Кривошипно-шатунный механизм

Данная статья является вводной теорией к занятию по робототехнике «Кривошипно-шатунный механизм из Lego EV3″

Первые упоминания об использовании кривошипно-шатунного механизма можно отнести ко временам Древнего Рима (примерно III век н.э.).

Машина для распиливания каменных блоков передавала вращение от водяного колеса с помощью зубчатой передачи на кривошипно-шатунный механизм, который преобразовывал вращательное движение в возвратно-поступательное движение полотна пилы. Также такие устройства могли использоваться на древних лесопилках.

Схема водяного древнеримского распиловочного станка с КШМ

Большого распространения такие машины не получили – деревянные части из-за большого количества трущихся деталей быстро изнашивались и требовали частого ремонта, а рабский труд был намного дешевле и не требовал большой квалификации рабочих.

В XVI веке кривошипно-шатунный механизм появился на деревянных самопрялках. Самопрялка – это ручной станок для прядения нити из шерсти, состоящий из двух катушек. В самопрялке для скручивания нити использовался принцип ременной передачи. Раньше большую катушку приходилось раскручивать рукой. К самопрялке добавили педаль.

Нажимая ногой на педаль, работник смог раскручивать катушку без использования рук. Этот механизм упростил работу и позволил за то же время производить больше пряжи.

В данном устройстве возвратно-поступательное движение педали передавалось через деревянный шатун на кривошип и преобразовывалось во вращательное движение большой катушки (шкива).

Самопрялка с педалью и КШМ позволяла освободить руки и сделать работу более производительной

Начиная с начала XVIII века большую популярность среди изобретателей и ученых начинают получать паровые машины. Первый паровой двигатель для водяного насоса построил в 1705 году английский изобретатель Томас Ньюкомен для выкачивания воды из глубоких шахт.

Позднее устройство парового двигателя было усовершенствовано шотландским инженером и механиком Джеймсом Уаттом (1736-1819). Кстати, именно Джеймс Уатт ввел в оборот термин «лошадиная сила», а его именем назвали единицу мощности Ватт.

Паровая машина Уатта получила сложную систему связанных тяг, а планетарная зубчатая передача преобразовывала возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение маховика (большого тяжелого колеса). Данная паровая машина стала универсальной, так как в отличие от машины Ньюкомена поршень имел рабочий ход в обе стороны.

Машина Уатта получила широкое распространение на ткацких фабриках, в металлургии, при строительстве первых паровозов для железных дорог XVIII века.

Паровая машина Джеймса Уатта. Вместо кривошипа — сложная планетарная зубчатая передача Шотландский изобретатель Джеймс Уатт (James Watt)

Нужно сказать, что паровыми машинами занимались в те времена очень многие изобретатели. Так, в Российской Империи свою двухцилиндровую паровую машину изобрел инженер Иван Иванович Ползунов (1728-1766).

В XIX веке паровую машину Уатта упростили, заменив сложный планетарный механизм на кривошипно-шатунный механизм.

Паровая машина с кривошипно-шатунным механизмом Схема паровой машины с кривошипно-шатунным механизмом

Паровая машина с КШМ нашла широкое применение при строительстве первых автомобилей на паровой тяге и паровозов, перевозящих грузы по железной дороге.

Паровоз

До этого мы рассматривали использование кривошипно-шатунного механизма в паровых двигателях. В паровом двигателе топливо сгорает в печи (вне цилиндра) и нагревает водяной котел, и уже водяной пар в цилиндре толкает поршень.

В двигателе внутреннего сгорания топливная смесь (воздух + газ, или воздух + бензин и т.д.) поджигается внутри цилиндра и продукты горения толкают поршень. Сокращенно такие двигатели называют ДВС.

Первый одноцилиндровый ДВС на газовом топливе построил в 1860 году в Париже французский изобретатель Жан Ленуар.

Двигатель внутреннего сгорания Жана Ленуара (внешне очень похож на паровую машину)

Однако широкое применение двигатели внутреннего сгорания нашли в конце XIX века после получения керосина и бензина из нефти. Появление жидкого топлива позволило создать экономичные двигатели небольшой массы, которые можно было использовать для привода транспортных машин.

В 1881-1885 гг. российский изобретатель Огнеслав Костович сконструировал и построил в России восьмицилиндровый двигатель мощностью 59 кВт.

Двигатель внутреннего сгорания Огнеслава Костовича

В 1897 г. немецким инженером Рудольфом Дизелем был спроектирован и построен первый двигатель с воспламенением от сжатия. Это был компрессорный двигатель, работающий на керосине, впрыскиваемом в цилиндр при помощи сжатого воздуха.

Рудольф Дизель и его двигатель внутреннего сгорания

Все эти ДВС имели схожие черты и использовали кривошипно-шатунный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленвала.

Давайте посмотрим на схему устройства современного двигателя внутреннего сгорания.

Схема кривошипно-шатунного механизма в двигателе внутреннего сгорания

• Общие определения:
• Поршень совершает возвратно-поступательное движение вдоль цилиндра – он ходит вверх и вниз.
• Шатун – деталь, связывающая кривошип и поршень.
• Кривошип – условная деталь, которая связывает шатун с коленвалом.
• Противовес снижает вибрации при вращении коленвала.  
• Блок цилиндров – корпус, в котором находятся цилиндры двигателя.
• Поршневой палец – цилиндрическая деталь, ось вращения шатуна относительно поршня.
• Коленвал (коленчатый вал) – ось вращения ступенчатой формы.
• Верхняя мертвая точка – крайнее верхнее положение поршня, где меняется направление его движения.
• Нижняя мертвая точка — крайнее нижнее положение поршня, где меняется направление его движения.

Ход поршня — расстояние между крайними положениями поршня. Равно удвоенному радиусу кривошипа.

Блок цилиндров, поршень с шатуном и коленвал

Видео:

Литература:

1. КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА КРИВОШИПНОШАТУННОГО МЕХАНИЗМА ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 

Маятник Капицы

Обычный маятник, если перевернуть его кверху ногами, неустойчив. Для него крайне трудно найти верхнюю точку равновесия. Но если совершать быстрые вертикальные возвратно-поступательные колебания, то положение такого маятника становится устойчивым.

Петр Леонидович Капица

Советский академик и нобелевский лауреат по физике Петр Леонидович Капица (1894 — 1984) использовал модель маятника с вибрирующим подвесом для построения новой теории, которая описывала эффекты стабилизации тел или частиц.

Работа Капицы по стабилизации маятника была опубликована в 1951 году, а сама модель получила название «маятник Капицы». Более того, было открыто новое направление в физике — вибрационная механика.

Данная модель позволила наглядно показать возможности высокочастотной электромагнитной стабилизации пучка заряженных частиц в ускорителях.

Владимир Игоревич Арнольд

Другой советский математик и академик Владимир Игоревич Арнольд (1937-2010), который был заместителем Капицы, вспоминал его слова:

«Он (Капица — примечание) сказал: «Вот смотрите — когда придумывается какая-то физическая теория, то прежде всего надо сделать маленький какой-нибудь прибор, на котором его наглядно можно было-бы продемонстрировать кому угодно.

Например, Будкер и Векслер хотят делать ускорители на очень сложной системе. Но я посмотрел, что уравнения, которые говорят об устойчивости этого пучка, означают, что если маятник перевернут кверху ногами, он обычно неустойчив, падает.

Но если точка подвеса совершает быстрые вертикальные колебания, то он становится устойчивым. В то время как ускоритель стоит много миллионов, а этот маятник можно очень легко сделать. Я его сделал на базе швейной электрической машинки, он вот здесь стоит».

Он нас отвел в соседнюю комнату и показал этот стоящий  вертикально маятник на базе швейной машинки».

Демонстрация динамической стабилизации перевернутого маятника с помощью электробритвы

У математика Арнольда не было своей швейной машинки, и он огорчился. Но у него была электробритва «Нева», из которой и был собран перевернутый маятник. К сожалению, в первой конструкции маятник падал. Тогда Арнольд вывел формулу и увидел, что длина маятника не должна быть больше 12 сантиметров. Известный математик укоротил подвес до 11 сантиметров и все получилось.

Давайте посмотрим, какие силы действуют на «маятник Капицы». После прохождения верхней мертвой точки подвес маятника начинает тянуть грузик вниз. После прохождения нижней мертвой точки подвес толкает грузик вверх.

Так как углы вежду векторами сил в верхней и нижней точке разные, то сумма их векторов дает силу, направленную к оси вертикальных колебаний маятника.

Если эта сила больше силы тяжести, то верхнее положение маятника становится устойчивым.

А эта формула описывает взаимосвязь частоты вибраций подвеса, амплитуды колебаний и длины жесткого подвеса.

Видео:

Кривошипно-шатунный механизм: назначение, устройство, принцип работы

Назначение кривошипно-шатунного механизма (КШМ) состоит в преобразовании возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение.

Цилиндро-поршневая группа двигателя (силовая часть) в процессе работы ДВС вырабатывает поступательное движение, а для обеспечения движения автомобиля требуется равномерное вращательное движение.

Для преобразования одного типа движения в другой с минимально возможными потерями используется кривошипно-шатунный механизм. КШМ получает и преобразовывает энергию для передачи другим узлам для дальнейшего использования.

Устройство

КШМ состоит из элементов, которые относятся к подвижной (непосредственно выполняющие работу) или неподвижной группе деталей.

Подвижная группа

В состав подвижной (рабочей) группы деталей КШМ входят:

• Поршень ― элемент, совершающий возвратно-поступательные движения в гильзе цилиндра под воздействием силы при сгорании воздушно-топливной смеси (выталкивание) или поворота коленчатого вала (возврат). Уплотнение зазора между поршнем и цилиндром на боковой поверхности элемента предусмотрены компрессионные и маслосъемные поршневые кольца. Кольца герметизируют зазор и минимизируют потерю мощности при сгорании топлива.

• Шатун ― соединительный элемент между поршнем и коленчатым валом. При помощи пальца шатун верхней головкой крепится к поршню. Наличие съемной части на нижней головке позволяет надевать шатун на шейку коленвала. В конструкции предусмотрены подшипники скольжения (шатунные вкладыши) в виде двух изогнутых полукругом пластин. Вкладыши служат для уменьшения трения между головкой шатуна и шейкой коленвала.

• Коленчатый вал ― центральная часть двигателя. Ось вращения коленвала служит его опорой в блоке цилиндров, одновременно являясь основной частью коленвала. Элементы детали, выступающие за ось вращения, предназначены для присоединения к шатунам. При движении шатуна вниз коленвал дает ему возможность нижней частью описывать окружность с одновременно с движением поршня. Опорные шейки коленвала лежат на подшипниках скольжения (вкладышах), как и шатуны.

• Маховик ― элемент, закрепленный к фланцу на торцевой стороне коленвала. Предназначен для раскручивания коленвала (и всей цилиндро-поршневой группы) для предотвращения остановки поршней в «мертвой точке», а также для частичного демпфирования неизбежных в любом двигателе рывковых нагрузок благодаря вращению маховика с валом двигателя. Двигатель расходует часть своей мощности на поддержку вращения маховика.

Неподвижная группа

В состав неподвижной группы входят элементы внешней части двигателя, в которой расположен кривошипно-шатунный механизм:

• Блок цилиндров (БЦ) ― базовая деталь ДВС с расположенными внутри цилиндрами, каналами системы охлаждения, посадочными местами распределительного и коленчатого валов. Сегодня производители отдают предпочтение сплавам алюминия для облегчения веса конструкции, хотя может использоваться и чугун. Избежать потери прочности конструкции позволяют ребра жесткости на алюминиевом блоке цилиндров. Такие ребра предусматривают вместо сплошного литья блока цилиндров. На боковых сторонах БЦ располагаются посадочные места для вспомогательных механизмов ДВС.

• Головка блока цилиндров (ГБЦ) ― элемент, закрывающий блок цилиндров сверху. В головке блока предусмотрены отверстия для клапанов, впускного и выпускного коллекторов, крепления распределительного вала (в зависимости от конструкции одного или больше), крепления для других элементов ДВС. Для герметизации стыка между блоком цилиндров и головкой предусмотрена прокладка (пластина). В ГБЦ предусмотрены отверстия для крепежных болтов. Сверху головки блока устанавливается клапанная крышка. Крышкой закрывают ГБЦ после сборки и установки двигателя, готового к запуску. С помощью прокладки клапанной крышки (тонкой пластины) герметизируют стык между крышкой и ГБЦ.

Принцип работы

При сгорании воздушно-топливной смеси образуется энергия расширения в виде микровзрывов. Эту энергию механизмы двигателя преобразовывают во вращательное движение, заставляющее автомобиль двигаться.

Принцип работы КШМ можно описать так:

• В цилиндры двигателя поступает смесь топлива и воздуха, где под давлением мгновенно сгорает (микровзрыв). Образующуюся при этом энергия сгорания заставляет двигаться поршень вниз.
• Происходит прямолинейное и резкое движение поршня из верхней точки в момент начала горения топливной смеси в нижнюю.
• Поршень толкает шатун, одетый на шейку коленвала. Соединение шатуна с поршнем и коленчатым валом предусмотрено в одной плоскости. Поршень благодаря подвижному соединению передает импульс через шатун на коленвал. Передача импульса происходит по касательной, заставляя вал делать поворот.
• Возвратно-поступательное движение всех поршней трансформируется во вращение коленчатого вала.
• Маховик добавляет импульс вращению при нахождении поршня в «мертвой точке».

Для запуска двигателя необходима предварительная раскрутка маховика. С этой задачей справляется сцепленный с зубчатым венцом маховика стартер. Происходит раскрутка маховика до момента запуска двигателя.

Для обеспечения работы кривошипно-шатунного механизма необходимы другие детали и узлы двигателя, включая клапаны, распределительные валы, толкатели, системы смазки и охлаждения, газораспределительный механизм.

Устройство и принцип работы кривошипно-шатунного механизма двигателя

Кривошипно-шатунный механизм двигателя преобразует возвратно-поступательное движение поршней (от энергии сгорания топливной смеси) во вращательное движение коленчатого вала и наоборот. Это технически сложный механизм, составляющий основу ДВС. В статье подробно рассмотрим устройство и особенности работы КШМ.

Краткая история возникновения

Первые свидетельства о применении кривошипа найдены ещё в III веке нашей эры, в Римской Империи и Византии в VI веке нашей эры. Ярким примером является пилорама из Иераполиса, на которой был применен коленчатый вал.

Металлический кривошип был найден в римском городе Августа-Раурика на территории современной Швейцарии.

Как бы то ни было, запатентовал изобретение некий Джеймс Пакард в 1780 году, хотя свидетельства его изобретения были найдены еще в древности.

Кривошипно-шатунный механизм двигателя

Подвижные и неподвижные части КШМ

Составные части КШМ условно делят на подвижные и неподвижные компоненты. К подвижным частям относятся:

• поршни и поршневые кольца;
• шатуны;
• поршневые пальцы;
• коленчатый вал;
• маховик.

Неподвижные части КШМ выполняют функцию основы, крепежей и направляющих. К ним относятся:

• блок цилиндров;
• головка блока цилиндров;
• картер;
• поддон картера;
• крепежные детали и подшипники.

Картер и поддон картера двигателя

Картер – это нижняя часть двигателя, где располагаются опоры и каналы смазочной системы для коленчатого вала. В картере происходит движение шатунов и вращение коленвала. Поддон картера представляет собой резервуар с моторным маслом.

Основа картера в работе подвергается постоянным тепловым и силовым нагрузкам. Поэтому для этой детали предъявляются особые требования по прочности и жесткости. Для его изготовления используют алюминиевые сплавы или чугун.

Неподвижные части КШМ

Картер двигателя крепится к блоку цилиндров. Вместе они составляют остов двигателя, основную часть его корпуса. В блоке располагаются непосредственно сами цилиндры. Сверху крепится головка блока ДВС. Вокруг цилиндров имеются полости для жидкостного охлаждения.

Расположение и число цилиндров

На сегодняшний день существуют следующие наиболее популярные схемы:

• рядное четырех- или шестицилиндровое положение;
• V-образное шестицилиндровое положение под углом 90°;
• VR-образное положение под меньшим углом;
• оппозитное положение (поршни двигаются навстречу друг другу с разных сторон);
• W-образное положение с 12 цилиндрами.

В простом рядном расположении цилиндры и поршни расположены в ряд перпендикулярно коленчатому валу. Такая схема наиболее простая и надежная.

Головка блока цилиндров

К блоку с помощью шпилек или болтов крепится головка блока цилиндров. Она накрывает цилиндры с поршнями сверху, образуя герметичную полость – камеру сгорания. Между блоком и головкой предусмотрена прокладка. Также в ГБЦ располагаются клапанный механизм и свечи зажигания.

Цилиндры

В цилиндрах двигателя непосредственно происходит движение поршней. От хода поршня и его длины зависит их размер. Цилиндры работают в условиях меняющегося давления и высоких температур.

Во время работы стенки подвергаются непрерывному трению и температурам до 2500°C. К материалам и обработке цилиндров также предъявляются особые требования. Они изготавливаются из легированного чугуна, стали или алюминиевых сплавов.

Поверхность деталей должна быть не только прочной, но и легко подвергаться обработке.

https://www.youtube.com/watch?v=Dz1qDgKe4fA\u0026pp=ygU20JrRgNC40LLQvtGI0LjQv9C90L4t0YjQsNGC0YPQvdC90YvQuSDQvNC10YXQsNC90LjQt9C8

Внешнюю рабочую поверхность называют зеркалом. Ее покрывают хромом и полируют до зеркальной поверхности, чтобы максимально снизить трение в условиях ограниченной смазки. Цилиндры отливаются вместе с блоком (цельные) или изготавливаются в виде съемных гильз.

Кривошипно-шатунный механизм

Основными рабочими компонентами КШМ являются коленчатый вал, поршни с шатунами и маховик.

Поршень

Движение поршня в цилиндре происходит в результате сгорания топливовоздушной смеси. Возникает давление, которое воздействует на днище поршня. В разных типах двигателей оно может отличаться по своей форме.

В бензиновых изначально днище было плоским, затем стали применять вогнутые конструкции с проточками под клапаны. В дизельных моторах в камере сгорания сжимается изначально не топливо, а воздух.

Поэтому днище поршня имеет также вогнутую форму, которая и образует камеру сгорания.

Форма днища имеет большое значение для формирования правильного факела сгорания топливовоздушной смеси.

Остальная часть поршня называется юбкой. Это своего рода направляющая, которая движется в цилиндре. Нижняя часть поршня или юбки сделана так, чтобы она не соприкасалась с шатуном во время его движения.

Поршень и его элементы

На боковой поверхности поршней выполнены канавки или проточки под поршневые кольца. Сверху располагаются два или три компрессионных кольца.

Они необходимы для создания компрессии, то есть препятствуют проникновению газов между стенками цилиндра и поршнем. Кольца прижимаются к зеркалу, уменьшая зазор. Снизу расположен паз под маслосъёмное кольцо.

Оно необходимо для снятия излишков масла со стенок цилиндра, чтобы то не проникало в камеру сгорания.

Поршневые кольца, особенно компрессионные, работают при постоянных нагрузках и высокой температуре. Для их изготовления применяется высокопрочные материалы типа легированного чугуна, который покрывают пористым хромом.

Поршневой палец и шатун

Шатун крепится к поршню при помощи поршневого пальца. Он представляет собой цельную или полую деталь цилиндрической формы. Палец устанавливается в отверстие в поршне и в верхней головке шатуна.

Существуют два типа крепления пальца:

• с фиксированной посадкой;
• с плавающей посадкой.

Наиболее распространен так называемый «плавающий палец». Для его фиксации используются стопорные кольца. Фиксированный палец устанавливается с натягом. Как правило, используется тепловая посадка.

Шатун двигателя

Шатун, в свою очередь, соединяет коленчатый вал и поршень и создает вращательные движения. При этом возвратно-поступательные движения шатуна описывают восьмерку. Он состоит из нескольких элементов:

• стержня или основы;
• поршневой головки (верхней);
• кривошипной головки (нижней).

Для уменьшения трения и смазки соприкасающихся деталей в поршневой головке запрессовывается бронзовая втулка. Кривошипная головка выполнена разборной, чтобы обеспечить возможность сборки механизма.

Детали точно подогнаны друг к другу и крепятся с помощью болтов и контргаек. Чтобы уменьшить трение, устанавливаются шатунные подшипники скольжения. Они выполнены в форме двух стальных вкладышей с замками. По масляным канавкам осуществляется подвод масла.

Подшипники с высокой точностью подогнаны под размер соединения.

Вопреки расхожему мнению, вкладыши удерживаются от проворота не за счет замков, а из-за возникающей силы трения между их внешней поверхностью и головкой шатуна. Поэтому при установке внешнюю часть подшипника скольжения нельзя смазывать маслом.

Коленчатый вал

Коленчатый вал является сложной по устройству и изготовлению деталью. Он принимает на себя крутящий момент, давление и другие нагрузки, поэтому выполнен из высокопрочной стали или чугуна. Коленвал передает вращение от поршней на трансмиссию и другие элементы автомобиля (например, приводной шкив).

Устройство коленчатого вала

Коленчатый вал состоит из нескольких основных элементов:

• коренные шейки;
• шатунные шейки;
• противовесы;
• щеки;
• хвостовик;
• фланец маховика.

Конструкция коленвала во многом будет зависеть от количества цилиндров в двигателе. В простом рядном четырехцилиндровом двигателе на коленчатом валу имеются четыре шатунных шейки, на которых устанавливаются шатуны с поршнями.

Пять коренных шеек расположены по центральной оси вала. Они устанавливаются в опоры блока цилиндров или картера на подшипники скольжения (вкладыши). Сверху коренные шейки закрываются крышками на болтах.

Соединение образует П-образную форму.

Специально обработанное место опоры под установку коренной шейки с вкладышем называется постелью.

Коренные и шатунные шейки соединены так называемыми щеками. Противовесы обеспечивают гашение излишних колебаний и обеспечивают равномерное движение коленчатого вала.

Устройство КШМ

Шейки коленвала термически обработаны и отполированы, что обеспечивает высокую прочность и точность посадки. Коленчатый вал также имеет очень точную балансировку и центровку для равномерного распределения всех действующих на него сил. В районе центральной коренной шейки, по бокам от опоры, устанавливаются упорные полукольца. Они необходимы для компенсации осевых перемещений.

На хвостовик коленвала крепятся шестерни (звездочки) привода ГРМ, а также приводной шкив навесного оборудования двигателя.

Маховик

На задней части вала имеется фланец, к которому крепится маховик. Это чугунная деталь, представляющая собой массивный диск.

 Благодаря своей массе маховик создает необходимую инерцию для работы КШМ, а также обеспечивает равномерную передачу крутящего момента на трансмиссию. На ободе маховика выполнен зубчатый венец для соединения с шестерней стартера.

Именно маховик раскручивает коленвал и приводит в движение поршни в момент запуска двигателя.

Кривошипно-шатунный механизм, конструкция и форма коленчатого вала долгие годы остаются неизменными. В основном происходят только небольшие конструктивные доработки, направленные на снижение веса, сил инерции и трения.

(4

Кривошипно-шатунный механизм автомобильного двигaтeля

Кривошипно-шатунный механизм (аббревиатура — КШМ) —комплекс движущихся и фиксированных на одном месте деталей.

Они необходимы для превращения возвратно-поступательных движений коленвала во вращательные. Гарантируют нормальную работу двигателя, но требуют контроля и устранения неисправностей. Ниже рассмотрим, из каких элементов состоит механизм, на каком принципе работает, и какие возможны поломки в процессе эксплуатации.

Назначение кривошипно-шатунного механизма (КШМ)

В итоге имеет место преобразование движения коленчатого вала (одного из главных устройств механизма) во вращение колес. Работа происходит с минимальными потерями, обеспечивающими высокий КПД. Эффективность работы коленвала зависит от эффективности конструкции и правильности обслуживания.

Из чего состоит КШМ

Конструктивно в состав КШМ входит блок цилиндров (БЦ), состоящий из поршней и цилиндров с гильзами. Также в состав входят шатуны для соединения поршней и коленчатых валов, сам коленвала и маховик. Условно устройство кривошипно-шатунного механизма предусматривает наличие двух групп элементов:

• Подвижные: поршни с кольцами и пальцами, коленвал, шатуны и маховик.
• Фиксированные: картер, головка блока цилиндров (ГБЦ), БЦ с прокладкой и поддон.

Ниже рассмотрим особенности, конструкцию и назначение элементов.

Подвижная группа КШМ

К этой категории относятся элементы КШМ, которые при работе механизма находятся в движении. Выделим основные:

• Поршень. После пуска силового агрегата перемещается внутри цилиндра, благодаря давлению газов, возникающему после воспламенения топливной смеси в камере сгорания. Снизу в роли действующей силы выступает коленчатый вал.
• Поршневые кольца. Размещены в специальных углублениях на поршнях и движутся вместе с ними. Компрессионные предназначены для обеспечения герметичности цилиндра и защиты от прохождения газов в нижнюю часть двигателя. Маслосъемные используются для равномерного распределения смазки и отвода тепла.
• Шатун. Подвижный элемент кривошипно-шатунного механизма двигателя, объединяющий поршень и коленчатый вал. Сверху он зафиксирован на поршне с применением так называемого пальца, а снизу на головке предусмотрена съемная деталь для фиксации на шейке коленвала. Для снижения трения монтируются подшипники скольжения, созданные в виде пары полукруглых пластин.
• Коленчатый вал. Главный элемент силового агрегата, обеспечивающий его работу. Базовой частью является вращающаяся ось, выступающая в качестве опоры в БЦ. Выделяющиеся элементы используются для подключения шатунов.
• Маховик. Фиксируется на фланце сбоку коленчатого вала. Вращается одновременно с валом силового агрегата и гасит рывки, возникающие в процессе работы. Главная функция узла состоит в раскрутке коленвала, а с ним и перемещение цилиндров.

Рассмотренные выше элементы находятся в постоянной динамике, поэтому требуют особого контроля при эксплуатации и ремонте.

Неподвижная группа

К этой категории относятся элементы КШМ двигателя, которые в процессе работы фиксированы и никак не перемещаются. Рассмотрим назначение основных:

• БЦ. Представляет собой кожух, имеющий внутри определенную форму для цилиндров и других рабочих элементов. В нем предусмотрено множество каналов для движения охлаждающей жидкости, крепления под распределительный и коленчатый валы. Бывает чугунным или алюминиевым. Отличается наличием ребер жесткости для повышения прочности. По бокам БЦ находятся места для установки дополнительных устройств.
• ГБЦ. Смонтирована на БЦ и закрывает его. Имеет отверстия для фиксации клапанов, коллекторов впуска и выпуска, распределительного вала и иных узлов силового агрегата. В нижней части головки установлена прокладка, обеспечивающая герметичный стык с БЦ. В ней имеются дырки для болтов, соединяющих главный блок и головку. В моторах послушного охлаждения ГБЦ может иметь реберную фактуру.
• Поддон картера. Закрывает двигатель с нижней стороны и выступает в роли емкости для смазки. Бывает стальным или алюминиевым (применяется сплав). Во внутренней части могут изготавливаться перегородки или лотки, которые предотвращают движение или взбалтывание смазки при перемещении транспортного средства по плохим дорогам. Вверху имеет крепления для фиксации к блок-картеру, а внизу — бобышку с резьбой и магнитной пробкой. Ее назначение состоит в удалении продуктов износа и продлении срока службы мотора.
• Цилиндры. Представляют собой полости, в которых перемещаются поршни и обеспечивают работу мотора. Изготавливаются из чугуна, а внутренняя часть закаляется и обрабатывается до состояния «зеркала». Вверху цилиндры получают набольшую нагрузку, ведь именно здесь происходит воспламенение с резким увеличением давления и нагрева. Также стенка цилиндра вынуждена выдерживать ударные нагрузки. 
• Гильзы. Устанавливаются в БЦ в виде фиксированного или съемного элемента. Первый вариант имеет цилиндрическую форму с необходимыми углублениями по диаметру и высоте. Съемные похожи по внешнему виду, но закрыты по бокам. Устанавливаются на специальном месте в БЦ. Снизу для обеспечения плотности применяются специальные кольца. Внутренняя часть гильзы обработана до блеска и имеет зеркальный внешний вид. Предусмотрено два или три «окна» для 2-х и 3-тактных моторов соответственно. В последнем случае отверстия используются для впуска, выхода и движения отработанных продуктов. 
• Коренные подшипники.Выполняются в виде вкладышей, изготовленных с применением ленты из стали. Их толщина может отличаться в зависимости от конструкции и типа мотора. Для дизельных силовых агрегатов это 3-6 мм, а для бензиновых — 1.9-2.8 м. Вкладыши делаются из алюминия или бронзы с добавлением свинца.

Принцип работы кривошипно-шатунного механизма

Рассмотренные выше узлы гарантируют работу кривошипно-шатунного механизма. Алгоритм действий имеет следующий вид:

• Включение зажигание и вращение стартера.
• Раскручиванием маховика, обеспечивающего начало вращения коленвала и поршней.
• Подача подготовленной смеси в камеру сгорания (над цилиндром).
• Воспламенение горючего в момент, когда поршень поднимается к наиболее высокой точке.
• Резкое опускание вниз цилиндра под действием возникшей силы.
• Давление на шатун, который соединен одной стороной с коленчатым валом, а другой — с поршнем.
• Передача импульса на вал, который проворачивается под действием усилия.

По рассмотренному выше принципу работают и другие цилиндры, что обеспечивает стабильное вращение коленчатого вала и передачу движения на колеса. Задача маховика состоит обеспечении требуемого импульса в момент, когда поршень находится в «мертвой» точке. Дальнейший процесс происходит по замкнутому циклу. 

Основные неисправности

Несмотря на надежность КШМ двигателя, его элементы могут выходить из строя. Причина —высокая температура и другие негативные факторы, способные ускорить поломку. В таких случаях остальные узлы также находятся под угрозой повреждения, что требует своевременного выявления и устранения неисправностей. Рассмотрим основные поломки, с которыми приходится сталкиваться в процессе эксплуатации.

1. Уменьшение мощности. Характерная неисправность КШМ — ухудшение динамики, которое часто свидетельствует о залегании колец на поршнях. В результате в камеру сгорания просачивается масло, а отработавшие газы — в картер. Такая ситуация ведет к снижению мощности, что сразу чувствуется в процессе движения.
2. Если ничего не предпринимать, ситуация может усугубиться, вплоть до необходимости капремонта. Для проверки нужно достать свечи и поочередно проверить компрессию в каждом из цилиндров. При ее снижении ниже допустимой нормы придется разбирать мотор и делать ремонт.
3. Появление стука. Для автовладельцев стук в двигателе — самая страшная неисправность, которая может свидетельствовать о серьезных проблемах. Для определения причины необходимо снимать ГБЦ и разбирать остальные элементы. Поврежденная деталь требует замены. Причиной неисправности может быть несвоевременное техническое обслуживание. Чаще всего это игнорирование требований по замене масла и фильтра. Появление стука может свидетельствовать о повреждении подшипников, которые боятся дефицита смазки.
4. Появление нагара. Распространенная проблема КШМ — накопление нагара на свечах, клапанах и поршнях. Указанные признаки свидетельствуют о неисправностях мотора и требуют обращения на СТО. Если ничего не предпринять, двигатель начинает перегреваться из-за ухудшения отвода тепла. Результатом перегрева могут быть более серьезные поломки.
5. Прожорливость смазки. Увеличение прожорливости масла свидетельствует о залегании поршневых колец или иных проблемах с ЦПГ. Масло сгорает с горючим, а из выхлопной трубы выходит дым черного цвета. Из-за попадания в рабочую камеру смазки возрастает и температура горения, что негативно влияет на ресурс силового агрегата. Для решения проблемы может требоваться очистка без снятия с мотора, но чаще всего необходима разборка и дефектовка силового агрегата.
6. Выхлоп белого цвета. Появление такого дыма из выхлопной трубы свидетельствует о повреждении прокладки ГБЦ или дефекте в системе охлаждения. Для решения вопроса необходимо сразу заменить неисправную деталь. Важно учесть, что появление протечки может привести к гидроудару и необходимости капитального ремонта мотора.

Причины выхода из строя деталей кривошипно-шатунного механизма различны. В большинстве случаев это касается применения низкокачественных ГСМ и несвоевременной замены, заливки плохого бензина или повреждения системы зажигания.

Нельзя исключать и такие факторы, как низкое качество масляных фильтров, повышенные нагрузки на мотор и сбои в работе системы охлаждения. Результатом может быть износ коренных / шатунных подшипников, поршней, цилиндров или поршневых пальцев. До диагностики и устранения неисправности поездки на ТС запрещены.

Заключение

КШМ — группа ключевых узлов двигателя, обеспечивающих движение транспортного средства. Элементы механизма взаимодействуют друг с другом для преобразования энергии, обеспечения вращения коленчатого вала и колес.

Неисправности любого из узлов почти сразу проявляют себя стуком, нестандартным цветом выхлопа и другими признаками. В таком случае нужно сразу обращаться на станцию техобслуживания для выявления и устранения проблемы.

Кривошипно-шатунный механизм, 3D анимация

Кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) предназначен для преобразования тепловой энергии давления сгоревших газов в механическую работу, т.е. создавая вращение коленчатого вала. Конструкция КШМ состоит из поршней с шатунами, которые соединены с коленчатым валом. Во время работы двигателя, поршни двигаются в гильзах цилиндров.

Принцип действия кривошипно-шатунного механизма

Давление газа, возникающее во время сгорания топлива, заставляет двигаться поршень по возвратно-поступательной траектории, передавая усилие на шатун.

По своей конструкции, поршень состоит из юбки и головки. Головка может быть выполнена различной формы: вогнутая, выпуклая, плоская. В ней также есть специальные канавки, в которые устанавливаются кольца. В настоящее время, на двигателях устанавливаются два различных типа колец.

Первые компрессионные, вторые — маслосъемные. Компрессионные кольца предотвращают попадание газов в картер. Маслосъемные кольца служат для удаления избытков масла со стенок цилиндров. В юбке поршня расположены две небольшие бобышки, к которым прикрепляется поршневой палец.

Он в свою очередь соединен с шатуном.

Для передачи усилия от поршня к коленчатому валу, на шатуне предусмотрены шарнирные соединения. Материалом для изготовления шатуна является высокопрочная сталь. Для автомобилей, предназначенных для гонок, шатуны изготавливаются из титанового сплава.

Конструкция шатуна представляет собой верхнюю, нижнюю головки и стержня. В верхней головке устанавливается поршневой палец. Он называется «плавающим». Нижняя головка — разборная, благодаря чему она крепиться к шейке коленчатого вала.

Поступающие усилия к коленчатому валу, заставляют его вращаться. Для изготовления этого элемента двигателя применяется сталь или чугун. В конструкцию коленчатого вала входят несколько элементов, среди которых шатунные и коренные рейки. Между собой они соединяются при помощи щеками.

Щеки выступают в роли уравновешивателя всего механизма. Шатунные и коренные рейки вращаются в скользящих подшипниках, выполненных из тонких металлических вкладышей. Во внутренней части шеек и щек, предусмотрены специальные отверстия, через которые под давлением закачивается масло.

На конце коленвала расположен маховик. В современных автомобилях часто устанавливаются двухмассовые маховики. Конструктивно они представляют собой два соединенных между собой диска. Запуск двигателя осуществляется благодаря вращению зубчатого венца маховика, благодаря передаче усилия от стартера.

Чтобы в двигателе не возникало крутильных колебаний, проявляюшихся чередующимися раскручиваниями и закручиваниями коленчатого вала, на обратной его стороне располагается гаситель колебаний. Конструктивно он представляет собой два металлических кольца, между которыми располагается вязкое масло или эластомер. Внешняя сторона гасителя соединена с ременным шкивом.

Вместе, шатун, гильза цилиндра и поршень образуют цилиндро-поршневую группу.  В зависимости от модели, в двигателе может быть от одного до шестнадцати цилиндров.

В зависимости от расположения цилиндров в двигателе, может быть несколько вариантов компоновочной схемы:

• Рядная. При таком расположении, оси цилиндров расположены на одной линии.
• V-образная — оси цилиндров расположены в двух плоскостях;
• Оппозитная (оси расположены на 180° по отношению к друг-другу;
• VR — оси расположены под незначительным углом к друг-другу;
• W-образная. В данном случае, предусмотрены две схемы VR, которые установлены с небольшим смещением на одном валу.

В зависимости от типа компоновочной системы, определяется уровень балансировки двигателя. Лучшим в этом плане, является двигатель, имеющий оппозитное расположение цилиндров. Хорошо сбалансирован и двигатель с четырехцилиндровой рядной системой. В V-образном двигателе, наилучшие показатели балансировки достигаются путем расположения цилиндров по отношению друг к другу под углами 120° и 60°.

Специально для снижения уровня возникающих во время работы двигателя вибраций, в масляном поддоне располагаются специальные балансировочные валы, непосредственно под коленчатым валом.

1. Кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный
механизм (КШМ) преобразует
возвратно-поступательное движение
поршня во вращательное движение
коленчатого вала. Детали КШМ участвуют
в совершении рабочего процесса и
воспринимают механические и тепловые
нагрузки.

Кривошипно-шатунный
механизм является основным рабочим
механизмом поршневого двигателя
внутреннего сгорания. На рис. 1.1 показаны
схемы кривошипно-шатунных механизмов,
применяемых в двигателях.

Тронковый
кривошипно-шатунный механизм
(рис. 1.1а) наиболее часто применяется в
двигателях простого действия.

Поступательное движение поршня
преобразуется во вращательное движение
коленчатого вала при помощи шатуна,
сочлененного шарнирно верхней головкой
с поршневым пальцем и нижней головкой
с шейкой колена вала. Рабочая полость
располагается над поршнем в цилиндре,
закрытом крышкой.

Крейцкопфный
кривошипно-шатунный механизм
изображен на рис. 1.1б. Поршень в данном
механизме соединяется с шатуном при
помощи жестко связанного с поршнем
штока и крейцкопфа, совершающих
поступательное движение.

При таком
сочленении поршень разгружается от
нормальной силы, так
как ее действие переносится на крейцкопф;
вследствие этого становится возможным
создание второй рабочей полости в
цилиндре под поршнем. При этом шток
должен проходить через нижнюю крышку
со специальным сальником, обеспечивающим
герметичность полости под поршнем.

Крейцкопфная система кривошипно-шатунного
механизма применяется в тихоходных
двигателях простого действия большой
мощности, а также в двигателях двойного
действия.

Тронковый
кривошипно-шатунный механизм двигателя
с V-образным расположением показан на
рис. 1.1в.

  

а б в

Рис. 1.1. Схемы
кривошипно-шатунных механизмов двигателей
внутреннего сгорания

На
автомобильных и тракторных двигателях
применяют центральные
(аксиальные)(рис.
1.2а), смещенные
(дезаксиальные) (рис.
1.2б) тронковые кривошипно-шатунные
механизмы.

В
центральном КШМ ось цилиндра пересекает
ось коленчатого вала. В дезаксиальном
КШМ ось цилиндра не пересекает ось
коленчатого вала, а смещена относительно
нее на некоторое расстояние е.
Смещение оси цилиндра уменьшает разницу
в давлениях на правую и левую стороны
цилиндра.

Во время рабочего хода давление
поршня на стенку цилиндра уменьшается,
а во время хода сжатия – увеличивается,
что в общем дает более равномерный износ
двигателя.

К преимуществам дизаксиального
механизма следует отнести меньшую
скорость поршня около верхней мертвой
точки (ВМТ), благодаря чему улучшается
процесс сгорания, который приближается
к условиям сгорания при постоянном
объеме. Величина смещения е обычно
откладывается в направлении вращения
коленчатого вала.

Для современных
двигателей относительное
смещение, или дезаксаж, –
отношение смещения е к
радиусу кривошипа r находится
в пределах 0.04–0.10. Наибольшее распространение
получил центральный КШМ, кинематический
и динамический анализ работы которого
рассматривается ниже.

  

а б

Рис.
1.2. Схемы
тронковых кривошипно-шатунных механизмов
двигателей внутреннего сгорания