Кривошипно-шатунный механизм двигателя¶

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) — совокупность деталей поршневого двигателя, преобразующая возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Является основным механизмом любого поршневого двигателя внутреннего сгорания, а также компрессоров, насосов и некоторых других машин. Состоит из неподвижных и подвижных деталей, воспринимающих давление газов и передающих усилие на выходной вал.

¶Назначение и принцип работы

КШМ выполняет две взаимосвязанные функции: воспринимает давление расширяющихся газов в цилиндре и превращает прямолинейное движение поршня во вращение коленчатого вала. В четырёхтактных двигателях механизм также обеспечивает вспомогательные такты — впуск, сжатие и выпуск.

Работа основана на кинематике кривошипа: поршень, соединённый шатуном с кривошипом коленчатого вала, при движении вниз и вверх заставляет вал поворачиваться. Крайние положения поршня называют верхней и нижней мёртвыми точками (ВМТ и НМТ), а расстояние между ними — ходом поршня. Отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сгорания определяет степень сжатия.

¶Устройство и основные детали

КШМ делят на две группы: подвижные и неподвижные детали.

Подвижные детали:

поршень с кольцами — воспринимает давление газов и передаёт усилие шатуну;
поршневой палец — шарнирно соединяет поршень с шатуном;
шатун — передаёт усилие от поршня к коленчатому валу;
коленчатый вал — преобразует возвратно-поступательное движение во вращательное;
маховик — сглаживает неравномерность вращения.

Неподвижные детали:

блок цилиндров — корпусная деталь, в которой размещаются цилиндры;
головка блока цилиндров — закрывает цилиндры сверху, содержит камеры сгорания и клапаны;
гильзы цилиндров — рабочие поверхности, по которым скользит поршень;
картер — нижняя часть, защищающая механизм и служащая резервуаром для масла.

¶Классификация

По расположению цилиндров различают:

рядные (цилиндры в один ряд);
V-образные (два ряда под углом);
оппозитные (горизонтальное встречное расположение);
W-образные и звездообразные (в авиации).

По числу цилиндров двигатели бывают от одного до нескольких десятков. По способу охлаждения различают жидкостное и воздушное охлаждение, что влияет на конструкцию блока и гильз.

¶Материалы и технологии

Поршни изготавливают из алюминиевых сплавов с высоким содержанием кремния, реже — из чугуна. Коленчатые валы — из легированных сталей или высокопрочного чугуна, с последующей закалкой шеек ТВЧ. Шатуны — из кованой стали. Гильзы цилиндров выполняют из чугуна или стали с износостойким покрытием.

Для снижения трения и износа применяют вкладыши подшипников скольжения с антифрикционным слоем, а также масляные каналы в коленчатом валу для подачи смазки к трущимся поверхностям.

¶Уравновешивание и балансировка

Неуравновешенные силы инерции вызывают вибрации. Для их компенсации применяют:

противовесы на коленчатом валу;
балансирные валы (особенно в рядных четырёхцилиндровых двигателях);
маховик для сглаживания крутильных колебаний.

Порядок работы цилиндров подбирают так, чтобы нагрузки на вал распределялись равномерно.

¶Применение

КШМ используется в:

автомобильных и мотоциклетных двигателях;
судовых и тепловозных дизелях;
авиационных поршневых двигателях;
компрессорах и насосах;
бензопилах, генераторах, мотоблоках.

В России крупными производителями двигателей и их компонентов являются предприятия автомобильной и двигателестроительной отрасли, в том числе заводы, выпускающие двигатели для грузовых автомобилей и спецтехники.

¶Обслуживание и неисправности

Типичные неисправности КШМ: износ поршневых колец и гильз, стук шатунных и коренных вкладышей, проворот вкладышей, деформация шатуна, трещины в блоке. Признаки — падение компрессии, повышенный расход масла, стуки, дымление.

Обслуживание включает замену масла и фильтров, контроль зазоров, диагностику компрессии, при ремонте — расточку цилиндров, замену вкладышей и поршневой группы.

¶Интересные факты

Первый работоспособный кривошипно-шатунный механизм для паровой машины предложил в конце XVIII века, что стало основой для паровых двигателей и последующих ДВС.
В некоторых двигателях применяют дезаксиальный КШМ, где ось цилиндра смещена относительно оси вала для снижения износа.
Степень сжатия современных бензиновых двигателей достигает 12–14, дизельных — 16–22.

Источники: учебники по устройству автомобилей, технические справочники по двигателестроению, материалы профильных технических изданий.