Текст книги "Справочник автолюбителя"

Кривошипно-шатунный механизм двигателя воспринимает давление газов при такте расширения и преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Кривошипно – шатунный механизм многоцилиндрового двигателя состоит из блока цилиндров, головок цилиндров, поршней с кольцами, поршневых пальцев, шатунов, коленчатого вала, вкладышей, маховика и поддона картера.

Цилиндр с головкой образует пространство, в котором осуществляется рабочий цикл двигателя. Стенки цилиндра направляют движение поршня.

Цилиндры многоцилиндровых двигателей отливают из серого чугуна или алюминиевого сплава в виде одной целой детали – блока цилиндров. За одно целое с блоком цилиндров отливают верхнюю часть картера двигателя.

В отливке блока цилиндров выполнена рубашка охлаждения, окружающая цилиндры, а также постели для коренных подшипников коленчатого вала, подшипников распределительного вала и места для крепления других узлов и приборов. У V-образного восьмицилиндрового двигателя блок цилиндров 5 (рис. 3.2.5) имеет два ряда цилиндров (по четыре цилиндра в каждом), расположенных под углом 90°.

Рис. 3.2.5. Головка и блок цилиндров У-образного восьмицилиндрового двигателя:

1 – головка правого ряда цилиндров, 2 — гильза цилиндра, 3 – прокладка гильзы, 4 — направляющий поясок для гильзы, 5 – блок цилиндров, 6 – прокладка крышки распределительных шестерен, 7 – сальник переднего конца коленчатого вала, 8 – крышка распределительных шестерен, 9 — прокладка головки цилиндров

Для повышения износостойкости стенок цилиндров и упрощения ремонта и сборки в блок запрессовывают сменные гильзы из кислотостойкого чугуна. Уменьшение износа верхней части гильз достигается установкой в них износостойких вставок. Уплотнение гильз в блоке достигается резиновыми кольцами или прокладками 3.

Тщательно обработанная внутренняя поверхность гильз (или цилиндров) называется зеркалом.

Головка 1 цилиндров закрывает цилиндры сверху и служит для размещения камеры сгорания. Головки отливают из алюминиевого сплава или чугуна. Двигатели с рядным расположением цилиндров имеют одну головку цилиндров, двигатели с V-образным расположением – две или четыре (на каждую группу цилиндров). У некоторых двигателей головки цилиндров раздельные, на каждый цилиндр.

В головку цилиндров запрессовывают направляющие втулки и седла клапанов. Плоскость разъема между головками и блоком цилиндров уплотняют сталеасбестовыми прокладками 9. Между головкой цилиндров и крышкой клапанов устанавливают пробковые или резиновые прокладки.

В поршневую группу входят поршни, поршневые кольца и поршневые пальцы. Поршень 1 (рис. 3.2.6) представляет собой металлический стакан, донышком обращенный вверх. Он воспринимает давление газов при рабочем ходе и передает его через поршневой палец 21 и шатун 23 на коленчатый вал. Отливают поршни из алюминиевого сплава.

Рис. 3.2.6. Детали кривошипно-шатунного механизма У-образного двигателя:

1 – поршень, 2 — вкладыши коренных подшипников коленчатого вала, 3 – маховик, 4 – коренная шейка коленчатого вала, 5 – крышка заднего коренного подшипника, 6 – пробка, 7 – противовес, 8 — щека, 9 — крышка среднего коренного подшипника, 10 — передняя шейка коленчатого вала, 11 – крышка переднего коренного подшипника, 12 — шестерня, 13 — носок коленчатого вала, 14 — шкив, 15 — храповик, 16 – упорная шайба, 17 — биметаллические шайбы, 18 — шатунные шейки коленчатого вала, 19 — вкладыши шатунного подшипника, 20 — стопорное кольцо, 21 — поршневой палец, 22 — втулка верхней головки шатуна, 23 — шатун, 24 — крышка шатуна, 25 — сальник, 26 – маслоотгонная канавка, 27 — маслосбрасывающий гребень, 28 — дренажная канавка

Поршень имеет днище, уплотняющую и направляющую (юбка) части. Днище и уплотняющая часть составляют головку поршня. Днище поршня вместе с головкой цилиндра ограничивает камеру сгорания. В головке поршня проточены канавки для поршневых колец.

Поршни двигателя обычно изготовлены из высококремнистого алюминиевого сплава, имеют вставки из жаропрочного чугуна под верхнее компрессионное кольцо, в толстостенном днище поршня может быть выполнена камера сгорания.

Уплотняющая часть поршня имеет диаметр, увеличивающийся к низу. Юбка поршня имеет две бобышки (приливы) с отверстиями для поршневого пальца 21. Каждая бобышка связана с днищем поршня двумя ребрами.

Юбка поршня обычно имеет прорези, которые предупреждают заедание поршня при нагреве и позволяют уменьшить зазор между гильзой цилиндра и поршнем. Заклинивание поршня исключает также придание юбке овальной формы. Диаметр поршня в плоскости, перпендикулярной оси пальца, делают больше, чем в направлении оси поршневого пальца. При нагревании поршень расширяется сильнее в направлении оси поршневого пальца, где в бобышках сосредоточена наибольшая масса металла. Поэтому овальный поршень при нагреве получит цилиндрическую форму.

Отверстие под поршневой палец располагается не по оси симметрии поршня, а смещено на 1,5 мм вправо по ходу автомобиля. Этим уменьшается сила удара поршня о стенки гильзы при переходе его через в. м. т. в процессе сгорания – расширения газов.

Для улучшения приработки поршней к гильзам цилиндров и предохранения их от задиров юбку поршня покрывают тонким слоем олова или коллоидного графита.

Поршневые кольца устанавливают в канавки, расположенные в головке поршня. Они подразделяются на компрессионные и маслосъемные. Компрессионные кольца уплотняют поршень в гильзе цилиндров и предотвращают прорыв газов через зазор между юбкой поршня и стенкой гильзы. Маслосъемные кольца, кроме того, снимают излишки масла со стенок гильз и не допускают попадания его в камеры сгорания.

Поршневые кольца изготавливают из чугуна или стали. Для установки на поршень кольца имеют разрез, называемый замком. Маслосъемное кольцо 2 (рис.3.2.7, а) отличается от компрессорных колец 1 сквозными прорезями для прохода масла. В канавке поршня для маслосъемного кольца сверлят один или два ряда отверстий для отвода масла внутрь поршня.

В целях повышения износостойкости поверхность верхнего поршневого кольца подвергают пористому хромированию. Остальные кольца для ускорения приработки покрывают тонким слоем олова. Нижнее компрессионное кольцо двигателя может быть покрыто молибденом.

На наружной и внутренней поверхностях компрессионных колец выполняют фаски или канавки (рис. 3.2.7, б).

Поршневой палец 21 (рис. 3.2.6) служит для соединения поршня с шатуном и представляет собой короткую трубку. Пальцы изготовляют из легированной цементированной стали или из углеродистой стали, закаленной токами высокой частоты. Наиболее распространены «плавающие» пальцы, свободно поворачивающиеся во втулке 22 верхней головки шатуна и в бобышках поршня. От осевого смещения поршневой палец предохраняется стопорными кольцами 20, вставляемыми в выточки обеих бобышек поршня.

Рис. 3.2.7. Поршневые кольца двигателей:

а — внешний вид, б — расположение колец на поршне, в — составное маслосъемное кольцо; 1 — компрессионное кольцо, 2 — маслосъемное кольцо, 3 — плоские стальные диски, 4 — осевой расширитель, 5 — радиальный расширитель

Шатун 23 (рис. 3.2.6) передает усилие от поршня к коленчатому валу при рабочем ходе и в обратном направлении при вспомогательных тактах. Он состоит из верхней головки, стержня двутаврового сечения и разъемной нижней головки, закрепляемой на шатунной шейке 18 коленчатого вала. Шатун 23 и его крышку 24 изготовляют из легированной или углеродистой стали. В верхнюю головку шатуна запрессовывают одну или две втулки 22 из оловянистой бронзы, а в нижнюю вставляют тонкостенные стальные вкладыши 19, залитые слоем антифрикционного сплава. Нижняя головка шатуна и крышка 24 соединяются двумя болтами, гайки которых шплинтуются или стопорятся с помощью контргаек.

Вкладыши шатунных подшипников двигателей обычно выполнены из сталеалюминиевой ленты, антифрикционный слой которой представляет собой алюминиевый сплав, в котором содержится (в %): 0,8–1,3 меди, 19–24 олова, до 0,3 железа, остальное – алюминий. Вкладыши иногда изготовляют из стальной ленты, покрытой слоем свинцовистой бронзы и тонким слоем свинцовистого сплава.

От провертывания в нижней головке шатуна вкладыши удерживаются выступами (усиками), которые входят в канавки, выфрезерованные в шатуне и его крышке.

Коленчатый вал воспринимает усилия, передаваемые от поршней шатунами, и преобразует их в крутящий момент. Он имеет (рис. 3.2.6) коренные шейки 4 и Щ шатунные шейки 18, щеки 8, соединяющие коренные и шатунные шейки, противовесы 7, фланец для крепления маховика 3, носок 13, на котором установлены храповик 15 пусковой рукоятки, распределительная шестерня 12 и шкив 14 привода водяного насоса и вентилятора. Шатунная шейка со щеками образует колено (или кривошип) вала.

Коленчатый вал штампуют из стали или отливают из магниевого чугуна. Литье позволяет выполнить все шейки вала полыми. Шейки стальных коленчатых валов закаливают токами высокой частоты. Все шейки коленчатых валов тщательно шлифуют и полируют. Переходы (галтели) от шеек к щекам выполняют плавными.

Количество шатунных шеек в двигателе, имеющем рядное расположение цилиндров, равно числу цилиндров, а в V-образном двигателе – в два раза меньше числа цилиндров, так как на каждую шатунную шейку устанавливают по два шатуна. Из условия равномерного чередования рабочих ходов коленчатого вала четырехцилиндрового двигателя (если смотреть на вал с торца) располагаются под углом 180°, шестицилиндрового – 120°, восьмицилиндрового – 90°.

Количество коренных шеек четырехцилиндровых двигателей с рядным расположением цилиндров – три или пять, в шестицилиндровых – четыре или семь, в V-образных восьмицилиндровых – пять.

Если шатунная шейка с двух сторон имеет коренную, то такой коленчатый вал называют полноопорным. Полноопорный вал меньше прогибается, обеспечивая лучшие условия работы подшипников и больший срок их службы.

В современных автомобильных двигателях частота вращения коленчатого вала достигает 3000–4000 об/мин в грузовых автомобилях и 5000–6000 об/мин – в легковых. Поэтому возникают большие центробежные силы, действующие на шатунные шейки, щеки и нижние головки шатунов. Эти силы нагружают коренные подшипники, вызывая их ускоренный износ.

Для разгрузки коренных подшипников от центробежных сил служат противовесы 7, расположенные против шатунных шеек коленчатого вала.

Коренные и шатунные шейки коленчатого вала соединены наклонными каналами, просверленными в щеках и служащими для подвода масла от коренных к шатунным подшипникам. Шатунные шейки выполняют полыми или высверливают в них полости-грязеуловители. В этих полостях под действием центробежных сил при работе двигателя отлагаются тяжелые частицы и продукты износа, содержащиеся в масле. Грязеуловители очищают при разборке двигателя, вывертывая пробки 6.

Осевые нагрузки коленчатого вала в большинстве двигателей воспринимаются упорной стальной шайбой 16 и стальными, залитыми с одной стороны баббитом или свинцово-оловянистым сплавом шайбами 17, расположенными по обе стороны переднего коренного подшипника.

Вкладыши 2 коренных подшипников обычно той же конструкции, что и вкладыши шатунных подшипников. Верхний вкладыш устанавливается в выемку (постель) верхней части картера, нижний – в крышки 5, 9 и 11 коренных подшипников. Крышки коренных подшипников растачивают совместно с блоком цилиндров и при сборке двигателя их устанавливают только на свои места.

Для предотвращения утечки масла на переднем и заднем концах коленчатого вала устанавливают маслоотражатели и сальники. Маслоотражатели изготовляют как одно целое с коленчатым валом или в виде отдельной детали. Например, у двигателя, рассмотренного выше, на переднем конце коленчатого вала установлен резиновый сальник, а на заднем конце имеется дренажная канавка 28 во вкладыше заднего коренного подшипника (с отверстием для слива масла), маслосбрасывающий гребень 27, маслоотгонная спиральная канавка 26, сальник 25 из асбестовой набивки и резиновые уплотнители под крышкой 5 заднего коренного подшипника.

Маховик представляет собой массивный диск, отливаемый из чугуна. Он повышает равномерность вращения коленчатого вала при малой частоте вращения и передает крутящий момент трансмиссии автомобиля. На обод маховика напрессован стальной зубчатый венец, предназначенный для вращения коленчатого вала стартером при пуске двигателя.

На некоторых двигателях на маховик наносят метки или запрессовывают в него стальной шарик, по которому устанавливают поршень первого цилиндра в в. м. т. и проверяют установку зажигания.

Поддон, или нижняя часть картера, предохраняет от попадания в картер пыли и грязи и служит резервуаром для масла. Его штампуют из листовой стали. К верхней части картера поддон крепится болтами или шпильками, уплотнение достигается пробковой прокладкой. Плоскость разъема картера обычно располагается ниже оси коленчатого вала, что повышает жесткость картера двигателя.

Крепление двигателя может иметь различные исполнения. Так, например, двигатель ЗМЗ-24 автомобиля ГАЗ-24 установлен на короткой раме, приваренной к основанию кузова. Точек крепления три: две по обеим сторонам передней части двигателя, одна – под удлинителем коробки передач. Передние опоры резиновые, задняя – пружинная. Крепление двигателя на трех опорах применяется и в других автомобилях отечественного и зарубежного производства.

Газораспределительный механизм обеспечивает своевременное поступление в цилиндры двигателя горючей смеси и выпуск отработавших газов.

Двигатели могут иметь нижнее расположение клапанов, при котором клапаны размещены в блоке цилиндров, и верхнее, когда они расположены в головке цилиндров.

При нижнем расположении клапанов усилие от кулачка распределительного вала 10 (рис. 3.2.8) передается клапану 2 через толкатель 9. Клапан перемещается в направляющей втулке 3, запрессованной в блок цилиндров. Закрытие клапана осуществляется пружиной 4, упирающейся в блок и шайбу 6, закрепленную двумя сухариками 5 на конце стержня клапана.

При верхнем расположении клапанов усилие от кулачка распределительного вала передается толкателю 20 (рис. 3.2.9), штанге 19, коромыслу 14 и клапану 9 или 18. Преимущественно применяется верхнее расположение клапанов, так как такая конструкция позволяет получить компактную камеру сгорания, обеспечивает лучшее наполнение цилиндров, уменьшает потери тепла с охлаждающей жидкостью и упрощает регулировку клапанных зазоров.

Распределительный вал обеспечивает своевременное открытие и закрытие клапанов. Изготовляют его из стали или чугуна.

Рис. 3.2.8. Газораспределительный механизм с нижним расположением клапанов:

1 — седло клапана, 2 — клапан,

3 – направляющая втулка клапана, 4 – пружина, 5 – сухарики,

6 — упорная шайба пружины,

7 – регулировочный болт,

8 – контргайка, 9 – толкатель,

10 – распределительный вал

Рис. 3.2.9. Газораспределительный механизм с верхним расположением клапанов:

1 – шестерня распределительного вала, 2 — упорный фланец, 3 — распорное кольцо, 4 — опорные шейки, 5 – эксцентрик привода топливного насоса, 6 – кулачки выпускных клапанов, 7 – кулачки впускных клапанов, 8 — втулки, 9 — впускной клапан, 10 – направляющая втулка, 11 – упорная шайба, 12 – пружина, 13 — ось коромысел, 14 – коромысло, 15 — регулировочный винт, 16 – стойка оси коромысел, 77– механизм поворота выпускного клапана, 18 – выпускной клапан, 19 – штанга, 20 — толкатели, 21 — шестерня привода масляного насоса и прерывателя-распределителя

При сборке распределительный вал вставляют в отверстие торца картера двигателя, поэтому диаметры опорных шеек 4 последовательно уменьшаются, начиная с передней шейки. Количество опорных шеек обычно равно количеству коренных подшипников коленчатого вала. Втулки 8 опорных шеек изготовляют из стали, бронзы или из металлокерамики.

Внутреннюю поверхность стальных втулок заливают слоем баббита или свинцово-оловянистого сплава.

На распределительном валу расположены кулачки 6 и 7, воздействующие на толкатели 20, шестерня 21 привода масляного насоса и прерывателя-распределителя, эксцентрик 5 привода топливного насоса. Кулачков имеется по два на каждый цилиндр. Углы их взаимного расположения зависят для одноименных кулачков – от числа цилиндров и чередования рабочих ходов в разных цилиндрах, для разноименных – от фаз газораспределения (см. ниже). Кулачки и шейки стальных распределительных валов подвергают закалке токами высокой частоты, а чугунных – отбеливанию. Кулачкам при шлифовании придают небольшую конусность, что в сочетании со сферической формой торца толкателей обеспечивает поворот толкателя во время работы.

Между шестерней 1 распределительного вала и передней опорной шейкой установлены распорное кольцо 3 и упорный фланец 2, который привертывается болтами к блоку цилиндров и удерживает вал от осевых перемещений.

Распределительный вал получает вращение от коленчатого вала. В четырехтактных двигателях рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала. За этот период впускные и выпускные клапаны каждого цилиндра должны открываться один раз, а следовательно, распределительный вал должен повернуться на один оборот. Таким образом, распределительный вал должен вращаться в два раза медленнее коленчатого вала. Поэтому шестерня 1 распределительного вала имеет в два раза больше зубьев, чем шестерня на переднем конце коленчатого вала. Зубья у шестерен косые.

Распределительные шестерни некоторых двигателей расположены на заднем торце блока цилиндров.

Распределительные шестерни входят в зацепление между собой при строго определенном положении коленчатого и распределительного валов. Это достигается совмещением меток на зубе одной шестерни и впадине между зубьями другой шестерни.

В высокооборотных двигателях распределительный вал 7 (рис. 3.2.10, а) расположен над головкой цилиндров и его кулачки действуют на рычаги 8. Рычаг 8, поворачиваясь на сферической головке регулировочного болта 11, другим концом нажимает на стержень клапана и открывает его. Регулировочный болт ввернут во втулку 10 головки цилиндров, и крепится контргайкой. Закрывается клапан двумя пружинами. Вращение от коленчатого вала 1 к распределительному валу 7 передается втулочно-роликовой цепью 3. Этой же цепью вращается ведомая звездочка 13 привода масляного насоса и прерывателя-распределителя зажигания. Для уменьшения колебаний цепи служит успокоитель 12, закрепленный на торце двигателя. Для натяжения цепи предусмотрено натяжное устройство 5 с башмаком 4.

Рис. 3.2.10. Газораспределительный механизм с верхним расположением распределительного вала («Жигули»):

а — привод цепью; б — привод зубчатым ремнем; 1 — коленчатый вал,

2 — ведущая звездочка, 3 — цепь, 4 — башмак натяжного устройства, 5 – натяжное устройство, 6 — ведомая звездочка, 7 – распределительный вал, 8 — рычаг привода клапана, 9 – клапаны, 10 – втулка регулировочного болта, 11 — регулировочный болт, 12 — успокоитель цепи, 13 — звездочка привода масляного насоса и прерывателя-распределителя, 14–17 — зубчатые шкивы, 15 — зубчатый ремень

При верхнем расположении распределительного вала нет толкателей и штанг, упрощается отливка блока цилиндров, снижается шум при работе. На двигателях ВАЗ-2105 цепь заменена зубчатым ремнем 15 (рис. 3.2.10, б). Иностранные производители применяют оба варианта.

Толкатели предназначены для передачи усилий от кулачков распределительного вала к штангам. Изготовляют их из стали или чугуна. Они бывают грибовидными, цилиндрическими или роликовыми.

Цилиндрические толкатели имеют сферические углубления для установки штанг. Перемещаются они в направляющих, выполненных в блоке цилиндров. Стальные толкатели имеют наплавленную чугунную пятку, соприкасающуюся с кулачком.

Штанги (рис. 3.2.9) передают усилие от толкателей к коромыслам. Их изготовляют полыми из стали или дюралюминия со стальными сферообразными наконечниками. Последними штанга упирается с одной стороны в толкатель, с другой – в сферическую поверхность регулировочного винта 15, ввернутого в коромысло 14.

Коромысло передает усилие от штанги к клапану. Изготовляют коромысла из стали или чугуна. Плечи коромысла обычно неодинаковы – плечо со стороны клапана длиннее. Этим уменьшается высота подъема толкателя и штанги.

Коромысла устанавливают на общую ось 13, укрепленную на головке цилиндров с помощью стоек 16. Ось коромысла полая, коромысла качаются на бронзовых втулках.

Клапаны открывают и закрывают впускные и выпускные каналы. Клапан состоит из тарельчатой плоской головки и стержня. Диаметр головки впускного клапана делают больше, чем выпускного. Впускные клапаны изготовляют из хромистой стали; выпускные клапаны (или их головки) – из жаростойкой стали. Вставные седла клапанов, запрессовываемые в головку или блок цилиндров, изготовляют из жаростойкого чугуна. На рабочую поверхность головки выпускных клапанов двигателя иногда наплавляют жаростойкий сплав, а стержень клапана выполняют полым.

Для лучшего охлаждения внутреннюю полость выпускных клапанов заполняют металлическим натрием, который имеет высокую теплопроводность и температуру плавления 371 К (98 °C). При движении клапана расплавленный натрий, перемещаясь внутри стержня, переносит тепло от головки к стержню, которое затем передается направляющей втулке.

Рабочая поверхность клапана (фаска) обычно имеет угол 45°, однако у впускных клапанов некоторых двигателей этот угол равен 30°. Фаску головки клапана тщательно обрабатывают и притирают к седлу.

Клапан прижимается к седлу одной или двумя пружинами. При двух пружинах направление их витков должно быть различным, чтобы при поломке одной из них ее витки не могли попасть между витками другой.

Выпускные клапаны многих двигателей при работе принудительно поворачиваются, что предотвращает их заедание и обгорание.

Для обеспечения плотного закрытия клапана между его стержнем и носком коромысла (верхнее расположение клапанов) или толкателем (нижнее расположение клапанов) должен быть зазор.

При малом зазоре и нагреве двигателя могут произойти неплотная посадка клапана на седло, утечка газов и обгорание рабочей поверхности головки клапана, при увеличенном зазоре – неполное открытие клапанов, ухудшение наполнения и очистки цилиндров, повышение ударной нагрузки на сопряженные детали клапанного механизма, приводящие к их ускоренному износу.