Кривошипно-шатунный механизм

Основные неисправности

Учитывая нагрузки, как механические, так и химические, и температурные, кривошипно-шатунный механизм подвержен различным проблемам. Избежать неприятностей с КШП (а значит, и с двигателем) помогает грамотное обслуживание, но всё равно от поломок никто не застрахован.

Стук в двигателе

Один из самых страшных звуков, когда в моторе вдруг появляется странный стук и прочие посторонние шумы. Это всегда признак проблем: если что-то начало стучать, значит, с ним проблема. Поскольку в двигателе элементы подогнаны с микронной точностью, стук свидетельствует об износе. Придется разбирать двигатель, смотреть, что стучало, и менять изношенную деталь.

Основной причиной износа чаще всего становится некачественное ТО двигателя. Моторное масло имеет свой ресурс, и его регулярная замена архиважна. То же относится и к фильтрам. Твердые частички, даже мельчайшие, постепенно изнашивают тонко пригнанные детали, образуют задиры и выработку.

Стук может говорить и об износе подшипников (вкладышей). Они также страдают от недостатка смазки, поскольку именно на вкладыши приходится огромная нагрузка.

Снижение мощности

Потеря мощности двигателя может говорить о залегании поршневых колец. В этом случае кольца не выполняют свою функцию, в камере сгорания остается моторное масло, а продукты сгорания прорываются в двигатель. Прорыв газов говорит и о пустой растрате энергии, и это чувствует автовладелец как снижение динамических характеристик. Продолжительная работа в такой ситуации может только ухудшить состояние двигателя и довести стандартную, в общем-то, проблему до капремонта двигателя.

Проверить состояние мотора можно самостоятельно, измерив компрессию в цилиндрах. Если она ниже нормативной для данной модификации двигателя, значит, предстоит ремонт двигателя.

Повышенный расход масла

Если двигатель начал “жрать” масло, это явный признак залегания поршневых колец или других проблем с цилиндро-поршневой группой. Масло сгорает вместе с топливом, из выхлопной трубы идет черный дым, температура в камере сгорания превышает расчетную, и это не добавляет двигателю здоровья. В некоторых случаях может помочь очистка без демонтажа двигателя, но в большинстве случаев предстоит разборка и дефектовка двигателя.

Нагар

Отложения на поршнях, клапанах и свечах зажигания говорят о том, что с двигателем есть проблема. Если топливо не сгорает полностью, нужно искать причину неисправности и устранять ее. В противном случае мотору грозит перегрев из-за ухудшения теплопроводности поверхностей со слоем нагара.

Белый дым из выхлопной трубы

Появляется, когда в камеру сгорания попадает антифриз. Причиной чаще всего бывает износ прокладки ГБЦ или микротрещины в рубашке охлаждения двигателя, и для устранения проблемы необходима ее замена.

Медлить в этой ситуации нежелательно: маленькая протечка может обернуться гидроударом. Камера сгорания наполняется жидкостью, поршень движется вверх, но жидкость, в отличие от воздуха, не сжимается, и получается эффект удара о твёрдую поверхность. Последствия такой катастрофы могут быть любые, вплоть до “кулака дружбы” и продажи машины на запчасти.

Картер двигателя

Картер — это основание двигателя. Ом воспринимает все нагрузки, возникающие при работе двигателя, изолирует от окружающей среды детали кривошипно-шатунного механизма и служит резервуаром для масла.

Картер состоит из двух частей: верхней и нижней. Верхняя часть картера отливается вместе с блоком цилиндров и снабжается поперечными перегородками и ребрами, придающими картеру жесткость.

Боковые стенки верхней части картера заканчиваются фланцем, которому болтами крепится нижняя часть картера (поддон).

Нижняя часть картера штампуется из стали и служит резервуаром для масла. Внутри нее имеются перегородки для предупреждения вспенивания и излишнего разбрызгивания масла. Между верхней и нижней, частями картера устанавливается пробковая прокладка.

Плоскость разъема картера может проходить по оси коленчатого вала или несколько ниже. В последнем случае увеличиваются — жесткость и прочность верхней части картера.

В картере расположены коренные подшипники, в которых устанавливается коленчатый вал. Каждый коренной подшипник состоит из основания, прилива, расточенного в перегородке картера, и крышки, прикрепленной к основанию двумя или четырьмя болтами. Болты крышки шплинтуются проволокой, стопорными шайбами или пластинками.

Коренные подшипники коленчатого вала, так же как и шатунные, имеют тонкостенные вкладыши. Рабочая поверхность их выполняется или гладкой, или с канавками и отверстиями для подвода масла.

Один из коренных подшипников используется для ограничения осевых перемещений коленчатого вала и называется поэтому упорным. Вкладыши такого подшипника изготавливаются с заплечиками, которые заливаются антифрикционным сплавом, или применяются специальные упорные шайбы, которые также заливаются антифрикционным сплавом. Шайбы устанавливаются в основании и крышке подшипника.

Для предотвращения вытекания смазки из картера двигателя в местах выхода коленчатого вала у многих двигателей на заднем конце вала выполняется маслосбрасывающий буртик и нарезается маслосгонная резьба (направление резьбы противоположно направлению вращения вала), а на переднем конце устанавливается маслоотражательное кольцо. Кроме того, места выхода коленчатого вала уплотняются сальниками.

В картере имеются различные полости, сверления, приливы и фланцы для размещения и крепления распределительного и других механизмов, а также масляных трубок. С наружной стороны картера крепятся детали и приборы системы охлаждения и питания двигателя.

В двухтактных дизелях имеется уравновешивающий механизм. Хотя этот механизм конструктивно и связан с распределительным механизмом, но он имеет непосредственное отношение к кривошипно-шатунному механизму и предназначен для уравновешивания сил инерции, возникающих в нем при работе двигателя и достигающих наибольших значений в тот момент, когда поршни проходят мертвые точки. В механизм входят дополнительный уравновешивающий вал и противовесы на распределительном и уравновешивающем валах.

Уравнения по отношению к угловому положению кривошипа (Угловая область)

Уравнения, которые описывают циклическое движение поршня по отношению к углу поворота кривошипа.
Примеры графиков этих уравнений показаны ниже.

Положение

Положение относительно угла кривошипа (преобразованием отношений в треугольнике):

l2−r2=x2−2⋅r⋅x⋅cos⁡A{\displaystyle l^{2}-r^{2}=x^{2}-2\cdot r\cdot x\cdot \cos A}

l2−r2=x2−2⋅r⋅x⋅cos⁡A+r2(cos2⁡A+sin2⁡A)−1{\displaystyle l^{2}-r^{2}=x^{2}-2\cdot r\cdot x\cdot \cos A+r^{2}}

l2−r2+r2−r2sin2⁡A=x2−2⋅r⋅x⋅cos⁡A+r2cos2⁡A{\displaystyle l^{2}-r^{2}+r^{2}-r^{2}\sin ^{2}A=x^{2}-2\cdot r\cdot x\cdot \cos A+r^{2}\cos ^{2}A}

l2−r2sin2⁡A=(x−r⋅cos⁡A)2{\displaystyle l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A=(x-r\cdot \cos A)^{2}}

x−r⋅cos⁡A=l2−r2sin2⁡A{\displaystyle x-r\cdot \cos A={\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}}

x=rcos⁡A+l2−(rsin⁡A)2{\displaystyle x=r\cos A+{\sqrt {l^{2}-(r\sin A)^{2}}}}

Скорость

Скорость по отношению к углу поворота кривошипа (первая производная взята, используя правило дифференцирования сложной функции):

x′=dxdA=−rsin⁡A+(12).(−2).r2sin⁡Acos⁡Al2−r2sin2⁡A=−rsin⁡A−r2sin⁡Acos⁡Al2−r2sin2⁡A{\displaystyle {\begin{array}{lcl}x’&=&{\frac {dx}{dA}}\\&=&-r\sin A+{\frac {({\frac {1}{2}}).(-2).r^{2}\sin A\cos A}{\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}}\\&=&-r\sin A-{\frac {r^{2}\sin A\cos A}{\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}}\end{array}}}

Ускорение

Ускорение относительно угла кривошипа (вторая производная взята, используя правило дифференцирования сложной функции и частное правило):

x″=d2xdA2=−rcos⁡A−r2cos2⁡Al2−r2sin2⁡A−−r2sin2⁡Al2−r2sin2⁡A−r2sin⁡Acos⁡A.(−12)⋅(−2).r2sin⁡Acos⁡A(l2−r2sin2⁡A)3=−rcos⁡A−r2(cos2⁡A−sin2⁡A)l2−r2sin2⁡A−r4sin2⁡Acos2⁡A(l2−r2sin2⁡A)3{\displaystyle {\begin{array}{lcl}x»&=&{\frac {d^{2}x}{dA^{2}}}\\&=&-r\cos A-{\frac {r^{2}\cos ^{2}A}{\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}}-{\frac {-r^{2}\sin ^{2}A}{\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}}-{\frac {r^{2}\sin A\cos A.(-{\frac {1}{2}})\cdot (-2).r^{2}\sin A\cos A}{\left({\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}\right)^{3}}}\\&=&-r\cos A-{\frac {r^{2}(\cos ^{2}A-\sin ^{2}A)}{\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}}-{\frac {r^{4}\sin ^{2}A\cos ^{2}A}{\left({\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}\right)^{3}}}\end{array}}}

Коленчатый вал

Перейдем к коленчатому валу. Он имеет достаточно сложную форму. Осью его выступают коренные шейки, посредством которых он соединен с блоком цилиндров. Для обеспечения жесткого соединения, но опять же подвижного, в блоке посадочные места вала выполнены в виде полуколец, второй частью этих полуколец выступают крышки, которыми вал поджимается к блоку. Крышки к с блоком соединены болтами.

Коленвал 4-х цилиндрового двигателя

Коренные шейки вала соединены с щеками, которые являются одной из составных частей кривошипа. В верхней части этих щек располагается шатунная шейка.

Количество коренных и шатунных шеек зависит от количества цилиндров, а также их компоновки. В рядных и V-образных двигателях на вал передаются очень большие нагрузки, поэтому должно быть обеспечено крепление вала к блоку, способное правильно распределять эту нагрузку.

Для этого на один кривошип вала должно приходиться две коренные шейки. Но поскольку кривошип размещен между двух шеек, то одна из них будет играть роль опорной и для другого кривошипа. Из этого следует, что у рядного 4-цилиндрового двигателя на валу имеется 4 кривошипа и 5 коренных шеек.

У V-образных двигателей ситуация несколько иная. В них цилиндры расположены в два ряда под определенным углом. Поэтому один кривошип взаимодействует с двумя шатунами. Поэтому у 8-цилиндрового двигателя используется только 4 кривошипа, и опять же 5 коренных шеек.

Уменьшение трения между шатунами и шейками, а также блоком с коренными шейками достигается благодаря использованию вкладышей – подшипников трения, которые помещаются между шейкой и шатуном или блоком с крышкой.

Смазка шеек вала производится под давлением. Для подачи масла применяются каналы, проделанные в шатунных и коренных шейках, их крышках, а также вкладышах.

В процессе работы возникают силы, которые пытаются сместить коленчатый вал в продольном направлении. Чтобы исключить это используются опорные полукольца.

В дизельных двигателях для компенсации нагрузок используются противовесы, которые прикрепляются к щекам кривошипов.

Поршень

Поршень воспринимает при рабочем ходе давление газов и передает его через палец и шатун коленчатому валу двигателя.

Поршень состоит из головки 1 и юбки 14. Верхняя плоскость головки (днище) ограничивает снизу рабочую полость цилиндра и непосредственно воспринимает давление газов.

В головке поршня имеются канавки для поршневых колец.

Юбка поршня, соприкасаясь со стенками цилиндра, направляет движение поршня и передает боковое усилие от него стенкам цилиндра.

На поршень действуют силы давления газов, достигающие больших величин, силы инерции возвратно-поступательно движущихся деталей, боковые силы, возникающие при отклонении шатуна от оси цилиндра, и, наконец, сила трения между поршнем и зеркалом цилиндра. Поэтому поршень должен обладать достаточной прочностью, жесткостью и износоустойчивостью.

Кроме того, вследствие неблагоприятных условий охлаждения (тепло в основном отводится через поршневые кольца и юбку поршня к стенкам цилиндра) поршни могут нагреваться до очень высокой температуры.

Поэтому к конструкции поршня и материалу, из которого он изготовляется, предъявляются повышенные требования. Для изготовления поршней применяются алюминиевые сплавы и чугун. Несмотря на большую прочность чугунных поршней, в современном автомобилестроении предпочтение отдается поршням из алюминиевых сплавов. Алюминиевые поршни легче чугунных, а это уменьшает силы инерции и нагрузку на детали двигателя при его работе.

Алюминиевые поршни обладают большой теплопроводностью, следовательно, днища таких поршней имеют более низкую температуру нагрева, что улучшает наполнение цилиндра свежей горючей смесью и позволяет увеличить-степень сжатия. Наконец, силы трения, возникающие между поршнем и стенками цилиндра, у алюминиевых поршней меньше, чем у чугунных.

В алюминиевых поршнях в верхней части головок иногда делаются глубокие узкие канавки, уменьшающие передачу тепла от днища к поршневым кольцам, чтобы избежать пригорания колец.

В средней части поршня имеются приливы — бобышки 6 для установки поршневого пальца.

Во время работы двигателя поршень и цилиндр расширяются от нагревания. Но условия охлаждения цилиндра значительно лучше, чем условия охлаждения поршня, поэтому цилиндр расширяется меньше, чем поршень. Чтобы избежать заклинивания поршня при нагревании, поршень устанавливается в цилиндре с небольшим зазором.

Чтобы уменьшить зазор между поршнем и цилиндром (вызывающий стуки поршня при непрогретом двигателе и утечку газов), алюминиевые поршни изготавливаются с разрезной и овальной юбками. Разрезные юбки могут иметь разрез различной длины и формы (П- и Т-образные).

Поршень с кольцами и пальцем

Поршень – это небольшая цилиндрическая деталь, изготовленная из алюминиевого сплава. Его основным назначением является преобразование давления выделяемых газов в поступательное движение, передаваемое в шатун. Возвратно-поступательное движение обеспечивается за счет гильзы.

Поршень состоит из юбки, головки и дна (днища). Дно может иметь разную форму (выпуклую, вогнутую или плоскую), в нем содержится камера сгорания. На головке расположены небольшие канавки для поршневых колец (маслосъемных и компрессионных).

Кольца компрессионного типа предотвращают возможное попадание газов в двигательный картер, а кольца малосъемного типа предназначены для удаления лишнего масла со стенок цилиндра.

Юбка оснащена специальными бобышками с отверстиями, для установления поршневого пальца, соединяющий поршень и шатун.

Шатун

Шатун – еще одна деталь КШМ, которая изготавливается из стали методом штамповки или ковки, оснащенная шарнирными соединениями. Шатун предназначен для передачи энергии движения от поршня к валу.

Шатун складывается из верхней, разборной нижней головки и стержня. Верхняя головка соединяется с поршневым пальцем. Нижнюю разборную головку можно соединять с шейкой вала с помощью крышек (шатунных).

Кривошип (колено)

К любому кривошипу (колено) крепится шатун поршня. Зачастую кривошип располагается от оси шеек в определенном радиусе, что определяет ход поршня. Именно эта деталь дала название кривошипно-шатунному механизму.

Коленчатый вал

Еще одна подвижная деталь механизма сложной конфигурации, изготовленная из чугуна или стали. Основным назначением вала является преобразование поступательного поршневого движения поршня во вращательный момент.

Коленчатый вал складывается из шеек (коренных, шатунных), щек (соединяющих шейки) и противовесов. Щеки создают равновесие при работе всего механизма. Внутри шейки и щеки оснащены небольшими отверстиями, через которые под давлением происходит подача масла.

Маховик

Маховик, как правило, установлен на конце вала. Изготавливается из чугуна. Маховик предназначен для повышения равномерного вращения вала для запуска двигателя с помощью стартера.

В настоящее время чаще применяются маховики двухмассового типа – два диска, которые достаточно плотно соединены между собой.

Блок цилиндров

Это неподвижная деталь КШМ, которая изготавливается из чугуна или алюминия. Блок предназначен для направления поршней, именно в них осуществляется весь рабочий процесс.

Блок цилиндров может быть оснащен рубашками охлаждения, постелями для подшипников (распределительного и коленчатого вала), точкой крепления.

Головка цилиндров

Эта деталь оснащена камерой сгорания, каналами (впускными и выпускными), отверстиями для свечей зажигания, втулками и седлами. Головка цилиндров изготавливается из алюминия.

Как и блок, головка также имеет рубашку охлаждения, которая соединяется с рубашкой цилиндра. А вот герметичность этого соединения обеспечивается специальная прокладка.

Закрывается головка небольшой штампованной крышкой, при этом между ними устанавливается резиновая прокладка, устойчивая к воздействию масел.

Поршень, гильза цилиндров и шатун образуют то, что автомобилисты обычно называют цилиндр. Двигатель может иметь от одного до 16, а иногда и больше цилиндров. Чем больше цилиндров, тем больше общий рабочий объем двигателя и, соответственно, тем больше его мощность. Но нужно понимать, что при этом одновременно с мощностью растет и расход топлива. Цилиндры в двигателе могут располагаться по различным компоновочным схемам:

рядная (оси всех цилиндров располагаются в одной плоскости)
V-образная компоновка (оси цилиндров располагаются под углом 60 или 120 градусов в двух плоскостях)
оппозитная компоновка (оси цилиндров располагаются под углом 180 градусов)
VR-компоновка (аналогично V-образной, но плоскости располагаются под небольшим углом относительно друг друга)
W-образная компоновка представляет собой совмещение на одном коленчатом валу двух VR-компоновок, расположенных V-образно со смещением относительно вертикали

От компоновочной схемы зависит балансировка двигателя, а так же его размер. Наилучшей балансировкой обладает оппозитный двигатель, однако он редко используется на автомобилях из-за конструктивных особенностей.

Так же отличным балансом обладает рядный шестицилиндровый двигатель, но его применение на современных автомобилях практически невозможно из-за его громоздкости. Наибольшее распространение получили V-образные и W-образные двигатели из-за наилучшего сочетания динамических характеристик и конструктивных особенностей.

Принцип работы кривошипно-шатунного механизма

Если описать принцип работы данного механизма, то его можно сравнить с процессом, который происходит во время езды на велосипеде. Велосипедист поочередно нажимает на педали, приводя во вращение ведущую звездочку.

Линейное движение поршня обеспечивается сгоранием ВТС в цилиндре. Во время микровзрыва (ВТС в момент подачи искры сильно сжато, поэтому и образуется резкий толчок) газы расширяются, выталкивая деталь в крайнее нижнее положение.

Шатун связывается с отдельным кривошипом на коленчатом валу. Инерция, а также идентичный процесс, происходящий в смежных цилиндрах, обеспечивают вращение коленвала. Поршень не замирает в крайних нижней и верхней точках.

Вращающийся коленчатый вал связан с маховиком, к которому подсоединяется фрикционная поверхность коробки передач.

После завершения такта рабочего хода для выполнения других тактов мотора поршень приводится в движение уже за счет оборотов вала механизма. Оно возможно благодаря выполнению такта рабочего хода в смежных цилиндрах. Чтобы минимизировать рывки, шатунные шейки кривошипов смещены относительно друг друга (есть модификации с рядным размещением шеек).

Уравнения по отношению к угловому положению кривошипа (для центрального КШМ)

Уравнения, которые описывают циклическое движение поршня по отношению к углу поворота кривошипа. Примеры графиков этих уравнений показаны ниже.

Скорость

Ускорение

Маховик

Маховик устанавливается на конце коленчатого вала. На сегодняшний день находят широкое применение двухмассовые маховики, имеющие вид двух, упруго соединенных между собой, дисков. Зубчатый венец маховика принимает непосредственное участие в запуске двигателя через стартер.