Як працює кривошипно-шатунний механізм двигуна

Кривошипно-шатунний механізм двигуна перетворює зворотно-поступальний рух поршнів (за рахунок енергії згоряння паливної суміші) на обертання колінчастого валу і навпаки. Це технічно складний механізм, що є основою двигуна внутрішнього згоряння. У статті ми докладно розглянемо пристрій та особливості роботи КШМ.

Історія створення

Перші свідчення використання кривошипа було знайдено у 3-му столітті нашої ери, у Римській імперії та Візантії у 6-му столітті нашої ери. Прекрасним прикладом є пилорама з Ієраполіса, в якій використовується колінчастий вал. Металевий кривошип було знайдено у римському місті Августа-Рауріка на території сучасної Швейцарії. Принаймні, Джеймс Пакард запатентував винахід у 1780 році, хоча свідчення його винаходу були знайдені ще в давнину.

Складові частини КШМ

Компоненти КШМ умовно поділяються на рухомі та нерухомі частини. До рухомих частин належать:

• поршні та поршневі кільця;
• шатуни;
• поршневі пальці;
• колінчастий вал;
• маховик.

Нерухомі частини КШМ служать базою, елементами кріплення та напрямними. До них відносяться:

• блок циліндрів;
• головка блоків циліндрів;
• картер двигуна;
• піддон картера;
• кріпильні деталі та підшипники.

Нерухомі частини КШМ

Картер та масляний піддон

Картер - це нижня частина двигуна, в якій знаходяться підшипники та масляні канали колінчастого валу. У картері шатуни рухаються, а колінчастий вал обертається. Масляний піддон - це резервуар для моторної олії.

Основа картера в процесі експлуатації піддається постійним тепловим та силовим навантаженням. Тому до цієї деталі пред'являються особливі вимоги щодо міцності та жорсткості. Для виготовлення використовуються алюмінієві або чавунні сплави.

Картер кріпиться до блоку циліндрів. Разом вони утворюють каркас двигуна, основну частину його корпусу. Самі циліндри перебувають у блоці. Зверху встановлена ​​головка блоку ДВЗ. Навколо циліндрів є порожнини для охолодження рідини.

Розташування та кількість циліндрів

В даний час найбільш поширені такі типи:

• рядне чотири- або шести циліндрове положення;
• шестициліндрове V-подібне положення під кутом 90°;
• VR-подібне положення під меншим кутом;
• опозитне становище (поршні рухаються назустріч один одному з різних сторін);
• W-подібне положення із 12 циліндрами.

При простому рядному розташуванні циліндри і поршні розташовані в ряд перпендикулярної колінчастому валу. Ця схема найпростіша і найнадійніша.

Головка блоку циліндрів

Головка кріпиться до блоку шпильками чи болтами. Вона накриває циліндри з поршнями зверху, утворюючи герметичну порожнину камеру згоряння. Між блоком та головкою є прокладка. У головці блоку циліндрів також є клапанний механізм і свічки запалювання.

циліндри

Поршні рухаються безпосередньо у циліндрах двигуна. Їх розмір залежить від ходу поршня та його довжини. Циліндри працюють при змінному тиску та високих температурах. У процесі експлуатації стіни піддаються постійному тертю та температурам до 2500 °C. До матеріалів та обробки циліндрів також пред'являються особливі вимоги. Їх роблять із чавуну, сталі або алюмінієвих сплавів. Поверхня деталей має бути не тільки міцною, а й зручною в обробці.

Зовнішня робоча поверхня називається дзеркалом. Вона хромована та відполірована до дзеркальної поверхні для мінімізації тертя в умовах обмеженого змащування. Циліндри відливаються спільно з блоком або виконується у вигляді знімних гільз.

Рухомі частини КШМ

поршень

Рух поршня в циліндрі відбувається за рахунок згоряння паливоповітряної суміші. Створюється тиск, що діє на днищі поршня. Воно може відрізнятися формою у різних типах двигунів. У бензинових двигунах дно спочатку було плоским, потім стали застосовувати увігнуті конструкції з проточками під клапани. У дизельних двигунах у камері згоряння попередньо стискається повітря, а чи не паливо. Тому днище поршня також має увігнуту форму, яка є частиною камери згоряння.

Форма днища має велике значення для створення правильного факела горіння паливоповітряної суміші.

Решта поршня називається спідницею. Це свого роду напрямна, яка рухається усередині циліндра. Нижня частина поршня або спідниці виконана таким чином, щоб не торкатися шатуна під час його руху.

На бічній поверхні поршнів є проточки або канавки для поршневих кілець. Зверху є два або три компресійні кільця. Вони необхідні для створення компресії, тобто перешкоджають проникненню газу між стінками циліндра та поршнем. Кільця притискаються до дзеркала, зменшуючи проміжок. Внизу є паз для маслознімного кільця. Воно призначене для видалення зайвої олії зі стінок циліндра, щоб вона не потрапила в камеру згоряння.

Поршневі кільця, особливо компресійні, працюють при постійних навантаженнях та високих температурах. Для їх виробництва використовують високоміцні матеріали, такі як легований чавун, покритий пористим хромом.

Поршневий палець та шатун

Шатун кріпиться до поршня за допомогою пальця. Він являє собою цільну або порожнисту циліндричну деталь. Палець встановлюється в отвір у поршні та у верхній головці шатуна.

Існує два типи кріплення:

• з фіксованою посадкою;
• з плаваючою посадкою.

Найпопулярнішим є так званий «плаваючий палець». Для його кріплення використовуються стопорні кільця. Фіксований встановлюється із натягом. Зазвичай використовується теплова посадка.

Шатун, у свою чергу, з'єднує колінчастий вал з поршнем і виробляє обертальні рухи. У цьому випадку зворотно-поступальні рухи шатуна описують число вісім. Він складається з кількох елементів:

• стрижня чи основи;
• поршневої головки (верхньої);
• кривошипної голівки (нижньої).

Бронзова втулка запресовується в поршневу головку для зменшення тертя і мастила деталей, що стикаються. Кривошипна головка є розбірною для забезпечення збирання механізму. Деталі ідеально підігнані один до одного і фіксуються болтами та контргайками. Для зменшення тертя встановлюються шатунні підшипники. Вони виконані у вигляді двох сталевих вкладишів із замками. Олія подається через олійні канавки. Підшипники точно пристосовані до розміру з'єднання.

Всупереч поширеній думці, вкладиші утримуються від провороту не за рахунок замків, а через силу тертя між їхньою зовнішньою поверхнею і головкою шатуна. Таким чином, зовнішню частину підшипника ковзання не можна змащувати під час збирання.

Колінчастий вал

Колінчастий вал — складна частина як з точки зору пристрою, так і виробництва. Він приймає на себе момент, що крутить, тиск та інші навантаження і тому виготовлений з високоміцної сталі або чавуну. Колінчастий вал передає обертання від поршнів до трансмісії та інших компонентів автомобіля (наприклад, ведучому шківу).

Колінчастий вал складається з кількох основних компонентів:

• корінні шийки;
• шатунні шийки;
• противаги;
• щоки;
• хвостовик;
• фланець маховика.

Конструкція колінчастого валу багато в чому залежить від кількості циліндрів у двигуні. У простому чотирициліндровому рядному двигуні на колінчастому валу є чотири шатунні шийки, на яких встановлені шатуни з поршнями. П'ять корінних шийок розташовані вздовж центральної осі валу. Вони встановлюються в опори блоку циліндрів чи картера на підшипники ковзання (вкладиші). Корінні шийки зверху закриваються кришками на болтах. З'єднання утворює П-подібну форму.

Спеціально оброблена точка опори для встановлення корінної шийки з вкладишем називається ліжком.

Корінні та шатунні шийки з'єднані так званими щоками. Противаги гасять зайві вібрації та забезпечують плавний рух колінчастого валу.

Шийки колінчастого валу термічно оброблені та відполіровані для забезпечення високої міцності та точної посадки. Колінчастий вал дуже точно збалансований і відцентрований, щоб рівномірно розподіляти всі сили, що діють на нього. У центральній області корінної шийки з боків від опори, встановлюються наполегливі півкільця. Вони необхідні компенсації осьових переміщень.

Шестерні приводу ГРМ та приводний шків допоміжних агрегатів двигуна прикріплені до хвостовика колінчастого валу.

маховик

На задній частині валу є фланець, до якого кріпиться маховик. Це чавунна деталь, яка є масивним диском. Завдяки своїй масі маховик створює інерцію, необхідну для роботи КШМ, а також забезпечує рівномірну передачу моменту, що крутить, на трансмісію. На обід маховика є зубчасте кільце (вінець) для з'єднання зі стартером. Це маховик обертає колінчастий вал і приводить у рух поршні при запуску двигуна.

Кривошипно-шатунний механізм, конструкція та форма колінчастого валу залишаються незмінними протягом багатьох років. Як правило, вносяться лише незначні структурні зміни для зменшення ваги, інерції та тертя.