Назначение, устройство, принцип действия кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Тема 2.1.2

1.

Назначение, устройство, принцип действия кривошипношатунного механизма (КШМ)

2.

Кривошипно-шатунный механизм предназначен для преобразования возвратнопоступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

3.

Детали кривошипно-шатунного механизма можно разделить на:
неподвижные — картер, блок цилиндров, цилиндры, головка блока
цилиндров, прокладка головки блока и поддон. Обычно блок цилиндров
отливают вместе с верхней половиной картера, поэтому иногда его
называют блок-картером.
подвижные — поршни, поршневые кольца и пальцы, шатуны, коленчатый
вал и маховик.

4.

Блок-картер — основной элемент остова двигателя. Он подвергается значительным силовым
и тепловым воздействиям и должен обладать высокой прочностью и жесткостью. В блоккартере устанавливают цилиндры, опоры коленчатого вала, некоторые устройства механизма
газораспределения, различные узлы смазочной системы с ее сложной сетью каналов и другое
вспомогательное оборудование. Блок-картер изготавливают из чугуна или алюминиевого
сплава литьем.

5.

Цилиндры представляют собой направляющие элементы ⭐ кривошипно-шатунного механизма.
Внутри их перемещаются поршни. Длина образующей цилиндра определяется ходом поршня и
его размерами. Цилиндры работают в условиях резко изменяющегося давления в надпоршневой
полости. Их стенки соприкасаются с пламенем и горячими газами, имеющими температуру до
1500… 2 500 °С.
Цилиндры должны быть прочными, жесткими, термо- и износостойкими при ограниченном
количестве смазки. Кроме того, материал цилиндров должен обладать хорошими литейными
свойствами и легко обрабатываться на станках. Обычно цилиндры изготавливают из
специального легированного чугуна, но могут применяться также алюминиевые сплавы и сталь.
Внутреннюю рабочую поверхность цилиндра, называемую его зеркалом, тщательно
обрабатывают и покрывают хромом для уменьшения трения, повышения износостойкости и
долговечности.
В V-образном двигателе цилиндры одного ряда могут быть несколько смещены относительно
цилиндров другого ряда. Это связано с тем, что на каждом кривошипе коленчатого вала крепятся
два шатуна, один из которых предназначен для поршня правой, а другой — для поршня левой
половины блока.

6.

7.

На тщательно обработанную верхнюю плоскость блока цилиндров устанавливают головку
блока, которая закрывает цилиндры сверху. В головке над цилиндрами выполнены углубления,
образующие камеры сгорания. У двигателей жидкостного охлаждения в теле головки блока
предусмотрена рубашка охлаждения, сообщающаяся с рубашкой охлаждения блока цилиндров.
При верхнем расположении клапанов в головке имеются гнезда для них, впускные и выпускные
каналы, отверстия с резьбой для установки свечей зажигания (у бензиновых двигателей) или
форсунок (у дизелей), магистрали смазочной системы, крепежные и другие вспомогательные
отверстия. Материалом для головки блока обычно служит алюминиевый сплав или чугун.

8.

Плотное соединение блока цилиндров и головки блока обеспечивается с помощью болтов или
шпилек с гайками. Для герметизации стыка с целью предотвращения утечки газов из
цилиндров и охлаждающей жидкости из рубашки охлаждения между блоком цилиндров и
головкой блока устанавливается прокладка. Она обычно изготавливается из асбестового
картона и облицовывается тонким стальным или медным листом. Иногда прокладку с обеих
сторон натирают графитом для защиты от пригорания.

9.

Нижняя часть картера, предохраняющая детали кривошипно-шатунного и других
механизмов двигателя от загрязнения, обычно называется поддоном. В двигателях
сравнительно малой мощности поддон служит также резервуаром для моторного масла.
Поддон чаще всего выполняется литым или изготавливается из стального листа штамповкой.
Для устранения подтекания масла между блок-картером и поддоном устанавливается
прокладка (на двигателях небольшой мощности для уплотнения этого стыка часто
используется герметик — «жидкая прокладка»).

10.

Поршневую группу кривошипно-шатунного механизма образует поршень в сборе с
комплектом компрессионных и маслосъемных колец, поршневым пальцем и деталями его
крепления. Ее назначение заключается в том, чтобы во время рабочего хода воспринимать
давление газов и через шатун передавать усилие на коленчатый вал, осуществлять другие
вспомогательные такты, а также уплотнять надпоршневую полость цилиндра для
предотвращения прорыва газов в картер и проникновения в него моторного масла.

11.

Поршень представляет собой металлический стакан сложной формы, устанавливаемый в цилиндре днищем
вверх. Он состоит из двух основных частей. Верхняя утолщенная часть называется головкой, а нижняя
направляющая часть — юбкой. Головка поршня содержит днище 4 (рис. а) и стенки 2. В стенках проточены
канавки 5 для компрессионных колец. Нижние канавки имеют дренажные отверстия 6 для отвода масла. Для
увеличения прочности и жесткости головки ее стенки снабжены массивными ребрами 3, связывающими
стенки и днище с бобышками, в которых устанавливается поршневой палец. Иногда оребряют также
внутреннюю поверхность днища.
Юбка имеет более тонкие стенки, чем у головки. В ее средней части расположены бобышки с отверстиями.

12.

Поршневые кольца обеспечивают плотное подвижное соединение поршня с цилиндром. Они
предотвращают прорыв газов из надпоршневой полости в картер и попадание масла в камеру
сгорания. Различают компрессионные и маслосъемные кольца.
Компрессионные кольца (два или три) устанавливают в верхние канавки поршня. Они имеют
разрез, называемый замком, и поэтому могут пружинить. В свободном состоянии диаметр
кольца должен быть несколько больше диаметра цилиндра. При введении в цилиндр такого
кольца в сжатом состоянии оно создает плотное соединение. Для того чтобы обеспечить
возможность расширения установленного в цилиндре кольца при нагревании, в замке должен
быть зазор 0,2…0,4 мм. С целью обеспечения хорошей приработки компрессионных колец к
цилиндрам часто применяют кольца с конусной наружной поверхностью, а также
скручивающиеся кольца с фаской на кромке с внутренней или наружной стороны. Благодаря
наличию фаски такие кольца при установке в цилиндр перекашиваются в сечении, плотно
прилегая к стенкам канавок на поршне.

13.

Маслосъемные кольца (одно или два) удаляют масло со стенок цилиндра, не позволяя ему
попадать в камеру сгорания. Они располагаются на поршне под компрессионными кольцами.
Обычно маслосъемные кольца имеют кольцевую канавку на наружной цилиндрической
поверхности и радиальные сквозные прорези для отвода масла, которое по ним проходит к
дренажным отверстиям в поршне.

14.

Чаще всего для их изготовления применяют высокосортный легированный чугун. Верхние
компрессионные кольца, работающие в наиболее тяжелых условиях, обычно покрывают с
наружной стороны пористым хромом. Составные маслосъемные кольца изготавливают из
легированной стали.

15.

Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с шатуном. Он представляет собой
трубку, проходящую через верхнюю головку шатуна и установленную концами в бобышки
поршня. Крепление поршневого пальца в бобышках осуществляется двумя стопорными
пружинными кольцами, расположенными в специальных канавках бобышек. Такое крепление
позволяет пальцу (в этом случае он называется плавающим) проворачиваться. Вся его поверхность
становится рабочей, и он меньше изнашивается. Ось пальца в бобышках поршня может быть
смещена относительно оси цилиндра на 1,5…2,0 мм в сторону действия большей боковой силы.
Благодаря этому уменьшается стук поршня в непрогретом двигателе.
Поршневые пальцы изготавливают из высококачественной стали. Для обеспечения высокой
износоустойчивости их наружную цилиндрическую поверхность подвергают закалке или
цементации, а затем шлифуют и полируют.

16.

Поршневая группа состоит из довольно большого числа деталей (поршень, кольца,
палец), масса которых по технологическим причинам может колебаться; в некоторых
пределах. Если различие в массе поршневых групп в разных цилиндрах будет
значительным, то при работе двигателя возникнут дополнительные инерционные
нагрузки. Поэтому поршневые группы для одного двигателя подбирают так, чтобы они
несущественно отличались по массе (для тяжелых двигателей не более чем на 10 г).

17.

Шатунная группа кривошипно-шатунного механизма состоит из:
- шатуна
- верхней и нижней головок шатуна
- подшипников
- шатунных болтов с гайками и элементами их фиксации
Шатун соединяет поршень с кривошипом коленчатого вала и, преобразуя возвратнопоступательное движение поршневой группы во вращательное движение коленчатого вала,
совершает сложное движение, подвергаясь при этом действию знакопеременных ударных
нагрузок. Шатун состоит из трех конструктивных элементов: стержня 2, верхней (поршневой)
головки 1 и нижней (кривошипной) головки 3. Стержень шатуна обычно имеет двутавровое
сечение. В верхнюю головку для уменьшения трения запрессовывают бронзовую втулку 6 с
отверстием для подвода масла к трущимся поверхностям. Нижнюю головку шатуна для
обеспечения возможности сборки с коленчатым валом выполняют разъемной. У бензиновых
двигателей разъем головки обычно расположен под углом 90° к оси шатуна. У дизелей нижняя
головка шатуна 7, как правило, имеет косой разъем. Крышка 4 нижней головки крепится к
шатуну двумя шатунными болтами, точно подогнанными к отверстиям в шатуне и крышке для
обеспечения высокой точности сборки. Чтобы крепление не ослабло, гайки болтов стопорят
шплинтами, стопорными шайбами или контргайками. Отверстие в нижней головке
растачивают в сборе с крышкой, поэтому крышки шатунов не могут быть
взаимозаменяемыми.

18.

19.

Для уменьшения трения в соединении шатуна с коленчатым валом и облегчения ремонта
двигателя в нижнюю головку шатуна устанавливают шатунный подшипник, который
выполнен в виде двух тонкостенных стальных вкладышей 5, залитых антифрикционным
сплавом. Внутренняя поверхность вкладышей точно подогнана к шейкам коленчатого вала.
Для фиксации вкладышей относительно головки они имеют отогнутые усики, входящие в
соответствующие пазы головки. Подвод масла к трущимся поверхностям обеспечивают
кольцевые проточки и отверстия во вкладышах.
Для обеспечения хорошей уравновешенности деталей кривошипно-шатунного механизма
шатунные группы одного двигателя (как и поршневые) должны иметь одинаковую массу с
соответствующим ее распределением между верхней и нижней головками шатуна.

20.

Коленчатый вал, соединенный с поршнем посредством шатуна, воспринимает действующие
на поршень силы. На нем возникает вращающий момент, который затем передается на
трансмиссию, а также используется для приведения в действие других механизмов и
агрегатов. Под влиянием резко изменяющихся по величине и направлению сил инерции и
давления газов коленчатый вал вращается неравномерно, испытывая крутильные колебания,
подвергаясь скручиванию, изгибу, сжатию и растяжению, а также воспринимая тепловые
нагрузки. Поэтому он должен обладать достаточной прочностью, жесткостью и
износостойкостью при сравнительно небольшой массе.
Конструкции коленчатых валов отличаются сложностью. Их форма определяется числом и
расположением цилиндров, порядком работы двигателя и числом коренных опор.
К шатунным шейкам коленчатого вала присоединяют нижние головки шатунов. Коренными
шейками вал устанавливают в подшипниках картера двигателя. Соединяются коренные и
шатунные шейки при помощи щек. Плавный переход от шеек к щекам, называемый галтелью,
позволяет избежать концентрации напряжений и возможных поломок коленчатого вала.
Противовесы предназначены для разгрузки коренных подшипников от центробежных сил,
возникающих на кривошипах вала во время его вращения. Их, как правило, изготавливают как
единое целое со щеками.

21.

Для обеспечения нормальной работы двигателя к рабочим поверхностям коренных и
шатунных шеек необходимо подавать моторное масло под давлением. Масло поступает из
отверстий в картере к коренным подшипникам. Затем оно через специальные каналы в
коренных шейках, щеках и шатунных шейках попадает к шатунным подшипникам. Для
дополнительной центробежной очистки масла в шатунных шейках имеются
грязеуловительные полости, закрытые заглушками.
Коленчатые валы изготавливают методом ковки или литья из среднеуглеродистых и
легированных сталей (может применяться также чугун высококачественных марок). После
механической и термической обработки коренные и шатунные шейки подвергают
поверхностной закалке (для повышения износостойкости), а затем шлифуют и полируют.
После обработки вал балансируют, т. е. добиваются такого распределения его массы
относительно оси вращения, при котором вал находится в состоянии безразличного
равновесия.
В коренных подшипниках применяют тонкостенные износостойкие вкладыши,
аналогичные вкладышам шатунных подшипников. Для восприятия осевых нагрузок и
предотвращения осевого смещения коленчатого вала один из его коренных подшипников
(обычно передний) делают упорным.

22.

1 — носок; 2 — шатунная шейка; 3 — коренная шейка; 4 — щека; 5 — противовес; 6 — хвостовик с фланцем

23.

Маховик крепится к фланцу хвостовика коленчатого вала. Он представляет собой тщательно
сбалансированный чугунный диск определенной массы. Кроме обеспечения равномерного
вращения коленчатого вала маховик способствует преодолению сопротивления сжатия в
цилиндрах при пуске двигателя и кратковременных перегрузок, например, при трогании ТС с
места. На ободе маховика закреплен зубчатый венец для пуска двигателя от стартера.
Поверхность маховика, которая соприкасается с ведомым диском сцепления, шлифуют и
полируют