Богатырев А.В., Есеновский-Лашков Ю.К. и др. Автомобили

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 4.3. Подвеска силового агрегата автомобиля КАЗ-4540:

—

передняя опора: /

—

подушка передней опоры; 2— болт; J— гайка; 4, 5, 7, 8— кронштей-

ны крепления силового агрегата; шпилька; Р— заклепка; 6—задняя опора:

—заклепка;

2— подушка задней опоры; J, 9— болты; 4, 7, кронштейны крепления двигателя со

сцеплением; 5— гайка; б— шпилька

рон передней крышки блока цилиндров, и двух кронштейнов

—

левого 4и правого 5. Задняя опора (рис. 4.3, б) расположена с обе-

их сторон картера маховика.

Силовой агрегат автомобиля КамАЗ-5320 закреплен в пяти точ-

ках.

4.2. ДИНАМИКА ДВИГАТЕЛЯ

Силы, действующие в двигателе внутреннего сгорания, можно

разделить на движущие силы, силы инерции и силы сопротивле-

ния. Движущие силы

—

это силы давления газов в цилиндре. Силы

инерции образуют возвратно-поступательно движущиеся и враща-

ющиеся части двигателя. Силы сопротивления делят на силы со-

противления потребителя энергии двигателя и силы трения в

КШМ (поршня и поршневых колец о стенку цилиндра, в под-

шипниках и т. п.), на преодоление которых затрачивается допол-

нительная работа.

Главными силами считают силы давления газов, силы инерции в

двигателе и силы сопротивления потребителя энергии, совершаю-

щие полезную работу. Все силы, действующие в двигателе, изме-

няются во времени.

Схема сил, действующих на кривошипно-шатунный механизм,

показана на рисунке 4.4. Направление сил к центру кривошипа

принято за положительное.

Сила давления газов на поршень со стороны камеры сгорания

(ее определяют по индикаторной диаграмме)

PrFn,

где р

—

давление газов в цилиндре, МПа; F

—

площадь поршня, м

Сила давления газов со стороны картера (это давление обычно

равно атмосферному р

)

Ро

РоРп-

Сила инерции возвратно-поступательно движущихся частей

равна произведению массы этих частей на их ускорение в данный

момент времени:

Pj-

—

mj^

—

(cos

+ cos 2ф),

где т = /я

пк

+ 0,275/я

;

/я

П(С

—

масса поршня и других деталей, движущихся посту-

пательно; т

—

масса верхней головки шатуна,

обычно принимаемая равной 0,2...0,3 массы всего

шатуна; г—радиус кривошипа; о и

ср —

соответ-

ственно частота вращения и угол поворота коленча-

того вала.

Суммарная сила, действующая на пор-

шень,

P^Pr-Po + Pj.

Сила Р

приложенная к оси поршнево-

го пальца и направленная по оси цилинд-

ра, может быть разложена на силу N, дей-

ствующую перпендикулярно оси цилинд-

ра, и силу Р

действующую по оси шатуна.

Рис. 4.4. Силы, действующие в кривошипио-шатунном

механизме

Сила N прижимает поршень к стенке цилиндра, что вызывает из-

нос их поверхностей. Она изменяется по значению и направле-

нию, поочередно прижимая поршень то к одной, то к другой сто-

роне цилиндра.

Силу Р

перенесенную на ось шатунной шейки, можно разло-

жить на касательную силу Т\ действующую перпендикулярно кри-

вошипу коленчатого вала, и радиальную силу Z, направленную по

оси кривошипа:

Г = Л [sin (ф + P)/cos р]; Z = Р

[sin (ф + p)/cos р],

где р

—

угол отклонения шатуна от оси цилиндра.

Вращающий момент на валу двигателя, необходимый для со-

вершения полезной работы,

ър

= Тг

Работа касательных сил затрачивается на преодоление сил со-

противления и изменение частоты вращения коленчатого вала. В

период рабочего хода совершается полезная работа и увеличивает-

ся частота вращения коленчатого вала. Избыточная энергия акку-

мулируется всеми вращающимися частями, главным образом ма-

ховиком и потребителем энергии, и возвращается в систему, когда

ее не хватает при совершении других тактов двигателя. Чем боль-

ше момент инерции маховика и число цилиндров, тем равномер-

нее вращается вал двигателя.

Сила #на плече L создает реактивный (опрокидывающий) мо-

мент, который стремится опрокинуть двигатель. Он равен враща-

ющему моменту по значению, но противоположен по направле-

нию. Опрокидывающий момент воспринимается опорами и вызы-

вает колебания всего двигателя.

Вращающиеся части (шатунная шейка коленчатого вала и часть

шатуна, отнесенная к оси шатунной шейки коленчатого вала) со-

здают центробежную силу Р

= - mito

. Эта сила, направленная от

центра вращения по оси кривошипа, вместе с радиальной силой

^нагружает подшипники коленчатого вала. Центробежная сила

обычно уравновешивается центробежной силой противовесов

.ю устанавливаемых на коленчатом валу с противоположной

стороны шатунной шейки, или за счет изменения формы коленча-

того вала.

Все силы и моменты, возникающие при работе поршневых

ДВС, непрерывно изменяясь по значению и направлению, пере-

даются на опоры двигателя и раму автомобиля. При этом возника-

ют вибрации, снижающие эффективную мощность и топливную

экономичность (вследствие затрат энергии на возбуждение вибра-

ции и дополнительных механических потерь), ослабляются креп-

ления агрегатов и деталей (что ускоряет в итоге износ деталей),

нарушаются регулировки, снижается надежность контрольно-из-

мерительных приборов.

Поэтому уменьшение влияния переменных сил и моментов,

действующих на двигатель, относится к числу основных требова-

ний, предъявляемых в ДВС.

Уравновешенность

—

это состояние двигателя, которое при ус-

тановившемся режиме работы характеризуется постоянными по

значению и направлению силами и моментами, действующими на

опоры.

Для уравновешивания сил инерции и моментов этих сил в

многоцилиндровых двигателях необходимо, чтобы равнодейству-

ющие всех сил инерции, действующих на плоскостях, проходящих

через ось вала, а также сумма моментов этих сил относительно

выбранной оси равнялись нулю.

Условие полной конструктивной уравновешенности двигате-

лей выражается системой уравнений:

При разработке двигателей важно правильно выбрать соответ-

ствующее число и расположение цилиндров, схему расположения

кривошипов, место установки простейших противовесов и слож-

ных уравновешивающих механизмов. С целью достижения урав-

новешенности двигателя выполняют соответствующие требования

при производстве двигателей, их сборке, регулировке, ремонте и

эксплуатации. При этом соблюдают допуски на массы и размеры

поршней, шатунов, коленчатого вала и других деталей; проводят

статическую и динамическую балансировки коленчатого вала; ре-

гулируют рабочий цикл во всех цилиндрах, стремясь обеспечить

одинаковое их наполнение, одинаковые степени сжатия, моменты

зажигания или впрыскивания топлива и т. д.

Уравновешивание

—

это комплекс конструктивных, производ-

ственных и эксплуатационных мероприятий, направленных на

уменьшение или полное устранение неуравновешенных свобод-

ных сил инерции и моментов. Например, устанавливая противо-

весы, можно уравновесить центробежную силу Р

и ее момент.

Силы инерции первого Рд и второго P

порядков в одно-, двух- и

четырехцилиндровых двигателях можно уравновесить с помощью

специальных громоздких уравновешивающих механизмов, кото-

рые применяют крайне редко. Для шести- и более цилиндровых

двигателей такие устройства не требуются.

К числу дополнительных мероприятий по уравновешиванию

двигателей относится установка на переднем конце коленчатого

вала гасителя колебаний, поскольку эта часть вала совершает наи-

большие по амплитуде отклонения

—

крутильные колебания. Га-

Е/>,=

Z/>

ЕР

= 0

= 0;

ЕЛ/

= 0.

сители поглощают энергию колебаний, подводимую к валу двига-

теля извне, благодаря трению между элементами гасителя и тем

самым уменьшают амплитуду колебаний.

Широко применяют гасители колебаний жидкостного трения.

Равномерно вращающийся при работе двигателя маховик поме-

щают в герметичный корпус, заполненный кремнийорганической

жидкостью (силиконом). При колебаниях стенки маховика вовле-

кают в движение слои силикона, работа сил трения жидкости по-

глощает энергию колебаний.

Для уменьшения крутильных колебаний можно также созда-

вать инерционные реактивные моменты в определенном сечении

вала. Для этого в соответствующем месте следует установить гаси-

тели колебаний маятникового или упругомассового типа.

4.3. ЦИЛИНДРОПОРШНЕВАЯ ГРУППА

К цилиндропоршневой группе относятся гильзы, поршни, пор-

шневые пальцы и кольца.

Цилиндры двигателя могут быть расточены в блоке 1

(рис. 4.5, а) или сделаны в виде специальных вставок

—

гильз 4

(рис. 4.5, б, в, г).

Гильзы цилиндров отливают из специального чугуна и устанав-

ливают в блок цилиндров. Во всех рассматриваемых конструкциях

двигателей (кроме автомобилей ВАЗ) применяют мокрые гильзы.

Они омываются снаружи охлаждающей жидкостью в рубашке ох-

лаждения 2.

Внутреннюю поверхность цилиндра называют зеркалом ци-

линдра.

Во время работы двигателя в верхней части цилиндров сгорает

Рис. 4.5. Схемы цилиндров двигателей:

—

без гильз, но с короткой вставкой (автомобили ЗИЛ-157КД, ГАЗ-52-04); б ив—с мокрой

гильзой (дизели ЯМЗ-236 и КамАЗ-740); г

—

с мокрой гильзой, в которую запрессована корот-

кая вставка (автомобиль ЗИЛ-431410); /

—

блок цилиндров; 2— водяная рубашка охлаждения;

3— вставка; 4— гильза цилиндров; 5

—

уплотнительные кольца (резиновые или медные, уста-

навливаемые под бурт); 6— антпкапитациопнос кольцо

рабочая смесь. При этом выделяются продукты окисления

—

ок-

сиды углерода и азота, сернистого газа, пары воды и другие веще-

ства. При работе двигателя с пониженными температурами

(50...60 °С) охлаждающей жидкости и масла часть продуктов окис-

ления, особенно пары воды, конденсируется на стенах цилиндров,

вследствие чего образуются кислоты, вызывающие коррозию ци-

линдров. Кроме того, разрушается масляная пленка и увеличива-

ется износ цилиндров и поршневых колец.

Зеркало цилиндров помимо коррозии подвергается нагарооб-

разованию и механическому изнашиванию вследствие проника-

ния в двигатель пыли. Механическое изнашивание зеркала ци-

линдра в верхней части больше, чем в нижней, из-за более высо-

кого давления газов.

В двигателе автомобиля ЗИЛ-431410 (рис. 4.5, г) для повыше-

ния износостойкости цилиндров в их гильзы запрессовывают

вставки 3 из специального чугуна, а на автомобилях ГАЗ-ЗЭ07

гильзы отливают монолитными из высокопрочного чугуна без

вставок.

В двигателях автомобилей ВАЗ цилиндры расточены в блоке и

по диаметру через 0,01 мм подразделены на пять классов, обозна-

чаемых буквами А, В, С, D, Е. Класс цилиндра указан на нижней

плоскости блока против каждого цилиндра. Цилиндр и сопрягаю-

щийся с ним поршень должны быть одного класса для обеспече-

ния зазора между поршнем и цилиндром 0,05...0,07 мм.

Поршень воспринимает давление газов во время рабочего хода

и передает его через палец и шатун коленчатому валу. Кроме меха-

нических нагрузок поршень подвергается действию высоких тем-

ператур в период сгорания топлива и расширения образовавшихся

газов. Он нагревается также вследствие трения его боковой повер-

хности о стенки цилиндра.

В автомобильных двигателях чаще всего устанавливают порш-

ни, изготовленные из алюминиевого сплава. Они обладают доста-

точной прочностью, малой массой, высокой теплопроводностью и

хорошими антифрикционными свойствами.

Поршень 1 (рис. 4.6) имеет уплотняющую часть {головку), в ко-

торой выполнены канавки под компрессионные (уплотняющие)

кольца, днище и направляющую часть {юбку). Для крепления пор-

шневого пальца 2 в поршне сделаны бобышки. В днище поршня у

дизелей имеется фигурная выемка, которая формирует камеру

сгорания. Иногда сделаны проточки для клапанов.

Поршни во время работы нагреваются неравномерно. Чтобы

компенсировать разную степень расширения, поршни делают

овальной и конусной формы. Диаметр по оси бобышек у холодно-

го поршня меньше, чем поперечный диаметр, так как большая

масса металла расширяется интенсивнее. Диаметр головки мень-

ше, чем юбки, поскольку верхняя часть нагревается интенсивнее.

Выше бобышек (а иногда и на направляющей части) выполне-

Рис. 4.6. Поршень двигателя

ЯМЗ-КАЗ-642 в сборе:

—

поршень; 2— поршневой палец; 3

—

сто-

порное кольцо; 4, 5

—

соответственно верх-

нее и нижнее компрессионные кольца; 6—

маслосъемное кольцо

на канавка под маслосъемное

кольцо. Внутри нее сделаны

отверстия для прохода соскре-

баемого кольцом со стенок ци-

линдра масла внутрь поршня.

На днище обычно выбивают

следующие метки: направление

установки, размерная группа,

масса поршня.

Поршни двигателей ЯМЗ-КАЗ-642 (см. рис. 4.6) имеют вставку

из жаропрочного чугуна под верхнее компрессионное кольцо 4 и

коллоидно-графитовое покрытие юбки.

На поршне расположены два компрессионных 4 и 5 и одно

маслосъемное 6 кольца. В головке поршня выполнена тороидаль-

ная камера сгорания. Поршень соединен с шатуном пальцем 2

плавающего типа, осевое перемещение которого ограничивается

стопорными кольцами 3.

Поршни двигателей автомобилей ЗИЛ имеют поперечные про-

рези под головкой, а на юбке Т-образный разрез для компенсации

расширения при нагреве.

Поршни двигателей автомобилей ВАЗ изготовлены из алюмини-

евого сплава. В головке поршня залита стальная пластина, обеспе-

чивающая компенсацию неравномерной тепловой деформации

поршня при нагреве. В бобышках поршня имеются отверстия для

прохода масла к поршневому пальцу.

Отверстие под поршневой палец смещено от оси симметрии на

1,2 мм в правую (по направлению движения) сторону для умень-

шения стука поршня при переходе через в.м.т. Поэтому на днище

поршня клеймят стрелку, которая при сборке должна быть обра-

щена в сторону передней части двигателя.

Поршни, как и цилиндры, сортируют по наружному диаметру

на пять классов через 0,01 мм, а по диаметру отверстия под порш-

невой палец

—•

на три категории через 0,004 мм, обозначаемые циф-

рами 1, 2, 3. Класс поршня (букву) и категорию отверстия под пор-

шневой палец (цифру) клеймят на днище поршня. При изготовле-

нии строго выдерживается масса поршней. Поэтому при сборке

двигателя подбирать поршни одной группы по массе не требуется.

Поршневые пальцы соединяют поршень с верхней головкой ша-

туна. Они должны быть легкими, прочными и износостойкими,

так как во время работы подвергаются трению и большим механи-

ческим нагрузкам, переменным по величине и направлению.

Пальцы изготовляют из углеродистой и малоуглеродистой стали в

виде пустотелых труб. В основном в двигателях рассматриваемых

автомобилей применяют пальцы «плавающего» типа, т. е. повора-

чивающиеся как в верхней головке шатуна, так и в бобышках пор-

шня (исключение составляют некоторые двигатели автомобилей

ВАЗ, где палец запрессован в верхнюю головку шатуна).

Поршневые пальцы фиксируют в поршне двумя стопорными

кольцами.

Пальцы изготовляют с высокой точностью и подбирают к пор-

шням и шатунам.

При сборке палец, поршень и шатун комплектуют из деталей

только одной группы. Во избежание задиров на сопряженных по-

верхностях сборку пальца с поршнем следует проводить после на-

грева поршня до температуры 55 °С. Нагревать поршни надо толь-

ко в жидком и чистом масле.

Поршневые кольца, надеваемые на поршень, создают плотное,

подвижное соединение между поршнем и цилиндром. Компрес-

сионные кольца обеспечивают создание давления в камере сгора-

ния (компрессию) благодаря уменьшению количества газов, про-

рывающихся из камеры сгорания в картер, и отводят теплоту от

головки к стенкам цилиндра.

Маслосъемные кольца снимают излишки масла с зеркала ци-

линдра, чем препятствуют прониканию масла в камеру сгорания.

Кольца изготовляют из специального легированного чугуна

или стали. Разрез кольца, называемый замком, может быть пря-

мым (чаще всего), косым или ступенчатым.

Первое (верхнее) компрессионное кольцо работает в условиях

высокой температуры, больших давлений и изнашивается быстрее

других. Для повышения износостойкости первого кольца его на-

ружную цилиндрическую поверхность подвергают пористому хро-

мированию или напыливают наружную поверхность молибденом.

Остальные кольца покрывают слоем олова для лучшей приработ-

ки их к цилиндрам.

Поршневые кольца подвергают сложной обработке с целью

наиболее выгодного распределения давления кольца на стенку

гильзы и увеличения его срока службы. При установке колец на

поршень их стыки (замки) должны быть расположены под углом

90° один к другому.

Поршневые кольца автомобилей ЗИЛ устанавливают по четыре

на каждом поршне: три компрессионных и одно маслосъемное.

Два верхних компрессионных кольца хромированы по наружной

цилиндрической поверхности.

Маслосъемное кольцо состоит из двух плоских стальных дис-

ков и двух расширителей: осевого и радиального. При установке

поршня в цилиндр двигателя замки плоских кольцевых дисков

Рис. 4.7. Установка колец на поршень двига-

теля автомобиля ГАЭ-3307:

—

компрессионные кольца; 2— кольцевой диск

маслосъемного кольца; J— осевой расширитель;

4— радиальный расширитель

надо располагать под углом 180°

один к другому. При этом замки

осевого и радиального расширите-

лей должны быть расположены

под углом 120° к ним.

Поршневые кольца автомобилей

ГАЭ-3307устанавливают по три на

каждом поршне: два компресси-

онных и одно маслосъемное. Компрессионные кольца устанавли-

вают так, чтобы выточка на внутренней поверхности колец была

обращена вверх (рис. 4.7). При этом стыки колец должны быть

смещены на угол 180°. Маслосъемное кольцо состоит из двух

плоских стальных хромированных дисков (колец) и двух расши-

рителей: осевого и радиального. При установке поршня в блок

двигателя надо следить, чтобы замки плоских кольцевых дисков 2

располагались под углом 180° один к другому и 90° к замкам комп-

рессионных колец. При этом замки осевого J и радиального ^/рас-

ширителей (каждый) должны быть расположены под углом 90° к

ним.

Поршневые кольца автомобилей КАЗ устанавливают по три на

каждом поршне: два компрессионных и одно маслосъемное. Сече-

ние компрессионных колец

—

прямоугольная трапеция. Рабочая

поверхность верхнего компрессионного кольца покрыта слоем

хрома, нижнего

—

слоем молибдена. Маслосъемное кольцо имеет

коробчатое сечение, винтовой пружинный расширитель и хроми-

рованную рабочую поверхность.

4.4. ШАТУНЫ, ПОДШИПНИКИ

Шатун соединяет поршень с коленчатым валом и преобразует

возвратно-поступательное движение поршня во вращательное

движение коленчатого вала.

Шатун воспринимает большие нагрузки, изменяющиеся по

значению и направлению. Он совершает сложные движения и

подвергается сжатию, изгибу и растяжению. Чтобы выдержать та-

кие нагрузки, он должен быть прочным и жестким, а для умень-

шения сил инерции

—

легким. Шатун штампуют из стали и под-

вергают термообработке (закалке и отпуску). Его стержень имеет

двутавровое сечение для увеличения прочности и жесткости.

Части шатуна: верхняя головка, стержень и нижняя головка. В

верхнюю головку с запрессованной в нее бронзовой втулкой уста-

навливают поршневой палец. Нижняя головка разрезная. Крышку

нижней головки крепят к шатуну шатунными болтами. Внутрен-

нюю поверхность нижней головки («постель» подшипников) тща-

тельно обрабатывают вместе с присоединенной крышкой. Поэто-

му крышки и шатуны нельзя раскомплектовывать. Плоскости со-

единения крышки и шатуна также тщательно обрабатывают.

Иногда на них делают елочные (мелкие) шлицы.

Шатунные болты изготовляют из легированной стали. Их по-

верхность термически обрабатывают и шлифуют. В отверстие

крышки они входят с натягом (плотно). Гайки болтов (или болты)

затягивают только динамометрическим ключом, а затем шплинту-

ют и стопорят.

На боковой поверхности шатунов ставят метки: номер шатуна

и его массу.

Подшипники. В двигателях применяют подшипники скольже-

ния. Они выполнены в виде двух вкладышей. Вкладыши изготов-

лены с высокой точностью, поэтому при установке не требуются

подгонка, подпиливание стыков или применение прокладок.

Вкладыши представляют собой тонкостенную стальную ленту

(толщина 2...3 мм) с нанесенным на нее слоем антифрикционного

материала (материала с низким коэффициентом трения). На

внешней поверхности вкладыша выштампованы выступы—-усы,

которые препятствуют провороту вкладыша в постели.

При установке на двигатель поршня в сборе с шатуном стрелка

на днище должна быть всегда обращена в сторону переднего кон-

ца коленчатого вала. В комплекте поршень

—

шатун в сборе, пред-

назначенном для левой группы цилиндров, метка на стержне ша-

туна и стрелка на днище поршня должны быть обращены в одну

сторону, а в комплекте для правой группы цилиндров

—

в разные

стороны.

Шатуны двигателей ЯМЗ-КАЗ-642 (рис. 4.8) стальные двутавро-

вого сечения. На крышке 3 и шатуне 1 нанесены одинаковые мет-

ки массы (трехзначные цифры) и порядковый номер цилиндра.

Подшипник нижней головки шатуна имеет сменные вкладыши, а

подшипник верхней головки представляет собой запрессованную

втулку. Крышка прикреплена к шатуну двумя болтами 2.

Вкладыши нижней головки шатуна смежные тонкостенные

сталебронзовые. Обе половины вкладышей взаимозаменяемы.

Шатуны двигателей автомобилей ЗИЛ-431410 стальные двутав-

рового сечения. В нижней головке шатуна установлены сталеалю-

миниевые тонкостенные вкладыши толщиной 2 мм. В верхнюю

головку шатуна запрессована бронзовая втулка.

Затягивать гайки болтов шатуна необходимо динамометричес-

ким ключом. Момент затяжки должен составлять 56...62 Н

•

м.

Шатуны двигателей автомобилей ГАЗ-3307 устанавливают с