2018-12-17 Кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный механизм состоит из целого ряда деталей

На преобладающем большинстве автомобилей устанавливается двигатель внутреннего сгорания (далее ДВС). Исключения в виде электромобилей есть, но встречаются реже. Большинство ДВС на легковых машинах поршневые, другие варианты есть, но на серийных моделях практически не используются. В такой конструкционной схеме ключевой узел силового агрегата – кривошипно-шатунный механизм (далее КШМ). Он состоит из целого ряда деталей, которые взаимодействуют:

между собой, некоторые образуют пары трения;
с другими узлами двигателя (имеется в виду газораспределительный механизм, далее ГРМ);
компонентами трансмиссии (коробка передач).

Опосредовано КШМ, через определенный вид привода, взаимосвязан с навесным оборудованием, отвечающим за работу целого ряда систем (рулевого управления, систем зажигания, запуска двигателя, кондиционирования, смазки). Есть и другие варианты.

КШМ включает множество деталей, которые отличаются конструкционно, а также по конфигурации и комплектации в узле. В целом принято выделять две группы компонентов.

Неподвижные, статичные компоненты КШМ

Первая группа – статичные, неподвижные элементы. Ключевой – блок цилиндров. Это та основа, которая необходима для установки не только всех компонентов КШМ, но и зачастую и навесного оборудования, ГРМ.

Нижняя часть блока цилиндров зовется картером. Именно в нем располагаются основные детали КШМ. Чтобы не было споров, можно изменить формулировку и сказать, что верхняя часть картера называет блоком цилиндров, а сам картер двигателя и есть корпус двигателя. Суть не меняется. Есть блок цилиндров, есть картер двигателя. Порой применяется и термин блок-картер, так как это две неразрывные литые детали, связанные между собой. Другие схемы сейчас практические не применяются. Имеется в виду ситуации когда блок цилиндров и картер двигателя обособленные детали, соединенные между собой определенным образом или когда картер двигателя есть, а блока цилиндров нет, как у ранних двигателей Porsche.

К картеру при помощи прокладок подсоединяется масляный поддон картера, иногда его называют поддон картера, иногда поддон двигателя или просто поддон. В нем размещаются компоненты системы смазки и может храниться моторное масло (системы с «мокрым» картером). Но есть и системы с «сухим» картером. Встречаются немного реже. Об этом ниже.

Далее. К неподвижным деталям относятся различные уплотнительные прокладки, сальники, подшипники (вкладыши коленвала), крепежные детали. В зависимости от конструкции ставятся порой и другие статичные компоненты, включая разнообразные крышки, картер маховика, и прочее. Например, если блок цилиндров гильзовый, то есть гильза и не одна. Необходимо учитывать особенности конструкции отдельно взятого ДВС. Вариантов десятки, если не сотни.

Еще один важный статичный компонент – головка блока цилиндров (далее ГБЦ). В ряде случаев ее относят к КШМ, так как это надпоршневая верхняя часть. Она ставится на блок цилиндров. Иногда идет разговор о том, что ГБЦ – часть ГРМ, особенно если речь о верхневальной компоновке ДВС, при которой распредвал вверху. Тогда в ГБЦ установлен распределительный, он же кулачковый вал (бывает не один), элементы клапанной группы, а сверху клапанная крышка. То есть практически все компоненты ГРМ располагаются в ГБЦ. Поэтому и головку блока цилиндров можно считать по праву деталью КШМ, ГРМ или обособленным компонентом, что лучше всего, чтобы не было споров. Главное что она есть практически в любом поршневом ДВС.

Подвижные компоненты КШМ

Помимо тех деталей, которые не двигаются (условно, так как они под действием разнонаправленных сил могут сдвигаться относительно своей оси), есть в КШМ и детали, двигающиеся в обязательном порядке.

Основная из них – коленвал (полное название коленчатый вал). Он крутится и функционирует в паре с другими деталями, отметим:

шатун и его подшипники (выполняет поступательные, точнее возвратно-поступательные, непрямолинейные движения);
маховик (вращается и обеспечивает связь с трансмиссией, коробкой переключения передач);
элементы приводов ГРМ и вспомогательного оборудования (используется вращательное, круговое движение).

Следующий важный компонент – поршни, они выполняют возвратно-поступательный ход. На них есть поршневые кольца двух разновидностей (компрессионные, а также маслосъемные, количество различается), поршневые пальцы.

Коленвал работает с несколькими группами. В первую очередь речь идет о прямой работе с такой кинематической парой как поршень-шатун и ее компонентами. Это шатунно-поршневая группа. А также коленвал опосредовано работает с парой цилиндр-поршень, тогда это цилиндро-поршневая группа. Есть и поршневая группа, все элементы поршня, собранные вместе. Данные термины широко используются в технической литературе.

Это лишь основные компоненты, есть и дополнительные. Все напрямую зависит от конструкции отдельно взятого двигателя. Среди вспомогательных компонентов отметим балансирные валы. Не всегда они есть, но иногда ставятся. И еще, конечно же, крепежные элементы.

Эксплуатация, ремонт, обслуживание

В ходе эксплуатации КШМ требует обслуживания, а при необходимости и ремонта. Связано это с условиями функционирования, износом, механической и температурной деформацией, рядом прочих факторов, вплоть до неисправностей компонентов систем, обеспечивающих работу мотора в целом.

На автопортале Avto.Tatar есть возможность подобрать в Казани СТО, моторные центры и цеха, где осуществляется техобслуживание мотора и его КШМ, включающее диагностику, комплексную оценку состояния, профилактические и регламентированные работы, а также ремонт как мотора в целом, так и его КШМ. У нас представлена информация о коммерсантах, предлагающих приобрести все необходимые детали для техобслуживания и ремонта КШМ, ДВС и систем с ним связанных.

Поддержание в исправном состоянии КШМ достаточно актуально, исходя из функционального предназначения этого механизма. Об этом детальнее.

Зачем двигателю КШМ

Кривошипно-шатунный механизм – ключевой элемент преобладающего числа современных четырехтактных поршневых ДВС. В ходе сжигания топливно-воздушной смеси (далее ТВС) формируется тепловая энергия и передается на поршни. Благодаря этому они начинают передвигаться в цилиндрах (при запуске мотора первоначальный импульс передается от стартера). В результате этого тепловая энергия преобразовывается в механическую работу. Это базовый принцип функционирования ДВС. Без него силовой агрегат работать не будет. Без КШМ и его поршней, не может выполняться преобразование тепловой энергии непосредственно в механическую работу. Это надеемся понятно.

Механическая работа – это поступательные движения, совершаемые поршнями, иначе говоря, циклический ход вниз-вверх (у оппозитных моторов влево-вправо).

К поршням с одной стороны подсоединены шатуны, с другой они подсоединяются к коленвалу. Коленвал, его колено, классический кривошип, отсюда и наименование – кривошипно-шатунный механизм. Суть этого явления состоит в том, что такой механизм дает возможность преобразовывать поступательное движение непосредственно во вращательное и в обратном порядке. Если проще. Шатун передает поступательное движение на коленвал, а он это движение преобразовывает во вращательное, а затем снова в поступательное. Движение вращательное передается от коленвала через:

привод ГРМ на детали ГРМ, точнее один распредвал, зачастую два, иногда и четыре распределительных вала, которые задействует компоненты клапанной группы, а еще порой на водяную помпу (насос) системы охлаждения и ряд компонентов прочих систем;
привод на навесное оборудования, тут не можем сказать что точно, как правило, генератор, зачастую насос ГУР, компрессор или муфта кондиционера, иногда водяная помпа (насос, устанавливаемый в системе охлаждения) и это далеко не все оборудование;
маховик прямо на трансмиссию (чтобы не было споров на механическую коробку переключения передач, в версиях с автоматической коробкой переключения передач не будем путать в терминах, назовем это устройством, обеспечивающим связь с гидротрансформатором или гидромуфтой, его еще называют пластиной, есть и другие названия), а также зачастую стартер.

В зависимости от конструкционных особенностей вращательное, круговое движение может передаваться и на другие устройства. Например, зачастую при помощи шестеренной передачи от коленвала на масляный насос, установленный в системе смазки. Вариантов множество.

Что касается поступательного движения, то его коленвал подает на шатун, а тот следом на поршень, поэтому и говорят, что поршень выполняет возвратно-поступательное движение.

То есть схема работы ДВС и его КШМ следующая: тепловая энергия → поступательный ход → вращательное (круговое) движение → распределение движения (кругового) вращательного непосредственно по система и частичное преобразование (востребованное для обратного передвижения поршня, а еще шатуна, их пары) в поступательное.

В этом и заключается базовый принцип действия. Тут немножко отвлечемся и добавим теории. Есть такое понятие как ВМТ (верхняя мертва точка, если проще это когда поршень на максимальном удалении от коленвала) и НМТ (нижняя мертвая точка, когда поршень соответственно располагается в цилиндре на минимально возможно расстоянии от коленвала). Пусть простят нас специалисты за такую формулировку, но, по сути, так. Кстати, расстоянием между двумя точками (ВМТ и НМТ) называется таким термином как ход поршня, а объем цилиндра между двумя указанными точками именуют рабочим.

Схема следующая. Включается стартер, это электромотор, компонент системы зажигания и запуска, ранее применялся «кривой» стартер, ручка. Он заставляет коленчатый вал крутиться (вращаться), обеспечивая первоначальное движение, и КШМ начинает работать. Когда включается двигатель, то сначала возникает вращательное движение. Оно передается от стартера на коленвал, шатунную шейку. Далее это движение преобразовывается в поступательное и передается на пару шатун-поршень. Затем сгорает ТВС (такт, который называется расширением, его еще именуют рабочим ходом). Поршень передвигается от ВМТ к НМТ и задействует шатун.

Двигаясь поступательно, поршень и шатун в паре обеспечивают (кручение) вращение своей шатунной шейки и самого коленвала. Она совершает вращательно (по кругу) движение непосредственно на 180°. Благодаря этому поршень и доходит до НМТ. Шейка делает круг далее с 180° до 360° и передает поступательное движение на шатун. Тот следом на поршень (стартует такт выпуска (выхлопа)). Поршень перемещается и достигает ВМТ. Вал в этом время делает полный круг на 360°. Вращение передается на другие узлы с использованием отдельно взятых компонентов и привода, через хвостовик и носок. Далее цикл повторяется, но такты другие. Поршень опускается и происходит такт впуска, затем поднимается и происходит такт сжатия. То есть все происходит за пару ходов поршня и оборотов шатунной шейки вокруг своей оси. Затем снова такты рабочего хода и выпуска. Так функционирует четырехтактный ДВС. Двухтактные на легковых машинах ставятся редко. Но и в них связь поршень-шатун-коленвал также используется.

Написали о классической схеме, которая применяется на преобладающем числе большинстве поршневых двигателей современных автомобилей. Но учитывайте что иногда, очень и очень редко, бывают существенные отличия. Например, используется крейцкопф (крейцкопфные дизельные моторы, как правило, ставятся на суда, представленная выше схема характерна для тронковых двигателей), коленвала бывает два, или коленчатый вал отсутствует, иные схемы предполагают отсутствие шатунов. Но большинство такой экзотики не прижилось на серийных авто.

Говоря другими словами. Без КШМ, возвратно-поступательного хода его поршней, вращательного кругового движения коленвала, силовую установку, ее ГРМ и системы, обеспечивающие работу ДВС, не смогут работать. А еще от КШМ зависит зачастую и функционирование других систем, таких как рулевое управление, трансмиссия, порой и иные.

Далее рассмотрим компоненты классического КШМ без нюансов и уникальных особенностей конструкции.

Блок цилиндров

Блок цилиндров, он же верхняя часть картера, он же блок-картер, и сам картер – это основа любого двигателя, в легковых автомобилях литая цельная неразъемная деталь с внутренними полостями (цилиндрами). В картере располагаются элементы:

КШМ, практически все компоненты за исключением некоторых внешних;
рубашка охлаждения, контуры системы охлаждения (по ним циркулирует охлаждающая жидкость, часто антифриз);
ГРМ, часть компонентов этого механизма иногда присутствует в блоке;
контуры системы смазки (для передвижения моторного масла есть масляные каналы);
элементы определенных систем, в частности смазки, рециркуляции выхлопных газов, зачастую и ряда прочих.

Блок-картер – база для установки различного навесного оборудования, его конфигурация существенно различается. Оно отвечает за работу рулевого управления, трансмиссии, электрооборудования, электронных, прочих систем.

В картере есть постели. В них укладываются коренные шейки коленвала, иногда присутствуют и крышки коренных шеек.

Делается блок цилиндров из:

алюминия, его сплавов, в том числе с дополнительным упрочнением;
чугуна (перлитного или высоколегированного);
сплавов легких металлов (очень редко), например, магниевых сплавов (дорого).

Форма и габаритные размеры блока-картера зависят от множества параметров. Среди них компоновка цилиндров, размещение двигателя (продольное или поперечное) и многие другие.

Головка блока цилиндров

На блок цилиндров с водяным охлаждением устанавливается ГБЦ. Эта деталь отличается по конструкции. Все находится в зависимости от схемы установки клапанов (нижнее, верхнее, боковое). В ГБЦ предусмотрены каналы (контур) системы охлаждения, взаимосвязанные с рубашкой охлаждения, расположенной в блоке цилиндров. По сути это надпоршневая конструкция.

Производится ГБЦ из чугуна или алюминия, очень редко магния или легких сплавов. Преимущественно алюминий. Технология производства – литье (под заданным давлением с дальнейшей обработкой каналов путем фрезерования и сверления или в кокиль), реже другие технологии.

Если расположение элементов ГРМ верхневальное, то в ГБЦ есть свечные колодцы, посадочные гнезда для элементов клапанной группы, контуры системы смазки, порой компоненты системы обеспечивающей рециркуляцию отработавших в двигателе газов и прочие дополнительные отверстия. Между блоком цилиндров и его головкой стоит прокладка ГБЦ. Монтаж ГБЦ к блоку цилиндров выполняется с применением шпилек или другой вариант – болтов. Необходимо соблюдать порядок установки болтов и момент затяжки.

В целом ГБЦ подразделяются на:

общие для всей группы цилиндров, что характерно двигателям с рядной (R) и рядно-разнесенной (VR) компоновкой;
групповые, они применяются на моторах V-образной компоновкой, два ряда цилиндров, два ГБЦ, и двухрядной оппозитной компоновкой;
индивидуальные, у всех цилиндров своя, такая схема применялась ранее на моторах с воздушным типом охлаждения и индивидуальными цилиндрами, то есть блока цилиндров, в прямом понимании, там нет.

К ГБЦ зачастую крепятся компоненты системы питания и выпускной (соответственно впускной и выпускной коллекторы с прокладками).

Если рассматривать далее ГБЦ подробнее, то плавно перейдем от статьи о КШМ к статье о ГРМ. А это тема для отдельного разговора. Поэтому отметим последние. В ГБЦ может быть камера или часть камеры сгорания, это что касается КШМ. А о ГРМ читайте в другом нашем материале.

Масляный поддон картера

КШМ в ходе работы требует смазки из-за наличия пар трения. С этой целью, а еще для смазки пар трения в ГРМ и пар трения, образованных между деталями КШМ и ГРМ, используется система смазки. Оттого в картере, его нижней части, есть еще одна деталь – масляный поддон картера. Между ним и картером прокладка, хотя иногда используют герметик. Для крепления поддона к картеру зачастую используются болты, но есть и варианты.

Поддон бывает литым (из стали, высокотемпературного пластика, алюминия и алюминиево-магниевых сплавов), или штампованным (стальным). Раньше были и чугунные поддоны.

В поддоне может быть фильтр, обеспечивающий грубую очистку смазки (магнит), маслоприемник, датчик и прочие детали. В ДВС с «мокрым» картером в поддоне всегда есть моторное масло и горловина для его слива с пробкой. В ДВС с «сухим» картером смазка (моторное масло) в поддоне отсутствует. Оно выкачивается масляным насосом в специальный масляный бачок (резервуар).

Иногда к поддону картера могут закрепить другие узлы силового агрегата.

Еще акцентируем внимание на том, что бытует такое мнение – масляный поддон это и есть сам картер двигателя. Пошло это из далекого советского прошлого и двухтактных двигателей, где поддон и картер одна неразъемная деталь. Не будем дальше продолжать, а то дойдем до туннельных блоков, легендарного ЗАЗ и его уникального двигателя. В четырехтактных двигателях поддон и картер разъемные. Поэтому используя известный афоризм: «Мухи отдельно, котлеты отдельно», скажем, что картер двигателя не есть масляный поддон картера, это разные детали.

Последний момент. С целью защиты поддона картера может ставиться так называемая защита картера.

Цилиндры

Если брать непосредственно сам блок цилиндров, то его основная часть цилиндры, от этого и название. Внутренняя поверхность цилиндра называется зеркалом, оно изготавливается из того же материала, что и материал блока. Только в отдельных случаях для формирования поверхности зеркала используются специальные покрытия.

Есть две основные схемы. Первая схема основана на том, что цилиндры отливаются вместе с блоком и это две неразъемные детали. Иногда отливается блок, а цилиндры растачиваются. Между цилиндрами и блоком есть определенное пространство с каналами охлаждения, это рубашка охлаждения.

Обращайте внимание что на части моторов используется гильза в каждом из цилиндров. Такие двигатели называются гильзовыми, соответственно если гильз нет – то безгильзовым. Материал гильз и цилиндров либо отличается, например, комбинация, алюминий-чугун, либо аналогичен.

Гильза бывает «сухой» и « мокрой». Отличие в том, что «мокрая» гильза имеет прямой контакт с охлаждающей жидкостью, зачастую антифризом. «Мокрые» гильзы достаточно легко меняются, а вот сухие запрессовываются или заливаются намертво. Материал изготовления гильз обычно чугун, иногда сталь, алюминий и прочие металлы, а также их сплавы. Сейчас появляются и двухкомпонентные гильзы, состоящие из комбинации материалов. Для общего развития. Есть и третий тип гильз для ДВС с воздушным охлаждением. Эти гильзы снабжаются ребрами охлаждения, металлическими (из чугуна, определенных марок стали, легких металлов) или биметаллическими (корпус из стали, второй вариант чугуна), у которых ребра литые или навитые из алюминия.

Гильза, ее внутренняя поверхность, или в безгильзовых ДВС зеркало цилиндра, зачастую подвергаются хонингованию, азотированию, а также хромированию или другим видам обработки. На зеркале цилиндров в безгильзовых ДВС может использоваться и напыление. Например, когда цилиндры алюминиевые, то применяются такие виды покрытия как Nikasil (Никасил), Silumal (Силуман), Galnikal (Галникал), Alusil (Алюсил), Locasil (Локасил) и другие. Если блок из серого перлитного чугуна, то стенки цилиндров изготавливают иногда из белого чугуна-нирезиста (аустенитного никельмедистохромистого). То есть вариантов масса.

Вторая схема состоит в том, что цилиндры обособлены и зачастую крепятся к верхней части картера. То есть блок цилиндров это не одна литая деталь, а группа цилиндров собранных в один узел. Такая схема сейчас практически не использует, а ранее была характерна моторам с воздушной системой охлаждения.

Компоновка, количество и расположение цилиндров в двигателе может отличаться. Количество цилиндров от двух, это предел (одноцилиндровых нет). Самые известные такие малютки – это двухцилиндровые Twin Air от Fiat. Максимальное количество может варьироваться. Чем больше цилиндров, тем мощнее двигатель и равномернее его работа, но тем габаритнее размеры.

Компоновка и расположение цилиндров также разные, основные варианты:

R – рядная, однорядная, как правило, под углом отклонения от вертикальной оси в 0° (вертикальное размещение), но есть и варианты под 90° (горизонтальные) или другим , как правило от 20° до 45°, второй вариант – двухрядная, под углом (его называют углом развала цилиндров) между двумя рядами цилиндров в 180° (горизонтальное размещение в два ряда – это оппозитные двигатели);
V-образная, пара рядов, размещенных между собой под заданным углом больше чем 60° (есть исключения);
VR-образная, она же рядно-разнесенная, это V-образная двухрядная компоновка, только угол развала цилиндров ничтожно мал до 20°, например, у моторов Volkswagen 15° и 10,5°;
W-образная, пара VR образных собранных вместе с углом развала в 72°.

Рядные моторы имеют количество цилиндров от двух до восьми. Рядные «восьмерки» вымерли как вид достаточно давно, еще в 30-х прошлого века. Рядная «шестерка» – это наиболее сбалансированный вид моторов, но их осталось не так и много, как и «пятерок». Рядных «двоек» на пальцах одной руки, но они, как и рядные «тройки», сейчас достаточно активно развиваемая схема. Наиболее распространенный вид – четырехцилиндровый рядный двигатель, рядная «четверка».

V-образные моторы имеют четыре, шесть, восемь, реже десять, двенадцать, шестнадцать восемнадцать цилиндров. Самые распространены это V-образные «шестерки» и «восьмерки», «четверки» вымерли как класс. Варианты с десятью и двенадцатью цилиндрами встречаются редко, с шестнадцатью еще реже, а с восемнадцатью только на прототипах спорткаров. Дальше только грузовики.

VR-образные моторы встречаются очень редко и преимущественно это двигатели Volkswagen, с пятью, шестью, восьмью цилиндрами. W-образные, созданные на базе VR-образных моторов, восьми- и двенадцати-, а также шестнадцатицилиндровые (на Bugatti Veyron).

От общего количества и месторасположения цилиндров зависит угол между кривошипами, а также необходимость использовать балансирные валы, противовесы или иные устройства для уравновешивания моментов и различных инерционных сил. Если моменты и силы неуравновешенны, то появляется вибрация, снижаются эксплуатационные характеристики, ресурс двигателя.

Все решается в ходе проектирования двигателя. Самые уравновешенные моторы, это рядные шестерки, обычные R6 и двухрядные оппозитные B6. Близкая к оптимальной схеме – это компоновка R4 , где главная задача справиться с силами инерции второго порядка. Но оставим теорию в покое и пойдем дальше.

И второй момент, классификация цилиндров зависит от их расположения. То есть цилиндры бывают общими, когда один ряд в VR и R компоновке, групповыми, когда два ряда разнесены, в V-образной и W-образной компоновке, и индивидуальными, когда каждый цилиндр сам по себе.

Поршневая группа

Большое значение в КШМ имеет поршневая группа, ее компоненты – поршни, поршневые кольца, а также поршневые пальцы. Остановимся на каждой детали подробнее. Попутно отметим что поршневая группа, помимо того что передает поступательное движение на коленвал и воспринимает его обратно, обеспечивая выполнение тактов двигателя, еще выполняет роль верного цепного пса КШМ, не пуская в картер отработавшие газы, а масло (имеется в виду моторное) в камеру сгорания.

Поршни

Поршни – это цилиндры из металла (их еще называют банками, стаканами (мотористы их порой так и использую в качестве тары)). Состоят из пары компонентов.

Первый – головка (верхняя часть, специально утолщенная).

Второй – юбка. Это направляющая часть. Ее принято называть тронковой, отсюда и тронковый двигатель.

Производятся поршни из чугуна, а также алюминия и его сплавов, в том числе силуминовых, порой магниевых сплавов, еще сплавов прочих легких металлов. Технология производства – литье под заданным давлением, ковка или штамповка.

Встречается две разновидности деталей – составные и несоставные.

Несоставные цельные. У них головка и юбка из одного металла. Одна литая или кованая деталь.

Составные – это когда головка и юбка отдельные элементы, изготовленные из различных материалов. Головка кованая или литая деталь из жаропрочной стали, юбка из алюминия или чугуна. В головке есть, как проще назвать, проушины. Эти проушины совмещаются с отверстиями в бобышке юбки. Получается шарнирное соединение. В нем поршневой палец одновременно соединяет вместе головку и юбку поршня, головку шатуна (поршневую).

В головке размещается днище, а также стенки. Форма днища напрямую зависит от типа силового агрегата. У моторов, работающих на бензине и солярке, днище поршня существенно различается.

В бензиновых ДВС днище поршня выпуклое (характерно для двухтактных моторов) или плоское (тогда камера сгорания частично или полностью в ГБЦ, наиболее широко распространенный вариант). Также могут быть цековки, специальные выточки под клапаны ГРМ. Это делают для того, чтобы при повреждении привода ГРМ предотвратить серьезные поломки мотора.

Днище в дизельных ДВС фигурное (с разнообразными вытеснителями, востребованными для обеспечения циркуляции воздуха, запускаемого в камеру сгорания, формирования искусственного завихрения). Бывает и вогнутое днище (в сферических камерах сгорания). То есть помимо днища и стенки, в поршнях дизельных ДВС еще и часть определенная камеры сгорания (она бывает раздельной или другой вариант нераздельной) определенной формы (полусферической, вихревой, цилиндрической, а также овальной, тороидальной и еще трапецеидальной, иной). Это самые часто встречающиеся схемы и случаи. В действительности все достаточно вариативно.

Теперь стенки. В них предусмотрено несколько поясов. Первый – уплотнительный, в нем проточены специальной формы каналы (канавки), где размещаются поршневые кольца. Их основных разновидностей две – компрессионные, а также маслосъемные. Между канавками предусмотрены перемычки. А в маслосъемных канавках есть специальные отверстия, предназначенные для отвода смазки (моторного масла).

В юбках располагаются две бобышки, иногда со специальными приливами, оборудованные отверстиями, в них и ставятся поршневые пальцы. По конструкции с целью предотвращения заклинивания юбку зачастую:

делают овальной;
увеличивают ее размер (если сравнивать с головкой);
предусматривают специальные разрезы, в том числе Т- или П-образной формы на неполную длину или на полную длину;
применяют компенсационные вставки, в том числе инварные (никелевые сплавы) и из нелегированной стали.

Далее в ряде случаев на юбке есть дополнительное маслосъемное кольцо. И еще форма детали может отличаться, бывает ассиметричной и симметричной, бочкообразной и конусообразной, другой.

Немножко о терминах. Расстояние от первого кольца (имеется в виду компрессионное) до днища зовется огневым (иное название жаровым) поясом, юбка – направляющий пояс и между ними уплотнительный пояс. Расстояние между днищем и компрессионным пальцем – компрессионная высота. И при ремонте важно, существуют или нет ремонтные размеры.

На поршнях всегда есть поршневые кольца, о них далее.

Поршневые кольца

Поршневые кольца несут ответственность за плотное взаимодействие цилиндров (иногда гильз) и поршней. Это разрезные пружинящие детали.

Поршневые кольца компрессионные ставятся в верхней части головки (ее стенок), в специальные канавки. Оборудуются разрезом и способны пружинить. Разрезы, замки, бывают косыми (зачастую с углом в 45°), прямыми (наиболее распространены), а также ступенчатыми.

Основная задача – не допустить утечку выхлопных газов из камеры сгорания прямо в картер двигателя. То есть, чтобы обеспечить необходимую компрессию, отсюда и наименование – компрессионные.

Компрессионные кольца бывают:

скрученными;
витыми;
комбинированными (составными);
другими.

Выделяют зазорные и беззазорные кольца. По профилю есть детали прямоугольной, бочкообразной, клиновидной, трапецеидальной, конусной, комбинированной формы.

Общее число компрессионных колец в бензиновом силовом агрегате два или три, в дизельном ДВС – от трех до шести на один поршень.

Ниже компрессионных размещаются маслосъемные кольца (одно или два). Их задача – предотвратить проникновение моторного масла прямо в камеру сгорания. Эти кольца способны снимать моторное масло с цилиндров и через специальные прорези отводить избыточную смазку в дренажные отверстия. В целом маслосъемные кольца бывают:

дренажными (с канавкой по наружной стороне);
составными (два кольца из определенной марки стали, расширители (радиальный и осевой));
скребковыми (с остроугольной формой кромки, проточкой и дренажными вырезами).

Помимо этого маслосъемные кольца делятся на коробчатые и наборные.

С целью препятствования повышенному износу колец могут использоваться различные противоизносные технологии (защитные покрытия из мягких материалов (олова, бронзы, молибдена, керамики и прочих), антифрикционные вставки и материалы (зачастую с графитом), проточки, пористое хромирование, фосфатирование, накатку хрома и иные).

Материал производства – сталь, перлитный чугун, бывают и другие. И еще один момент. Существуют комбинированные кольца, их называют компрессионно-маслосъемными, а также термокомпенсационные кольца (термовставки).

Поршневой палец

Поршневой палец – это элемент шарнирного соединения, отвечает за неразрывную связь поршня (компонентов поршня, если он составной) и шатуна. Размещается деталь в юбке, бобышке, где предусмотрено специальное отверстие. По своей сути поршневой палец – цилиндр, трубка определенного диаметра, проходящая через шатунную головку шатуна (в сборном поршне еще и проушины головки). Он закрепляется в бобышке при помощи стопорных пружинных колец, иногда полуколец или прочим способом, например, алюминиевых заглушек. Делается палец зачастую из стали.

Поршневой палец бывает «плавающим», то есть незакрепленным, или укрепленным в головке шатуна (поршневой) и/или бобышке, где фиксируется намертво.

Шатун

Шатун, его еще зовут тяговым дышлом, промежуточная деталь между поршнем и коленвалом. Состоит из 3-х базовых компонентов:

верхней (используют еще термин поршневой) неразборной головки (проушины);
стержня, с разным сечением, в преобладающем числе случаев двутавровым, иногда круглым, трубчатым, крестообразным, H-образным, прямоугольным или ромбическим;
нижней (применяют термин кривошипная, а также мотылевая) разборной или неразборной головки.

Это если шатун обычный. Применяются и спаренные, их еще называют сочлененными, детали, прицепные и вильчатые шатуны. В первом случае к обычному шатуну подсоединяют второй, у него поршневая головка аналогична, а нижняя похожа на поршневую и нужна для шарнирного соединения с использованием пальца к корпус основного шатуна. Отметим что длина шатунов прицепного и основного разная. Во втором случае шатун напоминает букву латинского алфавита V. У него две верхние головки, два стрежня и одна нижняя головка. Такие схемы иногда на ДВС с V-образной компоновкой.

Стержень объединяет головки (поршневую и кривошипную). Причем верхняя, она же поршневая головка подсоединяется к поршню с использованием поршневого пальца (об этом уже указали выше). Но зачастую не на прямую, используется подшипник, специальная втулка (биметаллическая или из бронзы).

Кривошипная разъемная головка (ее нижняя часть) может отсоединяться и называется крышкой нижней головки. Соединение выполняется с использованием шатунных болтов по одному с каждой стороны (хотя бывает и по два, и по три), иногда иным способом, например, при помощи штифтов или бандажей. В этой головке также зачастую ставится подшипник скольжения (шатунный), предназначенный для снижения степени трения с шатунными шейками коленвала. Шатунный подшипник – это вкладыши, зачастую их два. А сами вкладыши многослойные, с количеством слоев от двух до пяти. Самые распространенные двухслойные, стальные с антифрикционным покрытием, и тройные, у них есть еще и прокладка с изолирующими параметрами.

Соединение бывает прямым или косым (под заданным углом, 30°,45° или 60°). Стыковые поверхности бывают профилированными (замковыми (с прямоугольными выступами), зубчатыми, другими) или применяются сплит-разъемы (это когда шатун делают литым неразъемным, а затем при помощи определенной технологии раскалывают).

Теперь о неразъемных кривошипных головках. Такие шатуны используются только в одном случае, когда коленвал сборный или разъемный. Об этом ниже.

Относительно подшипников это целая история. Помимо обозначенной традиционной схемы, где подшипник скольжения легко поменять, еще ставятся порой подшипники качения в нижней (кривошипной), а иногда и в верхней головке. Цельная деталь, доводится заменять шатун в сборе. Временами поршневой палец в верхней головке шатуна фиксируется намертво, схему, которую использовали ранее, в том числе на моторах ВАЗ. Существуют и прочие решения. Но все они применяются редко. Традиционно поршневой палец «плавающий» и используются втулки (подшипники скольжения) в обеих головках.

Шатун металлический, материал его производства – легированные (хромоникелевые, хромомолибденовые, марганцовистые) или углеродистые марки стали. Технология изготовления – зачастую горячая штамповка, иногда литье.

Коленчатый вал

Коленчатый вал, он же коленвал, он же на старинный манер коренной вал, имеет различные варианты исполнения, в зависимости от компоновки мотора и установки цилиндров, но основных деталей несколько:

шатунные шейки, к ним подсоединяются кривошипная (она же нижняя) головка шатуна;
щеки, часть кривошипа, бывают круглыми, овальными, прямоугольными (призматическими), короткими и длинными, требуются для объединения шеек (коренных и шатунных), переход между шатунными шейками и щеками принято называть галтелью;
коренные шейки, это опоры, на них и опирается деталь;
противовесы, об уравновешивании сил и моментов уже упоминали, в целом данная деталь либо часть щек, либо подсоединяется к щекам определенным образом (шпильками или болтами);
носок, фланец, передняя часть, обеспечивает передачу вращения на приводы ГРМ, вспомогательного оборудования, а также непосредственно на ряд других узлов и агрегатов, иногда на масляный насос, для этой цели ставятся шкив, шестерня или звездочка, раньше еще был храповик для «кривого» стартера, ручки;
задняя часть, она же хвостовик, на него ставится маховик для передачи необходимого крутящего момента на механическую коробку переключения передач или специальное устройство (его еще называют пластиной) гидротрансформатора или реже гидромуфты автоматической коробки передач.

Две щеки (с шатунной шейкой между ними) называются коленом. Это есть по сути кривошип коленвала.

Коренные шейки взаимодействуют с опорными (коренными) подшипниками, фактически на них опираются. Эти подшипники еще называют вкладышами коленвала. Пластины цельные, би-, триметаллические или прочие. А для препятствования осевому смещению коленвала ставятся упорные подшипники.

Из-за того что кривошипные головки шатуна формируют пару трения с шатунными шейками, вкладыши коленвала с коренными шейками, применяется смазка, а для предотвращения ее утечки используются сальники коленвала, также порой различные устройства, которые называются маслоотражающими, бывают и пылеотражающие.

Коленвалы различаются между собой по целому ряду параметров. Начнем с технологии производства, основных несколько – ковка, литье, выточка. Также есть сборные, разъемные валы. С ковкой понятно (закрытые штампы на молотах или прессах с последующей обрезкой облоя и горячей правкой). Литье, точнее прецизионное литье – это специальная оболочковая форма, а затем правка. Выточка – это когда вал вытачивают из цельной заготовки. Сборные валы состоят из отдельных компонентов, подсоединенных между собой определенным образом.

Также коленвалы различаются по:

материалу производства (чугун, сталь (среднеуглеродистая или легированная));
количеству и соотношению коренных и шатунных шеек, по этому признаку делятся на полноопорные (коренных шеек больше чем шатуны) и неполноопорные (наоборот);
ряду прочих параметров, например, характеристикам используемых датчиков коленвала, которые могут отличаться по принципу действия.

Отметим один важный момент – расположение оси коленчатого вала по отношению к оси цилиндров. По этому параметру выделяют несколько больших групп КШМ.

Начнем с рядного расположения цилиндров, линейной компоновки, когда цилиндры в один ряд. Первый вариант, это когда коленвал размещается на одной оси с цилиндром. Такие линейные КШМ называют аксиальными.

Следующий вариант, когда есть смещение относительно оси цилиндра. Такие КШМ называют дезаксиальными. Тут две разновидности. Первая схема – ось коленвала смещается относительно оси цилиндров. Это называется дезаксажем, сейчас практически не применяется, а цель – избежать столкновения элементов КШМ и ГРМ при повреждении привода ГРМ и выполнить ряд других задач. Вторая схема – это когда ось поршневого пальца в бобышке цилиндров смещена относительно их оси, используется довольно таки часто.

Вторая компоновка у нас V-образная. Одну схему уже упоминали, помните речь шла о прицепном шатуне. В данном случае поршни (левый и правый) имеют разные кинематические характеристики. Есть другие схемы с одинаковыми по длине шатунами и соответственно поршнями с одинаковыми кинематическими параметрами. Первая – это когда на одну шатунную шейку ставятся два шатуна последовательно, один отвечает за левый поршень, другой за правый. Вторая – это когда используется центральное сочленение с центральным, вильчатым шатуном.

На этом внутренние детали КШМ рассматривать заканчиваем. На балансирных валах останавливаться не будем, используются редко, просто знать то, что порой они ставятся попарно, иногда симметрично. По сути это металлический вал с пазами, который вращается на двух подшипниках скольжения.

Переходим к внешним деталям КШМ. А там у нас с одной из сторон маховик, а с другой шкив и/или звездочка, шестерня, в зависимости от специфики привода ГРМ. Вот их и рассмотрим подробней.

Маховик

Маховик монтируется на хвостовик коленвала и обеспечивает передачу заданного крутящего момента прямо на трансмиссию (сцепление, точнее ведомый диск сцепления и следом на коробку переключения передач). В обратную сторону зачастую стартер приводит в действие маховик, а тот далее коленвал (для этого предусмотрен зубчатый венец). Вот такая важная деталь, если неисправна, то трансмиссия не работает, крутящий момент на колеса не передается и двигатель не запускается.

Еще деталь решает целый ряд других задач. Например, маховик в том числе борется с инерционными силами и предотвращает (снижает) вибрацию коленвала и двигателя в целом (это называется демпфированием возникающих крутильных колебаний).

Также маховик обеспечивает дополнительную инерцию, обеспечивая вращение коленвала, когда поршень находится в ВМТ или НМТ.

Деталь отличается по конструкции, на данный момент используется три вида узлов:

традиционные, сплошные, диск из чугуна с зубчатым венцом, самая простая конструкция;
двухмассовые, они же демпферные, два диска (один коленвала, другой сцепления), подсоединенные через подшипники скольжения (упорный, а также радиальный) с демпферно-пружинным механизмом, иногда с гасителем колебаний (маятниковым), виды бывают разные;
облегченные, однодисковые, со специальными отверстиями, что призвано уменьшить вес детали.

В версиях с автоматической коробкой передач маховик как таковой в представленном виде отсутствует, есть колесо гидротрансформатора или реже гидромуфты, специальная пластина.

Элементы приводов

На носке коленвала устанавливаются внешние детали КШМ, которые относятся к приводу навесного оборудования, ГРМ, а также обеспечивают прямую передачу усилия на определенные вспомогательные узлы и агрегаты.

Основных варианта три. Первый – шкив коленвала. Он необходим для обеспечения привода вспомогательного оборудования, иногда и ГРМ посредством использования клинового, поликлинового или зубчатого ремня. Иногда есть и дополнительные задачи, например демпфирование колебаний (если стоит специальный демпфер, резиновое кольцо), определения угловой скорости вращения коленвала (при наличии датчика).

Шкивы бывают трех видов:

ручейковый, для клиновых и поликлиновых ремней привода навесного оборудования;
зубчатый, для зубчатого ремня привода ГРМ;
комбинированным, сочетает в себе первые два.

По конструкции шкивы бывают демпфированными, они же составные (включают ступицу, венец и между ними резиновое кольцо), или фрезерованными, они же цельнолитые, цельносварные или цельные (вытачиваются из чугунной или стальной заготовки). Крепятся шкивы к коленвалу при помощи одного болта и шпонки или группы болтов.

Вместо шкива, а иногда и совместно на носик может ставиться зубчатая шестерня коленвала. В одном случае она при помощи зубчатой передачи приводит в действие определенное оборудование, например, масляный насос. В другом случае может еще и привод ГРМ заставлять работать, если он шестеренный или цепной. Когда привод цепной – то такую шестерню называют звездочкой. По форм-фактору, как правило, шестерни цилиндрические. Изготавливаются из стали (углеродистой или легированной). Профиль и форма зубьев может отличаться.

В принципе все основные детали КШМ рассмотрели, есть и другие, в зависимости от конструкции двигателя, плюс элементы электронной системы управления двигателем с ее датчикам и исполнительными устройствами, которые контролируют коленвал и другие элементы КШМ. Детальнее необходимо рассматривать каждый двигатель по отдельности.

Но в любом случае все детали КШМ могут выходить из строя, а это ремонт двигателя. Если такая ситуация произойдет, обращайтесь на наш автопортал, где сможете выбрать автосервис для ремонта и автомагазин, где продаются необходимые комплектующие. Обращайтесь!

2018-12-17 Кривошипно-шатунный механизм

Похожие новости

Новости партнёров