Кривошипно-шатунный механизм — сердце любого поршневого двигателя. Именно он превращает возвратно-поступательное движение поршня во вращение, которое в итоге крутит колёса автомобиля или вал генератора. Без понимания того, как устроен и работает КШМ, сложно разобраться в природе большинства двигательных неисправностей.
Что такое КШМ
Кривошипно-шатунный механизм — это совокупность деталей поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающих преобразование одного вида движения в другой. Поршень движется вверх-вниз, а коленчатый вал вращается — КШМ связывает эти два процесса в единую кинематическую цепь.
Назначение КШМ
Основная задача механизма — преобразовывать возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение коленчатого вала. Помимо этого, КШМ:
- воспринимает давление газов при сгорании топливно-воздушной смеси;
- передаёт усилие от поршня на коленвал через шатун;
- обеспечивает заданный ход поршня и степень сжатия;
- участвует в газообмене совместно с газораспределительным механизмом.
Устройство кривошипно-шатунного механизма
КШМ делится на две группы деталей: подвижные и неподвижные. К подвижным относятся поршни, поршневые кольца, пальцы, шатуны, коленчатый вал и маховик. Неподвижную группу образуют блок цилиндров, гильзы, головка блока, прокладка головки и картер.
Все эти детали работают в связке. Поршень движется внутри гильзы цилиндра, соединяясь с шатуном через поршневой палец. Нижняя головка шатуна охватывает шатунную шейку коленвала. Коленвал вращается в коренных подшипниках, установленных в блоке цилиндров. На одном конце коленвала крепится маховик, сглаживающий неравномерность вращения.
Как работает кривошипно-шатунный механизм
Работа КШМ строится на четырёхтактном цикле. При такте впуска поршень движется вниз, создавая разрежение, — смесь топлива и воздуха заполняет цилиндр. При такте сжатия поршень идёт вверх, сжимая смесь. В момент воспламенения давление газов резко возрастает и толкает поршень вниз — это рабочий ход, единственный такт, при котором двигатель совершает полезную работу. Затем поршень снова поднимается, выталкивая отработавшие газы — такт выпуска.
Каждый раз, когда поршень совершает рабочий ход, шатун передаёт усилие на кривошип коленвала, заставляя его вращаться. Маховик накапливает кинетическую энергию и отдаёт её в промежутках между рабочими ходами, обеспечивая равномерное вращение.
Как происходит передача крутящего момента с КШМ на коленчатый вал
Передача крутящего момента начинается в момент рабочего хода. Давление газов действует на днище поршня, создавая силу, направленную вдоль оси цилиндра. Эта сила через поршневой палец передаётся на верхнюю головку шатуна.
Шатун работает как рычаг с переменным плечом. Его нижняя головка охватывает шатунную шейку коленвала, смещённую относительно оси вращения. Осевое усилие от поршня раскладывается на две составляющие: тангенциальную, создающую крутящий момент, и радиальную, нагружающую коренные подшипники. Чем больше плечо кривошипа и чем выше давление газов, тем значительнее крутящий момент на валу.
Величина крутящего момента непостоянна — она меняется в зависимости от угла поворота коленвала. Максимальное значение достигается примерно при угле 70–90° после верхней мёртвой точки, когда плечо кривошипа наиболее эффективно воспринимает усилие шатуна.
Принцип преобразования движения
В основе работы КШМ лежит классический кривошипно-ползунный механизм. Поршень выступает в роли ползуна, движущегося по прямолинейной направляющей — цилиндру. Шатун соединяет ползун с кривошипом — эксцентричной шейкой коленвала.
При вращении коленвала шатунная шейка описывает окружность. Шатун, связанный одновременно с вращающейся шейкой и поступательно движущимся поршнем, совершает сложное плоское движение: его верхняя головка движется прямолинейно, нижняя — по окружности, а само тело шатуна качается. Именно это качание и обеспечивает кинематическую связь между двумя принципиально разными видами движения.
Мёртвые точки и ход поршня
Мёртвые точки — это крайние положения поршня, в которых его скорость равна нулю, а направление движения меняется на противоположное.
Верхняя мёртвая точка (ВМТ) — положение, при котором поршень находится максимально близко к головке блока. В этот момент ось шатуна и ось кривошипа совпадают, и механизм не способен создавать крутящий момент — именно поэтому двигатель не запустится, если все поршни окажутся в ВМТ одновременно.
Нижняя мёртвая точка (НМТ) — противоположное крайнее положение поршня. Расстояние, пройденное поршнем от ВМТ до НМТ, называется ходом поршня и обозначается S. Ход поршня равен удвоенному радиусу кривошипа: S = 2r. Объём, описываемый поршнем за один ход, называется рабочим объёмом цилиндра.
Кинематика поршня
Движение поршня в цилиндре подчиняется строгим математическим закономерностям, которые важно понимать при проектировании двигателя и анализе нагрузок на детали КШМ.
Точное выражение для положения поршня
Положение поршня x относительно ВМТ описывается через угол поворота коленвала φ, радиус кривошипа r и длину шатуна l:
x = r(1 − cos φ) + l(1 − √(1 − λ² sin² φ)), где λ = r/l — отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.
Для большинства автомобильных двигателей λ находится в диапазоне 0,25–0,33.
Разложение в ряд по степеням λ
Поскольку λ мало, выражение под корнем раскладывают в ряд Тейлора, ограничиваясь первыми членами:
x ≈ r[(1 − cos φ) + (λ/2)(1 − cos 2φ)]
Первый член — основная гармоника, второй — вторая гармоника с удвоенной частотой. Именно вторая гармоника порождает дополнительные инерционные силы, которые сложнее уравновесить, чем силы первого порядка.
Особенности движения поршня
- скорость поршня не является синусоидальной — из-за конечной длины шатуна поршень проводит больше времени вблизи ВМТ, чем вблизи НМТ;
- ускорение поршня в ВМТ выше, чем в НМТ, что создаёт асимметрию инерционных нагрузок;
- максимальная скорость поршня достигается примерно при угле 70–80° от ВМТ, а не при 90°, как было бы при идеальном кривошипно-ползунном механизме с бесконечно длинным шатуном;
- чем больше λ, тем сильнее отклонение движения поршня от синусоидального закона.
Блок-картер КШМ
Блок-картер — несущая основа двигателя, объединяющая функции блока цилиндров и верхней части картера. В нём расположены цилиндры или гнёзда под гильзы, постели коренных подшипников коленвала, масляные каналы и рубашка охлаждения.
Материал блок-картера — чаще всего серый чугун или алюминиевый сплав. Чугунные блоки тяжелее, но лучше противостоят износу и деформациям при перегреве. Алюминиевые — легче и лучше отводят тепло, однако требуют стальных или чугунных гильз цилиндров.
Жёсткость блок-картера критически важна: деформации корпуса под нагрузкой приводят к нарушению геометрии постелей коленвала, ускоренному износу подшипников и потере компрессии.
Типы КШМ
По конструктивному признаку различают несколько типов кривошипно-шатунных механизмов:
- центральный (аксиальный) — ось цилиндра проходит через ось коленвала; наиболее распространён в автомобильных двигателях;
- дезаксиальный (смещённый) — ось цилиндра смещена относительно оси коленвала; снижает боковое давление поршня на стенку цилиндра;
- с прицепным шатуном — применяется в V-образных двигателях, где два шатуна работают на одной шатунной шейке;
- с вильчатым шатуном — один шатун охватывает другой; используется в авиационных и мотоциклетных двигателях.
По компоновке цилиндров двигатели с КШМ делятся на рядные, V-образные, оппозитные и звездообразные. Каждая компоновка предъявляет свои требования к конструкции коленвала и системе уравновешивания.
КШМ: подвижные детали
Поршни
Поршень воспринимает давление газов и передаёт усилие на шатун. Изготавливается из алюминиевых сплавов — они легки и хорошо отводят тепло. Днище поршня может быть плоским, выпуклым или фигурным — форма влияет на процесс смесеобразования и сгорания. В головке поршня выполнены канавки под компрессионные и маслосъёмные кольца.
Кольца
Поршневые кольца обеспечивают уплотнение между поршнем и стенкой цилиндра. Компрессионные кольца (обычно два) препятствуют прорыву газов в картер. Маслосъёмное кольцо снимает излишки масла со стенки цилиндра, не давая ему попасть в камеру сгорания. Кольца изготавливают из чугуна или стали, нередко с хромовым или молибденовым покрытием.
Поршневой палец
Поршневой палец соединяет поршень с верхней головкой шатуна. Он полый, изготовлен из легированной стали и подвергается цементации или азотированию для повышения твёрдости поверхности. Крепление пальца бывает плавающим (палец свободно вращается и в поршне, и в шатуне) или фиксированным (запрессован в одну из деталей).
Шатуны
Шатун передаёт усилие от поршня на коленвал. Состоит из верхней головки (соединяется с поршневым пальцем), стержня двутаврового сечения и нижней разъёмной головки (охватывает шатунную шейку коленвала). Нижняя головка разъёмная — крышка крепится болтами. Внутри головок установлены вкладыши скользящего подшипника.
Коленвал
Коленчатый вал — наиболее нагруженная деталь КШМ. Состоит из коренных шеек (опираются на подшипники в блоке), шатунных шеек (смещены относительно оси вращения), щёк и противовесов. Противовесы уравновешивают центробежные силы от шатунных шеек и нижних головок шатунов. Коленвал изготавливают из высокопрочного чугуна или стали методом литья или ковки.
Маховик
Маховик крепится к заднему фланцу коленвала. Его основная функция — накапливать кинетическую энергию при рабочем ходе и отдавать её в течение остальных тактов, обеспечивая равномерность вращения. Кроме того, на ободе маховика нарезан зубчатый венец для зацепления со стартером. В автомобилях с механической коробкой передач маховик служит ведущим диском сцепления.
КШМ: неподвижные детали
Блок
Блок цилиндров — основная несущая деталь двигателя. В нём расположены цилиндры или посадочные места под гильзы, каналы системы охлаждения и смазки, постели коренных подшипников. К блоку крепятся все навесные агрегаты двигателя.
Гильзы
Гильзы цилиндров бывают мокрыми (омываются охлаждающей жидкостью) и сухими (запрессованы в блок без прямого контакта с охлаждающей жидкостью). Мокрые гильзы лучше охлаждаются и проще заменяются, но требуют тщательного уплотнения. Сухие обеспечивают большую жёсткость блока.
Головка блока
Головка блока цилиндров (ГБЦ) закрывает цилиндры сверху и образует камеры сгорания. В ней расположены впускные и выпускные каналы, сёдла и направляющие клапанов, свечные колодцы, а в большинстве современных двигателей — и распределительные валы. ГБЦ изготавливается из алюминиевого сплава или чугуна.
Прокладка
Прокладка головки блока обеспечивает герметичность соединения ГБЦ с блоком цилиндров. Она должна выдерживать давление газов, перепады температур и не допускать смешивания охлаждающей жидкости с маслом. Современные прокладки многослойные, стальные. Пробой прокладки — одна из наиболее серьёзных неисправностей двигателя.
Картер
Картер закрывает коленвал снизу и служит резервуаром для моторного масла. Изготавливается из штампованной стали или литого алюминия. В нижней точке картера расположена сливная пробка. Внутри картера нередко предусмотрены перегородки, препятствующие расплёскиванию масла при резких манёврах.
Неисправности кривошипно-шатунного механизма
Неисправности КШМ, как правило, сопровождаются характерными симптомами: посторонними стуками, падением компрессии, повышенным расходом масла и снижением мощности.
Стук в двигателе — один из наиболее тревожных признаков. Глухой стук на прогретом двигателе при изменении нагрузки обычно указывает на износ коренных или шатунных подшипников. Звонкий металлический стук, усиливающийся при холодном пуске, нередко свидетельствует об износе поршней или цилиндров.
Падение компрессии происходит при износе поршневых колец, задирах на стенках цилиндров или прогаре клапанов. Если компрессия низкая в одном цилиндре — вероятен локальный дефект; если во всех — износ носит общий характер.
Повышенный расход масла при отсутствии внешних подтёков указывает на то, что масло сгорает в цилиндрах. Причины — изношенные маслосъёмные кольца, задиры цилиндров или износ направляющих клапанов.
Задиры поршней и цилиндров возникают при масляном голодании, перегреве или попадании абразива. Это одна из наиболее тяжёлых неисправностей, требующих капитального ремонта.
Проворот вкладышей — критическая неисправность, возникающая при масляном голодании или использовании масла несоответствующей вязкости. Вкладыш перестаёт удерживаться в постели и начинает вращаться вместе с шейкой, что быстро приводит к разрушению коленвала.
Часто задаваемые вопросы по КШМ
Возможен ли ремонт кривошипно-шатунного механизма своими руками
Теоретически — да, практически — это зависит от объёма работ и наличия оборудования. Замена поршневых колец или вкладышей при наличии опыта и инструмента вполне выполнима в гаражных условиях. Однако шлифовка коленвала, расточка цилиндров и хонингование гильз требуют специализированного станочного оборудования, которого в гараже нет. Поэтому полноценный капитальный ремонт КШМ своими руками невозможен без привлечения моторного цеха.
Важно учитывать, что ошибки при сборке КШМ — неправильный момент затяжки болтов коленвала, неверная ориентация поршневых колец, перепутанные крышки шатунов — могут привести к разрушению двигателя сразу после запуска. Поэтому при отсутствии опыта разумнее доверить работу специалистам.
Имеет ли экономический смысл ремонтировать КШМ в случае поломки
Ответ зависит от нескольких факторов: стоимости автомобиля, характера повреждений и цены ремонта. Если речь идёт о замене вкладышей или поршневых колец на относительно новом автомобиле — ремонт, как правило, оправдан. Если же коленвал требует шлифовки, блок расточки, а шатуны замены — стоимость работ может приблизиться к цене контрактного двигателя или даже превысить её.
На автомобилях с большим пробегом и значительным износом кузова капитальный ремонт двигателя экономически нецелесообразен. В таких случаях установка контрактного мотора или замена автомобиля обходится дешевле.
Как продлить жизнь кривошипно-шатунного механизма
Ресурс КШМ во многом определяется качеством обслуживания. Несколько правил, которые реально продлевают срок службы механизма:
- своевременно менять моторное масло и фильтр — загрязнённое масло резко ускоряет износ подшипников и шеек коленвала;
- использовать масло рекомендованной вязкости и класса — слишком жидкое не обеспечивает нужную плёнку, слишком густое плохо прокачивается при холодном пуске;
- не допускать перегрева двигателя — высокая температура разрушает масляную плёнку и вызывает деформацию деталей;
- прогревать двигатель перед нагрузкой, особенно в мороз — при низкой температуре масло густеет и не сразу поступает ко всем трущимся парам;
- следить за уровнем масла и не допускать его падения ниже минимальной отметки.
Кривошипно-шатунный механизм — конструкция надёжная, но требующая внимания. При грамотном обслуживании современные двигатели проходят 300–500 тысяч километров без капитального ремонта. Пренебрежение регламентом сокращает этот ресурс в разы.
узнал много полезного