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.
|