V образные двигатели схемы кшм

1 Назначение и устройство, основные компоновочные схемы кшм

Детали и узлы кшм являются основой поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечивают восприятие давления газов, возникающего в цилиндре в результате сгорания рабочей смеси и преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Все детали КШМ подразделяются на подвижные и неподвижные. К неподвижным деталям относятся блок цилиндров, картер (или блок-картер, если блок цилиндров и картер являются одной деталью) и головка блока цилиндров, к подвижным поршни и детали поршневой группы, шатуны, коленчатый вал, маховик. Наиболее распространенные компоновочные схемы КШМ автомобильных поршневых двигателей представлены на рис 1.

Самый простой двигатель – рядный (их обычно обозначают R 2, R 3, R 4 и т.д., в зависимости от числа цилиндров). С увеличением числа цилиндров двигатель становится длиннее, что усложняет компоновку автомобиля. На современных переднеприводных автомобилях рядный шестицилиндровый двигатель устанавливается только на VOLVO S 80 с очень компактной коробкой перемены передач.

Рис. 1. Основные компоновочные схемы КШМ

Для уменьшения длины двигателя и увеличения жесткости основных деталей и узлов конструкции применяют V -образные схемы КШМ (обозначают V 2, V 4, V 6, V 8 и т.д.) в которых блоки цилиндров располагаются под углом 90…120 градусов. V -образные двигатели с углом «развала» между блоками 180 0 называют оппозитными. Такие двигатели конструктивно сложнее рядных, так как имеют как минимум вдвое больше головок цилиндров, коллекторов и валов механизма газораспределения, привод которого также более сложный. Оппозитные двигатели получаются еще и намного шире рядных. Поэтому они в основном используются для транспортных средств, в которых необходимо иметь двигатель небольшой высоты, например в автобусах с расположением силового агрегата под полом салона.

При выборе типа двигателя, одновременно с компоновочными и экономическими соображениями, приходится решать проблему уравновешенности двигателя. Вибрация двигателя на опорах неизбежна из-за чередования вспышек в цилиндрах, обусловленных порядком работы и вызывающих изменение величины крутящего момента на коленчатом валу. Действующие на детали КШМ силы инерции также влияют на уравновешенность двигателя. Степень уравновешенности некоторых двигателей показана в таблице 1. Знаком «+» показаны уравновешенные силы и моменты сил, «-» — свободные (неуравновешенные). Для уравновешивания сил и моментов сил применяют противовесы на коленчатом валу, располагают определенным образом шейки вала, применяют специальные валы, вращающиеся синхронно с коленчатым валом двигателя.

Таблица 1: Степень уравновешенности двигателей

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ)

Назначение и характеристика

Кривошипно-шатунным называется механизм, осуществляющий рабочий процесс двигателя.

Кривошипно-шатунный механизм предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала.

Кривошипно-шатунный механизм определяет тип двигателя по расположению цилиндров.

В двигателях автомобилей применяются различные кривошипно-шатунные механизмы (рисунок 1): однорядные кривошипно-шатунные механизмы с вертикальным перемещением поршней и с перемещением поршней под углом применяются в рядных двигателях; двухрядные кривошипно-шатунные механизмы с перемещением поршней под углом применяются в V-образных двигателях; одно- и двухрядные кривошипно-шатунные механизмы с горизонтальным перемещением поршней находят применение в тех случаях, когда ограничены габаритные размеры двигателя по высоте.

Рисунок 1 – Типы кривошипно-шатунных механизмов, классифицированных по различным признакам.

Конструкция кривошипно-шатунного механизма.

В кривошипно-шатунный механизм входят блок цилиндров с картером и головкой цилиндров, шатунно-поршневая группа и коленчатый вал с маховиком.

Блок цилиндров 11 (рисунок 2) с картером 10 и головка 8 цилиндров являются неподвижными частями кривошипно-шатунного механизма.

К подвижным частям механизма относятся коленчатый вал 34 с маховиком 43 и детали шатунно-поршневой группы – поршни 24, поршневые кольца 18 и 19, поршневые пальцы 26 и шатуны 27.

Рисунок 2 – Кривошипно-шатунный механизм двигателей легковых автомобилей

1, 6 – крышки; 2 – опора; 3, 9 – полости; 4, 5 – прокладки; 7 – горловина; 8, 22, 28, 30 – головки; 10 – картер; 11 – блок цилиндров; 12 – 16, 20 – приливы; 17, 33 – отверстия; 18, 19 – кольца; 21 – канавки; 23 – днище; 24 – поршень; 25 – юбка; 26 – палец; 27 – шатун; 29 – стержень; 31, 42 – болты; 32, 44 – вкладыши; 34 – коленчатый вал; 35, 40 – концы коленчатого вала; 36, 38 – шейки; 37 – щека; 39 – противовес; 41 – шайба; 43 – маховик; 45 – полукольцо

Блок цилиндров вместе с картером является остовом двигателя. На нем и внутри него размещаются механизмы и устройства двигателя. В блоке 11, выполненном заодно с картером 10 из специального низколегированного чугуна, изготовлены цилиндры двигателя. Внутренние поверхности цилиндров отшлифованы и называются зеркалом цилиндров. Внутри блока между стенками цилиндров и его наружными стенками имеется специальная полость 9, называемая рубашкой охлаждения. В ней циркулирует охлаждающая жидкость системы охлаждения двигателя.

Внутри блока также имеются каналы и масляная магистраль смазочной системы, по которой подводится масло к трущимся деталям двигателя. В нижней части блока цилиндров (в картере) находятся опоры 2 для коренных подшипников коленчатого вала, которые имеют съемные крышки 1, прикрепляемые к блоку самоконтрящимися болтами. В передней части блока расположена полость 3 для цепного привода газораспределительного механизма. Эта полость закрывается крышкой, отлитой из алюминиевого сплава. В левой части блока цилиндров находятся отверстия 17 для подшипников вала привода масляного насоса, в которые запрессованы свертные сталеалюминиевые втулки. С правой стороны блока в передней его части имеются фланец для установки насоса охлаждающей жидкости и кронштейн для крепления генератора. На блоке цилиндров имеются специальные приливы для: 12 – крепления кронштейнов подвески двигателя; 13 – маслоотделителя системы вентиляции картера двигателя; 14 – топливного насоса; 15 – масляного фильтра; 16 – распределителя зажигания. Снизу блок цилиндров закрывается масляным поддоном, а к заднему его торцу прикрепляется картер сцепления. Для повышения жесткости нижняя плоскость блока цилиндров несколько опущена относительно оси коленчатого вала.

В отличие от блока, отлитого совместно с цилиндрами, на рисунке 3 представлен блок 4 цилиндров с картером 5, отлитые из алюминиевого сплава отдельно от цилиндров. Цилиндрами являются легкосъемные чугунные гильзы 2, устанавливаемые в гнезда 6 блока с уплотнительными кольцами 1 и закрытые сверху головкой блока с уплотнительной прокладкой.

Рисунок 3 – Блок двигателя со съемными гильзами цилиндров

1 – кольцо; 2 – гильза; 3 – полость; 4 – блок; 5 – картер; 6 – гнездо

Внутренняя поверхность гильз обработана шлифованием. Для уменьшения изнашивания в верхней части гильз установлены вставки из специального чугуна.

Съемные гильзы цилиндров повышают долговечность двигателя, упрощают его сборку, эксплуатацию и ремонт.

Между наружной поверхностью гильз цилиндров и внутренними стенками блока находится полость 3, которая является рубашкой охлаждения двигателя. В ней циркулирует охлаждающая жидкость, омывающая гильзы цилиндров, которые называются мокрыми из-за соприкосновения с жидкостью.

Головка блока цилиндров закрывает цилиндры сверху и служит для размещения в ней камер сгорания, клапанного механизма и каналов для подвода горючей смеси и отвода отработавших газов. Головка 8 блока цилиндров (см. рисунок 2) выполнена общей для всех цилиндров, отлита из алюминиевого сплава и имеет камеры сгорания клиновидной формы. В ней имеются рубашка охлаждения и резьбовые отверстия для свечей зажигания. В головку запрессованы седла и направляющие втулки клапанов, изготовленные из чугуна. Головка крепится к блоку цилиндров болтами. Между головкой и блоком цилиндров установлена металлоасбестовая прокладка 4, обеспечивающая герметичность их соединения. Сверху к головке блока цилиндров шпильками крепится корпус подшипников с распределительным валом, и она закрывается стальной штампованной крышкой 6 с горловиной 7 для заливки масла в двигатель. Для устранения течи масла между крышкой и головкой блока цилиндров установлена уплотняющая прокладка 5. С правой стороны к головке блока цилиндров крепятся шпильками через металлоасбестовую прокладку впускной и выпускной трубопроводы, отлитые соответственно из алюминиевого сплава и чугуна.

Поршень служит для восприятия давления газов при рабочем ходе и осуществления вспомогательных тактов (впуска, сжатия, выпуска). Поршень 24 представляет собой полый цилиндр, отлитый из алюминиевого сплава. Он имеет днище 23, головку 22 и юбку 25. Снизу днище поршня усилено ребрами. В головке поршня выполнены канавки 21 для поршневых колец.

В юбке поршня находятся приливы 20 (бобышки) с отверстиями для поршневого пальца. В бобышках поршня залиты стальные термокомпенсационные пластины, уменьшающие расширение поршня от нагрева и исключающие его заклинивание в цилиндре двигателя. Юбка сделана овальной в поперечном сечении, конусной по высоте и с вырезами в нижней части. Овальность и конусность юбки так же, как и термокомпенсационные пластины, исключают заклинивание поршня, а вырезы – касание поршня с противовесами коленчатого вала. Кроме того, вырезы в юбке уменьшают массу поршня. Для лучшей приработки к цилиндру наружная поверхность юбки поршня покрыта тонким слоем олова. Отверстие в бобышках под поршневой палец смещено относительно диаметральной плоскости поршня. Посредством этого уменьшаются перекашивание и удары при переходе его через верхнюю мертвую точку (ВМТ ).

Поршни двигателей легковых автомобилей могут иметь днища различной конфигурации с целью образования вместе с внутренней поверхностью головки цилиндров камер сгорания необходимой формы. Днища поршней могут быть плоскими, выпуклыми, вогнутыми и с фигурными выемками.

Поршневые кольца уплотняют полость цилиндра, исключают прорыв газов в картер двигателя (компрессионные 19) и попадание масла в камеру сгорания (маслосъемное 18). Кроме того, они отводят теплоту от головки поршня к стенкам цилиндра. Компрессионные и маслосъемные кольца – разрезные. Они изготовлены из специального чугуна. Вследствие упругости кольца плотно прилегают к стенкам цилиндра. При этом между разрезанными концами колец (в замках) сохраняется небольшой зазор (0,2…0,35 мм).

Верхнее компрессионное кольцо, работающее в наиболее тяжелых условиях, имеет бочкообразное сечение для улучшения его приработки. Наружная поверхность его хромирована для повышения износостойкости.

Нижнее компрессионное кольцо имеет сечение скребкового типа (на его наружной поверхности выполнена проточка) и фосфатировано. Кроме основной функции, оно выполняет также дополнительную – маслосбрасывающего кольца.

Маслосъемное кольцо на наружной поверхности имеет проточку и щелевые прорези для отвода во внутреннюю полость поршня масла, снимаемого со стенок цилиндра. На внутренней поверхности оно имеет канавку, в которой устанавливается разжимная витая пружина, обеспечивающая дополнительное прижатие кольца к стенкам цилиндра двигателя.

Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с верхней головкой шатуна. Палец 26 – трубчатый, стальной. Для повышения твердости и износостойкости его наружная поверхность подвергается цементации и закаливается токами высокой частоты. Палец запрессовывается в верхнюю головку шатуна с натягом, что исключает его осевое перемещение в поршне, в результате которого могут быть повреждены стенки цилиндра. Поршневой палец свободно вращается в бобышках поршня.

Шатун служит для соединения поршня с коленчатым валом и передачи усилий между ними. Шатун 27 – стальной, кованый, состоит из неразъемной верхней головки 28, стержня 29 двутаврового сечения и разъемной нижней головки 30. Нижней головкой шатун соединяется с коленчатым валом. Съемная половина нижней головки является крышкой шатуна и прикреплена к нему двумя болтами 31. В нижнюю головку шатуна вставляют тонкостенные биметаллические, сталеалюминиевые вкладыши 32 шатунного подшипника. В нижней головке шатуна имеется специальное отверстие 33 для смазывания стенок цилиндра.

Коленчатый вал воспринимает усилия от шатунов и передает создаваемый на нем крутящий момент трансмиссии автомобиля. От него также приводятся в действие различные механизмы двигателя (газораспределительный механизм, масляный насос, распределитель зажигания, насос охлаждающей жидкости и др.).

Коленчатый вал 34 – пятиопорный, отлит из специального высокопрочного чугуна. Он состоит из коренных 35 и шатунных 38 шеек, щек 37, противовесов 39, переднего 35 и заднего 40 концов. Коренными шейками коленчатый вал установлен в подшипниках (коренных опорах) картера двигателя, вкладыши 44 которых тонкостенные, биметаллические, сталеалюминиевые.

К шатунным шейкам коленчатого вала присоединяют нижние головки шатунов. Шатунные подшипники смазываются по каналам, соединяющим коренные шейки с шатунными. Щеки соединяют коренные и шатунные шейки коленчатого вала, а противовесы разгружают коренные подшипники от центробежных сил неуравновешенных масс.

На переднем конце коленчатого вала крепятся: ведущая звездочка цепного привода газораспределительного механизма; шкив ременной передачи для привода вентилятора, насоса охлаждающей жидкости, генератора; храповик для поворачивания вала вручную пусковой рукояткой. В заднем конце коленчатого вала имеется специальное гнездо для установки подшипника первичного (ведущего) вала коробки передач. К торцу заднего конца вала с помощью специальной шайбы 41 болтами 42 крепится маховик 43.

От осевых перемещений коленчатый вал фиксируется двумя опорными полукольцами 45, которые установлены в блоке цилиндров двигателя по обе стороны заднего коренного подшипника. Причем с передней стороны подшипника ставится сталеалюминиевое кольцо, а с задней – из спеченных материалов (металлокерамическое).

Маховик обеспечивает равномерное вращение коленчатого вала, накапливает энергию при рабочем ходе для вращения вала при подготовительных тактах и выводит детали кривошипно-шатунного механизма из мертвых точек. Энергия, накопленная маховиком, облегчает пуск двигателя и обеспечивает трогание автомобиля с места. Маховик 43 представляет собой массивный диск, отлитый из чугуна. На обод маховика напрессован стальной зубчатый венец, предназначенный для пуска двигателя электрическим стартером. К маховику крепятся детали сцепления. Маховик, будучи деталью кривошипно-шатунного механизма, является также одной из ведущих частей сцепления.

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ). Маятник Капицы

Данная статья является вводной теорией к занятию по робототехнике «Кривошипно-шатунный механизм из Lego EV3″

1. Первые КШМ
2. КШМ в паровых машинах
3. КШМ в двигателях внутреннего сгорания
4. Маятник Капицы

Первые КШМ

Первые упоминания об использовании кривошипно-шатунного механизма можно отнести ко временам Древнего Рима (примерно III век н.э.). Машина для распиливания каменных блоков передавала вращение от водяного колеса с помощью зубчатой передачи на кривошипно-шатунный механизм, который преобразовывал вращательное движение в возвратно-поступательное движение полотна пилы. Также такие устройства могли использоваться на древних лесопилках.

Схема водяного древнеримского распиловочного станка с КШМ

Большого распространения такие машины не получили – деревянные части из-за большого количества трущихся деталей быстро изнашивались и требовали частого ремонта, а рабский труд был намного дешевле и не требовал большой квалификации рабочих.

В XVI веке кривошипно-шатунный механизм появился на деревянных самопрялках. Самопрялка – это ручной станок для прядения нити из шерсти, состоящий из двух катушек. В самопрялке для скручивания нити использовался принцип ременной передачи. Раньше большую катушку приходилось раскручивать рукой. К самопрялке добавили педаль. Нажимая ногой на педаль, работник смог раскручивать катушку без использования рук. Этот механизм упростил работу и позволил за то же время производить больше пряжи. В данном устройстве возвратно-поступательное движение педали передавалось через деревянный шатун на кривошип и преобразовывалось во вращательное движение большой катушки (шкива).

Самопрялка с педалью и КШМ позволяла освободить руки и сделать работу более производительной

КШМ в паровых машинах

Начиная с начала XVIII века большую популярность среди изобретателей и ученых начинают получать паровые машины. Первый паровой двигатель для водяного насоса построил в 1705 году английский изобретатель Томас Ньюкомен для выкачивания воды из глубоких шахт.

Позднее устройство парового двигателя было усовершенствовано шотландским инженером и механиком Джеймсом Уаттом (1736-1819). Кстати, именно Джеймс Уатт ввел в оборот термин «лошадиная сила», а его именем назвали единицу мощности Ватт. Паровая машина Уатта получила сложную систему связанных тяг, а планетарная зубчатая передача преобразовывала возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение маховика (большого тяжелого колеса). Данная паровая машина стала универсальной, так как в отличие от машины Ньюкомена поршень имел рабочий ход в обе стороны. Машина Уатта получила широкое распространение на ткацких фабриках, в металлургии, при строительстве первых паровозов для железных дорог XVIII века.

Нужно сказать, что паровыми машинами занимались в те времена очень многие изобретатели. Так, в Российской Империи свою двухцилиндровую паровую машину изобрел инженер Иван Иванович Ползунов (1728-1766).

В XIX веке паровую машину Уатта упростили, заменив сложный планетарный механизм на кривошипно-шатунный механизм.

Паровая машина с кривошипно-шатунным механизмом Схема паровой машины с кривошипно-шатунным механизмом

Паровая машина с КШМ нашла широкое применение при строительстве первых автомобилей на паровой тяге и паровозов, перевозящих грузы по железной дороге.

Паровоз

КШМ в двигателях внутреннего сгорания

До этого мы рассматривали использование кривошипно-шатунного механизма в паровых двигателях. В паровом двигателе топливо сгорает в печи (вне цилиндра) и нагревает водяной котел, и уже водяной пар в цилиндре толкает поршень.

В двигателе внутреннего сгорания топливная смесь (воздух + газ, или воздух + бензин и т.д.) поджигается внутри цилиндра и продукты горения толкают поршень. Сокращенно такие двигатели называют ДВС.

Первый одноцилиндровый ДВС на газовом топливе построил в 1860 году в Париже французский изобретатель Жан Ленуар.

Двигатель внутреннего сгорания Жана Ленуара (внешне очень похож на паровую машину)

Однако широкое применение двигатели внутреннего сгорания нашли в конце XIX века после получения керосина и бензина из нефти. Появление жидкого топлива позволило создать экономичные двигатели небольшой массы, которые можно было использовать для привода транспортных машин.

В 1881-1885 гг. российский изобретатель Огнеслав Костович сконструировал и построил в России восьмицилиндровый двигатель мощностью 59 кВт.

Двигатель внутреннего сгорания Огнеслава Костовича

В 1897 г. немецким инженером Рудольфом Дизелем был спроектирован и построен первый двигатель с воспламенением от сжатия. Это был компрессорный двигатель, работающий на керосине, впрыскиваемом в цилиндр при помощи сжатого воздуха.

Рудольф Дизель и его двигатель внутреннего сгорания

Все эти ДВС имели схожие черты и использовали кривошипно-шатунный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленвала.

Давайте посмотрим на схему устройства современного двигателя внутреннего сгорания.

Поршень совершает возвратно-поступательное движение вдоль цилиндра – он ходит вверх и вниз.

Шатун – деталь, связывающая кривошип и поршень.

Кривошип – условная деталь, которая связывает шатун с коленвалом.

Противовес снижает вибрации при вращении коленвала.

Блок цилиндров – корпус, в котором находятся цилиндры двигателя.

Поршневой палец – цилиндрическая деталь, ось вращения шатуна относительно поршня.

Коленвал (коленчатый вал) – ось вращения ступенчатой формы.

Верхняя мертвая точка – крайнее верхнее положение поршня, где меняется направление его движения.

Нижняя мертвая точка — крайнее нижнее положение поршня, где меняется направление его движения.

Ход поршня — расстояние между крайними положениями поршня. Равно удвоенному радиусу кривошипа.

Видео:

Литература:

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».

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.

Состав и устройство узлов КШМ

КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ

1. Назначение КШМ и принцип работы.

2. Состав и устройство узлов КШМ.

1. Назначение КШМ и принцип работы.

Определение: механическая передача передающая энергию с преобразовани­ем видов движения.

В соответствие с общей классификацией машин и механизмов — кривошипно-ползунковый механизм (КПМ).

Назначение: КШМ служит для преобразования поступательного движения поршня под действием энергии расширения продуктов сгорания топлива во вра­щательное движение коленчатого вала.

Принцип действия: четырехтактный поршневой двигатель состоит из ци­линдра и картера, который снизу закрыт поддоном. Внутри цилиндра перемеща­ется поршень с уплотнительными (компрессионными) кольцами. Поршень через поршневой палец и шатун связан с коленчатым валом, который вращается в ко­ренных подшипниках, расположенных в картере. Сверху цилиндр накрыт голов­кой с клапанами, открытие и закрытие которых строго согласовано с вращением коленчатого вала. Перемещение поршня ограничивается двумя крайними поло­жениями, при которых его скорость равна нулю: верхней и нижней мертвой точ­кой. Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается ма­ховиком, имеющим форму диска с массивным ободом.

Состав и устройство узлов КШМ.

Состав: все детали КШМ делятся на подвижные (рис.1) и неподвижные (рис. 2). К неподвижным (детали остова двигателя )относятся: картер, блок цилиндров, головка блока цилиндров и соединяющие их детали (рис. 2, 3), к подвижным — поршень с пальцем и кольцами, шатун, коленчатый вал и маховик.

Блок цилиндров является основой двигателя. Большая часть навесного обо­рудования двигателя монтируется на блоке цилиндров.

По форме блока цилинд­ров ДВС классифицируют:

— рядный двигатель: цилиндры располагаются последовательно в одной плос­кости; ось цилиндров вертикальна, под углом или горизонтальна ; число цилинд­ров — 2, 3, 4, 5, 6, 8;

— V-образный двигатель: цилиндры располагаются в двух плоскостях с обра­зованием конструкции V — образной формы; угол развала — от 30° до 90°; число цилиндров 2, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 24;

— VR-образный двигатель: рядно-смещенное расположение цилиндров в шахматном порядке с углом развала 15°. Очень узкие V-образные двигатели тако­го типа долгое время делала итальянская фирма “Lancia”, и ее опыт используется концерном “Volkswagen”;

— W-образный двигатель: два рядно-смещенных блока VR, объединенных в V-образную конфигурацию с углом развала 72 °С. W8-Volkswagen Passat, W12- VW Phaeton и Audi A8, W16-Bugatti EB 16.4 Veyron;

— оппозитный двигатель: противолежащие друг другу цилиндры располага­ются горизонтально, число цилиндров — 2,4,6. Subaru обозначает свои оппозитные двигатели индексом «B» (Boxer), добавляя к нему цифру «4» или «6», в зависимо­сти от числа цилиндров.

Нумерация цилиндров начинается от носка коленвала, а при двух-, и четы­рехрядном расположении цилиндров — слева, если смотреть со стороны носка ко­ленвала ( за исключением «РЕНО»). Направление вращения коленвала — правое, то есть по часовой стрелке, если смотреть с носка коленвала (за исключением Honda, Mitsubishi).

В конструкцию блока входят гильзы цилиндров, рубашка охлаждения и гер­метизированные масляные полости и каналы. Во внутренних полостях блока цир­кулирует жидкость системы охлаждения, там же проходят и масляные каналы системы смазки двигателя. Блок имеет монтажные и опорные поверхности для ус­тановки вспомогательных устройств.

Картер служит опорой для подшипников, на которых вращается коленчатый вал. Обычно выполняется заодно с блоком цилиндров. Такая конструкция называ­ется блок-картер. Снизу картер закрывается поддоном, в котором обычно хранит­ся запас масла.

Чаще картер и блок цилиндров отливают как одно целое. Если картер изготовляют отдельно, то к нему крепят или отдельные цилиндры, или блок цилиндров. Блок-картер совре­менного поршневого двигателя — это наиболее сложная и дорогая деталь. Он обладает большой жесткостью. В зависимости от вос­приятия нагрузки различают силовые схемы с несущими цилиндрами, с несущим блоком цилиндров, с несущими силовыми шпильками.

В первой схеме под действием сил давления газов стенки цилиндров и рубашки охлаждения испытывают напряжение разрыва. Во второй схеме, получившей наибольшее распространение, нагрузки восприни­маются стенками цилиндров и рубашки охлаждения, поперечными пе­регородками картера. В этой схеме часто используют сменные гиль­зы «мокрые» или «сухие» (рис. 3).

Рис. 1. Подвижные детали КШМ

Рис. 2. Неподвижные детали ДВС

В этом случае основную нагрузку несут стенки рубашки охлаждения. Конструкция в целом оказывается менее жесткой. В третьей схеме растягивающие нагрузки воспри­нимаются силовыми шпильками, а цилиндр (или блок цилиндров) оказывается сжатым.

Рис. 3. Гильза цилиндров (а) и схемы по­садки мокрой (б) и сухой (в) гильз

При работе силы давления газов, растягивая шпильки, разгружа­ют цилиндр. Блок-картер служит базовой деталью, на нем размеща­ются все навесные агрегаты, механизмы и системы двигателя. Блок- картер воспринимает все силы, развивающиеся в работающем двига­теле, отдельные его элементы подвергаются значительному местному нагреву, он подвержен действию колебаний, а те его элементы, кото­рые сопрягаются с подвижными деталями двигателя, в процессе экс­плуатации сильно изнашиваются.

При длительной работе блок-кар­тер коробится из-за деформаций, действия силовых и тепловых нагрузок и структурных изменений в материале. Как следствие, теря­ются параллельность осей цилиндров, перпендикулярность осей ци­линдров к оси коленчатого вала, возникают другие нарушения макро­геометрии блока картера, что весьма нежелательно из-за увеличения трения, износа и даже выхода из строя всего двигателя.

Головка цилиндра (рис. 4) обеспечивает герметизацию верхней части ци­линдра. Совместно с днищами поршней, образует камеру сгорания. Обычно уста­навливается одна головка для всех цилиндров рядного и VR-образного, или две — для V, W и оппозитного двигателя. Она крепится к блоку цилиндров и, при работе составляет с ним единое целое. Уплотнение стыка обеспечивается прокладкой.

На большинстве ДВС в головке размещается привод клапанов, сами клапаны, свечи зажигания или накаливания, форсунки. Так же, как и в блоке цилиндров — имеются жидкостные и масляные каналы и полости.

Головки цилиндров подвержены действию максималь­ных сил давления газов, контактируют с нагретыми газами.

Рис. 4. Головка блока цилиндров: а) вид сверху, б) вид снизу

Для изготовления блок-картеров и головок цилиндров использу­ют серые или легированные чугуны марок СЧ 15-32, СЧ 21-40 и алюминиевые сплавы. Чугуны содержат около 3-4% углерода, ле­гирующие элементы (марганец, хром, никель, титан, медь, молибден), примеси серы и фосфора, кремний. Твердость чугунов составляет 230-250 по Бринеллю. Для све­дения к минимуму в про­цессе эксплуатации дефор­мации блока применяют операцию искусственного старения отливок перед механической обработкой.

Стенки блока цилиндров при работе двигателя ис­пытывают циклические на­пряжения изгиба. Обычно стремятся уменьшить ам­плитудные значения на­пряжения, что достигается путем оребрения поперечных стенок. Что­бы снизить упругие остаточные деформации постелей коренных под­шипников коленчатого вала, обеспечить их соосность и улучшить работу кривошипно-шатунного механизма, часто вводят силовые свя­зи между крышками коренных опор и стенками блока.

Очень важно при сборке, изготовлении или ремонте снизить так называемые монтажные деформации гильзы в сборе с блоком. Повы­шенные монтажные деформации гильзы, как свидетельствует опыт эксплуатации дизелей Д-37Е, ЯМЗ-236 и др., приводят к повы­шенному трению и преждевременному износу гильзы. Равномерность деформаций достигается путем обеспечения примерного равенст­ва деформаций участка блока при затяжке каждой шпильки, а их минимизация — путем увеличения жесткости гнезда, в котором раз­мещается шпилька. Блоки цилиндров и гильзы двигателей с водяным охлаждением подвержены кавитационному износу.

Причиной воз­никновения кавитации стенок блока цилиндров и гильз являются ин­тенсивные вибрации, возникающие при осуществлении рабочего про­цесса и ударах. Во избежание кавитационных износов в блоке цилинд­ров размещают антикавитационную защиту (например, в двигателе ЯМЗ), представляющую собой специальное антикавитационное пло­ское резиновое кольцо, устанавливаемое с натягом на гильзе и попада­ющее вместе с гильзой при сборке в выточку в блоке и гильзе. Как правило, при демонтаже узел разрушается, поэтому в эксплуатации при переборках его нужно заменять новым. Равномерного распре­деления нагрузок добиваются также во всех элементах головки блока цилиндров.

Особое внимание уделяют совершенствованию технологии литья головок и блоков цилиндров, чтобы снизить нарушение размеров отливок, избежать отбеливания чугуна, обеспечить точность и ста­бильность литья. Должным образом доведенная конструкция блока цилиндров и головки обеспечивает наработку 8000 моточасов и более.

Важный элемент конструкции — прокладка головки блока ци­линдров, обеспечивающая плотное соединение головки и блока ци­линдров и препятствующая прорыву газов из камеры сгорания при работе двигателя. Про­кладки делают цельноме­таллическими из меди или алюминия, тонкого сталь­ного листа (набора тонких листов), а также из листов графитизированного асбес­тового картона, положен­ных на стальную сетку.

Металлические проклад­ки используют в дизелях с жесткими блоками и го­ловками и при большой силе затяжки шпилек. Ас­бестовые прокладки при­меняют в карбюраторных двигателях, а также в ди­зелях. Шпильки, которыми притягивают головки и прокладку к блоку цилинд­ров, изготовляют из угле­родистых и легированных сталей. Нижняя часть кар­тера (поддон) в двигателях не является несущей. Ее отливают из алюминиевого сплава или штампуют из тонкого стального листа. Поддон обычно служит ванной для масла, в нем размещают маслоприемные устройства, успокоители против разбрызгивания. Устанавливают его на про­кладках для предотвращения вытекания масла.

Шпильки подвергают расчетам на прочность на знакопеременные нагрузки. Оценки напряжений в элементах головок и блоков цилинд­ров по формулам сопротивления материалов носят условный харак­тер. Лишь в последние годы, после того как был развит метод конеч­ных элементов, стала возможной постановка задачи о расчетах на прочность таких сложных по конфигурации деталей, как блок цилинд­ров и головка. Расчеты эти требуют применения мощных вычислитель­ных машин. Традиционно заводы-изготовители много времени и сил затрачивают на экспериментальное определение характеристик на­дежности, вибрационной стойкости деталей остова.

Реферат: Принципиальные схемы КШМ. Компоновочные схемы двигателей

Б елорусский Национальный Технический Университет

Кафедра «Двигатели внутреннего сгорания»

Группа 101312

Отчет по ознакомительной (учебной) практике

Проходил: Куделко В. В.

Руководитель: Хатянович В. И.

Оглавление

Принципиальные схемы КШМ. 3

1. Общие принципы конструирования и расчетов. 3

2. Компоновочные схемы двигателей. 4

Принципиальные схемы КШМ

1. Общие принципы конструирования и расчетов

Создание современного двигателя внутреннего сгорания -сложный процесс, в котором участвуют различные специа­листы. Центральное место в этом процессе занимает разработ­ка конструкторского проекта.

Конструирование двигателя заключается в инженерной раз­работке его конструкции. Научно-технический прогресс требует от конструкторов создания двигателей с высокими значениями основных показателей, главными из которых являются эконо­мичность, надежность, ресурс, материалоемкость, доступность изготовления и простота обслуживания. Для того чтобы созда­ваемый двигатель удовлетворял перечисленным требованиям, необходимо при его проектировании использовать новые кон­структорские решения. Это не отрицает преемственности кон­струкции и возможности применения хорошо зарекомендовав­ших себя конструкций, а также узлов и деталей.

Научно-технический прогресс в области двигателестроения зависит от развития отраслей, поставляющих материалы, ком­плектующие изделия, топлива и масла. Он осуществляется по комплексным планам, разрабатываемым на основе перспек­тивных типажей двигателей, под которыми понимается обосно­ванная совокупность минимального числа типов и размеров двигателей. Типаж определяется мощностным рядом, в ко­торый входят двигатели, одинаковые по компоновке и кон­струкции основных узлов и деталей. Целесообразно, чтобы вновь создаваемый двигатель являлся одним из элементов мощностного ряда, что обусловит сокращение сроков освоения новой конструкции и повышение качества изготовления двига­теля. Однако несмотря на все преимущества, связанные с вне­дрением разработанных типажей, в качестве базовой модели может быть принята принципиально новая и целесообразная с технико-экономической точки зрения конструкция двигателя.

При создании новых двигателей и их семейств большое внимание уделяется степени их стандартизации и унификации, которая оценивается долей стандартизованных и унифициро­ванных элементов во всей конструкции двигателя. Степень уни­фикации должна определяться оптимальностью общего реше­ния компоновки конструкции и ее экономической целесообраз­ностью.

Непрерывное форсирование современных двигателей по удельной мощности сопровождается ростом температур и напряжений в их деталях. Поэтому большую роль при создании современных двигателей приобретают расчеты на прочность.

Расчет на прочность деталей двигателя включает следую­щие основные этапы: составление расчетной схемы, отражаю­щей наиболее существенные особенности конструкции и усло­вий нагружения деталей; анализ этой схемы с помощью современных методов расчета; формулировку на основе прове­денного анализа практических выводов применительно к реаль­ной конструкции. Используемые ранее (при малых и средних уровнях форсирования), часто очень упрощенные, методы рас­чета на прочность деталей двигателя не вызывали возражений, так как заложенные в самих конструкциях двигателей запасы прочности при средних параметрах рабочего процесса были ве­лики. В настоящее время требуются методы расчета, значи­тельно более точно учитывающие геометрию деталей и усло­вия их нагружения.

Особенности проектирования современных двигателей, предусматривающего (наряду с повышением качества) сниже­ние его сроков при усложнении конструкции двигателя, обусло­вили создание автоматизированного проектирования. При этом особенно возрастает роль расчетов, которые должны быть ориентированы на систематическое применение ЭВМ и выполнены на качественно новом, более высоком уровне.

2. Компоновочные схемы двигателей

Разнообразие областей применения двигателей внутреннего сгорания и, следовательно, требований, предъявляемых к их конструкции, обусловливает сложность построения классифика­ционной схемы двигателей по конструктивным признакам.

Основной задачей при разработке классификационных схем является отбор нескольких общих признаков, на базе которых может быть проведено построение частных классификаций. Для выявления этих признаков следует проанализировать тре­бования, предъявляемые к двигателям в зависимости от их назначения.

Простота конструкции двигателя определяется необходи­мостью, с одной стороны, облегчения его производства и экс­плуатации, а с другой-повышения надежности.

Размеры двигателя и его масса зависят от общей компонов­ки двигателя, конструктивных форм и размеров остова. Поэто­му целесообразно в качестве основы для классификации двига­телей выбрать прежде всего геометрические признаки, и в частности расположение в пространстве геометрических осей главнейших его деталей.

Как правило, современные двигатели внутреннего сгорания имеют механизмы для преобразования возвратно-поступатель­ного движения поршня во вращательное движение вала. К без-вальным двигателям относятся только свободнопоршневые ге­нераторы газа, дизель-компрессоры, дизель-молоты и двига­тель-трамбовка.

Один из основных факторов, определяющих конфигурацию двигателя,-расположение и число рабочих цилиндров. В двига­телях с валом, но без кривошипно-шатунного механизма (с на­клонной или иной шайбой) оси цилиндров расположены парал­лельно оси вала.

Если оси трех и более цилиндров находятся в одной плоско­сти, перпендикулярной оси вала, то они образуют так называе­мую звезду. Комбинирование отдельных цилиндров произво­дят чаще всего вдоль коленчатого вала. Конструкцию, в которой звезды расположены вдоль коленчатого вала, назы­вают многорядной звездой. В многорядных звездообразных двигателях оси цилиндров соседних звезд, в частности при воз­душном охлаждении, могут быть смещены на половину угла между цилиндрами.

Формы конструкций двигателей зависят от взаимного рас­положения деталей, механизмов и вспомогательных агрегатов. Общая компоновка может зависеть, например, от числа и рас­положения распределительных валов (верхнее или нижнее), от расположения агрегатов воздухоснабжения и т. д. Хотя эти фак­торы не являются основными, тем не менее их следует учиты­вать при классификации отдельных узлов, систем вспомога­тельных агрегатов и устройств.

Однорядные двигатели характеризуются простотой кон­струкции и сравнительно высокой технологичностью изготов­ления. Указанные преимущества, а также большой опыт по­строения и эксплуатации двигателей с вертикально располо­женными цилиндрами обусловливают широкое применение подобных двигателей.

Основное преимущество V-образных двигателей перед однорядными такой же мощности-меньшие размеры и в пер­вую очередь меньшая длина, вследствие чего увеличена жест­кость таких ответственных деталей, как картера (блок-картера), крышки (головки) цилиндров и коленчатого вала. Наиболее ча­сто применяемый угол между осями цилиндров 45-90°. Он определяется назначением двигателя, требованиями к размерам и порядком работы цилиндров, расположенных в одном ряду. Там, где основное требование-уменьшение размеров и в пер­вую очередь высоты, этот угол может быть и больше 90°.

Аналогичные преимущества имеют двигатели с W-образно расположенными цилиндрами (рис. 3), но большого распро­странения они не получили, главным образом вследствие слож­ности конструкции шатунов, подшипников и других узлов и де­талей. Однако в последнее время конструкторы вновь стали применять эту схему.

В некоторых случаях двигатели выполняют с Х-образно расположенными цилиндрами (рис. 4). Такие двигатели имеют небольшие размеры по длине. Детали кривошипно-шатунного механизма, корпуса и распределительного механизма в этом случае имеют очень сложную конструкцию. Углы между осями цилиндров могут быть или разными (рис. 4), например 45, 60 и 120°, или одинаковыми.

В установках различного назначения применяют также дви­гатели с горизонтальными противолежащими цилиндрами (рис. 5). Для машин наземного транспорта небольшая высота двигателя данного типа и удобство размещения его в машине являются в некоторых случаях несомненными преимуществами по сравнению с двигателями, имеющими вертикально или V-образно расположенные цилиндры.

В двигателях со звездообразно расположенными цилиндра­ми (рис. 6) проще осуществлять воздушное охлаждение, чем в двигателях с цилиндрами, расположенными в ряд. Однако, как правило, шатуны и коленчатые валы звездообразных дви

гателей очень нагружены и имеют сложную конструкцию. По­следнее особенно характерно для двигателей с цилиндрами расположенными в виде многорядной звезды (рис. 7), которые обладают меньшими размерами и массой при большей мощ­ности по сравнению с другими одновальными двигателями

В связи с необходимостью создания мощных быстроходных двигателей значительное внимание уделяется двухвальным и многовальным конструкциям. Конструктивные схемы по­добных двигателей весьма разнообразны. Двухвальные двига­тели могут быть выполнены сдвоенными с двумя рядами па­раллельно расположенных цилиндров (рис. 8). В этом случае два коленчатых вала соединены между собой зубчатой переда­чей. Необходимо отметить также двигатели с Н-образно (рис. 9) и I-образно расположенными цилиндрами. Наконец, цилиндры могут быть расположены под углом и иметь общую (для двух цилиндров) камеру сгорания.

Особо следует остановиться на конструктивных схемах двухтактных двигателей с противоположно движущимися пор­шнями. Одновальные двигатели с противоположно движущи­мися поршнями могут быть:

с одним коленчатым валом-тронковые (рис. 10 а) и крейцкопфные (рис. 10,6);

с двумя коленчатыми валами и цилиндрами, расположенны­ми в ряд (цилиндры могут быть расположены вертикально, как показано на рис. На, или горизонтально);

с двумя коленчатыми валами и сдвоенными, ромбообразно расположенными цилиндрами; с тремя коленчатыми валами, двумя рабочими полостями и V-образно расположенными перевернутыми цилиндрами (рис. 12);

с тремя коленчатыми валами, тремя рабочими полостями и осями цилиндров, образующими треугольник (рис. 13);

с цилиндрами, оси которых параллельны оси вала, и на­клонными вращающимися или качающимися шайбами для передачи вращения валу.

Одновальные двигатели с противоположно движущимися поршнями (см. рис. 10) имеют в основном валы с тремя коле­нами на каждый цилиндр. При этом два боковых колена, рас­положенных под углом, близким к 180°, к среднему (основно­му) колену, связаны с верхним поршнем через траверсу и длинные тяги.

Двигатели, выполненные по схеме, показанной на рис. 13, имеют меньшие размеры и большую мощность. Они отли­чаются сложностью некоторых узлов, в частности корпуса, и невозможностью доступа к деталям (например, к некоторым насосам и форсункам) со стороны внутренней полости. В этих двигателях один из поршней цилиндра управляет впуском, дру­гой-выпуском. Причем поршень, управляющий выпуском, омывается выпускными газами и находится в особо тяжелых условиях. Так как кривошипы каждого цилиндра смещены один относительно другого на угол, отличающийся от 180° на 10-15°, с коленчатого вала, управляющего выпуском, снимается большая мощность, и этот вал оказывается более нагру­женным. В двигателях, выполненных по схемам, приведенным на рис. 12 и 13, можно уравнять мощности, снимаемые с ко­ленчатых валов, присоединяя к одному колену вала поршень, управляющий выпуском, и поршень, управляющий впуском. Рассмотренные схемы не исчерпывают всех возможных ра­циональных компоновок, характеризуемых различным распо­ложением и числом цилиндров и валов. По этим схемам вы-

полняют как четырехтактные (см. рис. 1-9), так и двухтактные двигатели.

Почти все двигатели внутреннего сгорания-двигатели про­стого действия. В таких двигателях можно применять тронко-вую конструкцию поршня, что обусловливает уменьшение га­баритных размеров (главным образом в направлении оси цилиндра) и массы поступательно движущихся деталей, а также большую простоту конструкции.

При больших мощностях малооборотные двигатели про­стого действия выполняют с крейцкопфом в основном для обеспечения большей надежности при эксплуатации и создания лучших условий работы поршневой группы. Принцип двойного действия позволяет увеличить мощность двигателя в 1,5-1,8 раза при относительно небольшом увеличении его массы. Од­нако в настоящее время двигатели двойного действия (обычно двухтактные) не выпускают, так как они характеризуются сложностью конструкции, очень тяжелыми условиями работы поршневой группы, штока и других деталей. В таких двигате­лях трудно обеспечить хорошее качество процессов газообмена и особенно смесеобразования в полости цилиндра, через кото­рую проходит шток. Применение же наддува позволяет полу­чить необходимую мощность и в более простых по конструк­ции двигателях простого действия.

Литература

1. «Автомобильные двигатели» 2-е изд.

2. «Автомобильные двигатели. Теория, расчёт и конструирование» под редакцией Ховаха ,Самойловича