Как работает кривошипно-шатунный механизм двигателя

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

История создания

Первые свидетельства использования кривошипа были найдены в 3-м веке нашей эры, в Римской империи и Византии в 6-м веке нашей эры. Прекрасным примером является пилорама из Иераполиса, в которой используется коленчатый вал. Металлический кривошип был найден в римском городе Августа-Раурика на территории современной Швейцарии. Во всяком случае, некий Джеймс Пакард запатентовал изобретение в 1780 году, хотя свидетельства его изобретения были найдены еще в древности.

Составные части КШМ

Компоненты КШМ условно делятся на подвижные и неподвижные части. К подвижным частям относятся:

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

Неподвижные части КШМ служат базой, элементами крепления и направляющими. К ним относятся:

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

Неподвижные части КШМ

Картер и масляный поддон

Картер — это нижняя часть двигателя, в которой находятся подшипники и масляные каналы коленчатого вала. В картере шатуны движутся, а коленчатый вал вращается. Масляный поддон — это резервуар для моторного масла.

Основа картера в процессе эксплуатации подвергается постоянным тепловым и силовым нагрузкам. Поэтому к этой детали предъявляются особые требования по прочности и жесткости. Для его изготовления используются алюминиевые или чугунные сплавы.

Картер крепится к блоку цилиндров. Вместе они образуют каркас двигателя, основную часть его корпуса. Сами цилиндры находятся в блоке. Сверху установлена головка блока ДВС. Вокруг цилиндров имеются полости для жидкостного охлаждения.

Расположение и количество цилиндров

В настоящее время наиболее распространены следующие типы:

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

При простом рядном расположении цилиндры и поршни расположены в ряд, перпендикулярной коленчатому валу. Эта схема самая простая и надежная.

Головка блока цилиндров

Головка крепится к блоку шпильками или болтами. Она накрывает цилиндры с поршнями сверху, образуя герметичную полость — камеру сгорания. Между блоком и головкой есть прокладка. В головке блока цилиндров также находится клапанный механизм и свечи зажигания.

Цилиндры

Поршни двигаются непосредственно в цилиндрах двигателя. Их размер зависит от хода поршня и его длины. Цилиндры работают при переменном давлении и высоких температурах. В процессе эксплуатации стенки подвергаются постоянному трению и температурам до 2500 ° C. К материалам и обработке цилиндров также предъявляются особые требования. Их делают из чугуна, стали или алюминиевых сплавов. Поверхность деталей должна быть не только прочной, но и удобной в обработке.

Наружная рабочая поверхность называется зеркалом. Она хромирована и отполирована до зеркальной поверхности для минимизации трения в условиях ограниченного смазывания. Цилиндры отливаются совместно с блоком или выполняется в виде съемных гильз.

Подвижные части КШМ

Поршень

Движение поршня в цилиндре происходит за счет сгорания топливовоздушной смеси. Создается давление, которое действует на днище поршня. Оно может отличаться по форме в разных типах двигателей. В бензиновых двигателях днище изначально было плоским, затем стали применять вогнутые конструкции с проточками под клапаны. В дизельных двигателях в камере сгорания предварительно сжимается воздух, а не топливо. Поэтому днище поршня также имеет вогнутую форму, которая является частью камеры сгорания.

Форма днища имеет большое значение для создания правильного факела горения топливовоздушной смеси.

Остальная часть поршня называется юбкой. Это своего рода направляющая, которая движется внутри цилиндра. Нижняя часть поршня или юбки выполнена таким образом, чтобы не соприкасаться с шатуном во время его движения.

На боковой поверхности поршней имеются проточки или канавки для поршневых колец. Сверху есть два или три компрессионных кольца. Они необходимы для создания компрессии, то есть препятствуют проникновению газа между стенками цилиндра и поршнем. Кольца прижимаются к зеркалу, уменьшая зазор. Внизу есть паз для маслосъемного кольца. Оно предназначено для удаления лишнего масло со стенок цилиндра, чтобы оно не попало в камеру сгорания.

Поршневые кольца, особенно компрессионные, работают при постоянных нагрузках и высоких температурах. Для их производства используются высокопрочные материалы, такие как легированный чугун, покрытый пористым хромом.

Поршневой палец и шатун

Шатун крепится к поршню с помощью поршневого пальца. Он представляет собой цельную или полую цилиндрическую деталь. Палец устанавливается в отверстие в поршне и в верхней головке шатуна.

Существует два типа крепления:

• с фиксированной посадкой;
• с плавающей посадкой.

Самым популярным является так называемый «плавающий палец». Для его крепления используются стопорные кольца. Фиксированный устанавливается с натягом. Обычно используется тепловая посадка.

Шатун, в свою очередь, соединяет коленчатый вал с поршнем и производит вращательные движения. В этом случае возвратно-поступательные движения шатуна описывают число восемь. Он состоит из нескольких элементов:

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

Бронзовая втулка запрессовывается в поршневую головку для уменьшения трения и смазки соприкасающихся деталей. Кривошипная головка является разборной для обеспечения сборки механизма. Детали идеально подогнаны друг к другу и фиксируются болтами и контргайками. Для уменьшения трения устанавливаются  шатунные подшипники. Они выполнены в виде двух стальных вкладышей с замками. Масло подается через масляные канавки. Подшипники точно адаптированы к размеру соединения.

Вопреки распространенному мнению, вкладыши удерживаются от проворота не за счет замков, а из-за силы трения между их внешней поверхностью и головкой шатуна. Таким образом, внешнюю часть подшипника скольжения нельзя смазывать во время сборки.

Коленчатый вал

Коленчатый вал — сложная часть, как с точки зрения устройства, так и производства. Он принимает на себя крутящий момент, давление и другие нагрузки и поэтому изготовлен из высокопрочной стали или чугуна. Коленчатый вал передает вращение от поршней к трансмиссии и другим компонентам автомобиля (например, ведущему шкиву).

Коленчатый вал состоит из нескольких основных компонентов:

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

Конструкция коленчатого вала во многом зависит от количества цилиндров в двигателе. В простом четырехцилиндровом рядном двигателе на коленчатом валу имеется четыре шатунных шейки, на которых установлены шатуны с поршнями. Пять коренных шеек расположены вдоль центральной оси вала. Они устанавливаются в опоры блока цилиндров или картера на подшипники скольжения (вкладыши). Коренные шейки сверху закрываются крышками на болтах. Соединение образует П-образную форму.

Специально обработанная точка опоры для установки коренной шейки с вкладышем называется постелью.

Коренные и шатунные шейки соединены так называемыми щеками. Противовесы гасят излишние вибрации и обеспечивают плавное движение коленчатого вала.

Шейки коленчатого вала термически обработаны и отполированы для обеспечения высокой прочности и точной посадки. Коленчатый вал также очень точно сбалансирован и отцентрован, чтобы равномерно распределять все силы, действующие на него. В центральной области коренной шейки по бокам от опоры, устанавливаются упорные полукольца. Они необходимы для компенсации осевых перемещений.

Шестерни привода ГРМ и приводной шкив вспомогательных агрегатов двигателя прикреплены к хвостовику коленчатого вала.

Маховик

На задней части вала имеется фланец, к которому крепится маховик. Это чугунная деталь, которая представляет собой массивный диск. Благодаря своей массе маховик создает инерцию, необходимую для работы КШМ, а также обеспечивает равномерную передачу крутящего момента на трансмиссию. На ободе маховика имеется зубчатое кольцо (венец) для соединения со стартером. Это маховик вращает коленчатый вал и приводит в движение поршни при запуске двигателя.

Кривошипно-шатунный механизм, конструкция и форма коленчатого вала остаются неизменными на протяжении многих лет. Как правило, вносятся лишь незначительные структурные изменения для уменьшения веса, инерции и трения.