Кривошипно-шатунный механизм

    1.2.3.  Шатунная группа

  Шатунная группа включает шатун, втулки, вкладыши, болты (или шпильки) с гайками, элементы крепления вкладышей и элементы шплинтовки гаек.

  Шатун связывает  колено вала с поршнем в тронковых двигателях или с ползунами в крейцкопфных двигателях. При работе шатун совершает сложное качательное движение и подвергается переменной по величине и направлению нагрузке от давления газов и сил инерции. Действующие на шатун силы вызывают в нем сложные деформации: сжатие, растяжение, продольный и поперечный изгибы. Поэтому шатун должен быть прочным и жестким при возможно малой массе. Материалом для шатунов обычно служит углеродистая или легированная сталь, реже – алюминиевый сплав. Шатуны изготовляют большей частью ковкой в штампах с последующей механической и термической обработкой.

  В зависимости  от типа двигателя и расположения цилиндров шатуны можно разделить  на три группы:

           - шатуны однорядных двигателей с тронковым кривошипно-шатунным механизмом;   

           - шатуны двухрядных двигателей (V-, W- ,VR-образных);

            -шатуны двигателей с крейцкопфным кривошипно-ша- тунным механизмом.

  Основные элементы конструкции шатуна тронкового кривошипно-шатунного механизма следующие: верхняя (или поршневая) головка шатуна, стержень (или тело) и нижняя головка.

  Верхняя головка  шатуна, которая охватывает поршневой  палец, обычно делается неразъемной  цилиндрической формы. В нее запрессовывается бронзовая втулка или вставляются  стальные вкладыши с тонким слоем  антифрикционного сплава, которые являются подшипником поршневого пальца. Иногда втулку в верхней головке шатуна стопорят болтом, чтобы предотвратить  ее проворачивание и перемещение  в осевом направлении (рис. 1.14).  
 

  Рис. 1.14. Конструкции  верхних головок шатуна 

  Масло для  смазки подшипника верхней головки  шатуна подводится от шатунной шейки  коленчатого вала по каналу в стержне  шатуна или забрасывается при  вращении вала. Иногда в верхнюю  головку шатуна ставят игольчатый подшипник, однако из-за ударной нагрузки подшипники качения не получили широкого применения.

  Стержень шатуна, соединяющий его верхнюю и  нижнюю головки, может быть различной  формы сечения (рис. 1.15). В тихоходных двигателях сечение стержня часто  имеет цилиндрическую или овальную форму. Стержни с таким сечением просты в изготовлении, но круглая  форма нерациональна, так как  при равной жесткости шатун с  круглым стержнем получается более  тяжелым. Для уменьшения массы круглый  стержень делают обычно пустотелым (сверленым). Во избежание концентрации напряжений переходы от стержня к головкам выполняются  более плавными. Так как нижняя головка всегда значительно больше верхней, поперечное сечение стержня должно постепенно увеличиваться от верхней головки к нижней. В быстроходных двигателях стержень шатуна изготовляют преимущественно двутаврового сечения; в этом случае обеспечивается наибольшая жесткость детали в плоскости качания при наименьшей массе. Для подвода масла к подшипнику поршневого пальца большей частью по всей длине стержня высверливают отверстие диаметром 6–8 мм. 
 
 

  Рис. 1.15. Сечение  стержня шатуна

  Нижняя головка  шатуна (рис. 1.16) по условиям ее монтажа, как правило, делается разъемной  и имеет размеры, позволяющие  вынимать поршень с шатуном через  цилиндр. Разъем головки обычно располагают  в плоскости оси шатунной шейки. При значительном диаметре шатунных шеек нижнюю головку шатуна иногда изготовляют с косым разъемом для облегчения демонтажа шатуна через цилиндр.

  Неразъемные нижние головки в виде исключения применяют только в двигателях, коленчатые валы которых делаются разъемными, а также в случае применения подшипников  качения (мотоциклетные, звездообразные и другие двигатели)

  Рис. 1.16. Конструкции  нижних головок шатуна

  Крышка шатуна – это нижняя часть его головки. Она может быть зафиксирована относительно верхней различными способами: фиксирующим пояском у шатунных болтов, штифтами, буртиками на крышке, шлицами в полости стыка. Нижнюю головку шатуна или непосредственно заливают антифрикционным сплавом, или снабжают вкладышами с заливкой. Для регулирования зазора в шатунном подшипнике в плоскости разъема нижней головки шатуна двигателей больших размеров помещают набор калиброванных прокладок.

  Шатунные подшипники, так же как и коренные, имеют  вид толсто- или тонкостенных вкладышей  с баббитовой или свинцовисто-бронзовой  заливкой, а также сталеалюминиевых вкладышей. От проворачивания и смещения в осевом направлении вкладыши подшипника фиксируются штифтами или выступами, которые входят в соответствующие пазы в крышке.

  Шатунные болты  для крепления разъемных кривошипных  головок шатуна испытывают переменные нагрузки. Основной нагрузкой являются сила инерции поступательно движущихся частей и центробежная сила инерции  массы вращающейся части шатуна за вычетом массы крышки. Сила предварительной  затяжки болтов должна обеспечивать плотность стыка и значительно  превосходить по величине силу, стремящуюся  раскрыть стык. При недостаточной  жесткости шатунной головки и  неточности ее изготовления опорные  поверхности головки и гайки  шатунного болта перекашиваются, что вызывает дополнительные напряжения от изгиба болта. Обрыв шатунного  болта на работающем двигателе обычно вызывает разрушение деталей кривошипно-шатунного  механизма и корпуса.

  В двухрядных V- ,VR- и W-образных двигателях с неразъемным  коленчатым валом возможны три способа  размещения шатунов на коленчатом вале:

  Сочлененные шатуны (рис. 1.17). Нижняя головка главного шатуна имеет косой разъем относительно оси шатуна. Крышка крепится к головке  шпильками. В верхней части нижней головки имеются две проушины, расположенные под углом, соответствующим  углу развала цилиндров двигателя. Прицепной шатун снабжен неразъемной  нижней головкой с бронзовой втулкой. Сочленение нижней головки прицепного шатуна с главным осуществляется при помощи пальца, установленного в проушинах главного шатуна. Масло  к рабочей поверхности бронзовой  втулки прицепного шатуна подводится от главного шатуна по системе отверстий  и через внутреннюю полость пальца.

  Центральные шатуны (рис. 1.18). Нижнюю головку главного шатуна выполняют вильчатой (рис. 1.18б). Две отъемные нижние крышки охватывают стальной разрезной вкладыш шатунного подшипника (рис. 1.18а). Заливка антифрикционным сплавом на вкладышах делается по всей внутренней поверхности, а также посередине наружной поверхности. В развилку главного шатуна входит нижняя разъемная головка внутреннего шатуна (рис. 1.18в), которая охватывает средний пояс вкладыша.  
 

  Рис. 1.17. Сочлененные  шатуны 

а   б   в

Рис. 1.18. Центральные  шатуны 

  3) Смещенные  шатуны. В этом случае на одной  общей шатунной шейке рядом  расположены две нижние головки  шатунов нормального типа, применяющихся  в однорядных двигателях.

  Преимуществом сочлененных шатунов является повышенная жесткость нижней головки. К недостаткам  следует отнести различный ход  поршней, соединенных с главными и прицепными шатунами, и сложность  конструкции сочлененных шатунов. Центральные шатуны обеспечивают одинаковый ход поршней правого и левого рядов цилиндров, но также сложны в изготовлении и не обладают достаточной  жесткостью. В случае применения смещенных  шатунов приходится смещать ряды цилиндров в осевом направлении  один относительно другого, что увеличивает  длину двигателя и усложняет  конструкцию передачи механизма  газораспределения. Однако в современных  двигателях часто при-меняются смещенные шатуны.

  В кривошипно-шатунном механизме крейцкопфного типа шатун  сочленяется с поршнем через  шток и крейцкопф (ползун). С головкой поршня шток соединяется при помощи фланца, откованного вместе с ним. Крейцкопф представляет собой стальную паковку с двумя цапфами для  соединения с верхней вильчатой  головкой шатуна. Шток поршня крепится к крейцкопфу. Кроме того, к крейцкопфу болтами присоединяется один или  два башмака с плоской или  цилиндрической подошвой, залитой антифрикционным  сплавом. Башмаки движутся по направляющим крейцкопфа. Обычно верхние головки  вилки шатуна делаются разъемными с  крышками, которые крепятся болтами. В верхние головки вставляются  вкладыши, залитые антифрикционным  сплавом.

    1.2.4. Коленчатый вал  и маховик

  Коленчатый  вал относится к числу наиболее ответственных, напряженных и дорогостоящих  деталей двигателя. При работе двигателя  вал нагружается силами давления газов, а также силами инерции  движущихся возвратно-поступательно  и вращающихся деталей, вызывающими  значительные напряжения кручения и  изгибные напряжения. Кроме того, возникают  напряжения от крутильных колебаний. Шейки  вала испытывают переменное давление, обусловливающее значительную работу трения и износ шеек. Вследствие этого коленчатый вал двигателя  должен обладать высокой прочностью, жесткостью и износостойкостью трущихся поверхностей (шеек) при относительно небольшой массе (масса вала составляет 7–15% массы двигателя).

  Коленчатые  валы изготовляют обычно из качественных углеродистых или легированных сталей ковкой или штамповкой. Применяют  также литые валы из высокопрочного чугуна и стали.На рис. 1.19 показана конструкция коленчатого вала двигателя. Коленчатый вал имеет коренные 4 и шатунные 3 шейки. Последние расположены под определенным углом одна к другой. Щеки 2 вала выполнены как одно целое с противовесами 6. В шатунных шейках имеются полости для дополнительной центробежной очистки масла. Осевые силы воспринимаются полукольцами, расположенными в расточке блок-картера и крышке коренного подшипника. К фланцу 5 крепится маховик 1.

  Относительное расположение колен на валу должно удовлетворять требованиям равномерности  хода и уравновешенности двигателя.  
 

  Рис. 1.19. Конструкция  коленчатого вала двигателя

  Наиболее нагружены  коленчатые валы дизелей скоростью  нарастания давления и значительными  массами деталей кривошипно-шатунного  механизма. Как правило, число коренных опор коленчатых валов дизелей на одну больше числа шатунных шеек. В  менее нагруженных (карбюраторных) двигателях иногда применяют валы, имеющие коренные опоры через  два колена, что упрощает устройство двигателя и уменьшает его  длину. Большая часть валов для  уравновешивания центробежных сил  снабжается противовесами. Противовесы  изготовляют как одно целое со щеками или отъемными. Отъемные противовесы  крепятся к щеке шпильками, болтами  или при помощи шипового соединения с коническим пальцем. Большинство  коленчатых валов является неразъемными, только в крупных крейцкопфных двигателях, а также в мотоциклетных двигателях малой мощности применяются составные  конструкции коленчатого вала.

  Маховик служит для вывода поршней из мертвых  точек и уменьшения неравномерности  вращения коленчатого вала.

  Накопленная кинетическая энергия облегчает  работу двигателя при трогании с места и преодолении кратковременных перегрузок. Маховик представляет собой массивный литой диск, который отливается из чугуна. Он крепится болтами и фиксируется штифтами на фланце коленчатого вала или непосредственно на его хвостовике. На ободе маховика установлен зубчатый венец, который передает коленчатому валу момент от пускового устройства.

  Размеры и  масса маховика зависят от частоты  вращения и числа цилиндров. С  увеличением частоты вращения количество кинетической энергии повышается, поэтому  у быстроходных двигателей масса  и размеры маховика меньше. Неравномерность  вращения коленчатого вала уменьшается  с увеличением числа цилиндров, следовательно, чем больше цилиндров, тем легче маховик двигателя.