Устройство и принцип действия кривошипно-шатунного механизма

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 16 Июня 2011 в 21:57, практическая работа

Описание

Назначение, схемы компоновок кривошипно-шатунных механизмов
Кривошипно-шатунный механизм служит для восприятия давления газов, возникающего в цилиндре, и преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Все детали кривошипно-шатунного механизма делятся на подвижные и неподвижные.

Работа состоит из  1 файл

автомобили.docx

— 1.63 Мб (Скачать документ)

Практическая  работа №1

Устройство  и принцип действия кривошипно-шатунного  механизма

 
 
Назначение, схемы компоновок кривошипно-шатунных механизмов 
Кривошипно-шатунный механизм служит для восприятия давления газов, возникающего в цилиндре, и преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Все детали кривошипно-шатунного механизма делятся на подвижные и неподвижные. К неподвижным деталям относятся цилиндр 5 (см. рис. 10), его головка 7 и картер 4, которые образуют

 
Рис. 16, Схемы кривошипно-шатунных механизмов

 
остов двигателя. Подвижные детали — поршень 6 с пальцем 12, шатун 13, коленчатый вал 3 и маховик 16. 
Наиболее распространенные схемы компоновок кривошипно-шатунных механизмов автомобильных двигателей представлены на рис. 16. При однорядных схемах расположения цилиндров их оси могут занимать вертикальное положение (рис. 16, а), быть наклоненными к вертикали под углом 20^-45° (рис. 16, б) и занимать горизонтальное положение (рис. 16, в). По первой схеме выполнены двигатели автомобилей ЗИЛ-157К, ГАЗ-52, ГАЗ-24 «Волга», по второй — двигатель автомобиля «Москвич-412», что позволило уменьшить его высоту, рациональнее расположить впускной трубопровод и оборудование двигателя. При горизонтальном расположении, цилиндров уменьшается высота двигателей, и их можно размещать под полом кузова (в автобусах). На схеме (рис. 16, г) представлен двигатель с двухрядным расположением цилиндров. У большинства V-образных двигателей оси цилиндров расположены под углом 90° (двигатели ЗИЛ-130, ЯМЗ-236). Двигатели, оси цилиндров которых расположены под углом 180°, называются двигателями с противоположно движущимися поршнями (рис. 16, д).

 
 
Устройство  кривошипно-шатунных механизмов
 
Цилиндры современных многоцилиндровых двигателей отлиты, как правило, в  общем блоке с верхней частью картера. Материалом для блоков цилиндров  служит серый чугун или специальный  алюминиевый сплав. Цилиндры двигателей с жидкостным охлаждением выполняют  с двойными стенками, причем внутренняя стенка образует гильзу цилиндра. Полость  между гильзой и наружной стенкой  заполнена охлаждающей жидкостью. 
Часто гильзы цилиндров выполняют вставными, что позволяет использовать для рабочих поверхностей цилиндров более износостойкие, хотя и дорогостоящие материалы. Гильзы, непосредственно омываемые охлаждающей жидкостью, называются мокрыми. У некоторых двигателей в верхнюю наиболее изнашиваемую зону гильзы впрессовывают вставки длиной 50—60 мм из износостойкого чугуна (например, нирезиста), чем значительно увеличивают срок службы гильзы. Внутренняя часть гильзы, которая направляет движение поршня вместе со вставкой, подвергается тщательной обработке резанием, в результате чего образуется поверхность, называемая зеркалом цилиндра. Двигатели, показанные на рис. 6—9, имеют мокрые вставные гильзы. 
На рис. 17 изображены неподвижные детали кривошипно-шатунного механизма двигателя ЗМЗ-53, устанавливаемого на автомобиле ГАЗ-53А. Блок цилиндров 15 отлит из алюминиевого сплава. В блоке имеются восемь гнезд 16, в которые вставляются мокрые гильзы 12 из серого чугуна со вставками из нирезиста. Блок цилиндров выполнен как одно целое с верхней частью картера 14. Плоскость разъема, к которой прикреплена нижняя половина картера (масляный поддон), расположена ниже оси коленчатого вала, что повышает жесткость

 
Рис. 17. Блок цилиндров, гильза, крышка распределительных шестерен и головка  блока двигателя ЗМЗ-53

 
конструкции. Спереди к блоку  цилиндров крепят крышку 1 (рис. 17) распределительных  шестерен. 
Головка блока цилиндра закрывает цилиндры сверху и служит для полного или частичного размещения камеры сгорания (в некоторых двигателях значительная часть камеры сгорания расположена в поршне). Камеры сгорания имеют различную форму, обеспечивающую эффективное протекание процесса, сгорания. Головки блока цилиндров изготовляют из алюминиевого сплава, обеспечивающего интенсивный отвод тепла. В головке 3 расположены камеры сгорания 7, в которые вставлены изготовленные из специального чугуна седла // клапанов. Кроме того, в головке выполнены каналы 6 и 8 для подачи горючей смеси, а также рубашка для охлаждающей жидкости с входными 4, 10 и выходными 5, 9 отверстиями. Головка прикреплена к блоку шпильками 13 и прижимает каждую гильзу цилиндров к специальным выточкам в блоке. Плоскость стыка головки и блока уплотнена сталеасбестовой прокладкой 2. Гайки шпилек головки блока затягивают соответствующим моментом только на холодном двигателе и в строго определенной последовательности, чем достигается надежное уплотнение стыка. 
Поршни воспринимают при рабочем ходе значительные усилия от расширяющихся газов. Поэтому они должны быть достаточно прочными. Для уменьшения сил инерции, действующих на поршни вследствие непрерывно изменяющейся скорости движения, их массы должны быть как можно меньшими. Для удовлетворения этих противоречивых требований поршням придается рациональная форма и их изготовляют из соответствующих материалов. Поршни подвергаются воздействию высоких температур, так как непосредственно соприкасаются с горячими газами. С целью отвода тепла поршни имеют внутренние охлаждающие ребра, одновременно повышающие их прочность. 
Поршни большинства современных автомобильных карбюраторных двигателей и дизелей изготовлены из алюминиевого сплава. Такие поршни обладают достаточной прочностью, высокой теплопроводностью и хорошими антифрикционными свойствами. Днище поршня выполняют плоским, выпуклым, вогнутым и фигурным. 
Поршень двигателя ЗИЛ-130 имеет плоское днище 4 (рис. 18, а), воспринимающее давление газов, головку 5 и юбку 6. В головке выточены канавки 2 для поршневых колец. В нижней канавке выполнены дренажные отверстия. Снизу днище поршня снабжено ребрами/. В бобышках 3 сделаны отверстия для поршневого пальца. Юбка 6 соприкасается со стенками цилиндра и передает на них боковые усилия. 
Поршень подбирают к цилиндру так, чтобы между юбкой и стенками цилиндров был минимальный зазор. Чтобы на прогретом двигателе поршни из алюминиевого сплава при расширении не заклинивались в чугунных гильзах, применяют ряд мер: на юбке поршня делают разрезы различной формы (по всей длине, П- и Т-образные); юбке в поперечном сечении придается овальная форма, а в продольном сечении — конусная; в юбку вставляют компенсирующие вставки из материалов с малым коэффициентом линейного расширения, огранивающие ее расширение; направляющую часть юбки изолируют от более горячей части поршня холодильниками — местными углублениями, не соприкасающимися со стенками цилиндров. Для лучшей

 
Рис. 18. Поршень двигателя ЗИЛ-130: 
а — общий вид; б — поршневые кольца; в — размещение колец в поршне

 
работы цилиндра поверхность юбки поршня покрывают тонким слоем олова.

 
 
Поршневые кольца
 
Поршневые кольца уплотняют полость  цилиндра, не допускают прорыва газов  в картер двигателя и попадания  масла в камеру сгорания. В соответствии с назначением они делятся  на уплотнительные (компрессионные) и  маслосъемные. Кольца обоих типов  устанавливают на каждом поршне. Кроме  того, поршневые кольца отводят тепло  от головки поршня к стенкам цилиндра. Поршневые кольца чаще всего изготовляют  из специального чугуна, а в последние  годы -г*- из стали. Вследствие упругости  кольца плотно прилегают к стенкам  цилиндра. Между разрезанными концами  колец (замками) сохраняется при  этом зазор 0,15—0,5 мм. 
На рис. 18, б, в показан комплект поршневых колец одного поршня двигателя ЗИЛ-130. Комплект состоит из трех чугунных компрессионных колец и одного составного маслосъемного кольца, собранного из стальных деталей. 
Канавка верхнего наиболее нагруженного компрессионного кольца выполнена в чугунной, залитой в поршень вставке 13. Для уменьшения износа наружные цилиндрические поверхности двух верхних компрессионных колец 7 покрыты слоем пористого хрома. Нижнее компрессионное кольцо 8 имеет коническую поверхность, большее основание конуса расположено внизу. Такие кольца быстрее прирабатываются к цилиндру. С этой же целью у всех трех компрессионных колец с внутренней стороны выполнена ступенчатая проточка, в результате чего кольцо «скручивается», прилегает к цилиндру нижней кромкой и быстрее прирабатывается. 
Маслосъемное кольцо состоит из двух стальных плоских хромированных дисков 9 и 12 и двух расширителей: осевого 10 и радиального 11 (экспандера). Расширители обеспечивают плотное прилегание дисков 9 и 12 к поверхности цилиндра и стенкам канавок поршня. На многих двигателях маслосъемные кольца выполнены не составными, а цельными. Для отвода масла, собираемого со стенок цилиндра, в таких кольцах делаются дренажные прорези или отверстия, равномерно расположенные по окружности колец. 
Поршневые пальцы служат для шарнирного соединения поршня с верхней головкой шатуна. Пальцы 6 (рис. 19) полые, стальные. Чтобы при работе пальцы не выходили из отверстий бобышек и не могли повредить зеркало цилиндра, их закрепляют в головке шатуна или в поршне. При неподвижном закреплении поверхности пальцев изнашиваются неравномерно. Поэтому предпочтительнее плавающие пальцы, зафиксированные только от осевого смещения чаще всего пружинными кольцами 5 в бобышках поршня. Во время работы прогретого двигателя плавающий палец свободно проворачивается как в бобышках поршня, так и в головке шатуна. 
Шатуны соединяют поршни 15 и 16 с кривошипами коленчатого вала, передают коленчатому валу силу от давления газов во время такта расширения, а при других тактах приводят поршень в движение. Шатун совершает сложное движение и подвергается действию значительных сил инерции. Шатуны изготовляют горячей штамповкой

 
Рис. 19. Детали кривошипно-шатунного  механизма двигателя ЗИЛ-130

 
из качественных сталей. Шатун состоит  из верхней головки 7, которая соединена  пальцем с поршнем, стержня 8 и  нижней головки 10. Для увеличения прочности  стержень шатуна обычно имеет двутавровое  сечение, расширяющееся книзу. Нижнюю головку делают разъемной. Съемная  половина // нижней головки, называемая крышкой шатуна, прикреплена к  шатуну болтами 9.

Коленчатый  вал
 
Коленчатый вал воспринимает усилияют шатунов и передает создаваемый  на нем крутящий момент трансмиссии  автомобиля. От коленчатого вала приводятся в работу различные механизмы  двигателя (механизм газораспределения, масляный насос и др.). Коленчатые валы изготовляют ковкой из легированных сталей или литьем из высококачественных чугунов. Основными частями коленчатого  вала являются коренные шейки 29, 12, 24 и 19, на которых вал установлен в  подшипниках (коренных опорах) картера  двигателя; шатунные шейки 3, 13 (третья и четвертая шейки на рис. 19 не обозначены), к которым присоединяются нижние головки шатунов; щёки 25, соединяющие шатунные и коренные шейки и образующие с шатунными шейками кривошипы вала; противовесы 28 и 17, служащие для разгрузки коренных подшипников от центробежных сил неуравновешенных масс; передняя часть 32 вала, на которой крепятся ведущая шестерня 31 привода механизма газораспределения, шкив 33 ременной передачи и храповик 1 для проворачивания вала вручную; задняя часть 20 вала, заканчивающаяся фланцем для крепления маховика.18. 
Форма коленчатого вала и расположение его кривошипов зависят от числа и расположения цилиндров, числа коренных опор, а также принятого порядка чередования рабочих ходов — порядка работы двигателя. . 
Число шатунных шеек у двигателей с однорядным расположением цилиндров равно числу цилиндров, а у У-образных двигателей, как правило, половине числа цилиндров, так как на каждой шейке таких двигателей устанавливают два шатуна. Количество коренных "шеек коленчатого вала бывает различным. Чем больше опор имеет вал, тем надежнее получается конструкция двигателя. Если между двумя смежными коренными опорами размещается только одна шатунная шейка, то число коренных шеек у такого вала всегда на одну больше числа шатунных шеек. Такие коленчатые валы, называемые полноопорными, применяют в дизелях и карбюраторных двигателях, работающих с большими нагрузками на подшипники. Неполноопорные коленчатые валы имеют по две шатунные шейки между смежными коренными опорами. Их используют в однорядных карбюраторных двигателях. 
Чтобы увеличить износостойкость, поверхности коренных и шатунных шеек коленчатых валов закаляют и подвергают тщательной обработке резанием. Для облегчения вала шейки часто выполняются пустотелыми. Полости внутри шеек используют для подвода масла к Подшипникам вала, а также для центробежной очистки масла (грязеуловитель 23). Одна из коренных опор фиксирует шайбами 2 коленчатый вал от осевых перемещений, которые вызываются силами, возникающими при работе косозубых шестерен привода- механизма газо- 
распределения и особенно силами пружин сцепления при его выключении. 
В месте выхода из картера переднюю и заднюю части коленчатого вала тщательно уплотняют сальниками. Уплотнение задней части хвостовика вала обеспечивается также маслоотражательным буртиком 21 и маслосгонной резьбой, отводящей в сторону картера попадающее на нее масло. 
Для равномерной работы многоцилиндрового двигателя необходимо, чтобы рабочие ходы в Отдельных цилиндрах чередовались через равные углы поворота коленчатого вала. Так, при четырехтактном рабочем процессе в четырехцилиндровом двигателе рабочие ходы должны чередоваться через 72074 = 180°; в шестицилиндровом двигателе — через 72076 = 120°, а в восьмицилиндровом двигателе — через 72078 = 90°. 
Для выполнения этого требования коленчатый вал четырехцилиндро: вого двигателя должен иметь кривошипы, расположенные в одной плоскости. Возможны два порядка чередования рабочих ходов в цилиндрах: 1—2—4—3 и 1—3—4—2, По равномерности работы и уравновешенности сил инерции оба эти порядка равноценны. 
В коленчатых валах шестицилиндровых двигателей с однорядным и двухрядным расположением цилиндров угол смещения кривошипов равен 120°. Для однорядного шестицилиндрового двигателя возможны коленчатые валы двух типов: у вала первого типа второй и пятый кривошипы повернуты на 120° (по часовой стрелке) относительно первого кривошипа, а третий и четвертый — на 240°; у вала второго типа второй и пятый кривошипы повернуты на 240°относительно первого кривошипа, а третий и четвертый на — 120°. Для валов каждого из двух типов возможны четыре порядка работы цилиндров. Наиболее распространен коленчатый вал второго типа, обеспечивающий порядок работы цилиндров 1—5—3—6—2—4. 
Коленчатые валы восьмицилиндровых двигателей с двухрядным расположением цилиндров под углом 90° имеют крестообразное расположение кривошипов. Порядок работы цилиндров таких двигателей: 1—5—4—2—6—3—7—8. 
При работе двигателя коленчатый вал испытывает переменные нагрузки, под действием которых в нем возникают крутильные колебания. Частота внешних сил, действующих на кривошипы коленчатого вала, зависит от угловой скорости вала и числа цилиндров двигателя. При совпадении частоты внешних сил с периодом собственных колебаний вала наступает резонанс, приводящий к интенсивному износу некоторых деталей, а иногда и к поломке коленчатого вала. Угловая скорость коленчатого вала, при которой происходит резонанс, называется критической. Чтобы избежать резонанса, коленчатым валам придается возможно большая жесткость и тем самым повышается критическая угловая скорость. Однако избежать резонанса во всем диапазоне эксплуатационных угловых скоростей вала не всегда возможно. Для гашения крутильных колебаний на коленчатых валах некоторых автомобильных двигателей устанавливают гасители (демпферы) крутильных колебаний. Их принцип действия заключается в том, что энер- 
гия крутильных колебаний коленчатого вала частично превращается в работу трения гасителя. .Гасители размещают на переднём конце вала, где амплитуды колебаний имеют наибольшее значение. 
, Гаситель крутильных колебаний коленчатого вала двигателя ЗИЛ-114 представляет собой массивный диск 1 (рис. 20), привулканизированный слоем резины 2 к фланцу 3, который прикреплен к ступице шкива 4 привода вентилятора. Крутильные колебания коленчатого вала приводят к колебаниям диска / относительно вала. 
Энергия колебаний диска превращается в работу внутреннего трения резины, вследствие чего амплитуда крутильных колебаний уменьшается.
 
 
Маховик
 
Маховик уменьшает неравномерность  вращения коленчатого вала, накапливает  энергию во время рабочего хода, необходимую для вращения вала в  течение подготовительных тактов, и  выводит детали кривошипно-шатунного  механизма из мертвых точек. Энергия, накопленная в маховике, облегчает  пуск двигателя и обеспечивает трогание автомобиля с места. В шести- и  восьмицилиндровых двигателях, в  которых рабочий ход совершается  одновременно в двух цилиндрах (перекрытие рабочих ходов), некоторые функции  маховика становятся несущественными. Поэтому с увеличением числа  цилиндров в двигателе размеры  маховика уменьшаются. 
Маховики 18 (см. рис. 19) отливают из чугуна и закрепляют на задних концах коленчатых валов. Маховик в сборе с коленчатым валом тщательно динамически балансируют для того, чтобы в максимальной степени уменьшить влияние, неуравновешенных центробежных сил, вызывающих вибрации двигателя и усиленный износ подшипников. На обод маховика напрессовывают зубчатый венец;-предназначенный для пуска двигателя электрическим стартером.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Практическая  работа №2

Устройство  механизма газораспределения

Назначение, принцип  действия и основные схемы. Механизм газораспределения служит для впуска в цилиндры горючей смеси (карбюраторные двигатели) или воздуха (дизели) и выпуска отработавших газов в соответствии с протеканием рабочего процесса в каждом цилиндре двигателя. В четырехтактных двигателях применяются главным образом клапанные механизмы газораспределения. 
Клапанные механизмы газораспределения в зависимости от места установки клапанов относительно цилиндров разделяются на механизмы с нижним и верхним расположением клапанов. Клапаны, 
перекрывающие впускные отверстия, называются впускными; клапаны, перекрывающие выпускные отверстия, — выпускными. На большинстве автомобильных двигателей в каждом цилиндре имеется по одному впускному и одному выпускному клапану. У некоторых двигателей цилиндры снабжены тремя или четырьмя клапанами: двумя впускными и одним выпускным или двумя впускными и двумя выпускными. 
 
Схема механизмов газораспределения:

·  а — с нижним расположением клапанов;

·  б — с верхним.

В механизме газораспределения  с нижним расположением клапанов (рис., а) клапан 5 размещен сбоку цилиндра. Клапан состоит из тарелки и стержня. На тарелке выполнен конусный поясок, который, когда клапан закрыт, плотно прижимается пружиной 7 к седлу б, имеющему также конусную поверхность. Для обеспечения требуемой герметичности цилиндра конусные поверхности притирают одну к другой. Пружина, закрепленная на стержне клапана, одним концом упирается в шайбу 8, а другим — в тело цилиндра. Когда вращающийся кулачок 10 поднимает толкатель 9,регулировочный болт 4 которого упирается в стержень клапана, последний отходит от седла и соединяет цилиндр с впускным или выпускным каналом. Кулачок приводится во вращение от коленчатого вала 3 зубчатыми колесами 1 и 2. Так как в течение рабочего цикла в четырехтактном двигателе за два оборота коленчатого вала необходимо открыть клапан 1 раз, то передаточное отношение зубчатой пары должно быть 2:1. Когда выступ кулачка сходит с толкателя, пружина плотно прижимает клапан к седлу, тем самым герметизируя внутреннюю полость цилиндра. Каждый клапан поднимается с седла своим кулачком. В многоцилиндровых двигателях кулачки находятся на общем распределительном валу. 
В механизме газораспределения с верхним расположением клапанов (рис., б) клапан 5 находится над цилиндром. В этом механизме по сравнению с механизмом с нижним расположением клапанов для открытия клапана используются дополнительные детали: штанга 14 и коромысло 11, установленное с помощью оси 12 на кронштейне 13.Принцип действия такого механизма аналогичен действию, описанному выше. 
Клапаны работают в условиях высокой температуры. Для гарантии плотной посадки клапана на седло необходимо, чтобы на прогретом двигателе в деталях привода был небольшой зазор (несколько десятых долей миллиметра). Для регулировки этого зазора, называемого тепловым, в распределительных механизмах имеются регулировочные болты 4. 
При верхнем расположении клапанов может быть увеличена степень сжатия и улучшено наполнение цилиндров двигателя горючей смесью. Поэтому современные карбюраторные двигатели выполняются преимущественно с верхним расположением клапанов, несмотря на некоторое усложнение конструкции, а дизели всегда имеют верхнее расположение клапанов.
 

Фазы газораспределения
 
Продолжительность открытия впускных и выпускных клапанов, выраженная в градусах угла поворота коленчатого  вала относительно мертвых точек, называется фазой газораспределителя. Время, в течение которого цилиндры заполняются горючей смесью (или воздухом) и очищаются от отработавших газов, у современных автомобильных двигателей очень мало. Например, такт впуска у двигателя, 
Рис. 22. Схемы механизмов газораспределения: 
а — с нижним расположением клапанное; 6 — с верхним расположением клапанов 
 
Рис. 23. Диаграмма газораспределения двигателя ЗМЗ-53

 
коленчатый вал которого вращается  с угловой скоростью 630 рад/с, равен 0,005 с. Чтобы улучшить наполнение цилиндров  и их очистку, время впуска и выпуска  стремятся увеличить. Поэтому продолжительность  фаз впуска и выпуска делают больше 180° за- счет того, что моменты  открытия и закрытия клапанов не совпадают  с положениями поршня в в. м. т. и н. м. т. 
Впускной клапан начинает открываться за 10—30° до момента достижения поршнем в. м. т. В этом случае для заполнения свежим зарядом цилиндра, давление в котором превышает атмосферное, используется инерционный напор горючей смеси или воздуха во впускном трубопроводе. Закрывается впускной клапан после 40—70° с момента достижения поршнем н. м. т. Заполнению цилиндра в этом случае благоприятствует некоторое разрежение в конце такта впуска, а также инерционный напор горючей смеси или воздуха во впускном трубопроводе. За время запаздывания закрытия впускного клапана в цилиндр поступает 10—15% заряда. Таким образом, фаза впуска у современного автомобильного двигателя в среднем составляет 230—280°. 
Примерно такая же продолжительность фазы выпуска. Выпускной клапан открывается за 40—60° до достижения поршнем н. м. т., когда давление отработавших газов в цилиндре составляет 300—500 кН/м3. Под действием такого давления основная масса (60—70%) отработавших газов успевает удалиться из цилиндра до того, к^ак поршень дойдет до н. м. т. Поэтому при движении поршня от н. м. т, к в. м. т. им затрачивается меньшая работа на выталкивание отработавших газов. Закрывается выпускной клапан через 15—20° после в.м.т., что позволяет использовать повышенное давление в цилиндре в конце выпуска для улучшения очистки его от отработавших газов. 
Фазы газораспределения изображаются круговой диаграммой, называемой диаграммой газораспределения. На рис. 23 приведена диаграмма газораспределения двигателя автомобиля ГАЗ-53А, из которой видно, что при положении поршня, близком к в. м. т., оба, клапана приоткрыты. Это явление называется перекрытием клапанов. Оно длится в течение очень небольшого промежутка времени. Поэтому за это время не происходит ни перемешивания потоков отработавших газов и свежего заряда, ни утечки горючей смеси с отработавшими газами.

Информация о работе Устройство и принцип действия кривошипно-шатунного механизма