Как и у паровой машины, возвратно-поступательное движение поршня преобразовывается во вращательное движение вала двига­теля внутреннего сгорания. Это преобразование выполняет кривошипно-шатунный механизм. Он состоит из поршня, шатуна (в отдель­ных случаях имеется шток и крейцкопф), коленчатого вала и махо­вика.

При наличии штока и крейцкопфа (крейцкопфные двигатели) боковое давление, возникающее при наклонном положении шатуна, не передается на поршень и стенки цилиндра, а воспринимается ползуном и параллелями. К крейцкопфпым двигателям относятся все двигатели двойного действия и двигатели большой мощ­ности.

Однако у большинства двигателей внутреннего сгорания шток, ползун и параллели отсутствуют. Такие двигатели называются беекрейцкопфными или тронковыми. Тронковые двигатели менее сложны вследствие отсутствия крейцкопфного узла и имеют меньшую высоту, что также весьма ценно.

При работе тронкового двигателя боковое давление, возникаю­щее при наклонном положении шатуна, воспринимается поршнем и передается рабочей поверхности цилиндра. В этом случае поршень шарнирно соединяется непосредственно с шатуном и выполняет роль ползуна.

Поршень воспринимает давление газов и передает его шатуну и коленчатому валу. Поршни могут быть цельными и составными, с охлаждением жидкостью и без охлаждения. Чаще всего поршни диаметром до 400 мм изготовляются цельными.

На фиг. 88 представлен цельный поршень тронкового типа без охлаждения. Он имеет стаканообразную форму и состоит из нижней цилиндрической части 2, называемой тронком или юбкой, и верхней части 4, называемой головкой поршня. Длина поршня тронкового типа обычно составляет 1,3—1,6 диаметра цилиндра D и определяется допустимым удельным давлением на стенки цилиндра; кроме того, она зависит от количества уплотнительных колец 3 и от расстояния между ними. Удельное давление не должно пре­восходить 6—8 кГ/см².

Количество уплотнительных (компрессионных) колец колеблется в пределах 3—6. Эти кольца служат для воспрепятствования про­рыва газов между поршнем и стенками цилиндра. Они выполняются квадратного, прямоугольного и трапецеидального сечения с различ­ными формами замков (стыков). Для свободного расширения кольца при нагревании предусматривается зазор в замке, величина которого в холодном состоянии составляет для двух верхних колец 0,006D, а для остальных 0,004D.

Опыт показывает, что лучшее уплотнение с меньшей потерей на трение получается при большем числе узких колец.

Кольца должны прилегать к рабочей поверхности цилиндра без просветов, а поэтому должны быть достаточно упруги, но не чрез­мерно, чтобы не увеличивать потери на трение и не усиливать износ рабочей поверхности цилиндра. Однако давление колец на стенку цилиндра зависит не только от их упругости, но главным образом от величины давления газов. Газы, проникая через зазор между кольцом и торцовой поверхностью канавки в поршне, прижимают кольцо к стенке цилиндра. Естественно, что наибольшее давление газы оказывают на первое сверху кольцо; поэтому наибольшему износу подвергается цилиндрическая поверхность первого кольца, которая в большей степени изнашивает и рабочую поверхность цилиндра.

Поршневые кольца изготовляются из серого и легированного чугуна.

Технические условия на изготовление поршневых колец дизелей установлены ГОСТом 7133-54. Для повышения износостойкости как кольца, так и рабочей поверхности цилиндра не менее чем одно верхнее кольцо должно иметь покрытие пористым хромом. Хро­мирование колец заключается в нанесении гальваническим спосо­бом пористого хрома слоем 0,1—0,2 мм.

Пористый хром обладает способностью разносить масло по поверхности втулки.

Разносят масло и сами кольца (фиг. 79, а). При движении поршня вниз поршневое кольцо прижи­мается к верхней торцовой поверхности канавки. Нижней кромкой кольцо соскабливает со стенки втулки масло, которое и попадает в образовавший­ся зазор. При движении поршня вверх кольцо пе­ремещается в канавке и прижимается к ее нижней торцовой поверхности; при. этом масло вытесняется в зазор, образующийся меж­ду верхней поверхностью канавки и кольцом.

При следующем ходе поршня вниз рассмотренное явле­ние повторяется. Таким образом происходит перекачивание масла на поверхности втулки вверх. Это явление именуют насосным действием колец. Оно особенно заметно у четырехтактных двигателей при наличии разрежения в цилиндре в период всасывающего хода.

Осевой зазор между поршневым кольцом и его канавкой для верхнего кольца при диаметре цилиндра от 160 до 300 мм должен быть 0,08—0,25 мм; для остальных колец 0,05—0,15 мм. При диа­метре цилиндра выше 300 мм для верхнего кольца — 0,12—0,3 мм, для остальных колец 0,07—0,25 мм.

При повышенном зазоре между поршневыми кольцами и канав­ками насосное действие колец возрастает и масло перекачивается в камеру сгорания, чем увеличивается расход масла.

Для уменьшения поступления масла в камеру сгорания устанавливают одно или два маслосъемных кольца, соскабливаю­щие масло со стенок цилиндра и отводящие его через отверстия в стенках поршня в картер двигателя. Схема действия маслосъемного, кольца простейшей конструкции представлена на фиг. 89, б.

При движении поршня вверх давление масла, собирающегося в кольцевом пространстве скоса, сжимает кольцо и масло проходит

через образовавшийся зазор между втулкой и кольцом вниз, а при движении поршня вниз масло через отверстия, просверленные по всей окружности поршня, удаляется внутрь поршня и стекает в картер.

При установке поршневых колец в канавки поршня замки колец располагают таким образом, чтобы у соседних колец они не прихо­дились бы один против другого, а были смещены примерно на 120°. В двухтактных двигателях замки колец во избежание их поломки смещают от продувочных и выхлопных окон. С этой целью их закреп­ляют штифтами (фиг. 90).

Материалом для изготовления поршней служит главным образом серый чугун (обычно марки СЧ 24-44). Для быстроход­ных двигателей поршни для уменьшения сил инерции изготовляют из алюминие­вых сплавов, удельный вес которых при­мерно в 2,5 раза меньше удельного веса чугуна. Иногда для таких двигателей из­готовляют чугунные поршни облегченной конструкции (с тонкими стенками и реб­рами жесткости).

Для предотвращения заедания поршня вследствие его расшире­ния при нагревании должен быть зазор между поршнем и рабочей поверхностью цилиндра. Величина зазора между юбкой чугунного поршня и поверхностью цилиндра в среднем 0,001D; между верх­ней частью головки поршня и поверхностью цилиндра (0,004— 0,008) D, где D—диаметр цилиндра. Больший зазор в верхней части поршня объединяется наличием здесь значительно больших тепловых напряжений. Эти напряжения иногда вызывают появление трещин в днище поршня. Поэтому поршни больших диаметров делают обычно составными; нередко их головка выполняется из литой стали. Головка поршня соединяется с юбкой шпильками. Такая конструкция дает ряд преимуществ: а) возможность применения для головки материала повышенного качества; б) возможность замены головки, не меняя всего поршня; в) получение более надежной и сравнительно свободной от литейных напряжений кон­струкции; г) возможность некоторой регулировки пространства сжатия с помощью прокладки между головкой и юбкой.

Поршни двигателей двойного действия состоят из двух головок с уплотнительными кольцами и промежуточной части между ними.

Для предупреждения недопустимого теплового напряжения и появления трещин поршень следует охлаждать. В двигателях неболь­шой мощности (с небольшим диаметром цилиндров) поршни охла­ждаются посредством теплообмена через поршневые кольца и юбку со стенкой цилиндра, охлаждаемой водой; кроме того, для повы­шения теплоотдачи увеличивают теплоотдающую поверхность днища поршня за счет ребер, обращенных во внутреннюю полость поршня.

В двигателях большой мощности (с большим диаметром цилин­дров) приходится прибегать к искусственному охлаждению порш­ней водой или маслом, так как с увеличением диаметра цилиндра теплоотдающая поверхность его растет в квадрате, а объем цилиндра, который определяет собой количество сжигаемого топлива, растет в кубе. Отсутствие в этом случае жидкостного охлаждения может привести к перегреву поршня. Жидкость подводится к поршням или качающимися трубами а шарнирными соединениями, или телеско­пическими трубами.

Для шарнирного соединения поршня тронкового типа с шатуном служит палец 5 (фиг. 88). Он укрепляется в приливах — бобышках 7, имеющихся с двух сторон поршня. Во избежание повреждения рабочей поверхности цилиндра длина пальца берется несколько меньше диаметра поршня, а сам палец крепится от продольного перемещения.

Однако во время работы двигателя нагрев­шийся палец должен иметь возможность свободно удлиняться, не вызывая деформа­ции поршня. В поршне, представленном на фиг. 88, это достигается применением пружинных колец 6. Для этой же цели применяют крепление, показанное на фиг. 91. Стопор 1 плотно входит в гнездо, имеющееся в пальце, не давая ему перемещаться по оси, стопор 2 вхо­дит в продольный паз пальца 3 и позволяет ему свободно удлиняться при нагревании, не давая проворачиваться. Пальцы, которые могут свободно поворачиваться в бобышках, называются плавающими. Они обычно установлены в бронзовых втулках. Плавающие пальцы, вследствие указанной свободы, изнашиваются более равно­мерно.

Поршневые пальцы изготовляют из углеродистой или легирован­ной стали ГОСТ 8052-56. Для меньшего истирания их рабочая поверхность цементируется и закаливается. Для уменьшения веса пальцы обычно делают пустотелыми.

У крейцкопфных двигателей поршневой шток соединяется непосредственно с головкой поршня при помощи фланца и шпилек.

Шатун передает усилие газов от поршня на коленчатый вал и поэтому работает на продольный изгиб и на сжатие. Материалом для шатунов обычно является углеродистая сталь марки 45. В быстроходных мощных двигателях применяются шатуны из хромоникелевой стали, например, марки 40ХН.

Шатун состоит из верхней головки 3 (фиг. 92), стержня 5 и ниж­ней головки 8. Стержень шатуна выполняется круглого или дву­таврового сечения. Для уменьшения веса шатуна по его оси просверливается канал 6, который используется для подвода смазоч­ного масла к поршневому пальцу.

Верхняя головка шатуна обычно отковывается заодно с телом шатуна и очень редко (у мощных тихоходных двигателей) делается разъемной. На фиг. 92 верхняя головка выполнена с запрессо­ванной втулкой 4 из бронзы; она застопорена от проворачивания шпилькой, проходящей в отвер­стие 2.

Применяются также втулки из стали с заливкой свинцовистой бронзой. У двигателей, работа­ющих с меньшим тепловым на­пряжением, иногда применяется заливка из баббита. В двигателях большой мощности применяются разрезные вкладыши. Для устра­нения повышенного зазора при разрезном вкладыше служат про­кладки, нажимные болты и клинья.

Нижняя головка шатуна де­лается разъемной. На фиг. 92 дана конструкция нижней головки со съемной головкой. В этом случае нижняя часть стержня шатуна оканчивается фланцем 9 с плоской нижней опорной поверхностью. Это упрощает отковку и обработку шатуна; кроме того, с помощью стальной (компрессионной) про­кладки 7 можно, изменяя ее тол­щину, регулировать объем про­странства сжатия и степень сжа­тия рабочего цилиндра.

Для центрирования на съемной головке делается выступающий шип 10, пригоняемый плотно к соответствующей впадине ша­туна.

Прокладки 11 в стыке двух половин нижней головки регулируют зазор в мотылевом подшипнике — между поверхностью антифрикционной (обычно баббитовой) заливки нижней головки и мотылевой шейкой. Вынимая прокладки (они представляют собой набор латунных пластин), можно уменьшить зазор, компенсируя выработку подшипника.

В быстроходных дизелях и у всех карбюраторных двигателей нижняя головка шатуна делается разъемной (но не съемной). В этом случае верхняя часть нижней головки отковывается вместе со стерж­нем шатуна.

Шатунные болты 12 нагружаются усилием затяжки и дополнительной переменной силой, вызванной силами инерции поступательно движущихся масс. Затяжка болтов производится специальными гайками со шплинтовкой, что предохраняет их от само­произвольного отвинчивания. Для устранения поворота болта при закреплении гайки используются стопорные болтики 1, входящие в специальный паз болта. Обрыв шатунных болтов может вызвать значительные разрушения двигателя; поэтому шатунный болт является весьма ответственной деталью.

Для изготовления болтов применяют в основном сталь 30ХНЗА, для изготовления гаек болтов — сталь 35 и 40Х.

Шатуны крейцкопфных двигателей имеют верхнюю головку вилкообразной формы, состоящую из двух разъемных подшипников, которые охватывают цапфы ползуна. Нижняя головка не отличается от головки шатуна тронкового двигателя.

Шатуны легких быстроходных дизелей и карбюраторных двига­телей чаще всего штампуются. Особым конструктивным устройством отличаются шатуны двигателей с двухрядным наклонным V-образным расположением цилиндров. У этих двигателей шатуны одного ряда цилиндров соединяются с коленчатым валом двигателя при помощи нижней головки, а шатуны второго ряда шарнирно связаны с шатунами первого ряда (фиг. 93). Таким образом, одна мотылевая шейка воспринимает здесь работу двух цилиндров.

Коленчатый вал подвергается значительным изгибающим и скручивающим усилиям. Поэтому он должен хорошо противостоять деформациям, вызванным этими усилиями. Валы бывают в зависимо­сти от числа цилиндров одно-, двух-, трех-, четырех коленчатые и т. д.

Каждое колено или мотыль состоит из двух щек 1 (фиг. 94). мотылевой (или шатунной) шейки 2 и двух шеек 3, лежащих в рамовых подшипниках. Иногда мотыли имеют противовесы (на чертеже отсутствуют).

Коленчатый вал двигателей малой и средней мощности обычно цельный. У крупных двигателей коленчатые валы выполняются составными; в этом случае две его части соединяются фланцами 4, скрепленными болтами или шпильками. Концевые фланцы 5, составляющие единое целое с валом, служат для соединения двигателя с потребителем энергии.

Коленчатые валы являются дорогой деталью, которую ввиду сложности их изготовления может выполнить не всякий завод, изготовляющий двигатели. Валы изготовляются посредством ковки или штамповки. Многоколенчатые валы мощных двигателей изго­товляются с составными мотылями; в этом случае щеки и шейки отковываются и обрабатываются отдельно, а затем соединяются посредством горячей прессовой посадки.

Коленчатые валы дизелей должны соответствовать ГОСТу 704-52, который предъявляет высокие требования к качеству материала вала, а также к точности и чистоте механической обработки рабочей поверхности шеек вала. Валы изготовляются из качественной угле­родистой или легированной стали.

Для облегчения веса коленчатого вала обычно его шейки имеют осевые сверления и образующиеся каналы используются для под­вода смазки. Вначале из рамового подшипника через радиальные отверстия в шейке вала (фиг. 95, а) масло входит в центральный канал вала, откуда по каналам в мотылевой щеке и мотылевой шейке выходит в мотылевый подшипник.

От мотылевого подшипника масло через шатунный канал проходит к поршневому пальцу. Осевые сверления шеек закрываются торцовыми заглушками. Часто отвер­стия в щеках сверлят на искось от рамовой шейки к мотылевой (фиг. 95, б) и в сверления вставляют латунные трубки, развальцо­ванные на концах. В этом случае заглушки для отверстий в рамовых и мотылевых шейках не требуются.

Коленчатый вал должен не только удовлетворять условиям прочности, но и способствовать равномерности вращения, уравновешивая силы инерции движущихся частей двигателя. В соответст­вии с этим, углы между моты­лями берутся такими, чтобы чередование вспышек в рабочих цилиндрах происходило через равные углы поворота вала; кроме того, эти вспышки назна­чают по возможности так, чтобы не было подряд вспышек в двух соседних цилиндрах.

Так как в четырехтактных двигателях цикл соответствует 720°, а в двухтактных 360° по углу поворота вала, то, следо­вательно, при числе цилиндров г угол поворота вала между двумя вспышками должен быть:

в четырехтактных двигателях ? = 720? / i;

в двухтактных ? = 360 / i.

В табл. 13 даны схемы рас­положения колен и цифрами показан порядок чередования вспышек при различном числе цилиндров.

Для примера разберем порядок работы цилиндров шестицилиндрового четырехтактного двигателя. Угол поворота вала между двумя вспышками должен быть ? = 720?/ 6 = 120°.

Чтобы обеспечить эти условия, колена вала можно расположить, например так, как показано па схеме табл. 13, и наивыгоднейший порядок вспышек при вращении вала против часовой стрелки сле­дует считать 1—4—2—6—3—5. Такое расположение колен и поря­док вспышек создаст условия, при которых возможно чередовать вспышки через каждые 120° поворота вала и не будет одновремен­ных вспышек в двух соседних цилиндрах. Если, например, порядок работы цилиндров назначить 1—4—5—б—3—2, то после вспышки в третьем цилиндре последует вспышка во втором; при этом одно­временно давление в обоих цилиндрах значительно (в третьем цилиндре расширение, а во втором сжатие) и напряжение в рамовой шейке между вторым и третьим мотылями получается излишне большим. То же явление будет иметь место между пятым и четвер­тым цилиндрами.