Вахламов В.К., Шатров М.Г., Юрчевский А.А. Автомобили: Теория и конструкция автомобиля и двигателя

Подождите немного. Документ загружается.

метры двигателя основных конструктивных соотношений в его

КШМ: коэффициента X =

г//

и отношения К =

S/D.

Анализ влияния отношения радиуса кривошипа

к длине шатуна

на параметры двигателя проведем при неизменном рабочем

объеме и диаметре цилиндра D. Уменьшение А («длинный» ша-

тун) повлечет рост массы

и ее составляющих

/и

/я

шж

Это

вызовет увеличение

центробежной

силы

ГШУ

что можно компенси-

ровать противовесами на продолжении щек кривошипа. Влияние

снижения А на

PJ,

противоречиво. С одной стороны, растет

связанная с нею масса

что должно привести к увеличению

PJ.

С другой стороны, из-за наличия А в выражении, определяющем

амплитуду силы инерции второго порядка

/у

возможно умень-

шение этой силы. Уменьшение

А,

вызовет увеличение высоты и мас-

сы двигателя, что связано с «удлинением» шатуна. Более длинный

шатун приводит также

уменьшению угла

тах

боковой силы

Меньшие

А обеспечивают при прочих равных условиях сниже-

ние износа в подвижных

сочленениях

цилиндра и поршня.

У современных двигателей с искровым зажиганием шатуны,

как правило, длиннее, чем у

дизелей.

Это связано с большей бы-

строходностью первых и превалирующим влиянием для них

второго порядка. В дизелях из-за более высоких максимальных га-

зовых нагрузок поперечное сечение стержня шатуна больше, по-

этому увеличение

/и

при удлинении шатуна оказывает на

боль-

шее влияние, чем уменьшение амплитуды

Jl}

Износ цилиндра неравномерен — больше изнашивается та его

сторона, к которой прижимается поршень при рабочем ходе, что

связано с ростом сил

достигающих максимального значе-

ния вблизи ВМТ в начале

такта

расширения.

При введении дезаксажа максимальный угол отклонения ша-

туна Р при рабочем ходе по абсолютному значению становится

меньше, чем наибольшее

отклонение

при такте сжатия, что по-

зволяет выровнять износ

цилиндра

по его периметру.

Необходимо отметить, что применение «коротких» шатунов в

некоторых случаях может усложнять компоновку двигателя, так

как

из-за больших значений

тах

шатун может задевать нижнюю

часть цилиндра или юбку поршня.

Отношение К хода поршня S к диаметру цилиндра D (К =

S/D)

при неизменном рабочем объеме двигателя

определяет сред-

нюю скорость поршня

Увеличить

Смежно

уменьшением D при

одновременном увеличении хода поршня S

(длинноходные

дви-

гатели). Уменьшить К можно путем сокращения S (короткоход-

ные

двигатели) и увеличения D. Выбор оптимального для данной

конструкции двигателя значения

Къ

основном связан с получае-

мой при этом средней скоростью поршня

Sn/3Q.

Она характе-

ризует конструкцию двигателя с точки зрения ее динамической и

тепловой напряженности, а

также

износа элементов двигателя

140

(особенно его цилиндра и поршня). Известно, что напряжения от

инерционных нагрузок на элементы КШМ пропорциональны

с„,

а тепловая напряженность двигателя и линейный износ деталей

цилиндровой и поршневой групп пропорциональны

Формальный анализ выражения, определяющего среднюю ско-

рость поршня, показывает, что при неизменной частоте вращения

коленчатого вала п можно снизить

и, следовательно, улучшить

рассмотренные характеристики двигателя за счет уменьшения S.

Однако при этом необходимо считаться с ростом инерционных

нагрузок на элементы КШМ, так как масса его деталей пропорцио-

нальна

а снижение скорости поршня вследствие уменьшения

его хода пропорционально D. При увеличении D растет площадь

поршня и, следовательно, возрастают газовые нагрузки на КШМ.

Таким образом, уменьшение К неоднозначно влияет на долго-

вечность двигателя. С одной стороны она увеличивается благодаря

уменьшению

а с другой — уменьшается из-за возрастания

инерционных и газовых нагрузок на детали КШМ. Какой из при-

веденных факторов окажет большее влияние, решают отдельно

для каждого конкретного случая.

Уменьшение

А!"

приводит к увеличению габаритной длины дви-

гателя и длины коленчатого вала. При этом также уменьшается

высота камеры сгорания, что усложняет получение требуемой ее

формы. Это может приводить к ухудшению условий протекания

процессов смесеобразования и сгорания. У двигателей с искровым

зажиганием возрастает также вероятность возникновения детона-

ции. К положительным качествам

короткоходных

конструкций сле-

дует отнести снижение теплоотдачи в стенки цилиндра, появление

возможности увеличения проходных сечений горловин клапанов,

обеспечение большего перекрытия шеек коленчатого вала, умень-

шение поперечного сечения картера и массы двигателя.

В современных быстроходных двигателях с искровым зажига-

нием наблюдается тенденция к использованию короткоходных

конструкций с К =

0,9...

1,0,

что позволяет получить дополни-

тельный резерв увеличения

АГпри

неизменной

В дизелях, обла-

дающих меньшей быстроходностью, используют более длинно-

ходные КШМ с К= 1,0... 1,2.

Контрольные вопросы

1. Какие кинематические схемы КШМ применяют для автомобиль-

ных двигателей?

2. Опишите схему приведения КШМ к

двухмассовой

модели.

3. Нарисуйте схему сил, возникающих в КШМ.

4. Как формируется суммарный крутящий момент многоцилиндрово-

го двигателя?

Гл ава 9

УРАВНОВЕШИВАНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ

9.1. Общие положения

При работе двигателя в нем возникают силы, вызывающие

колебания как в самом двигагеле, так и в системе транспортное

средство—двигатель.

Уравновешенным называется такой двигатель, при установив-

шемся режиме работы которого на его опорах силы и моменты не

изменяют своих значений и

направлений

действия. Такой ДВС не

совершает колебаний на подвеске и не возбуждает колебания в

машине, на которой он установлен.

Комплекс мероприятий по улучшению уравновешенности на-

зывается уравновешиванием двигателя.

Степень уравновешенности многоцилиндрового двигателя с

числом цилиндров /' и коленчатым валом с числом кривошипов т

определяется следующими

факторами,

изменяющимися во вре-

мени: суммой сил инерции первого порядка, суммой сил инер-

ции второго порядка, суммой центробежных сил инерции, сум-

марным моментом сил инерции первого порядка, суммарным

моментом сил инерции второго порядка, суммарным моментом

центробежных сил, опрокидывающим моментом.

Полностью уравновешенным считается двигатель, у которого

выполняются следующие условия:

k=i

k=l k=\

wjf

•

k=\ k=\

k=m

= 0; *fM<*>=0.

k=\

Эти условия могут быть

обеспечены

выбором соответствующей

компоновочной схемы двигателя или установкой необходимых

элементов и механизмов. Уравновешивание крутящего и опроки-

дывающего моментов может быть выполнено частично. Степень

их неравномерности во времени зависит от количества цилинд-

ров, порядка работы цилиндров, компоновки, конфигурации

кривошипов коленчатого вала, идентичности протекания рабо-

чих циклов во всех

цилиндрах:.

На степень уравновешенности двигателя существенное влия-

ние оказывают технологические факторы: идентичность масс и

центров масс подвижных элементов

КШМ,

качество сборки, ста-

142

тическая

и динамическая балансировка коленчатого вала, а также

уровень крутильных и

изгибных

колебаний коленчатого вала.

9.2. Уравновешивание одноцилиндрового двигателя

При работе одноцилиндрового двигателя неуравновешенными

являются (рис.

9.1,

а) силы инерции первого и второго порядков

Pji

центробежная сила инерции вращающихся масс

оп-

рокидывающий момент

А/опр,

также

вес

двигателя

(при ана-

лизе уравновешенности не учитывается), которые передаются на

опоры двигателя и вызывают соответствующие реакции.

Центробежная сила инерции вращающихся масс

-т

мо-

жет быть уравновешена установкой двух противовесов на продол-

жении щек кривошипа. Их масса

пр

при заданном расстоянии от

центра масс противовеса до оси вращения

пр

определяется по

формуле

АИ

ПР

0,5/и

(г/р

пр

Сила инерции первого порядка

Pj\

= Ccos ф изменяется пропор-

ционально частоте вращения коленчатого вала. Для ее уравнове-

С=-/ПуГй)

0,5XCI>_0,5XC

2ш

Т"72*чр^Ги~2с1>

J^npII^^'Xv

^лА^^Ь^РП

Рис.

9.1.

Оценка

неуравновешенное-

_?3]Ш^^-^

Р"^

^ь^^огк

ти одноцилиндрового двигателя (а)

чО*

1>111

и схемы уравновешивания его цен-

Т*/<р

тробежных

сил, сил инерции пер-

вого (б) и второго (в) порядка

143

шивания следует установить два валика, встречно вращающихся

с той же частотой со, с противовесами, которые создают суммар-

ную силу, равную

jly

но направленную в противоположную сто-

рону (рис. 9.1,

б).

Сила инерции второго порядка

CXcos

2ф изменяется про-

порционально удвоенной частоте вращения. Ее уравновещивают

установкой двух валиков,

встречно

вращающихся с частотой

2со,

с противовесами, которые создают суммарную силу, равную

но направленную в противоположную сторону (рис. 9.1, в).

Рассмотренная схема уравновешивания сил инерции первого

и вторрго порядка называется механизмом Ланчестера.

9.3. Уравновешивание многоцилиндровых

линейных двигателей

В отличие от одноцилиндрового в многоцилиндровом двигате-

ле силы инерции вызывают соответствующие им моменты. Для

оценки его уравновешенности необходимо алгебраически

просум-

мировать не только одноименные силы, но и моменты

относи-

тельнр

геометрического центра коленчатого вала.

Уравновешивание коленчатого вала сводится к выполнению

ус-

ловий уравновешивания

центробежных

сил

k=m

и моментов от них

k=m

путем использования требуемой компоновочной схемы коленча-

того вала или установкой на

нем

противовесов. При этом

стремят-

ся к минимальной массе и габаритам системы противовесов, а

также к приемлемым затратам на производство вала.

Конфигурацию коленчатого вала многоцилиндрового

двигате-

ля выбирают, исходя из обеспечения равномерности угловых

ин-

тервалрв

между рабочими процессами в отдельных цилиндрах.

В частности, для этого применяют так называемые

«плоские»

(рис. 9.2) и «пространственные» коленчатые валы,

кривошипу

которых расположены в

разныхс

плоскостях.

Некоторые конфигурации

коленчатого

вала обеспечивают

урав»

новещивание

без установки

системы

противовесов. Такие валы

называются самоуравновешенными. Они имеют четное число

кри-

вошипов, начиная с четырех, а плоскость, проходящая через

гео-

метрический центр вала перпендикулярно продольной оси,

явля-

144

R^K

p(H

-f*-r

Л11

>(2)

p(3)

j(*X

fl ^

Рис. 9.2. Уравновешивание

четырех-

тактного

четырехцилиндрового ли-

не^ного

двигателя:

а — схема приложения сил; б — цент-

робежные факторы; в — схема располо-

жения противовесов для

частичной^

раз-

грузки

коренных

опор; г —

силь,1

инер-

ции первого и второго порядка

ется плоскостью зеркальной симметрии. Такой конфигурацией

обладают коленчатые валы линейных четырех- и

шестицшщндро-

вых

четырехтактных двигателей. Но и на

ва^ах

такого типа устанав-

ливают противовесы на продолжении щек с целью разгрузить ко-

ренные подшипники от действия центробежных сил, а элементы

вала и картера — от действия локальных изгибающих моментов.

Эти мероприятия позволяют улучшить внутреннюю уравновешен-

ность системы коленчатый вал — корпус двигателя.

Пространственные коленчатые валы применяют для трехци-

линдрового линейного двигателя, шестицилиндровых

V-образных

двигателей с углом развала

= 90° и

= 120°, пятицилиндрового

линейного двигателя, а также восьмицилиндрового

V-обр^зного

двигателя с

90°.

145

В многоцилиндровых двигателях применяют самые различные

схемы расположения противовесов, например на конечных эле-

ментах коленчатого вала или на продолжении щек кривошипов,

что способствует

улучшению

внутренней уравновешенности дви-

гателя. Так, система

противовесов

коленчатого вала четырехци-

линдрового двигателя (рис. 9.2, б, в), позволяет частично разгру-

зить коренные опоры, а также в значительной мере уменьшить

изгибающие моменты от действия центробежных сил

Многоцилиндровый

линейный двигатель можно представить в

виде совокупности

одноцилиндровых,

кривошипы коленчатого

вала которого вращаются синхронно и смещены относительно друг

друга на требуемый угол, а рабочие циклы в цилиндрах осуществ-

ляются в соответствии с порядком их работы. При анализе его

уравновешенности

алгебраически

суммируют одноименные силы

и моменты от них относительно

геометрического

центра коленча-

того вала.

Проанализируем в качестве примера уравновешенность четырех-

тактного четырехцилиндрового

линейного

двигателя,

(см. рис. 9.2, а).

Представим его

совокупностью

четырех двигателей, кривошипы

которых смещены относительно первого на углы

5j.

= 180°;

З^з

180° (540°);

5,.

= 0° (360°). Это обеспечивает равномерное чередова-

ние рабочих ходов с угловым интервалом 180° в порядке 1 —

2—

_ з

Определим значения силовых факторрв с учетом направления

их действия.

Р}$

1-й двигатель:

pfi

с cos

q>;

Pj\\

=XCcos2cp;

ш.

2-й двигатель:

Р™

С cos

(<р

180

)

-Ccoscp;

3-й двигатель:

Р^

С cos

(<р

180*)

-Ccos(p;

Pj\l

А С cos

2(ф

)

Я С со s

2q>;

К™

-т

г®

4-й двигатель:

Р}?

Ccos<p;

Р$

XCcos2<p;

К™

т,ги>

Алгебраические суммы одноименных

риловых

факторов:

»4ХС

cos

2<p;

Моменты сил относительно геометрического центра коленча

того вала (а — межцилиндровое расстояние):

*}?

н$

146

k=l

Таким образом, неуравновешенными остаются только силы

инерции второго порядка. Их можно уравновесить двумя допол-

нительными валиками аналогично схеме Ланчестера.

9.4. Уравновешивание многоцилиндровых

V-образных

двигателей

Многоцилиндровый

V-образный

двигатель можно представить

в виде совокупности секций

двурядных

двухцилиндровых двига-

телей, кривошипы коленчатого вала которых вращаются

синх-

ронно и смещены на требуемый угол относительно друг друга, а

рабочие циклы в цилиндрах осуществляются в соответствии с по-

рядком их работы. Анализ уравновешенности V-образного двига-

теля проводится аналогично анализу уравновешенности

лрней-

ного двигателя.

Дня определения уравновешенности двухцилиндрового V-образ-

ного двигателя с углом развала

= 90° (2V90) просуммируем силы

инерции первого порядка от правого и левого цилиндров

уче-

том развала цилиндров (индекс

«п»

соответствует правому ци-

линдру, «л» — левому).

Модуль суммарной силы инерции первого порядка и угол а

между нею и осью левого цилиндра составляют:

k=l

; а

Отсюда следует, что в двигателе 2V90 суммарная сила инерции

постоянна по значению, всегда направлена по кривошипу от

центра вращения и совпадает по свойствам с центробежной си-

лой

= -т

ги>

Данную силу можно объединить с центробежной: R =

Си

уравновесить с помощью противовесов.

147

Преобразование и геометрическое сложение сил инерции вто-

рого порядка от левого и правого цилиндров

Р$

Я,Ссоз2ф

Pj\i

A,Ccos2(cp

270

)

дают модуль и направление

ф!

относи-

тельно оси левого цилиндра.

Так как кривошипы коленчатого вала попарно

(1-й

и 4-й;

2-й

и 3-й) расположены в одной плоскости и направлены в противо-

положные стороны, то

k=l

cos

2(p;

ф,

arctg

Отсюда следует, что суммарная сила сил инерции второго по-

рядка действует горизонтально, изменяя свое значение пропор-

ционально cos 2ф с частотой

Четырехтактный восьмицилиндровый

V-образный

двигатель с

углом развала

90° (8V90) представим как совокупность четы-

рех двухцилиндровых V-образн

ых

двигателей. Коленчатый вал та-

кого двигателя пространственный — несимметричный, «кресто-

образный», кривошипы расположены в двух взаимно перпенди-

кулярных плоскостях (рис

9.3).

Равнодействующая

центробе^кных

сил и сил инерции первого

порядка каждой секции цилиндров направлена по радиусу кривр-

шипа. Сумма сил инерции

первого

порядка и центробежных сил в

таком двигателе равна нулю:

Левый ряд

Правый ряд

Силы инерции второго поряд-

ка определяются следующим об-

разом:

-и

двигатель:

=V2?iC

cos

;

2-й двигатель:

cos

(2ф

90°)

Рис. 9.3. Уравновешивание вось-

мицилиндрового V-образного

двигателя с углом развала

3-й двигатель:

V2X

С cos

(2<р

270

)

k=\

-V2A,

cos

2ф;

148

4-й двигатель:

>/2Х

С cos

(2ср

+180°)

-JlX

С cos

2ф.

Эти силы расположены в горизонтальной плоскости и равны

по модулю, но попарно отличаются по направлению. Следова-

тельно,

их сумма равна нулю

k=\

=0).

Моменты от сил инерции второго порядка первой и второй

секции цилиндров равны по значению и противоположны по знаку

моментам от сил третьей и четвертой секций. Поэтому их

суммарный момент также равен нулю (

=0).

k=\

Неуравновешенным является только момент от сил инерции

первого порядка и центробежных сил. Его можно уравновесить с

помощью противовесов, располагаемых на концах коленчатого вала.

Масса каждого противовеса

га

Рпр*'

где а — расстояние между осями одноименных цилиндров правого

и левого рядов; Ъ — расстояние между центрами масс противо-

весов.

Плоскость размещения противовесов составляет с плоскостью

первого колена угол а

arctg 1/3 =

18°26'.

9.5. Равномерность хода двигателя

Неравномерное изменение по углу поворота коленчатого вала

крутящего и опрокидывающего моментов, воздействующих на

систему

«двигатель—трансмиссия—подвеска»,

вызывает крутиль-

ные колебания элементов трансмиссии, что ухудшает уравнове-

шенность двигателя, а также переменные реакции на его опорах.

Степень равномерности изменения суммарного крутящего момента

оценивают с помощью коэффициента неравномерности крутящего

момента

•***

тяк

*'*

Lvi

Ср

где

ктах

Л/ктщ,

Л/кср

—

максимальное, минимальное

среднее

значения крутящего момента двигателя.

Неравномерность крутящего момента резко уменьшается с уве-

личением числа цилиндров и возрастает при неравномерном

чередовании рабочих ходов. Так, шестицилиндровый двигатель,

линейной компоновки при

угле

чередования рабочих ходов имеет

149

(при прочих равных условиях) 9 =

120

= 90°

ц,

= 1,5, а

V-образный

= 90° и неравномерным чередованием рабочих

ходов

= 90° и 150°) имеет

= 2,08.

Значение ц изменяется также в зависимости от режима работы

двигателя: при повышении частоты вращения — возрастает, а с

увеличением нагрузки —

уменьшается.

Неравномерность крутящего момента вызывает неравномерность

угловой скорости вращения коленчатого вала, которую оценива-

ют коэффициентом неравномерности хода

двигателя;

ер

В другом виде 8

AoeA/ocaJ,),

где

изб

— избыточная работа;

/о — момент инерции всех подвижных элементов двигателя, при-

веденный к коленчатому валу.

По этой зависимости можно определить конструктивные ме-

роприятия по изменению 6: от числа цилиндров зависит

изб

а от

компоновочной схемы двигателя —

Для получения требуемой неравномерности хода в конструк-

ции двигателя устанавливают маховик. Однако в автомобильных

двигателях не всегда целесообразно использовать маховики с боль-

шим моментом инерции

та^с

как это приводит к большой инер-

ционности двигателя, что негативно сказывается на изменении

режимов, особенно при

разгс»не,

т.е.

это существенно ухудшает

динамические

характеристику

автомобиля в целом,

Для тягачей и тракторов приемистость не имеет первостепен-

ного значения, поэтому величину

определяют в основном из

условия плавного

трогания

с места при включенном сцеплении и

рабочем положении

буксироврчного

устройства.

Контрольные

ропросы

1. Какой

двигатель

называется

уравновешенным?

Сформулируйте

принципы уравновешивания многоцилиндровых

двигателей.

3. Опишите методы

уравновешивания

центробежных сил и мрментов

от

них.

4. Опишите методы

уравновешивания

сил инерции первого и второго

порядков.

5. Как уравновешивают двигатели р линейным расположением ци-

линдров?

6. Как уравновешивают многоцилиндровые

V-образные

двигатели с

углом развала

90°?

7. Как уменьшают

неравномерность

крутящего момента многоцилин-

дровых двигателей?

8. Как повышают равномерность хода двигателя?

Глава 10

ЦИЛИНДРОВАЯ ГРУППА И КАРТЕРЫ

10.1, Общие положения

Корпус является базовой частью двигателя. На него устанавли-

ваются все его

рсновные

механизмы и системы. Он обеспечивает

крепление двигателя на транспортном средстве. Корпус состоит

из двух функциональных элементов: цилиндра и картера.

Цилиндр

выпрлняет

функцию направляющего элемента для дви-

жущегося поршня, он участвует в обеспечении необходимого теп-

лового режима поршневой группы. Головка цилиндра соединена с

цилиндром

шпильками

или болтами, а стык между ними уплотня-

ется прокладкой. Головка совместно с цилиндром формирует ка-

меру сгорания, а с движущимся поршнем создает пространство,

в которрм реализуется рабочий процесс.

Картер предназначен для установки коленчатого вала, ограни-

чивает

рбъем

для движущихся элементов КШМ и обеспечивает

крепление двигателя на транспортном средстве. Картер состоит

из перегородок коренных

опор,

боковых и торцевых

стенок,

опорной

плиты и нижней части. Нижняя часть картера может служить ем-

костью для масла и называется масляным поддоном. Обычно она

не является

несущей

и штампуется из

листовой

стали толщиной

1...

1,5 мм или отливается из алюминиевого рплава.

Корпус двигателя работает в следующих условиях: высокие,

цикличрски

изменяющиеся параметры рабочего тела (температу-

ра и давление) в камере сгорания; значительные силы инерции

движущихся элементов КШМ; высокие

отнрсительные

скорости

контактирующих поверхностей движущихся деталей; наличие хи-

мически активной среды и абразива; ограниченная смазка отдель-

ных трущихся пар.

Исходя из условий работы, к корпусу двигателя предъявляют-

ся соответствующие

требования:

достаточная жесткость всей кон-

струкции и отдельных элементов крепления для исключения не-

допустимых деформаций в зонах коренных подшипников, гильзы

цилиндра и поршня, а также плоскости стыков с головкой ци-

линдра; минимально возможная масса; обеспечение требуемого

теплового режима работы двигателя.

В автомобильных двигателях корпусные детали могут иметь раз-

личную конструкцию и компоновку. В зависимости от компонов-

ки

цилиндров

различают следующие автомобильные двигатели:

однорядные (линейные) и двухрядные (V-образные). На конструк-

цию корпуса большое влияние оказывает тип системы

охлажде-

151

ния

(воздушная или жидкостная). Так, для двигателей с жидко-

стным

охлаждением

характерно объединение цилиндров в еди-

ный узел, называемый блоком

цилиндров,

что позволяет существен-

но повысить жесткость корпуса двигателя. В двигателях воздушного

охлаждения цилиндры обычно изготовляют индивидуально, что

связано с технологическими сложностями отливки наружного

оребрения. В ряде случаев цилиндры блока выполняют в виде ав-

тономного элемента и называют гильзами. В автотракторных двига-

телях с жидкостным охлаждением с числами цилиндров в ряду до

шести включительно блок цилиндров и верхнюю половину карте-

ра обычно выполняют в виде единой отливки, называемой блок-

картером. Это наиболее

предпочтительна^

конструкция корпуса

двигателя,

обеспечивающая

его наибольшую жесткость.

В современных автотракторных двигателях

масра

корпуса со-

ставляет

25...35

% от массы всего двигателя. Относительно мень-

шую массу по сравнению с линейными имеет корпус

V-образных

двигателей.

Корпусные детали

отливаклг

из чугуна и из алюминиевого сплава.

Коэффициент линейного расширения алюминиевого сплава в два

раза больше, чем чугуна, что обусловливает его значительные тем-

пературные деформации. Это необходимо учитывать при форми-

ровании зазоров в

прдвижных

сочленениях

с другими деталями

двигателя. Высокий коэффициент теплопроводности алюминие-

вого сплава (в три раза больше, чем

чугущ)

обеспечивает хоро-

ший отвод теплоты

рт

нагретых зон двигателя и тем самым более

равномерное распределение температур в них.

Обеспечение

тре-

буемой прочности корпусных деталей двигателя из алюминиевого

сгощва

достигается увеличением геометрических параметров (на-

пример, толщины) отдельных элементов. При этом масса корпус-

ных деталей из алюминиевого сплава уменьшается по сравнению

с чугунными на

30%,

а масса двигателя

целом снижается на

12...

Повышение износостойкости

алюминиевого

сплава до-

стигается технологическими

мероприятиями.

10.2. Корпусные элементы двигателей жидкостного

охлаждения

Блок цилиндров срстоит из следующих

элементов:

боковых и

торцовых стенок, межцилиндровых перемычек и верхней гори-

зонтальной плиты, объединенных термином «водяная рубашка»,

а также цилиндров. Если в цилиндры,

отлщые

совместно с водя-

ной рубашкой, устанавливают тонкостенные

гильзы,

то они на-

зывцются

сухими. Если цилиндры съемные и омываются охлажда-

ющей жидкостью, то их

назыв-ают

мокрыми гильзами.

Картер

состоит из перегородок коренных

опор,

боковых сте-

нок, верхней горизонтальной опорной плиты и

н^ижней

прива-

152

Рис. ЮЛ. Силовые схемы двигателей с жидкостным охлаждением:

а — с несущим блоком цилиндров, б — с несущей рубашкой; в — с несущими

силовыми шпильками

лочной плоскости, на которой фиксируется масляный

поддон.

Последний может быть выполнен

как

в виде тонкостенной конст-

рукции, образующей емкость для сбора и размещения масла, так

и в виде монолитного несущего элемента, что способствует повы-

шению жесткости корпуса.

По тому как элементы корпуса двигателей с жидкостным ох-

лаждением воспринимают нагрузку от газовых

сил,

различают

следующие силовые схемы:

1) с несущим блоком цилиндров (рис.

10.1,

а), когда силы давле-

ния газов воспринимаются головкой, силовыми болтами (шпиль-

ками), опорами коренных подшипников и нагружают растягива-

ющими усилиями

сгенки

блока

цилиндров.

Разновидностью

даи-

HO^I

силовой схемы

при

мокрых гильзах является схема

несущей

рубашкой

(рис.

10.1,

б). При этом газовые силы нагружают (растя-

гивают) только стенки водяной рубашки;

2) с несущими силовыми шпильками (рис. ЮЛ, в). Силы газов,

действуя на головку,

воспринимается

длинными шпильками, ко-

торые крепятся в верхней части картера. При этом рубашка охлаж-

дения и мокрые гильзы в

результате

предварительной затяжки

шцилек

находятся в сжатом состоянии, и газовые силы разгружают

их Блок-картеры, выполненные по данной схеме, могут отливать-

ся из алюминиевого сплава в силу их меньшей

нагруженное™.

Повысить жесткость

корпуса

двигателя (без существенного уве-

личения их металлоемкости) позволяют следующие мероприятия:

выполнение корпуса двигателя в виде блок-картера, что обес-

печивает не только высокую жесткость корпуса, но и снижает его

массу благодаря уменьшению количества элементов конструкции;

использование

гюлноопорных

коленчатых валов, что повыша-

ет жесткость конструкции из-за

большего

количества перегоро-

док

(рис. 10.2,

а)\

153

Рис. 10 2 Конструктивные мероприятия по повышению жесткости блок-

картера

а — полноопорный коленчатый вал, б — оребрение перегородок коренных опор

и боковых стенок, в — понижение плоскости разъема картера, г — туннельный

картер, д — рамная плита или коробчатая конструкция масляного поддона, объ-

единенная с крышками коренных опор

оребрение перегородок коренных опор, а также усиление бо-

ковых стенок системой ребер <рис.

10.2,

б),

выполнение плоскости крепления нижней половины картера

ниже плоскости разъема коренных опор, вследствие чего силы и

моменты,

передаваемые на корпусные элементы, воспринимают-

ся

большим

объемом металла (рис. 10 2,

в);

использование туннельного картера, не имеющего разъема по

коренным опорам (рис 10 2, г);

введение специальной горизонтальной плиты в виде рамы или

детали коробчатой формы, связывающей между собой крышки

коренных опор (рис

2, д)

Цилиндры двигателя могут быть выполнены совместно с эле-

ментами водяной рубашки

блгока

или изготовляться как отдель-

ные детали — гильзы. Применение негильзованного блока цилин-

дров обеспечивает высокую прочность и жесткость блок-картера.

Такая конструкция имеет

меньшие

габариты и массу, требует от-

носительно небольшой механической обработки. Однако при этом

технологически сложно получить качественную отливку со ста-

бильными геометрическими параметрами. Кроме того, при выхо-

де из строя одного из цилиндров требуется замена всего блока.

Блоки цилиндров с мокрыми вставными и сухими гильзами в

большей или меньшей степени лишены указанных недостатков.

При

этом

упрощается технология отливки блок-картеров (для них

можно использовать менее

дорюгостоящие

материалы и только для

гильз — более качественные), уменьшается неравномерность на-

154

Рис. 10 3. Типы гильз цилиндров:

а — сухая без

опорного

бурта, б — сухая с верхним опорным буртом, в — мокрая

с верхним опорным фланцем, г — мокрая с нижним опорным фланцем; д —

мокрая со средним опорным фланцем

грева,

а следовательно, и термическое коробление гильз и бло-

ков, уменьшаются затраты на ремонт.

Сухие гильзы изготовляют двух видов: с верхним опорным бур-

том и без него (рис. 10.3, 6, а). Толщина стенок таких гильз цилин-

дров составляет

2...4

мм. Гильзы второго типа запрессовывают в

блок с

некоторьщ

натягом для фиксации их перед окончательной

обработкой после установки в блок и при работе двигателя. Сухие

гильзы также

мргут

выполняться в виде вставки в верхней зоне

цилиндра, подверженной наибольшему износу. Для повышения

износостойкости сухие гильзы изготовляют из кислотоупорного

высоколегированного чугуна

аустецитной

структуры

Особое внимание при монтаже

сухих,

гильз уделяют обеспечению

хорошего

контакта

с блоком В

противном

случае ухудшаются условия

отвода теплоты от гильзы в охлаждающую жидкость, что вызывает

нежелательную

дополнительную деформацию гильзы в цилиндре

Мокрая вставная гильза имеет фланец в верхней, средней или

нижней части гильзы, опирающийся на кольцевой прилив блока

(рис. 10 3, в, г, д). Жесткость фланца должна быть достаточной для

обеспечения допустимой деформации гильзы при затяжке сило-

вых болтов (шпилек)

Более низкое расположение опорного фланца способствует

улучшению охлаждения наиболее термически нагруженных верх-

ней части

гильзьт

и поршневых колец. Это уменьшает термические

деформации верхнего пояса

гильзц,

что позволяет снизить износ

и исключить задиры поверхностей трения элементов цилиндро-

поршневой группы, а также уменьшить расход масла.

Для сохранения геометрической формы во время работы гиль-

зу фиксируют в двух опорных направляющих поясах, располо-

женных в верхней и нижней ее частях.

Герметизация водяной рубашки в кольцевых канавках нижнего

направляющего пояса гильзы осуществляется

уплотнительными

кольцами из каучука или резины.

155

Верхний посадочный пояс гильзы располагают таким образом,

чтобы уплотняющая зона поршня при его положении в

ВМТ

на-

ходилась на уровне жидкости в рубашке охлаждения.

Вследствие

высокочастотной

вибрации мокрой гильзы, вызы-

ваемой перекладкой поршня,

на

ее поверхности, омываемой ох-

лаждающей жидкостью, происходят

кавитационные

процессы,

приводящие к частичному

или:

полному разрушению гильзы. Для

уменьшения их

интенсивности

применяют комплекс конструк-

тивных мероприятий, способствующих снижению энергии пере-

кладки,

таких,

как дезаксаж, уменьшение зазора, бочкообраз-

ность юбки поршня и

т.д.

Аналогичный эффект дают повышение

жесткости гильзы, более плотная ее посадка в направляющие по-

яса, установка специального демпфирующего кольца в месте ниж-

него стыка гильзы и блока.

Торец гильзы должен выступать над опорной плоскостью бло-

ка на

0,05...0,15

мм, чтобы сила затяжки

шпилек

обеспечивала

надежность газового стыка.

Толщину стенок цилиндра назначают из условия необходимой

жесткости

допустимой деформации при сборке двигателя и ре-

ализации рабочего процесса (для стенок мокрых чугунных гильз —

5...

8 мм). У моноблочной конструкции толщину стенки цилиндра

выбирают с учетом возможности его растачивания при ремонте.

Длину цилиндра устанавливают из условия свободного движе-

ния противовесов и шатуна. При этом допускается выход нижней

кромки юбки поршня за пределы цилиндра при его положении в

нмт.

Повышение долговечности гильз цилиндров достигается сово-

купностью конструктивных мероприятий, связанных с рациональ-

ным подбором материалов гильзы, поршня и поршневых колец,

и технологии их изготовления (микрогеометрией и твердостью

поверхности гильзы и колец), а также стабильностью теплового

состояния цилиндра вне зависимости от режимов работы двига-

теля, характеристик и качества очистки топлива, масла и воздуха.

Гильзы цилиндров

изготовляют

из серых и малолегированных

чугунов

с добавками хрома, молибдена, фосфора, меди, ванадия

для повышения износостойкости поверхности цилиндра.

Снижению расхода масла на угар и повышению износостойко-

сти

поверхности

цилиндра способствует создание (накаткой или

хонингованием)

на рабочей поверхности цилиндра маслоудержи-

вающего рельефа различной формы в поперечном сечении (полу-

круглой, трапециевидной, треугольной, дугообразной).

Коренные подшипники являются одними из наиболее нагружен-

ных элементов двигателя. Для обеспечения гарантированного жид-

костного трения в подшипниках коленчатого вала важно ограни-

чить деформации элементов данного узла, а также обеспечить со-

осность опор вдоль двигателя.

156

Рис. 10.4. Крепление крышек коренных подшипников коленчатого вала

с использованием фиксирующих элементов:

а — выступов; б — поверхностей и стяжных шпилек; в —

штифтов;

г — втулок;

/—основная

силовая шпилька; 2 — фиксирующие выступы крышки; 3 - стяж-

ная сквозная шпилька; 4 - фиксирующая поверхность; 5 - ртяжной болт; 6 -

штифт; 7 — втулка

При разъемных коренных подшипниках верхняя опорная часть

их расположена в перегородке картера, а нижняя выполнена в

виде крышки и фиксируется болтами или шпильками. Для умень-

шения момента, изгибающего крышку, расстояние от оси шпи-

лек до оси коленчатого вала принимается минимально возмож-

ным. Посадка крышки по торцовым плоскостям,

выфрезерован-

ным

в приливах картера, обеспечивает большую

жесткост^

всему

узлу подшипника. Для повышения жесткости и прочности карте-

ра полезно увеличивать высоту опорных боковых плоскостей кры-

шек и использовать горизонтальные стяжные болты (шпильки),

связывающие крышки со стенками картера в единую систему.

От возможных боковых смещений

крьплки

фиксируют в ряде

случаев специальными установочными штифтами или втулка-

ми (рис. 10.4).

В алюминиевых картерах для фиксации анкерных шпилек при-

меняют бронзовые втулки с внутренней резьбой в теле

блрк-кар-

тера.

В автотракторных двигателях обычно используют подшипники

скольжения, основными элементами которых являются тонкостен-

ные вкладыши, состоящие из стальной основы и нанесенного на

нее антифрикционного слоя. Вкладыши устанавливают в опорах с

натягом.

157

От проворачивания и осевых перемещений вкладыши фикси-

руют штифтами,

запрессованными

в картер и крышку, или от-

гибными

«усиками», упирающимися в плоскости разъема верх-

ней и нижней частей опоры.

Масло к подшипникам коленчатого вала поступает под давле-

нием по каналам от главной масляной магистрали через отвер-

стия и кольцевые канавки во вкладышах.

Головка цилиндров нагружается при монтаже силами предва-

рительной затяжки,

воспринимает

и передает на силовые болты

(шпильки) усилия от давления газов. В ней возникают значитель-

ные напряжения и деформации от тепловой нагрузки,

рсобенно

из-за неравномерного нагрева ее отдельных элементов. В двигате-

лях с высокофорсированным рабочим процессом термические на-

пряжения в головке могут намного превышать механические. В ре-

зультате, особенно при неудачно организованном

охлаждении,

перемычках между клапанами могут образовываться трещины,

вплоть до появления

прогаров.

При больших

термических

дефор-

мациях головки может наблюдаться разгерметизация клапанов и

газового

стыка.

В соответствии с функциональным назначением конструкция

головки цилиндров должна отвечать следующим

требованиям:

создавать объем камеры

сгорания

определенной формы, соответ-

ствующей способу организации рабочего процесса; обеспечивать

оптимальную конструкцию впускных и выпускных

каналов;

со-

здавать надежное уплотнение газового стыка; осуществлять режим

циркуляции охлаждающей жидкости, обеспечивающий наимень-

шую тепловую напряженность элементов головки на всех режимах

работы; обеспечивать рациональное размещение необходимых де-

талей двигателя (свечей или

фюрсунок,

опор распределительного

вала и т.д.), монтируемых в головке цилиндров.

На конструкцию головки оказывают влияние форма камеры

сгорания, расположение свечи или форсунки, их ориентация от-

носительно оси цилиндра, количество и расположение клапанов,

фррма и расположение каналов для подвода и отвода газов.

Головки цилиндров выполняют в виде единой отливки для

одного ряда цилиндров или индивидуально для каждого ци-

линдра.

Индивидуальные

головки обеспечивают более надежный газовый

стык. Их применение облегчает выполнение

монтажно-демонтаж-

ных

работ при производстве и ремонте. Они обычно

используются

в двигателях, форсированных наддувом.

Ввиду высоких газовых и термических нагрузок для обеспече-

ния необходимой жесткости нижнюю опорную стенку головки со

стороны

привалочной

плоскости делают достаточно массивной.

Это снижает вероятность

коробления

седел клапанов и повышает

надежность газового стыка.

В головках из алюминиевого сплава свечи зажигания ввертыва-

ют в бобышки головки, которые со всех сторон омываются ох-

лаждающей жидкостью.

Для снижения

теплонапряженности

в головке создают систему

каналов и полостей для циркуляции охлаждающей жидкости. Из

блока жидкость поступает к наиболее нагретым зонам головки: к

форсунке или свече, к седлу и приливам направляющей втулки

выпускного клапана, к перемычкам между клапанами, к выпуск-

ным патрубкам, к вихревой камере или предкамере. Для интенси-

фикации теплообмена в системе охлаждения головки организуют

направленное движение жидкости с помощью специальных зап-

рессованных распределительных трубок, направляющих ребер и

т. п. В головках из чугуна температура поверхности камеры сгора-

ния достигает

350

°С,

перепады температур между отдельными

точками доходят до

150

"С.

В головках из алюминиевых сплавов,

обладающих хорошей теплопроводностью, максимальные темпе-

ратуры и перепады температур несколько ниже. Изготовление го-

ловки из алюминиевых сплавов улучшает ее охлаждение и снижа-

ет вероятность

возникновения

детонации в двигателях с искро-

вым зажиганием.

Уплотнение газового стыка между головкой цилиндра и гиль-

зой в целях предупреждения прорыва газов и просачивания ох-

лаждающей жидкости осуществляется прокладкой (рис. 10.5). Усло-

вия работы уплотнения газового стыка: высокие, циклически из-

меняющиеся параметры рабочего тела (температура и давление)

в камере сгорания; наличие химически активной среды.

Конструкция уплотнения должна соответствовать

сле;гующим

требованиям:

сохранять работоспособность в течение длительного периода

эксплуатации при воздействии высоких температур и коррозион-

но-активных

элементов;

Рис. 10.5. Уплотнение газового стыка:

а — прокладкой и плоским торцом гильзы; б — прокладкой и выступающим

буртиком верхнего торца

гильзы;

в — прокладкой и уплотняющим

кольцом;

г —

уплотняющим кольцом;

— опорная плоскость, 2 — центрирующий пояс; 3 —

прокладка; 4 — уплотняющее кольцо, 5 — резиновое кольцо уплотнения жидкост-

ного стыка

159