книги из ГПНТБ / Селиверстов В.М. Теплосиловое оборудование подъемно-транспортных машин учебник

подшипника устанавливаются перегородки. К фланцу 10 блок-картера

крепится поддон картера, служащий резервуаром для масла. Цифрой 5 на рис. 85 обозначена цилиндровая втулка; 6 —- седла впускных и выпускных клапанов; 7 — впускные и выпускные каналы; 8 — кла­

панная коробка.

Цилиндры двигателей работают в тяжелых температурных усло­ виях (іг= 700-ь2000° С), при высоких давлениях (рг = 2,5-ь 10 МН/м2) и

наблюдается наибольший износ. При сухих втулках ухудшается теп­ лоотдача охлаждающей жидкости, однако возрастает жесткость блоккартера, улучшается соосность цилиндров, что особенно важно в быст­ роходных карбюраторных двигателях. Для изготовления втулок используют легированный чугун с присадками никеля, хрома и мар­ ганца.

Цилиндровые крышки в зависимости от мощности двигателя могут быть отдельными для каждого цилиндра или группы их и общими для всего двигателя. В последнем случае крышки иногда называют головками блока. Цилиндровые крышки отливают из чугуна или алю­ миниевого сплава. Применение цилиндровых крышек из алюминие-

157

Boro сплава в карбюраторных двигателях позволяет уменьшить их вес, а лучшая теплопроводность материала позволяет повысить степень сжатия.

В двигателях с верхним расположением клапанов цилиндровые крышки имеют сложную конструкцию, поскольку в них размещаются камера сгорания, или предкамера, впускной и выпускной клапаны с соответствующими каналами для форсунки или электросвечи.

На форму крышки влияет способ ее охлаждения. При водяном охлаждении в ней делают полости, через которые прокачивается

Рис. 86. Мокрые (а) и сухие (б, в) втулки

охлаждающая жидкость. Если охлаждение крышки воздушное, ее выполняют с ребрами высотой 50—60 мм для увеличения поверхности охлаждения.

§ 91. Кривошипно-шатунный механизм

Основными деталями кривошипно-шатунного механизма явля­ ются: поршень с поршневыми кольцами и пальцем, шатун, коленчатый вал и маховик.

Поршень воспринимает давление газов и передает его через шатун коленчатому валу, обеспечивая герметичность надпоршневого прост­ ранства, где сгорает топливо. Он работает в тяжелых температурных условиях, при больших нагрузках и при недостаточном теплоотводе

Чтобы предотвратить перемещение пальца вдоль его оси, в бобышках проточены канавки 6, в которые вставляются пружинные кольца.

Верхняя часть головки поршня называется днищем.

На боковой поверхности поршня расположены канавки для порш­ невых 2 и маслосъемных 3 колец. Количество канавок, а следова-

158

тельно, и число колец зависят от степени сжатия и быстроходности двигателя. В карбюраторных двигателях в головке поршня устанав­ ливают два—четыре кольца, в дизелях—четыре—шесть. Канавки для маслосъемных колец имеют дренажные отверстия, через которые масло отводится от стенок цилиндра.

Поскольку днище поршня воспринимает большие давления газа, на его внутренней поверхности и боковых стенках поршня делают ребра жесткости или приливы. Ребра жесткости обеспечивают также лучший отвод тепла от поршня. В карбюраторных двигателях и дизе­ лях с разделенными камерами сгорания днище поршня выполняется

Рис. 87. Поршень (а) и маслосъемные кольца (б):

I — дренажные; II — скребковые; / / / — составные

плоским, в дизелях с неразделенными камерами сгорания — вогнутым или фигурным в зависимости от формы и распространения струи топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания.

Поршни изготовляют из легированного чугуна и легких сплавов на алюминиевой или магниевой основе. В быстроходных двигателях для уменьшения сил инерции поршни выполняют из легких сплавов.

Поршневые кольца делятся на компрессионные, уплотняющие цилиндр и исключающие прорыв газов из цилиндра в картер, и на маслосъемные, предотвращающие проникновение лишнего масла в ка­ меру сгорания. Кроме того, кольца служат для отвода тепла от голов­ ки поршня в охлаждающую жидкость, прокачиваемую через зарубашечное пространство цилиндра. Через них отводится примерно 60—75% тепла от головки поршня.

Поршневые кольца работают в тяжелых условиях: они испытыва­ ют большие силы трения, высокие температуры при недостаточной смазке и плохом теплоотводе. При этих условиях кольца должны обладать высокой прочностью и упругостью, малым коэффициентом

159

трения и быть износостойкими. Из всех материалов, используемых для изготовления колец, указанным требованиям отвечает чугун. Маслосъемные кольца нередко изготовляют из стали. Твердость пор­ шневых колец должна быть выше твердости стенок цилиндра.

Компрессионные кольца имеют прямоугольное сечение, а масло­ съемные — различную конфигурацию (рис. 87, б). В двигателях не­

большой и средней мощности наиболее часто применяют маслосъем­ ные кольца дренажные, скребковые и составные. Последние состоят из двух пластинчатых стальных колец 1, осевого 2

ирадиального 3 расширителей.

Вкарбюраторных двигателях устанавливают одно-два маслосъемных кольца, в дизелях — не менее двух на поршень. Причем одно из маслосъем­ ных колец может размещаться на юбке поршня.

Поршневой палец шарнирно соединяет поршень с шатуном и передает последнему силовые нагруз­ ки. Палец должен обладать высокой износостойко­ стью, противостоять воздействию ударных нагру­ зок и иметь минимальную массу. Поэтому его вы­ полняют в виде пустотелого цилиндра с небольшой толщиной стенок, свободно поворачивающимся в бобышках поршня и в головке шатуна (плавающий палец). Пальцы подвергаются тщательной механи­ ческой и термической обработке. Чтобы исключить осевое смещение плавающего пальца, его стопорят пружинными стопорными кольцами или специаль­ ными заглушками.

Шатун передает усилия от поршня к коленчато­ му валу, совершает сложное качательное движе­ ние. Он подвергается действию знакопеременных нагрузок от сил давления газов и сил инерции.

У автотракторных двигателей шатун обычн имеет двутавровое сечение и изготовляется мето­ дом горячей штамповки из среднеуглеродистых сталей.

Шатун (рис. 88) состоит из верхней (поршневой) головки 2, в ко­

торой размещен головной подшипник — запрессованная тонкостенная втулка 1 из оловянистой бронзы, стержня 3 и нижней (кривошипной)

головки 5, обычно выполняемой разъемной с упрочняющими прили­ вами и ребрами жесткости и снабжаемой подшипниками скольжения. Рабочая поверхность вкладышей 6 нижней головки шатуна заливается

слоем баббита или свинцовой бронзы толщиной 0,5— 1,5 мм. Съемная крышка 7 нижней головки стягивается с верхней крышкой двумя или четырьмя специальными шатунными болтами 4.

В быстроходных двигателях для смазки головного подшипника маслом, разбрызгиваемым в картере, в верхней головке шатуна имеет­ ся вырез, а во втулке — отверстие. Головной подшипник в двига­ телях с небольшой частотой вращения смазывается через сквозное осевое сверление в стержне шатуна.

160

иноска 4. Шейка вала с двумя щеками образует кривошип. Противо­

весы делают на щеках со стороны, противоположной кривошипу, они служат для разгрузки рамовых подшипников от местных центробеж­ ных сил, а также для уравновешивания двигателя. Выполняют проти­ вовесы заодно с коленчатым валом или прикрепляют к нему болтами. Иногда с целью уменьшения массы двигателей их не устанавливают. Для уменьшения массы вала его шейки часто делают пустотелыми. Полученные каналы используются для подвода смазки к шатунным

ирамовым подшипникам. Коленчатые валы бывают полно- и неполно­

опорные. В полноопорных валах между двумя смежными рамовыми подшипниками размещается только одна шатунная шейка. Такие ва­ лы встречаются в дизелях и карбюраторных двигателях, работающих с большими нагрузками на подшипники.

Неполноопорные валы имеют по две и более шатунных шеек меж­ ду двумя смежными рамовыми подшипниками. Эти валы короче, про­ ще и легче в изготовлении. Однако они менее жестки, применяются в карбюраторных двигателях с небольшими нагрузками на рамовые подшипники.

Изготовляют коленчатые валы из качественной углеродистой ста­ ли ковкой (штамповкой) или отливкой. Шейки их с целью повышения поверхностной твердости и износостойкости подвергают механической и термической обработке.

Конструкция коленчатого вала должна обеспечить равномерное чередование рабочих ходов в цилиндрах. Для равномерного чередо­ вания рабочих ходов по отдельным цилиндрам их необходимо осуще­

линдров). Чередование рабочих ходов в цилиндрах называют п о р я д ­ к о м р а б о т ы двигателя. Так, в четырехцилиндровых двигате­ лях рабочие ходы чередуются через 180°. Следовательно, в этих дви­ гателях при однорядном их исполнении колена вала будут располо­

жены в одной плоскости под углом 180° (рис. 89, а). Порядок ра­

боты цилиндров в них может быть 1—2—4—3 или 1—3—4—2. В кар­ бюраторных двигателях цилиндры чаще работают в такой последова­ тельности: 1—3—4—2, поскольку она обеспечивает равномерную по­ дачу горючей смеси по цилиндрам.

В шестицилиндровых двигателях угол смещения колен вала состав­

колен вала. В каждом из них возможны четыре порядка работы ци­ линдров, обеспечивающие равномерное чередование ходов.

На практике чаще всего принято расположение колен вала, обеспе­ чивающее следующий порядок работы цилиндров: 1—5—3—6—2—4. На носке 4 коленчатого вала обычно устанавливают шестерни приво­

да механизма газораспределения и других механизмов двигателя. Маховик крепится к валу фланцем 6. Он обеспечивает заданную

степень неравномерности вращения коленчатого вала. В двигателях с небольшим числом цилиндров маховик служит также для вывода поршней из мертвых точек и выполнения вспомогательных тактов цикла.

В двигателях, применяемых в подъемно-транспортных машинах, маховик может использоваться в качестве аккумулятора механической энергии, необходимой для покрытия пиковых нагрузок. При запуске двигателя электростартером на маховик напрессовывается зубчатый венец.

§ 92. Динамика и уравновешивание двигателя

При работе двигателя на детали цилиндро-поршневой группы и кривошипно-шатунного механизма действуют силы давления газов и силы инерции масс движущихся частей.

Сила давления газов, действующая на поршень Рп, является пе­

ременной и может быть определена по формуле

где р — давление газов в цилиндре.

На поршневой палец действует сила, которая раскладывается

Сила S через шатун передается на шатунную шейку кривошипа, где

раскладывается на две составляющие, одна из которых направлена по радиусу кривошипа Sa = S cos (а + ß), а другая — перпендику­ лярно ему Sr — S sin (а + ß).

Во время работы двигателя на кривошипно-шатунный механизм, помимо переменной силы от давления газа в цилиндре, действуют силы инерции движущихся масс этого механизма и их моменты, приводя-

162

щиё к неравномерному вращению коленчатого вала. Силы инерции движущихся масс в двигателе делятся на:

1) продольные инерционные силы, действующие вдоль оси ци­ линдра и вызываемые возвратно-поступательно движущимися масса­ ми поршня и части шатуна. Из механики известно, что эти силы мо­ гут быть выражены следующим уравнением (пренебрегая силами инерции третьего и высших порядков):

2) центробежные инерционные силы, действующие перпендику­ лярно оси цилиндра и вызываемые вращательно движущимися массами коленчатого вала и части шатуна,

Продольные силы инерции имеют максимальные значения в мерт­ вых точках. Они приводят к наибольшему нарушению равномерности вращения вала.

Крутящий момент двигателя в зависимости от угла поворота кри­ вошипа и величины суммарной силы, действующей на поршень, может быть найден по формуле

Наибольшая разность между максимальным и минимальным кру­

Чем больше неравномерность вращения вала, тем значительнее ди­ намические нагрузки испытывают детали двигателя. Степень нерав­ номерности вращения вала б оценивают по изменению угловой ско­ рости

Заданный коэффициент неравномерности вращения достигается соответствующим подбором маховика.

С увеличением числа цилиндров двигателя равномерность враще­ ния возрастает, что позволяет уменьшить массу маховика.

Возникающие при работе двигателя силы инерции и их моменты переменны как по величине, так и по направлению. Если не принять специальных мер, то они передаются остову двигателя и фундаменту, вызывая вибрацию. Это можно устранить, если уравновесить свободные силы соответствующим выбором числа и расположения цилиндров, размещением колен вала и установкой противовесов. Уравновешенным считается двигатель, у которого силы, передаваемые фундаменту при установившемся режиме, постоянны по величине и направлению.

§ 93. Механизм газораспределения

Процессы газообмена в двигателях рассматривались в § 70. Там же приводились принципиальные кинематические схемы механизмов газораспределения для четырех- и двухтактных двигателей. Здесь остановимся на конструктивных элементах механизмов газораспре­ деления.

Конструкция механизма газораспределения карбюраторного дви­ гателя с нижним расположением клапанов изображена на рис. 91, а . Впускные и выпускные клапаны размещаются сбоку от цилиндра.

Распределительный вал 10 с кулачком 9 получает вращение от

коленчатого вала через шестерни. Кулачок, составляющий одно це­ лое с распределительным валом, при вращении набегает на толкатель 8, поднимает его и открывает клапан 1, сжимая пружину 4. При даль­

нейшем вращении распределительного вала кулачок отходит от тол­ кателя, и клапан под воздействием пружины закрывается. Пружина 4 одним концом упирается в тело блока цилиндров 3, а другим —

164

в тарелку 5, укрепленную на штоке клапана двумя разрезными вкла* дышами 6. Клапан перемещается в направляющей 2. Температурный

зазор между клапаном и толкателем регулируют гайкой 7.

Как указывалось, при нижнем расположении клапанов ограничи­ вается степень сжатия и меньше коэффициент наполнения. Поэтому в современных карбюраторных двигателях (ЗМА-421, «Фиат-125», ЗМЗ-66, ЗИЛ-120) применяют верхнее расположение клапанов.

'10 Рис. 91. Конструкция механизма га­ зораспределения карбюраторного двигателя с нижним (а) и верх­ ним (б) расположением клапанов

Дизели всегда строят только с верхним расположением клапанов, так как камера сгорания имеет малый объем и определенную форму. При верхнем расположении клапанов возможно боковое или верхнее размещение распределительного вала (см. рис. 63). При боковом рас­ положении распределительного вала 6 (рис. 91, б) усилие от толка­ теля 5 через штангу 4 передается коромыслу 2, открывающему кла­ пан 1. Коромысло шарнирно посажено на ось 3, укрепленную в крон­

штейнах на цилиндровой крышке. Закрывается клапан под воздей­ ствием пружины.

165

Распределительный вал (рис. 92, а) состоит из опорных шеек и

кулачков впускного и выпускного клапанов, которые в быстроходных двигателях выполняются заодно с валом. Количество опорных шеек у него обычно равно числу опорных шеек коленчатого вала. В карбю­ раторных двигателях распределительный вал используется также для привода топливоподкачивающего и масляного насосов, а в дизе­ лях часто — для привода топливных насосов. Кулачки топливных насосов располагаются между кулачками клапанов в определенном по­ рядке, соответствующем очередности работы цилиндров в двигателе.

Изготовляют распределительные валы из углеродистой стали штам­ повкой или отливкой с последующей термической обработкой, а иногда и из легированного чугуна.

Толкатель служит для передачи движения от кулачков распреде­ лительного вала непосредственно клапанам (при их нижнем располо­ жении — см. рис. 91, а) или штангам (при верхнем расположении

клапанов см. рис. 91, б) и разгрузки их от боковых усилий, возникаю­ щих при вращении кулачка. Толкатели бывают тарельчатые, цилинд­ рические и роликовые (рис. 92, б). Тарельчатые и цилиндрические толкатели обеспечивают регулировку теплового зазора винтом / с контргайкой 2.

Изготовляют толкатели из стали или чугуна с последующей тер­ мообработкой.

166