Коленчатый вал и порядок работы двигателя

Коленчатый вал воспринимает различные по величине и направлению усилия от шатуна; вместе с шатуном он участвует в преобразовании поступательного движения во вращательное. Воспринимаемые коленчатым валом усилия передаются маховику. Коленчатый вал 10 (см. рис. 3) состоит из отдельных колен со щеками 9, шатунными шейками 8 и коренными (опорными) шейками, находящимися в подшипниках. Коренные шейки вращаются в подшипниках, а шатунные шейки охватываются нижними головками шатунов.

Форма коленчатого вала определяется числом цилиндров и тактов, последовательностью чередования рабочих процессов по цилиндрам, а также уравновешиванием двигателя.

Для равномерного вращения вала необходимо обеспечить равномерное поступление усилий от цилиндров на коленчатый вал. За два оборота вала 12,56 рад (720° поворота) в четырехтактном одноцилиндровом двигателе получается одна вспышка, а в четырехцилиндровом — четыре. Равномерное воздействие усилий на вал достигается равномерным чередованием вспышек через угол поворота вала, равный результату деления 12,56 рад (720°) на число цилиндров 2,56: 4= 3,14 рад (720 : 4 = 180°). В этих условиях шатунные шейки коленчатого вала должны последовательно подходить к своему верхнему положению, таким образом, форма расположения колен вала подчинена требованию последовательного чередования вспышек через одинаковые углы поворота коленчатого вала. Кроме того, расположение колен должно обеспечивать уравновешенность вала. Последнее требование осуществляется симметричным расположением колен по обе стороны от середины вала, при этом два крайних колена (из четырех) должны быть направлены в одну сторону, а два средних — в другую. Сочетание требований равномерности чередования вспышек и уравновешенности вала (симметричности его) дает для четырехцилиндровых четырехтактных двигателей форму коленчатого вала, изображенную на рис. 13, а; нумерация цилиндров и колен вала (/, 2, 3, 4) принята с передней стороны двигателя.

Коленчатый вал такой формы создает одинаковое направление движения двух крайних поршней и противоположное ему направление движения двух средних поршней. Исходя из этого необходимо распределить такты по цилиндрам с учетом осуществления равномерного чередования вспышек (рабочих ходов) через 3,14 рад (180°), угла поворота вала (половину оборота вала). Для фиксации последовательности протекания тактов по всем цилиндрам исходным цилиндром принимают первый, и ему приписывают установленный выше цикл, начиная с первого такта впуска. Чтобы в четвертом цилиндре, поршень которого движется по направлению движения первого поршня (вниз), не получилась вспышка одновременно со вспышкой в первом цилиндре, необходимо первый ход четвертого поршня (вниз) сделать отличающимся от хода первого поршня. Таким ходом вниз может быть только расширение с последующим выпуском, всасыванием н сжатием; для поршней 2 и 3, одновременно поднимающихся вверх, возможными ходами являются выпуск и сжатие. Если выпуск протекает во втором цилиндре, то в третьем будет единственно возможный (по условию несовпадения ходов) ход сжатия, и наоборот, если во втором цилиндре будет сжатие, то в третьем должен быть выпуск. В результате для четырехцилиндрового двигателя получаются две возможные последовательности рабочих ходов по номерам цилиндров, приведенные в табл. 2: 4—3—1—2 и 4—2—1—3. Если же начать отсчет с первого цилиндра, то порядок (последовательности) работы будет такой: 1—2—4—3 и 1—3—4—2.

Валы четырехцилиндровых рядных двигателей имеют три опоры (две крайние и одна средняя, рис. 13, а) или четыре опоры (по две около крайних колен, рис. 13, б), а также пять (две крайние и остальные между коленами); повышение количества опор увеличивает жесткость вала и картера двигателя, что сокращает износ подшипников. Однако при этом усложняется устройство вала и картера и увеличивается длина.

Продолжения 1 щек колен (см. рис. 13, б) представляют собой противовесы, назначением которых является уравновешивание центробежных сил щек и шатунных шеек; это уравновешивание снижает износ коренных шеек, их подшипников и улучшает плавность работы двигателя.

Снижение центробежных сил шатунных шеек достигается выполнением этих шеек пустотелыми.

Передний конец 5 вала используется для крепления шестерни привода к распределительному механизму, шкива для ременной передачи к вентилятору и пускового храповика; к фланцу 3 заднего конца вала крепится маховик. Коренные подшипники выполняются так же, как и шатунные, в виде подшипников скольжения, с заливкой антифрикционного сплава во вкладыши и в большинстве случаев тонкостенными. Для смазки шатунных шеек в валу имеются сверления 2 (см. рис. 13, б), по которым подается масло от коренных шеек; перед фланцем крепления маховика имеется гребень 4 для отражения масла.

Сокращение хода поршня уменьшает радиус кривошипа и сближает шатунные и коренные шейки вала, что создает перекрытие шеек (см. рис. 13, б). Тогда радиус г коренной шейки (см. рис. 13) становится больше расстояния г от внутренней поверхности шатунной шейки вала до оси вала. Коленчатый вал получает повышенную жесткость и компактность.

Короткоходность поршня увеличивает количество оборотов коленчатого вала с сохранением умеренной скорости поршня, уменьша ет инерционные нагрузки подшипников, сокращает износы поршня и цилиндра (при неизменных оборотах).

Чтобы обеспечить равномерное чередование вспышек и уравновешенность, коленчатые валы шестицилиндровых рядных двигателей чаще всего выполняют по наиболее распространенной форме, изображенной на рис. 14 с порядком работы 1—5—3—6—2—4 (табл. 3).

В V-образных двигателях каждая шатунная шейка коленчатого вала связана с двумя шатунами и одна группа цилиндров немного сдвинута относительно другой (рис. 15—для двигателя ЯМЗ-236, при порядке работы цилиндров 1—4—2—5—3—6). Сдвиг цилиндров у двигателей ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238 равен 35 мм.

В принятой форме вала для уравновешивания и разгрузки подшипников, помимо противовесов щек вала, имеются выносные массы, расположенные в маховике и закрепленные на передней части вала.

На рис. 16 показаны схемы коленчатого вала и расположения цилиндров V-образного восьмицилиндрового двигателя. Порядок (заботы таких двигателей следующий: 1—5—4—2—6—3—7—8. Угол между плоскостями осей цилиндров обычно равен 1,57 рад (90"); такой угол в сочетании с крестообразным расположением кривошипов коленчатого вала обеспечивает полную уравновешенность двигателя.

Устройство коленчатого вала двигателя ЗИЛ-130 показано на рис. 17. Для современных валов характерно наличие в каждой шатунной шейке полости 3 для центробежного (за счет центробежных сил вращения) улавливания грязи из масла, подаваемого к шейкам.

Равномерное чередование повышенного количества вспышек и наложение рабочих ходов в отдельных цилиндрах (в одном ход еще не кончился, а в другом начался) создают особенно плавную работу шестицилиндровых и восьмицилиндровых двигателей.

Высокие температуры процессов работы двигателя вызывают нагрев коленчатого вала и некоторое увеличение его длины. Чтобы не

произошло заклинивания вала в торцах подшипников, одна из коренных шеек фиксируется в подшипнике, а между остальными шейками и подшипниками предусматривают необходимые осевые зазоры, измеряемые в долях миллиметра.

Коленчатые валы изготавливают ковкой и штамповкой из углеродистой стали, а также отливкой из магниевого чугуна (двигатель ГАЗ-53); шейки подвергают поверхностной закалке.

Маховик и картер

На заднем конце коленчатого вала размещается массивная дисковая деталь — маховик (рис. 18). Он болтами крепится к фланцу коленчатого вала и снабжен напрессованным стальным зубчатым венцом, служащим для пуска двигателя от электрического стартера. Общее назначение маховика — обеспечить равномерное вращение коленчатого вала путем поглощения энергии от рабочего такта с последующей отдачей ее коленчатому валу для совершения остальных тактов и проведения деталей кривошипного механизма через мертвые точки.

Маховики отливают из серого или сталистого чугуна. На торцовой поверхности маховика наносят метки, показывающие верхнее мертвое положение поршня в первом цилиндре, которые используются при установке зажигания.

В двигателях с количеством цилиндров более четырех рабочие такты протекают с частичным перекрытием, что обеспечивает хорошую равномерность и позволяет кривошипному механизму проходить мертвые точки без помощи маховика. В этих случаях маховик обеспечивает плавную работу на малых оборотах, облегчает трогание автомобиля (за счет вращающейся массы маховика) и способствует пуску двигателя.

Основанием всего двигателя служит картер, отливаемый вместе с блоком цилиндров. В картере имеются стенки, на которых размещаются коренные подшипники коленчатого вала. Эти подшипники для большинства двигателей выполняются тонкостенными, аналогично (латунным; наибольшую длину имеют задний и средний подшипники, как наиболее нагруженные (первый имеет нагрузку от маховика и заднего цилиндра, второй — от средних цилиндров). Штампованный поддон картера (рис. 19) закрывает нижнюю часть двигателя и используется в качестве резервуара для масла. Он штампуется из листовой стали и с прокладками при помощи болтов крепится к картеру.

Соединяются картер с поддоном по осевой плоскости или несколько ниже; последнее способствует повышению жесткости и прочности картера.

К двигателю обычно жестко присоединяется сцепление с коробкой передач; объединение агрегатов (двигатель, сцепление, коробка передач) называется силовым блоком автомобиля. Этот блок крепится к раме при помощи специальных лап, под которые подкладываются резиновые подушки (упругая подвеска). Силовой блок подвешивается в трех или четырех точках. В одном случае блок имеет одну переднюю опору через прилив крышки распределительных шестерен "на кронштейн, устанавливаемый на поперечине рамы, и две задние через лапы картера маховика на кронштейны, прикрепленные к балкам рамы (двигатель ЗИЛ-130). В другом случае блок имеет две передние опоры от двигателя и две задние от картера сцепления (двигатель ГАЗ-53). .

Две передние точки двигателя ЯМЗ-236 крепятся к поперечной балке рамы, а две задние — через кронштейны от коробки передач к раме.

Чтобы упругая подвеска блока не вызывала его продольных смещений, используются специальные продольно расположенные штанги, концы которых крепятся к раме и к двигателю.

В табл. 4 даны размеры и характеристики некоторых двигателей.

Двигатель ЗИЛ-375 автобуса ЛиАЗ-677 отличается от двигателя ЗИЛ-130 в основном большим диаметром цилиндров и, как следствие, большим рабочим объемом и максимальной мощностью.

Использованная литература

1. Яковлев Н. А. Автомобили (устройство). Учеб. пособие для вузов. М., «Высшая школа», 1991. 336 с. с илл.