Устройство автомобиля –
«Схемы автомобильных двигателей»

Рядные..

ДВИГАТЕЛИ, у которых цилиндры расположены друг за другом в одной плоскости, обозначаются литерой “R”.

Рядные моторы – самые простые и недорогие, поскольку по сравнению с другими схемами состоят из минимального количества деталей. Неудивительно, что на заре автомобилизма подавляющее большинство машин оснащалось именно такими двигателями. Причем некоторые фирмы (например, “Voisin”) строили опытные образцы 12-цилиндровых монстров!

Но сегодня делать большой моторный отсек – непозволительная роскошь, ведь при этом останется мало места на пассажирский салон. Тем более что большинство современных моделей – переднеприводные. Мотор у них обычно расположен поперечно, то есть громоздкие рядные “восьмерки” и иные многоцилиндровые агрегаты разместить под капотом практически невозможно. Кроме того, длинный коленвал очень непросто сделать прочным. Он может не выдержать огромных нагрузок, свойственных нынешним высокофорсированным двигателям. Конечно, дорогостоящие материалы и технологии позволяют решить проблему, но это неизбежно увеличит стоимость производства.

Однако рядные моторы с четным количеством цилиндров достаточно неплохо уравновешены. Конечно, в любом двигателе движущиеся детали создают множество паразитных сил и моментов, порождающих вибрации и шум. Но в данном случае дополнительных мер для их снижения конструкторам применять не надо.

В частности, рядная “шестерка” изначально полностью сбалансирована, поэтому ее до сих пор применяют на некоторых дорогих и престижных машина х вроде моделей BMW. Но баварские автомобили заднеприводные, и инженеры могли поставить мотор продольно, избежав проблем с его размещением.

А вот компания “Volvo” на модели “S80” умудрилась установить такой двигатель поперек (!) моторного отсека (ранее это удалось лишь в 70-х годах прошлого века англичанам из фирмы “Austin”). Но заодно шведам пришлось потратиться и на разработку сверхкомпактной коробки передач…

Четырехцилиндровые рядные моторы уступают “шестеркам” по сбалансированности, зато они намного компактнее. Поэтому “четверки” сегодня являются самыми популярными двигателями из разряда “до 2,5 л рабочего объема”. (Правда, у некоторых четырехцилиндровых дизелей объем превышает 3 л.) Они повсеместно применяются на моделях компактного и “семейного” классов, а также на недорогих спортивных автомобилях и внедорожниках.

Уравновешенность моторов с нечетным количеством цилиндров оставляет желать лучшего, поэтому они встречаются достаточно редко. Например, на некоторых малолитражка х вроде “Chevrolet Spark” используются трехцилиндровые двигатели. Рядные “пятерки” популярнее. Они присутствуют в гамме таких производителей, как “General Motors”, “Volvo”, “Ford”…

V-образные..

ЭТО ОБОЗНАЧЕНИЕ родилось благодаря расположению цилиндров в двух плоскостях, как бы образующих собой латинскую букву “V” (по сути, это два рядных двигателя с общим коленвалом). Угол между ними называется “углом развала”. Обычно он составляет 60° или 90°. Первая величина оптимальна для V6. А прямой угол – идеальный вариант для V8.

По сравнению с рядными V-образные моторы почти в два раза короче (при одинаковом количестве цилиндров), чуть ниже, но несколько шире. В целом последние компактнее, поэтому большинство современных многоцилиндровых двигателей построено по такой компоновке.

Но “V-образники” сложнее и дороже – ведь два ряда цилиндров означают удвоение количества головок блока, распредвалов, ремней или цепей, коллекторов и прочих деталей. Кроме того, такие двигатели страдают повышенной вибронагруженностью. Особенно этим грешит популярный V6, ведь каждая его “половинка” – трясучая “трешка”. А известная в 60-70-х года х прошлого века по отечественному “Запорожцу” и некоторым моделям “Ford” и “Saab” конфигурация V4 вообще исчезла из-под капотов автомобилей именно по причине своей неуравновешенности…

Чтобы уменьшить влияние врожденных недостатков, конструкторам приходится применять различные технические ухищрения вроде балансирных валов или специальных подушек крепления двигателя, что еще больше усложняет автомобиль и делает его дороже.

Оппозитные..

ЭТО V-ОБРАЗНЫЕ двигатели с углом развала 180°. Цилиндры в таких мотора х лежат в одной плоскости параллельно земле, но расположены напротив друг друга. Такую компоновку принято обозначать литерой “B” (“Boxer”).

Плоский двигатель обладает всеми преимуществами V-образного собрата, но при этом неплохо уравновешен и помогает значительно понизить центр тяжести машины, улучшая тем самым ее управляемость и устойчивость.

Однако “Вoxer” трудоемок и дорог как в изготовлении, так и в обслуживании. Кроме того, он занимает много места по ширине, ограничивает размер колесных арок и соответственно уменьшает угол поворота управляемых колес. Причем на некоторых моделях моторный отсек настолько плотно “упакован”, что для замены свечей зажигания необходимо частично разбирать двигатель или снимать его с подушек крепления.

Поэтому, несмотря на то, что первые “оппозиты” появились практически одновременно с рождением самого автомобиля, сегодня их применяют только две фирмы: “Porsche” и “Subaru”.

Причем в наше время “боксеры” обычно не делают с количеством цилиндров больше шести. Раньше встречались и 12-цилиндровые “оппозиты”, а фирма “Porsche” экспериментировала с мотором “B16”, но так и не решилась применить его даже на гоночных моделях.

ПИОНЕРОМ этой компоновки стала компания “Lancia”, в 20-60-х годах прошлого столетия выпускавшая семейство V-образных четырех- и шестицилиндровых двигателей с очень маленьким углом развала: 10°-20°.

Такие моторы компактнее обычных рядных, но проще и дешевле V-образных, так как имеют только одну головку блока. Однако из-за чрезмерной вибронагруженности подобная схема не получила широкого распространения.

Лишь шестнадцать лет назад концерн “Volkswagen” возродил эту компоновку. Семейство двигателей с углом развала 10,6°-15° фольксвагеновцы назвали “VR” (то есть V-образно-рядные), и с тех пор это обозначение в автомобилестроении стало официальным.

“Volkswagen” был необходим компактный шестицилиндровый мотор для установки на переднеприводные модели VW, “Audi” и “Seat” (традиционный “V6” оказался для них очень широким). Поэтому инженерам пришлось серьезно поработать над уравновешиванием строптивого двигателя (сказалось асимметричное расположение его цилиндров). Зато этот опыт пригодился в 1997 году, когда понадобилось сбалансировать еще более вибронагруженный “VR5”.

W-образные…

В ОТЛИЧИЕ от предыдущей компоновки эта схема полностью обязана своим появлением концерну “Volkswagen” (прежде она встречалась лишь в авиации). Инженеры из Вольфсбурга получили ее, соединив одним коленвалом два двигателя типа “VR”.

Получившийся инженерный шедевр позволил намного уменьшить габариты 8- и 12-цилиндровых моторов. Фольксвагеновские “W-образники” значительно компактнее конкурентов с тем же числом цилиндров. Сегодня двигатели подобной компоновки можно встретить под капотом наиболее престижных моделей концерна: к примеру, на “Volkswagen Phaeton” и “Bentley Continental GT”.

Но немецкие инженеры на этом не остановились и создали, пожалуй, наиболее сложные двигатели в мире – “W16” и “W18”. Они разрабатывались специально для перспективных автомобилей “Bugatti”. Причем “W16” все-таки пошел в мелкосерийное производство и ныне устанавливается на суперкар “Bugatti Veyron 16.4”.

Компоновочные схемы двигателей

Отчет по ознакомительной (учебной) практике

Проходил: Куделко В. В.

Руководитель: Хатянович В. И.

Оглавление

Принципиальные схемы КШМ. 3

1. Общие принципы конструирования и расчетов. 3

2. Компоновочные схемы двигателей. 4

Принципиальные схемы КШМ

Общие принципы конструирования и расчетов

Создание современного двигателя внутреннего сгорания -сложный процесс, в котором участвуют различные специа­листы. Центральное место в этом процессе занимает разработ­ка конструкторского проекта.

Конструирование двигателя заключается в инженерной раз­работке его конструкции. Научно-технический прогресс требует от конструкторов создания двигателей с высокими значениями основных показателей, главными из которых являются эконо­мичность, надежность, ресурс, материалоемкость, доступность изготовления и простота обслуживания. Для того чтобы созда­ваемый двигатель удовлетворял перечисленным требованиям, необходимо при его проектировании использовать новые кон­структорские решения. Это не отрицает преемственности кон­струкции и возможности применения хорошо зарекомендовав­ших себя конструкций, а также узлов и деталей.

Научно-технический прогресс в области двигателестроения зависит от развития отраслей, поставляющих материалы, ком­плектующие изделия, топлива и масла. Он осуществляется по комплексным планам, разрабатываемым на основе перспек­тивных типажей двигателей, под которыми понимается обосно­ванная совокупность минимального числа типов и размеров двигателей. Типаж определяется мощностным рядом, в ко­торый входят двигатели, одинаковые по компоновке и кон­струкции основных узлов и деталей. Целесообразно, чтобы вновь создаваемый двигатель являлся одним из элементов мощностного ряда, что обусловит сокращение сроков освоения новой конструкции и повышение качества изготовления двига­теля. Однако несмотря на все преимущества, связанные с вне­дрением разработанных типажей, в качестве базовой модели может быть принята принципиально новая и целесообразная с технико-экономической точки зрения конструкция двигателя.

При создании новых двигателей и их семейств большое внимание уделяется степени их стандартизации и унификации, которая оценивается долей стандартизованных и унифициро­ванных элементов во всей конструкции двигателя. Степень уни­фикации должна определяться оптимальностью общего реше­ния компоновки конструкции и ее экономической целесообраз­ностью.

Непрерывное форсирование современных двигателей по удельной мощности сопровождается ростом температур и напряжений в их деталях. Поэтому большую роль при создании современных двигателей приобретают расчеты на прочность.

Расчет на прочность деталей двигателя включает следую­щие основные этапы: составление расчетной схемы, отражаю­щей наиболее существенные особенности конструкции и усло­вий нагружения деталей; анализ этой схемы с помощью современных методов расчета; формулировку на основе прове­денного анализа практических выводов применительно к реаль­ной конструкции. Используемые ранее (при малых и средних уровнях форсирования), часто очень упрощенные, методы рас­чета на прочность деталей двигателя не вызывали возражений, так как заложенные в самих конструкциях двигателей запасы прочности при средних параметрах рабочего процесса были ве­лики. В настоящее время требуются методы расчета, значи­тельно более точно учитывающие геометрию деталей и усло­вия их нагружения.

Особенности проектирования современных двигателей, предусматривающего (наряду с повышением качества) сниже­ние его сроков при усложнении конструкции двигателя, обусло­вили создание автоматизированного проектирования. При этом особенно возрастает роль расчетов, которые должны быть ориентированы на систематическое применение ЭВМ и выполнены на качественно новом, более высоком уровне.

Компоновочные схемы двигателей

Разнообразие областей применения двигателей внутреннего сгорания и, следовательно, требований, предъявляемых к их конструкции, обусловливает сложность построения классифика­ционной схемы двигателей по конструктивным признакам.

Основной задачей при разработке классификационных схем является отбор нескольких общих признаков, на базе которых может быть проведено построение частных классификаций. Для выявления этих признаков следует проанализировать тре­бования, предъявляемые к двигателям в зависимости от их назначения.

Простота конструкции двигателя определяется необходи­мостью, с одной стороны, облегчения его производства и экс­плуатации, а с другой-повышения надежности.

Размеры двигателя и его масса зависят от общей компонов­ки двигателя, конструктивных форм и размеров остова. Поэто­му целесообразно в качестве основы для классификации двига­телей выбрать прежде всего геометрические признаки, и в частности расположение в пространстве геометрических осей главнейших его деталей.

Как правило, современные двигатели внутреннего сгорания имеют механизмы для преобразования возвратно-поступатель­ного движения поршня во вращательное движение вала. К без-вальным двигателям относятся только свободнопоршневые ге­нераторы газа, дизель-компрессоры, дизель-молоты и двига­тель-трамбовка.

Один из основных факторов, определяющих конфигурацию двигателя,-расположение и число рабочих цилиндров. В двига­телях с валом, но без кривошипно-шатунного механизма (с на­клонной или иной шайбой) оси цилиндров расположены парал­лельно оси вала.

Если оси трех и более цилиндров находятся в одной плоско­сти, перпендикулярной оси вала, то они образуют так называе­мую звезду. Комбинирование отдельных цилиндров произво­дят чаще всего вдоль коленчатого вала. Конструкцию, в которой звезды расположены вдоль коленчатого вала, назы­вают многорядной звездой. В многорядных звездообразных двигателях оси цилиндров соседних звезд, в частности при воз­душном охлаждении, могут быть смещены на половину угла между цилиндрами.

Формы конструкций двигателей зависят от взаимного рас­положения деталей, механизмов и вспомогательных агрегатов. Общая компоновка может зависеть, например, от числа и рас­положения распределительных валов (верхнее или нижнее), от расположения агрегатов воздухоснабжения и т. д. Хотя эти фак­торы не являются основными, тем не менее их следует учиты­вать при классификации отдельных узлов, систем вспомога­тельных агрегатов и устройств.

Однорядные двигатели характеризуются простотой кон­струкции и сравнительно высокой технологичностью изготов­ления. Указанные преимущества, а также большой опыт по­строения и эксплуатации двигателей с вертикально располо­женными цилиндрами обусловливают широкое применение подобных двигателей.

Основное преимущество V-образных двигателей перед однорядными такой же мощности-меньшие размеры и в пер­вую очередь меньшая длина, вследствие чего увеличена жест­кость таких ответственных деталей, как картера (блок-картера), крышки (головки) цилиндров и коленчатого вала. Наиболее ча­сто применяемый угол между осями цилиндров 45-90°. Он определяется назначением двигателя, требованиями к размерам и порядком работы цилиндров, расположенных в одном ряду. Там, где основное требование-уменьшение размеров и в пер­вую очередь высоты, этот угол может быть и больше 90°.

Аналогичные преимущества имеют двигатели с W-образно расположенными цилиндрами (рис. 3), но большого распро­странения они не получили, главным образом вследствие слож­ности конструкции шатунов, подшипников и других узлов и де­талей. Однако в последнее время конструкторы вновь стали применять эту схему.

В некоторых случаях двигатели выполняют с Х-образно расположенными цилиндрами (рис. 4). Такие двигатели имеют небольшие размеры по длине. Детали кривошипно-шатунного механизма, корпуса и распределительного механизма в этом случае имеют очень сложную конструкцию. Углы между осями цилиндров могут быть или разными (рис. 4), например 45, 60 и 120°, или одинаковыми.

В установках различного назначения применяют также дви­гатели с горизонтальными противолежащими цилиндрами (рис. 5). Для машин наземного транспорта небольшая высота двигателя данного типа и удобство размещения его в машине являются в некоторых случаях несомненными преимуществами по сравнению с двигателями, имеющими вертикально или V-образно расположенные цилиндры.

В двигателях со звездообразно расположенными цилиндра­ми (рис. 6) проще осуществлять воздушное охлаждение, чем в двигателях с цилиндрами, расположенными в ряд. Однако, как правило, шатуны и коленчатые валы звездообразных дви

гателей очень нагружены и имеют сложную конструкцию. По­следнее особенно характерно для двигателей с цилиндрами расположенными в виде многорядной звезды (рис. 7), которые обладают меньшими размерами и массой при большей мощ­ности по сравнению с другими одновальными двигателями

В связи с необходимостью создания мощных быстроходных двигателей значительное внимание уделяется двухвальным и многовальным конструкциям. Конструктивные схемы по­добных двигателей весьма разнообразны. Двухвальные двига­тели могут быть выполнены сдвоенными с двумя рядами па­раллельно расположенных цилиндров (рис. 8). В этом случае два коленчатых вала соединены между собой зубчатой переда­чей. Необходимо отметить также двигатели с Н-образно (рис. 9) и I-образно расположенными цилиндрами. Наконец, цилиндры могут быть расположены под углом и иметь общую (для двух цилиндров) камеру сгорания.

Особо следует остановиться на конструктивных схемах двухтактных двигателей с противоположно движущимися пор­шнями. Одновальные двигатели с противоположно движущи­мися поршнями могут быть:

с одним коленчатым валом-тронковые (рис. 10 а) и крейцкопфные (рис. 10,6);

с двумя коленчатыми валами и цилиндрами, расположенны­ми в ряд (цилиндры могут быть расположены вертикально, как показано на рис. На, или горизонтально);

с двумя коленчатыми валами и сдвоенными, ромбообразно расположенными цилиндрами; с тремя коленчатыми валами, двумя рабочими полостями и V-образно расположенными перевернутыми цилиндрами (рис. 12);

с тремя коленчатыми валами, тремя рабочими полостями и осями цилиндров, образующими треугольник (рис. 13);

с цилиндрами, оси которых параллельны оси вала, и на­клонными вращающимися или качающимися шайбами для передачи вращения валу.

Одновальные двигатели с противоположно движущимися поршнями (см. рис. 10) имеют в основном валы с тремя коле­нами на каждый цилиндр. При этом два боковых колена, рас­положенных под углом, близким к 180°, к среднему (основно­му) колену, связаны с верхним поршнем через траверсу и длинные тяги.

Двигатели, выполненные по схеме, показанной на рис. 13, имеют меньшие размеры и большую мощность. Они отли­чаются сложностью некоторых узлов, в частности корпуса, и невозможностью доступа к деталям (например, к некоторым насосам и форсункам) со стороны внутренней полости. В этих двигателях один из поршней цилиндра управляет впуском, дру­гой-выпуском. Причем поршень, управляющий выпуском, омывается выпускными газами и находится в особо тяжелых условиях. Так как кривошипы каждого цилиндра смещены один относительно другого на угол, отличающийся от 180° на 10-15°, с коленчатого вала, управляющего выпуском, снимается большая мощность, и этот вал оказывается более нагру­женным. В двигателях, выполненных по схемам, приведенным на рис. 12 и 13, можно уравнять мощности, снимаемые с ко­ленчатых валов, присоединяя к одному колену вала поршень, управляющий выпуском, и поршень, управляющий впуском. Рассмотренные схемы не исчерпывают всех возможных ра­циональных компоновок, характеризуемых различным распо­ложением и числом цилиндров и валов. По этим схемам вы-

полняют как четырехтактные (см. рис. 1-9), так и двухтактные двигатели.

Почти все двигатели внутреннего сгорания-двигатели про­стого действия. В таких двигателях можно применять тронко-вую конструкцию поршня, что обусловливает уменьшение га­баритных размеров (главным образом в направлении оси цилиндра) и массы поступательно движущихся деталей, а также большую простоту конструкции.

При больших мощностях малооборотные двигатели про­стого действия выполняют с крейцкопфом в основном для обеспечения большей надежности при эксплуатации и создания лучших условий работы поршневой группы. Принцип двойного действия позволяет увеличить мощность двигателя в 1,5-1,8 раза при относительно небольшом увеличении его массы. Од­нако в настоящее время двигатели двойного действия (обычно двухтактные) не выпускают, так как они характеризуются сложностью конструкции, очень тяжелыми условиями работы поршневой группы, штока и других деталей. В таких двигате­лях трудно обеспечить хорошее качество процессов газообмена и особенно смесеобразования в полости цилиндра, через кото­рую проходит шток. Применение же наддува позволяет полу­чить необходимую мощность и в более простых по конструк­ции двигателях простого действия.

Литература

1. «Автомобильные двигатели» 2-е изд.

2. «Автомобильные двигатели. Теория, расчёт и конструирование» под редакцией Ховаха ,Самойловича