Военное образование в России

Глава 3. Кривошипно-шатунный механизм - Поршневая группа и шатуны

3.2 Поршневая группа и шатуны

Поршень. При такте рабочего хода поршень воспринимает давление газов и передает его через шатуны на коленчатый вал. Поршень состоит из трех основных частей (рисунок 3.7): днища 5, уплотняющей части 6 с проточенными в ней канавками для поршневых колец 3, 4 и юбки 7, поверхность которой соприкасается с зеркалом цилиндра. Днище поршня с внутренней поверхностью головки цилиндра, образующее камеру сгорания, непосредственно воспринимает давление газов: оно может быть плоским, как на двигателе УМЗ-417, выпуклым или фасонным, как на КамАЗ-740.11 и ЯМЗ-238.

а – карбюраторных двигателей; б – дизелей КамАЗ; в – дизелей ЯМЗ

Рисунок 3.7 -. Поршни

Значительное влияние на процесс смесеобразования, как в карбюраторных, так и в дизельных двигателях, имеют формы камер сгорания. От того, как исполнена камера сгорания на двигателе, и зависит конструкция поршня (рисунок 3.7).

Поршни дизелей (рисунок 3.7, б, в) отлиты из алюминиевого сплава. В головках поршней выполнена камера сгорания, которая у КамАЗ-740.11 смещена относительно оси поршня в сторону от выточек под клапаны на 5 мм, а на ЯМЗ-238 расположена по центру. На цилиндрической головке поршня имеется три (на ЯМЗ-238 – четыре) канавки: верхние служат для установки в них компрессионных колец, а одна нижняя – для установки маслосъемного разборного кольца. В средней части поршень имеет две бобышки с отверстиями диаметром для поршневого пальца. Юбка поршня имеет форму конуса овального сечения, что придает ей необходимую прочность. Кроме того, в нижней части юбки поршня двигателя КамАЗ-740.11 имеются боковые выемки для проходов противовеса коленчатого вала.

Поршни двигателя УМЗ-417 (рисунок 3.7, а) отлиты из алюминиевого сплава и покрыты слоем олова толщиной 0,004-0,006 мм. На цилиндрической головке поршня имеется три канавки: две верхних служат для установки в них компрессионных колец 4, а нижняя – для установки маслосъемного разборного кольца 3. В средней части поршень имеет две бобышки 2 с отверстиями для поршневого пальца. Ось этих отверстий смещена на 1,5 мм в правую сторону (по ходу движения автомобиля) от средней плоскости поршня. Юбка поршня овальной формы Большая ось овала расположена в плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца. Овальность юбки (0,362±0,005) мм. Кроме того, юбка поршня выполнена бочкообразной, больший диаметр которой расположен ниже оси поршневого пальца на 12 мм. Вверху и внизу юбка поршня меньше номинального размера соответственно на 0,0245 и 0,0140 мм. Это сделано для лучшей приработки поршня к цилиндру и уменьшения стука поршня на непрогретом двигателе.

Чтобы уменьшить силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс, поршни, как правило, изготовляют из легких кремнистых алюминиевых сплавов для уменьшения их массы. Для двигателя подбирают поршни, масса которых не отличается более чем на 2-8 г.

Поршневые кольца. Основная функция поршневых колец – уплотнение камеры сгорания и обеспечение герметичности соединения деталей поршень – цилиндр – канавки. Кроме того, при сгорании рабочей смеси значительное количество тепла поглощается поршнем и отводится от него поршневыми кольцами.

Конструктивно поршневое кольцо (рисунок 3.8) представляет собой плоскую разрезную пружину с зазором, который называется замком. Замок позволяет устанавливать кольца на поршень и обеспечивает свободное расширение их при нагревании в процессе работы двигателя. Поршневые кольца делятся на компрессионные и маслосъемные.

а – типы поршневых колец; б – расположение колец на поршне

Рисунок 3.8 - Поршневые кольца

Компрессионные кольца 2 (рисунок 3.8, а) подбирают таким образом, чтобы они свободно прокатывались по канавке поршня. При установке поршня в цилиндр кольца сжимаются до диаметра цилиндра и плотно прилегают к его поверхности, что предотвращает прорыв газов в картер двигателя и попадание масла со стенок цилиндра в камеру сгорания.

Маслосъемное кольцо 3 снимает излишки масла со стенок цилиндра и отводит его в смазочную ёмкость.

Поршневые кольца изготавливают из легированного чугуна. Поверхность верхнего компрессионного кольца для повышения износостойкости подвергают пористому хромированию, а остальные кольца для ускорения приработки покрывают тонким слоем олова или молибдена.

Чугунное маслосъемное кольцо 3 отличается от компрессионного прорезями 1 для прохода масла. В канавке поршня под маслосъемное кольцо сверлят один или два ряда отверстий для отвода масла внутрь поршня. На многих двигателях применяют стальные составные маслосъемные кольца.

На двигателях КамАЗ-740.11 установлены два компрессионных кольца и одно маслосъемное, а на ЯМЗ-238 – три компрессионных кольца и одно маслосъемное. Компрессионные кольца в своем сечении имеют трапециидальную форму. Верхнее кольцо покрыто хромом, нижние – молибденом (на ЯМЗ-238 - оловом). Маслосъемное кольцо коробчатого сечения с витым пружинным расширителем и хромированной рабочей поверхностью.

На двигателе УМЗ-417 устанавливают поршневые кольца: два компрессионных и одно маслосъемное. Компрессионные поршневые кольца изготавливают из серого чугуна по индивидуальным моделям. Наружная поверхность верхнего компрессионного кольца покрыта пористым хромом. Наружная поверхность нижнего компрессионного кольца луженая. На внутренней цилиндрической поверхности обоих компрессионных колец предусмотрена коническая фаска, за счет которой кольца после установки их в рабочее положение несколько вывертываются. Это улучшает и ускоряет их приработку к цилиндрам. Кольца необходимо устанавливать на поршень фасками вверх, в сторону днища.

Маслосъемное кольцо разборное, стальное, имеет два кольцевых диска, радиальный и осевой расширители. Два кольцевых диска снимают с зеркала цилиндра лишнее масло, которое через отверстия в поршне отводится в картер двигателя. Рабочая цилиндрическая поверхность стальных дисков покрывается твердым хромом. Замок колец прямой. После установки колец в цилиндр монтажный зазор в замке должен быть 0,3-0,5 мм. Замки всех колец при установке их на поршень располагают по окружности под углом 120°. При установке стального составного маслосъемного кольца на равные угловые интервалы смещаются только замки компрессионных колец.

Поршневой палец. Предназначен для шарнирного соединения поршня с верхней головкой шатуна. Через пальцы передаются значительные усилия, поэтому их изготавливают из легированных или углеродистых сталей с последующей цементацией или закалкой токами высокой частоты. Поршневой палец 10 (рисунок 3.9) представляет собой толстостенную трубку с тщательно отшлифованной наружной поверхностью, проходящую через верхнюю головку шатуна и концами опирающуюся на бобышки 2 поршня (рисунок 3.7). По способу соединения с шатуном наибольшее распространение получили плавающие поршневые пальцы, которые свободно поворачиваются в бобышках и во втулке, установленной в верхней головке шатуна. Осевое перемещение поршневого пальца ограничивается стопорными кольцами 9 (рисунок 3.9), расположенными в выточках бобышек поршня.

Шатун. Служит для соединения поршня с кривошипом коленчатого вала и обеспечивает при такте рабочего хода передачу усилия от давления газов на поршень к коленчатому валу, а при вспомогательных тактах – наоборот, от коленчатого вала к поршню.

Шатуны 3 двигателей УМЗ-417, ЯМЗ-238 и КамАЗ-740 двутаврового сечения, состоят из верхней головки, нижней головки и крышки 5. Нижняя головка шатуна снабжена сменными вкладышами 8, верхняя головка – запрессованной бронзовой втулкой 2.

Для смазки поршневого пальца в верхней головке шатуна имеется вырез, а во втулке – отверстие, совпадающее с вырезом в шатуне. В стержне шатуна при принудительном смазывании плавающего поршневого пальца (ЯМЗ-238) сверлится сквозное отверстие – масляный канал.

Нижнюю головку шатуна, как правило, делают разъемной в плоскости, перпендикулярной к оси шатуна. В тех случаях, когда нижняя головка имеет значительные размеры и превышает диаметр цилиндра (ЯМЗ-238), плоскость разъема головки выполнена под углом (косой срез), что позволяет монтировать шатун через цилиндр при ремонте за счет уменьшения радиуса окружности, описываемой нижней частью шатуна.

1 – поршень; 2 – втулка верхней головки шатуна; 3 – шатун; 4 – шатунный болт; 5 – крышка шатуна; 6 – гайки; 7 – метки спаренности; 8 – вкладыш нижней головки шатуна; 9 – стопорное кольцо; 10 – палец; 11 – маслосъемное кольцо; 12 – компрессионные кольца

Рисунок 3.9 - Шатунно-поршневая группа двигателя КамАЗ-740.11

Крышка шатуна изготавливается из той же стали, что и шатун, и обрабатывается совместно с нижней головкой, поэтому перестановка крышек с одного шатуна на другой не допускается. На шатунах и крышках с этой целью делаются метки 7. Чтобы обеспечить высокую точность при сборке нижней головки шатуна, его крышку 5 фиксируют шлифованными поясками болтов 4, которые затягивают гайками 6 и стопорят шплинтами или шайбами. В нижнюю головку устанавливают шатунный подшипник в виде тонкостенных стальных вкладышей 8, которые с внутренней стороны покрыты слоем антифрикционного сплава.

От осевого смещения и проворачивания вкладыши удерживаются выступами (усиками), которые входят в канавки нижней головки шатуна и его крышки.

Для лучшей уравновешенности кривошипно-шатунного механизма разница в массе шатунов не должна превышать 6-8 г. В V-образных двигателях на каждой шатунной шейке коленчатого вала расположены два шатуна. В этих двигателях для правильной сборки шатунно-поршневой группы поршни и шатуны устанавливают строго по меткам.

На крышке и стержне шатуна дизеля КамАЗ-740.11 метки выбивают в виде трехзначных номеров. Кроме того, на крышке и шатуне выбивают порядковый номер цилиндра.

У шатуна ЯМЗ-238 (рисунок 3.10) на крышке и шатуне со стороны короткого болта выбит порядковый номер цилиндра. На стыке со стороны длинного болта выбиты метки спаренности в виде двузначного числа, одинакового для шатуна и крышки, и риски, охватывающей шатун и крышку.

1 – поршень; 2 – стопорное кольцо; 3 – шатун; 4 – вкладыши; 5 – крышка шатуна; 6 – замковая шайба; 7 – длинный болт крышки шатуна; 8 – короткий болт; 9 – втулка; 10 – поршневой палец; 11 – маслосъемные кольца; 12 – компрессионные кольца; 13 – тороидальная камера сгорания

Рисунок 3.10 - Поршень с шатуном

В месте перехода нижних головок шатуна двигателя УМЗ-417 в стержни имеются отверстия. Через эти отверстия при совпадении их с масляными каналами в шейках коленчатого вала разбрызгивается масло для смазки стенок цилиндров и кулачков распределительного вала.