Кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный механизм

 

Кривошипно-шатунный механизм преобра­зует силы действия газов сначала в посту­пательное движение поршней, а затем во вращательное движение коленчатого вала. Необходимыми для этого деталями являются поршни с поршневыми кольцами и поршне­выми пальцами, шатуны и коленчатый вал.

 

Поршень

 

Поршень принимает на себя воздействие расширяющихся в цилиндре и камере сго­рания газов, а затем передает получаемое усилие через поршневой палец на шатун. На поршне размещены поршневые коль­ца — компрессионные и маслосъемные. Первые предназначены для герметичного разделения цилиндров и картера двигателя. Благодаря компрессионным кольцам газы из цилиндров не попадают в картер. Мас­лосъемные кольца не пропускают масло со стенок цилиндра в цилиндр и камеру сго­рания. В некоторых поршнях в днище пред­усмотрены выемки характерной формы, способствующие улучшению смесеобразо­вания, а в днище поршня дизельного двига­теля зачастую расположена камера сгора­ния. В устаревших двухтактных двигателях на днище поршня имелся специальный вы­ступ — дефлектор, предназначавшийся для обеспечения продувки цилиндра. В обыч­ных двухтактных двигателях поршень управ­ляет продувкой цилиндра путем открытия и закрытия впускных и выпускных окон в цилиндре. Поршень должен иметь незна­чительную массу для снижения сил инерции, особенно при высокой частоте вращения ко­ленчатого вала. Кроме того, поршень должен обладать большой жесткостью и высокой прочностью, особенно в местах расположе­ния поршневых колец для предотвращения их загибания и задиров зеркала цилиндра.

Основные геометрические размеры поршня

Рис. Основные геометрические размеры поршня. D— диаметр поршня; D1— внутренний диаметр; L — общая длина поршня; К — высота головки поршня; S — толщина днища поршня; А — ширина проточки под верхнюю головку шатуна; В — диаметр поршневого пальца; Sch — длина юбки поршня; F — высота жарового пояса; S1 — расстояние между компрессионными кольцами; S2 — расстояние между компрессионным и маслосъемным кольцами

Поскольку поршень подвержен не толь­ко механическим, но и термическим на­грузкам, он должен иметь в числе прочих качеств высокую теплостойкость и в то же время высокую теплопроводность. Кроме того, коэффициент температурного рас­ширения материала поршня должен быть невысоким, в противном случае возможно заклинивание поршня в цилиндре во время работы. Обеспечить соответствие конструк­ции поршня столь разноплановым и зача­стую противоречивым требованиям можно только путем компромиссных решений.

Важными геометрическими параметра­ми поршня являются общая длина L, высо­та головки поршня К и длина юбки поршня Sch (рис. «Основные геометрические размеры поршня»). В малых высокооборотных двигателях общую длину поршня выбирают меньшей, чем в среднеоборотных, чтобы по возможности снизить силы инерции. Выбор высоты головки поршня существенно влия­ет на его вес и прочность. Юбка поршня не­посредственно взаимодействует с зеркалом цилиндра, поэтому должна обладать опре­деленными эластичными свойствами. Наряду с основными размерами поршня, большое значение имеют также расположе­ние и форма бобышек поршневого пальца. При выборе этих параметров необходимо об­ратить внимание на предотвращение опро­кидывающих движений поршня и по возмож­ности обеспечить равномерный перенос на стенку цилиндра нормальной (перпендику­лярной) составляющей силы действия газов.

Пример HTML-страницы

Предотвращение опрокидывающих дви­жений требует прохождения оси поршнево­го пальца через центр тяжести поршня, а пе­ренос нормальной составляющей силы на стенку цилиндра в этом случае осуществить невозможно. Оба требования, как правило, требуют определенного компромисса, кото­рый сводится к небольшому смещению оси поршневого пальца относительно оси порш­ня. Это смещение называется «дезаксаж».

Часто положение оси поршневого паль­ца намеренно смещается к оси поршня (осевое смещение), что снижает возникновение шума при смене положения (перекладке) поршня в верхней мертвой точке (рис. «Смена положения (перекладка) поршня при прохождении верхней мертвой точки»). При оптимизации осевого смещения можно снизить импульс от удара поршня о стенку цилиндра и возникающий при этом шум.

 

Смена положения (перекладка) поршня при прохождении верхней мертвой точки

Рис. Смена положения (перекладка) поршня при прохождении верхней мертвой точки

 

Пример HTML-страницы

Так как бобышки поршня переносят всю силу действия газов на поршневой палец, они должны иметь четко определенную форму и соответствовать ряду других пара­метров. Так, напряжение в местах контакта бобышки поршня и поршневого пальца не должно превышать 70 — 75 Н/мм.

Равномерная и относительно бесшумная работа двигателя возможна лишь при точ­ном изготовлении деталей цилиндро-порш­невой группы. В особенности важно точное соблюдение зазоров между поршнем и зер­калом цилиндра, что способствует также низкому расходу масла. Следует учитывать тот факт, что коэффициенты температурного расширения поршней и блока цилиндров двигателя значительно различаются. К тому же блок цилиндров имеет обычно жидкост­ное охлаждение. Поскольку поршень обыч­но при нагреве расширяется сильнее, чем поверхность цилиндра, зазоры в цилиндро­поршневой группе следует подбирать и за­мерять на холодном двигателе.

Неравномерное расширение различных частей поршня связано с неравномерным распределением масс этих частей (днища, юбки и бобышек поршневого пальца). Для из­бегания заклинивания поршня в цилиндре от нагрева при работе двигателя поршень обыч­но имеет своеобразную овальную форму, что позволяет при нагреве обеспечивать не­равномерное расширение поршня (рис. «Поршень (чертеж шлифовки)»). В дизельных двигателях зазор между порш­нем и поверхностью цилиндра колеблется в пределах 0,7-1,2% от номинального диа­метра цилиндра, в то время как в бензиновых двигателях данные значения обычно состав­ляют 0,3 — 0,5%. Указанные значения приняты только для поршней из легких сплавов при установке в чугунный блок цилиндров.

 

Поршень (чертеж шлифовки)

Рис. Поршень (чертеж шлифовки)

 

Для расчета конструкции поршня следу­ет представлять себе уровень воздейству­ющих на него механических и термических нагрузок. Обычно эти параметры для мате­риала поршня определяются методом рас­чета конечных элементов.

Для ориентировочного расчета возни­кающего напряжения в днище поршня не­обходимо знание максимального давления цикла, которое соответствует максимально­му давлению, возникающему в цилиндре во время сгорания смеси.

В современных бензиновых двигателях с непосредственным впрыском топлива максимальное давление цикла составляет порядка 85 бар. Если дополнительно уста­новлен турбонаддув, давление возрастает до 120 бар и выше. В дизельных двигателях без наддува максимальное давление цикла достигает 120 бар, а с помощью наддува его можно повысить до 200 бар.

Распределение температуры в поршне зависит от выбранного материала, размеров, режимов работы и способов сгорания и охлаждения. На рис. «Диаграмма распределения температуры по телу поршня в режиме полной нагрузки «показана диаграмма распределения температуры по телу поршня в режиме полной нагрузки.

 

Диаграмма распределения температуры по телу поршня в режиме полной нагрузки

 

Согласно результатам испытаний, вели­чина удельного напряжения на поверхности поршня составляет 0,004…0,008 кВт/mm. При увеличении диаметра поршня возможно снижение удельного напряжения на поверх­ности поршня; разумеется, в этом случае поверхность для распределения тепла уве­личивается и температура днища поршня мо­жет достичь недопустимо высоких значений.

Наряду с основными параметрами кон­струкции поршня существуют особые требо­вания, которые зависят от назначения поршня. Как уже упоминалось, поршень в совре­менных дизельных двигателях задействован в процессе смесеобразования и сгорания ра­бочей смеси. В днище поршня современного дизельного двигателя отлита омега-образная (Ω) выемка с выступом по центру, исполня­ющая роль направляющей для завихрения потока воздуха с целью лучшего смесеобра­зования при впрыскивании топлива. Эта же выемка зачастую служит и камерой сгорания.

В современных бензиновых двигателях, в особенности с системами непосредствен­ного впрыска топлива, также имеется более или менее глубокая выемка в днище порш­ня. Дополнительно в днище поршня часто делаются проточки под клапаны, чтобы те не бились о днище поршня, в особенности, если речь идет о двигателях с изменяемыми фазами газораспределения.

Несимметричное расширение поршня из-за термической нагрузки во время работы можно компенсировать с помощью регули­рующих звеньев. В этом случае зазор между поршнем и зеркалом цилиндра изменяется незначительно, а расширение поршня про­исходит более равномерно. В качестве ре­гулирующих звеньев применяются стальные вставки в поршень. При охлаждении легкого сплава поршня эти вставки препятствуют его сильному сжатию, а при нагреве они способ­ствуют равномерному расширению матери­ала поршня, что способствует сохранению требуемых зазоров (рис. «Схема расширения в цилиндре поршня с терморегулирующей кольцевой вставкой»).

 

Схема расширения в цилиндре поршня с терморегулирующей кольцевой вставкой

Рис. Схема расширения в цилиндре поршня с терморегулирующей кольцевой вставкой

 

Поршень с разрезами в юбкеДля того, чтобы юбка поршня не меша­ла действию стальных вставок, в ее нижней части могут быть выполнены щели, которые одновременно улучшают охлаждение юбки (рис. «Поршень с разрезами в юбке»). При соответствующем расчете формы переходной области поршня между днищем и юбкой можно снизить теплообмен между этими частями поршня.

В двигателях большого рабочего объема используются составные поршни, состоящие из двух или более частей (рис. «Составной поршень»). Такие поршни также работают в режиме высоких температур и высоких давлений (макси­мальные давления цикла до 200 бар). В то же время выдвигаются высокие требования к сроку службы таких двигателей. Состав­ной поршень обычно имеет юбку из легкого сплава и днище из стали, которые соединя­ются между собой стальными болтами, раз­мещенными по периметру днища, либо од­ним центральным болтом.

Часть тепла, освободившегося во вре­мя сгорания смеси, поглощается поршнем и большей частью передается через порш­невые кольца на стенки цилиндра. Во мно­гих случаях используется специальное мас­ляное охлаждение днища поршня. В самом простом случае масло впрыскивается рас­пылителем, который расположен на верх­ней головке шатуна и подает масло в спе­циальную масляную полость в теле поршня (рис. «Поршень с масляным охлаждением»).

 

Составной поршень

Рис. Составной поршень

 

Поршень с масляным охлаждением

Рис. Поршень с масляным охлаждением

В составных поршнях относительно легко можно изготовить каналы для охлаж­дения днища поршня, подверженного вы­соким термическим нагрузкам, поскольку днище изготавливается отдельно от юбки поршня. Через эти каналы масло под дав­лением поступает к наиболее термически нагруженным частям днища поршня. Мож­но дополнительно направить масло в коль­цевой канал, где оно будет циркулировать, улучшая охлаждение поршня.

Поршни малого и среднего размера в большинстве случаев отливаются боль­шими партиями из алюминиевого сплава. При такой технологии установка стальных вставок в поршень не составляет труда. Алюминиевые сплавы содержат от 11 до 25% кремния, 1-2% меди, никеля и магния, и в количестве меньше 1 % железа, титана, марганца и цинка. Кроме того, в современ­ные сплавы дополнительно вводятся вана­дий и цирконий, которые улучшают твер­дость поверхности поршня при высоких температурах.

Поршни из серого чугуна в большинстве случаев также изготавливаются методом ли­тья в песчаные формы, в то время как порш­ни для спортивных двигателей, от которых требуется высокая прочность и термостой­кость в сочетании с небольшим весом, в по­следнее время куются из алюминия.

При необходимости получения высоко­прочных поршней иногда используют техно­логию жидкого прессования. В этом случае в поршень помещаются упрочняющие встав­ки из керамического волокна или пористого металла, которые перед прессованием по­мещаются в кокиль. Жидкий расплав после заливки в форму подвергается воздействию давления усилием до 100 МПа, и это давле­ние сохраняется до тех пор, пока расплав полностью не застынет. Расплав полностью проникает в форму, не оставляя даже ми­нимальных пустот, что особенно важно при использовании упрочняющих материалов. После застывания металла заготовка под­вергается механической обработке с целью придания ей окончательной формы и из­готовления канавок для поршневых колец, а также отверстия для поршневого пальца и необходимых технологических отверстий и каналов.

Поршни, предназначенные для двигате­лей большого рабочего объема, также под­вергаются поверхностной обработке. На не­которые части поверхностей, прилегающие к зеркалу цилиндра, иногда наносится слой графита (реже олова), что способствует сохранению работоспособности поршня и цилиндра при внезапном исчезновении масляной пленки с зеркала цилиндра.

Пример HTML-страницы

В последние годы, в связи с характер­ным уменьшением габаритов современ­ных двигателей при повышении мощности, механическая и термическая нагрузки на поршни постоянно возрастают. Повышение температуры на днище поршня может при­вести к осаждению тонкого слоя алюминия на первом компрессионном кольце, ближай­шем к днищу. В этом случае кольцо теряет подвижность, может заклинить в канавке и лишиться способности к удержанию гер­метичности цилиндра. Чтобы этого не случи­лось, в последнее время часто выполняется твердое анодирование канавки первого компрессионного кольца. Такое же покры­тие наносится и на само днище поршня.

 

Поршневые кольца

 

Поршневые кольца разделяются по своему назначению на компрессионные и маслосъ­емные. В большинстве случаев на одном поршне используется комплект из трех ко­лец — двух компрессионных и одного мас­лосъемного. Тем не менее, в ряде случаев количество поршневых колец может варьи­роваться от двух до четырех.

Стандартный комплект поршневых колец для одного поршня двигателя легкового ав­томобиля включает в себя цилиндрическое компрессионное кольцо с асиметричной вы­пуклой рабочей поверхностью, коническое компрессионное кольцо и маслосъемное кольцо с кольцевой пружиной.

Виды и форма поршневых колец

Рис. Виды и форма поршневых колец

Компрессионные поршневые кольца герметизируют камеру сгорания, не позво­ляя рабочей смеси или отработавшим газам попасть в картер двигателя, и не пропуская в обратном направлении картерные газы в цилиндр двигателя. Кроме того, они ча­стично отводят тепло с поверхности поршня на зеркало цилиндра. Кроме цилиндриче­ских компрессионных колец прямоугольно­го сечения часто используются конические компрессионные кольца, которые отлича­ются минимальной поверхностью контакта с зеркалом цилиндра (рис. «Виды и форма поршневых колец»). В неко­торых случаях в цилиндрических и кониче­ских компрессионных поршневых кольцах предусматриваются канавки с выступами в нижней рабочей поверхности кольца, что улучшает удаление излишков масла с зер­кала цилиндра. Излишки масла и продуктов нагара на поршне приводят к коксованию поршневых колец, которые перестают пру­жинить в своих канавках и, таким образом, не обеспечивают герметичного уплотнения поверхности цилиндра. Для предотвраще­ния этого эффекта используются трапеце­идальные компрессионные кольца. За счет одной или двух фасок на горизонтальной поверхности эти кольца имеют меньшую площадь контакта с поршнем. В результате они постоянно проворачиваются в своих ка­навках, не давая скапливаться нагару, и луч­шим образом обеспечивают герметизацию цилиндра.

Маслосъемные поршневые кольца регу­лируют толщину масляной пленки на стенке цилиндра, сбрасывая излишки масла обратно в картер двигателя и обеспечивая сни­жение расхода масла при работе двигателя. В большинстве случаев на маслосъемном кольце имеются две рабочие поверхности (рис. «Виды и форма поршневых колец»). Для удаления избыточного мас­ла со стенки цилиндра в канавке для мас­лосъемного кольца и в самом кольце име­ются специальные отверстия, благодаря которым излишнее масло не только сбрасы­вается вниз по зеркалу цилиндра, но и про­ходит сквозь поршень, дополнительно ох­лаждая его. В бензиновых двигателях легких грузовых автомобилей часто используются наборные маслосъемные кольца, состоящие из двух стальных пластин и распорной пру­жины из стали.

Наряду с геометрической формой, для поршневых колец очень важно сохранять упругость в течение всего срока службы, что необходимо для обеспечения герметично­сти цилиндра. Для этого технологии изготов­ления поршневых колец разработаны таким образом, чтобы готовое кольцо имело некое предварительное напряжение, позволяю­щее ему после установки вместе с поршнем на двигатель плотно прилегать к зеркалу ци­линдра. На рис. «Схемы распределения радиальных усилий в поршневых кольцах» показаны схемы рас­пределения радиальных усилий в поршне­вых кольцах, установленных в цилиндр.

 

Схемы распределения радиальных усилий в поршневых кольцах

Рис. Схемы распределения радиальных усилий в поршневых кольцах

 

Поршневые кольца изготавливаются ме­тодом литья с последующей механической обработкой, либо целиком методом меха­нической обработки. В качестве материала для поршневых колец используется улуч­шенный чугун с вкраплениями шарового графита. Поршневые кольца изначально имеют слегка овальную форму и обладают способностью пружинить, что позволяет им после установки в цилиндр принимать иде­ально круглую форму и, как уже говорилось, плотно прилегать к внутренней поверхности цилиндра.

В некоторых случаях поршневые коль­ца изготавливаются также из легированной стали. Компрессионные кольца, устанавли­ваемые в верхней канавке, ближайшей к ка­мере сгорания, а также маслосъемные коль­ца часто покрываются хромом для лучшего сопротивления износу. В последнее время хромовое покрытие улучшают методом вво­да частиц оксида алюминия или керамики. Наряду с хромовым покрытием использу­ются покрытия из молибдена и технология плазменного напыления износостойких ма­териалов на рабочую поверхность поршне­вых колец.

 

Поршневой палец

 

Энергия расширения газов, сгорающих в ци­линдре, воспринимается поршнем и пере­дается на шатун через поршневой палец, ко­торый во время своей работы подвергается воздействию не только знакопеременных сил действия газов, но и сил инерции возвратно-по­ступательно движущихся деталей кривошип­но-шатунного механизма. Поршневому пальцу приходится работать на срез и на изгиб. Кроме того, идет износ трущихся поверхностей в ме­стах контакта поршневого пальца со втулкой верхней головки шатуна и с бобышками порш­ня. Вдобавок при работе поршневого пальца наблюдается известный дефицит смазки.

Поршневой палец работает непосред­ственно по материалу поршня в бобышках или по поверхности специальной втулки верхней головки шатуна. Для лучшего дей­ствия соединения поршня, пальца и шатуна используется так называемая плавающая посадка. Суть ее в том, что в одной из дета­лей (в поршне либо чаще всего в шатуне), палец способен перемещаться свободно, в то время как в другую входит с некоторым предварительным натягом. Используется и плавающая посадка по всем соединениям. От осевого перемещения поршневой палец удерживают стопорные кольца, вставляе­мые с наружной стороны поршня.

В слабо нагруженных бензиновых двига­телях поршневой палец может также фикси­роваться от осевого перемещения с помо­щью горячей прессовой посадки в верхнюю головку шатуна.

Расчет поршневого пальца осуществля­ется с помощью трех расчетов конечных эле­ментов с учетом формирования смазочной пленки. Так как повреждения поршневых пальцев часто происходят вследствие не­допустимо высокой деформации бобышки поршня, при определении параметров паль­ца в первую очередь необходимо сохранять величину этой деформации заведомо ниже предельно допустимых значений.

Поршневые пальцы в основном изго­тавливаются из легированной стали с по­следующей цементацией и шлифовкой по­верхности. Все больше изучается технология покрытия поршневых пальцев алмазо-подоб­ным углеродом, пришедшая из спортивных соревнований на гоночных автомобилях или мотоциклах. Ведутся исследования по созда­нию поршневых пальцев из керамики, при использовании которой возможно сниже­ние массы пальца примерно на 25%.

 

Шатун

 

Шатун переносит силу воздействия газов на поршень и силы инерции от поршневого пальца к шейке коленчатого вала. Соответ­ственно, от шатуна требуется невысокая мас­са при высокой прочности, а также высокая износостойкость втулки верхней головки шатуна и подшипника скольжения нижней головки шатуна. Параметры шатуна суще­ственно влияют на работоспособность дви­гателя. К тому же производители стремятся получить короткий шатун для максимального снижения веса и уменьшения конструк­тивной высоты двигателя.

Шатун своей верхней головкой соединяет­ся с поршнем через поршневой палец, под ко­торый в неразъемной верхней головке пред­усмотрена специальная втулка. Для снижения габарита верхняя головка шатуна может иметь усеченную форму и уменьшенное сечение.

Снизу шатун надевается на шатунную шейку коленчатого вала. Для удобства сборки нижняя головка шатуна выполнена разъем­ной. Крышка нижней головки шатуна крепится к шатуну двумя болтами, которые затягивают­ся тарированным усилием. Для работы по телу шатунной шейки коленчатого вала предусмо­трены сменные вкладыши нижней головки ша­туна (шатунные вкладыши). Для уменьшения ширины нижней головки шатуна линию разъ­ема шатуна и крышки часто делают не гори­зонтальной, а наклонной (рис. «Шатун»).

 

Шатун

Рис. Шатун

 

Шатуны современных двигателей имеют сечение в форме букв «Н» или «I». Для пода­чи масла в верхнюю головку шатуна и для ох­лаждения поршня (если это предусмотрено конструкцией) в теле шатуна имеется про­дольный масляный канал.

Для определения параметров шатуна необходимо учитывать, как силы действия расширяющихся газов, так и силы инерции возвратно-поступательного движения кри­вошипно-шатунного механизма. Изгибающие нагрузки можно не учитывать.

 

Допустимые растягивающие напряжения и напряжения изгиба должны находиться в пределах 25…40 Н/мм2. Формулы расчета могут в недостаточной степени отображать фактические напряжения в современных шатунах, подверженных высоким нагрузкам. Современные методы расчета позволяют выполнить точный анализ максимальных на­пряжений и деформаций.

Для изготовления заготовки шатуна ис­пользуются горячая объемная штамповка, литье или ковка. Затем заготовки подверга­ются механической обработке. Отдельной операцией является разделение шатуна и крышки его нижней головки, что делается для последующей установки шатунных вкла­дышей при соединении шатуна с шейкой коленчатого вала. Современные технологии и свойства материала шатуна позволяют просто разламывать заготовку на две нерав­ные части без последующей обработки при­валочных поверхностей шатуна и его крыш­ки. При сборке шатун и его крышка нижней головки соединяются по месту разлома, при этом неровности поверхности являются не только своеобразным фиксатором, но и по­зволяют не перепутать при сборке крышки головок разных шатунов, поскольку этого не позволит характер неровностей прива­лочной поверхности. В качестве материалов для изготовления шатунов используются чу­гун с вкраплениями шаровидного графита, легированные стали, а также порошковые металлы.

 

Коленчатый вал

 

Коленчатый вал преобразует прямолиней­ное движение поршня, переносимое через шатун на кривошип, во вращательное дви­жение, передаваемое затем на трансмиссию. От элементов его конструкции требуются высокая прочность на изгиб, сопротивление скручиванию при нагрузках с симметрич­ным циклом, а также способность выдержи­вать крутильные колебания. Кроме того, от ряда поверхностей коленчатого вала (шатун­ные и коренные шейки, места уплотнения) требуется высокая износостойкость. Для снижения массы двигателя требуется умень­шать вес коленчатого вала при сохранении всех параметров прочности. Вследствие вы­соких крутящих моментов, появляющихся в современных разработках двигателя, при незначительной частоте вращения вышеу­казанные требования были дополнительно ужесточены.

Схема устройства коленчатого вала

Рис. Схема устройства коленчатого вала

Внутри коленчатого вала сверлятся специ­альные каналы, которые предназначены для подачи масла под давлением как к вклады­шам коренных и шатунных шеек коленчатого вала, так и к верхней головке шатуна, а при необходимости — и к поршню (рис. «Схема устройства коленчатого вала «).

Дисбаланс коленчатого вала, возникающий из-за кривошипов, вынесенных в сторону от­носительно продольной оси вала, компенси­руется отчасти противовесами, отливаемыми заодно с валом, а отчасти — дополнительны­ми балансировочными грузиками.

Коленчатые валы отливаются или куются. Литые коленчатые валы более дешевы в из­готовлении, особенно если они отливаются полыми. Увеличение прочности коленчатого вала достигается такими методами после­дующей обработки, как радиальный прокат, индуктивный отжиг и азотирование. Для ковки коленчатых валов используются улуч­шенные стали, а для литья — чугун с шаро­видным графитом.

 

Головка блока цилиндров

 

Головка блока цилиндров закрывает цилин­дры сверху, герметизируя их. Роль головки блока цилиндров в конструкции двигателя очень велика. В подавляющем большинстве случаев именно в головке блока размещены камеры сгорания каждого из цилиндров дви­гателя. В ней же размещены каналы подвода и отвода газов, клапанный механизм, распре­делительный вал, свечи зажигания, форсун­ки системы впрыска, каналы подачи масла и циркуляции охлаждающей жидкости. Сна­ружи на головку блока цилиндров крепятся впускной и выпускной коллекторы, магистра­ли системы впрыска, многочисленные датчи­ки и прочие элементы силового агрегата.

В многоцилиндровых двигателях могут использоваться одна или несколько головок блока цилиндров (в зависимости от формы двигателя — рядной, v- или w-образной), а также индивидуальные головки на каждый цилиндр. Последние сегодня применяются на больших дизельных двигателях, особенно они удобны для систем воздушного охлажде­ния. Головки блока, закрывающие одновре­менно несколько цилиндров, удобны для си­стем жидкостного охлаждения. Кроме того, в них проще размещать распределительные валы и многие другие детали современных двигателей. Любой одноцилиндровый дви­гатель, естественно, имеет единственную головку цилиндра.

В результате выполнения большого ко­личества задач головка блока цилиндров испытывает на себе комплексную термо­механическую нагрузку. Механическая со­ставляющая складывается из сил действия газов в цилиндре, импульсов от закрытия клапанов, вибрации от вращения распреде­лительных валов, а также усилий от затяжки резьбовых соединений, связывающих голов­ку с блоком цилиндров и навесными агрега­тами. Термическую нагрузку обеспечивают как высокие температуры в камерах сгора­ния, так и циркуляция масла и охлаждающей жидкости.

Основные размеры головки блока ци­линдров определяются, исходя из диаметра цилиндра и количества цилиндров, а также формы блока цилиндров двигателя. Важным является также количество клапанов и рас­пределительных валов.

Толщина головки блока цилиндров выби­рается, исходя из количества размещаемых в ней деталей, а также требований к систе­мам смазки и охлаждения, поскольку от это­го зависят размеры каналов для циркуляции масла и охлаждающей жидкости. Кроме того, важно обеспечить постоянную температуру головки блока цилиндров в области камер сгорания, чтобы избежать возникновения детонации или калильного зажигания.

При проектировании головки блока ци­линдров важно правильно расположить в ней распределительный вал (один или не­сколько), клапаны в требуемом количестве и под соответствующим углом, форсунки, свечи зажигания и множество других эле­ментов конструкции, включая крепежные шпильки. Следует предусмотреть также раз­мещение каналов для циркуляции охлажда­ющей жидкости и подачи смазочного масла, при этом необходимо обеспечить достаточ­ное охлаждение области каналов газообме­на и мест установки клапанов.

Если двигатель конструктивно оснащен системой воздушного охлаждения, то чаще всего на таких моторах используются инди­видуальные головки цилиндров. При воз­душном охлаждении необходимо еще бо­лее внимательно следить за равномерным распределением толщины стенок головки. Важен и правильный выбор материала го­ловки, чтобы обеспечить хороший отвод тепла в атмосферу через внешнее оребрение головки. Ребра охлаждения головки не­обходимо обеспечить достаточным потоком охлаждающего воздуха, в особенности это важно для зоны размещения клапанов.

В качестве материала для изготовления головок блока цилиндров легковых автомо­билей используются исключительно легкие сплавы. Чугун используется для больших двигателей и дизельных двигателей грузо­вых автомобилей.

 

Блок цилиндров и цилиндры двигателя

 

Блок цилиндров двигателя

 

Блок цилиндров является центральным эле­ментом конструкции двигателя и предназна­чен для соединения и размещения важных частей и конструктивных узлов. Блок ци­линдров несет весь кривошипно-шатунный механизм, головку блока цилиндров, навес­ное оборудование. Он используется также для обеспечения циркуляции охлаждающей жидкости и масла системы смазки.

Статические нагрузки на блок цилиндров обусловлены наличием большого количества резьбовых соединений. Динамические нагруз­ки вызываются силами действия газов и сила­ми инерции, нагрузками, которые возникают при работе вспомогательных узлов, и темпера­турными напряжениями. Для расчета напряже­ний и определения параметров блока цилин­дров двигателя используется метод конечных элементов. При жидкостном охлаждении каж­дый цилиндр интегрируется в единый блок цилиндров двигателя. Цилиндры с воздушным охлаждением имеют собственное оребрение и присоединяются к блоку цилиндров с помо­щью болтов или анкерных шпилек.

В большинстве случаев блоки цилиндров двигателя отливаются. Сварные блоки ци­линдров можно встретить на больших стаци­онарных и судовых двигателях. В большин­стве случаев в качестве материала для литья используется серый чугун с пластинчатым графитом. Если возможны высокие нагрузки на блок цилиндров, то используется серый чугун с шаровидным графитом. В легковых автомобилях для изготовления блока цилин­дров используются легкие сплавы, в этом случае отдельной операцией производится установка в блок гильз цилиндров из чугуна.

 

Цилиндр

 

Цилиндр ограничивает количество смеси, которая участвует в преобразовании энер­гии. При движении поршня цилиндр служит в качестве направляющей. Цилиндры мо­гут отливаться вместе с блоком цилиндров, а могут устанавливаться на блок отдельно. Для изготовления цилиндров использует­ся чугун, поскольку именно его свойства обеспечивают лучшую износостойкость по­верхности, по которой работают поршень и поршневые кольца. Если блок цилиндров льется из легкого сплава, то в него устанав­ливаются чугунные гильзы цилиндров, ко­торые, в зависимости от конструкции, могут быть легкосъемными или запрессовываться промышленным способом.

Различают сухие и мокрые гильзы цилин­дров (рис. «Гильзы цилиндра»). Мокрые гильзы омываются непосредственно охлаждающей жидкостью, что обеспечивает хороший отвод тепла. Сухая гильза запрессовывается непосред­ственно в отверстие блока цилиндров двигателя и не контактирует с охлаждающей жидкостью, что значительно ухудшает отвод тепла.

 

Гильзы цилиндра

Рис. Гильзы цилиндра

 

Пример HTML-страницы

В качестве материала для гильз цилин­дров обычно используется высококаче­ственный чугун. Для улучшения атнифрикционных свойств одно время применялось покрытие зеркала цилиндра пористым хро­мом. В двигателях воздушного охлаждения используются цилиндры из легких сплавов, так как они имеют большую теплопроводность, чем серый чугун. При изготовлении таких цилиндров внутрь формы вставляется чугунная гильза, которая снаружи заливается легким сплавом, при этом между двумя металлами создается прочное соединение. Такие цилиндры отличаются износостойкостью и хорошим отводом тепла.

 

Пример HTML-страницы

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *