Силовые агрегаты

 
 
Рис. 15. Поршневые кольца, поршень и шатун двигателя ЗИЛ-130 
в сборе: 
1 — кольцевой диск масляного кольца; 2 — радиальный расширитель; 3 — осевой расширитель; 4, 5 и 7 — компрессионные кольца; 6 — чугунное кольцо залито в поршень; 8 — поршень; 9 — стопорное кольцо; 10 — поршневой палец; 11 — шатун 
Компрессионные кольца имеют с внутренней стороны выточки, которые при сборке должны быть обращены кверху. 
Маслосъемное кольцо составное; оно состоит из двух плоских стальных колец 1 и двух расширителей, которые прижимаются к стенкам цилиндра радиальным расширителем 2 и разжимаются между собой осевым расширителем 3. 
Зазор по высоте колец (в канавках) — 0,05 — 0,082 мм. 
Зазоры в замках колец;, 
верхнего компрессионного — 0,025 — 0,6 мм; 
нижнего     — 0,15 — 0,7 мм; 
масляного — 0,9   — 1,5 мм. 
Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с шатуном. Для уменьшения веса его делают полым. Палец, работая при полужидкостном трении и высокой температуре, подвергается ударным нагрузкам, переменным по величине и направлению, что создает трудные условия для его смазки. Поверхность пальца при вязкой и прочной сердцевине должна иметь значительную твердость, поэтому их изготовляют из цементируемых углеродистых или легированных сталей. Твердость наружной поверхности достигается поверхностной закалкой (на корку) токами высокой частоты (т. в. ч.) на глубину 1 —1,5 мм (или цементацией) ; твердость наружной поверхности пальца 58 — 65 НRС, твердость сердцевины 36 HRС. 
Поршень с шатуном соединяется плавающим пальцем, который не имеет жесткой связи ни с поршнем, ни с шатуном. При таком креплении палец свободно поворачивается как в приливах поршня, так и в верхней 
головке шатуна, при этом относительная скорость скольжения рабочих поверхностей уменьшается почти вдвое, что влечет за собой снижение количества тепла, выделяемого в единицу времени, и уменьшение износа. Фиксация плавающего пальца в осевом направлении производится пружинящими кольцами (рис. 15 а) или алюминиевыми заглушками (рис. 15, б), твердость которых ниже твердости чугуна, что предохра-

 
а)                                                                                     б)        
 
Рис. 6.10. Способы крепления поршневого пальца: а — пружинящими кольцами в бобышках поршня; б — заглушками из алюминиевого сплава

 
 
няет зеркало цилиндра от повреждений. Пружинящие кольца размещают по краям пальца в выточках, сделанных в бобышках поршня. В двухтактных двигателях фиксация пальца осуществляется заглушками, которые предупреждают также перетекание газов через продувочные окна цилиндра. 
Чтобы избежать образования значительных зазоров в сопряжении поршня, посадку пальца в бобышках поршня делают с небольшим натягом в 0,01 — 0,02 мм для того, чтобы при достижении рабочей температуры этих деталей посадка стала подвижной. Такая посадка пальца при сборке необходима, так как коэффициенты расширения материала пальца и поршня различны; поэтому перед установкой пальца поршни из алюминиевого сплава необходимо нагревать в горячей воде или масле, Обеспечение надлежащей смазки и предупреждение заедания пальца во втулке шатуна достигаются наличием в этом сопряжении зазора в 0,01 — 0,03 мм. 
Смазка поршневого пальца может производиться разбрызгиванием путем сверления в головке шатуна и в бобышках или же под давлением через канал, выполненный в теле шатуна.

3.8.3. Шатуны.

Шатун служит для соединения поршня с коленчатым валом. При работе двигателя на шатун действуют силы давления газов и инерционные силы. Шатуны изготовляются из углеродистой стали методом штамповки в специальных штампах с последующей механической и термической обработкой.

На рис.показаны шатуны двигателей: а) ЗИЛ -130, б) Д -108М и в) Д - 48ПЛ.

Шатун состоит из стержня обычно двутаврового сечения (реже круглого и крестообразного) и двух головок: верхней и нижней. Нижняя головка делается разъемной для соединения ее с коленчатым валом (при наличии подшипников качения в нижней головке она делается целой). При плавающем пальце в верхнюю головку шатуна запрессовывают бронзовую втулку с толщиной стенок 1 — 4 мм. Ширину верхней головки определяют, исходя из конструктивных соображений с учетом зазора 1,5 — 2,0 мм на сторону для компенсации не всегда точного соблюдения размеров деталей при их изготовлении, облегчения сборки и предохранения головки шатуна от защемления при температурном удлинении коленчатого вала.

В некоторых конструкциях в верхней головке шатуна имеется распылитель Р, через который избыток масла после смазки пальца попадает на внутреннюю поверхность днища поршня для его охлаждения.

Рис. 16. Шатуны двигателей:

а — ЗИЛ - 130: 1 — верхняя головка; 2 — стержень; 3 — нижняя головка; 4 — тонкостенные взаимозаменяемые вкладыши; 5 — шатунный болт; 6 — фиксатор; 7 — шплинт; 8 — шатунная гайка; б — Д-108; в — Д-48ПЛ.

Образование масляного слоя, обеспечивающего жидкостную смазку на трущихся поверхностях поршневой пары палец — втулка головки шатуна, затруднено. В двухтактном двигателе при постоянной по направлению нагрузке масляный слой нарушается меньше, чем в четырехтактном. В четырехтактном двигателе имеет место периодическое изменение нагрузки по направлению, вследствие чего масляный слой разрушается, а затем восстанавливается. Однако в связи с неравномерностью нагрузки, действующей во взаимно противоположных направлениях, толщина масляного слоя будет меньше со стороны более нагруженной поверхности подшипника. Выравнивания толщины масляного слоя с менее нагруженной стороны можно достигнуть путем уменьшения несущей поверхности подшипника. В верхней головке шатуна в двигателе Д - 48Л и Д - 40 выравнивание масляного слоя достигнуто с помощью специальной выточки С, выполненной на внутренней поверхности втулки. При этом углубление в стержне шатуна является резервуаром, из которого поступает масло на трущуюся поверхность пальца в периоды уменьшения нагрузки, действующей по направлению к нижней головке.

Нижняя головка шатуна по отношению к стержню в большинстве случаев располагается симметрично и имеет отъемную крышку, которая крепится к телу шатуна с помощью двух или четырех болтов. При креплении четырьмя болтами повышается возможность неравномерной их затяжки, поэтому в большинстве случаев соединение крышки с головкой шатуна осуществляют двумя болтами. Плоскость разъема нижней головки обычно располагается под углом 90° относительно оси шатуна. В случае больших размеров нижней головки, когда шатун не может быть вынут через цилиндр двигателя (что является очень важным при ремонте и для удобства монтажа), плоскость разъема нижней головки располагают под углом 45° (дизели Д - 38 и Д - 40) к оси шатуна. Для разгрузки шатунных болтов от срезывающих нагрузок в некоторых дизелях на крышке шатуна делается замок в виде уступов.

Для фиксации крышки относительно нижней головки обычно используются шатунные болты, имеющие обработанные пояски. Более надежная фиксация крышек достигается применением контрольных шпилек.

Обрыв шатунного болта может вызвать аварию двигателя. Поэтому его изготовляют из материала высокого качества. При работе четырехтактных двигателей в момент прохождения поршня верхних мертвых точек шатунные болты нагружаются силами инерции поступательно движущихся частей. Кроме того, шатунные болты получают дополнительную нагрузку при их затяжке. Гайки болтов во избежание их самопроизвольного отворачивания фиксируются шплинтами.

В двигателях, смазывающихся разбрызгиванием (пусковые двигатели), на крышке головки шатуна имеется черпачок, снабженный каналом, направленным к поверхности шейки коленчатого вала. Черпачок служит для разбрызгивания смазочного масла и подачи его через канал к шатунной шейке коленчатого вала.

В качестве подшипников нижней головки шатуна обычно используются тонкостенные вкладыши, вставляющиеся в нижнюю головку шатуна.

В автотракторных двигателях широкое распространение получили взаимозаменяемые тонкостенные биметаллические вкладыши, изготовляемые из стальной ленты, покрытой антифрикционным сплавом. Толщина стальной ленты 1 — 3 мм, антифрикционного сплава 0,25 — 0,3 мм.

От смещения в теле шатуна вкладыши удерживаются штифтом или с помощью специального «уса», выполненного при штамповке.

Применение съемных вкладышей упрощает ремонт шатунов.

В качестве антифрикционных сплавов для подшипников применяют высокооловянистые баббиты Б - 83, маслооловянистые на свинцовистой основе БН и БТ и свинцовистую бронзу.  Баббиты обладают высокими антифрикционными свойствами, но имеют зависящие от температуры низкие механические качества. Твердость баббита при повышении температуры с 288°К (15°С) до 373°К (100°С) снижается на 60—70%. Поэтому при нагрузках, превышающих 10 Мн/м2 (100 кГ/см2), и температурах подшипника свыше 373°К (100°С) применяют свинцовистую бронзу, которая обладает большой износостойкостью, однако она требует более качественной смазки и более точной поверхностной обработки подшипника. В последнее время широкое применение получили антифрикционные сплавы на алюминиевой основе АСМ - НАТИ. Сплав алюминия и сурьмы с магнием (АСМ) тонким слоем (0,2 — 1,1 мм) наносится на стальную ленту, из которой изготовляется тонкостенный вкладыш. Сплав АСМ состоит из сурьмы 3,5 — 5,5%, магния 0,30 — 0,7%, железа не более 0,75%, кремния не более 0,5%, алюминия (остальное). Применение в подшипниках вкладышей на алюминиевой основе обеспечивает значительную экономию дефицитных металлов. Для равномерного распределения смазки по поверхности трения в наименее нагруженных зонах подшипника имеются масляные канавки. В стыках вкладышей делают выточки, предотвращающие защемление шейки вала и предупреждающие разрушение масляной пленки краями вкладышей при их деформации. 

3.8.4. Кривошипно-шатунный механизм.

Коленчатый вал и силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме.

Силы, действующие от поршней на коленчатый вал, создают крутящий момент, который при помощи силовой передачи передается ведущим колесам трактора или автомобиля. Коленчатый вал двигателя нагружается силами давления газов, инерции и центробежными, а также получает нагрузки от крутильных колебаний.

Коленчатые валы изготовляют из углеродистой стали штамповкой или отливкой из чугуна; последние получаются более износостойкими. Шейки коленчатого вала подвергаются поверхностной закалке токами высокой частоты на глубину 1—2 мм, шлифовке и полировке.

Коленчатый вал состоит из коренных 2 и шатунных шеек 7, щек 11, фланца 8 для крепления маховика, носка 1 для установки на нем распределительной шестерни. Шатунная шейка и прилегающие к ней щеки образуют кривошип (колено). На валах могут быть противовесы 6, предназначенные для разгрузки коренных подшипников от центробежных сил инерции неуравновешенных масс кривошипа и нижней части шатуна.

Коренные шейки вала обычно более нагружены, поэтому они имеют диаметр больший, чем шатунные. Для уменьшения веса вала и нагрузок на коренные подшипники в шатунных шейках делают полости 4, которые просверленными каналами 5 соединяются с коренными шейками вала.

Полости 4 одновременно служат резервуарами отстоя масла при его центробежной очистке. При работе двигателя полости постепенно заполняются грязью и продуктами износа, отделяющимися от масла под действием центробежной силы. Периодически полости очищают, отвернув пробку 3 при снятых крышках и вкладышах подшипников. От самопроизвольного отвертывания пробка предохраняется шплинтом.

Рис. 17. Коленчатые валы двигателей:

а —ЗИЛ-130; б —СМД-14.

Передний и задний подшипники имеют сальниковые уплотнители, предупреждающие утечку масла; кроме того, у заднего подшипника на валу устанавливается маслосбрасывающий гребень 10 и маслоотгонная спиральная канавка 9. В высокооборотных двигателях шатунные шейки под действием инерционных сил возвратно-поступательных масс нагружаются больше коренных. Для придания жесткости коленчатому валу делают перекрытие шатунных и коренных шеек.

Расположение кривошипов вала зависит от числа и расположения цилиндров двигателя с учетом обеспечения равномерности чередования рабочих тактов. Кривошипы вала располагают под определенным углом, который для четырехтактных двигателей определяется отношением

где i — число цилиндров двигателя.

На рис. приведены коленчатые двигатели ЗИЛ-130 и СМД-14. В кривошипно-шатунном механизме действуют силы. При положении поршня в в. м. т., когда шатун с кривошипом расположены на вертикальной линии, сила Р давления газов, действуя на шатун и кривошип, передается на коренные подшипники вала, не вызывая его поворота. При повороте коленчатого вала на некоторый угол сила Р

разлагается на две составляющие: силу F, действующую по шатуну, и силу N, направленную перпендикулярно стенке цилиндра (нормальная сила). Перенеся силу F по линии ее действия к центру шатунной шейки и затем разложив ее на две составляющие, получим касательную силу Т, действующую по окружности вращения шатунной шейки, и радиальную силу R, направленную по кривошипу к центру вала.

Действуя на плечо г (радиус кривошипа), сила Т создает вращение коленчатого вала. Нормальная сила N прижимает поршень к стенке цилиндра, увеличивая трение поршня и износ цилиндра двигателя; кроме того, сила N, действуя на плечо а, создает опрокидывающий момент, стремящийся опрокинуть двигатель в сторону, обратную вращению коленчатого вала. Сила R, действующая по кривошипу, создает давление на коренные подшипники вала. Опрокидывающий момент, образуемый нормальной силой N, воспринимается подвеской двигателя и рамой трактора или автомобиля.

В некоторых двигателях для уменьшения действия нормальной силы N ось коленчатого вала смещают на величину m (у двигателей ГАЗ — до 3 мм); такой кривошипно-шатунный механизм называется дезаксиальным. При этом давления на стенку цилиндров несколько выравниваются: на левую стенку давление уменьшается, а на правую, менее нагруженную, увеличивается.

Указанные силы при работе периодически меняются по величине и направлению и наибольшего значения достигают при рабочем ходе. Кроме этих сил, в двигателе действуют силы инерции, возникающие от неравномерности движения частей шатунно-поршневой группы, а также центробежные силы.

Уравновешенным двигателем называется такой, у которого силы и моменты, действующие на его остов при установившемся режиме, постоянны по величине и направлению.

Рис. 18. Схема сил, действующих в кривошипном  шатуном механизме.

Большой неуравновешенностью отличаются одноцилиндровые двигатели. Для улучшения их работы применяются специальные уравновешивающие механизмы.

Схема механизма уравновешивания инерционных сил возвратно-поступательно движущихся масс дизеля Д-20 показана на рис., где А — сила инерции возвратно-поступательных масс; Б— центробежная сила противовесов уравновешивающего механизма; В— вертикальная составляющая центробежной силы уравновешивающего механизма; Г — горизонтальная составляющая центробежной силы противовесов уравновешивающего механизма; Д— центробежная сила вращающихся масс; Е— центробежная сила противовесов коленчатого вала, уравновешивающая центробежную силу Д.

Действующая вдоль оси цилиндра сила инерции Л уравновешивается суммой двух сил В, действие которых всегда противоположно действию силы инерции Л. Горизонтальные составляющие силы центробежных сил Б, направленные в противоположные стороны, взаимно уравновешиваются.