Кривошипно-шатунный механизм предназначен для преобразования поступательного движения поршней двигателя под воздействием давления сгоревших газов во вращательное движение коленчатого вала.
Все детали, образующие кривошипно-шатунный механизм, можно разделить на две основные группы — неподвижные детали и детали, совершающие поступательное или вращательное движение.
К неподвижным деталям относятся цилиндры или блок цилиндров (в зависимости от применяемой конструкции), головки цилиндров или головки блока цилиндров, картер, поддон картера.
Цилиндр является направляющей поверхностью для поршня при его перемещении от ВМТ к НМТ. Высокая температура и давление, возникающие в процессе сгорания, воспринимаются стенками цилиндра. Поршень при своем перемещении развивает высокую линейную скорость (до 17 м/с). Эффективность рабочего процесса ДВС возможна только при высокой степени уплотненности поршня в цилиндре, следовательно, для сохранения работоспособности ДВС внутренние стенки цилиндра должны обладать высокой износостойкостью. Изготавливаются цилиндры из высокопрочного чугуна с небольшими добавками легирующих элементов — никеля, хрома и др. Для уменьшения износа и механических потерь внутренняя поверхность цилиндра, называемая зеркалом, обрабатывается с высокой чистотой и точностью.
На двигателях с воздушным охлаждением применяются отдельные цилиндры. В этом случае каждый цилиндр имеет развитое оребрение для обеспечения эффективной теплоотдачи (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Цилиндры двигателей с воздушным охлаждением: а — цилиндр с залитой гильзой и алюминиевым оребрением; б — монолитный цилиндр (чугун)
На двигателях с жидкостным охлаждением применяют блок цилиндров, при этом на большинстве современных двигателей блок цилиндров и картер образуют единый узел — блок-картер, имеющий рубашку охлаждения, заполненную охлаждающей жидкостью. На рис. 2.7 и 2.8 показаны блок-картеры рядного и V-образного двигателей. Цилиндры могут быть образованы непосредственно в теле блок-картера, в этом случае его изготавливают из высокопрочного чугуна. Если для снижения массы двигателя его блок-картер отлит из алюминиевого сплава, то в этом случае цилиндры представляют собой чугунные гильзы, установленные в блоке цилиндров. Если наружная поверхность гильзы омывается охлаждающей жидкостью, гильза называется мокрой. Для исключения возможности утечки охлаждающей жидкости через место стыка гильзы и блока в этом случае применяют уплотнения, представляющие собой медные, алюминиевые или стальные (из мягкой стали) уплотнительные прокладки, а также резиновые кольца.
Рис. 2.7. Блок-картер и головка рядного двигателя автобуса ГАЗ-33021 «газель»: 1 — сливной кран; 2 — штуцер крана; 3 — блок цилиндров; 4 — прокладка головки цилиндров; 5 — гильза цилиндра; 6 — прокладка гильзы цилиндров; 7 — крышка; 8, 14, 17 — прокладки; 9,12 — скобы для подъема двигателя; 10 — головка цилиндров; 11— пробка; 13 — установочный штифт; 15 — крышка коробки толкателей; 16 — крышка распределительных шестерен; 18 — передняя манжета с маслоотражателем; 19 — штифты
Гильзы могут применяться и при чугунных блок-картерах, что облегчает ремонт двигателя.
Рис. 2.8. Блок-картер V-образного двигателя: 1 — коренной подшипник коленчатого вала; 2 — гильза цилиндра; 3 — подшипники распределительного вала
В нижней части блока-картера устанавливается коленчатый вал. Он вращается в подшипниках скольжения, установленных в расточках блока, к которым крепятся нижние крышки этих подшипников.
Снизу картер закрыт литым или штампованным поддоном» прикрепляемым по всему периметру к картеру шпильками или винтами. Внутренняя полость подгона выполняет функции масляного резервуара, в котором устанавливается маслоприемник системы смазки, вместе с масляным насосом. Во внутренней полости картера может возникать повышенное давление, вызванное проникновением отработавших газов из цилиндров. В этом случае может происходить вытеснение масла в окружающую среду через неплотности стыков и отверстие масляного щупа, поэтому предусматривается вентиляция картера. В современных двигателях для исключения попадания картерных газов в окружающую среду предусматривается их отвод в систему впуска.
Сверху цилиндры закрыты головкой блока цилиндров. Она служит для размещения всей камеры сгорания или ее части, для установки свечи зажигания в двигателях с искровым воспламенением или форсунки для впрыска топлива в дизелях. Кроме этого в головке размещается механизм газораспределения (см. подраздел 2.3) или его элементы, в частности клапаны, каналы впуска горючей смеси бензиновых двигателей или воздуха у дизелей, каналы выпуска отработавших газов. При жидкостном охлаждении в головке располагается полость для циркуляции охлаждающей жидкости. При изготовлении головок из алюминиевого сплава применяют вставные седла клапанов, изготовленные из жаропрочного чугуна или легированной стали. Вставные седла клапанов, особенно выпускных, могут применяться и при чугунных головках.
Крепление головок к цилиндрам или блок-картеру осуществляется при помощи шпилек или болтов, ввернутых в картер. Для исключения возможности прорыва газов в окружающую среду или систему жидкостного охлаждения между головкой и цилиндром (или блоком) устанавливают уплотняющую прокладку, выполненную из асбеста, армированного сталью, либо из меди или алюминия. На некоторых современных дизелях прокладка не устанавливается, а герметичность стыка обеспечивается высокой точностью и чистотой его обработки. На дизеле ГАЗ-560 блок цилиндров отлит заодно с головкой. Для обеспечения герметичности стыка головки с цилиндром или блок-картером соприкасающиеся поверхности головки и блока (цилиндра) должны иметь высокую точность изготовления, обеспечивающую единую плоскость контакта. Крепление головки к цилиндру или блоку должно выполняться с высоким значением момента затяжки резьбовых соединений (обеспечиваемых специальным динамометрическим ключом). Гайки резьбовых соединений затягивают при этом в определенной последовательности, исключающей возможность деформации головки. Необходимо помнить, что в процессе эксплуатации вытяжка крепежных шпилек может привести к нарушению герметичности стыка, в результате чего возможен прорыв газов в окружающую среду и в систему охлаждения и попадание охлаждающей жидкости в поддон двигателя и в систему выпуска, что приводит к выходу двигателя из строя.
К подвижным частям кривошипно-шатунного механизма относятся поршневая и шатунная группы, коленчатый вал, подшипники скольжения и маховик.
В поршневую группу входят поршень с поршневыми кольцами и поршневой палец с деталями его стопорения.
Поршень (рис. 2.9) служит для восприятия давления газов и для изоляции рабочей камеры от внутренней полости картера. Он подвержен высоким температурным и силовым нагрузкам и изготавливается чаще всего из высокопрочного алюминиевого сплава. Поршень состоит из двух основных частей — головки и юбки. Головка является уплотняющей частью поршня. В ней выполнены канавки для установки колец, которые называют поршневыми (см. далее). Днище поршня может быть плоским, выпуклым, вогнутым или фигурным. У дизелей, кроме того, в поршне часто предусмотрены проточки для впускного и выпускного клапанов в их открытом положении.
Рис. 2.9. Поршень дизеля (а) и формы поршней разных двигателей (б): 1— канавка нижнего маслосъемного кольца; 2 — проточка под стопорное кольцо поршневого пальца; 3 — внутренняя поверхность бобышки; 4 — отверстие для смазки поршневого пальца; 5 — канавка верхнего маслосъемного кольца; 6 — канавки компрессионных колец; 7 — головка поршня; 8 — камера сгорания в поршне; 9 — днище поршня; 10 — отверстия для отвода масла; 11 — юбка
Во внутренней полости поршня имеются бобышки, связанные ребрами жесткости с его внутренней поверхностью и днищем. В бобышках выполнены отверстия, имеющие общую ось. В отверстиях бобышек устанавливается поршневой палец, служащий для связи поршня с шатуном. Осевая фиксация поршневого пальца обеспечивается чаще всего пружинными стопорными кольцами, устанавливаемыми в проточках отверстий бобышек.
Часть поршня, расположенная ниже оси бобышки, называется юбкой. Юбка является направляющей частью поршня, она воспринимает боковые силы, возникающие при работе двигателя. Цилиндр изготавливается из чугуна, а поршень чаще всего из алюминиевого сплава, у которого коэффициент линейного расширения при нагреве больше, чем у чугуна, поэтому для исключения заклинивания поршня в цилиндре предусмотрен тепловой зазор между юбкой и цилиндром, который уменьшается по мере нагрева этих деталей. Поскольку масса металла поршня по оси бобышек больше, чем в поперечном направлении, то и линейное расширение поршня по этой оси больше. Чтобы в прогретом состоянии получить цилиндрическую форму юбки, она в холодном состоянии выполняется овальной и конусной. При этом размер по оси бобышек меньше, чем в поперечном направлении, и размер поршня в плоскости бобышек меньше, чем в нижней части юбки. У поршней некоторых бензиновых двигателей в юбке предусмотрен разрез Т- или П-образной формы или косой. Разрез обеспечивает цилиндричность юбки в нагретом состоянии.
Цилиндры по внутреннему диаметру, а поршни по наружному — разделены по размерам (через 0,01 мм) на пять классов, имеющих буквенные обозначения. Диаметры под поршневой палец делятся через 0,004 мм на три категории, обозначаемые цифрами.
В многоцилиндровых двигателях для обеспечения уравновешенности при работе двигателя поршни разных цилиндров должны иметь одинаковую массу, что обеспечивается подбором поршней одинаковых классов и категорий. В маркировке на днище поршня указывается направление установки, класс, категория и масса поршня.
Поршневые кольца делятся на два типа — компрессионные и маслосъемные.
Компрессионные кольца предотвращают прорыв газов под высоким давлением из камеры сгорания в картер двигателя. На современных двигателях применяют поршни с двумя или тремя компрессионными кольцами. Кольца должны обладать высокой упругостью, тепло и износостойкостью. Для установки кольца в канавке поршня при заданных размерах цилиндра кольцо выполняется разрезным. Изготавливаются компрессионные кольца из высокопрочного чугуна, а также из легированной стали. Наиболее нагруженными являются верхние компрессионные кольца, поэтому для улучшения смазки их наружная поверхность покрывается пористым хромом. Нижние компрессионные кольца для уменьшения потерь на трение покрываются тонким слоем мягкого металла, обычно олова. Покрытие оловом верхних колец невозможно из-за высоких рабочих температур. Применяют верхние компрессионные кольца с молибденовым покрытием, что увеличивает их стоимость, но существенно повышает надежность.
Варианты конструкций компрессионных и маслосъемных колец представлены на рис. 2.10.
Рис. 2.10 Форма и конструкция поршневых колец: а—дизеля; б — бензинового двигателя; 1 — трапециевидное; 2 — с конической поверхностью; 3 — с конической поверхностью и подрезом; 4 — маслосъемное пружинящее с расширителем; 5 — бочкообразной формы; 6 — с конической поверхностью со скосом; 7 — с подрезом; 8 — маслосъемное с дренажными отверстиями и узкой перемычкой; 9 — маслосъемное составное
Разрез кольца называется замком, он может быть прямым, косым или ступенчатым.
В свободном состоянии диаметральный размер кольца больше диаметра цилиндра. При установке в цилиндр кольцо упруго деформируется, но в разрезе (замке) сохраняется гарантированный зазор, необходимый для компенсации теплового расширения кольца. Для уменьшения прорыва газов через замки они смещены у соседних колец один относительно другого по окружности.
Маслосъемные кольца служат для снятия излишков масла с зеркала цилиндра и отвода снятого масла в картер двигателя. Благодаря этому уменьшается попадание масла в камеру сгорания. В канавках, предназначенных для установки маслосъемных колец, предусмотрены радиальные отверстия для отвода масла, снимаемого маслосъемным кольцом с зеркала цилиндра. У поршней некоторых дизелей маслосъемные кольца устанавливают не только в головке поршня, но и в нижней части юбки (см. рис. 2.9). Встречаются различные варианты конструкций маслосъемных колец. Наибольшее распространение в бензиновых двигателях автобусов особо малого и малого классов получили маслосъемные кольца дренажного (рис 2.11) или скребкового (рис. 2.12) типа. В первом случае кольцо представляет собой прямоугольную конструкцию с проточкой в средней части, образующей две выступающие наружные кромки, снимающие масло с зеркала цилиндра. Отвод масла в под поршневое пространство обеспечивается через дренажные отверстия в проточках кольца. Во втором случае кольцо имеет остроугольный профиль, острая кромка которого снимает масло со стенки цилиндра. В канавку поршня в этом случае устанавливаются два кольца.
РИС. 2.11 Маслосъемное кольцо дренажного типа
Рис. 2.12. Маслосъемные кольца скребкового типа
На многих двигателях применяют составные маслосъемные кольца — набор из двух плоских стальных дисков и двух расширителей, радиального и осевого (рис. 2.13). Радиальный расширитель прижимает стальные диски к поверхности стенки цилиндра и представляет собой волнообразное в плане пружинное кольцо с прямоугольными отверстиями для отвода собранного масла. Осевой расширитель прижимает диски к верхней и нижней кромкам кольцевых канавок поршня и представляет собой кольцо зубчатой формы. На дизелях КамАЗ-740 установлены коробчатые маслосъемные кольца, представляющие собой чугунные кольца дренажного типа, внутрь которых вставлен тангенциальный расширитель (винтовое пружинящее кольцо), выполняющий функции осевого и радиального.
Рис. 2.13 Составное маслосъемное кольцо: 1 — кольцо; 2 — осевой расширитель; 3 — радиальный расширитель; 4 — окно
Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с верхней головкой шатуна. Наружная поверхность этой полой оси из высоколегированной стали подвергается поверхностному упрочнению (цементация или нитро-цементация) с последующей шлифовкой и полировкой. В большинстве случаев установка пальца в поршне и в верхней головке шатуна допускает его угловое и осевое перемещение в отверстиях бобышек и верхней головки. Осевая фиксация пальца осуществляется с помощью пружинных стопорных колец, установленных в соответствующих проточках, исключающих возможность задевания пальца за зеркало цилиндра. Такое крепление пальца называется плавающим. В отдельных случаях палец жестко фиксируется либо в отверстии бобышек, либо в отверстии верхней головки шатуна. Фиксация может обеспечиваться соответствующей посадкой с натягом.
В шатунную группу входят, кроме самого шатуна, крышка нижней головки, комплект подшипников и комплект болтов с гайками.
Шатун (рис. 2.14) связывает поршень с кривошипом коленчатого вала и передает усилия, газовые силы и силы инерции на шатунную шейку коленчатого вала. Усилия поршня создают на шатуне напряжения сжатия, растяжения и изгиба, поэтому к шатуну предъявляются высокие требования по прочности. Вместе с тем эта деталь должна иметь минимальную инерцию, поэтому масса шатуна должна быть минимальной. Изготавливают шатуны ковкой из высокопрочной стали с последующей термообработкой. Шатун представляет собой стержень двутаврового сечения, что позволяет при малой массе обеспечить необходимую прочность. В высоконагруженных двигателях для обеспечения подвода масла под давлением к подшипнику верхней головки шатуна в теле стержня выполняется канал.
Рис. 2.14. Шатун дизеля: 1 — вкладыши нижней головки; 2 — втулке верхней головки; 3 — верхняя головке шатуна; 4 — стержень; 5 — нижняя головка шатуна; 6 — центрирующий выступ; 7 — крышка нижней головки; 8 — шатунный болт
Верхняя головка шатуна представляет собой толстостенный цилиндр, плавно переходящий в стержень. Внутренняя поверхность верхней головки выполнена с высокой точностью, поскольку в нее запрессовывается подшипник, представляющий собой тонкостенную втулку из оловянистой бронзы с толщиной стенок 0,8…2,5 мм. Для обеспечения необходимого ресурса двигателя между трущимися поверхностями пальца и подшипника верхней головки необходимо наличие слоя масла, которое может подаваться в зону контакта либо разбрызгиванием, либо под давлением из системы смазки двигателя.
Нижняя головка шатуна выполняется разъемной. Верхняя часть нижней головки откована заодно со стержнем и представляет собой полуцилиндр, плавно переходящий в стержень. Нижняя часть — также полуцилиндр, выполняющий функции крышки, соединенной с верхней частью двумя болтами с гайками или без них. Для обеспечения соосности внутренних поверхностей полуцилиндров в верхней и нижней частях головки предусматривается взаимная фиксация, которая чаще всего обеспечивается применением болтов с натягом (в этом случае между телом болта и отверстием под ним отсутствует радиальный зазор) или установкой специальных штифтов. Отверстие в нижней головке обрабатывается совместно с крышкой, поэтому при сборке каждому шатуну должна соответствовать своя индивидуальная крышка. Для обеспечения такой возможности на бобышках под болт шатуна выбивается порядковый номер цилиндра. Для предотвращения раскрытия стыка верхней части нижней головки и крышки болты крепления крышек должны затягиваться с определенным моментом, устанавливаемым заводом-изготовителем. В бензиновых двигателях момент затяжки составляет величину 70…80 Н-м, в дизелях — 180…240 Н-м. Болты крепления крышки изготавливаются из высоколегированной стали. Для предотвращения отворачивания гаек в процессе эксплуатации гайки либо выполняются самоконтрящимися, либо устанавливаются на специальном герметике.
Функции подшипника нижней головки шатуна выполняют два полуцилиндрических тонкостенных вкладыша из стальной ленты, на внутреннюю поверхность которой нанесен тонкий слой антифрикционного материала. Антифрикционный материал — баббиты на свинцовой основе ( 83 % олова и 17 % свинца) или алюминиевые высокооловянистые сплавы (например, А0-20 — 20 % олова, 1 % меди и 79 % алюминия). Вкладыш может быть двухслойным (биметаллическим — стальная лента и антифрикционный сплав) или трехслойным (триметаллическим — стальная лента, медноникелевый подслой и антифрикционный сплав). Для предотвращения проворота вкладышей в своих гнездах на внутренних поверхностях нижней головки предусматриваются специальные гнезда, в которые входят отштампованные на вкладыше фиксирующие выступы-усики (рис. 2.15).
Рис. 2.15. Установка шатунных (а) и коренных (б) вкладышей: 1 — фиксирующий выступ; 2 — смазочное отверстие; 3 — коленчатый вал; 4 — шатун; 5 , 6 — полукольце; 7 — крышке шатуна
Коленчатый вал состоит из носка, коренных и шатунных шеек, связанных между собой щеками, и хвостовика (рис. 2.16). Коленчатые валы отливают из высокопрочного чугуна или среднеуглеродистой стали и отковывают из среднеуглеродистой легированной стали.
Рис. 2.16. Конструкция коленчатого вала: 1 — передний противовес; 2 — шестерня привода масляного насоса; 3 — заглушка; 4 — задний противовес; 5 — ведущая шестерня приводе ГРМ; 6 — маслоотражатель; 7 — втулка; 8 — винт-заглушка
Носок представляет собой переднюю часть вала, на которой (чаще всего на шпонке) устанавливается деталь механизма газораспределения (шестерня, ведущая звездочка цепной передачи или шкив зубчатого ремня), шкив клиноременной передачи привода водяного насоса, генератора, компрессора, насоса гидроусилителя и пр. Для крепления указанных деталей внутри носка выполняется отверстие с резьбой.
Щеки обычно выполнены заодно с противовесами, в некоторых случаях противовесы крепятся к щекам болтами. Противовесы устанавливаются для полной или частичной разгрузки коренных подшипников от действия центробежных сил, создаваемых неуравновешенными массами деталей вала.
Опорами коленчатого вала в картере являются коренные шейки. Валы могут быть полноопорными и неполноопорными. У полноопорных между соседними коренными шейками размещается только одна шатунная шейка. У неполноопорных между соседними коренными шейками могут быть две (не более) шатунные шейки. Коленчатые валы могут изготавливаться литьем и штамповкой (ковкой). Улитых коленчатых валов шейки и щеки чаще всего выполняют полыми, что позволяет уменьшить их массу. Внутренняя полость коленчатого вала одновременно выполняет функции масляной магистрали.
Кованые валы выполняют монолитными, для образования масляной магистрали в щеках и шейках делаются сверления, заглушаемые резьбовыми пробками. В качестве подшипников коренных опор применяют подшипники скольжения, аналогичные по материалам и конструкции и шатунным подшипникам. Эти подшипники устанавливают в гнездах картера, имеющих соответствующую обработку, и закрепляют крышками и болтами, ввернутыми в резьбовые отверстия картера. Для исключения самоотворачивания болтового крепления момент затяжки должен быть 110… 113 Н м, кроме этого соединение фиксируют герметиком или замковыми шайбами.
Фиксация от осевого смещения коленчатого вала обеспечивается установкой стопорных колец на носке вала или у его хвостовика. Эта фиксация необходима для исключения осевого смещения вала от возникающих при выключении сцепления осевых сил, а также от осевых сил в косозубом зацеплении шестерен привода механизма газораспределения. Допустимая величина осевого смещения составляет обычно 0,2 мм. Технологический разброс осевых размеров компенсируется подбором толщины фиксирующих шайб.
Маховик — чугунный диск, предназначенный для накопления кинетической энергии коленчатого вала, он обеспечивает равномерную работу двигателя и установлен на хвостовике. На проточку в наружной поверхности маховика напрессовывается зубчатый венец для стартерного пуска двигателя. Рядом с зубчатым венцом наносят метки с соответствующими надписями, определяющими момент ВМТ в первом цилиндре. В отдельных случаях, кроме метки ВМТ, в первом цилиндре наносится также метка, соответствующая моменту искры в свече зажигания первого цилиндра. При применении механической ступенчатой трансмиссии маховик является ведущей частью фрикционного сцепления. В этом случае его торцевая поверхность, обращенная к коробке передач, подвергается шлифованию и служит поверхностью трения. К этой же торцевой поверхности винтами крепится кожух сцепления, внутри которого расположен ведомый диск.
При установке гидромеханической трансмиссии к маховику крепится насосное колесо гидротрансформатора.
Поскольку носок и хвостовик коленчатого вала располагаются вне картера двигателя, необходимо уплотнение вала в соответствующих расточках картера. Это уплотнение обеспечивается установкой между валом и картером резиновых манжет. Обычно для разгрузки манжеты от притока масла под действием избыточного давления внутри картера на носке и хвостовике коленчатого вала устанавливают маслоотражательные кольца (диски) и выполняют маслосгонную резьбу.
Для уменьшения динамических нагрузок, вызываемых действием центробежных сил неуравновешенных масс, коленчатый вал в сборе с маховиком балансируют. Избыточный металл высверливается в теле маховика. На крупных двигателях балансировку коленчатого вала проводят в сборе со сцеплением.
Двигатель вместе с коробкой передач устанавливают на несущей системе автобуса на трех или четырех опорах. Две опоры располагаются на картере двигателя, и еще одна или две — на картере коробки передач. Опоры представляют собой резиновые элементы с металлическими основаниями, уменьшающими передачу вибрации от двигателя и коробки передач на несущую систему автобуса.