Кривошипно-шатунний механізм (КШМ) автотракторних двигунів

2.1. Призначення, загальна будова і робота КПІМ.

2.2. Сили, що діють в КШМ.

2.3. Газорозподільний механізм (ГРМ) автотракторних двигунів.

2.4. Призначення, загальна будова і
робота ГРМ.

2.5. Фази газорозподілу.

2.6. Необхідність регулювання теплових зазорів клапанів.

Кривошипно-шатунний механізм призначений для сприйняття тиску газів від згоряння пальної суміші і перетворення зворотньо-поступального руху поршня в обертовий рух колінчастого вала.

У сучасних поршневих автотракторних двигунах застосовуються в основному тронковікривошипно-шатунні механізми з однорядним вертикальним і дворядним V-подібного розміщенняциліндрів.

Кривошипно-шатунний механізм складається з рухомих і нерухомих деталей.

До нерухомих деталей відносяться циліндри, головка циліндрів і картер (блок-картер).

Циліндри відносяться до основних деталей поршневих двигунів. Основним матеріалом для виготовлення циліндрів служить перлітний сірий чавун з невеликими домішками легуючих елементів (нікель, хром), а також високолегований чавун і сталь. Температура згоряння пальної суміші в циліндрах досягає до 2500^оС, а тому гільзи повинні бути зносостійкими і надійно охолоджуватись. Для цього безперервно охолоджують стінки циліндрів рідиною або повітрям.

У гільзах можуть використовуватись короткі вставки довжиною 50…60 мм, які виготовляють з аустенітного зносостійкого чавуну.

Легкознімні гільзи відливають із сірого перлітного чавуну СЧ 21-40 і загартовують струмами високої частоти. Гільзи з легованого чавуну не загартовують.

Жорсткість відливки картера забезпечується горизонтальною і кількома поперечними вертикальними перегородками.

Блок-картер являє собою складну відливку, яка об’єднує блок циліндрів і верхню частину картера. Спільна відливка блока циліндрів і картера підвищує загальну жорсткість та надійність усієї конструкції. Загальна компоновка блок-картера залежить від прийнятої конструкції окремих механізмів і систем двигуна.

Алюмінієві блок-картери бувають на 50-60 % легші від чавунних, а можуть бути відлиті з чавуну, але з невеликою товщиною стінок 3-3,5 мм. Такі чавунні картери за масою практично не поступаються алюмінієвим, а за жорсткістю і міцністю значно їх перевищують.

Головка циліндрів. Головки найчастіше відливають спільними для всіх циліндрів із сірого або легованого чавуну, а також із алюмінієвих сплавів.

Сідла під клапани виготовляють із високоміцного жаростійкого чавуну, з легованої або середньовуглецевої сталі. Вставні сідла під клапани використовують також в чавунних головках під впускні клапани.

Ущільнення головки з блоком циліндрів здійснюється стале-азбестовою прокладкою. Стале-азбестова прокладка використовується у більшості автомобільних і тракторних двигунів.

Поршнева група складається з поршнів, поршневих кілець і поршневих кілець.

Поршень є базовою деталлю поршневої групи і найбільш навантаженим елементом КШМ. Поршень працює у важких умовах. Тиск на поршень досягає 8-15 МПа, температура верхньої частини поршня може досягати до 300 ^оС, рухається з великою зміною швидкостей і силами інерції.

Виходячи з умов роботи, поршень повинен мати високу міцність, теплопровідність, зносостійкість і при цьому малу масу і легко рухатись у циліндрі.

Поршень складається з головки і напрямляючої частини. Напрямляючу частину називають юбкою поршня. В середині поршень має приливки-бобишки з отворами для поршневого пальця і ребра, що підвищують міцність та жорсткість поршня.

На днищах поршнів дизельних двигунів є виїмки, які являють собою частину камери згоряння.

Важливо враховувати те, що під час складання двигуна необхідно правильно розмістити поршні в циліндрах, щоб виїмки були з боку форсунок. Також навпроти клапанів ще можуть бути виточки, які запобігають зіткненню поршня з клапаном.

Юбки поршнів можуть бути циліндричними, конічними, овальними або конусними для компенсації об’ємного розширення.

Розміри поршнів і гільз діляться на розмірні групи, які мають своє позначення. У автомобільних двигунах групи А, АА, ААА, Б, ББ і т.д.

Тракторні дизелі мають позначення поршнів і гільз груп Б, С, М.

Щоб поршні при розширенні не заклинювались в циліндрах, між стінкою циліндра і юбкою поршня повинен бути зазор певної величини, який також забезпечує утворення масляної плівки між поршнем і стінкою циліндра. Оскільки головка поршня нагрівається і розширюється більш ніж юбка, зазор між головкою поршня і стінкою циліндра повинен бути більшим. З цих міркувань діаметр головки роблять меншим, а юбки – більшим.

У поршнів юбки можуть бути циліндричними, овальними, конусними або конусоовальними. Поршні з конусними юбками мають циліндричну форму лише в нижній частині юбки на довжині 10 мм. Різниця між осями має розмір 0,2...0,3 мм. При нагріванні поршень більше розширюється в площині осі пальця за рахунок металу, зосередженого в приливках поршня (бобиках), юбка стає циліндричною, а зазор по осях однаковим. Для орієнтування встановлення поршнів на двигун на днищі є мітки “Вперед” або виїмками позначень на кромці днища.

Поршневі кільця забезпечують ущільнення поршнів з метою запобігання потрапляння масла в циліндр і проникнення газів в картер.

Поршневі кільця працюють у складних умовах з високим температурним навантаженням та тертям об стінки циліндра.

Відсутність зазору в замку або недостатній його розмір призводить до заклинювання кільця в циліндрі, а може призвести до поломки кілець і пошкодження циліндра. Розставляють кільця на поршні кільцями під кутом 90 або 120 ^оС. Між стінками канавки і кільцем повинен бути зазор певної величини. Зменшення зазорів викликає проникнення газів у картер і підвищує вигоряння мастила, бо масло, яке потрапляє на кільця, під дією високої температури коксується, канавки поршневих кілець забруднюються і нормальна робота кілець порушується (кільця залипають).

За перерізом поршневі кільця поділяються на прямокутні, трапецевидні, конусні, торсійні і бочкоподібні.

Прямокутні забезпечують добрий тепло відвід від головки поршня і їх застосовують як верхні, хоч вони важко припрацьовуються до циліндрів.

Трапецевидні кільця виготовляють з непаралельними торцевими поверхнями. Вони більш складні у виробництві, проте зберігають свою рухомість у канавках і несхильні до закоксовування і залягання від обсмолювання (застосовують в дизелях).

Конусні кільця виготовляють у вигляді зрізаного конуса під кутом 3^о. Ці кільця дорожчі у виготовленні, але краще пристосовуються до нерівностей дзеркала. Конусне кільце притискається до стінки циліндра вузькою нижньою кромкою, за рахунок чого підвищується питомий тиск на стінку циліндра, швидке припрацювання і краще прилягає до стінок циліндра. Під час руху вниз кільце своєю гострою кромкою знімає зайве масло, а під час руху вгору – поліпшує мащення циліндра за рахунок масла, що збирається між кільцем і стінкою циліндра та зменшує проникнення масла у камеру згоряння.

Торсійні кільця виготовляються з несиметричним перерізом. У них з внутрішнього боку є проточка або фаска. Цей тип кілець закручують у циліндрі, внаслідок чого зовнішня поверхня приймає форму зрізаного конуса, тому їх називають торсійними або зрізаними.

Компресійні кільця виготовляють з спеціальних легованих чавунів з високою пружністю і стійкістю проти спрацювання.

Верхні компресійні кільця, які працюють у важких умовах, в основному мають прямокутну форму поперечного перерізу. Робоча поверхня верхніх кілець покрита шаром хрому, який підвищує стійкість кільця проти спрацювання.

Щоб прискорити припрацювання нових компресійних кілець на їх робочу поверхню наносять олов’яної полуди.

Масло знімні кільця знімають із стінок циліндрів зайве масло, обмежують його проникнення до компресійних кілець і в камеру згоряння. Для обмеження потрапляння масла в камеру згоряння на поршень встановлюють одне або два масло знімні кільця.

Дренажні масло знімні кільця являють собою прямокутну конструкцію з канавкою, проточеною з зовні так, що із стінкою циліндра вони дотикаються тільки двома вузькими кромками. Внаслідок цього їх радіальний питомий тиск на стінки циліндра досягає 0,4 МПа, що сприяє більш ефективному зіскобленню масла зі стінок.

Скребкові масло знімні кільця мають гострокутні зіскоблюючі кромки, а для збирання масла і відводу його за кільце знизу в них роблять проточку і дренажні вирізи. Для підвищення ефективності масло знімання встановлюють в одну канавку по два скребкових кільця. При русі поршня до ВМТ вони відтискаються масляним клином, а при русі вниз зіскрібають масло зі стінок циліндра. Робочі поверхні скребкових кілець покривають шаром Хому. Ці кільця мають високу стійкість проти спрацювання, простіші у виготовленні і меншою витратою картерного масла.

Багатоелементні маслознімні кільця складаються з двох пластин і осьового і радіального розширювачів. Осьовий розширювач притискає стальні пластини кільця до бокових стінок несучої канавки поршня, а радіальні – до стінок циліндрів. Масло збирається у порожнині між пластинчастими кільцями, звідки через вікна у радіальному розширювачі та дренажні отвори в стінці поршня відводиться у внутрішню його порожнину.

Поршневий палець призначений для радіального з’єднання поршня з шатуном. Палець передає великі зусилля і сприймає значні ударні навантаження, тому йому надають відповідної міцності і жорсткості.

Поршневі пальці виконують з легованої сталі (12ХА3А). Поверхню цементують на глибину 1,5 мм, а потім загартовують, шліфують і полірують. Від осьового зміщення палець утримують стальними стопорними кільцями в канавках бобишок.

За способом фіксації пальці поділяють на плаваючі і закріплені. У холодному стані палець встановлюють з невеликим натягом.

Шатунна група. У шатунну групу входить комплект підшипників верхньої і нижньої головок, шатунні болти з гайками та їх фіксаторами. Шатун здійснює складний рух. Зусилля, які передає шатун великі і навіть в деякій мірі ударний характер, повинен бути міцним, жорстким і легким для зменшення сил інерції.

Є шатуни одинарні (для однорядних) і зчленовані (для дворядних двигунів). Шатун складається з верхньої головки, стержня і нижньої роз’ємної головки з кришкою, закріпленою шатунними болтами.

Шатуни виготовляють з високоякісної вуглецевої або легованої сталей і термічно оброблені. Стержень шатун має двотавровий переріз, що забезпечує необхідну міцність. Кришка шатуна встановлюється тільки в нижньому положенні шатуна і не може переставлятись на інший шатун. На кришці наносяться мітки комплектності (однакові цифри).

Шатунні болти виготовляють з високоякісних легованих сталей і термічно обробляють.

Шатунні болти затягують з певним зусиллям і шплінтують гайки.

Шатунні підшипники (вкладиші). Поверхні вкладишів виготовляють з стальної стрічки покриті тонким шаром антифрикційного сплаву (бабіт, свинцевиста бронза або алюмінієвий сплав).

Сучасні дизельні двигуни мають вкладиші, виготовлені методом штампуванням із сталеалюмінієвої стрічки із шаром антифрикційного сплаву АСМ (алюмінієво-сурмо-магнієвий сплав). Вкладиші шатунних підшипників взаємозамінні.

За внутрішнім діаметром вкладиші виготовляють двох стандартів і кількох ремонтних розмірів (Р1, Р2,...Р5).

Колінчастий вал сприймає зусилля від шатунів і передає його на механізми силової передачі. Колінчастий вал сприймає ударні навантаження від періодично діючих сил тиску газів, які передаються через шатун і навантаження від сил інерції. Ці зусилля скручують і згинають вал, а шийки спрацьовуються від тертя.

На передньому кінці вала кріпляться розподільча шестерня, шків приводу паса вентилятора, генератора, масло відбивна шайба, храповик.

На задньому кінці вала є масло знімна різьба, буртик, сальник і до фланця кріпиться маховик.

Для зрівноваження сил інерції, вал має противаги, а в деяких двигунах вони виготовляються окремо і кріпляться до щік. В шийках вала і в щоках також є канал, для підведення масла.

Шатунні шийки мають порожнини, закриті різьбовими заглушками. У цих порожнинах відбувається додаткове відцентрове очищення масла.

Число шатунних колінчастого вала дорівнює числу циліндрів або в двоє менше (V-подібні восьмициліндрові двигуни).

Колінчасті вали автотракторних двигунів виготовляють куванням або виливом із середньо вуглецевих сталей або з високоякісних чавунів.

Поверхні шатунних і корінних шийок піддають механічній обробці, гартують струмами високої частоти на глибину 3,0 – 4,5 мм, шліфують і полірують.

Щоб уникнути перекосів деталей шатунно-поршневої групи, колінчастий вал фіксується і має лише певний осьовий розбіг для вільного розширення вала під час нагрівання. В основному в двигунах вал, від осьового переміщення утримується двома упорними шайбами, кільцями чотирма упорними півкільцями, які вставляються у блок-картер і в кришку одного з корінних підшипників (переднього чи останнього) або ж буртиками вкладишів останнього корінного підшипника.

Упорні півкільця виготовлені із сталеалюмінієвої стрічки і залежно від їх товщини маркуються (Р1, Р2, Р3).

Підшипники колінчастого вала, які застосовують у автотракторних двигунах, мають вкладиші подібні до шатунних, відрізняються лише тим, що стальна стрічка трохи товстіша.

Корінні і шатунні шийки нових валів можуть бути двох номінальних розмірів. Для цього відповідні позначення ставляться на першій щоці вала. Відповідно до розмірів шийок підбирають вкладиші. На їх зовнішній поверхні ставлять товарний знак заводу і розмір.

ГРМ

Механізм газорозподілу призначений для своєчасного впуску в циліндри двигуна пальної суміші (або повітря в дизелі) і випуску з них відпрацьованих газів.

Газообмін у циліндрах двигуна виконується через впускні отвори, які механізм газорозподілу відкриває і герметично закриває відповідно порядку роботи циліндрів двигуна.

До механізмів газорозподілу ставляться такі основні вимоги:

- своєчасно відкривати і закривати впускні і випускні отвори циліндрів двигуна відповідно до процесів;

- забезпечувати належне наповнення циліндрів паливною сумішшю і очищати їх від продуктів згоряння;

- мати високий ККД;

- прості за будовою і доступним для догляду.

У двигунах внутрішнього згоряння залежно від способу ущільнення впускних і випускних каналів циліндрів, розрізняють золотникові, клапанні і комбіновані механізми газорозподілу. На автотракторних двигунах зазвичай застосовують клапанні механізми газорозподілу.

Залежно від розміщення клапанів у блоці циліндрів розрізняють (нижньоклапанні), або в головці (верхньоклапанні) механізми газорозподілу.

В залежності від типу приводу є зубчасті передачі, ланцюгові, пасові або комбіновані.

Нижньоклапанний газорозподіл є простий за конструкцією, але має гідравлічні втрати, і з дещо нижчим коефіцієнтом наповнення, а також обмеженими можливостями підвищення ступеня стиску двигуна через специфічну форму камери згоряння (Г-подібна).

З верхньоклапанним механізмом газорозподілу клапани розміщені над циліндром дають можливість підвищити коефіцієнт наповнення циліндрів із зменшенням гідравлічних втрат підвищити ступінь стиску і покращити економічність двигуна.

Ефективність процесу газообміну в багатоциліндрових двигунах оцінюється середнім для всіх циліндрів коефіцієнтом наповнення свіжим зарядом і для повного очищення циліндрів.

Моменти відкриття і закриття клапанів вираженні в градусах кута повороту колінчастого валу називають фазами газорозподілу.

Впускний клапан відкривається з випередженням на кут α = 5 – 30^о. Це збільшує час відкриття впускного клапана. Закривається впускний клапан з запізненням на кут β = 30 – 85^о. Це дало змогу використати інерційний напір всмоктуваної суміші.

При положенні поршня біля ВМТ, у кінці такту випуску протягом деякого проміжку часу впускний і випускний клапани знаходяться у відкритому положенні. Таке явище називається перекриттям клапанів. Воно дає покращення продувки циліндрів від відпрацьованих газів.

Газорозподільний механізм складається з клапанного механізму і механізму приводу.

Клапанний механізм складається з клапанів, напрямних втулок, пружин, тарілок і сухариків.

Клапани є впускні і випускні, мають обмежені розміри. Працюють клапани в умовах високих температур і динамічних навантажень, обумовлених силами тиску газів, пружності пружин та інерції деталей приводу. Особливо важливі умови у випускних клапанів. Кут робочої фаски у випускних клапанів становить 45˚, а впускних – 45 або 30 ˚.

Для підвищення зносостійкості робочу фаску покривають шаром твердого сплаву. Для кращого розвантаження від теплового напруження головний стержень виконують порожнинчастим і заповнють на 57 – 60 процентів металічним натрієм, який має температуру плавлення 98 градусів і високу теплопровідність. Розплавлений натрій відводить теплоту до верхньої частини стержня, кристалізується і випадає у вигляді осаду в порожнину головки, де знову розплавлюється. Завдяки чому температура головки знижується приблизно на 100˚ С.

Впускні клапани виготовляють із сталі 40 ХН, 50 ХН, 40 ХН МА, 37 С, а випускні – із жаростійких сталей 10ХСМ, Х9С2, 3П48, 40СХ10МА. Клапанні сідла підвищують стійкість проти спрацювання посадочної поверхні клапана. Для випускних клапанів сідла виготовляють вставними, а для впускних вставними роблять сідла в основному в алюмінієвих головках. Матеріал сідла із сталі 45, або сірий перлітний чавун С4-24-48.

Напрямні втулки виконують вставними (запресовують), що спрощує заміну їх при ремонті, виготовлять із перлітного чавуну, або металокераміки. Клапанні пружини забезпечують щільне закриття клапанів і сталий кінематичний зв’язок між кулачком і штовхачем. Мають пружини постійний або змінний крок, що перешкоджає виникненню резонансних коливань пружини. Можуть бути і по дві пружини клапанів з протилежними напрямками навивки, що запобігає виникненню резонансу і попаданню витків однієї пружини між витками другої.

Матеріал пружини - спеціальний пружинний дріт діаметром 3-5 мм із сталі 40, 45, 12ХНЗА, чавуну СП -4 Ф.

Для ущільнення стержня від просмоктування масла у циліндр застосовують ущільнювальні сальники, виготовлені з маслостійкої гуми. Для рівномірного спрацювання та неможливості прогоряння фасок у випускних клапанів застосовують обертовий пристрій, який має під тарілкою пружини конічну пластину, що опирається на чотири кульки, які дають можливість провертатися клапану зі швидкістю 60хв ^-1 .

Дата добавления: 2015-07-13