Устройство и принцип работы КШМ и ГРМ

КШМ предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движения коленвала.

блок цилиндров с картером

Блок цилиндров с картером из алюминиевого сплава, состоит из двух полублоков, расположенных под углом 90°. Стенки блока составляют водяную рубашку цилиндров. В нижней части стенок цилиндров выполнены гнезда под гильзы цилиндров. Гильзы вставные, мокрые из серого чугуна. В верхней части запрессованная втулка из специального чугуна, повышающая долговечность гильзы.

Поршни изготовлены из алюминиевого сплава. Для улучшения прирабатывания они покрыты слоем олова. Поршень состоит из днища, головки, юбки. В головке выполнены кольцевые проточки для поршневых колец. В юбке — отверстия для поршневого пальца, называется бобышками. Поршневые кольца: верхние — компрессионные, нижние — малосьемные, изготовлены из серого чугуна.

Поршневые пальцы: предназначены для сочленения поршня с шатуном, пальцы плавающего типа, стальные, от осевого перемещения удерживаются стопорными кольцами.

Шатун — передает усилие от поршня на коленчатый вал. Он стальной, двутаврового сечения. На одну шатунную шейку коленвала устанавливается два шатуна. В верхнюю головку шатуна вставляются бронзовые втулки с отверстием для смазки. Нижняя головка шатуна разъемная. Нижняя часть разъема, называется крышкой, присоединяется болтами. По всей длине шатуна выполнено отверстие для подачи масла к кольцу, а в нижней головке — отверстие для впрыскивания масла на стенки цилиндра.

Коленчатый вал воспринимает усилия от поршней и преобразует их в крутящий момент, который затем через маховик передается на агрегаты трансмиссии.

Коленвал пятиопорный, отлит из высокопрочного чугуна. Коренные и шатунные шейки полые. Вал имеет шесть противовесов и по всей длине имеет масляный канал с отверстиями в шейках. В передней части выполнены посадочные поверхности со шпоночными канавка­ми для шкива и распределительной шестерни.

На концах коленвала при его установке ставятся сальники. Задний конец заканчивается фланцем для крепления маховика. В торце заднего конца — расточка для подшипника пе­реднего конца первичного вала коробки передач.

Коренные и шатунные подшипники имеют тонкостенные вкладыши, изготовленные из стальной ленты, залитой антифризным слоем.

для вывода поршней из мертвых точек и создания плавного вращения коленвала;

является ведущим диском сцепления;

для запуска двигателя стартером;

для установки зажигания.

Маховик отлит из чугуна и крепится к фланцу коленвала. Отверстия для крепления расположены не симметрично. По периметру маховика зубчатый венец для привода от шестерни стартера. В обод маховика запрессован шарик для установки зажигания.

Картер отлит заодно с блоком цилиндров. В его ребрах крепятся коленчатый и распределительный валы.

В нижней части картера крепится поддон, который является резервуаром для масла. К блоку цилиндров крепятся различные приборы системы двигателя.

Газораспределительный механизм служит для своевременного впуска в цилиндры горючей смеси и удаления отработанных газов.

клапаны с деталями их крепления;

направляющие втулки клапанов;

Распределительный вал служит для своевременного открывания клапанов в порядке работы цилиндров. Он стальной, кованный вращается с пяти подшипниками, представляемые собой втулки из сталелистовой ленты.

На валу выполнены пять опорных шеек, шестнадцать кулачков, шестерня привода масляного насоса и прерывателя.

Толкатель заканчивается закаленной цилиндрической поверхностью, которая действует на стержень клапана. В короткое плечо ввертывается регулировочный болт, который стопорится гайкой.

Клапаны изготовлены из жаропрочной стали (рассказать и показать крепление клапана). Направляющие втулки клапанов изготовлены из металлокерамики.

Седла клапанов изготовлены из специального чугуна, рабочая фаска под углом 45°.

Зазор между стержнем клапана и коромыслом нормальный 0,29 — 0,3 — на холостом ходу.

Распределительные шестерни , детали ГРМ приводятся в действие парой распределительных шестеренок. Ведущая чугунная, насажена на коленчатый вал и ведомая текстолитовая, насажена на распределительный вал. Для установки шестерен на них имеются метки.

Уход за механизмами:

При КО: запустить двигатели и проверить работу (прослушав) на всех режимах работу КИП.

При ЕТО: очистить двигатели, проверить работу на всех режимах, работу КИП. Услышав стук клапанов, произвести регулировку.

При ТО-1 и ТО-2: Выполнить работы ЕТО. Провести затяжку гаек шпилек головки блока. Подтягивать на холодном двигателе.

Кривошипно-шатурный и газораспределительный механизмы ДВС. Классификация КШМ и ГРМ. Общее устройство и принцип работы.

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) представляет собой важный механизм автомобильного двигателя, который преобразовывает поступательные движения поршневой системы во вращательное движение коленчатого вала двигателя, от которого, в свою очередь, это движение передается на колеса автомобиля, что и приводит машину в движение.

Под давлением газов, которые образуются в цилиндрах двигателя при сгорании топливно-воздушной смеси, поршень совершает поступательное движение по направлению к коленчатому валу. Важные детали механизма, а именно: поршень, шатун и вал помогают преобразовывать движения поступательного характера в движения вращательного, что в свою очередь запускает вращение колес автомобиля. В обратном порядке взаимодействие вала и поршня выглядит следующим образом: вал при вращательном движении через детали механизма – вал, шатун и поршень, преобразовывает энергию в поступательное поршневое движение.
Как устроен кривошипно-шатунный механизм

Общее устройство:

КШМ состоит из 2-х групп деталей: неподвижных и подвижных.

К неподвижным деталям относятся:

— блок-картер; головки блока-картера; гильзы цилиндров; крышка распределительных шестерен; смазочная емкость; крышки головки блока; картер маховика; крышки коренных подшипников коленчатого вала; вкладыши коренных подшипников; детали крепления и уплотнения.

К подвижным деталям относятся:

— поршни; поршневые кольца; поршневые пальцы; шатуны; коленчатый вал; маховик.

Поршень воспринимает давление газов, передает его через поршневой палец на шатун, а также осуществляет вспомогательные такты.

Компрессионные кольца уплотняют газовый стык между поршнем и стенкой цилиндра и предотвращают утечку рабочего тела.

Маслосъемные кольца удаляют излишки масла со стенок цилиндра в картер.

Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с шатуном и передачи усилия от поршня к шатуну.

Шатун служит для передачи усилия от поршневого пальца на коленчатый вал.

Коленчатый вал воспринимает усилие от шатуна и преобразует его в крутящий момент.

Маховик предназначен для уменьшения неравномерности вращения коленчатого вала, а также для вывода поршней из мертвых точек благодаря накопленной кинетической энергии во время такта рабочего хода. Кроме того, маховик облегчает работу двигателя при разгоне и преодолении кратковременных перегрузок.

Классификация КШМ:

В двигателях внутреннего сгорания автомобильной техники используются три типа кривошипно-шатунного механизма:

— центральный (аксиальный) КШМ, у которого оси цилиндра и поршневого пальца пересекаются с осью коленчатого вала (КамАЗ-740.10, ЯМЗ-238В);

— смещенный (дезаксиальный) КШМ, у которого ось цилиндра не пересекает ось коленчатого вала (ГАЗ-51), или ось поршневого пальца смещена относительно оси цилиндра (ЗИЛ-5081.10, ЗМЗ-66-06 и ЗМЗ-513);

— с прицепным шатуном КШМ, у которого прицепной шатун соединен пальцем с главным шатуном в его кривошипной головке (В-46-2С1, Д12А-525А).

Газораспределительный механизм (ГРМ) — механизм управления фазами газораспределения двигателя внутреннего сгорания.

Состоит из распределительного вала — или нескольких валов — и механизмов привода к ним, клапанов, открывающих и закрывающих впускные и выпускные отверстия в камерах сгорания, и передаточных звеньев — толкателей, штанг, коромысел и некоторых вспомогательных деталей (регулировочных элементов, клапанных пружин, системы поворота клапанов и проч.)

Система привода распределительного вала в любом случае обеспечивает его вращение с угловой скоростью, равной 1/2 угловой скорости коленвала.

Классифицирующими признаками для конструкции газораспределительного механизма являются расположение клапанов и распределительного вала.

По расположению клапанов выделяют двигатели:

· Нижнеклапанные (с боковым расположением клапанов);

· Верхнеклапанные (в старой литературе — «с подвесными клапанами»);

· Со смешанным расположением клапанов.

По расположению распределительного вала выделяют двигатели:

· С распредвалом, расположенным в блоке цилиндров (Cam-in-Block);

· С распредвалом, расположенным в головке блока цилиндров (Cam-in-Head);

· Без распределительного вала.

Конструкция га­зо­расп­ре­де­ли­тель­но­го механизма отвечает за плановое и поочередное открытие-закрытие впуск­ных и выпускных клапанов каждого цилиндра, обеспечивая своевременную подачу рабочей смеси в цилиндр и выпуск из него отработавших газов.

Поршень, двигаясь от ВМТ к НМТ, в первом такте создает разряжение воздуха, за счет чего в цилиндр поступает топливо или уже готовая рабочая смесь. Происходит это через своевременно открывающийся впускной клапан, который также своевременно при достижении поршня НМТ — зак­ры­ва­ет­ся. Затем в цилиндре идет такт сжатия, а следом сам рабочий ход, преобразующий энергию горения в механическую энергию, позволяющую проворачивать коленчатый вал и зас­тав­лять в конечном итоге двигаться автомобиль через цепочку деталей и узлов. Зак­лю­чи­тель­ный такт — выпуск, когда при движении поршня из НМТ к ВМТ открывается выпускной клапан и все газы под давлением поршня, за счет уменьшения пространства в цилиндре, выдавливаются через выпускные каналы и глушитель в атмосферу. Все вот это и обес­пе­чи­ва­ет ГРМ.

Главным составляющим здесь являются не столько впускные и выпускные клапаны, сколько распределительный вал, заставляющий их поочередно работать, который, в свою очередь, полностью зависит от вращения коленчатого вала — иначе процесс получения энергии не выйдет. Рассмотрим устройство ГРМ двигателя детальнее.

Коленчатый вал имеет на конце жестко закрепленную шестеренку. Энергия вращения коленвала передается через эту шестеренку посредством ременной передачи на рас­пре­де­ли­тель­ный вал, имеющий подобное зубчатое колесо на конце, которое заставляет вращаться вал. На вале есть выступы, так называемые «кулачки». Именно этими кулачками вал, вращаясь, воздействует поочередно на клапаны, заставляя те своевременно открываться и закрываться. А за счет встроенных пружин у каждого клапана, они всегда возвращаются в исходное положение. Конструкция распределительного вала выполнена таким образом, что каждый клапан в каждом цилиндре открывается и закрывается именно в тот момент, когда этого требует нужный такт, происходящий в каждом отдельном цилиндре.

Классический вариант расположения распределительного вала в верхней части дви­га­те­ля получил название ГРМ с «верхним расположением распределительного вала», который мы и видим на рисунке.

Для ГРМ предусмотрен ряд регулировок, настройка которых обеспечивает надежную работу двигателя автомобиля в целом, но на данном этапе целью ставилось понять сам принцип работы ГРМ и его важные составляющие в процессе получения механической энергии. Все особенности и нюансы устройства ГРМ, как и любого другого механизма, рассмотрим при детальном изучении.

При рассмотрении работы ГРМ необходимо выделить два этапа: порядок работы цилиндров двигателя и фазы газораспределения.

Порядок работы цилиндров

Порядок чередования одноименных тактов в разных цилиндрах называется порядком работы цилиндров силового агрегата. Порядок работы зависит от положения шеек ку­лач­ко­во­го и коленчатого распределительных валов и расположения цилиндров.

У четырехцилиндрового однорядного четырехтактного мотора такты чередуются через 180°, порядок работы может быть 1-2-4-3 («Волга) или 1-3-4-2 (ВАЗ – 2106, «Москвич–2140»).

Под фазами газораспределения подразумевают начальные моменты открытия и конечные моменты закрытия клапанов, которые выражены в градусах угла поворота коленвала относительно мертвых точек. Чтобы цилиндры лучше очищались от от­ра­бо­тав­ших газов, выпускному клапану необходимо открываться до достижения поршнем НМТ, а процесс закрытия должен происходить после ВМТ. С целью лучшей наполненности цилиндров смесью впускному клапану необходимо открываться до достижения поршнем ВМТ, а свое закрытие выполнять после прохождения НМТ. Временной отрезок, в течение которого оба клапана одновременно открыты (выпускной и впускной), называют пе­рек­ры­ти­ем клапанов.

Фазы газораспределения подбираются специалистами на заводах опытным путем в зависимости от конструкции впускной и выпускной системы двигателя и его быст­ро­ход­нос­ти. При этом стремятся применять колебательное движение газов в выпускной и впускной системах таким образом, чтобы к конечному положению закрытия впускного клапана перед ним образовалась бы волна давления, а к конечному этапу закрытия выпускного клапана за ним бы формировалась волна разрежения. При данном подборе фаз газораспределения одновременно удается улучшить наполнение цилиндров свежей смесью, а также более качественней их очистить от отработавших газов.

Правильность монтажа механизма ВМТ газораспределения устанавливается за­цеп­ле­ни­ем распределительных шестерен с присутствующими метками на них. Отклонение при монтаже фаз газораспределения хотя бы на три зуба звездочки или шестерни распредвала приводит к значительному удару клапана о поршень, потери компрессии, поломке клапана или мотора. Постоянство фаз газораспределения сохраняется только при соблюдении в клапанном механизме теплового зазора. Увеличение зазора способствует уменьшению про­дол­жи­тель­нос­ти открытия клапана.

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.

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.