5.3. Рухомі деталі кривошипно-шатунного механізму

До рухомих частин кривошипно-шатунного механізму належать: поршнева група, шатунна група, колінчастий вал та маховик.

Поршнева група призначена для: сприйняття тиску газів і передачі його через шатун на колінчастий вал двигуна; ущільнення надпоршневого простору циліндра як від прориву газів у картер, так і від надмірного потрапляння в цей простір оливи; керування газообміном у двотактному двигуні. До неї входять:

- поршень у зборі з комплектом ущільнюючих кілець;

- поршневий палець з деталями його кріплення.

Поршень служить для сприйняття тиску газів та передачі його через поршневий палець і шатун на кривошип колінчастого вала. Одночасно поршень виконує функції ущільнюючого елемента кривошипно-шатунного механізму і відводить тепло від гарячих газів, що знаходяться в надпоршневому просторі.

Вимоги до конструкції поршня:

- повинен бути достатньо міцним і жорстким при мінімальній масі;

- переміщатися в циліндрі з мінімальним тертям;

- бути достатньо довговічним;

- забезпечувати герметичність робочої порожнини.

Зазвичай поршні для сучасних двигунів виконують з фігурним днищем. Це дозволяє надати камері згоряння, розташованій в поршні, необхідної форми для якісного сумішоутворення і згоряння пального.

Рис. 5.12. Поршні автомобільних ДВЗ

Рис. 5.13. Форми камер згоряння: а) карбюраторних двигунів; б) дизельних двигунів; І – циліндрична; ІІ – напівсферична; ІІІ – клиноподібна; ІV – зміщена (Г-подібна); V і VI – нероздільні; VII і VIII – роздільні; 1 – клапан; 2 – свічка запалювання; 3 – форсунка; 4 – камера згоряння; 5 – передкамера; 6 – основна камера; 7 – вихрова камера

Для сучасних автомобільних двигунів застосовують як литі, так і штамповані поршні з алюмінієвого сплаву.

У високофорсованих дизелях застосовують примусове охолодження поршнів обприскуванням внутрішньої поверхні днища оливою або її циркуляцією.

Поршневі кільця за призначенням поділяються на компресійні (ущільнюючі) та оливознімні. Компресійні кільця встановлюють для запобігання прориву газів в картер під час процесів стиснення і розширення. Крім того, вони служать для передачі тепла від поршня до циліндра. Оливознімні кільця служать для видалення надлишку оливи з робочої поверхні циліндра і запобігання її потраплянню в камеру згоряння.

Рис. 5.14. Поршневі кільця

Компресійні кільця працюють в важких умовах. Тому основний матеріал, з якого вони виготовляються – сірий перлітовий хромтитано-мідистий чавун, легований молібденом, ванадієм або вольфрамом. Робочу поверхню верхніх компресійних кілець для підвищення зносостійкості покривають шаром хрому.

Рис. 5.15. Робота компресійних кілець 1 – поршень; 2 – компресійне кільце; 3 – циліндр

Оливознімні кільця працюють в менш важких умовах, ніж компресійні, оскільки зазнають впливу невисокого тиску та температур і мають кращі умови для мащення. В якості оливознімних поршневих кілець широко використовують як чавунні коробчасті або скребкові, так і сталеві виті кільця.

Рис.5.16. Робота оливознімних кілець: 1 – проріз в кільці; 2 – кільце; 3 – циліндр; 4 – канал в поршні; 5 – отвір в каналі поршневого кільця; 6 - поршень

Поршневий палець служить для шарнірного з'єднання поршня з шатуном. Він є гладким циліндричним стрижнем. Для зменшення маси поршневий палець роблять порожнистим. Зовнішню поверхню пальця, що виготовляється з високоякісної сталі, цементують або гартують, а потім шліфують і полірують.

Залежно від способу кріплення розрізняють поршневі пальці трьох типів: закріплені в бобишках поршня, закріплені у верхній головці шатуна і плаваючі. Пальці, закріплені в бобишках поршня, використовуються рідко.

Рис.5.17. Поршневі пальці

До шатунної групи крім шатуна входить комплект підшипників його верхньої та нижньої головок, шатунні болти з гайками і елементами їх фіксації.

Шатун служить з'єднуючою ланкою між поршнем і кривошипом колінчастого вала. Рух шатуна складний: верхня його частина рухається разом з поршнем - зворотно-поступально, нижня – обертається разом із колінчастим валом, а стержню властивий коливальний і зворотно-поступальний рух.

Шатуни складаються із трьох конструктивних елементів: стержня, верхньої (поршневої) головки і нижньої (кривошипної) головки. Для автомобільних двигунів їх виготовляють із середньо-вуглецевих та легованих якісних сталей. Розрізняють шатуни одинарні та зчленовані.

Рис. 5.18. Шатун: 1 – верхня головка шатуна; 2 – втулка верхньої головки; 3 – стержень; 4 – нижня головка; 5 – гайка шатунного болта; 6 – кришка нижньої головки; 7 – шатунний болт; 8 – втулка нижньої головки

Рис. 5.19. Профілі стержня шатуна: а – двотавровий; б – хрестоподібний; в – трубчастий; г і д – двотаврові з каналом підведення оливи до верхньої головки шатуна

Підшипники нижньої головки шатуна автомобільних двигунів виготовляють у вигляді тонкостінних вкладишів (товщина біля 2 мм), які є підшипниками ковзання. Щоб зменшити тертя і спрацювання шийки колінчастого вала, робочу поверхню підшипника заливають спеціальним антифрикційним сплавом.

З’єднання шатунів з колінчастим валом може бути різноманітним. В багаторядних і зірковоподібних двигунах використовують так звані зчленовані шатуни для кількох циліндрів, розташованих в площині обертання коліна вала. Також можуть використовуватись центральні та зміщені шатуни.

Рис. 5.20. Зчленовані шатуни: 1 – провушини; 2 – причіпний шатун; 3 – внутрішній шатун; 4 – головний шатун

Колінчастий вал сприймає зусилля від шатунів і передає створюваний на ньому обертовий момент трансмісії автомобіля. Від колінчастого вала приводяться в рух різні механізми двигуна (механізм газорозподілу, масляний насос тощо). Колінчасті вали виготовляють ковкою з легованих сталей або виливанням з високоякісних чавунів. Основними частинами колінчастого вала є:

• корінні шийки, на яких вал встановлений в підшипниках (корінних опорах) картера двигуна;

• шатунні шийки, до яких приєднуються нижні головки шатунів;

• щоки, які сполучають шатунні і корінні шийки та створюють з шатунними шийками кривошипи вала;

• противаги, призначені для розвантаження корінних підшипників від відцентрових сил неврівноважених мас;

• передня частина вала, на якій можуть кріпитись шестерня привода механізму газорозподілу, шків пасової передачі і храповик для провертання вала вручну;

• задня частина вала, що закінчується фланцем для кріплення маховика.

Рис. 5.21. Колінчастий вал:

1 – передня частина вала; 2 – корінна шийка; 3 – щока; 4 – шатунна шийка; 5 – противага; 6 – задня частина вала

Форма колінчастого вала і розташування його кривошипів залежать від числа і розташування циліндрів, числа корінних опор, а також прийнятого порядку чергування робочих ходів — порядку роботи циліндрів двигуна.

Число шатунних шийок у двигунів з однорядним розташуванням циліндрів рівне числу циліндрів, а у V-подібних двигунів, як правило, — половині числа циліндрів, оскільки на кожній шийці таких двигунів встановлюють два шатуни.

Число корінних шийок колінчастого вала буває різним. Чим більше опор має вал, тим надійнішою є конструкція двигуна.

Якщо між двома суміжними корінними опорами розміщується тільки одна шатунна шийка, то число корінних шийок у такого вала завжди на одну більше від числа шатунних шийок. Такі колінчасті вали називаються повноопорними і застосовують в дизельних та карбюраторних двигунах, які працюють з великими навантаженнями на підшипники.

Неповноопорні колінчасті вали мають по дві шатунні шийки між суміжними корінними опорами. Їх використовують в однорядних карбюраторних двигунах.

Рис. 5.22. Колінчасті вали

Для рівномірної роботи багатоциліндрового двигуна необхідно, щоб робочі ходи в окремих циліндрах чергувалися через рівні кути повороту колінчастого вала. Так, при чотиритактному робочому процесі в чотирициліндровому двигуні робочі ходи повинні чергуватися через 180°; у шестициліндровому двигуні — через 120°, а у восьмициліндровому двигуні — через 90° .

Для виконання цієї вимоги колінчастий вал чотирициліндрового двигуна повинен мати кривошипи, розташовані в одній площині.

У колінчастих валах шестициліндрових двигунів з однорядним і дворядним розташуванням циліндрів кут зсуву кривошипів рівний 120°.

Колінчасті вали восьмициліндрових двигунів з дворядним розташуванням циліндрів під кутом 90° мають хрестоподібне розташування кривошипів.

Маховик зменшує нерівномірність обертання колінчастого вала, накопичує енергію під час робочого ходу, необхідну для обертання вала протягом підготовчих тактів, і виводить деталі кривошипно-шатунового механізму з мертвих точок. Енергія, накопичена маховиком, полегшує пуск двигуна і забезпечує рушання автомобіля з місця. У шести- і восьмициліндрових двигунах, в яких робочий хід здійснюється одночасно в двох циліндрах (перекриття робочих ходів), деякі функції маховика стають неістотними. Тому із збільшенням числа циліндрів в двигунах розміри маховика зменшуються.

Маховик відливають з чавуну і закріплюють на задніх кінцях колінчастих валів. Маховик в зборі з колінчастим валом ретельно динамічно балансують для того, щоб максимально зменшити вплив неврівноважених відцентрових сил, що викликають вібрації двигуна і прискорене зношування підшипників. На обід маховика напресовують зубчастий вінець, призначений для пуску двигуна електричним стартером.

Рис. 5.23. Маховик