Кривошипно-Шатунный Механизм - Двигатель - Статьи

Шлифованная внутренняя поверхность цилиндра называется зеркалом. На наружной поверхности цилиндра имеются ребра, которые увеличивают поверхность охлаждения. В нижней части цилиндра у большинства двигателей находится фланец с отверстиями для установки цилиндра на картер. Сверху к цилиндру прикреплена болтами головка. Внизу у нижнего края зеркала проточена конусная фаска для облегчения надевания цилиндра на поршень с кольцами.

Цилиндры отливают преимущественно из специального чугуна или из алюминиевого сплава с чугунной или стальной гильзой. Применяются также алюминиевые цилиндры без гильзы с хромированным непосредственно по алюминию зеркалом, отличающиеся легкостью, износостойкостью и хорошим отводом тепла.

Наиболее простую форму имеет сребренный цилиндр четырехтактного верхнеклананного двигателя (рис. 1, а). Цилиндр нижнеклапанного двигателя отлит из чугуна вместе с гнездами для впускных и выпускных клапанов и ведущим к ним патрубкам (рис. 1, б). В цилиндр запрессованы или вместе с ним отлиты направляющие стержней клапанов и полости (клапанные коробки), в которых размещены пружины клапанов и толкатели. На впускном патрубке для установки карбюратора или промежуточного патрубка имеются шпильки или проточенный пояс. Выпускной патрубок имеет наружную резьбу или проточенный пояс для закрепления выпускной трубы. В стенках цилиндра двухтактного двигателя (рис. 1, в) при отливке сделаны каналы, а на зеркале — впускные, продувочные и выпускные окна.

В продувочных каналах некоторых цилиндров установлены на шпильках съемные детали (козырьки), направляющие поток продувочной смеси. Чтобы предупредить появление ржавчины, ребристую поверхность цилиндра покрывают жаростойким лаком, который, однако, меньше препятствует отводу тепла, чем слой коррозии.

Головка цилиндра большинства двигателей отлита из алюминиевого сплава. Снаружи на ней имеются ребра охлаждения. Внутри головки размещена камера сгорания. В головке сделано резьбовое отверстие для свечи и несколько отверстий для болтов или шпилек, крепящих головку к цилиндру. Иногда в головке нарезают второе резьбовое отверстие, служащее для установки декомпрессионного клапана или краника. Такое простое устройство имеют головки двухтактных и четырехтактных нижнеклапанных двигателей.

верхнеклапанных двигателей головка гораздо сложнее. В ней сделаны гнезда, направляющие и каналы впускных и выпускных клапанов, полости, в которых размещены пружины и коромысла клапанов, патрубки для крепления карбюратора и выпускной трубы. У двигателей с верхним расположением распределительного вала, кроме этого, в полостях для клапанных пружин имеются устройства для установки распределительного вала и других деталей привода газораспределительного механизма.

Между головкой и цилиндром установлена жаростойкая уплотнительная прокладка. Применяются прокладки алюминиевые или из армированного проволокой асбеста. На некоторых двигателях прокладки не ставят, а притирают головку непосредственно к цилиндру. Такое соединение надежно, но трудоемко при изготовлении.

Камера сгорания должна иметь форму, обеспечивающую быстрое, но плавное сгорание без детонации рабочей смеси при наименьших потерях тепла через ее стенки. Продолжительное время наиболее эффективной являлась камера сгорания полусферической формы со свечой в центре свода (рис. 2, а и в), так как в камере пути распространения пламени от свечи во всех направлениях примерно одинаковые, а поверхность камеры при данном объеме наименьшая из конструктивно возможных. Потери тепла у этой камеры наименьшие. Такую камеру сгорания имеют двухтактные и верхнеклапанные двигатели.

В настоящее время применяется несколько видоизмененная, более эффективная камера сгорания (рис. 2, б). Установлено, что в этой камере рабочая смесь, вытесняемая поршнем при сжатии из боковых сужений, завихряется интенсивнее. Многие верхнеклапанные двигатели имеют камеру сгорания конической формы, называемую шатровой (рис. 2, г).

Остальная часть рабочей смеси при этом сильно сжимается и может произойти детонация. У современных нижнеклапанных двигателей усовершенствованная вихревая камера сгорания типа «Рикардо» (рис. 2, д) обеспечивает достаточно хорошую работу двигателя. В этой камере почти вся рабочая смесь сосредоточена в пространстве над клапанами, но все же форма камеры менее совершенна, чем у камер сгорания двухтактных и верхнеклапанных двигателей.

Поршень воспринимает давление горячих газов сгорающей рабочей смеси и передает его через палец и шатун коленчатому валу. От нагревания поршень расширяется. Чтобы не произошло заклинивания поршня, его устанавливают в цилиндре с зазором. Для уплотнения на поршне установлены разрезные кольца — компрессионные и маслосъемные.

На верхней части поршня проточены две-три канавки для компрессионных колец и одна канавка для маслосъемного кольца. Применяются также поршни с дополнительной канавкой внизу юбки для второго маслосъемного кольца (рис. 3, д). В канавках для компрессионных колец поршней двухтактных двигателей (маслосъемных колец они не имеют) установлены стопоры или сделаны углубления для удержания колец от повертывания на поршне, так как при этом концы колец попадают в окна и откалываются (рис. 4). Больше трех поршневых колец на поршне мотоциклетного двигателя не требуется. О влиянии количества поршневых колец на давление в цилиндре можно судить по следующему примеру. Давление в камере сгорания, если на поршне нет колец, равно 10,2 кГ/сж2, а при наличии одного, двух и трех колец — соответственно 28,8; 29,7 и 29,9 кГ/см2.

Юбка поршня конусная, расширяющаяся книзу. В поперечном сечении форма юбки овальная, вытянутая в направлении, перпендикулярном к поршневому пальцу. На юбке делают прямые, косые или Т-образные разрезы 5, придающие ей пружинящие свойства. Конусность, овальность и разрезы применяют для того, чтобы при малом зазоре между юбкой и цилиндром поршень, расширяясь при нагревании, не заклинивался в цилиндре. При увеличенном зазоре будет слышен стук в цилиндре из-за ударов поршня о его стенки. Поршень имеет несколько размерных поясов (рис. 3, е).

Кроме канавок для колец, на некоторых поршнях имеются узкие канавки выше верхнего поршневого кольца (двигатели М-61, К-750, М-72), прорези в канавке или под канавкой маслосъемного кольца, выемки 3, называемые холодильниками, около бобышек пальца и различные по расположению и по форме ребра. Все это делается для уменьшения массы поршня, улучшения распределения масла а отвода тепла от днища, а также для того, чтобы расширение поршня в направлениях, в которых наиболее возможно заклинивание, было минимальным.

Поршневые кольца (рис. 5) обычно прямоугольного сечения, имеют разрез и пружинят при сжатии. Их устанавливают в канавках поршня и они плотно прижимаются к зеркалу цилиндра. Компрессионные уплотнительные кольца (рис. 4, а) препятствуют прорыву газов и отводят тепло (до 80% всего тепла, воспринимаемого днищем поршня при сгорании смеси). В наиболее тяжелых условиях работает верхнее кольцо потому, что оно подвергается воздействию высокой температуры, хуже смазывается и воспринимает наиболее высокое давление газов. Маслосъемные кольца (рис. 5, б) распределяют масло по зеркалу цилиндра, снимают лишнее масло и препятствуют проникновению его в камеру сгорания.

Поршневые кольца характеризуются наружным диаметром, высотой, радиальной толщиной, упругостью и формой разреза в стыке. Наружный диаметр кольца должен соответствовать размеру цилиндра. Применяются узкие поршневые кольца (высотой 1,5—2 мм) и широкие (высотой 2,5—3 мм). Узкие кольца надежнее работают при больших скоростях движения поршня. Радиальная толщина колец возрастает с увеличением диаметра цилиндра.

Маслосъемные кольца обычно более широкие (высота до 5 мм), чем компрессионные, и имеют на наружной рабочей поверхности прямоугольную канавку со сквозными прорезями. Маслосъемное кольцо, прижимаясь рабочей поверхностью к зеркалу цилиндра с большей силой, чем компрессионное кольцо, снимает острыми нижними кромками масло с зеркала. Через прорези в кольце и в канавке масло отводится внутрь поршня.

В некоторых случаях применяют компрессионные кольца со ступенчатой фаской с внутренней (рис. 5, е) или наружной (рис. 5, ж) стороны. Кольца первого типа устанавливают в верхнюю канавку фаской к камере сгорания. Сжатое кольцо перекашивается и нижняя наружная кромка его рабочей поверхности прижимается к зеркалу. Такое кольцо, быстро прирабатываясь, предотвращает прорыв газов, а перемещение его в канавке вдоль поршня затруднено. Кольца второго типа, устанавливаемые в канавки под первым кольцом, частично выполняют функцию маслосъемного кольца.

Поршневые кольца имеют прямой стык. Раньше его делали ступенчатым или косым (см. рис. 4, в), но от таких стыков отказались, так как они не улучшают компрессию по сравнению с кольцами с прямым стыком и сложнее в изготовлении. В стыке поршневых колец двухтактных двигателей сделана выемка (рис. 5, г) или выступ (рис. 5, д) для сопряжения со стопором или выемкой в канавке поршня и предохранения кольца от проворачивания в канавке.

Поршневой палец (рис. 6, а) представляет собой полый стержень со шлифованной наружной поверхностью. Чтобы палец был износостойким и не ломался от ударных нагрузок, он должен быть твердым снаружи и мягким изнутри. Для этого палец цементуют и закаливают или закаливают токами высокой частоты. Чтобы поршневой палец был прочным, он имеет в средней части утолщение (рис. 6, б).

Поршневой палец устанавливают в бобышках поршня более плотно, чем во втулке шатуна, так как отверстия в бобышках от нагревания расширяются. Такой палец, вращающийся и в бобышках поршня, и во втулке шатуна, называется плавающим. От осевого перемещения палец удерживается в поршне запорными пружинными кольцами из проволоки (рис. 6, в) или из листового материала (рис. 6, г). При осевом перемещении поршневого пальца на зеркале цилиндра образуются глубокие борозды.

Запорные кольца вставлены в канавки отверстий бобышек. У некоторых двигателей канавки для запорных колец сделаны не в поршне, а на поршневом пальце (мотоцикл Харлей-Давидсон), как показано на рис. 6, д. Достаточно надежным было применявшееся ранее закрепление пальца бронзовыми или алюминиевыми грибками (рис. 6, е), вставленными в торцы пальца и предохраняющими его от непосредственного контакта с зеркалом.

У шатуна (рис. 7, а) различают среднюю часть, или стержень 3, верхнюю 7 и нижнюю 4 головки. Средняя часть в сечении имеет двутавровую или овальную форму. В верхней головке запрессована бронзовая втулка 2 — подшипник для поршневого пальца. В некоторых конструкциях палец вращается непосредственно в отверстии верхней головки шатуна или в игольчатом подшипнике. В головке и втулке сделаны сквозные отверстия для смазки.

Нижняя головка шатуна, как правило, неразъемная. Наружной обоймой роликового или игольчатого подшипника служит головка с термически обработанной внутренней поверхностью или запрессованное в нее кольцо 5. Внутренним кольцом подшипника служит кривошипный палец или напрессованное на него кольцо. Ролики и иголки могут быть заключены в сепаратор 6 (рис. 7, г). Сепаратор изготовляют из стали, бронзы или дюралюминия. Для большей надежности вместо длинных роликов устанавливают один, два или три ряда коротких роликов. С боков шатун имеет закаленные шайбы 7.

Шатуны и подшипники их нижней головки имеют различную конструкцию. Так, например, для надежности работы подшипника (на случай заклинивания роликов) и предупреждения обычно наблюдаемого одностороннего износа подшипника шатуна внутреннее кольцо 8 делают плавающим по кривошипному пальцу. Некоторые шатуны имеют разъемную нижнюю головку (рис. 7, б) и устанавливаются на игольчатом подшипнике или подшипнике скольжения, состоящем, как и у подшипника шатуна автомобильного двигателя, из двух вкладышей 11. Нижняя крышка 9 скреплена с шатуном гайками 10. В двухцилиндровых V-образных двигателях, у которых оба шатуна закреплены на одной шейке, применена получившая наибольшее распространение, конструкция, состоящая из вильчатого шатуна (чаще переднего) и внутреннего шатуна (рис. 7, в).

Коленчатый вал имеет один или несколько кривошипов. Кривошип (рис. 8) состоит из кривошипного пальца или шатунной шейки, охватываемой головкой шатуна 1, двух щек 2, являющихся во многих конструкциях маховиками, и двух коренных пальцев 3 (или шеек), на которых кривошип вращается в подшипниках, установленных в картере. Для небольших двигателей, например велосипедных, нередко применяют кривошип упрощенной конструкции (с одной щекой и одним коренным пальцем).

Кривошипы выполняют разборными и неразборными. Применяются также коленчатые валы автомобильного типа, стальные кованые. Разборный кривошип может быть разобран и собран мотоциклистом. Разборку и сборку неразборного кривошипа производят только с помощью прессового оборудования на заводе.

Кривошипы разборного типа (рис. 8, г) установлены на многих четырехтактных двигателях мотоциклов с цепной передачей. У таких кривошипов конусные концы кривошипных пальцев соединены со щеками с помощью шпонки и гайки. Неразборные кривошипы с цилиндрической посадочной частью у кривошипного и коренных пальцев (рис. 6, а) менее прочны, но стоимость их изготовления ниже. Их устанавливают на двухтактных двигателях, отличающихся относительно небольшим давлением газов во время рабочего хода, отечественных и зарубежных мотоциклов.

Коленчатый вал у двухтактного двухцилиндрового двигателя мотоцикла ИЖ «Юпитер» неразборный (рис. 8, б),,состоит из двух кривошипов, скреплённых между собой по середине в маховике. Концы обращенных одна к другой коренных шеек фиксированы в разрезном отверстии маховика с помощью шпонок и закреплены в нем, как в хомуте, болтом. Щеки кривошипа сделаны как одно целое с коренными шейками, а шатунные шейки запрессованы в щеки и приварены к ним электросваркой.

Неразборный коленчатый вал двухцилиндрового двигателя (рис. 8, в) мотоцикла М-72 состоит из двух крайних щек, откованных как одно целое с коренными шейками, средней щеки и двух кривошипных пальцев. Один конец у кривошипных пальцев имеет небольшую конусность. Конусные концы пальцев запрессованы в крайние щеки, а цилиндрические концы — в среднюю щеку. Коленчатые валы мотоциклов К-750 и М-62 «Урал» имеют подобное устройство.

В результате вращательного и возвратно-поступательного движения в деталях кривошипного механизма развиваются большие инерционные силы, которые, если их в известной степени не уравновесить, дополнительно нагружают подшипники, препятствуют увеличению числа оборотов коленчатого вала, вызывают сотрясения двигателя и всего мотоцикла. На щеках кривошипа, а также на тех маховиках, которые служат щеками кривошипа, имеется утолщение, служащее противовесом 4. Эти противовесы, уравновешивая на 45—66% массу деталей, движущихся возвратно-поступательно, уменьшают инерционные силы, возникающие при работе двигателя. Полное устранение неуравновешенных сил практически невозможно.

При работе двигателя вращающийся маховик в течение рабочего хода накапливает анергию, а во время подготовительных тактов расходует её. В результате этого толчки, получаемые кривошипом, сглаживаются, и вращение коленчатого вала происходит равномернее. Кроме того, маховик облегчает трогание мотоцикла с места. Перед троганием мотоцикла с места повышают число оборотов коленчатого вала, чтобы увеличить энергию вращающегося маховика. При постепенном включении сцепления мотоцикл трогается с места главным образом за счет накопленной в маховике энергии.

Чем тяжелее маховик, тем лучше при прочих равных условиях поддерживается равномерность хода мотоцикла и тем легче пустить двигатель, расходуя накопленную в маховике энергию для сжатия смеси в цилиндре. Но тяжелый маховик имеет и недостаток: он уменьшает приемистость двигателя и, следовательно, ускорение мотоцикла.

Мотоциклетные двигатели имеют маховики, размещенные в картере, или один маховик, расположенный вне картера. Кроме прямого назначения, маховик обычно используется и для других целей. У большинства двигателей с расположением маховиков внутри картера маховики являются одновременно щеками кривошипа. На каждом из них, кроме массивного обода, сделан противовес. Маховик, расположенный снаружи картера, не имеет противовесов. В этом случае противовесами являются соответствующие утолщения щек кривошипа. Такой маховик обычно является частью генератора или магнето или частью муфты сцепления.

Картеры изготовляют из алюминиевого сплава. Картер имеет ушки для крепления двигателя к раме мотоцикла. Дополнительным креплением служит также так называемый гаситель колебаний — пластина (или угольник), соединяющая головку цилиндра или картер с рамой. В некоторых конструкциях для основного крепления двигателя на мотоцикле, помимо картера, используют еще и цилиндр двигателя (мотоцикл «Пантер»). В настоящее время в связи с изготовлением безрамных мотоциклов такое крепление, возможно, будет применяться чаще.

В основной полости картера помещен кривошип. Картер четырехтактных двигателей имеет дополнительную полость, в которой размещена часть механизма газораспределения (рис. 9, а). В картере также имеются устройства для вентиляции, отсеки для масла, каналы и отверстия для насоса, фильтров, маслоналивных и спускных пробок и других частей системы смазки. У двухтактных двигателей (рис. 9, б) полость картера, в которой расположен кривошип, выполняет функции продувочного насоса цилиндра. Поэтому ее оснащают сальниками и делают герметичной. Для двухтактных двигателей преимущественно применяют картеры, у которых в общей отливке объединены полости для кривошипа, коробки передач, сцепления, передней передачи, генератора и других приборов электрооборудования.

Картеры большинства двигателей состоят из двух половин с разъемом в вертикальной плоскости, скрепленных поперечными болтами. Менее распространены картеры туннельного типа (рис. 9, в) со съемной передней или задней крышкой (мотоцикл М-61). В отдельных конструкциях картер иногда имеет разъем в горизонтальной плоскости. В стенках картера или в его крышках расточены гнезда для запрессовки сальников и коренных подшипников коленчатого вала шариковых радиально-упорных или роликовых подшипников. Со стороны более нагруженной коренной шейки в картере многих двигателей устанавливают подшипник усиленного типа или два подшипника. У четырехтактных двигателей с цепной передачей больше нагружена коренная шейка с ведущей шестерней, меньше — шейка с распределительной шестерней. У двухтактных двигателей с наружным расположением маховика больше нагружена коренная шейка, несущая маховик, а при внутреннем расположении маховиков — коренная шейка, на которой закреплена ведущая шестерня.

У четырехтактных двигателей некоторая часть отработавших газов и частицы несгоревшего топлива проникают из цилиндра в картер, вследствие чего загрязняется и разжижается масло и повышается давление в картере. Под действием избыточного давления масло из картера вытесняется через сальники наружу. Кроме того, избыточное давление способствует проникновению масла в камеру сгорания. Поэтому необходимо вентилировать картер и поддерживать нормальное давление в нем. Вместе с тем нельзя в картере создать и разрежение, чтобы в него не засасывалась через подшипники вместе с наружным воздухом пыль. Устройство для вентиляции, называемое сапуном, не препятствует выходу из картера газов, но задерживает масло и преграждает доступ в картер наружного воздуха.

На рис. 10 показан-сапун золотникового типа (двигатель мотоцикла М-61 и двигатели, подобные ему). Золотник (ротор) этого сапуна представляет собой втулку с фланцем, вращающуюся в гнезде, расточенном в передней крышке картера. Во фланце просверлены радиальные каналы 1, а во втулке — два диаметрально расположенных окна 2. Ротор приводится во вращение распределительным валом с помощью поводка — штифта. Масляный туман из картера, поступая во вращающийся ротор сапуна через радиальные каналы, сепарируется: масло отбрасывается обратно в картер, а газы проходят внутрь ротора. При движении поршней от в. м. т. к н. м. т. окна ротора совпадают с окном в гнезде 3, соединенном вентиляционной трубкой, выводящей газы в атмосферу. При движении поршней от,н. м. т. к в. м. т. ротор перекрывает окно в гнезде.

Самоподжимные сальники, изготовляемые из бензо-маслостойкой резины (рис. 11, а), имеют жесткий армированный корпус 1 для запрессовки в посадочное отверстие и внутренний эластичный воротник 3, упруго охватывающий вал. Снаружи на воротник сальника надето сжимающее его кольцо 2 из спиральной пружины. Сальник устанавливают пружиной в сторону полости с повышенным давлением. Исправный самоподжимающийся сальник пропускает масло, если на поясе контакта вала с воротником сальника имеются царапины, раковины и другие подобные повреждения поверхности.

У применявшихся ранее фетровых сальников (рис. 11, в) кольцо 6 из фетра, запрессованное в обойму или непосредственно в выточку в картере, скользит по отполированным валу или ступице маховика, шестерни, имеющим резьбовую маслосгонную канавку 7. Направление резьбы такое, что при вращении вала масло отгоняется обратно внутрь картера. Фетровый сальник с маслосгонной канавкой работает надежнее в сочетании с маслоотражательной шайбой 5, отбрасывающей при вращении (вследствие центробежной силы) масло от сальника. Задержанное сальником масло сливается обратно в картер через канал 8.

У двухтактных двигателей для получения необходимой герметичности применяют преимущественно самоподжимные сальники, иногда лабиринтные втулки. Для надежности в дополнение к сальникам устанавливают еще шайбу-мембрану, нагруженную слабой пружиной — волнистой шайбой. Шайба-мембрана, работая как автоматический клапан, при, разрежении в картере прижимается к торцу наружной обоймы подшипника и обеспечивает тем самым лучшую герметизацию.