Задача кривошипно-шатунного механизма заключается в преобразовании возвратно-поступательных движений поршней от энергии, полученной от сгорания топливной смеси, во вращательное движение коленчатого вала. Данный механизм является основой двигателя внутреннего сгорания, и имеет свою специфику работы и устройство.
История появления
Еще в третьем веке нашей эры были первые упоминания о существовании и применении кривошипа. В Византии и Риме упоминания датируются пятым веком.
Один из ярких примеров его использования – это пилорама из Иераполиса, где и был использован коленчатый вал. Механизм из металла также был найден на территории современной Швейцарии.
Однако первый патент на устройство был получен только в 1780 году Джеймсом Пакардом, несмотря на тот факт, что подобные механизмы успешно применялись и до этого момента.
Части КШМ, подвижные и неподвижные
Все детали кривошипно-шатунного механизма принято условно разделять на подвижные и неподвижные. К первым относятся:
- шатуны;
- поршни;
- поршневые колеса;
- коленчатый вал;
- маховик;
- поршневые пальцы.
В качестве основы механизма выступают его неподвижные части. Они же отвечают на крепеж и направление. Сюда относятся:
- блок цилиндров;
- головка блока цилиндров;
- картер и его поддон;
- подшипники;
- крепежные элементы.
Картером называют часть двигателя снизу. Здесь расположены опоры и каналы смазочной системы, необходимой коленчатому валу. Именно в картере движутся шатуны и вращается коленвал. Поддон представляет собой емкость с моторным маслом.
В процессе работы на основу картера приходится значительные силовые и тепловые нагрузки. Деталь должна быть особенно крепкой, жесткой и прочной, чтобы иметь возможность выдерживать нагрузки. Как правило, для изготовления картеров используются чугун и алюминиевые сплавы.
Сам картер крепится к блоку цилиндров, в результате составляя остов двигателя и основную часть корпуса. Сами цилиндры расположены в блоке, а сверху закрепляется головка блока двигателя. Для жидкостного охлаждения вокруг цилиндров располагаются специальные полости.
Количество цилиндров и их расположение
Схем расположения существует несколько. Наиболее популярны среди них:
- рядное положение четырехцилиндровое и шестицилиндровое;
- V-образное под углом 90 градусов шестицилиндровое положение;
- VR-образное положение уже под меньшим углом;
- оппозитное, когда поршни двигаются навстречу друг другу;
- W-образное с 12 цилиндрами.
Если рассматривать простое рядное положение, то здесь цилиндры и поршни стоят в ряд и находятся перпендикулярно валу. Эта схема считается самой простой и достаточно надежной.
Головка блока цилиндров крепится к самому блоку шпильками или болтами. Благодаря тому, что она накрывает сверху цилиндры с поршнями, образуется герметичная камера сгорания. Блок и головка разделяет прокладка. В головке блока цилиндров расположены свечи зажигания и клапанный механизм.
Что касается цилиндров, то в них и происходит движение поршней. Размер цилиндров зависит от того, каков ход поршня и какова его длина. Работа цилиндров сопряжена с постоянно меняющимся давлением и температурой, их стенки подвергаются трению постоянно, а температура способна достигать 2500 градусов. Отсюда следует, что к этим элементам, материалам из которых они изготовлены, предъявляются особые требования.
Зеркало – внешняя поверхность цилиндров, отполированная до зеркального блеска и покрытая хромом. В условиях ограниченного количества смазки, полировка необходима для того, чтобы обеспечить минимальный уровень трения. Цельные цилиндры отливаются вместе с блоком, есть также вариант, когда цилиндр представляет собой съемную гильзу.
Но в основе любого кривошипно-шатунного механизма лежат три детали: поршни с шатунами, коленчатый вал и маховик.
Особенности строения поршней
Топливовоздушная смесь сгорает, в результате чего на днище поршня оказывается давление, обеспечивая поршню движение внутри цилиндра. Днища поршней различны по форме, здесь все зависит от типа двигателя.
В бензиновых двигателях сначала использовались поршни с плоским днищем, затем к нему добавили вогнутые проточки. В двигателях, работающих на дизельном топливе, днище поршня вогнутое, оно образует камеру сгорания. Это объясняется тем, что в камере сгорания здесь сжимается воздух.
От формы днища поршня зависит то, насколько правильно сформирован факел сгорания топлива.
Помимо днища, у поршня есть также юбка, представляющая собой направляющую движения внутри цилиндра. Во время движения шатуна юбка поршня с ним не соприкасается.
Под поршневые кольца на боковых поверхностях поршней предусмотрены специальные проточки, а сверху размещены компрессионные кольца. Они помогают избежать попадания газов в промежуток между стенками цилиндров и поршнем. Задача компрессионных колец – максимально плотно прижаться к зеркалу, чтобы зазор был минимальным. Снизу есть маслосъемное кольцо, которое избавляет стенки цилиндра от лишней смазки, чтобы она не попала в камеру сгорания.
Кольца также испытывают постоянную высокую нагрузку во время работы двигателя. Это объясняет выбор материала изготовления: как правило, это легированный чугун, покрытый сверху пористым хромом.
Шатун и поршневой палец
Крепление шатуна к поршню осуществляется за счет поршневого пальца. Это деталь цилиндрической формы, цельная или полая, в зависимости от типа двигателя. Устанавливается элемент в верхней головке шатуна, соединяя его с отверстием в поршне.
Поршневой палец может быть закреплен с фиксированной или плавающей посадкой. Последний вариант более распространенный, а для крепления применяют стопорные кольца. Фиксированная посадка предполагает установку пальца с натягом.
Задача шатуна – это соединение поршня и коленчатого вала и обеспечение вращательных движений. Движение шатуна напоминает восьмерку.
Деталь включает в себя ряд элементов:
- основа;
- верхняя поршневая головка;
- нижняя кривошипная головка.
Внутри поршневой головки есть бронзовая втулка, которая помогает снизить уровень трения и количество смазки между деталями. Детали кривошипной головки подгоняются друг к другу максимально плотно, скрепляются болтами, но сама деталь является разборной.
Шатунные подшипники скольжения также предназначены для снижения уровня трения между деталями. Они представляют собой вкладыши с замками из стали. Важно, чтобы подшипники были подогнаны под размер соединения максимально точно.
Во время работы системы между внешней поверхностью вкладышей и головкой шатуна неизбежно возникает сила трения, которая и защищает подшипники от проворота.
Особенности коленчатого вала
Эта деталь отличается сложностью устройства и изготовления. Коленчатые валы изготавливаются из чугуна или стали. Выбор материала обусловлен тем фактом, что на вал приходится высокая нагрузка и давление.
Сама деталь включает в себя несколько элементов:
- коренные и шатунные шейки;
- противовесы;
- хвостовик;
- щеки;
- фланец маховика.
От того, сколько цилиндров предусмотрено в двигателе, зависит сама конструкция коленчатого вала. Если двигатель простой рядный с четырьмя цилиндрами, на его коленвале располагаются четыре шатунные шейки. Пять коренных шеек, установленные на вкладыши скольжения, размещаются на центральной оси вала, а сверху они закрываются крышками с болтовым креплением.
Место, где коренная шейка с подшипниками скольжения опирается на блок, называют постелью.
Между собой шейки соединяются при помощи щек. Равномерное движение коленвала во время работы двигателя гашение колебаний помогают обеспечить противовесы.
Шейки имеют максимально точную посадку. Они достаточно прочные, так как предварительно проходят термическую обработку и полировку. Точностью балансировки и центровки отличается также коленвал, что помогает распределить равномерно все силы, которые на него воздействуют в процессе работы. Компенсируются осевые перемещения за счет установки упорных колец по бокам от опоры.
Наконец, звездочки привода ГРМ крепятся на хвостовик коленчатого вала. Сюда же примыкает приводной шкиф навесного оборудования.
Маховик
Маховик закрепляется на задней части вала при помощи фланца. Это массивный диск из чугуна, главная задача которого заключается в создании инерции, необходимой для работы кривошипно-шатунного механизма. Он же отвечает за передачу крутящего момента равномерно.
Маховик соединяется с шестерней стартера за счет зубчатого венца, расположенного на ободе детали. Когда запускается двигатель, раскручивание коленчатого вала и движение поршням обеспечивает именно маховик.
КШМ остается неизменным на протяжении многих лет. Конструкция проверена годами и лишь иногда подвергается незначительным конструктивным доработкам, которые помогают только снизить нагрузку от инерции и трения, основная же часть системы остается привычной.