2 Расчётно-пояснительная часть

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

Задача технического персонала подготовить полный объем конструкторской документации позволяющий изготовить и испытать двигатель, а также наладить выпуск в требуемом количестве.

С развитием науки и техники появилась необходимость форсирования двигателей по литровой мощности, чего можно достичь варьированием в совокупности основных параметров двигателей:

• частоты вращения коленчатого вала,

• тактности,

• применяемыми топливами,

• оптимизацией впускных воздушных каналов,

• увеличением индикаторного КПД,

• увеличением механического КПД,

• увеличением плотности воздушного заряда через установку газотурбинного и комбинированного наддува.

Также для конкурентоспособности на мировом рынке предприятиям-производителям двигателей внутреннего сгорания необходимо следовать целому ряду показателей по экологии, надежности и качеству производимой продукции.

Это может быть достигнуто только при применении новейших технологий существующих на сегодняшний день. Наиболее перспективными являются информационные технологии, которые реализуются в виде электронного управления двигателем.

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.

Основная цель расчета на прочность – обоснование таких параметров и размеров деталей и узлов двигателя, при которых обеспечивается надежная работа двигателя при эксплуатации в течение требуемого ресурса. При этом расчет существенно сокращает время и средства, отводимые на чрезвычайно объемные экспериментальные работы, связанные с созданием и доводкой двигателя.

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.

В настоящее время требуются методы расчета, значительно более точно учитывающие геометрию деталей и условия их нагружения.

2.1 Описание конструкции проектируемого механизма

К ривошипно-шатунный механизм (КШМ) предназначен для преобразования энергии возвратно-поступательного движения поршня в энергию вращательного движения коленчатого вала.  Поршень, под действием давления газов, совершает поступательное движение в сторону кривошипного вала. С помощью кинематических пар "поршень-шатун" и "шатун-вал" поступательное движение поршня преобразовывается во вращательное движение кривошипного вала.

Рисунок 1 - Схема КШМ

а) Центральный КШМ, у которого ось цилиндра пересекается с осью уже коленчатого вала.  б) Дезаксиальный КШМ, у которого ось цилиндра относительно оси более коленчатого вала;  в) V-образный КШМ (в том числе с прицепным шатуном), у которого два шатуна, работающих на левый и правый цилиндры, размещенные на одном кривошипа опта. 

Детали кривошипно-шатунного механизма можно разделить на две группы: подвижные и неподвижные.

К первому относится поршень с кольцами и поршневым пальцем, шатун, коленчатый вал и маховик.

Ко вторым - блок цилиндров, головка блока, крышка блока, поддон и крепежные детали . 

Рис.2 Подвижные детали КШМ

Рис.3 Неподвижные детали КШМ

Конструктивное и беспрекословное исполнение деталей. Головка блока цилиндров предназначена для закрытия цилиндра, в ней размещаются впускные и выпускные каналы и клапана, а также форсунка или свеча. По типам блока цилиндров подразделяются на индивидуальные, групповые и общие .  Головка блока цилиндров, как правило, изготавливается из алюминиевых сплавов методами истинного литья с последующей механической обработкой и имеет очень жутко сложную форму. Головку крепят к блоку цилиндров болтами или шпильками, затяжка которых производится в определенной последовательности и с определенным моментом затяжки, рекомендованным заводом - изготовителем.  У стандартного четырехцилиндрового двигателя кривошипно-шатунный механизм состоит из следующих элементов: 

• блока цилиндров с картером;

• головки блока цилиндров;

• поддона картера двигателя;

• поршней в комплекте с поршневыми

• кольцами и пальцами;

• шатунов, на которых закреплены поршни;

• коленчатого вала;

• маховика.

В блоке цилиндров расположены поршни, шатуны и коленчатый вал, образующие шатунно-поршневую группу , а также другие системы двигателя.  Блок цилиндров — «сердце» ДВС. Кроме шатунно-поршневой группы, в нем предусмотрены литые и высверленные каналы и отверстия, а также места установки подшипников.  На подшипниках в блоке цилиндров вращается коленчатый вал. Во внутренних полостях блока, между его двойными стенками, циркулирует охлаждающая жидкость, там же проходят специальные каналы системы смазки двигателя, по которым циркулирует масло. Наружное оборудование двигателя монтируется преимущественно на блоке цилиндров и при работающем моторе составляет с ним единое целое. Нижняя часть блока называется картером и представляет собой поддон (резервуар) для масла. 

Верхняя часть двигателя — вторая по значимости и по величине его составляющая — называется головкой блока цилиндров. В ней расположены камеры сгорания, клапаны и свечи зажигания, а также распределительный вал (на большинстве двигателей легковых автомобилей). В головке, как и в блоке цилиндров, предусмотрены каналы и полости для циркуляции охлаждающей жидкости и масла. Головка крепится к блоку цилиндров с помощью резьбовых соединений, а сверху через прокладку закрывается штампованной крышкой.  ДВС работает в очень жестком режиме: коленчатый вал двигателя на холо

стом ходу совершает около 1000 оборотов в минуту, то есть за секунду — около 16 полных вращений.  При движении автомобиля количество оборотов возрастает в 2–5 раз, то есть всего лишь за одну секунду коленвал совершает до 80 оборотов. При этом коленвал связан с поршнями, причем всего за пол-оборота вала поршень проделывает весь путь в цилиндре сверху вниз или наоборот, а за полный оборот — совершает два хода, да еще с полной остановкой в верхней и нижней мертвых точках и последующим изменением направления движения на противоположное. При этом поршни перемещаются в цилиндрах при очень высоких температурах и давлении

Корпус является базовой частью двигателя. На него устанавливаются все его основные механизмы и системы. Он обеспечивает крепление двигателя на транспортном средстве. Корпус состоит из двух функциональных элементов: цилиндра и картера.

Цилиндр выполняет функцию направляющего элемента для движущегося поршня, он участвует в обеспечении необходимого теплового режима поршневой группы. Головка цилиндра соединена с цилиндром шпильками или болтами, а стык между ними уплотняется прокладкой. Головка совместно с цилиндром формирует камеру сгорания, а с движущимся поршнем создает пространство, в котором реализуется рабочий процесс.

Картер предназначен для установки коленчатого вала, ограничивает объем для движущихся элементов КШМ и обеспечивает крепление двигателя на транспортном средстве. Картер состоит из перегородок, коренных опор, боковых и торцевых стенок, опорной плиты и нижней части. Нижняя часть картера может служить емкостью для масла и называется масляным поддоном. Обычно она не является несущей и штампуется из листовой стали толщиной 1... 1,5 мм или отливается из алюминиевого сплава.

Компрессионные кольца, кроме основной функции, обеспечивают отвод значительной доли теплоты от поршня в стенки цилиндра. Конструкции наиболее распространенных в автотракторных двигателях компрессионных колец приведены ниже.

Кольца с прямоугольным поперечным сечением просты в изготовлении, имеют большую площадь контакта по рабочей поверхности со стенкой цилиндра, что способствует хорошему теплоотводу от головки поршня в систему охлаждения. Однако их недостатком является трудность приработки рабочей поверхности к зеркалу цилиндра.

Кольца с конической рабочей поверхностью («минутные») имеют угол наклона рабочей поверхности к зеркалу цилиндра 15...30'. Благодаря повышенному давлению на рабочей (нижней) кромке они быстро прирабатываются, после чего приобретают все качеству колец с прямоугольным сечен

ием. Однако производство таких колец более сложное.

Достоинства прямоугольного и конического сечений в значительной мере объединены в конструкции скручивающихся (торсионных) колец. В рабочем состоянии такое кольцо скручивается за счет большей его деформации в верхней зоне сечения, и его рабочая поверхность контактирует с зеркалом цилиндра под углом, работая как «минутное» кольцо. Это способствует быстрой его приработке. Однако такие кольца плохо контактируют со стенками канавки, что затрудняет теплообмен через них между головкой поршня и стенкой цилиндра.

Бочкообразная рабочая поверхность кольца (симметричная или асимметричная) обеспечивает оптимальное распределение масла по ходу поршня, исключает кромочный контакт кольца с цилиндром и, следовательно, разрыв масляной пленки при перекладке поршня. Такое кольцо быстро и хорошо прирабатывается к зеркалу цилиндра.

Кольца с поперечным сечением в виде односторонней или двусторонней трапеции и с прямоугольной или бочкообразной рабочей поверхностью хорошо противостоят прогоранию даже при повышенных температурах в зоне канавки. Осeвое и радиальное движения поршня при перекладке приводит к изменению зазора между торцовыми поверхностями кольца и канавки поршня, что вызывает разрушение нагара в нем. Кольца с односторонней трапецией из-за их несимметричности обладают всеми свойствами торсионных колец.

Конический скос в виде проточек нижней части рабочей поверхности у скребковых колец приводит к уменьшению ее площади и, следовательно, к увеличению радиального давления кольца на зеркало цилиндра Такое кольцо, оставаясь компрессионным, может частично выполнять функцию маслосъемного.

Нижнее компрессионное кольцо иногда выполняют торсионным с обратным закручиванием вследствие расположения ослабляющей проточки в нижней части сечения и одновременного наклона рабочей поверхности. При скручивании его в рабочем положении обеспечивается контакт с цилиндром по нижней кромке. По функциональным качествам оно близко к скребковому кольцу.

Коленчатый вал - с шатунными и коренными шейками. К щекам вала болтами прикреплены съемные противовесы для разгрузки подшипников вала от центробежных сил, вызываемых вращением неуравновешенных масс кривошипов. Коленчатый вал отливают из высокопрочного чугуна или штампуют из стали и динамически балансируют. Осевое перемещение вала ограничено двумя упо

рными стале-баббитовыми или стале-алюминевыми упорными шайбами, расположенными по обе стороны переднего коренного подшипника. Осевой зазор в подшипнике должен быть равен 0,075... 0,175 мм и достигается подбором передней шайбы соответствующей толщины. Для уменьшения деформаций при работе двигателя вал делают с большим перекрытием коренных и шатунных шеек. От прочности коленчатого вала во многом зависит возможность форсирования двигателя. Исходя из условий работы двигателя к конструкции коленчатого вала предъявляют следующие требования: статическая и динамическая уравновешенность; прочность, жесткость и износостойкость шеек вала; отсутствие опасных резонансных колебаний; обтекаемость форм; высокая точность изготовления и обработки.

Ш атун - является частью кривошипно-шатунного механизма двигателя и служит для передачи усилий от поршня к коленчатому валу и, наоборот, от коленчатого вала к поршню в зависимости от направлений действующих сил. Его штампуют из углеродистой стали. Сечение его стержня двутавровое. В верхнюю головку шатуна запрессовывается биметаллическая втулка, в которую входит поршневой палец. Для смазывания поршневого пальца в верхней головке шатуна и втулке предусмотрены отверстия. Нижняя головка шатуна, соединяющаяся с коленчатым валом, разъемная. В ней выполнена расточка под вкладыши коренного подшипника. Крышку нижней головки крепят к шатуну двумя болтами. Шатун обрабатывается вместе с крышкой, и поэтому они невзаимозаменяемые. Чтобы при сборке не перепутать крышки и шатуны, на них клеймится номер цилиндра, в который они устанавливаются.

Поршень - изготовлен из алюминиевого сплава и имеют бочкообразную форму юбки для улучшения приработки. В бобышках поршня расточено отверстие под поршневой палец и канавки под стопорные кольца поршневого пальца. На каждый поршень устанавливают два компрессионных кольца и одно маслосъемное. В канавке поршня под маслосъемным кольцом просверлены отверстия для отвода масла, снимаемого ими со стенок гильзы цилиндра. В днище поршня выполнена камера сгорания шатровой формы. Поскольку алюминий имеет высокий температурный коэффициент линейного расширения, то для исключения опасности заклинивания поршня в цилиндре в головке поршня над отверстием для поршневого пальца залита терморегулирующая стальная пластина.

П оршневой палец – полый, стальной, плавающего типа. Осевое перемещение пальца ограничено двумя стопорны

ми кольцами, установленным и в канавках поршня. Стопорные кольца устанавливают в поршень таким образом, чтобы усики их были обращены наружу. Поршневой палец запрессовывают в поршень после предварительного нагрева поршня в масле до 70... 80 °С.

Поршневые кольца- изготовляют из специального мелкозернистого чугуна. Поршневые кольца обеспечивают необходимое уплотнение цилиндра и отводят тепло от поршня к его стенкам. На поршне устанавливаются три кольца- два компрессионных (уплотняющих) и одно (нижнее) маслосъемное. Верхнее компрессионное кольцо работает в условиях высокой температуры, агрессивного воздействия продуктов сгорания и недостаточной смазки. Нижнее компрессионное кольцо имеет снизу проточку для собирания масла при ходе поршня вниз, выполняя при этом дополнительную функцию маслосбрасывающего кольца. Поверхность кольца для повышения износоустойчивости и уменьшения трения о стенки цилиндра фосфатируются. Компрессионные кольца, создавая уплотнение между стенками поршня и гильзы цилиндра, препятствуют прорыву газов из пространства над поршнем в

М аховик - выполнен из чугуна в виде диска. Он прикреплен к фланцу коленчатого вала болтами, отцентрован по наружной поверхности фланца. В маховике предусмотрены два штифта, работающие на срез при ослаблении крепления болтов. На маховике закреплен зубчатый венец, который входит в зацепление с шестерней включения редуктора пускового двигателя или шестерней включения стартера. Для проверки и установки угла опережения подачи топлива на маховике выполнена метка.