Устройство кривошипно-шатунного механизма

Основной задачей двигателей внутреннего сгорания, использующиеся на всевозможной технике, является преобразование энергии, которая выделяется при сжигании определенных веществ, в случае с ДВС – это топливо на основе нефтепродуктов или спиртов и воздуха, необходимого для горения.

Преобразование энергии производится в механическое действие – вращение вала. Далее уже это вращение передается дальше, для выполнения полезного действия.

Однако реализация всего этого процесса не такая уж и простая. Нужно организовать правильно преобразование выделяемой энергии, обеспечить подачу топлива в камеры, где производиться сжигание топливной смеси для выделения энергии, отвод продуктов горения. И это не считая того, что тепло, выделяемое при сгорании нужно куда-то отводить, нужно убрать трение между подвижными элементами. В общем, процесс преобразования энергии сложен.

Поэтому ДВС – устройство довольно сложное, состоящее из значительного количества механизмов, выполняющих определенные функции. Что же касается преобразования энергии, то выполняет его механизм, называющийся кривошипно-шатунным. В целом, все остальные составные части силовой установки лишь обеспечивают условия для преобразования и обеспечивают максимально возможный выход КПД.

Принцип действия кривошипно-шатунного механизма

Основная же задача лежит на этом механизме, ведь он преобразовывает возвратно-поступательное перемещение поршня во вращение коленчатого вала, того вала, от движения которого и производится полезное действие.

Чтобы было более понятно, в двигателе есть цилиндро-поршневая группа, состоящая из гильз и поршней. Сверху гильза закрыта головкой, а внутри ее помещен поршень. Закрытая полость гильзы и является пространством, где производится сгорание топливной смеси.

При сгорании объем горючей смеси значительно возрастает, а поскольку стенки гильзы и головка являются неподвижными, то увеличение объема воздействует на единственный подвижный элемент этой схемы – поршень. То есть поршень воспринимает на себя давление газов, выделенных при сгорании, и от этого смещается вниз. Это и является первой ступенью преобразования – сгорание привело к движению поршня, то есть химический процесс перешел в механический.

И вот далее уже в действие вступает кривошипно-шатунный механизм. Поршень связан с кривошипом вала посредством шатуна. Данное соединение является жестким, но подвижным. Сам поршень закреплен на шатуне посредством пальца, что позволяет легко шатуну менять положение относительно поршня.

Шатун же своей нижней частью охватывает шейку кривошипа, которая имеет цилиндрическую форму. Это позволяет менять угол между поршнем и шатуном, а также шатуном и кривошипом вала, но при этом смещаться шатун вбок не может. Относительно поршня он только меняет угол, а на шейке кривошипа он вращается.

Поскольку соединение жесткое, то расстояние между шейкой кривошипа и самим поршнем не изменяется. Но кривошип имеет П-образную форму, поэтому относительно оси коленвала, на которой размещен этот кривошип, расстояние между поршнем и самим валом меняется.

За счет применения кривошипов и удалось организовать преобразование перемещения поршня во вращение вала.

Но это схема взаимодействия только цилиндро-поршневой группы с кривошипно-шатунным механизмом.

На деле же все значительно сложнее, ведь имеются взаимодействия между элементами этих составляющих, причем механические, а это значит, что в местах контакта этих элементов будет возникать трение, которое нужно по максимуму снизить. Также следует учитывать, что один кривошип неспособен взаимодействовать с большим количеством шатунов, а ведь двигатели создаются и с большим количеством цилиндров – до 16. При этом нужно же и обеспечить передачу вращательного движения дальше. Поэтому рассмотрим, из чего состоит цилиндро-поршневая группа (ЦПГ) и кривошипно-шатунный механизм (КШМ).

Начнем с ЦПГ. Основными в ней являются гильзы и поршни. Сюда же входят и кольца с пальцами.

Гильза

Гильзы существуют двух типов – сделанные непосредственно в блоке и являющиеся их частью, и съемные. Что касается выполненных в блоке, то представляют они собой цилиндрические углубления в нем нужной высоты и диаметра.

Съемные же имеют тоже цилиндрическую форму, но с торцов они открыты. Зачастую для надежной посадки в свое посадочное место в блоке, в верхней части ее имеется небольшой отлив, обеспечивающий это. В нижней же части для плотности используются резиновые кольца, установленные в проточные канавки на гильзе.

Внутренняя поверхность гильзы называется зеркалом, потому что она имеет высокую степень обработки, чтобы обеспечить минимально возможное трение между поршнем и зеркалом.

В двухтактных двигателях в гильзе проделываются на определенном уровне несколько отверстий, которые называются окнами. В классической схеме ДВС используется три окна – для впуска, выпуска и перепуска топливной смеси и отработанных продуктов. В оппозитных же установках типа ОРОС, которые тоже являются двухтактными, надобности в перепускном окне нет.

Поршень

Поршень принимает на себя энергию, выделяемую при сгорании, и за счет своего перемещения преобразовывает ее в механическое действие. Состоит он из днища, юбки и бобышек для установки пальца.

Именно днищем поршень и воспринимает энергию. Поверхность днища в бензиновых моторах изначально была ровной, позже на ней стали делать углубления для клапанов, предотвращающих столкновение последних с поршнями.

В дизельных же моторах, где смесеобразование происходит непосредственно в цилиндре, и составляющие смеси туда подаются по отдельности, в днищах поршня выполнена камера сгорания – углубления особой формы, обеспечивающие более лучшее смешивание компонентов смеси.

В инжекторных бензиновых двигателях тоже стали применять камеры сгорания, поскольку в них тоже составные части смеси подаются по отдельности.

Юбка является лишь его направляющей в гильзе. При этом нижняя часть ее имеет особую форму, чтобы исключить возможность соприкосновения юбки с шатуном.

Чтобы исключить просачивание продуктов горения в подпоршневое пространство используются поршневые кольца. Они подразделяются на компрессионные и маслосъемные.

В задачу компрессионных входит исключение появления зазора между поршнем и зеркалом, тем самым сохраняется давление в надпоршневом пространстве, которое тоже участвует в процессе.

Если бы компрессионных колец не было, трение между разными металлами, из которых изготавливаются поршень и гильза было бы очень высоким, при этом износ поршня происходил бы очень быстро.

В двухтактных двигателях маслосъемные кольца не применяются, поскольку смазка зеркала производиться маслом, которое добавляется в топливо.

В четырехтактных смазка производится отдельной системой, поэтому чтобы исключить перерасход масла используются маслосъемные кольца, снимающие излишки его с зеркала, и сбрасывая в поддон. Все кольца размещаются в канавках, проделанных в поршне.

Бобышки – отверстия в поршне, куда вставляется палец. Имеют отливы с внутренней части поршня для увеличения жесткости конструкции.

Палец представляет собой трубку значительной толщины с высокоточной обработкой внешней поверхности. Часто, чтобы палец не вышел за пределы поршня во время работы и не повредил зеркало гильзы, он стопориться кольцами, размещающимися в канавках, проделанных в бобышках.

Это конструкция ЦПГ. Теперь рассмотрим устройство кривошипно-шатунного механизма.

Шатун

Итак, состоит он из шатуна, коленчатого вала, посадочных мест этого вала в блоке и крышек крепления, вкладышей, втулки, полуколец.

Шатун – это стержень с отверстием в верхней части под поршневой палец. Нижняя часть его сделана в виде полукольца, которым он садится на шейку кривошипа, вокруг шейки он фиксируется крышкой, внутренняя поверхность ее тоже выполнена в виде полукольца, вместе с шатуном они и формируют жесткое, но подвижное соединение с шейкой – шатун может вращаться вокруг ее. Соединяется шатун со своей крышкой посредством болтовых соединений.

Чтобы снизить трение между пальцем и отверстием шатуна применяется медная или латунная втулка.

По всей длине внутри шатун имеет отверстие, через которое масло подается для смазки соединения шатуна и пальца.

Коленчатый вал

Перейдем к коленчатому валу. Он имеет достаточно сложную форму. Осью его выступают коренные шейки, посредством которых он соединен с блоком цилиндров. Для обеспечения жесткого соединения, но опять же подвижного, в блоке посадочные места вала выполнены в виде полуколец, второй частью этих полуколец выступают крышки, которыми вал поджимается к блоку. Крышки к с блоком соединены болтами.

Коленвал 4-х цилиндрового двигателя

Коренные шейки вала соединены с щеками, которые являются одной из составных частей кривошипа. В верхней части этих щек располагается шатунная шейка.

Количество коренных и шатунных шеек зависит от количества цилиндров, а также их компоновки. В рядных и V-образных двигателях на вал передаются очень большие нагрузки, поэтому должно быть обеспечено крепление вала к блоку, способное правильно распределять эту нагрузку.

Для этого на один кривошип вала должно приходиться две коренные шейки. Но поскольку кривошип размещен между двух шеек, то одна из них будет играть роль опорной и для другого кривошипа. Из этого следует, что у рядного 4-цилиндрового двигателя на валу имеется 4 кривошипа и 5 коренных шеек.

У V-образных двигателей ситуация несколько иная. В них цилиндры расположены в два ряда под определенным углом. Поэтому один кривошип взаимодействует с двумя шатунами. Поэтому у 8-цилиндрового двигателя используется только 4 кривошипа, и опять же 5 коренных шеек.

Уменьшение трения между шатунами и шейками, а также блоком с коренными шейками достигается благодаря использованию вкладышей – подшипников трения, которые помещаются между шейкой и шатуном или блоком с крышкой.

Смазка шеек вала производится под давлением. Для подачи масла применяются каналы, проделанные в шатунных и коренных шейках, их крышках, а также вкладышах.

В процессе работы возникают силы, которые пытаются сместить коленчатый вал в продольном направлении. Чтобы исключить это используются опорные полукольца.

В дизельных двигателях для компенсации нагрузок используются противовесы, которые прикрепляются к щекам кривошипов.

Маховик

С одной из сторон вала сделан фланец, к которому прикрепляется маховик, выполняющий несколько функций одновременно. Именно от маховика передается вращение. Он имеет значительный вес и габариты, что облегчает вращение коленчатому валу после того, как маховик раскрутится. Чтобы запустить двигатель нужно создать значительное усилие, поэтому по окружности на маховик нанесены зубья, которые называются венцом маховика. Посредством этого венца стартер раскручивает коленчатый вал при запуске силовой установки. Именно к маховику присоединяются механизмы, которые и используют вращение вала на выполнение полезного действия. У автомобиля это трансмиссия, обеспечивающая передачу вращения на колёса.

Чтобы исключить осевые биения, коленчатый вал и маховик должны быть хорошо отбалансированы.

Другой конец коленчатого вала, противоположный фланцу маховика используется зачастую для привода остальных механизмом и систем мотора: к примеру, там может размещаться шестерня привода масляного насоса, посадочное место для приводного шкива.

Это основная схема коленчатого вала. Особо нового пока ничего не придумано. Все новые разработки направлены пока только на снижение потерь мощности в результате трения между элементами ЦПГ и КШМ.

Также стараются снизить нагрузку на коленчатый вал путем изменения углов положения кривошипов относительно друг друга, но особо значительных результатов пока нет.

Кривошипно-шатунный механизм двигателя внутреннего сгорания: устройство, назначение, как работает

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) представляет собой важный механизм автомобильного двигателя, который преобразовывает поступательные движения поршневой системы во вращательное движение коленчатого вала двигателя, от которого, в свою очередь, это движение передается на колеса автомобиля, что и приводит машину в движение.

Принцип работы кривошипно-шатунного механизма

Под давлением газов, которые образуются в цилиндрах двигателя при сгорании топливно-воздушной смеси, поршень совершает поступательное движение по направлению к коленчатому валу.

Важные детали механизма, а именно: поршень, шатун и вал помогают преобразовывать движения поступательного характера в движения вращательного, что в свою очередь запускает вращение колес автомобиля.

В обратном порядке взаимодействие вала и поршня выглядит следующим образом: вал при вращательном движении через детали механизма – вал, шатун и поршень, преобразовывает энергию в поступательное поршневое движение.

Как устроен кривошипно-шатунный 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;

Поршень с кольцами и пальцем

Поршень – это небольшая цилиндрическая деталь, изготовленная из алюминиевого сплава. Его основным назначением является преобразование давления выделяемых газов в поступательное движение, передаваемое в шатун. Возвратно-поступательное движение обеспечивается за счет гильзы.

Поршень состоит из юбки, головки и дна (днища). Дно может иметь разную форму (выпуклую, вогнутую или плоскую), в нем содержится камера сгорания. На головке расположены небольшие канавки для поршневых колец (маслосъемных и компрессионных).

Кольца компрессионного типа предотвращают возможное попадание газов в двигательный картер, а кольца малосъемного типа предназначены для удаления лишнего масла со стенок цилиндра.

Юбка оснащена специальными бобышками с отверстиями, для установления поршневого пальца, соединяющий поршень и шатун.

Шатун

Шатун – еще одна деталь КШМ, которая изготавливается из стали методом штамповки или ковки, оснащенная шарнирными соединениями. Шатун предназначен для передачи энергии движения от поршня к валу.

Шатун складывается из верхней, разборной нижней головки и стержня. Верхняя головка соединяется с поршневым пальцем. Нижнюю разборную головку можно соединять с шейкой вала с помощью крышек (шатунных).

Кривошип (колено)

К любому кривошипу (колено) крепится шатун поршня. Зачастую кривошип располагается от оси шеек в определенном радиусе, что определяет ход поршня. Именно эта деталь дала название кривошипно-шатунному механизму.

Коленчатый вал

Еще одна подвижная деталь механизма сложной конфигурации, изготовленная из чугуна или стали. Основным назначением вала является преобразование поступательного поршневого движения поршня во вращательный момент.

Коленчатый вал складывается из шеек (коренных, шатунных), щек (соединяющих шейки) и противовесов. Щеки создают равновесие при работе всего механизма. Внутри шейки и щеки оснащены небольшими отверстиями, через которые под давлением происходит подача масла.

Маховик

Маховик, как правило, установлен на конце вала. Изготавливается из чугуна. Маховик предназначен для повышения равномерного вращения вала для запуска двигателя с помощью стартера.

В настоящее время чаще применяются маховики двухмассового типа – два диска, которые достаточно плотно соединены между собой.

Блок цилиндров

Это неподвижная деталь КШМ, которая изготавливается из чугуна или алюминия. Блок предназначен для направления поршней, именно в них осуществляется весь рабочий процесс.

Блок цилиндров может быть оснащен рубашками охлаждения, постелями для подшипников (распределительного и коленчатого вала), точкой крепления.

Головка цилиндров

Эта деталь оснащена камерой сгорания, каналами (впускными и выпускными), отверстиями для свечей зажигания, втулками и седлами. Головка цилиндров изготавливается из алюминия.

Как и блок, головка также имеет рубашку охлаждения, которая соединяется с рубашкой цилиндра. А вот герметичность этого соединения обеспечивается специальная прокладка.

Закрывается головка небольшой штампованной крышкой, при этом между ними устанавливается резиновая прокладка, устойчивая к воздействию масел.

Поршень, гильза цилиндров и шатун образуют то, что автомобилисты обычно называют цилиндр. Двигатель может иметь от одного до 16, а иногда и больше цилиндров. Чем больше цилиндров, тем больше общий рабочий объем двигателя и, соответственно, тем больше его мощность. Но нужно понимать, что при этом одновременно с мощностью растет и расход топлива. Цилиндры в двигателе могут располагаться по различным компоновочным схемам:

• рядная (оси всех цилиндров располагаются в одной плоскости)
• V-образная компоновка (оси цилиндров располагаются под углом 60 или 120 градусов в двух плоскостях)
• оппозитная компоновка (оси цилиндров располагаются под углом 180 градусов)
• VR-компоновка (аналогично V-образной, но плоскости располагаются под небольшим углом относительно друг друга)
• W-образная компоновка представляет собой совмещение на одном коленчатом валу двух VR-компоновок, расположенных V-образно со смещением относительно вертикали

От компоновочной схемы зависит балансировка двигателя, а так же его размер. Наилучшей балансировкой обладает оппозитный двигатель, однако он редко используется на автомобилях из-за конструктивных особенностей.

Так же отличным балансом обладает рядный шестицилиндровый двигатель, но его применение на современных автомобилях практически невозможно из-за его громоздкости. Наибольшее распространение получили V-образные и W-образные двигатели из-за наилучшего сочетания динамических характеристик и конструктивных особенностей.