Кривошипношатунный механизм (КШМ). Назначение, устройство, принцип действия

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.

Кривошипно-шатунный механизм двигателя

Блок цилиндров

Это одна из самых сложных по конфигурации деталь двигателя. На схематическом объемном чертеже видно, что внутри он пронизан двумя непересекающимися системами каналов для подачи масла к точкам смазки и циркуляции охлаждающей жидкости. Он отливается из чугуна или сплавов легких металлов, содержит в себе места для запрессовки гильз цилиндра, кронштейны для подшипников коленвала, пространство для маховика, систем смазки и охлаждения. К блоку подходят патрубки системы подачи топливной смеси и удаления отработанных газов.

Снизу к блоку через герметичную прокладку крепится масляный картер- резервуар для смазки. В этом картере и происходит основная работа кривошипно- шатунного механизма, сокращенно КШМ.

Гильза должна выдерживать высокое давление в цилиндре. Его создают газы, образовавшиеся после сгорания топливной смеси. Поэтому и то место блока, куда гильзы запрессованы, должно выдерживать большие механические и термические нагрузки.

Гильзы обычно изготавливают из прочных сортов стали, реже — из чугуна. В ходе работы двигателя они изнашиваются при капитальном ремонте двигателя могут быть заменены. Различают две основных схемы их размещения:

  • сухая, внешняя сторона гильзы отдает тепло материалу блока цилиндров;
  • влажная, гильза омывается снаружи охлаждающей жидкостью.

Второй вариант позволяет развивать большую мощность и переносить пиковые нагрузки.

Поршневые пальцы

Осуществляют кинематическую связь поршня и шатуна. Изделие закреплено в поршневой юбке и служит осью подшипника скольжения. Детали выдерживают высокие динамические нагрузки во время рабочего хода, а также смены такта и обращения направления движения. Вытачивают их из высоколегированных термостойких сплавов.

Различают следующие типы конструкции пальцев:

Плавающая конструкция применяется в современных моторах, она снижает удельные нагрузки на компоненты кривошипно- шатунной группы и увеличивает их ресурс.

Неисправности, возникающие при работе КШМ и их причины

Сбои в работе могут случиться в разных элементах кривошипно-шатунной группы. Сложность конструкции и сочетания параметров шатунных механизмов двигателей заставляет особенно внимательно относить к их расчету, изготовлению и эксплуатации.

Наиболее часто к неполадкам приводит несоблюдение режимов работы и технического обслуживания мотора. Некачественная смазка, засорение каналов подачи масла, несвоевременная замена или пополнение запаса масла в картере до установленного уровня- все эти причины приводят к повышенному трению, перегреву деталей, появлению на их рабочих поверхностях задиров, потертостей и царапин. При каждой замене масла обязательно следует менять масляный фильтр. В соответствии с регламентом обслуживания также нужно менять топливные и воздушные фильтры.

Нарушение работы системы охлаждения также вызывает термические деформации деталей вплоть до их заклинивания или разрушения. Особенно чувствительны к качеству смазки дизельные моторы.

Неполадки в системе зажигания также могут привести к появлению нагара на поршне и пего кольцах Закоксовывание колец вызывает снижение компрессии и повреждение стенок цилиндра.

Бывает также, что причиной поломки становятся некачественные либо поддельные детали или материалы, примененные при техническом обслуживании. Лучше приобретать их у официальных дилеров или в проверенных магазинах, заботящихся о своей репутации.

Признаки наличия неисправностей в работе КШМ

Для своевременного выявления сбоев и начинающих развиваться негативных процессов в кривошипно- шатунной группе полезно знать из внешних признаков:

  • Стуки в двигателе, непривычные звуки при разгоне.  Звенящие звуки часто бывают вызваны детонационными явлениями. Неполное сгорание топлива во время рабочего такта и взрывообразное его сгорание на такте выпуска приводят к скоплению нагара на кольцах и днище поршня, к ухудшению условий их охлаждения и разрушению. Необходимо залить качественное топливо и проверит параметры работы системы зажигания на стенде.
  • Глухие стуки говорят об износе шеек коленвала. В этом случае следует прекратить эксплуатацию, отшлифовать шейки и заменить вкладыши на более толстые из ремонтного комплекта.
  • «Поющий» на высокой звонко ноте звук указывает на возможное начало плавления вкладышей или на нехватку масла при повышении оборотов. Также нужно срочно ехать в сервис.
  • Сизые клубы дыма из выхлопного патрубка свидетельствуют о избытке масла в рабочей камере. Следует проверить состояние колец и при необходимости заменить их.
  • Падение мощности также может вызываться закоксовыванием колец и снижением компрессии.

При обнаружении этих тревожных симптомов не стоит откладывать визит в сервисный центр. Заклиненный двигатель обойдется намного дороже, и по деньгам, и по затратам времени.

Газораспределительный механизм

Распределительный вал должен быть синхронизирован с коленчатым валом. Чтобы совпадали фазы сгорания топлива и движение клапанов. Для этого эти валы соединены между собой зубчатым ремнем. Такой ремень не проскальзывает, поэтому сохраняет жесткую связь с маховиком, а значит и с коленчатым валом. Тем самым сохраняется синхронизация двух валов: коленчатого и распределительного, что является основой нормальной функционирования мотора.

Газораспределительный механизм Газораспределительный механизм

Шатун

Эта ответственный элемент кривошипно-шатунного механизма двигателя выполнен разборным, для того, чтобы можно было менять вкладыши подшипников в его обоймах. Подшипники скольжения используются на низкооборотных двигателях, на высокооборотных устанавливают более дорогие подшипники качения.

Внешним видом шатун напоминает накидной ключ. Для повышения прочности и снижения массы поперечное сечение сделано в виде двутавровой балки.

При работе деталь испытывает попеременно нагрузки продольного сжатия и растяжения. Для изготовления используют отливки из легированной или высокоуглеродистой стали.

Особенности работы двигателя. Такты

Выше описана упрощенная схема работы КШМ. В действительности чтобы создать необходимые условия для нормального сгорания топливной смеси, требуется выполнение подготовительных этапов – заполнение камеры сгорания компонентами смеси, их сжатие и отвод продуктов горения. Эти этапы получили название «такты мотора» и всего их четыре – впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Из них только рабочий ход выполняет полезную функцию (именно при нем энергия преобразуется в движение), а остальные такты – подготовительные. При этом выполнение каждого этапа сопровождается проворотом коленвала вокруг оси на 180 градусов.

Конструкторами разработано два типа двигателей – 2-х и 4-тактный. В первом варианте такты совмещены (рабочий ход с выпуском, а впуск – со сжатием), поэтому в таких моторах полный рабочий цикл выполняется за один полный оборот коленвала.

В 4-тактном двигателе каждый такт выполняется по отдельности, поэтому в таких моторах полный рабочий цикл выполняется за два оборота коленчатого вала, и только один полуоборот (на такте «рабочий ход») выполняется за счет выделенной при горении энергии, а остальные 1,5 оборота – благодаря энергии маховика.

Остов двигателя

Соединенные друг с другом неподвижные детали кривошипно-шатунного механизма являются остовом двигателя, воспринимающим все основные силовые и тепловые нагрузки, как внутренние (связанные с работой двигателя), так и внешние (обусловленные трансмиссией и ходовой частью). Силовые нагрузки, передающиеся на остов двигателя от несущей системы ТС (рама, кузов, корпус) и обратно, существенно зависят от способа крепления двигателя. Обычно он крепится в трех или четырех точках так, чтобы не воспринимались нагрузки, вызванные перекосами несущей системы, возникающими при движении машины по неровностям. Крепление двигателя должно исключать возможность его смещения в горизонтальной плоскости под действием продольных и поперечных сил (при разгоне, торможении, повороте и т.д.). Для уменьшения вибрации, передающейся на несущую систему ТС от работающего двигателя, между двигателем и подмоторной рамой, в местах крепления, устанавливаются резиновые подушки разнообразных конструкций.

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.

Принцип действия и назначение

В отличие от электродвигателя принцип действия КШМ в двигателях внутреннего сгорания значительно сложнее:

  • поршни поочередно выталкиваются из цилиндров при воспламенении топливной смеси;
  • внутри них шарнирно закреплены шатунные детали сложной конфигурации;
  • коленчатый вал имеет ответную посадочную поверхность П-образного типа для нижней головки шатуна, что обеспечивает смещение от оси вращения вала;
  • за счет фиксированного расстояния между поршнем и коленвалом шатун описывает амплитуду в виде восьмерки, за счет чего и преобразуется поступательное движение с цилиндров в крутящий момент на валу.

Основное назначение расходных элементов КШМ (вкладыши, втулки, кольца) заключается в увеличении эксплуатационного ресурса этого узла. Поскольку число цилиндров достигает 16 штук в современных авто, устройство и работа механизма КШ должна быть идеально сбалансирована.

Коленчатый вал

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. Основными частями коленчатого вала являются коренные шейки 3, шатунные шейки 2, щеки 4, противовесы 5, передний конец (носок 1) и задний конец (хвостовик 6) с фланцем.

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.

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.

Принцип работы КШМ

Работа механизма двигателя основана на энергии расширения при сгорании топливно-воздушной смеси. Именно эти “микровзрывы” являются движущей силой, которую кривошипно-шатунный механизм переводит в удобную форму. На видео, ниже, подробно описанный принцип работы КШМ в 3Д анимайии.

Принцип работы КШМ:

  1. В цилиндрах двигателя сгорает распыленное и смешанное с воздухом топливо. Такая дисперсия предполагает не медленное горение, а мгновенное, благодаря чему воздух в цилиндре резко расширяется.
  2. Поршень, который в момент начала горения топлива находится в верхней точке, резко опускается вниз. Это прямолинейное движение поршня в цилиндре.
  3. Шатун соединен с поршнем и коленвалом так, что может двигаться (отклоняться) в одной плоскости. Поршень толкает шатун, который надет на шейку коленвала. Благодаря подвижному соединению, импульс от поршня через шатун передается на коленвал по касательной, то есть вал делает поворот.
  4. Поскольку все поршни по очереди толкают коленвал по тому же принципу, их возвратно-поступательное движение переходит во вращение коленвала.
  5. Маховик добавляет импульс вращения, когда поршень находится в «мертвых» точках.

Интересно, что для старта двигателя нужно сначала раскрутить маховик. Для этой цели нужен стартер, который сцепляется с зубчатым венцом маховика и раскручивает его, пока мотор не заведется. Закон сохранения энергии в действии.

Остальные элементы двигателя: клапаны, распредвалы, толкатели, система охлаждения, система смазки, ГРМ и прочие – необходимые детали и узлы для обеспечения работы КШМ.

Не движущиеся части КШМ

Не движущиеся части КШМ: блок цилиндров, головка блока цилиндров и прокладки между блоками.

Не движущиеся части КШМ Не движущиеся части КШМ

Блок цилиндров — базовая деталь КШМ поршневого ДВС. В нем находятся посадочные отверстия для установки коленчатого вала. Он является остовом двигателя, в котором различными способами монтируются остальные его агрегаты и узлы.

Блок цилиндров подвергается большим температурным нагрузкам до 2000 °С. Различные места блока нагреваются по-разному. В результате по-разному деформируются. Что приводит к большим температурным усилиям, которые вкупе с большим давлением (до 11 МПа) создают большие разрывающие усилия. Поэтому изготавливают блоки цилиндров из высокопрочного чугуна и из алюминиевых сплавов.

Наиболее используемым металлом для производства блока цилиндров является чугун, так как он обладает оптимальным соотношением цена-качество. Высокая прочность и низкая стоимость.

Алюминий обладает большим коэффициентом теплового расширения, что создает проблемы. Кроме того, относительно низкие механические качества тоже ограничивают применение его в производстве блока цилиндров.

Внутри блока имеются каналы для подвода масла к трущимся частям. Также делают каналы для жидкости, которая охлаждает блок.

Головка цилиндров является не менее важной деталью. Она также трудится в условиях большого жара — до 2500 ° С. Причем нагрев различных частей неравномерный. С одной стороны, деталь омывается охлаждающей жидкостью, с другой нагревается, что вызывает большие деформации.

Главное требование к головке цилиндров — прочность, достаточная для сопротивления разрывающим силам, противостоящая деформации от механических воздействий и изгибающих температурных напряжений.

Головки цилиндров делают из высокопрочного чугуна, а также из алюминиевого сплава. Выбор металла зависит от типа мотора. Карбюраторные нуждаются в быстром отводе тепла, так как в них сжимается горючая смесь. Поэтому для них головки цилиндров производят их алюминиевого сплава. Дизеля сжимают воздух. Для них головки цилиндров делают из чугуна.

Поршневой палец

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.

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).

Шатунная группа кривошипно-шатунного механизма состоит из:

  • шатуна
  • верхней и нижней головок шатуна
  • подшипников
  • шатунных болтов с гайками и элементами их фиксации

Пример графиков движения поршня

График показывает x, x’, x» по отношению к углу поворота кривошипа для различных радиусов кривошипа, где L — длина шатуна (l) и R — радиус кривошипа (r):

Единицами вертикальных осей являются:  для положен

Единицами вертикальных осей являются: для положения, для скорости, для ускорения.
Единицами горизонтальных осей является угол поворота кривошипа в .

Анимация движения поршня с шатуном одинаковой длины и с кривошипом переменного радиуса на графике выше:

Перечень неисправностей КШМ

Наиболее распространенными поломками механизма являются:

  • износ и разрушение шатунных и коренных шеек коленвала;
  • стачивание, выкрашивание или плавление вкладышей подшипников скольжения;
  • загрязнение нагаром сгорания поршневых колец;
  • перегрев и поломка колец;
  • скопление нагара на поршневом днище приводит к его перегреву и возможному разрушению;
  • длительная эксплуатация двигателя с детонационными эффектами вызывает прогорание днища поршня.

Сочетание этих неисправностей со сбоем в системе смазки может вызвать перекос поршней в цилиндрах и заклинивание двигателя. Устранение всех этих поломок связано демонтажом двигателя и его частичной или полной разборкой.

Ремонт занимает много времени и обходится недешево, поэтому лучше выявлять сбои в работе на ранних стадиях и своевременно устранять неполадки.

Поршни

Деталь представляет из себя стальную или алюминиевую отливку в виде перевернутого стакана. Скользя по стенкам цилиндра, он принимает на себя давление сгоревшей топливной смеси и превращает его в линейное движение. Далее через кривошипный узел она превращается во вращение коленчатого вала, а затем передается на сцепление и коробку передач и через кардан к колесам. Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме, приводят транспортное средство или стационарный механизм в движение.

Деталь выполняет следующие функции:

  • на такте впуска, двигаясь вниз (или в направлении от коленчатого вала, если цилиндр расположен не вертикально) на, он увеличивает объем рабочей камеры и создает в ней разрежение, затягивающее и равномерно распределяющее по объему очередную порцию рабочей смеси;
  • на такте сжатия поршневая группа движется вверх, сжимая рабочую смесь до необходимой степени;
  • далее идет рабочий такт, деталь под давлением идет вниз, передавая импульс вращения коленчатому валу;
  • на такте выпуска он снова идет вверх, вытесняя отработанные газы в выхлопную систему.

На всех тактах, кроме рабочего, поршневая группа движется за счет коленчатого вала, забирая часть энергии его вращения. На одноцилиндровых двигателях для аккумуляции такой энергии служим массивный маховик, на многоцилиндровые такты цилиндров сдвинуты во времени.

Конструктивно изделие подразделяется на такие части, как:

  • днище, воспринимающее давление газов;
  • уплотнение с канавками для поршневых колец;
  • юбка, в которой закреплен палец.

Палец служит осью, на которой закреплено верхнее плечо шатуна.

Как устроен кривошипношатунный механизм

Механизм состоит из деталей, как подвижных, так и неподвижных.

Детали подвижного типа:

  • поршень;
  • маслосъемное кольцо (1);
  • компрессионные кольца (2);
  • поршневой палец (3);
  • стопорное кольцо (4);
  • шатун;
  • крышка шатуна (5);
  • крепежный болт (6);
  • вкладыши (7);
  • втулка (8);
  • коленчатый вал;
  • шатунная шейка (9);
  • противовес (10);
  • коренная шейка (11);
  • маховик

Детали неподвижного типа:

  • блок и головка цилиндров;

Маховик

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.

Рис. Коленчатый вал: 1 — носок; 2 — шатунная шейка; 3 — коренная шейка; 4 — щека; 5 — противовес; 6 — хвостовик с фланцем