1.2.2. Конструкція рухомої групи деталей кривошипно-шатунного механізма.

До рухомих деталей належать поршні, поршневі кільця, шатуни, колінчастий вал.

Поршень забезпечує передачу зусиль на шатун, герметизує камеру згоряння та відводить тепло в систему охолодження. Вимоги до поршнів суперечливі. Поршні мають бути легкими для зменшення сил інерції і в той же час достатньо міцними. Так як вони працюють в умовах високих температур та перемінних за значенням і напрямком сил тиску газів і сил інерції, які за характером близькі до ударних.

Поршні мають форму перевернутої склянки і конструктивно складаються з головки і юбки. Крім того, за функціональними ознаками можна виділити:

- жаровий пояс - відстань від торця днища поршня до канавки під перше компресійне кільце;

- ущільнюючий пояс, який охоплює зону поршневих кілець і забезпечує герметизацію камери згоряння;

- направляючий пояс по довжині юбки, який забезпечує положення поршня, співвісне до осі циліндра;

- бобишки або вузол з'єднання поршня з шатуном.

Верхня площина поршня - днище може бути плоским, випуклим або ввігнутим. В дизелів з нерозділеними камерами згоряння форма днища поршня наближається до форми факела розпилюваного палива. Бокова сила N, що діє на поршень, навантажує тільки частину бокової поверхні юбки з кутом при вершині β > 80 ... 100°. Неробоча частина юбки під час роботи завдяки нагріву деформується таким чином, що її розміри в напрямку осі пальця зростають.

Рис. 4. Рухомі деталі КШМ:

1 - шків; 2 - храповик; З - шестерня; 4 - шайба; 5 - біметалеві шайби; 6 - вкладиш корінного підшипника; 7 - шатунна шийка; 8 - корінна шийка; 9 - щока; 10 - масляний канал; (і - шатун; 12 - поршень; 13 - дренажна канавка; 14 - маслоскидний гребінь; 15 - маслозгінна канавка; 16 - зубчастий вінець; 17 - набивка; 18 - підшипник; 19 - фланець; 20 - болт; 21 - маховик; 22 - прокладка; 23 - набивка; 24 - кришка корінного підшипника; 25 - масляний канал; 26 - заглушка; 27 - вусик; 28 - антифрикційний шар; 29 - противага

Для того, щоб уникнути заїдання поршня в циліндрі його юбці надають в поперечному перерізі еліптичну або овальну форму.

У бензинових двигунах можуть застосовуватись поршні таких конструкцій:

• монометалеві поршні без прорізів;

• монометалеві поршні з поперечними та повздовжніми прорізами П - подібної або Τ - подібної форми на юбці для зменшення нагрівання юбки при роботі та підвищення її пружності;

• біметалеві поршні з терморегулючими (інварними) вставками в направляючому поясі; інвар - нікелевий сплав з 36% Ni та 64% Fe. При нагріванні поршнів стальні або інварні пластини, які мають менший коефіцієнт лінійного розширення (в 10 раз) перешкоджають тепловому розширенню направляючого пояса. За рахунок цього такі поршні допускають менші монтажні зазори.

Поршні дизелів працюють в більш важких умовах, їх виготовляють з потовщеними стінками, прорізи на юбці не роблять.

Матеріали для виготовлення поршнів - алюмінієві сплави з додатками міді, кремнію, нікелю, магнію, титану. (АЛ-1; АК-2; АК-4)

Поршневі кільця за призначенням розділяються на компресійні та маслознімні. Компресійні кільця працюють у важких умовах, особливо верхнє. Для надійного ущільнення бажано, щоб кільце притискувалось до стінки циліндра з рівномірним тиском протягом всього строку служби. Для цього їх виготовляють з початковим нерівномірним тиском по колу в більшості випадків з сірого чавуну. Найбільш просту форму мають кільця прямокутного перерізу, кільця конічного перерізу (рис. 9.6, поз. 2 і 6) краще приробляються, а трапецієвидні кільця менш схильні до пригоряння. Маслознімні кільця призначені для регулювання кількості масла на стінках гільзи циліндрів. їх виготовляють суцільнометалевими з прорізями (рис. 9.6, поз. 8) або набірними з декількох кілець.

Рис. 5. Форми поршневих кілець: а - дизелі; б - двигуни з іскровим запалюванням; 1 - трапецієвидне; 2 - з конічною поверхнею; 3 - з конічною поверхнею і підрізом; 4 - маслознімне з розширювачем; 5 - бочкоподібної форми; 6 - з конічною поверхнею зі скосом; 7 - з підрізом; 8 - маслознімне з дренажними отворами і вузькою перемичкою; 9 - маслознімне набірне.

Поршневі пальці. Поршневий палець під час роботи зазнає дії ви­соких механічних навантажень, змінних за величиною і напрямком. Під дією ударних навантажень у поршневому пальці виникають на­пруги згинання, стиснення і зрізу. Крім того, палець спрацьовується по зовнішній робочій поверхні.

Отже, поршневий палець повинен бути міцним, оскільки він пере­дає великі зусилля на шатун; жорстким, щоб прогинання його не дося­гало значної величини, бо це призводить до швидкого спрацювання опорних поверхонь; легким, оскільки він бере участь у зворотно­поступальному русі поршня і велика маса його збільшуватиме сили інерції поступально рухомих мас.

Конструкція поршневого пальця залежить від типу з'єднання пальця з поршнем і шатуном. За видом з'єднань пальця з шатуном і поршнем розрізняють два основні способи кріплення пальця:

• палець нерухомо закріплений в головці шатуна і може повертатися в бобишках поршня;

• палець вільно повертається в головці шатуна і в бобишках поршня (плаваючий палець), але з поршня не висовується.

Палець, закріплений у головці шатуна, затягують болтом, який потім шплінтують. Верхня, головка шатуна при такому способі кріплення на спрацювання не впливає; тому її довжину зменшують, а це веде до зменшення маси шатуна і скорочення розрахункової дов­жини пальця, а отже, його прогинання. Збільшення опорної поверхні бобишок за рахунок зменшення довжини головки, пов'язані із змен­шенням відстані між опорами пальця, визначають порівняно малий сту­пінь спрацювання тертьової поверхні пальця.

Плаваючий палець не закріплений ні в поршні, ні в шатуні, а вільно повертається як в бобишках поршня, так і у верхній головці шатуна. Внаслідок цього плаваючий палець спрацьовується менше, причому рівномірно по всій зовнішній поверхні, що є основною перевагою цієї конструкції порівняно з описаною вище. Плаваючий палець зручний при монтажі; для нього менш можливе заїдання.

Обмежують осьове переміщення плаваючого пальця пружинними кільцями, встановленими в проточках бобишок поршня, або заглушками з м'якого металу (алюмінію чи латуні).

Пружинні замки виконують у вигляді кілець круглого або прямо­кутного перерізу (рис. 120, а).

Найбільш простими у виготовленні є пальці з циліндричною поверхнею. Для змен­шення ваги внутрішні поверхні пальців роблять конічними.

Матеріал для виготовлення пальців повинен мати високу міцність і в'язкість. Ці вимоги задовольняють сталі 20, 15Х, 15ХА, 15ХМА,

20Г та ін. Пальці для форсованих двигунів (наприклад, Д-12А) виконують з високолегованих сталей І2Х2Н4А, 12XH3A і 18ХНМА.

Для одержання твёрдого зносостійкого поверхневого шару та досить міцної і в'яз­кої, серцевини поршневі паль­ці цементують на глибину 0,8—1,7 мм з подальшим за­гартуванням та відпуском.

Для пальців карбюраторних двигунів використовують сталі 45, 45ХА. Зовнішню поверхню та­ких пальців загартовують за допомогою струмів високої частоти на глибину 1—1,5 мм. Після термообробки твердість зовнішньої цилінд­ричної поверхні пальця повинна становити HRC = 55 — 65.

Для підвищення втомної міцності зовнішню циліндричну поверхню пальця шліфують і полірують. Чистота обробки поверхні повинна відповідати приблизно 10-му класу.

Шатунна група

До шатунної групи належать шатуни, шатунні вкладиші і шатунні болти.

Шатуни забезпечують постійний зв'язок між поршнями і кривоши­пами колінчастого вала двигуна. Беручи участь в поступальному й обертальному русі, шатун здійснює складний рух і зазнає впливу змін­них за величиною і напрямком сил тиску газів та інерції. Ці сили обу­мовлюють появу у шатуні складних Деформацій стиснення, розтягу і згинання.

Згідно з цим шатуни повинні мати такі властивості: високу міц­ність і жорсткість; малу масу; стійкість проти втомлюваності; зруч­ність складання і монтажу.

Шатун складається з верхньої головки, стержня і. нижньої головку. Конструктивне виконання верхньої головки шатуна залежить від роз­міру і способу кріплення поршневого пальця. В сучасних автомобіль­них двигунах застосовують здебільшого плаваючі пальці. У цьому ра­зі верхня головка, має циліндричну форму в отвір якої запресовують одну або дві бронзові втулки. Для змащування пальця у верхній головці фрезеру­ють паз.

На верхній головці ша­туна дизельного двигуна є виступ, в отвір якого запресовують розпилювач масла. Масло, надходячи під тиском у просвердлини у тілі шату­на і проходячи по кільце­вій канавці між бронзови­ми втулками, виходите крізь чотири отвори роз­пилювача і охолоджує дни­ще поршня. Якщо застосо­вують защемлений поршне­вий палець, то у верхній головці шатуна роблять розріз, який стягують за допо­могою болта.

Щоб зменшити концент­рацію напруг, здійснюють плавний перехід від верх­ньої головки шатуна до його стержня. Для збільшення жорсткос­ті стержень шатуна, як правило, в усіх автомобільних двигунах виконується двотаврового перерізу, причому вісь двотавра У — У роз­міщується в площині хитання шатуна. Уздовж осі стержня шатунів дизельних двигунів роблять просвердлини, по яких масло під тиском подається для змащування поршневого пальця і охолоджен­ня днища поршня. Стержень шатуна плавним переходом з'єднується з нижньою головкою·

Нижню головку шатуна автомобільних двигунів виконують рознімною, що дає можливість з'єднувати шатун з кривошипною шийкою колін­частого вала . Кришку нижньої головки для більшої жорст­кості виготовляють з ребрами або з приливами. Її кріплять до тіла шатуна болтами або шпильками.

У V-подібних двигунах, щоб зручнішим було складання і забезпе­чувалася можливість проходження нижньої головки крізь циліндр, іноді роблять косий роз'єм, Для фіксації кришки в боковому напрямку призначені виступи на кришці або трикутні шлиці в пло­щині роз'єму

Виготовляють шатуни штампуванням з наступною термічною та механічною обробкою. Для шатунів карбюраторних двигунів викори­стовують сталі 40, 45, 45Г2, 40Х, 40ХН, а для шатунів високофорсованих дизелів — леговані сталі 18ХНМА, 18ХНВА, 40ХНМА.

Після обробки шатуни нормалізують, загартовують і відпускають. Шатуни, які працюють в особливо важких умовах, для підвищення втомної міцності піддають дрібноструменевій обробці і полірують.

Тепер у карбюраторних двигунах почали застосовувати шатуни; від­литі з ковкого перлітового чавуну.

Перевагами таких шатунів є велика: втомна міцність, менша вар­тість виготовлення і більш ефективне використання ме­талу при складній конфігу­рації.

У верхню головку шатуна, якщо застосовується плаваю­чий палець, запресовують втулки, ' виготовлені з алю­мінієво-залізистої бронзи Бр. АЖ 9-4 або з олов'яно-цинкових бронз Бр. ОЦ 10-2 і Бр. ОДС 4-4-2,5. Ці бронзи мають високу стійкість проти спрацювання і втомну міц­ність. .

Шатунні вкладиші авто­мобільних двигунів мають вигляд півкілець, які вста­новлюють в нижню головку шатуна і її кришку. Від про­кручування і осьового пере­міщення вкладиші фіксуються вусиками, які упираються в канавки, про фрезовані в шатуні і кришці. Виготовляють вкладиші тонкостінними із стальної стрічки завтовшки 1—2 мм, яку заливають антифрикційним сплавом завтовш­ки 0,3 … 0,4 мм

Антифрикційним сплавом в автомобільних карбюраторних двигунах є сплав СОС6-6 (5—6% олова, 5—6% сурми, решта свинець), який характеризується доброю припрацьованістю і високою корозійною стійкістю.

На шатунні підшипники дизельних двигунів діють значні наванта­ження; тому їх вкладиші виготовляють із свинцевої бронзи Бр. СЗО (30% РЬ), яка характеризується підвищеною поверхневою твердістю. Останніми роками в дизельних двигунах почали застосовувати анти­фрикційні сплави на алюмінієвій основі (АО-20, ACM, ACT), які значно підвищують витривалість підшипників.

Шатунні болти зазнають дії пульсуючих навантажень, основним з яких є сила інерції поступально рухомих мас, що досягає максимальні величини при виході поршня з ВМТ. У зв'язку з цим болти повинні

мати високу втомну міцність, для підвищення якої стержень болта виконують діаметром, меншим від діаметра різьби, і здійснюють плав­ний перехід від різьби до стержня. Щоб запобігти провертанню болтів, застосовують несиметричні головки або підрізи на головках. Шатунні болти виготовляють із сталей 35Х, 40Х, 35ХМА, 37XH3A., Для форсо­ваних двигунів болти виготовляють з високолегованих сталей 18ХНВА, 20ХНЗА, 40ХНМА, які мають високі границі міцності і текучості.

Група колінчастого вала

До групи колінчастого вала належать власне колінчастий вал з усіма закріпленими на ньому деталями (противагами, розподільною, шестірнею, масловідбивачем, шківами та ін.) і маховик.

Колінчастий вал сприймає через шатуни зусилля від тиску газів і передає їх трансмісії автомобіля. Під час роботи двигуна колін­частий вал навантажується періодично діючими силами тиску газів і силами інерції поступально рухомих мас, а також постійно діючими відцентровими силами обертових мас. Ці сили обумовлюють появу значних скручувальних і згинальних напруг. Крім того, у валу ви­никають додаткові напруги внаслідок крутильних коливань і коливань вигину.

Виходячи з умов роботи, конструкції колінчастих валів повинні мати такі властивості:

• статичну і динамічну зрівноваженість; міцність, надійність і стійкість проти спрацювання; легкість при достатній жорсткості;

• відсутність резонансу крутильних коливань у робочому діапазоні кількості обертів;

• точність виготовлення корінних і шатунних шийок за розмірами і формою;

• достатню твердість і високу ступінь чистоти обробки поверхні шийок;

• розвантаженість корінних підшипників від відцентрових сил інерції; обтічність форми (малі вентиляційні втрати).

Конструкція і розміри колінчастого вала залежать від кількості циліндрів і їх розміщення та прийнятого порядку роботи двигуна.

Колінчасті вали карбюраторних двигунів можуть мати опори через дві шатунні шийки – двопрольотні, або через кожну ша­тунну шийку Колінчасті вали дизельних двигунів виконують повноопорними, тобто вони мають корінні підшипники після кожного циліндра або двоциліндрового відсіку (у V-подібних двигунах).

Повноопорні вали характеризуються великою жорсткістю на вигин, проте вони мають велику довжину і граничну жорсткість на крутіння. Підвищити, жорсткість як повноопорних, так і неповноопорних колінчастих валів можна, збільшуючи «перекриття шийок». Особливо велике перекриття одержують в короткохідних двигунах. Щоки колінчастих валів виконують еліптичної або близької до неї форми, що забезпечує високу жорсткість на вигин і крутіння.

Переходи (галтелі) від щік до шатунних і корінних шийок роблять більшим радіусом (приблизно 0,045—0,06 діаметра шийки) або двома-трьома дугами різних радіусів.

У шатунних шийках стальних кованих валів висвердлюють полег­шуючі камери. У щоках і шийках роблять канали для підведення до підшипників мастила. Щоб розвантажити корінні під­шипники від відцентрових сил і сил інерції, застосовують противаги, що виготовляються як продовження щік колінчастого вала або при­кручують до них болтами. Для запобігання осьовому переміщенню вала на одному з корінних підшипників встановлюють упорні кільця або півкільця.

У деяких двигунах (наприклад, чехословацького виробництва «Татра» і «Шкода») застосовують збірні колінчасті вали. Вони особливо зручні, якщо роль опор колінчастого вала виконують підшипники кочення. Колінчастий вал встановлюють у картер двигу­на на корінних підшипниках, вкладиші яких мають конструкцію, аналогічну конструкції шатунних вкладишів.

На кінцях колінчастого вала монтують різні вузли і деталі. На передньому кінці (носку) встановлюють ведучу шестірню механізму газорозподілу, масловідбивальну шайбу, шків привода вентилятора і храповик для зчеплення з пусковою рукояткою, а також погашувач крутильних коливань (якщо він потрібний).

На задньому кінці (п'ятці) розташовують масловідбивальний гре­бінь і фланець для кріплення маховика. Колінчасті вали карбюратор­них і більшості дизельних двигунів виготовляють куванням або штам­пуванням із статей 45, 45А, 45Г2 і 50Г. Для форсованих дизелів (типу Д-12А) використовують сталі 18ХМА, 18ХВА, 40ХНМА.

Останнім часом почали застосовувати литі колінчасті вали, які виготовляють з високоміцного чавуну, модифікованого магнієм, або перлітового ковкого чавуну. Литі чавунні вали мають такі переваги перед іншими валами: менша витрата металу; велика втомна міцність внаслідок оптимального розподілу металу і зменшення концентрації напруг; менша маса.

Для підвищення втомної міцності стальні вали зміцнюють, тобто утворюють поверхневий наклеп (особливо на галтелях) за допомогою обкатування роликом, обдування дробом і т. д., або шляхом терміч­ної і термохімічної обробки.

Термічна обробка полягає в поверхневому загартуванні струмами високої частоти на глибину 3…4 мм. При термохімічній обробці по­верхні шийок азотують, внаслідок чого стійкість проти стомлюваності підвищується в 1,5 рази.

Діаметри корінних шийок: карбюраторні двигуни d_к.ш. = (0,6…0,7)D; дизельні двигуни d_к.ш. = (0,70…0,85)D

Діаметри шатунних шийок: карбюраторні двигуни d_ш.ш. = (0,6…0,7)D;

дизельні двигуни d_ш.ш. = (0,65…0,70)D. Довжина корінних шийок дорівнює: l_к.ш. = (0,5…0,6) d_к.ш;

Довжина шатунних шийок дорівнює: l_ш.ш. = d_ш.ш.

Маховик являє собою масивний диск, який відливають звичайно з чавуну і кріплять болтами до фланця колінчастого вала. На маховик надівають стальний зубчастий вінець для пуску двигуна стартером, а також монтують зчеплення.

Разом з колінчастим валом маховик старанно балансують. Щоб згодом при ремонті, пов'язаному з розбиранням, це балансування не порушувалося, на фланці передбачені установочні штифти. Для цент­рування можна використовувати також бурт самого фланця.

Штифти або отвори під кріпильні болти розміщують не симетрично