Что такое кривошипно-шатунный механизм и как он работает

Что такое кривошипно-шатунный механизм? Он превращает прямолинейное перемещение во вращательное движение, и наоборот. Основные части кривошип, шатун, ползун и стойка присутствуют во всех видах и типах этих механизмов.

Схематический пример кривошипно-шатунного механизма (КШМ)

Некоторые люди затрудняются сразу запомнить части устройства. Начинать надо с шатуна. Он шатается. Кривошип вращается. Ползун ползает туда-сюда. Стойка – ось вокруг которой вращается кривошип. Ползун образует со стойкой возвратно-поступательную кинематическую пару.

Ведущими частями могут быть как кривошип, так и ползун. Если электродвигатель вращает кривошип, то ползун — ведомая часть, что-то толкает, или тянет туда-сюда. И наоборот, если ползун какая-то сила толкает взад-вперед, то кривошип является ведомым.

Основные части КШМ

Разберем КШМ у которого ведущим является ползун. Здесь прямолинейное циклическое(вперед-назад) перемещение поршня трансформируется во вращение коленчатого вала. Наиболее распространенный механизм данного типа – двигатель, работающий на бензине или солярке. Проще говоря мотор автомобиля, теплохода, генератора, мотоцикла.

Кривошипно-шатунный механизм мотора

Составные части КШМ разделяются на движущиеся и не движущиеся.

Движущиеся детали КШМ

Поршень с пальцами крепления к шатуну, шатун, коленвал(кривошип) с подшипниками, маховик.

Движущиеся части КШМ

Поршень(ползун) движется под напором газов, горящей смеси бензина и воздуха в карбюраторных двигателях или воспламенении солярки в дизельных. Это движение через поршневой палец и шатун переходит на коленвал. Делают его из алюминиевого сплава. Поршни дизельного двигателя конструктивно отличаются от поршней карбюраторного. В основном различается форма днища.

Поршневые кольца уменьшают зазор между цилиндром и поршнем. Кольца эти свободно находятся в пазах поршня. Их толщина меньше ширины паза. Они сделаны из чугуна и разрезаны в одном месте. Упругие, их диаметр чуть больше диаметра поршня. Под действием пружинящей силы, кольца, находясь в пазах поршня, прижимаются к цилиндру, тем самым уменьшая зазор пары.

Устройство поршня

Маслосъемные поршневые кольца убирают излишки машинного масла с поверхности цилиндра. Поэтому оно не проникает в камеру воспламенения.

Поршневой палец совмещает поршень и шатун. С небольшим технологическим зазором он проходит в отверстие шатуна и в бобышки поршня. В бобышках палец фиксируется специальными стопорными колечками, которые вставляют в технологические бороздки.

Шатун промежуточное звено между поршнем и коленвалом. Один его конец движется туда-сюда прямолинейно, а другой вращается. В целом шатун движется по сложной траектории, с большими переменными ускорениями. Поэтому на него попадает большая знакопеременная нагрузка. Эту ответственную деталь КШМ делают из легированной стали.

Составные части шатуна

Коленчатый вал (кривошип) делают из стали или чугуна. Он цикличное (туда-сюда) прямолинейное движение поршня трансформирует во вращение вала. Преобразует энергию горящего топлива в цилиндре во вращающее усилие на валу коробки передач автомобиля. Далее через ряд элементов трансмиссии механическая энергия передается на ведущие колеса машины.

Поверхности шеек обработаны высокочастотными токами и отшлифованы. Их количество и расположение соответствуют количеству и расположению цилиндров. Правая часть вала изготовлена в виде фланца к которому крепится маховик. На левую часть ставится ременной шкив и звездочка распределительного вала.

Маховик чугунный диск большой массы. Благодаря этому двигатель пускается и работает равномерно, без рывков. Маховик присоединяется к коленвалу асимметрично расположенными болтами. Этим достигается балансировка системы: коленчатый вал – маховик. На обод маховика устанавливается зубчатое колесо для зацепления с бендиксом стартера.

Газораспределительный механизм

Распределительный вал должен быть синхронизирован с коленчатым валом. Чтобы совпадали фазы сгорания топлива и движение клапанов. Для этого эти валы соединены между собой зубчатым ремнем. Такой ремень не проскальзывает, поэтому сохраняет жесткую связь с маховиком, а значит и с коленчатым валом. Тем самым сохраняется синхронизация двух валов: коленчатого и распределительного, что является основой нормальной функционирования мотора.

Газораспределительный механизм

Не движущиеся части КШМ

Не движущиеся части КШМ: блок цилиндров, головка блока цилиндров и прокладки между блоками.

Не движущиеся части КШМ

Блок цилиндров — базовая деталь КШМ поршневого ДВС. В нем находятся посадочные отверстия для установки коленчатого вала. Он является остовом двигателя, в котором различными способами монтируются остальные его агрегаты и узлы.

Блок цилиндров подвергается большим температурным нагрузкам до 2000 °С. Различные места блока нагреваются по-разному. В результате по-разному деформируются. Что приводит к большим температурным усилиям, которые вкупе с большим давлением (до 11 МПа) создают большие разрывающие усилия. Поэтому изготавливают блоки цилиндров из высокопрочного чугуна и из алюминиевых сплавов.

Наиболее используемым металлом для производства блока цилиндров является чугун, так как он обладает оптимальным соотношением цена-качество. Высокая прочность и низкая стоимость.

Алюминий обладает большим коэффициентом теплового расширения, что создает проблемы. Кроме того, относительно низкие механические качества тоже ограничивают применение его в производстве блока цилиндров.

Внутри блока имеются каналы для подвода масла к трущимся частям. Также делают каналы для жидкости, которая охлаждает блок.

Головка цилиндров является не менее важной деталью. Она также трудится в условиях большого жара — до 2500 ° С. Причем нагрев различных частей неравномерный. С одной стороны, деталь омывается охлаждающей жидкостью, с другой нагревается, что вызывает большие деформации.

Главное требование к головке цилиндров — прочность, достаточная для сопротивления разрывающим силам, противостоящая деформации от механических воздействий и изгибающих температурных напряжений.

Головки цилиндров делают из высокопрочного чугуна, а также из алюминиевого сплава. Выбор металла зависит от типа мотора. Карбюраторные нуждаются в быстром отводе тепла, так как в них сжимается горючая смесь. Поэтому для них головки цилиндров производят их алюминиевого сплава. Дизеля сжимают воздух. Для них головки цилиндров делают из чугуна.

Видео: принцип работы КШМ

Видео: устройство работы кривошипно-шатунного механизма

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.