2.5. Кривошипно-шатунный механизм

2.5.1. Назначение механизма, блок-картер, головка цилиндров

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) является основной системой поршневого ДВС. Функция КШМ — воспринимать возникающее в цилиндрах давление газов и преобразовывать возвратно-поступательное линейное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Детали КШМ участвуют в совершении рабочего процесса ДВС и испытывают механические и тепловые нагрузки.

Условно элементы КШМ можно разделить на две группы: неподвижные и подвижные.

К неподвижным элементам КШМ относятся блок цилиндров, головка блока цилиндров, картер с подшипниками коленчатого вала и поддоном, прокладки и соединяющие их детали. Все эти элементы образуют остов двигателя.

Основными подвижными элементами КШМ являются поршень, поршневые кольца, поршневой палец, шатун с подшипниками, коленчатый вал с маховиком и соединяющие их детали.

Конструкция остова зависит от общей компоновки ДВС и его назначения. Остов должен обеспечивать продольную и поперечную жесткость ДВС и иметь по возможности малую массу.

В некоторых типах ДВС (судовых, тепловозных), а также в ДВС с воздушным охлаждением блок цилиндров (цилиндры) и картер изготовлены в виде раздельных элементов, что облегчает их монтаж и обслуживание, но общая жесткость ДВС при этом снижена из-за наличия дополнительных плоскостей разъема.

Увеличение жесткости ДВС достигается в конструкции, в которой цилиндры и картер изготовлены в виде общей отливки, называемой блок-картером. Для автотракторных двигателей наибольшее применение имеют блоки-картеры с рядным (рис. 2.15, а) и V-образным (двухрядным) (рис. 2.15, б) расположением цилиндров.

Основные схемы расположения цилиндров в блок-картере многоцилиндровых двигателей

Рис. 2.15. Основные схемы расположения цилиндров в блок-картере многоцилиндровых двигателей: а — рядное; б — V-образное (двухрядное); — ► — направление вращения коленчатого вала

В блок-картере (рис. 2.16) V-образных двигателей размещают подвижные детали всех механизмов и систем двигателя, а также крепят разные агрегаты и приборы. Элементы блок-картера воспринимают в процессе работы двигателя силы давления газов, неуравновешенные инерционные нагрузки, неравномерное воздействие температуры, а части блока, соприкасающиеся с подвижными деталями, подвергаются изнашиванию. Внутри картера имеются перегородки, которые придают жесткость всему картеру. К передней обработанной стенке блок-картера прикреплен картер распределительных шестерен с крышкой, а к задней стенке — картер маховика.

Блок-картер V-образных двигателей

Рис. 2.16. Блок-картер V-образных двигателей: 1 — передняя крышка; 2 — блок цилиндра; 3 — стальное кольцо; 4 — гильза цилиндра; 5 — резиновое кольцо; 6 — прокладка головки цилиндров; 7 — головка цилиндров; 8 — прокладка крышки; 9 — крышка головки цилиндров; 10 — болт крепления крышки головки цилиндров; 11 — болт крепления головки цилиндров; 12 — прокладка; 13 — патрубок глушителя; 14 — болт-стяжка; 15 — крышка коренной опоры; 16 — болт крепления крышки подшипника

В некоторых двигателях (например, ЯМЗ-240) коленчатый вал устанавливается на подшипниках качения и монтируется в осевом направлении через отверстия, растачиваемые в стенках картера. Такой картер не имеет горизонтальных плоскостей разъема и называется картером туннельного типа.

Однорядную (вертикальную, наклонную) компоновку имеют двигатели, у которых оси цилиндров расположены в один ряд (двигатели СМД-18БН, А-О3МЛ, Д-245Л и др.).

В блок-картерах У-образных двигателей (см. рис. 2.16) цилиндры расположены в два ряда с учетом угла развала (72…90°), а оси соответствующих цилиндров обоих рядов пересекаются на оси коленчатого вала (двигатели ЗМЗ, ЗИЛ, Я М3, КамАЗ). В сравнении с однорядными V-образные двигатели имеют такие преимущества, как повышенная жесткость, меньшие длина и масса.

Конструктивно блок-картеры могут быть выполнены с рабочими поверхностями цилиндров в теле самого блока или со сменными гильзами цилиндров. Для двигателей с воздушным охлаждением цилиндры (рис. 2.17, а) отливают всегда отдельно.

Цилиндр и гильзы цилиндров двигателя

Рис. 2.17. Цилиндр и гильзы цилиндров двигателя:
а — цилиндр двигателя с воздушным охлаждением; б — мокрая гильза; в — сухая гильза; 1 — картер; 2 — цилиндр; 3 — головка цилиндров; 4 — втулка; 5 — седло клапана; 6 — гильза; 7 — блок-картер; 8 — жидкостная рубашка блок-картера; 9— прокладка головки цилиндров; 10 — цинтрирующее кольцо гильзы цилиндров; 11 — поясок гильзы; 12 — уплотняющее резиновое кольцо; 13 — буртик гильзы

Применение сменных гильз позволяет увеличить срок службы двигателя, так как имеется возможность замены изношенных гильз, что значительно упрощает ремонтные работы. Сменные гильзы изготовляют из более износостойкого материала в сравнении с материалом блока. Различают мокрые (рис. 2.17, б) или сухие (рис. 2.17, в) гильзы цилиндров.

Мокрые гильзы находят наибольшее применение в блок-картерах двигателей. Гильзы этого типа вставлены в кольцевые приливы блока и омываются охлаждающей жидкостью. Кроме нижних резиновых колец 12 для решения герметичности посадки мокрых гильз в верхней части используется плотная посадка специально обработанного буртика и пояска 11 гильзы (см. рис. 2.17, б). На сухих гильзах эту роль выполняет буртик 13 (см. рис. 2.17, в). Иногда под буртик сухой гильзы устанавливают уплотнительное кольцо из мягкого металла.

Сухие гильзы в отличие от мокрых не имеют контакта с охлаждающей жидкостью, они запрессованы в расточенные отверстия цилиндров.

Поддон картера, являющийся резервуаром для масла, закрывает нижнюю часть блок-картера. В нем размещаются маслоприемные устройства, а также успокоители против разбрызгивания масла. Поддон картера чаще всего изготовляют штамповкой из тонкой листовой стали, но используют также метод литья алюминиевых сплавов или чугуна.

Горизонтальная плоскость разъема в нижней части блок-картера может располагаться по оси коленчатого вала или ниже этой оси. Во втором варианте обеспечивается большая жесткость конструкции. Перегородки картера имеют приливы для коренных подшипников коленчатого вала, которые работают в тяжелых условиях, воспринимая значительные динамические нагрузки. Коренные шейки коленчатого вала вращаются с высокой угловой скоростью. В результате трения сопряженных поверхностей выделяется значительное количество теплоты, а трущиеся поверхности подшипников механически изнашиваются.

Коренные подшипники скольжения автотракторных двигателей изготовляются из стальной ленты (толщина 1,3…3,6 мм) в виде сменных тонкостенных вкладышей — полуколец, устанавливаемых в точно обработанные гнезда картера. На внутренней поверхности вкладышей нанесен антифрикционный слой. Толщина коренных вкладышей составляет 2…3 мм для бензиновых двигателей и 3…5 мм для дизелей. Толщина слоя антифрикционного материала на вкладышах колеблется от 0,25 до 0,5 мм. В качестве антифрикционного материала для вкладышей подшипников скольжения двигателей применяют сплавы на медной основе (свинцовистые бронзы) и алюминиевые сплавы (системы сталь —алюминий, алюминий —олово).

В последние годы появились двигатели (например, ЯМЗ-240), у которых коленчатый вал устанавливается на подшипниках качения.

Головки цилиндров воспринимают максимальные динамические усилия от давления газов, значительные тепловые нагрузки от их температуры, а также испытывают напряжение от затяжки болтов или шпилек крепления.

В головке цилиндра размещается верхняя часть камеры сгорания двигателя. В ней расположены детали механизма газораспределения, впускные и выпускные клапаны и коллекторы системы газообмена, отверстия для свечей зажигания (форсунок). Конструкция головки цилиндра зависит от формы камеры сгорания, способа охлаждения двигателя, расположения впускных и выпускных клапанов, наружных трубопроводов, свечей зажигания (форсунок).

В многоцилиндровых двигателях головки цилиндров могут иметь как индивидуальное для каждого цилиндра исполнение, так и общее для ряда цилиндров (блока). Индивидуальное исполнение головки, как правило, применяют в ДВС с воздушным охлаждением, хотя на двигателе КамАЗ с жидкостным охлаждением также использовано индивидуальное исполнение головок каждого цилиндра (см. рис. 2.16). Сверху головки цилиндров закрыты крышками из алюминиевого сплава (реже из стали).

Внутренняя полость головки при жидкостном охлаждении является рубашкой для охлаждающей жидкости. Рубашка через отверстия, расположенные в нижней полости головки и на прокладке, сообщается с рубашкой для охлаждающей жидкости блока цилиндров. Стык головки цилиндров и блока цилиндров уплотняется специальной прокладкой, что обеспечивает надежную герметичность соединения головки цилиндров с блоком цилиндров, препятствуя прорыву газов из цилиндров и протеканию охлаждающей жидкости из рубашки для охлаждающей жидкости.

У двигателей с воздушным охлаждением головки цилиндров имеют оребрения для большего отвода теплоты, охлаждающий воздух при этом подводится со стороны наиболее нагретых элементов головки.

Крепят головки цилиндров к блоку цилиндров шпильками и гайками или болтами, которые затягивают в определенной последовательности и с определенным моментом.