Механизм движения двигателя внутреннего сгорания

Механизм движения двигателя внутреннего сгорания

механизм движения двигателя внутреннего сгорания

Механизм движения ДВС служит для преобразования возвратно-поступательного перемещения поршней во вращательное движение коленчатого вала, которое затем передается через узлы и агрегаты трансмиссии на ведущие колеса автомобиля. От состояния этого механизма во многом зависит работоспособность и экономичность двигателя.

В подавляющем большинстве современных ДВС этот механизм является кривошипно-шатунным и состоит из поршня, шатуна и коленчатого вала, имеющего шатунную и опорные шейки (рис. 1).

В многоцилиндровых двигателях количество шатунных шеек равно количеству поршней (цилиндров), и в любом случае количество опорных шеек коленчатого вала больше числа шатунных на одну.

двигатель механизм износ

Рис. 1. Схема кривошипно-шатунного механизма ДВС и действующих в нем сил:

а - общая схема, б - схема сил, действующих в верхней головке шатуна, в - схема сил, действующих на шатунную шейку, г - схема сил, действующих на коренные шейки коленчатого вала, 1- цилиндр, 2 - поршень, 3 - поршневое уплотнение, 4 - палец (верхняя головка шатуна), 5 - шатун, 6 - нижняя головка шатуна (шатунная шейка), 7 - кривошип, 8 - шейка коленчатого вала, 9 - противовес

Коленчатый вал воспринимает все усилия, которые передают ему поршни и шатуны. Это сила, возникающая от перепада давления газов на поршне Р_П и силы инерции, возникающие при движении поршней с шатунами, а также сила инерции Т_П вращательного движения противовесов, установленных на коленчатом валу. Перепад давления на поршне переменный по величине и направлен в основном в одну сторону (вниз по рисунку) за исключением такта впуска, когда давление над поршнем меньше давления в подпоршневой полости (в картере), соединенной через сапун с атмосферой. Силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс переменны по величине и направлению.

Сила Р является суммой сил, возникающих от перепада давления на поршне Р_П и сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс (в данном случае - массы поршня с пальцем и части массы шатуна, которую относят к приведенной массе поршня). Приведенная масса поршня М_П равна:

, (1)

где m_П - масса поршня с пальцем, а m_Ш - масса шатуна.

Силы инерции рассчитываются как произведение приведенной массы поршня на его ускорение. На ось кривошипа действует сила Т, которая раскладывается на две составляющие: нормальную Т_Н и тангенциальную Т_Т. Кроме того, в связи с вращением кривошипа, на него действует центробежная сила Т_В, рассчитываемая с учетом присоединенной к кривошипу массы шатуна (0,75m_Ш). Сумма сил Т_В и Т_Н дает силу Т_К, которая действует на шатунную шейку коленчатого вала, и, следовательно, на его коренные шейки. Кроме того, на коренные шейки действуют центробежные силы инерции Т_П со стороны противовесов.

В связи с тем, что перепад давления на поршне, линейная скорость и направление движения поршня вдоль оси цилиндра не постоянны, все действующие силы (за исключением силы Т_П, которая определяется массой противовесов, их положением на валу и частотой вращения вала, которая близка к постоянной величине) являются переменными по величине, и их сумма тоже переменна во времени.

Кроме того, при вибрации двигателя в контактах трущихся кинематических пар возникают дополнительные силы, величина которых пропорциональна частоте и амплитуде этих колебаний. В связи с тем, что такие детали двигателя как шатуны и особенно - коленчатый вал имеют сравнительно большую массу, возникающие инерционные усилия могут быть не только сопоставимы, но даже превышать силы, возникающие от перепада давления на поршне.

Таким образом, в любом случае, на каждую шатунную шейку коленчатого вала действует сумма сил переменной величины, в связи с чем износ поверхности шейки и антифрикционных вкладышей нижней головки шатуна имеет неравномерный характер (рис. 2). Очевидно, что чем выше эти нагрузки и меньше площадь опорной поверхности, чем хуже условия смазки, тем больше этот износ.

Условия работы опорных (коренных) шеек коленчатого вала существенно отличаются от работы шатунных шеек. Коленчатый вал представляет собой балку на нескольких опорах, неравномерно нагруженную вдоль оси. В качестве примера рассмотрим вал с двумя шатунными шейками (рис. 3).

Очевидно, что реакции в опорах коренных шеек (R_1, R_1,2, R₂) постоянно изменяют как свою величину, так и направление, и, кроме того, коленчатый, будучи упругой балкой, испытывает изгибные напряжения, под действием которых вал может прогибаться в пределах упругих деформаций и зазоров между коренными шейками и антифрикционными вкладышами. Чрезмерный износ опорных шеек коленчатого вала и антифрикционных вкладышей опор дает возможность валу перекашиваться в опорах. Все вместе это приводит к снижению гидравлического сопротивления на пути жидкой смазки и падению давления в зазорах, что способствует нарушению сплошности смазочного слоя и к еще большему износу из-за разрушения вторичных структур в контактирующих поверхностях.

Силы Z, действующие вдоль оси коленчатого вала, невелики, и возникают из-за негоризонтального расположения двигателя во время спусков, подъема, при неравномерной загрузке автомобиля вдоль оси, из-за ускорений, возникающих при торможении или ускорении автомобиля. Для предотвращения активного износа торцов коленчатого вала, а также для возможности компенсации этого износа при ремонте между его торцами и крайними опорами 1 и 2 (рис. 3) устанавливаются дистанционные полукольца 3, имеющие антифрикционную плоскость, повернутую в сторону вала.

Рис. 3 Схема нагрузки коленчатого вала в вертикальной плоскости:

,2 - передняя и задняя опоры, 3 - дистанционное полукольцо, 4 - промежуточная опора, 5 - шатун

Так, например, в шести- и восьмицилиндровых рядных ДВС удается полностью уравновесить силы инерции первого и второго порядка, а также возникающие от них неуравновешенные вращающие моменты. При этом двигатель теоретически не колеблется при работе, и, следовательно, его детали не испытывают дополнительных ускорений, что существенно снижает износ трущихся пар. Полное уравновешивание также позволяет организовать равномерный износ опорных шеек коленчатого вала.

Кроме того, износу подвержены поршневой палец и отверстия в бобышках поршня, в которые монтируется палец, или отверстия в верхней головки шатуна (в зависимости от способа монтажа пальца в поршне).