Для чего нужен поршень в кшм
Поршневая группа кривошипно-шатунного механизма
Кривошипно-шатунный механизм
Кривошипно-шатунный механизм предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение маховика. Кривошипно-шатунный механизм является самым загруженным механизмом двигателя внутреннего сгорания.
Состав кривошипно-шатунного механизма
Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) состоит из подвижных и неподвижных деталей. К подвижным деталям относятся: шатун, поршень с кольцами, поршневой палец, коленчатый вал двигателя, маховик. К неподвижным механизмам кривошипно-шатунного механизма относятся: блок-картер, поддон картера, головка цилиндров, крепежные детали, гильзы цилиндров, крышки блока, прокладки, полукольца коленчатого вала
Блок-картер
Блок-картер двигателя основная часть остова двигателя внутреннего сгорания. Выполняется блок-картер в виде единой отлитой детали. Отливка может быть выполнена из чугуна (для тяжелых дизельных двигателей) или алюминия (как правило, бензиновые двигатели). Для повышения жесткости и разделения на несколько отсеков внутри блок-картера выполняются перегородки. Горизонтальная перегородка делит блок-картер на две части верхняя блок цилиндров, нижняя картер (Рисунок 1). В блоке цилиндров могут устанавливаться гильзы, но может быть и отливка без применения гильз, так называемые негильзованные двигатели. Без применения гильз, как правило, обходятся на двигателях легковых автомобилей, для снижения массы двигателя и автомобиля в целом, на больших грузовиках гильзы, практически всегда установлены. Пространство между стенками блока и гильзами цилиндров называют водяной рубашкой, водяная рубашка служит для охлаждения двигателя. В случае если механизм газораспределения с нижним распределительным валом, в блоке цилиндров отливают вертикальную перегородку, для отделения штанг толкателей от водяной рубашки. Для того чтобы охлаждающая жидкость, из системы охлаждения не проникала в картер, на гильзы одеваются резиновые уплотнения в местах крепления их к блоку цилиндров. Каждый блок-картер имеет приливы и площадки с резьбовыми соединениями для крепления к нему навесных агрегатов двигателя. К обработанным площадкам блок-картера крепят основные детали: поддон картера, головку цилиндров, картер маховика, картер шестерен распределительного вала.
Блок цилиндров;
Горизонтальная перегородка;
Картер;
Перегородки картера;
Отверстие для распределительного вала;
Вертикальная перегородка;
Камера штанг;
Двигатели с воздушной системой охлаждения (Рисунок 2) не имеют блок-картера, все детали таких двигателей располагаются на литом картере. Блок цилиндров у этих двигателей так же отсутствует, на картер крепятся все цилиндры по отдельности. Между цилиндрами и картером расположены медные уплотнительные прокладки. Внутри картера также располагаются коленчатый и распределительный валы двигателя.
1. Шпилька;
2. Цилиндр;
3. Отверстие для гильзы цилиндра;
4. Картер;
5. Прилив;
6. Крышка коренного подшипника;
Уплотнительная прокладка
Поршневая группа
Поршневая группа кривошипно-шатунного механизма
В поршневую группу входят: цилиндры, поршень, поршневой палец, кольца поршня. Цилиндры многих двигателей съемные. Отдельно изготовленный цилиндр называют гильзой, двигатель со съемными цилиндрами называют гильзованным, может быть и отливка без применения гильз, так называемые негильзованные двигатели. Применение съемных гильз позволяет увеличить срок службы блок-картера, за счет замены изношенных гильз новыми. Материалом для изготовления гильз чаще всего является легированный чугун. Внутренняя сторона гильзы называется зеркалом, зеркало гильзы обрабатывается и закаляется, задиры или царапины на зеркале гильз недопустимы. Гильзы охлаждаемые жидкостью называют мокрыми. Снаружи у гильзы выполнены два посадочных пояска 2 и 3 рисунок 3 для более плотной установки в блоке. Между нижним пояском гильзы и блоком цилиндра устанавливаются резиновые уплотнения 4, предотвращающие протекание охлаждающей жидкости из водяной рубашки в поддон картера. На цилиндрах двигателей с воздушной системой охлаждения снаружи цилиндра выполнены охлаждающие ребра. В нижней части цилиндра также имеется буртик для посадки цилиндра на картер. Между буртиком и картером устанавливается медное кольцо для уплотнения. Каждый цилиндр вместе с головкой закрепляется на картере при помощи специальных шпилек.
Поршни воспринимают усилие во время рабочего хода и передают его на шатуны через поршневой палец. Поршни обеспечивают протекание всех тактов двигателя внутреннего сгорания. Они подвержены воздействию высоких температур, давлений. Поршни движутся в цилиндре с очень высокой скоростью. Поршни должны отвечать многим требованиям: быть легкими, хорошо отводить тепло, обладать высокой износоустойчивостью. Материалом для изготовления поршней служат различные сплавы алюминия. Поршень имеет вид перевернутого стакана (рисунок 5). Поршень состоит из днища А, головки Б и юбки В. Днище поршня может быть выполнено гладким или иметь специальную выемку, зависящую от способа смесеобразования и расположения клапанов газораспределителного механизма. Такая форма поршня способствует лучшему смесеобразованию воздуха и топлива, а так же обеспечивает лучшее сгорание топлива.
1. Сбрасывающая кромка;
1. Канавка для маслосъемного кольца;
2. Канавка для стопорного кольца;
3. Отверстие для подвода масла к поршневому пальцу;
4. Канавки для компрессионных колец;
5. Камера сгорания в поршне;
6. Прорези;
Стопорное кольцо.
На внешней стороне головки и юбки поршня проточены канавки для компрессионных и маслосъемных колец. Количество колец зависит от конструкции двигателя и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Менее двух колец, как правило не встречается, чем больше мощность двигателя тем больше колец устанавливается. На внутренней стороне юбки имеются два прилива – бобышки Г, внутрь которых устанавливается поршневой палец. В бобышках проточены канавки 3 для стопорных колец, предохраняющих палец от горизонтального перемещения. Холодильники Д, предназначены для скапливания масла, для охлаждения утолщаемой части поршня и предохраняющие его от заклинивания.
Поршневые кольца разделяются на компрессионные 1 и маслосъемные 2 (Рисунок 6). Компрессионные кольца предназначены для предотвращения прорыва газов из камеры сгорания во время рабочего хода в картер двигателя. Кольца изготавливаются из легированных марок стали. Наружный диаметр кольца больше внутреннего диаметра цилиндра, из-за чего кольцо плотно прилегает к стенкам цилиндра. Для того чтобы кольцо вошло внутрь цилиндра часть кольца вырезают, вследствие чего кольцо пружинит и прилегает плотно к поверхности цилиндра. Вырез в поршневом кольце называется замком. Для уменьшения утечки газов через замок колец их устанавливают напротив друг друга, если кольца 2 или под углом 120˚ в случае если колец три, если колец более трех замки устанавливают друг напротив друга. Более трех колец, как правило, устанавливают на дизельные двигатели, так как там давление газов выше. Верхнее компрессионное кольцо выполняют из хрома, так как он более тугоплавкий. В случае перегрева двигателя между кольцами и канавками образуются шлаковые отложения, вследствие чего кольца перестают свободно двигаться и пружинить в канавке. Данное явление получило название закоксовывание, при этом будет теряться мощность двигателя, повысится расход топлива и масла. Кроме закоксовывания колец возможно так же и их залегание, залегание поршневых колец происходит при длительном простое автомобиля. В случае если такой простой предстоит необходимо делать его консервацию. Маслосъемные кольца предназначены для снятия масла со стенок цилиндра, маслосъемные кольца препятствуют попаданию масла в камеру сгорания. В отличии от компрессионных колец маслосъемные кольца имеют сквозные прорези. Внутри маслосъемного кольца устанавливается пружина. В случае износа маслосъемных колец повышенный расход масла неминуем.
Кривошипная группа
В кривошипную группу входят: коленчатый вал двигателя, шатуны, вкладыши, маховик. Шатуны (Рисунок ) соединяют поршни с коленчатым валом двигателя, и передают ему усилие от давления газов воспринимаемого поршнями. На шатун воздействуют давление силы инерции, поэтому они должны быть легкими и прочными одновременно. Шатун изготавливают из высокопрочной стали в виде стержня с двумя головками.
1. верхняя головка шатуна;
2. втулка верхней головки;
3. стержень шатуна;
4. нижняя головка шатуна;
5. вкладыш шатунного подшипника;
6. крышка нижней головки шатуна;
7. шплинт;
8. корончатая гайка;
9. фиксирующий усик вкладыша;
10. шатунный болт;
Стержень 3 двутаврового сечения, это увеличивает прочность шатуна. В верхнюю головку шатуна 1 запрессована бронзовая втулка 2. Нижняя головка шатуна 4 разъемная, крышка 6 снимается, верхняя крышка 4 изготовлена заодно с шатуном. Крышки шатунов невзаимозаменяемые. Обе части нижней головки шатуна закрепляются болтом 10, гайки болтов шплинтуют шплинтом 7, предотвращая их откручивание. В нижней головке шатуна установлены подшипники скольжения (вкладыши) 5, от осевого перемещения и проворачивания вкладыши удерживаются усиками 9. Смазывается вся система кривошипной группы под высоким давлением.
Коленчатый вал двигателя воспринимает усилия от поршней двигателя, через шатуны, преобразуя возвратно-поступательные движения в крутящий момент. Коленчатый вал так же приводит во вращение все остальные агрегаты двигателя. На коленчатый вал воздействуют давление силы инерции, воспринимаемое периодически давление вызывает износ коленчатого вала, поэтому он должен быть достаточно прочным и быть износостойким. Коленчатый вал штампуют из высокопрочной стали, или отливают из высокопрочного чугуна. Устройство коленчатого вала изображено на рисунке 9.
1. коренная шейка;
2. щека;
3. упорные полукольца;
4. нижний вкладыш коренного подшипника;
5. маховик;
6. маслоотражатель;
7. установочный штифт;
8. болт крепления маховика;
9. зубчатый венец;
10. верхний вкладыш коренного подшипника;
11. шатунная шейка;
12. противовесы;
13. шестерня коленчатого вала;
14. ведущая шестерня привода масляного насоса;
15. болт;
16. шкив;
17. пробка;
18. трубка для чистого масла;
Кривошипно-шатунный механизм и двигатель наразлучны
Кривошипно-шатунный механизм (КШМ), пожалуй, самая важная система двигателя.
Назначение кривошипно-шатунного механизма – преобразовывать возвратно-поступательное движение во вращательное и обратно.
Все детали кривошипно-шатунного механизма делятся на две группы: подвижные и неподвижные. К подвижным относятся:
Устройство кривошипно-шатунного механизма
Поршень похож на перевернутый стакан, в который укладываются кольца. На любом из них присутствуют два вида колец: маслосъемное и компрессионное. Маслосъемных обычно ставят два, а компрессионных – одно. Но бывают и исключения в виде: два таких и два таких — все зависит от типа двигателя.
Шатун изготавливается из двутаврового стального профиля. Состоит из верхней головки, которая соединяется с поршнем при помощи пальца, и нижней – соединение с коленчатым валом.
Коленчатый вал изготавливается в основном из чугуна повышенной прочности. Представляет собой несоосный стержень. Все шейки тщательно шлифуются, с соблюдением необходимых параметров. Существуют коренные шейки — для установки коренных подшипников, и шатунные – для установки через подшипники шатунов.
Роль подшипников скольжения выполняют разрезные полукольца, выполненные в виде двух вкладышей, которые обработаны токами высокой частоты для прочности. Все они покрыты антифрикционным слоем. Коренные крепятся к блоку двигателя, а шатунные — к нижней головке шатуна. Чтобы вкладыши хорошо работали, в них делают канавки для доступа масла. Если вкладыши провернуло – значит, имеется недостаточный подвод масла к ним. Это обычно происходит при засорении масляной системы. Вкладыши ремонту не подлежат.
Продольное перемещение вала ограничивают специальные упорные шайбы. С обоих концов обязательно применение различных сальников для предотвращения выхода масла из системы смазки двигателя.
К передней части коленвала крепится шкив привода системы охлаждения и звездочка, которая приводит в действие распредвал при помощи цепной передачи. На основных моделях выпускаемых сегодня автомобилей ей на замену пришел ремень. К задней части коленчатого вала крепится маховик. Он предусмотрен для устранения дисбаланса вала.
Также на нем стоит зубчатый венец, предназначенный для пуска двигателя. Чтобы при разборке и дальнейшей сборке не возникало проблем – крепеж маховика выполняется по не симметричной системе. От расположения меток его установки зависит и момент зажигания – следовательно, оптимальная работа двигателя. При изготовлении его балансируют вместе с коленчатым валом.
Картер двигателя изготавливается вместе с блоком цилиндров. Он служит основой для крепления ГРМ и КШМ. Имеется поддон, который служит емкостью для масла, а так же для защиты двигателя от деформации. Снизу предусмотрена специальная пробка для слива моторного масла.
Принцип работы КШМ
На поршень оказывают давление газы, которые вырабатываются при сгорании топливной смеси. При этом он совершает возвратно – поступательные движения, заставляя проворачиваться коленчатый вал двигателя. От него вращательное движение передается на трансмиссию, а оттуда – на колеса автомобиля.
А вот на видео показано как работает КШМ в тюнингованном ВАЗ 2106:
Основные признаки неисправности КШМ:
Кривошипно-шатунный механизм двигателя очень уязвим. Для эффективной работы необходима своевременная замена масла. Лучше всего ее производить на станциях техобслуживания. Даже, если Вы недавно поменяли масло, и приходит пора сезонного ТО – обязательно перейдите на то масло, какое указано в инструкции по эксплуатации машины. Если в работе двигателя возникают какие-то проблемы: шумы, стуки – обращайтесь к специалистам – только в авторизированном центре Вам дадут объективную оценку состояния автомобиля.
Устройство и принцип работы кривошипно-шатунного механизма двигателя
Кривошипно-шатунный механизм двигателя преобразует возвратно-поступательное движение поршней (от энергии сгорания топливной смеси) во вращательное движение коленчатого вала и наоборот. Это технически сложный механизм, составляющий основу ДВС. В статье подробно рассмотрим устройство и особенности работы КШМ.
Краткая история возникновения
Первые свидетельства о применении кривошипа найдены ещё в III веке нашей эры, в Римской Империи и Византии в VI веке нашей эры. Ярким примером является пилорама из Иераполиса, на которой был применен коленчатый вал. Металлический кривошип был найден в римском городе Августа-Раурика на территории современной Швейцарии. Как бы то ни было, запатентовал изобретение некий Джеймс Пакард в 1780 году, хотя свидетельства его изобретения были найдены еще в древности.
Подвижные и неподвижные части КШМ
Составные части КШМ условно делят на подвижные и неподвижные компоненты. К подвижным частям относятся:
Неподвижные части КШМ выполняют функцию основы, крепежей и направляющих. К ним относятся:
Картер и поддон картера двигателя
Картер – это нижняя часть двигателя, где располагаются опоры и каналы смазочной системы для коленчатого вала. В картере происходит движение шатунов и вращение коленвала. Поддон картера представляет собой резервуар с моторным маслом.
Основа картера в работе подвергается постоянным тепловым и силовым нагрузкам. Поэтому для этой детали предъявляются особые требования по прочности и жесткости. Для его изготовления используют алюминиевые сплавы или чугун.
Картер двигателя крепится к блоку цилиндров. Вместе они составляют остов двигателя, основную часть его корпуса. В блоке располагаются непосредственно сами цилиндры. Сверху крепится головка блока ДВС. Вокруг цилиндров имеются полости для жидкостного охлаждения.
Расположение и число цилиндров
На сегодняшний день существуют следующие наиболее популярные схемы:
В простом рядном расположении цилиндры и поршни расположены в ряд перпендикулярно коленчатому валу. Такая схема наиболее простая и надежная.
Головка блока цилиндров
К блоку с помощью шпилек или болтов крепится головка блока цилиндров. Она накрывает цилиндры с поршнями сверху, образуя герметичную полость – камеру сгорания. Между блоком и головкой предусмотрена прокладка. Также в ГБЦ располагаются клапанный механизм и свечи зажигания.
Цилиндры
В цилиндрах двигателя непосредственно происходит движение поршней. От хода поршня и его длины зависит их размер. Цилиндры работают в условиях меняющегося давления и высоких температур. Во время работы стенки подвергаются непрерывному трению и температурам до 2500°C. К материалам и обработке цилиндров также предъявляются особые требования. Они изготавливаются из легированного чугуна, стали или алюминиевых сплавов. Поверхность деталей должна быть не только прочной, но и легко подвергаться обработке.
Внешнюю рабочую поверхность называют зеркалом. Ее покрывают хромом и полируют до зеркальной поверхности, чтобы максимально снизить трение в условиях ограниченной смазки. Цилиндры отливаются вместе с блоком (цельные) или изготавливаются в виде съемных гильз.
Кривошипно-шатунный механизм
Основными рабочими компонентами КШМ являются коленчатый вал, поршни с шатунами и маховик.
Поршень
Движение поршня в цилиндре происходит в результате сгорания топливовоздушной смеси. Возникает давление, которое воздействует на днище поршня. В разных типах двигателей оно может отличаться по своей форме. В бензиновых изначально днище было плоским, затем стали применять вогнутые конструкции с проточками под клапаны. В дизельных моторах в камере сгорания сжимается изначально не топливо, а воздух. Поэтому днище поршня имеет также вогнутую форму, которая и образует камеру сгорания.
Форма днища имеет большое значение для формирования правильного факела сгорания топливовоздушной смеси.
Остальная часть поршня называется юбкой. Это своего рода направляющая, которая движется в цилиндре. Нижняя часть поршня или юбки сделана так, чтобы она не соприкасалась с шатуном во время его движения.
На боковой поверхности поршней выполнены канавки или проточки под поршневые кольца. Сверху располагаются два или три компрессионных кольца. Они необходимы для создания компрессии, то есть препятствуют проникновению газов между стенками цилиндра и поршнем. Кольца прижимаются к зеркалу, уменьшая зазор. Снизу расположен паз под маслосъёмное кольцо. Оно необходимо для снятия излишков масла со стенок цилиндра, чтобы то не проникало в камеру сгорания.
Поршневые кольца, особенно компрессионные, работают при постоянных нагрузках и высокой температуре. Для их изготовления применяется высокопрочные материалы типа легированного чугуна, который покрывают пористым хромом.
Поршневой палец и шатун
Шатун крепится к поршню при помощи поршневого пальца. Он представляет собой цельную или полую деталь цилиндрической формы. Палец устанавливается в отверстие в поршне и в верхней головке шатуна.
Существуют два типа крепления пальца:
Наиболее распространен так называемый «плавающий палец». Для его фиксации используются стопорные кольца. Фиксированный палец устанавливается с натягом. Как правило, используется тепловая посадка.
Шатун, в свою очередь, соединяет коленчатый вал и поршень и создает вращательные движения. При этом возвратно-поступательные движения шатуна описывают восьмерку. Он состоит из нескольких элементов:
Для уменьшения трения и смазки соприкасающихся деталей в поршневой головке запрессовывается бронзовая втулка. Кривошипная головка выполнена разборной, чтобы обеспечить возможность сборки механизма. Детали точно подогнаны друг к другу и крепятся с помощью болтов и контргаек. Чтобы уменьшить трение, устанавливаются шатунные подшипники скольжения. Они выполнены в форме двух стальных вкладышей с замками. По масляным канавкам осуществляется подвод масла. Подшипники с высокой точностью подогнаны под размер соединения.
Вопреки расхожему мнению, вкладыши удерживаются от проворота не за счет замков, а из-за возникающей силы трения между их внешней поверхностью и головкой шатуна. Поэтому при установке внешнюю часть подшипника скольжения нельзя смазывать маслом.
Коленчатый вал
Коленчатый вал является сложной по устройству и изготовлению деталью. Он принимает на себя крутящий момент, давление и другие нагрузки, поэтому выполнен из высокопрочной стали или чугуна. Коленвал передает вращение от поршней на трансмиссию и другие элементы автомобиля (например, приводной шкив).
Коленчатый вал состоит из нескольких основных элементов:
Конструкция коленвала во многом будет зависеть от количества цилиндров в двигателе. В простом рядном четырехцилиндровом двигателе на коленчатом валу имеются четыре шатунных шейки, на которых устанавливаются шатуны с поршнями. Пять коренных шеек расположены по центральной оси вала. Они устанавливаются в опоры блока цилиндров или картера на подшипники скольжения (вкладыши). Сверху коренные шейки закрываются крышками на болтах. Соединение образует П-образную форму.
Специально обработанное место опоры под установку коренной шейки с вкладышем называется постелью.
Коренные и шатунные шейки соединены так называемыми щеками. Противовесы обеспечивают гашение излишних колебаний и обеспечивают равномерное движение коленчатого вала.
Шейки коленвала термически обработаны и отполированы, что обеспечивает высокую прочность и точность посадки. Коленчатый вал также имеет очень точную балансировку и центровку для равномерного распределения всех действующих на него сил. В районе центральной коренной шейки, по бокам от опоры, устанавливаются упорные полукольца. Они необходимы для компенсации осевых перемещений.
На хвостовик коленвала крепятся шестерни (звездочки) привода ГРМ, а также приводной шкив навесного оборудования двигателя.
Маховик
На задней части вала имеется фланец, к которому крепится маховик. Это чугунная деталь, представляющая собой массивный диск. Благодаря своей массе маховик создает необходимую инерцию для работы КШМ, а также обеспечивает равномерную передачу крутящего момента на трансмиссию. На ободе маховика выполнен зубчатый венец для соединения с шестерней стартера. Именно маховик раскручивает коленвал и приводит в движение поршни в момент запуска двигателя.
Кривошипно-шатунный механизм, конструкция и форма коленчатого вала долгие годы остаются неизменными. В основном происходят только небольшие конструктивные доработки, направленные на снижение веса, сил инерции и трения.