Кривошипно-шатунный механизм
Как поршень, который ходит вверх-вниз, крутит вал? Разбери механизм четырехцилиндрового двигателя на поршни, кольца, шатуны и коленвал и посмотри, почему цилиндры работают в порядке 1-3-4-2.
Шатун превращает ход поршня во вращение вала, а кривошипы через 180° дают рабочий ход каждые пол-оборота.
Газы давят на поршень, поршень через палец толкает шатун, а шатун проворачивает коленчатый вал за шатунную шейку, как нога велосипедиста крутит педаль. За два оборота вала каждый поршень проходит четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Толкает вал только рабочий ход, остальные такты поршень проходит за счет маховика и соседних цилиндров.
Цикл занимает два оборота вала, 720°, поэтому у четырех цилиндров вспышки идут через 720 / 4 = 180°. Для этого кривошипы 1 и 4 цилиндров смотрят в одну сторону, а 2 и 3 в другую. Наверх поршни приходят парами: в одном цилиндре пары начинается рабочий ход, в другом кончается выпуск. Поэтому вспышки чередуются между крайней и средней парой, чаще всего в порядке 1-3-4-2. Два поршня всегда идут вверх, а два вниз, и их силы инерции почти гасят друг друга. Почему не до конца, разобрано в теме «Кривошипно-шатунный механизм: силы и уравновешивание».
- ВМТ и НМТ
- Верхняя и нижняя мертвые точки. Крайние положения поршня, где он на миг останавливается. Путь между ними называется ходом поршня.
- S = 2R
- Ход поршня. Равен двум радиусам кривошипа, то есть двум расстояниям от оси вала до оси шатунной шейки.
- 1-3-4-2
- Порядок работы цилиндров. При тех же кривошипах бывает и 1-2-4-3: это решает распредвал. Первым обычно считают цилиндр на конце, противоположном маховику.
Как четыре поршня крутят один вал
Коленвал крутится, шатуны качаются, а поршни ходят вверх и вниз. Первый и четвертый поршни всегда движутся вместе, второй и третий навстречу им. За два оборота коленвала каждый цилиндр один раз делает рабочий ход, по очереди 1-3-4-2.
Источник модели«4 Cylinder Engine», автор devkrsm, Sketchfab. Лицензия CC BY 4.0. Модель перекрашена, детали объединены и названы по-русски, сетка упрощена и сжата, добавлены разборка и описание деталей.
Что делает каждая деталь
Нажми «Показать на модели»: деталь подсветится, а остальные станут полупрозрачными.
- 01
Коленчатый вал
Зачем. Собирает толчки всех поршней в одно вращение. В двигателе он лежит в блоке на коренных шейках, на четырех шатунных шейках висят шатуны, противовесы уравновешивают кривошипы. Блока, головки и маховика на модели нет, чтобы был виден сам механизм.
Из чего. Кованая сталь или высокопрочный чугун. Шейки закаливают и шлифуют, внутри сверлят каналы для масла от коренных шеек к шатунным.
Износ. Износ и задиры шеек от грязного масла, усталостные трещины там, где шейка переходит в щеку. Изношенный вал шлифуют под ремонтный размер.
- 02
Поршни, 4 шт.
Зачем. Принимают давление газов и передают его через палец на шатун. Нижней частью, юбкой, поршень скользит по цилиндру и держит боковую силу от наклонного шатуна.
Из чего. Алюминиевый сплав с кремнием: легкий и хорошо отводит тепло. В тяжелых дизелях бывают стальные поршни, снизу их охлаждает струя масла.
Износ. Задиры юбки при перегреве или нехватке масла, прогар днища от плохого распыла топлива, разбитые канавки колец.
- 03
Поршневые кольца, 12 шт.
Зачем. Пружинят и прижимаются к стенке цилиндра. На каждом поршне три кольца: два верхних не пускают газы в картер, нижнее, маслосъемное, снимает со стенки лишнее масло.
Из чего. Чугун или сталь с твердым покрытием, например хромом. Замки колец при сборке разводят в разные стороны.
Износ. Износ и залегание в канавке от нагара. Растет расход масла, из сапуна идут газы, падает компрессия.
- 04
Поршневые пальцы
Зачем. Шарнир между поршнем и шатуном. Палец проходит через бобышки поршня и верхнюю головку шатуна, от выпадения его обычно держат стопорные кольца.
Из чего. Стальная трубка с закаленной и отполированной поверхностью. Полый палец легче, а значит, меньше сила инерции.
Износ. Износ пальца и втулки шатуна: звонкий металлический стук, лучше слышный при резкой смене оборотов.
- 05
Шатуны
Зачем. Связывают поршни с коленвалом. В рабочем ходе шатун сжат силой газов, а в конце выпуска его растягивает сила инерции поршня.
Из чего. Кованая сталь, сечение двутавром: шатун легкий и жесткий. В верхнюю головку обычно запрессована бронзовая втулка, в нижнюю ставят вкладыши.
Износ. Изгиб от гидроудара, когда в цилиндр попала вода или антифриз, износ втулки. Шатуны одного двигателя подбирают по массе.
- 06
Крышки шатунов
Зачем. Охватывают шатунную шейку снизу. Между шейкой и шатуном с крышкой стоят вкладыши: вал их почти не касается и плавает на масляном клине.
Из чего. Та же сталь, что у шатуна. Крышку обрабатывают вместе со своим шатуном, поэтому крышки не путают местами.
Износ. Мягкий слой вкладышей стирается, зазор растет, падает давление масла, появляется глухой стук.
- 07
Шатунные болты и гайки
Зачем. Стягивают шатун с крышкой. В конце выпуска сила инерции поршня тянет крышку прочь от шатуна, и всю эту силу держат два болта.
Из чего. Высокопрочная легированная сталь, затяжка строго по моменту или по углу поворота.
Износ. Вытянутый болт теряет затяжку и может оборваться, тогда шатун пробивает блок. Поэтому шатунные болты часто ставят только новые.
Где стоит
- Самосвал и экскаватор
У больших карьерных машин дизели V12 и V16. Каждый цилиндр устроен так же, только на одной шатунной шейке обычно сидят два шатуна, по одному из каждого ряда.
- Бульдозер и погрузчик
Здесь часто стоит рядная шестерка. Ее кривошипы идут через 120°, силы инерции гасятся полностью, и она работает мягче четверки.
- Дизель-генератор
Генератору нужны ровные обороты, иначе гуляет частота тока. Поэтому у генераторного дизеля тяжелый маховик, а у мощного еще и много цилиндров: чем чаще вспышки, тем ровнее крутится вал.
Как ломается и как это заметить
- Проворот вкладыша
Без масла клин рвется, шейка прихватывает вкладыш и проворачивает его в гнезде. Износ заранее видно по пробе масла: растут свинец, олово и медь. Потом падает давление и появляется стук снизу.
- Износ колец и цилиндров
Пыль, прошедшая мимо воздушного фильтра, стирает кольца и цилиндры, в масле растут кремний и железо. Газы идут из сапуна, растет расход масла, из трубы идет синий дым.
- Обрыв шатунного болта
Сила инерции, которая тянет крышку шатуна, растет как квадрат оборотов. Если на спуске двигатель раскрутили выше нормы или поставили старый вытянутый болт, крышка отрывается, и шатун пробивает блок.
Источник модели«4 Cylinder Engine», автор devkrsm, Sketchfab. Лицензия CC BY 4.0. Модель перекрашена, детали объединены и названы по-русски, сетка упрощена и сжата, добавлены разборка и описание деталей.