала болтами, которые шплинтуют. Для точной центровки маховика на фланце служат установочные штифты, закрепленные во фланце, или бурт самого фланца. На ободе маховика закреплен зубчатый венец для пуска двигателя от стартера и нанесены установочные метки для определения верхней мертвой точки поршня первого цилиндра и установки зажигания.

Картером называется нижняя часть двигателя, отлитая вместе с блоком цилиндров. Картер служит основанием для установки коленчатого вала и других деталей и частей двигателя. Снизу к картеру крепится болтами на уплотняющей прокладке поддон, защищающий двигатель от загрязнения и служащий резервуаром для масла.

Плоскость разъема картера совпадает с плоскостью оси коленчатого вала или смещена у двигателей некоторых марок ниже оси коленчатого вала для повышения жесткости блока-картера.

Внутри картера имеются перегородки и ребра, придающие ему жесткость и прочность.

В картере расположены коренные подшипники, в которые устанавливают коленчатый вал. Каждый коренной подшипник состоит из гнезда, расположенного в стенках и перегородках картера, и крышки, которая прикреплена к основанию двумя или четырьмя болтами. Болты крышек шплинтуют проволокой или закрепляют стопорными шайбами или стопорными пластинами.

В коренных подшипниках двигателей применяют тонкостенные взаимозаменяемые стальные вкладыши такой же конструкции и с таким же составом, как и в шатунных подшипниках. Толщина вкладышей и антифрикционного слоя несколько больше, чем у шатунных подшипников. Между краями подшипника и галтелями коренных шеек вала имеются зазоры, которые необходимы для удлинения вала при нагревании.

Один из коренных подшипников является установочным и служит для устранения осевых перемещений вала. Установочный подшипник плотно подогнан по длине к шейке вала. При наличии тонкостенных вкладышей установочным подшипником обычно является передний подшипник. В этом случае на передней шейке вала с обеих сторон подшипника устанавливают стальные упорные шайбы с антифрикционным слоем, закрепленные от проворачивания в основании подшипника и его крышке.

Торцовая поверхность шайб соприкасается со шлифованной торцовой поверхностью щеки вала и со специальным упорным кольцом, закрепленным наглухо на валу, вследствие чего устраняются осевые перемещения вала. Величина осевого зазора вала, обеспечиваемая установочным подшипником, равна примерно 0,1–0,2 мм.