2.2.2. 9.Кривошипно-шатунный механизм (кшм)

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) является основным рабочим механизмом двигателя внутреннего сгорания. КШМ преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Детали КШМ участвуют в совершении рабочего процесса и воспринимают механические и тепловые нагрузки.

На Рис. 41 показаны схемы кривошипно-шатунных механизмов, применяемых в двигателях.

Тронковый кривошипно-шатунный механизм (рис. 52, а) наиболее часто применяется в двигателях простого действия. Поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала при помощи шатуна, сочлененного шарнирно верхней головкой с поршневым пальцем и нижней головкой с шейкой колена вала. Рабочая полость располагается над поршнем в цилиндре, закрытом крышкой.

Крейцкопфный кривошипно-шатунный механизм изображен на (Рис. 52, б.) Поршень в данном механизме соединяется с шатуном при помощи жестко связанного с поршнем штока и крейцкопфа, совершающих поступательное движение. При таком сочленении поршень разгружается от нормальной силы, так как ее действие переносится на крейцкопф. При этом шток должен проходить через нижнюю крышку со специальным сальником, обеспечивающим герметичность полости под поршнем. Крейцкопфная система кривошипно-шатунного механизма применяется в тихоходных двигателях большой мощности.

Тронковый кривошипно-шатунный механизм двигателя с V-образным расположением показан на (Рис. 52, в.)

а ) б) в)

 

Рис. 52Схемы кривошипно-шатунных механизмов двигателей внутреннего сгорания:

а- тронковый КШМ; б – крейцкопфный КШМ; в - тронковый КШМ с V-образным расположением оси цилиндров

Во время работы двигателя на поршень действует движущая си­ла Р, одна из составляющих которой направлена по ша­туну Рш, другая (нормальная) N — перпендикулярно к оси ци­линдра (рис. 53).

Конструктивные особенно­сти тронкового и крейцкопфного двигателей определяют состав элементов КШМ и ме­сто приложения нормальной силы. В состав КШМ тронковых двигателей входят поршень , шатун и коленчатый вал

(рис. 53, а), крейцкопфных — поршень , шток , крейц­копф , шатун и коленчатый вал (рис. 53,б).

В тронковых двигателях поршень выполняет функцию ползуна, которого нормальная сила N прижимает к стенке цилиндра , что способствует повышению тепловой и механической на­грузки пары поршень — ци­линдр и усиливает износ ее из-за недостаточной смазки в зоне высоких температур. Нормаль­ная сила зависит от силы давления газов на поршень и от отно­шения радиуса кривошипа R к длине шатуна L_.. В крейцкопфных двигателях нормальная сила передается от шатуна через крейцкопф , состоящий из поперечины и пол­зуна, на параллели . Благодаря этому рабочий цилиндр разгружен от действия нормальной силы.

Рис.53 Схемы действия сил:

А – в тронковом двигателе; б – в крейцкопфном двигателе;

Поршневая группа

К поршневой группе относятся:

1- поршень;

2-поршневые кольца ;

3- поршневой палец (у тронковых дизелей);

4- стопорные кольца или стопорные крышки (у тронковых дизелей).

Совместно с втулкой и крышкой цилиндра поршень образует камеру сгорания и, воспринимая давление газов во время рабочего хода, при помощи шатуна преобразует возвратно-поступательное движение во вращение коленчатого вала.

П оршень тронкового двигателя (Рис 54) состоит из верхней части – головки, направляющей тронковой части называемой юбкой, цапфы для соединения поршня с верхней головкой шатуна. На поршень устанавливаются компрессионные и маслосъёмные кольца.

Рис. 54 Поршневая группа тронкового дизеля: Рис. 55 Поршневая группа крейцкопфного дизеля 1- головка поршня; 2-компрессионное кольцо; 3 – палец; 1 – шток; 2 – тронк; 3 – головка;

4 – маслосъемное кольцо; 5 – шатун

Для повышения прочности и улучшения охлаждения поршня с внутренней стороны имеются рёбра. Поршни изготавливают цельные или составные, чугунные, стальные и из алюминиевых сплавов.

У маломощных дизелей поршни охлаждаются теплопередачей через поршневые кольца к стенке цилиндровой втулки и далее к охлаждающей воде цилиндра.

В мощных малооборотных дизелях поршни имеют рубашку охлаждения и охлаждаются непосредственно водой или маслом. При водяном охлаждении количество теплоты, отводимой от поршня, больше, чем при масляном охлаждении, что объясняется высокой теплоемкостью воды (примерно в 2,5 раза) по сравнению с теплоемкостью масла. Поэтому водяное охлаждение применяется в дизелях фирмы « Зульцер», МАН. Однако, при водяном охлаждении возникает проблема надежного уплотнения сальников охлаждающих устройств, чтобы исключить попадание воды в картер и обводнение масла.

Поршневые кольца

Поршневые кольца подразделяются на компрессионные и маслосъёмные.

Для предотвращения прорыва воздуха из камеры сгорания в картер, во время процесса сжатия и газов во время рабочего хода, а также для отвода тепла от поршня ставят компрессионные кольца. Уплотнение осуществляется при­жатием кольца к втулке цилиндра силами упругости и от давления газов, (рис. 56) протекающих из камеры сгорания за кольцо через зазоры. Обычно ставят от трёх до пяти колец, в зависимости от быстроходности двигателей, причём, на поршнях тихоходных дизелей число колец больше, чем на быстроходных из-за скорости движения поршней. Уплотняющее действие колец обеспечивается за счёт давления газов, проникающих в радиальный зазор между поршнем и кольцом и прижимающих кольцо к стенке втулки, а также благодаря упругости самого кольца. Это давление, обычно, испытывают первых два кольца. Замок колец изготавливают прямым, косым или ступенчатым. (Рис.57)

С целью исключения попадания масла в камеру сгорания на юбке поршня устанавливают маслосъёмные кольца, которые отличаются от компрессионных тем, что имеют острую кромку для соскабливания масла с поверхности втулки. Сечение маслосъёмных колец бывает: прямоугольным со скосом 2-3°, трапецеидальным с прорезью посредине. Иногда кольца делают составными, т.е. в одной поршневой канавке располагают 2 кольца. Работа этих колец заключается в том, что при движении поршня вниз острая кромка кольца соскабливает масло, направляя его в картер двигателя или в подпоршневое пространство двухтактных двигателей.

Рис. 56 Схема действия давления Рис. 57Формы замков поршневых колец:

газов на поршневые кольца а – косой; б – косой со стопором; в – прямой;

г, д – внахлест.

Материал для изготовления колец: серый чугун СЧ21-40 и СЧ24-44 с повышенным содержанием фосфора и присадками хрома и молибдена.

Поршневые кольца относятся к числу наиболее изнашиваемых деталей. Их характерные дефекты - износ, коробление, потеря упругости. В результате износа увеличиваются зазоры в замке кольца и в канавке поршня. Быстрее изнашивается верхнее кольцо. Одна из причин повышенного износа колец - неудовлетворительная структура материала (присутствие свободного феррита и крупного графита). Искажение формы втулки цилиндра от деформации ее во время работы, большой зазор между поршнем и втулкой вызывают перемещение колец в канавках в радиальном направлении при движении поршня, что также способствует увеличению износа колец. Пригорание колец является следствием недостаточного зазора между кольцом и канавкой поршня по высоте или избытка масла, проникающего к верхнему поясу поршня через неплотности из-за неравномерности давления по окружности кольца. Продукты разложения масла попадают в канавки для колец и уменьшают подвижность колец. При этом происходит увеличение неплотностей между стенками цилиндра и поршнем, и кольца перегреваются из-за уменьшения теплоотдачи. Вследствие проникновения газов через неплотности перегрев колец еще более усиливается, и они теряют упругость. Последнее объясняется изменением структуры их материала и приводят к серьезным последствиям: поршень перегревается, сами кольца закоксовываются в канавках и часто ломаются. Коробление колец - следствие их перегрева. В результате они также теряют подвижность в канавках и перестают выполнять свои функции.

В последние годы некоторые дизелестроительные фирмы стали применять биметаллические кольца (Рис. 58).

В желобок чугунного кольца заделаны один или несколько выступающих поясков из олова, бронзы или алюминиевого сплава, что ускоряет приработку кольца.

Рис. 58 Биметаллические поршневые кольца

Поршневые пальцы

Поршневой палец в тронковом дизеле (Рис. 59) служит для шарнирного соединения поршня с шатуном и передачи ему силы действия газов.

По конструкции пальцы могут быть сплошными и полыми. Полые пальцы имеют меньшую массу. Осевые перемещения пальца ограничивают стопорными кольцами (кольца Зегера) или заглушками. По осевым сверлениям «б» и радиальным сверлением «а» масло подводиться на охлаждение поршня и на смазывание бобышек. Для равномерного износа рабочей поверхности пальца применяют так называемые «плавающие» пальцы, которые свободно проворачиваются в бобышках во время работы.

Материал для изготовления пальцев: малоуглеродистая сталь (Ст.15 или Ст.20) или легированная сталь (Ст.15ХМА,

Ст. 12ХНЗА). Наружную рабочую поверхность цементируют или азотируют с последующей закалкой и отпуском.

Рис. 59 Поршневой палец:

1- стопорное кольцо (кольцо Зегера);

2-заглушка;

а – радиальное сверление для подвода масла; б – осевое сверление

Поршневые штоки

У крейцкопфных дизелей поршень соединяется с крейцкопфом при помощи штока. Верхняя часть штока имеет фланец, при помощи которого шток крепиться к поршню. Нижняя часть штока (хвостовик) имеет конус или фланец для соединения с крейцкопфом. Часто штоки служат для подвода и отвода охлаждающей жидкости к поршню. В этом случае в штоке высверливают отверстие, в котором устанавливают трубу по кольцевому каналу, образуемому между трубкой и телом штока, а охлаждающая жидкость отводиться по трубке.

Подпоршневые пространства цилиндров крейцкопфных двигателей отделены от картеров специальной перегородкой – диафрагмой (Рис. 60), которая препятствует проникновению воздуха в картер и проникновению грязного масла из цилиндра в картер. В месте прохода штока через диафрагму устанавливают специальный сальник для уплотнения и для снятия масла со штока поршня.

Рис. 60 Диафрагма с сальниковым уплотнением:

1 – диафрагма; 2 – сальниковое уплотнение.

Рис.49Поршневой шток судового  дизеля Wartsila-Sulzer RTA96-C. 

Крейцкопфы

Крейцкопфный узел служит для соединения поршневого штока с шатуном, а также для передачи нормальных (боковых) нагрузок через ползуны на параллель.

Количество ползунов зависит от типа дизеля и его цилиндровой мощности. На Рис. 61 и Рис 62 показан крейцкопфный КШМ с двумя ползунами.

Рис. 61 Крейцкопф: Рис. 62 Крейцкопфный КШМ:

1-шток поршня; 2- шток поршня; 3- предохранительная шайба; 1-поршень; 2-ползун; 3-шатун

4-ползун; 5-цапфа;

В крейцкопфе с двумя двусторонними ползунами к верхней головки шатуна 1 болтами 9 прикреплены два крейцкопфных подшипника 10, на нижние половины которых опираются цапфы поперечины 6. Двусторонние ползуны 5 свободно надеты на концевые цапфы поперечины, их осевому смещению препятствуют круглые крышки 4, прикрепленные к торцам поперечины.

Предохранительные шайбы 3, прикрепленные к ползунам, входят в кольцевые выточки крышек с небольшим зазором. При таком креплении ползуны могут самоустанавливаться, поворачиваясь вокруг цапф на небольшой угол. На подошвах ползуна имеются поперечные канавки для лучшего заклинивания и распределения масла.

Масло к деталям ползуна подводиться по шарнирным трубам, прикрепленным к поперечине. Поступает в осевой канал в теле поперечины и далее по радиальным каналам идет на смазку крейцкопфных подшипников и ползунов. Преимущества с двумя двусторонними ползунами – небольшой износ ползунов и свободный доступ к деталям.

Шатуны

Шатуны участвуют в преобразовании возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Различают шатуны тронковых и крейцкопфных дизелей. У тронкового дизеля усилия газов, действующих на поршень. Передаются непосредственно на коленчатый вал; у крейцкопфных дизелей эти усилия передаются через шток поршня и крейцкопфный узел. Способ передачи усилий и обусловливает конструкцию шатуна: у тронковых дизелей – один подшипник соединен с поршневым пальцем (Рис. 63), у крейцкопфных – два подшипника с цапфами поперечины крейцкопфа (Рис. 64)

Масло для смазки подшипников подаётся, в зависимости от конструкции шатуна, либо по внутреннему сверлению, либо по специальной трубке.

Рис. 64Вильчатый шатун крейцкопфного дизеля: Рис. 63Шатун тронкового двигателя:

1,8 – корончатые гайки; 2 верхняя половина(крышка) 1-головной подшипник; 2 – шатунный болт;

4 –нижняя половина головного подшипника; головного подшипника, 3 – мотылевый подшипник

3,12 – наборы прокладок; 5.9 – центрирующие шайбы;

6,14 – головной и шатунный болты; 7 –стержень; 10 – компрессион-

ная прокладка; 11 – верхняя половинка мотылевого подшипника;

13 – нижняя половинка мотылевого подшипника.

Шатун относится к наиболее напряжённым деталям двигателя и должен иметь достаточную прочность и жёсткость для сопротивления продольному изгибу. Стержень шатуна, в зависимости от быстроходности двигателя, бывает круглого, трубчатого или двутаврового сечения. Стержень шатуна испытывает главным образом осевые ци­клические усилия. На рис. 64 представлены различные сечения стержней и шатунов.

Рис. 65. Сечение стержней шатунов.

Попереч­ное сечение стержня может иметь форму сплошного круга или круга с отверстием, квадрата или крестообразного профиля. Однако в большинстве случаев из-за наличия определенного поперечного изгиба в плоскости качания шатуна выбирают профили с преимущественным расположением материала именно в этой плоскости и с ориентацией в ней наибольшего размера (высоты сечения). Для шатунов двигателей рядного ти­па это наиболее экономно достигается при двутавровом про­филе стержня (рис. 65, а), что позволяет осуществить плавный переход его полок в криволинейные очертания головок. Этим достигается повышенная жест­кость шатуна при относительно малой массе.

Верхняя (поршневая) головка шатуна обеспечивает шарнирное соедине­ние шатуна с поршнем. Её обычно выполняют в виде цельной замкнутой проушины круглой или овальной формы, имеющей плавное сопряжение со стержнем шатуна и симме­тричной относительно его продольной оси. Основные разновидности конструкций поршневых голо­вок показаны на Рис.66

В целях получения необходимой износостойкости в месте соединения головки шатуна с поршневым пальцем в отверстие головки устанавливают втулку из бронзы (типа БрОФ 7,0-0,2) или стали. Рабочую поверхность сталь­ной втулки покрывают тонким слоем мягкого металла (обычно свинца и олова с добавкой меди).

Рис.66 Конструкции верхних головок шатуна:

1-втулка; 2-стопорный винт; 3-холодильник; 4-латунная трубка

Шатунные болты

Шатунные болты - одни из самых ответственных деталей ДВС. Авария, вызванная обрывом шатунного болта, обычно сопровождается тяжелыми повреждениями двигателя. При проверке болтов основанием для их замены служат: повреждение резьбы, забоины и надрезы, местные надиры, трещины, скручивание, ослабление гайки на резьбе, слабая посадка в отверстии головки и остаточная деформация. Труднее всего обнаружить трещины. Применявшиеся до настоящего времени такие способы контроля как керосиново-меловая проба, опускание болта в насыщенный раствор соды с последующим просушиванием (после чего в районе трещины должен образоваться белый налет) - уже не могут считаться удовлетворительными, особенно для быстроходных ДВС. Мельчайшие трещины в шатунных болтах могут быть выявлены магнитной дефектоскопией. На некоторых ремонтных предприятиях во время одного из текущих ремонтов двигателей проводят полное освидетельствование всех болтов, а материал одного из болтов подвергают механическим испытаниям при статической и динамической нагрузках. При капитальном ремонте испытаниям подвергают два болта, и если результаты оказываются отрицательными, то принимают решение о замене всех болтов. Внешний осмотр болтов производят при помощи лупы не менее пятикратного увеличения. Резьбу болта проверяют резьбомером - или калибром. Резьба должна быть такой, чтобы гайка туго наворачивалась вручную.

Коленчатый вал

Коленчатый вал участвует в преобразовании возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение и является наиболее ответственной, напряжённой и дорогостоящей деталью дизеля.

На коленчатый вал действуют переменные нагрузки от сил давления газов и сил инерции неуравновешенных, поступательно движущихся и вращающихся масс, значительные изгибающие и вращательные моменты.

В зависимости от мощности и размеров двигателя коленчатые валы бывают цельные и составные. Цельнокованый вал (Рис. 67) состоит из рамовых шеек 4 и щек 3. Рамовые шейки уложены в подшипники, на шатунные шейки навешены нижние головки шатунов. Для того чтобы повысить прочность коленчатого вала, его шейки подвергают поверхностной закалке и азотированию. В результате поверхность становиться износоустойчивая, а сердцевина шейки мягкая, исключающая образования трещин. Поверхность шеек тщательно шлифуют.

Материалом для изготовления коленчатых валов служит: углеродистая сталь (Ст35, 40, 45, 50, 35Г, 45Г), легированная сталь (Ст.40ХН, 40ХНВА и др.)

На кормовом конце вала установлен фланец 1 для крепления маховика. Носовой конец используют для монтажа шестерни привода навешенных на двигатель насосов (масляного, водяного, топливоподкачивающего) и других вспомогательных механизмов.

Рис. 67Коленчатый вал тронкового дизеля:

1-фланец отбора мощности: 2-рамовые (коренные) шейки:

3-щеки: 4- шатунная (мотылевая) шейка;

В носовой части вала устанавливается шестерня для привода масляного насоса 7 и насосов охлаждения забортной и пресной воды 8, обслуживающих систему двигателя, а в кормовой – шестерня привода распределительного вала. Рамовыми шейками вал укладывается на фундаментную раму, а мотылёвыми - соединяется с нижней головкой шатуна.

Угол заклинки кривошипов коленчатого вала зависит от тактности и числа цилиндров двигателя. Для обеспечения динамического уравновешивания двигателя от сил инерции вращающихся масс и соответствующих этим силам моментов на щеках мотылей устанавливают противовесы.

Коленчатые валы мощных крейцкопфных дизелей выполняют составными из отдельных деталей: шеек и щек (Рис 68). Рамовая 1 и шатунная 4 шейки выполнены полыми и запрессовываются в отверстия щек горячей посадкой.. Полости шеек закрыты заглушками 2 и заполнены маслом, которое в полость рамовой шейки 4 поступает по сверлению 1 и дальше по сверлению 3 в щеке попадает в полость шатунной шейки.

Рис. 68 Колено составного коленчатого вала:

1,3 – сверления; 2 – заглушка; 4 – шатунная шейка; 5 – рамовая шейка

Во время работы двигателя в результате вращения кривошипа и нижней головки шатуна возникает центробежная сила инерции F_М направленная всегда от центра вращения и стремящаяся оторвать кривошип действующая на рамовые подшипники. При этом увеличивается их износ. В шести- и восьмицилиндровых двигателях эти силы оказываются уравновешенными. Если двигатель имеет нечетное число цилиндров или менее четырех, центробежные силы инерции взаимно не уравновешиваются. В этом случае коленчатые валы снабжаются противовесами – массами, закрепленными на щеках со стороны, противоположной шатунной шейке. При вращении противовеса возникает центробежная сила F_пр, которая равна по величине F_М, но направлена в обратную сторону. В результате сила F_М и ее влияние нейтрализуется.

ис.69 Крепление противовесов:

а,б, - болтовое; в – д-повышенной надежности

На Рис. 69 даны способы крепления противовесов. При креплении по схемам, показанным на Рис. 69, а, б, не исключены случаи разрыва болтов при повышении частоты вращения вала. Крепления по схемам, показанным на рис. 69, в - д, более надежны, так как предусмотрена разгрузка болтов от сил инерции.

В некоторых случаях противовесы приваривают к щекам коленчатого вала. Недос­татком такой конструкции является нарушение структуры материала вала, особенно при изготовлении вала из легированных сталей.

К коренным и шатунным шейкам масло подается под давлением. Вал служит мас­лопроводом смазочной системы. Наиболее часто масло подводится из масляной магист­рали по каналам к коренным подшипникам под давлением, равным 0,3-0,8 МПа. Из наи­менее нагруженных коренных подшипников масло поступает в полости коренных шеек вала, а оттуда по каналам в щеках и шатунных шейках - для смазывания шатунных подшипников. Так как в масле имеются примеси (частицы металла, кокса, грязи), следует применять устройства, препятствующие попаданию этих частиц в масляный зазор. Указанные функции выполняют маслопроводные трубки, завальцованные или прикрепленные каким-либо иным способом к стенке шатунной шейки; трубки опущены на значительную глубину в полость шатунных шеек (Рис. 70, а).

.

Рис.70 подвод масла в полости коленчатого вала:

а,б- с помощью трубок; е-ж – по каналам в щеках

Во время работ, связанных с ремонтом, когда возникает необходимость проворачивания коленчатого вала, используется валоповоротное устройство. Оно бывает с ручным, пневматическим или электрическим приводом.

Для повышения равномерности вращения коленчатого вала на нем устанавливают маховик. Инерция маховика способствует более равномерному вращению коленчатого вала. С увеличением числа цилиндров период между последующими вспышками сокращается и требуется меньшая масса маховика. Маховики отливают из чугуна или стали.

Соединение маховика с коленчатым валом фланцевое. На ободе маховика делают зубцы для соединения с валоповоротным устройством и наносят градуировку, позволяющую определять углы поворота вала при регулировочных работах.

Размеры и масса маховика зависит от тактности дизеля, числа цилиндров и его мощности и соответственно массы деталей КШМ. При высоких оборотах дизеля маховик изготавливают из стали ,а при низких – из чугуна.

На многих малооборотных дизелях для гашения крутильных колебаний устанавливают демпферы (гасители) или маятниковые антивибраторы. Устанавливают их обычно на конце вала.

Рис.71 Коленвал самого большого судового дизеля: Wartsila-Sulzer RTA96-C.