Як працює та влаштований кривошипно-шатунний механізм двигуна

Двигуни внутрішнього згоряння, що використовуються на автомобілях, функціонують за рахунок перетворення енергії, що виділяється при горінні горючої суміші, у механічну дію – обертання. Це перетворення забезпечується кривошипно-шатунним механізмом (КШМ), який є одним із ключових у конструкції двигуна автомобіля.

Пристрій КШМ

Кривошипно-шатунний механізм двигуна складається з трьох основних деталей:

1. Циліндро-поршнева група (ЦПГ).
2. Шатун.
3. Колінчастий вал.

Всі ці компоненти розміщуються у блоці циліндрів.

ЦПГ

Призначення ЦПГ - перетворення енергії, що виділяється при горінні, в механічну дію - поступальний рух. Складається ЦПГ з гільзи - нерухомої деталі, посадженої в блок блок циліндрів, і поршня, який переміщається всередині цієї гільзи.

Після подачі всередину гільзи паливно-повітряної суміші, вона займається (від зовнішнього джерела в бензинових моторах і за рахунок високого тиску в дизелях). Запалення супроводжується сильним підвищенням тиску всередині гільзи. А оскільки поршень це рухливий елемент, то тиск, що виник, призводить до його переміщення (по суті, гази виштовхують його з гільзи). Виходить, що енергія, що виділяється при горінні, перетворюється в поступальний рух поршня.

Для нормального згоряння суміші повинні створюватися певні умови - максимально можлива герметичність простору перед поршнем, що називається камерою згоряння (де відбувається горіння), джерело займання (у бензинових моторах), подача горючої суміші та відведення продуктів горіння.

Герметичність простору забезпечується головкою блоку, яка закриває один торець гільзи та поршневими кільцями, посадженими на поршень. Ці кільця теж належать до деталей ЦПГ.

Шатун

Наступний компонент КШМ – шатун. Він призначений для зв'язування поршня ЦПГ та колінчастого валу та передає механічних дій між ними.

Шатун є штоком двотаврової форми поперечного перерізу, що забезпечує деталі високу стійкість на вигин. На кінцях штока є головки, завдяки яким шатун з'єднується з поршнем і колінчастим валом.

По суті, головки шатуна являють собою вуха, через які проходять вали, що забезпечують шарнірне (рухливе) з'єднання всіх деталей. У місці з'єднання шатуна з поршнем, як вал виступає поршневий палець (відноситься до ЦПГ), який проходить через боби поршня і головку шатуна. Оскільки поршневий палець витягується, верхня головка шатуна - нероз'ємна.

У місці з'єднання шатуна з колінвалом, як вал виступають шатунні шийки останнього. Нижня головка має роз'ємну конструкцію, що дозволяє закріплювати шатун на колінчастому валу (частина, що знімається, називається кришкою).

Колінчастий вал

Призначення колінчастого валу – це забезпечення другого етапу перетворення енергії. Колінвал перетворює поступальний рух поршня у своє обертання. Цей елемент кривошипно-шатунного механізму має складну геометрію.

Складається колінвал із шийок – коротких циліндричних валів, з'єднаних у єдину конструкцію. У колінвалі використовується два типи шийок – корінні та шатунні. Перші розташовані на одній осі, є опорними і призначені для рухомого закріплення колінчастого валу в блоці циліндрів.

У блоці циліндрів колінчастий вал фіксується спеціальними кришками. Для зниження тертя у місцях з'єднання корінних шийок з блоком циліндрів та шатунних із шатуном, використовуються підшипники тертя.

Шатунні шийки розташовані на певному бічному віддаленні від корінних і до них нижньою головкою кріпиться шатун.

Корінні та шатунні шийки між собою з'єднуються щоками. У колінчастих валах дизелів до щок додатково кріпляться противаги, призначені для зниження коливальних рухів валу.

Шатунні шийки разом із щоками утворюють так званий кривошип, що має П-подібну форму, який і перетворює поступального руху на обертання колінчастого валу. За рахунок віддаленого розташування шатунних шийок при обертанні валу вони рухаються по колу, а корінні обертаються щодо своєї осі.

Кількість шатунних шийок відповідає кількості циліндрів мотора, корінних завжди на одну більше, що забезпечує кожному кривошипу дві опорні точки.

На одному з кінців колінчастого валу є фланець для кріплення маховика - потужного елемента у вигляді диска. Основне його призначення: накопичення кінетичної енергії за рахунок якої здійснюється зворотна робота механізму - перетворення обертання в рух поршня. На другому кінці валу розташовані посадкові місця під шестерні приводу інших систем і механізмів, а також отвір для фіксації приводу шківа навісного обладнання мотора.

Принцип роботи механізму

Принцип роботи кривошипно-шатунного механізму розглянемо спрощено з прикладу одноциліндрового мотора. Такий двигун включає:

• колінчастий вал з двома корінними шийками та одним кривошипом;
• шатун;
• і комплект деталей ЦПГ, що включає гільзу, поршень, поршневі кільця і ​​палець.

Запалення горючої суміші виконується коли об'єм камери згоряння мінімальний, а забезпечується це при максимальному піднятті вгору поршня всередині гільзи (верхня мертва точка – ВМТ). При такому положенні кривошип теж «дивиться» вгору. шатун на кривошип, і він починає рухатися по колу вниз, при цьому корінні шийки обертаються довкола своєї осі.

При провороті кривошипа на 180 градусів поршень досягає нижньої мертвої точки (НМТ). Після її досягнення виконується зворотна робота механізму.

Якщо розглянути простіше, то один напівобіг колінвалу здійснюється за рахунок виділеної при згорянні енергії, а другий – завдяки кінетичній енергії, накопиченій маховиком.

Ще дещо корисне для Вас:

Особливості роботи двигуна.

Вище описана спрощена схема роботи КШМ. Насправді щоб створити необхідні умови для нормального згоряння паливної суміші, потрібно виконання підготовчих етапів – заповнення камери згоряння компонентами суміші, їх стиснення та відведення продуктів горіння. впуск, стиск, робочий хід, випуск. функцію (саме у ньому енергія перетворюється на рух), інші такти – підготовчі.При цьому виконання кожного етапу супроводжується проворотом колінвала навколо осі на 180 градусів.

Конструкторами розроблено два типи двигунів – 2-х та 4-тактний. У першому варіанті такти поєднані (робочий хід з випуском, а впуск - зі стиском), тому в таких моторах повний робочий цикл виконується за один повний оборот коленвала.

У 4-тактному двигуні кожен такт виконується окремо, тому в таких моторах повний робочий цикл виконується за два обороти колінчастого валу, і лише один напівоборот (на такті «робочий хід») виконується за рахунок виділеної при горінні енергії, а решта 1,5 обороту – завдяки енергії маховика.

Основні несправності та обслуговування КШМ

Незважаючи на те, що кривошипно-шатунний механізм працює в жорстких умовах, ця складова двигуна досить надійна. При правильному проведенні технічного обслуговування механізм працює довгий термін.

При правильній експлуатації двигуна ремонт кривошипно-шатунного механізму знадобиться тільки через знос ряду складових деталей – поршневих кілець, шийок колінчастого валу, підшипників ковзання.

Поломки складових компонентів КШМ відбуваються в основному через порушення правил експлуатації силової установки (постійна робота на підвищених оборотах, надмірні навантаження), невиконання ТО, використання непідходящих паливно-мастильних матеріалів. Наслідками такого використання двигуна можуть бути:

• залягання та руйнування кілець;
• прогорання поршня;
• тріщини стінок гільзи циліндра;
• вигин шатуна;
• розрив колінчастого валу;
• намотування підшипників ковзання на шийки.

Такі поломки КШМ дуже серйозні, часто пошкоджені елементи ремонту не підлягають, їх потрібно тільки змінювати.У деяких випадках поломки КШМ супроводжуються руйнуваннями інших елементів двигуна, що призводить мотор в повну непридатність без можливості відновлення.

Щоб кривошипно-шатунний механізм двигуна не став причиною виходу з ладу, достатньо виконувати ряд правил:

1. Не допускати тривалої роботи двигуна на підвищених оборотах та під великим навантаженням.
2. Своєчасно міняти моторне масло і використовувати мастило, рекомендоване автовиробником.
3. Використовувати лише якісне паливо.
4. Проводити згідно з регламентом заміну повітряних фільтрів.

Не варто забувати, що нормальне функціонування мотора залежить не тільки від КШМ, а й від мастила, охолодження, живлення, запалювання, ГРМ, яким також потрібне своєчасне обслуговування.

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

У двигунах внутрішнього згоряння є два механізми, завдяки яким можливе переміщення транспорту. Це газорозподільний та кривошипно-шатунний. Зосередимося на призначенні 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 у певній пропорції згоряє та виділяє енергію. Механізм складається з двох категорій рухомих деталей:

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

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

Для чого потрібен кривошипно-шатунний механізм двигуна

КШМ рухає інші механізми, без яких неможливо було б машині їхати. В електротранспорті електричний мотор завдяки енергії, яку він отримує від батареї, одразу створює обертання, що надходить на вал трансмісії.

Недолік електричних агрегатів у цьому, що вони малий запас ходу. Хоча провідні виробники електромобілів і підвищили цю планку до кількох сотень кілометрів, переважній більшості автомобілістів такий транспорт недоступний через його дорожнечу.

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

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

Принцип роботи кривошипно-шатунного механізму

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

Лінійний рух поршня забезпечується згорянням ВТС у циліндрі. Під час мікровибуху (ВТС у момент подачі іскри сильно стиснуто, тому і утворюється різкий поштовх) гази розширюються, виштовхуючи деталь у крайнє нижнє положення.

Шатун зв'язується з окремим кривошипом на колінчастому валу. Інерція, і навіть ідентичний процес, що відбувається у суміжних циліндрах, забезпечують обертання коленвала. Поршень не завмирає у крайніх нижній та верхній точках.

Колінчастий вал, що обертається, пов'язаний з маховиком, до якого приєднується фрикційна поверхня коробки передач.

Після завершення такту робочого ходу для виконання інших тактів двигуна поршень наводиться в рух вже за рахунок обертів валу механізму. Воно можливе завдяки виконанню такту робочого ходу у суміжних циліндрах. Щоб мінімізувати ривки, шатунні шийки кривошипів зміщені один до 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 постійно залишаються зафіксованими на одному місці. Одні виконують різного роду рухи (поступальні чи обертальні), інші служать формою, у яких забезпечується акумулювання потрібної енергії чи опорою цих елементів.

Ось які функції виконують усі елементи кривошипно-шатунного механізму.

Блок-картер

Відлитий з міцного металу (у бюджетних авто - чавун, а в більш дорогих - алюмінієвий або інший сплав) У ньому зроблені необхідні отвори та канали. .

Найбільші отвори - самі циліндри. У них поміщаються поршні.

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 олія після змащення всіх елементів.

Існують автомобілі з мокрим або сухим картером. У першому випадку олія збирається в піддоні і залишається в ньому. втрату масла при пробої піддону - витікає лише невелика частина мастила після того, як мотор буде заглушений.

Циліндр

Циліндр - ще один нерухомий елемент мотора. По суті, це отвір зі строгою геометрією (поршень повинен ідеально поміщатися в нього).

Розміри даного елемента залежать від особливостей двигуна та величини поршнів.Стінки у верхній частині конструкції стикаються з максимальною температурою, яка тільки може виникати в двигуні. Також у так званій камері згоряння (надпоршневий простір) відбувається різке розширення газів після займання ВТС.

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

Існує два типи циліндрів:

• Сухий тип. Здебільшого у машинах використовуються саме такі циліндри. Вони є частиною блоку та виглядають у вигляді отворів, зроблених у корпусі. Щоб метал охолоджувався, із зовнішнього боку циліндрів зроблено канали для циркуляції рідини, що охолоджує (сорочка двс);
• Мокрий тип. В цьому випадку циліндри будуть окремо виконаними гільзами, які вставляються в отвори блоку. Вони надійно ущільнюються, щоб у процесі роботи агрегату не утворювалися додаткові вібрації, через що деталі КШМ будуть виходити з ладу надто швидко. Такі гільзи із зовнішнього боку контактують із ОЖ. Подібна конструкція двигуна більш піддатлива ремонту (наприклад, при утворенні глибоких подряпин гільзу просто змінюють, а не розточують і шліфують отвори блоку під час капітального двигуна).

У V-подібних двигунах часто циліндри не розташовані симетрично відносно один одного.Це зумовлено тим, що один шатун обслуговує один циліндр і має окреме місце на колінвалі. Проте є й модифікації із двома шатунами на одній шатунній шийці.

Блок циліндрів

Це найбільша частина конструкції двигуна. 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 головці блоку циліндрів зроблено поглиблення, які формують особливу порожнину. У ній стисла повітряно-паливна суміш займається (часто її називають камерою згоряння). Модифікації моторів на водяному охолодженні оснащуватимуться головкою з каналами для циркуляції рідини.

Остів двигуна

Всі нерухомі частини КШМ, з'єднані в одну конструкцію, називаються остовом. Ця частина приймає основне силове навантаження в процесі роботи рухомих елементів механізму. Залежно від того, як закріплений двигун у моторному відсіку, кістяк сприймає також навантаження і від кузова чи рами. У процесі руху ця частина також стикається з впливом трансмісії та ходової частини машини.

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

Коли машина переміщається нерівною дорогою, на кузов виявляється навантаження кручення. Щоб двигун не сприймав такі навантаження, зазвичай його кріплять у трьох точках.

Всі інші частини механізму рухливі.

Поршень

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

Головка поршня - найтовстіша частина, оскільки вона сприймає на себе термічне і механічне навантаження при займанні палива. Торець того елемента (днище) може мати різну форму - плоску, опуклу або увігнуту. Ця частина формує розміри камери згоряння. Нерідко зустрічаються модифікації із поглибленнями різної форми. Усі ці типи деталі залежить від моделі ДВС, принципу подачі палива тощо.

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

Щоб компенсувати силу інерції, поршні виготовляються із легкосплавних матеріалів. Завдяки цьому вони мають невелику вагу. Днище деталі, як стінки камери згоряння, зіштовхуються з максимальними температурами. Однак ця деталь не охолоджується за допомогою циркуляції ОЖ у сорочці. Через це алюмінієвий елемент схильний до сильного розширення.

Для запобігання заклиненню поршень охолоджується олією. У багатьох моделях автомобільне мастило подається природним шляхом - масляний туман осідає на поверхні і стікає назад в піддон. Однак зустрічаються двигуни, в яких масло подається під натиском, забезпечуючи найкраще тепловідведення від нагрітої поверхні.

Поршневі кільця

Поршневе кільце виконує свою функцію в залежності від того, в якій частині головки поршня встановлено:

• Компресійні – найвищі.Вони забезпечують ущільнення між стінками циліндра та поршня. Їхнє призначення – не дати газам із надпоршневого простору проникнути в картер. Щоб полегшити встановлення деталі, у ній зроблено розріз;
• Маслознімні - забезпечують видалення надлишку олії зі стінок циліндра, а також запобігають проникненню мастила в надпоршневий простір. Ці кільця мають спеціальні канавки, що полегшують відведення олії до дренажних проточок поршня.

Діаметр кілець завжди більший за діаметр циліндра. Завдяки цьому вони забезпечують ущільнення в циліндропоршневій групі. Щоб ні гази, ні олія не просочувалися через замки, кільця розміщуються на своїх місцях зі зміщенням прорізів щодо один одного.

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

Поршневий палець

Ця деталь дозволяє закріпити поршень на шатуні. Виглядає він у вигляді порожнистої трубки, яка поміщається під головкою поршня в боби і одночасно через отвір головки шатуна. Щоб палець не зміщувався, його фіксують стопорними кільцями з обох боків.

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

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

Шатун

Шатун є товстою тягою з ребрами жорсткості.З одного боку в ньому є поршнева головка (отвір, в який вставляється палець поршня), а з іншого – книвошипна головка. Другий елемент є розбірним, щоб деталь можна було зняти або встановити на шию кривошипа колінчастого валу. У ньому є кришка, яка кріпиться до голівки за допомогою болтів, а для запобігання передчасному зносу деталей, в нього встановлюється вкладка з отворами для змащення.

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

Щоб зменшити силу тертя внутрішньої частини верхньої головки, в неї запресовується бронзова втулка. Якщо вона зношується, не потрібно буде змінювати весь шатун. У втулці є отвори для подачі олії на палець.

Існує кілька модифікацій шатунів:

• Бензинові мотори найчастіше оснащуються шатунами з розташуванням роз'єму головки під прямим кутом щодо осі шатуна;
• Дизельні ДВЗ мають шатуни з косим роз'ємом головки;
• V-подібні двигуни часто 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 шийок шатунних відносно осі корінних шийок. Про різні типи колінвалів та їх особливості вже є окремий огляд.

Призначення цієї деталі – перетворити поступальний рух від поршня на обертальний. Шатунна шия кривошипа з'єднується з нижньою головкою шатуна. У двох або декількох місцях колінвала є корінні підшипники, що запобігають утворенню вібрації внаслідок незбалансованого обертання кривошипів.

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

На носінні колінвала кріпиться шків, який надає руху газорозподільному механізму та іншого обладнання, наприклад, помпу, генератор і привід кондиціонера. На хвостовику є фланець. До нього кріпиться маховик.

Маховик

Деталь має форму диска. Про форми та типи різних маховиків та про їх відмінності також присвячена окрема стаття. Він необхідний подолання опору стиску в циліндрах, коли поршень виконує такт стиснення. Це забезпечується завдяки інерції чавунного диска, що обертається.

На торці деталі зафіксовано зубчастий вінець. До нього приєднується шестерня бендікса стартера в момент запуску двигуна. З боку, протилежному фланцю, поверхня маховика стикається з диском зчеплення кошика трансмісії. Максимальна сила тертя між цими елементами забезпечує передачу моменту, що крутить, на вал коробки передач.

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

Додатково перегляньте відеоогляд про КШМ: