Принцип работы кривошипно-шатунного механизма

Ремонт шатунов

Шатуны большинства автотракторных двигателей изготавливают из сталей 45, 40Х, 40Г и др. Основные дефекты шатунов: изгиб и скручивание стержня; износ отверстия нижней головки шатуна, втулки и отверстия верхней головки под втулку; износ опорных поверхностей крышки под гайки шатунных болтов и др.

Шатуны выбраковывают при наличии трещин, обломов, аварийных изгибов. Кроме того, шатуны двигателей СМД-60, СМД- 64 и их модификаций выбраковывают, если смяты треугольные шлицы на опорных поверхностях разъема нижней головки.

Изгиб и скрученность шатунов проверяют при помощи индикаторных и оптических приспособлений. В мастерских общего назначения для проверки шатунов используют приспособление КИ-724, которое является универсальным и позволяет контролировать шатуны двигателей разных марок. Перед проверкой в отверстие плиты 4 приспособления вставляют оправу 7. При этом опорная поверхность 8 оправки для нижней головки шатуна должна находиться вверху, а зажимной палец 5 — внизу. Шатун без втулки верхней головки закрепляют на оправке 7. В отверстие верхней головки шатуна предварительно вводят малую оправку приспособления. Установив призму 2 на малую оправку, перемещают шатун вместе с оправкой и призмой до тех пор, пока упор призмы не коснется поверхности плиты. В таком положении закрепляют оправку рукояткой 6. Затем снимают шатун с приспособления, а призму с индикатором устанавливают на оправку 7 и перемещают, пока упор призмы не коснется поверхности плиты и стрелка индикатора не повернется на 1,0-1,5 оборота. В этом положении стрелку верхнего индикатора устанавливают на ноль. Поворачивают призму на оправке так, чтобы измерительный стержень нижнего индикатора и второй упор соприкасались с плитой, и устанавливают на ноль стрелку другого индикатора.

Устанавливают шатун на оправке 7 так, чтобы его нижняя головка уперлась в ограничитель 3. Ставят призму на малую оправку верхней головки шатуна и подводят ее к плите. При касании упора призмы стрелка верхнего индикатора покажет величину изгиба в сотых долях миллиметра на длине 100 мм. Повернув призму другой стороной, нижним индикатором определяют величину скрученности шатуна.

Для шатунов дизелей всех марок изгиб не должен превышать 0,05 мм, а скрученность — 0,08 мм на длине 100 мм (расстояние между упором призмы и измерительным стержнем индикатора). Допустимый изгиб шатунов автомобильных двигателей 0,03 мм, допустимая скрученность 0,06 мм.

Шатуны, имеющие изгиб или скрученность, выходящие за допустимые значения, восстанавливают или выбраковывают. Допускается правка с подогревом стержня пламенем газовой горелки до температуры 450-500°С. Подогрев снимает внутренние напряжения в стержне шатуна, которые во время работы двигателя стремятся возвратить шатун в исходное (деформированное) состояние.

Износ отверстий нижней головки шатуна устраняют несколькими способами в зависимости от степени износа. Перед восстановлением проверяют опорные поверхности под головки шатунных болтов и гаек, а также плоскости разъема.

Опорные поверхности фрезеруют до выведения следов износа. Смятые или изношенные плоскости разъема фрезеруют или шлифуют до получения параллельности плоскостей с образующей отверстия. Непараллельность допускается не более 0,02 мм на всей длине плоскостей разъема.

Если слой металла, снятый шлифованием с плоскостей разъема крышки, не превышает 0,3 мм, а с плоскостей разъема шатуна 0,2 мм для дизелей и соответственно 0,4 и 0,3 мм для карбюраторных двигателей, то шатун собирают, затягивают гайки с нормальным усилием затяжки и растачивают, а затем шлифуют до номинального размера.

Если отверстия под вкладыши в шатунах изношены настолько, что с плоскостей разъема требуется снимать слой металла больший, чем указано выше, то отверстия восстанавливают наращиванием слоя металла (железнение, газопламенное напыление и др.) с последующей обработкой под номинальный размер.

Изношенное отверстие под втулку в верхней головке шатуна растачивают или развертывают до выведения следов износа и запрессовывают втулку увеличенного размера по наружному диаметру. Отверстие под втулку растачивают на станке УРБ-ВП-М или на токарном станке с помощью специального приспособления. После расточки втулку раскатывают роликовыми раскатниками на тех же станках. При растачивании оставляют припуск на раскатку 0,04-0,06 мм. Процесс раскатки уменьшает шероховатость поверхности и увеличивает прочность посадки втулки на 70—80%.

Изношенные втулки верхней головки шатуна восстанавливают обжатием с последующим наращиванием наружной поверхности меднением, осадкой в шатуне, термодиффузионным цинкованием с последующей механической обработкой.

Коленчатый вал

Преобразование осуществляет с помощь.

Из деталей кривошипно-шатунной группы коленчатый вал имеет наиболее сложную пространственную форму. Несколько коленчатых сочленений выносят оси вращения его сегментов в сторону от основной продольной оси. К этим вынесенным осям крепятся нижние обоймы шатунов. Физический смысл конструкции точно такой же, как и при закреплении оси шатуна на краю маховика. В коленвала «лишняя», неиспользуемая часть маховика изымается и заменяется противовесом. Это позволяет существенно сократить массу и габариты изделия, повысить максимально доступные обороты.

Основные части, из которых состоит коленвал, следующие:

Шейки. Служат для крепления вала в кронштейнах картера и шатунов на валу. Первые называют коренными, вторые — шатунными.
Щеки. Образуют колена, давшие узлу свое название. Вращаясь вокруг продольной оси и толкаемые шатунами, преобразуют энергию продольного движения поршневой группы во вращательную энергию коленвала.
Фронтальная выходная часть. На ней размещен шкив, от которого цепным или ременным приводом крутятся валы вспомогательных систем мотора- охлаждения, смазки, распределительного механизма, генератора.
Основная выходная часть. Передает энергию трансмиссии и далее — колесам.

Тыльная часть щек, выступающая за ось вращения коленвала, служит противовесом для основной их части и шатунных шеек. Это позволяет динамически уравновесит вращающуюся с большой скоростью конструкцию, избежав разрушительных вибраций во время работы.

Для изготовления коленвалов используются отливки из легких высокопрочных чугунов либо горячие штамповки (поковки) из упрочненных сортов стали.

Поршень с кольцами и пальцем

Поршень – это небольшая цилиндрическая деталь, изготовленная из алюминиевого сплава. Его основным назначением является преобразование давления выделяемых газов в поступательное движение, передаваемое в шатун. Возвратно-поступательное движение обеспечивается за счет гильзы.

Поршень состоит из юбки, головки и дна (днища). Дно может иметь разную форму (выпуклую, вогнутую или плоскую), в нем содержится камера сгорания. На головке расположены небольшие канавки для поршневых колец (маслосъемных и компрессионных).

Кольца компрессионного типа предотвращают возможное попадание газов в двигательный картер, а кольца малосъемного типа предназначены для удаления лишнего масла со стенок цилиндра.

Юбка оснащена специальными бобышками с отверстиями, для установления поршневого пальца, соединяющий поршень и шатун.

Шатун

Шатун – еще одна деталь КШМ, которая изготавливается из стали методом штамповки или ковки, оснащенная шарнирными соединениями. Шатун предназначен для передачи энергии движения от поршня к валу.

Шатун складывается из верхней, разборной нижней головки и стержня. Верхняя головка соединяется с поршневым пальцем. Нижнюю разборную головку можно соединять с шейкой вала с помощью крышек (шатунных).

Кривошип (колено)

К любому кривошипу (колено) крепится шатун поршня. Зачастую кривошип располагается от оси шеек в определенном радиусе, что определяет ход поршня. Именно эта деталь дала название кривошипно-шатунному механизму.

Коленчатый вал

Еще одна подвижная деталь механизма сложной конфигурации, изготовленная из чугуна или стали. Основным назначением вала является преобразование поступательного поршневого движения поршня во вращательный момент.

Коленчатый вал складывается из шеек (коренных, шатунных), щек (соединяющих шейки) и противовесов. Щеки создают равновесие при работе всего механизма. Внутри шейки и щеки оснащены небольшими отверстиями, через которые под давлением происходит подача масла.

Маховик

Маховик, как правило, установлен на конце вала. Изготавливается из чугуна. Маховик предназначен для повышения равномерного вращения вала для запуска двигателя с помощью стартера.

В настоящее время чаще применяются маховики двухмассового типа – два диска, которые достаточно плотно соединены между собой.

Блок цилиндров

Это неподвижная деталь КШМ, которая изготавливается из чугуна или алюминия. Блок предназначен для направления поршней, именно в них осуществляется весь рабочий процесс.

Блок цилиндров может быть оснащен рубашками охлаждения, постелями для подшипников (распределительного и коленчатого вала), точкой крепления.

Головка цилиндров

Эта деталь оснащена камерой сгорания, каналами (впускными и выпускными), отверстиями для свечей зажигания, втулками и седлами. Головка цилиндров изготавливается из алюминия.

Как и блок, головка также имеет рубашку охлаждения, которая соединяется с рубашкой цилиндра. А вот герметичность этого соединения обеспечивается специальная прокладка.

Закрывается головка небольшой штампованной крышкой, при этом между ними устанавливается резиновая прокладка, устойчивая к воздействию масел.

Поршень, гильза цилиндров и шатун образуют то, что автомобилисты обычно называют цилиндр. Двигатель может иметь от одного до 16, а иногда и больше цилиндров. Чем больше цилиндров, тем больше общий рабочий объем двигателя и, соответственно, тем больше его мощность. Но нужно понимать, что при этом одновременно с мощностью растет и расход топлива. Цилиндры в двигателе могут располагаться по различным компоновочным схемам:

рядная (оси всех цилиндров располагаются в одной плоскости)
V-образная компоновка (оси цилиндров располагаются под углом 60 или 120 градусов в двух плоскостях)
оппозитная компоновка (оси цилиндров располагаются под углом 180 градусов)
VR-компоновка (аналогично V-образной, но плоскости располагаются под небольшим углом относительно друг друга)
W-образная компоновка представляет собой совмещение на одном коленчатом валу двух VR-компоновок, расположенных V-образно со смещением относительно вертикали

От компоновочной схемы зависит балансировка двигателя, а так же его размер. Наилучшей балансировкой обладает оппозитный двигатель, однако он редко используется на автомобилях из-за конструктивных особенностей.

Так же отличным балансом обладает рядный шестицилиндровый двигатель, но его применение на современных автомобилях практически невозможно из-за его громоздкости. Наибольшее распространение получили V-образные и W-образные двигатели из-за наилучшего сочетания динамических характеристик и конструктивных особенностей.

Гильза

Съёмная гильза

Гильзы существуют двух типов – сделанные непосредственно в блоке и являющиеся их частью, и съемные. Что касается выполненных в блоке, то представляют они собой цилиндрические углубления в нем нужной высоты и диаметра.

Съемные же имеют тоже цилиндрическую форму, но с торцов они открыты. Зачастую для надежной посадки в свое посадочное место в блоке, в верхней части ее имеется небольшой отлив, обеспечивающий это. В нижней же части для плотности используются резиновые кольца, установленные в проточные канавки на гильзе.

Внутренняя поверхность гильзы называется зеркалом, потому что она имеет высокую степень обработки, чтобы обеспечить минимально возможное трение между поршнем и зеркалом.

В двухтактных двигателях в гильзе проделываются на определенном уровне несколько отверстий, которые называются окнами. В классической схеме ДВС используется три окна – для впуска, выпуска и перепуска топливной смеси и отработанных продуктов. В оппозитных же установках типа ОРОС, которые тоже являются двухтактными, надобности в перепускном окне нет.

Поршневой палец

Поршневой палец 3 служит для шарнирного соединения поршня с шатуном. Он представляет собой короткую толстостенную трубку, изготовленную из высококачественной стали и обработанную так, что при очень твердой наружной поверхности она имеет сравнительно мягкую, но прочную сердцевину. Наружная поверхность пальца тщательно шлифуется.

Чтобы при работе двигателя палец не мог выдвинуться из поршня и повредить стенки цилиндра, положение пальца фиксируют.

По способу фиксации пальцы разделяются на плавающие и закрепленные в головке шатуна.

Плавающий палец может поворачиваться и в бобышках поршня, и в головке шатуна. Его осевое перемещение ограничивается стопорными кольцами 4, устанавливаемыми в проточках бобышек поршня.

Палец, закрепленный в головке шатуна, может поворачиваться только в бобышках поршня, в которые, чтобы уменьшить трение, запрессовываются бронзовые втулки. Палец затягивается в этом случае в верхней разрезной головке шатуна стяжным болтом. Плавающие пальцы изнашиваются значительно меньше и более равномерно, чем закрепленные.

Головка блока цилиндров

Цилиндр сверху закрыт головкой.

Головка цилиндра вместе с боковыми, стенками цилиндра образует замкнутое пространство, в котором происходит рабочий цикл двигателя. Со стороны, обращенной к цилиндру, в головке выполняется особой формы полость, образующая камеру сгорания.

Так как цилиндры двигателя отливаются в виде одного блока, то и их головки изготовляются в виде общей отливки, называемой головкой блока цилиндров. Материалом для головок блока цилиндров служит обычно серый чугун или алюминиевые сплавы. Головка, изготовленная из алюминиевого сплава, обладает повышенной теплопроводностью. Установка такой головки приводит к снижению температуры рабочей смеси в цилиндрах двигателя в конце такта сжатия, позволяет превысить степень сжатия и, следовательно, мощность двигателя, не нарушая нормального режима работы двигателя.

Головка блока цилиндров и блок цилиндров соединяются посредством болтов и шпилек. Между блоком цилиндров и их головкой устанавливается прокладка, предотвращающая пропуск газов и протекание охлаждающей жидкости в местах стыка.

Конструкция блока цилиндров и головки блока в большой степени зависит от типа и расположения механизма газораспределения. Если применяется клапанный механизм газораспределения с нижним расположением клапанов в блоке цилиндров, то в конструкции блока предусматривается клапанная коробка с каналами для подвода горючей смеси и отвода отработавших газов и со сверлениями для направляющих втулок клапанов. Если применяется клапанный механизм с верхним расположением клапанов (подвесные клапаны), то клапаны, их направляющие втулки, впускные и выпускные каналы размещаются в головке блока цилиндров.

Техническое обслуживание кривошипно-шатунного (КШМ) и газораспределительного механизмов (ГРМ)

Основные работы:

проверка стабильности состояния и подтягивание креплений (крепежные работы) опоры двигателя к раме, головки цилиндров и поддона картера к блоку, фланцев впускного и выпускного трубопроводов и других соединений;
проверка технического состояния или работоспособности (контрольные работы) кривошипно-шатунного и распределительного механизмов;
регулировочные работы и смазка.

Крепежные работы

Для предотвращения пропуска газов и охлаждающей жидкости через прокладку головки цилиндров необходимо периодически проверять крепление головки ключом с динамометрической рукояткой с определенным усилием и последовательностью. Момент затяжки и последовательность подтягивания гаек устанавливают автомобильные заводы.

Чугунную головку цилиндров крепят, когда двигатель находится в нагретом состоянии, а головку из алюминиевого сплава – в холодном.

Необходимость подтягивания крепления головок из алюминиевого сплава в холодном состоянии объясняется неодинаковым коэффициентом линейного расширения материала болтов и шпилек (сталь) и материала головки (алюминиевый сплав). Поэтому подтягивание гаек на горячем двигателе не обеспечивает после его остывания необходимой плотности прилегания головки цилиндров к блоку.

Затяжку болтов крепления поддона картера во избежание деформации картера, нарушения герметичности проверяют также с соблюдением последовательности, т.е. поочередным подтягиванием диаметрально противоположных болтов.

Контроль состояния КШМ и ГРМ

Техническое состояние этих механизмов можно определять:

по расходу (угару) масла в эксплуатации и падению давления в системе смазки;
по изменению давления (компрессии) в цилиндрах двигателя в конце хода сжатия;
по разрежению во впускном трубопроводе;
по количеству газов, прорывающихся в картер двигателя;
по утечке газов (воздуха) из цилиндров;
наличию стуков в двигателе.

Угар масла в малоизношенном двигателе незначителен и может составлять 0,1-0,25 л/100 км пробега. При значительном общем износе двигателя угар может достигать 1л/100 км и более, что обычно сопровождается сильным дымлением.

Давление в масляной системе двигателя должно быть в пределах, установленных для данного типа двигателя и применяемого сорта масла. Снижение давления масла на малых оборотах коленчатого вала прогретого двигателя указывает на наличие недопустимых износов подшипников двигателя или неисправности в системе смазки.

Падение давления масла по манометру до 0 указывает на неисправность манометра или редукционного клапана.

Повышенное давление в системе смазки может возникнуть в результате большой вязкости или засорения масляной магистрали.

Компрессия служит показателем герметичности цилиндров двигателя и характеризует состояние цилиндров, поршней и клапанов. Герметичность цилиндров может быть определена компрессометром.

Компрессию проверяют после предварительного прогрева двигателя до 70-80 ºС при вывернутых свечах. Установив резиновый наконечник компрессометра в отверстие свечи, провертывают стартером коленчатый вал двигателя на 10-12 оборотов и записывают показания компрессометра. Проверку повторяют 2-3 раза для каждого цилиндра.

Если величина компрессии на 30-40 % ниже нормы, это указывает на наличие неисправностей (поломку или пригорание поршневых колец, негерметичность клапанов или повреждение прокладки головки цилиндров).

Разрежение во впускном трубопроводе двигателя замеряют вакуумметром. Величина разрежения у работающего на установившемся режиме двигателей может изменяться не только от изношенности цилиндро-поршневой группы, но и от состояния деталей газораспределения, установки зажигания и регулировки карбюратора.

Таким образом, данный метод контроля является общим и не позволяет выделить ту или иную неисправность по одному показателю.

Количество газов, прорывающихся в картер двигателя, изменяется в результате неплотности сопряжений цилиндр-поршень-поршневое кольцо, увеличивающейся по мере изнашивания указанных деталей. Количество прорывающихся газов замеряют при полной нагрузке двигателя.

Назад
Вперёд

Способы диагностики КШМ

Вышеуказанные методики выявления причин не являются высокоточными. Служат поводом для поездки на СТО, где может быть произведено квалифицированное диагностирование кривошипно комбинированного механизма мастерами, обладающими необходимым опытом и практикой работ. Они имеют чертеж кинематики с точными размерами, допусками и посадками. Обладают необходимым для этого оборудованием.

Предварительная на определение стуков

Поскольку ремонт кривошипно шатунного механизма относится к дорогостоящим операциям капремонта двигателя, на начальном этапе мастер СТО позиционирует стуки и шумы внутри блока цилиндров. Для этого используется стетоскоп (обычно модификация КИ-1154 производителя Экранас). Технология исследований выглядит следующим образом:

рабочая поверхность стетоскопа прислоняется к стенкам БЦ на разных уровнях (в рабочей зоне подшипников шатунных и кривошипных);
двигатель прогревается до температуры ОЖ 75 – 80 градусов;
обороты увеличиваются вначале плавно, затем режим работ изменяется резко;
стуки прослушиваются лишь при возникновении зазора больше 0,1 – 0,2 мм.

Характер стука заметен исключительно профессионалу:

поршни о цилиндр издают звуки щелкающие, на холодном двигателе;
звонкий звук металл о металл при резком увеличении оборотов издает поршневой палец, реже при неправильно выставленном (опережение) угле зажигания;
коренные подшипники звучат в низкой тональности;
звук подшипников шатунных немного резче.

Измерение суммарных зазоров в сопряжениях

Обычно техническое обслуживание кривошипно шатунного механизма осуществляется с помощью установки КИ-11140 для определения зазора в КШМ.

При этом не нужно снимать поддон картера и запускать мотор. Измеряются зазоры в головках шатуна суммарно:

поршень диагностируемого цилиндра позиционируется в верхней «мертвой точке»;
коленвал стопорится, устройство фиксируется на месте форсунки;
шток упирается с натягом в дно поршня, зажимается винтом;
установка компрессора подсоединяется к штуцеру, создается вакуум -0,06 МПа и давление такой же величины;
после 2 – 3 циклов подачи указанного давления и вакуума стабилизируются показания индикатора;
затем индикатор настраивается на отметку «0» в надпоршневом пространстве при давлении;
после чего, в него подается отрицательное давление.

Определение объема газа, прорывающегося в картер

Не пригодна к эксплуатации существующая сборка кривошипно шатунного механизма авто, если проверка прорывающихся газов выявила большее его количество в картере. Измерения производятся прибором КИ-4887-И следующим способом:

газорасходомер подключается в полость картера и к глушителю или вакуумной установке;
двигатель включается в режим «под нагрузкой»;
прорывающиеся газы изменяют показания прибора на величину их объема, проходящего в единицу времени.

При значительном износе ДВС расход может превышать 120 л/мин, требуются дополнительные регулировки расходомера. После отсоединения системы вентилирования картера все дополнительные отверстия необходимо закрыть заглушками/пробками.

Схема подключения газового расходомера КИ-4887-11

Измерение давления масла

Эксплуатируемая сборка кривошипно шатунного механизма считается пригодной к использованию, если проверка давления масла удовлетворяет норме. Измерения проводятся прибором КИ-5472, состоящим из рукава и манометра:

штатный манометр скручивается с маслофильтра;
на его место крепится прибор;
двигатель прогревается до 70 – 80 градусов;
фиксируется значение магистрального давления при оборотах холостого хода.

Предельно простое общее устройство системы смазки и прибора КИ позволяет снизить время диагностики.

Для ДВС карбюраторного типа считается нормальной компрессия в пределах 0,7 МПа. Поэтому в некоторых случаях диагност СТО измеряет компрессию прогретого двигателя. При этом разница показаний цилиндров не может превышать 0,1 МПа.

Неисправности, возникающие при работе КШМ и их причины

Сбои в работе могут случиться в разных элементах кривошипно-шатунной группы. Сложность конструкции и сочетания параметров шатунных механизмов двигателей заставляет особенно внимательно относить к их расчету, изготовлению и эксплуатации.

Наиболее часто к неполадкам приводит несоблюдение режимов работы и технического обслуживания мотора. Некачественная смазка, засорение каналов подачи масла, несвоевременная замена или пополнение запаса масла в картере до установленного уровня- все эти причины приводят к повышенному трению, перегреву деталей, появлению на их рабочих поверхностях задиров, потертостей и царапин. При каждой замене масла обязательно следует менять масляный фильтр. В соответствии с регламентом обслуживания также нужно менять топливные и воздушные фильтры.

Нарушение работы системы охлаждения также вызывает термические деформации деталей вплоть до их заклинивания или разрушения. Особенно чувствительны к качеству смазки дизельные моторы.

Неполадки в системе зажигания также могут привести к появлению нагара на поршне и п\его кольцах Закоксовывание колец вызывает снижение компрессии и повреждение стенок цилиндра.

Бывает также, что причиной поломки становятся некачественные либо поддельные детали или материалы, примененные при техническом обслуживании. Лучше приобретать их у официальных дилеров или в проверенных магазинах, заботящихся о своей репутации.