Коленчатый вал
Коленчатый вал передает усилия от поршней к агрегатам и механизмам силовой передачи автомобиля. Коленчатый вал состоит из коренных 4 и шатунных 3 шеек, щек 2, носка 1, хвостовика 6 и противовесов 5.
Коренными шейками коленчатый вал опирается на коренные подшипники, расположенные в картере. Количество их может быть различным. По числу коренных шеек коленчатые валы разделяются на двух-, трех-, четырехопорные и т.п.
Шатунные шейки соединяют коленчатый вал с нижней головкой шатуна; диаметр их несколько меньше диаметра коренных шеек. Количество шеек зависит от количества и расположения цилиндров двигателя. Так, при рядном расположении цилиндров оно совпадает с количеством цилиндров.
Щеки связывают шатунные и коренные шейки и образуют вместе с шатунными шейками кривошипы коленчатого вала. Расположение кривошипов на валу зависит от порядка работы цилиндров двигателя.
Носок коленчатого вала используется для установки распределительной шестерни, шкива привода вентилятора и храповика для запуска двигателя при помощи пусковой рукоятки.
Хвостовик коленчатого вала имеет фланец, на который устанавливается маховик.
Противовесы предназначены для уравновешивания сил инерции, возникающих при движении поршней и шатунов. Уравновешивание сил инерции способствует более равномерной работе двигателя и уменьшает износ коренных шеек и подшипников коленчатого вала. Обычно они устанавливаются на коленчатых валах быстроходных двигателей с чугунными поршнями, а в двигателях с легкими алюминиевыми поршнями и жестким коленчатым валом не устанавливаются.
Для подвода масла от коренных шеек к шатунным подшипникам в щеках коленчатого вала просверливаются каналы.
Коленчатые валы изготовляются из качественных сталей ковкой или штамповкой с последующей механической и термической обработкой. Шейки коленчатого вала тщательно шлифуются и полируются.
В последнее время в автомобильной промышленности широко внедряется литье коленчатых валов из специального чугуна. Литые валы применяются, в частности, для двигателей автомобилей «Волга».
В некоторых многоцилиндровых двигателях коленчатый вал имеет значительную длину. При работе такого двигателя происходит незаметное на глаз закручивание коленчатого вала попеременно то в одну, то в другую сторону — вал начинает колебаться относительно своей оси. Такие колебания называются крутильными. Чтобы предупредить поломку вала в результате действия крутильных колебаний, на нем устанавливается специальный гаситель.
Поршневые кольца
Поршневые кольца обеспечивают плотное подвижное соединение поршня с цилиндром. Они предотвращают прорыв газов из надпоршневой полости в картер и попадание масла в камеру сгорания. Различают компрессионные и маслосъемные кольца.
Компрессионные кольца (два или три) устанавливают в верхние канавки поршня. Они имеют разрез, называемый замком, и поэтому могут пружинить. В свободном состоянии диаметр кольца должен быть несколько больше диаметра цилиндра. При введении в цилиндр такого кольца в сжатом состоянии оно создает плотное соединение. Для того чтобы обеспечить возможность расширения установленного в цилиндре кольца при нагревании, в замке должен быть зазор 0,2…0,4 мм. С целью обеспечения хорошей приработки компрессионных колец к цилиндрам часто применяют кольца с конусной наружной поверхностью, а также скручивающиеся кольца с фаской на кромке с внутренней или наружной стороны. Благодаря наличию фаски такие кольца при установке в цилиндр перекашиваются в сечении, плотно прилегая к стенкам канавок на поршне.
Маслосъемные кольца (одно или два) удаляют масло со стенок цилиндра, не позволяя ему попадать в камеру сгорания. Они располагаются на поршне под компрессионными кольцами. Обычно маслосъемные кольца имеют кольцевую канавку на наружной цилиндрической поверхности и радиальные сквозные прорези для отвода масла, которое по ним проходит к дренажным отверстиям в поршне (см. рис. а). Кроме маслосъемных колец с прорезями для отвода масла используются составные кольца с осевыми и радиальными расширителями.
Для предотвращения утечки газов из камеры сгорания в картер через замки поршневых колец необходимо следить за тем, чтобы замки соседних колец не располагались на одной прямой.
Поршневые кольца работают в сложных условиях. Они подвергаются воздействию высоких температур, а смазывание их наружных поверхностей, перемещающихся с большой скоростью по зеркалу цилиндра, недостаточно. Поэтому к материалу для поршневых колец предъявляются высокие требования. Чаще всего для их изготовления применяют высокосортный легированный чугун. Верхние компрессионные кольца, работающие в наиболее тяжелых условиях, обычно покрывают с наружной стороны пористым хромом. Составные маслосъемные кольца изготавливают из легированной стали.
Устройство кривошипно-шатунного механизма
Поршень похож на перевернутый стакан, в который укладываются кольца. На любом из них присутствуют два вида колец: маслосъемное и компрессионное. Маслосъемных обычно ставят два, а компрессионных – одно. Но бывают и исключения в виде: два таких и два таких — все зависит от типа двигателя.
Шатун изготавливается из двутаврового стального профиля. Состоит из верхней головки, которая соединяется с поршнем при помощи пальца, и нижней – соединение с коленчатым валом.
Коленчатый вал изготавливается в основном из чугуна повышенной прочности. Представляет собой несоосный стержень. Все шейки тщательно шлифуются, с соблюдением необходимых параметров. Существуют коренные шейки — для установки коренных подшипников, и шатунные – для установки через подшипники шатунов.
Роль подшипников скольжения выполняют разрезные полукольца, выполненные в виде двух вкладышей, которые обработаны токами высокой частоты для прочности. Все они покрыты антифрикционным слоем. Коренные крепятся к блоку двигателя, а шатунные — к нижней головке шатуна. Чтобы вкладыши хорошо работали, в них делают канавки для доступа масла. Если вкладыши провернуло – значит, имеется недостаточный подвод масла к ним. Это обычно происходит при засорении масляной системы. Вкладыши ремонту не подлежат.
Продольное перемещение вала ограничивают специальные упорные шайбы. С обоих концов обязательно применение различных сальников для предотвращения выхода масла из системы смазки двигателя.
К передней части коленвала крепится шкив привода системы охлаждения и звездочка, которая приводит в действие распредвал при помощи цепной передачи. На основных моделях выпускаемых сегодня автомобилей ей на замену пришел ремень. К задней части коленчатого вала крепится маховик. Он предусмотрен для устранения дисбаланса вала.
Также на нем стоит зубчатый венец, предназначенный для пуска двигателя. Чтобы при разборке и дальнейшей сборке не возникало проблем – крепеж маховика выполняется по не симметричной системе. От расположения меток его установки зависит и момент зажигания – следовательно, оптимальная работа двигателя. При изготовлении его балансируют вместе с коленчатым валом.
Картер двигателя изготавливается вместе с блоком цилиндров. Он служит основой для крепления ГРМ и КШМ. Имеется поддон, который служит емкостью для масла, а так же для защиты двигателя от деформации. Снизу предусмотрена специальная пробка для слива моторного масла.
Принцип работы КШМ
На поршень оказывают давление газы, которые вырабатываются при сгорании топливной смеси. При этом он совершает возвратно – поступательные движения, заставляя проворачиваться коленчатый вал двигателя. От него вращательное движение передается на трансмиссию, а оттуда – на колеса автомобиля.
А вот на видео показано как работает КШМ в тюнингованном ВАЗ 2106:
https://youtube.com/watch?v=jmcssqJNFTg
Основные признаки неисправности КШМ:
- стуки в двигателе;
- потеря мощности;
- снижение уровня масла в картере;
- повышенная дымность выхлопных газов.
Кривошипно-шатунный механизм двигателя очень уязвим. Для эффективной работы необходима своевременная замена масла. Лучше всего ее производить на станциях техобслуживания. Даже, если Вы недавно поменяли масло, и приходит пора сезонного ТО – обязательно перейдите на то масло, какое указано в инструкции по эксплуатации машины. Если в работе двигателя возникают какие-то проблемы: шумы, стуки – обращайтесь к специалистам – только в авторизированном центре Вам дадут объективную оценку состояния автомобиля.
Также на эту тему вы можете почитать:
Как выбрать зарядное устройство для автомобильного аккумулятора
Стреляет в карбюратор (ВАЗ 2109) и другие неисправности карба
Система зажигания очень важна для автомобиля
Как выбрать видеорегистратор для автомобиля правильно и недорого
Что такое спойлер и какая у него роль в современном автомобиле?
Alex S 13 октября, 2013
Опубликовано в: Полезные советы и устройство авто
Метки: Как устроен автомобиль
Признаки наличия неисправностей в работе КШМ
Могут насторожить посторонние стуки в двигателе. Возможно, это связано с детонацией или вам попалось не слишком качественное топливо. Последствия как детонации, так и некачественного топлива могут быть печальными. Звук при детонации более звонкий, а вот глухой звук может свидетельствовать о том, что износились шейки коленвала. Если же он совсем звонкий и происходит не только при резком увеличении оборотов (например, если вы быстро тронулись с места), то вполне возможно, что вкладыши шейки коленвала начинают плавиться. Возможно, причиной масляное голодание, но так или иначе – в сервис.
Также многое может сказать дым из двигателя. Если он сизый, то значит, что в камеру сгорания попадает масло. Возможно, виной тому маслосъёмные колпачки ГРМ, а возможно, проблема в поршневых кольцах. Накопление нагара на поршнях и цилиндрах приводит к увеличению трения и повышенному износу деталей. Если проблема в кольцах, то будет снижена компрессия, хотя понижение компрессии может быть связано и с другими причинами.
Гильза
Съёмная гильза
Гильзы существуют двух типов – сделанные непосредственно в блоке и являющиеся их частью, и съемные. Что касается выполненных в блоке, то представляют они собой цилиндрические углубления в нем нужной высоты и диаметра.
Съемные же имеют тоже цилиндрическую форму, но с торцов они открыты. Зачастую для надежной посадки в свое посадочное место в блоке, в верхней части ее имеется небольшой отлив, обеспечивающий это. В нижней же части для плотности используются резиновые кольца, установленные в проточные канавки на гильзе.
Внутренняя поверхность гильзы называется зеркалом, потому что она имеет высокую степень обработки, чтобы обеспечить минимально возможное трение между поршнем и зеркалом.
В двухтактных двигателях в гильзе проделываются на определенном уровне несколько отверстий, которые называются окнами. В классической схеме ДВС используется три окна – для впуска, выпуска и перепуска топливной смеси и отработанных продуктов. В оппозитных же установках типа ОРОС, которые тоже являются двухтактными, надобности в перепускном окне нет.
Маятник Капицы
Обычный маятник, если перевернуть его кверху ногами, неустойчив. Для него крайне трудно найти верхнюю точку равновесия. Но если совершать быстрые вертикальные возвратно-поступательные колебания, то положение такого маятника становится устойчивым.
Петр Леонидович Капица
Советский академик и нобелевский лауреат по физике Петр Леонидович Капица (1894 — 1984) использовал модель маятника с вибрирующим подвесом для построения новой теории, которая описывала эффекты стабилизации тел или частиц. Работа Капицы по стабилизации маятника была опубликована в 1951 году, а сама модель получила название «маятник Капицы». Более того, было открыто новое направление в физике — вибрационная механика. Данная модель позволила наглядно показать возможности высокочастотной электромагнитной стабилизации пучка заряженных частиц в ускорителях.
Владимир Игоревич Арнольд
Другой советский математик и академик Владимир Игоревич Арнольд (1937-2010), который был заместителем Капицы, вспоминал его слова:
«Он (Капица — примечание) сказал: «Вот смотрите — когда придумывается какая-то физическая теория, то прежде всего надо сделать маленький какой-нибудь прибор, на котором его наглядно можно было-бы продемонстрировать кому угодно. Например, Будкер и Векслер хотят делать ускорители на очень сложной системе. Но я посмотрел, что уравнения, которые говорят об устойчивости этого пучка, означают, что если маятник перевернут кверху ногами, он обычно неустойчив, падает. Но если точка подвеса совершает быстрые вертикальные колебания, то он становится устойчивым. В то время как ускоритель стоит много миллионов, а этот маятник можно очень легко сделать. Я его сделал на базе швейной электрической машинки, он вот здесь стоит». Он нас отвел в соседнюю комнату и показал этот стоящий вертикально маятник на базе швейной машинки».
Демонстрация динамической стабилизации перевернутого маятника с помощью электробритвы
У математика Арнольда не было своей швейной машинки, и он огорчился. Но у него была электробритва «Нева», из которой и был собран перевернутый маятник. К сожалению, в первой конструкции маятник падал. Тогда Арнольд вывел формулу и увидел, что длина маятника не должна быть больше 12 сантиметров. Известный математик укоротил подвес до 11 сантиметров и все получилось.
Давайте посмотрим, какие силы действуют на «маятник Капицы». После прохождения верхней мертвой точки подвес маятника начинает тянуть грузик вниз. После прохождения нижней мертвой точки подвес толкает грузик вверх. Так как углы вежду векторами сил в верхней и нижней точке разные, то сумма их векторов дает силу, направленную к оси вертикальных колебаний маятника. Если эта сила больше силы тяжести, то верхнее положение маятника становится устойчивым.
А эта формула описывает взаимосвязь частоты вибраций подвеса, амплитуды колебаний и длины жесткого подвеса.
Видео:
- GetAClass. Маятник Капицы
- Маятник Капицы: диалог академика Арнольда и Капицы, вывод формулы
Уравнения по отношению к угловому положению кривошипа (для центрального КШМ) [ править | править код ]
Уравнения, которые описывают циклическое движение поршня по отношению к углу поворота кривошипа. Примеры графиков этих уравнений показаны ниже.
Положение
Положение относительно угла кривошипа (преобразованием отношений в треугольнике):
l 2 − r 2 = x 2 − 2 ⋅ r ⋅ x ⋅ cos A <displaystyle l^<2>-r^<2>=x^<2>-2cdot rcdot xcdot cos A>
Скорость
Скорость по отношению к углу поворота кривошипа (первая производная взята, используя правило дифференцирования сложной функции):
x ′ = d x d A = − r sin A + ( 1 2 ) . ( − 2 ) . r 2 sin A cos A l 2 − r 2 sin 2 A = − r sin A − r 2 sin A cos A l 2 − r 2 sin 2 A <displaystyle <eginx’&=&<frac >\&=&-rsin A+<frac <(<frac <1><2>>).(-2).r^<2>sin Acos A><sqrt -r^<2>sin ^<2>A>>>\&=&-rsin A-<frac2> sin Acos A><sqrt2> -r^<2>sin ^<2>A>>>end2>>>
Ускорение
Ускорение относительно угла кривошипа (вторая производная взята, используя правило дифференцирования сложной функции и частное правило):
x ″ = d 2 x d A 2 = − r cos A − r 2 cos 2 A l 2 − r 2 sin 2 A − − r 2 sin 2 A l 2 − r 2 sin 2 A − r 2 sin A cos A . ( − 1 2 ) ⋅ ( − 2 ) . r 2 sin A cos A ( l 2 − r 2 sin 2 A ) 3 = − r cos A − r 2 ( cos 2 A − sin 2 A ) l 2 − r 2 sin 2 A − r 4 sin 2 A cos 2 A ( l 2 − r 2 sin 2 A ) 3 <displaystyle <eginx»&=&<frac x>2>>>\&=&-rcos A-<frac2> cos ^<2>A><sqrt2> -r^<2>sin ^<2>A>>>-<frac <-r^<2>sin ^<2>A><sqrt2> -r^<2>sin ^<2>A>>>-<frac2> sin Acos A.(-<frac <1><2>>) cdot (-2).r^<2>sin Acos A><left (<sqrt2> -r^<2>sin ^<2>A>>
ight)^<3>>>\&=&-rcos A-<frac2> (cos ^<2>A-sin ^<2>A)><sqrt2> -r^<2>sin ^<2>A>>>-<frac sin ^<2>Acos ^<2>A><left (<sqrt4>2> -r^<2>sin ^<2>A>>
ight)^<3>>>end2>>>
Устройство КШМ
Кривошипно-шатунный механизм двигателя состоит из трех основных деталей:
- Цилиндро-поршневая группа (ЦПГ).
- Шатун.
- Коленчатый вал.
Все эти компоненты размещаются в блоке цилиндров.
ЦПГ
Назначение ЦПГ — преобразование выделяемой при горении энергии в механическое действие – поступательное движение. Состоит ЦПГ из гильзы – неподвижной детали, посаженной в блок в блок цилиндров, и поршня, который перемещается внутри этой гильзы.
После подачи внутрь гильзы топливовоздушной смеси, она воспламеняется (от внешнего источника в бензиновых моторах и за счет высокого давления в дизелях). Воспламенение сопровождается сильным повышением давления внутри гильзы. А поскольку поршень это подвижный элемент, то возникшее давление приводит к его перемещению (по сути, газы выталкивают его из гильзы). Получается, что выделяемая при горение энергия преобразуется в поступательное движение поршня.
Для нормального сгорания смеси должны создаваться определенные условия – максимально возможная герметичность пространства перед поршнем, именуемое камерой сгорания (где происходит горение), источник воспламенения (в бензиновых моторах), подача горючей смеси и отвод продуктов горения.
Герметичность пространства обеспечивается головкой блока, которая закрывает один торец гильзы и поршневыми кольцами, посаженными на поршень. Эти кольца тоже относятся к деталям ЦПГ.
Шатун
Следующий компонент КШМ – шатун. Он предназначен для связки поршня ЦПГ и коленчатого вала и передает механических действий между ними.
Шатун представляет собой шток двутавровой формы поперечного сечения, что обеспечивает детали высокую устойчивость на изгиб. На концах штока имеются головки, благодаря которым шатун соединяется с поршнем и коленчатым валом.
По сути, головки шатуна представляют собой проушины, через которые проходят валы обеспечивающие шарнирное (подвижное) соединение всех деталей. В месте соединения шатуна с поршнем, в качестве вала выступает поршневой палец (относится к ЦПГ), который проходит через бобышки поршня и головку шатуна. Поскольку поршневой палец извлекается, то верхняя головка шатуна – неразъемная.
В месте соединения шатуна с коленвалом, в качестве вала выступают шатунные шейки последнего. Нижняя головка имеет разъемную конструкцию, что и позволяет закреплять шатун на коленчатом валу (снимаемая часть называется крышкой).
Коленчатый вал
Назначение коленчатого вала — это обеспечение второго этапа преобразования энергии. Коленвал превращает поступательное движение поршня в свое вращение. Этот элемент кривошипно-шатунного механизма имеет сложную геометрию.
Состоит коленвал из шеек – коротких цилиндрических валов, соединенных в единую конструкцию. В коленвале используется два типа шеек – коренные и шатунные. Первые расположены на одной оси, они являются опорными и предназначены для подвижного закрепления коленчатого вала в блоке цилиндров.
В блоке цилиндров коленчатый вал фиксируется специальными крышками. Для снижения трения в местах соединения коренных шеек с блоком цилиндров и шатунных с шатуном, используются подшипники трения.
Шатунные шейки расположены на определенном боковом удалении от коренных и к ним нижней головкой крепится шатун.
Коренные и шатунные шейки между собой соединяются щеками. В коленчатых валах дизелей к щекам дополнительно крепятся противовесы, предназначенные для снижения колебательных движений вала.
Шатунные шейки вместе с щеками образуют так называемый кривошип, имеющий П-образную форму, который и преобразует поступательного движения во вращение коленчатого вала. За счет удаленного расположения шатунных шеек при вращении вала они движутся по кругу, а коренные — вращаются относительно своей оси.
Количество шатунных шеек соответствует количеству цилиндров мотора, коренных же всегда на одну больше, что обеспечивает каждому кривошипу две опорных точки.
На одном из концов коленчатого вала имеется фланец для крепления маховика – массивного элемента в виде диска. Основное его назначение: накапливание кинетической энергии за счет которой осуществляется обратная работа механизма – преобразование вращения в движение поршня. На втором конце вала расположены посадочные места под шестерни привода других систем и механизмов, а также отверстие для фиксации шкива привода навесного оборудования мотора.
Примечания
- ↑ Короткоходный двигатель / М. А. Латинский // Конда — Кун. — М. : Советская энциклопедия, 1973. — (Большая советская энциклопедия : / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 13).
- ↑ Тронковый двигатель // Тихоходки — Ульяново. — М. : Советская энциклопедия, 1977. — (Большая советская энциклопедия : / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 26).
- ↑ Крейцкопфный двигатель / В. И. Ефанов // Конда — Кун. — М. : Советская энциклопедия, 1973. — (Большая советская энциклопедия : / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 13).
- ↑ 12 Ritti, Tullia; Grewe, Klaus; Kessener, Paul (2007), «A Relief of a Water-powered Stone Saw Mill on a Sarcophagus at Hierapolis and its Implications», Journal of Roman Archaeology, 20, pp. 138—163
- ↑ Schiöler, 2009
