Кривошипно-шатунний механізм двигуна: будову, призначення, як працює

У двигунах внутрішнього згоряння існує два механізми, завдяки яким можливе переміщення транспорту. Це газорозподільний і кривошипно-шатунний. Зосередимося на призначення КШМ та його пристрої.

Що таке кривошипно-шатунний механізм двигуна

Під КШМ мається на увазі комплект запчастин, що утворюють єдиний агрегат. У ньому суміш з палива та повітря в певній пропорції згорає і виділяє енергію. Механізм складається з двох категорій рухомих деталей:

• Виконують лінійні руху - поршень переміщається вгору / вниз в циліндрі;
• Виконують обертальні рухи - колінчастий вал і деталі, встановлені на ньому.

Вузол, що з'єднує обидва типи деталей, здатний перетворити один вид енергії в інший. Коли мотор працює автономно, розподіл сил йде від ДВС до ходової частини. Деякі автомобілі дозволяють перенаправити енергію назад - від коліс до мотору. Необхідність в цьому може виникнути, наприклад, при неможливості запустити двигун від акумулятора. Механічна трансмісія дозволяє завести машину зі штовхача.

Для чого потрібен кривошипно-шатунний механізм двигуна

КШМ приводить в рух інші механізми, без яких неможливо було б машині їхати. В електротранспорті електричний мотор завдяки енергії, яку він отримує від батареї, відразу створює обертання, яке надходить на вал трансмісії.

Недолік електричних агрегатів в тому, що у них маленький запас ходу. Хоча провідні виробники електромобілів і підвищили цю планку до декількох сотень кілометрів, переважній більшості автомобілістів такий транспорт недоступний через його дорожнечу.

Єдиним дешевим рішенням, завдяки якому можливе пересування на великі відстані і з великою швидкістю, є автомобіль, оснащений ДВС. У ньому використовується енергія вибуху (а точніше розширення після нього), щоб приводити в рух деталі циліндропоршневої групи.

Призначення КШМ в тому, щоб забезпечити рівномірне обертання колінчастого вала при прямолінійній переміщенні поршнів. Ідеального обертання поки неможливо досягти, однак існують модифікації механізмів, які мінімізують ривки, що утворюються при різких поштовхах поршнів. Прикладом цього є 12-циліндрові двигуни. Кут зсуву кривошипів в них мінімальний, а спрацьовування всієї групи циліндрів розподілено на більшу кількість інтервалів.

Принцип роботи кривошипно-шатунного механізму

Якщо описати принцип роботи даного механізму, то його можна порівняти з процесом, який відбувається під час їзди на велосипеді. Велосипедист черзі натискає на педалі, приводячи в обертання провідну зірочку.

Лінійне рух поршня забезпечується згорянням ВТС в циліндрі. Під час мікровибухи (ВТС в момент подачі іскри сильно стисло, тому і утворюється різкий поштовх) гази розширюються, виштовхуючи деталь в крайнє нижнє положення.

Шатун зв'язується з окремим кривошипом на колінчастому валу. Інерція, а також ідентичний процес, що відбувається в суміжних циліндрах, забезпечують обертання коленвала. Поршень не завмирало в крайніх нижньої і верхньої точках.

Обертається колінчастий вал пов'язаний з маховиком, до якого приєднується фрикційна поверхня коробки передач.

Після завершення такту робочого ходу для виконання інших тактів мотора поршень приводиться в рух уже за рахунок оборотів вала механізму. Воно можливо завдяки виконанню такту робочого ходу в суміжних циліндрах. Щоб мінімізувати ривки, шатунні шийки кривошипів зміщені відносно один одного (є модифікації з рядним розміщенням шийок).

пристрій КШМ

Кривошипно-шатунний механізм включає велику кількість деталей. Умовно їх можна віднести до двох категорій: виконують рух і ті, які весь час залишаються зафіксованими на одному місці. Одні виконують різного роду руху (поступальні або обертальні), а інші служать формою, в яких забезпечується акумулювання потрібної енергії або опорою для цих елементів.

Ось які функції виконують всі елементи кривошипно-шатунного механізму.

Блок картера

Відлитий з міцного металу (в бюджетних авто - чавун, а в більш дорогих - алюмінієвий або інший сплав) блок. У ньому зроблені необхідні отвори і канали. По каналах циркулює охолоджуюча рідина і моторне масло. Технічні отвори дозволяють з'єднати ключові елементи мотора в одну конструкцію.

Найбільші отвори - самі циліндри. У них містяться поршні. Також конструкція блоку має опори для опорних підшипників коленвала. У ГБЦ розташовується газорозподільний механізм.

Використання чавуну або алюмінієвого сплаву обумовлено тим, що цей елемент повинен витримувати великі механічні та термічні навантаження.

У нижній частині картера розташований піддон, в якому накопичується масло після змащення всіх елементів. Щоб в порожнині не створювалося надмірний тиск газів, конструкція має вентиляційні канали.

Існують автомобілі з мокрим або сухим картером. У першому випадку масло збирається в піддоні і залишається в ньому. Цей елемент є резервуаром для забору та зберігання мастила. У другому випадку масло стікає в піддон, але насос відкачує його в окремий бачок. Така конструкція запобіжить повну втрату масла при пробої піддону - витече лише невелика частина мастила після того, як мотор буде заглушений.

циліндр

Циліндр - ще один нерухомий елемент мотора. По суті, це отвір з суворою геометрією (поршень повинен ідеально поміщатися в нього). Вони також відносяться до цилиндропоршневой групі. Однак в кривошипно-шатунного механізму циліндри виконують функцію напрямних. Вони забезпечують строго вивірене переміщення поршнів.

Розміри даного елемента залежать від особливостей мотора і величини поршнів. Стінки в верху конструкції стикаються з максимальною температурою, яка тільки може виникати в двигуні. Також в так званій камері згоряння (надпоршневомупростір) відбувається різке розширення газів після займання ВТС.

Для запобігання надмірного зносу стінок циліндрів при високих температурах (в деяких випадках вона може різко підвищуватися до 2 500 градусів) і великого тиску, вони змащуються. Між кільцями ущільнювачів і циліндром утворюється тонка масляна плівка, що запобігає контакт металевих частин. Ще для зниження сили тертя внутрішня поверхня циліндрів обробляється спеціальним складом, і полірується до ідеальної ступеня (тому поверхня називається дзеркалом).

Існує два типи циліндрів:

• Сухий тип. В основному в машинах використовуються саме такі циліндри. Вони є частиною блоку і виглядають у вигляді отворів, зроблених в корпусі. Щоб метал охолоджувався, з зовнішньої сторони циліндрів зроблені канали для циркуляції охолоджуючої рідини (сорочка ДВС);
• Мокрий тип. В цьому випадку циліндри будуть окремо виконаними гільзами, які вставляються в отвори блоку. Вони надійно ущільнюються, щоб в процесі роботи агрегату не утворювалися додаткові вібрації, через що деталі КШМ будуть виходити з ладу дуже швидко. Такі гільзи з зовнішньої сторони контактують з ОЖ. Подібна конструкція мотора більш податлива ремонту (наприклад, при утворенні глибоких подряпин гільзу просто змінюють, а не розточують і шліфують отвори блоку під час капіталки мотора).

У V-образних моторах часто циліндри не схильні симетрично відносно один одного. Це обумовлено тим, що один шатун обслуговує один циліндр, і він має окреме місце на коленвале. Однак є і модифікації з двома шатунами на одній шатунной шийці.

Блок циліндрів

Це найбільша частина конструкції мотора. Вгорі цього елемента встановлюється головка блоку циліндрів, а між ними знаходиться прокладка (навіщо вона потрібна і як визначити її несправність, читайте в окремому огляді).

У голівці блоку циліндрів зроблені поглиблення, які формують особливу порожнину. У ній стисла повітряно-паливна суміш запалюється (часто її називають камерою згоряння). Модифікації моторів на водяному охолодженні будуть оснащуватися головкою з каналами для циркуляції рідини.

остов двигуна

Всі нерухомі частини КШМ, з'єднані в одну конструкцію, називаються остовом. Ця частина сприймає основну силове навантаження в процесі роботи рухомих частин механізму. Залежно від того, як закріплений двигун в моторному відсіку, остов сприймає також навантаження і від кузова або рами. У процесі руху ця частина також стикається з впливом трансмісії і ходової частини машини.

Щоб запобігти переміщенню ДВС під час розгону, гальмування або маневрування, остов міцно фіксується болтами до несучої частини транспортного засобу. Для усунення вібрацій на місці з'єднання використовуються подушки двигуна, зроблені з гуми. Їх форма залежить від модифікації двигуна.

Коли машина переміщається по нерівній дорозі, на кузов виявляється навантаження кручення. Щоб мотор не сприймав такі навантаження, зазвичай його кріплять в трьох точках.

Всі інші частини механізму є рухомими.

поршень

Входить до складу поршневий групи КШМ. Форма поршнів теж може різнитися, але ключовий момент - вони виконані у вигляді склянки. Верхню частину поршня називають головкою, а нижню - спідницею.

Головка поршня - найтовстіша частина, так як вона сприймає на себе термічну і механічну навантаження під час займання палива. Торець того елемента (днище) може мати різну форму - плоску, опуклу або увігнуту. Ця частина формує розміри камери згоряння. Нерідко зустрічаються модифікації з заглибленнями різної форми. Всі ці типи деталі залежать від моделі ДВС, принципу подачі палива і т.д.

З боків поршня зроблені канавки для установки кілець ущільнювачів. Нижче цих проточек є поглиблення для відводу масла від деталі. Спідниця найчастіше має форму овалу, і основна її частина - напрямна, що запобігає клин поршня в результаті термічного розширення.

Щоб компенсувати силу інерції, поршні виготовляються з легкосплавних матеріалів. Завдяки цьому вони мають невелику вагу. Днище деталі, також як стінки камери згоряння, стикаються з максимальними температурами. Однак дана деталь не охолоджується за допомогою циркуляції ОЖ в сорочці. Через це алюмінієвий елемент піддається сильному розширенню.

Для запобігання заклинювання поршень охолоджується маслом. У багатьох моделях авто мастило подається природним шляхом - масляний туман осідає на поверхні і стікає назад в піддон. Однак зустрічаються двигуни, в яких масло подається під напором, забезпечуючи кращий тепловідвід від нагрітої поверхні.

Поршневі кільця

Поршневі кільця виконує свою функцію в залежності від того, в якій частині головки поршня воно встановлено:

• Компресійні - самі верхні. Вони забезпечують ущільнення між стінками циліндра і поршня. Їх призначення - не дати газам з надпоршневого простору проникнути в картер. Щоб полегшити установку деталі, в ній зроблено розріз;
• Маслос'емниє - забезпечують видалення надлишку олії зі стінок циліндра, а також запобігають проникнення мастила в надпоршневомупростір. Ці кільця мають спеціальні канавки, що полегшують відведення масла до дренажним проточков поршня.

Діаметр кілець завжди більше діаметра циліндра. Завдяки цьому вони забезпечують ущільнення в циліндропоршневої групі. Щоб ні гази, ні масло не просочувалися через замки, кільця розміщуються на своїх місцях зі зміщенням прорізів відносно один одного.

Матеріал, який використовується для виготовлення кілець, залежить від їх застосування. Так, компресійні елементи найчастіше виконані з чавуну високої міцності і мінімальним вмістом домішок, а маслознімні - з високолегованої сталі.

поршневий палець

Ця деталь дозволяє закріпити поршень на шатун. Виглядає він у вигляді порожнистої трубки, яка поміщається під головкою поршня в бобишки і одночасно через отвір головки шатуна. Щоб палець не зміщувався, його фіксують стопорними кільцями по обидва боки.

Подібна фіксація дозволяє пальцю вільно провертатися, що знижує опір руху поршня. Це також запобігає утворенню вироблення лише на місці кріплення в поршні або шатуне, що значно подовжує робочий ресурс деталі.

Для запобігання зносу внаслідок сили тертя деталь виготовляють зі сталі. А для більшої стійкості до термічних навантажень її спочатку загартовують.

шатун

Шатун є товсту тягу з ребрами жорсткості. З одного боку в ньому є поршнева головка (отвір, в який вставляється палець поршня), а з іншого - кнівошіпная головка. Другий елемент є розбірним, щоб деталь можна було зняти або встановити на шийку кривошипа колінчастого вала. У ньому є кришка, яка кріпиться до голівки за допомогою болтів, а для запобігання передчасного зносу деталей, в нього встановлюється вкладиш з отворами для змащення.

Вкладиш нижньої головки називається шатунним підшипником. Він виконаний з двох сталевих пластин з вигнутими вусиками для фіксації в голівці.

Щоб знизити силу тертя внутрішньої частини верхньої головки, в неї запресовується бронзова втулка. Якщо вона зноситься, не потрібно буде міняти весь шатун. У втулці є отвори для подачі масла на палець.

Існує кілька модифікацій шатунів:

• Бензинові мотори найчастіше оснащуються шатунами з розташуванням роз'єму головки під прямим кутом щодо осі шатуна;
• Дизельні ДВС мають шатуни з косим роз'ємом головки;
• V-подібні двигуни нерідко оснащуються спареними шатунами. Другорядний шатун другого ряду фіксується на основному за допомогою пальця за тим же принципом, що і до поршня.

Колінчастий вал

Цей елемент складається з декількох кривошипів зі зміщеним розташуванням шатунних шийок щодо осі корінних шийок. Про різних типах колінвалів і їх особливості вже є окремий огляд.

Призначення цієї деталі - перетворити поступальний рух від поршня в обертальний. Шатунная шийка кривошипа з'єднується з нижньою головкою шатуна. У двох або декількох місцях клонували є корінні підшипники, що запобігають утворенню вібрації внаслідок незбалансованого обертання кривошипів.

Більшість колінчастих валів оснащені противагами, які приглушують відцентрові сили, що діють на корінні підшипники. Деталь виготовляється шляхом лиття або виточується на токарних верстатах з єдиної болванки.

На носку коленвала кріпиться шків, який приводить в рух газорозподільний механізм та інше обладнання, наприклад, помпу, генератор і привід кондиціонера. На хвостовику є фланець. До нього кріпиться маховик.

маховик

Деталь, що має форму диска. Про форми і типах різних маховиків і про їх відмінностях також присвячена окрема стаття. Він необхідний для подолання опору стиснення в циліндрах, коли поршень виконує такт стиснення. Це забезпечується завдяки інерції обертового чавунного диска.

На торці деталі зафіксований зубчастий вінець. До нього приєднується шестерня Бендикс стартера в момент запуску двигуна. З боку, протилежного фланця, поверхня маховика стикається з диском зчеплення кошика трансмісії. Максимальна сила тертя між цими елементами забезпечує передачу крутного моменту на вал коробки передач.

Як видно, кривошипно-шатунний механізм має складний пристрій, через що ремонт агрегату повинен виконуватися виключно професіоналами. Щоб продовжити ресурс двигуна, вкрай важливо дотримуватися регламенту планового технічного обслуговування авто.

Додатково подивіться відеоогляд про КШМ:

Кривошипно-шатунний механізм (КШМ). основи

Питання та відповіді:

Які деталі входять у кривошипно-шатунний механізм? Нерухомі деталі: блок циліндрів, головка блоку, гільзи циліндрів, вкладиші та корінні підшипники. Рухливі деталі: поршень з кільцями, палець поршня, шатун, колінвал та маховик.

Як називається ця деталь КШМ? Це кривошипно-шатунний механізм. Він перетворює зворотно-поступальні рухи поршнів у циліндрах у обертальні рухи коленвала.

Яку функцію виконують нерухомі деталі КШМ? Ці деталі відповідають за точний напрямок рухомих деталей (наприклад, вертикальне переміщення поршнів) та надійну фіксацію їх для обертання (наприклад, корінні підшипники).