Цилиндропоршневая группа и кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) и цилиндропоршневая группа (ЦПГ) преобразует воз­вратно-поступательные движения поршней, воспринимающих давление га­зов, во вращательное движение коленчатого вала.

Детали, составляющие КШМ и ЦПГ, можно разде­лить на две группы: подвижные и неподвижные.

К неподвижным блок-картер, головка блока цилиндров, гильзы цилиндров. К подвижным деталям относятся поршень, поршневые кольца, поршневые пальцы, шатуны, коленчатый вал, маховик.

Блок-картер (рис. 4.1) является остовом двигателя, в котором размещаются и ра­ботают подвижные детали, к нему крепятся практически все навесные аг­регаты и приборы, обеспечивающие работу двигателя. Нижняя часть блока цилиндров (картер) обычно обрабатывается для установки в блок коренных подшипников коленчатого вала и для присоединения поддона картера

Картер вместе с цилиндрами, головкой (крышкой), поддоном или фундаментной рамой (при наличии последней), проклад­ками, сальниками образует закрытую, не­проницаемую для газов, смазочного мате­риала и охлаждающей жидкости (в слу­чае двигателя жидкостного охлаждения) полость, где расположен кривошипно-шатунный механизм.

В блоке цилиндров грузового автомобиля, выполненном заодно с картером расположены выполненные заодно или вставленные цилиндры (гильзы) 5 (рис. 4.2).

Внутри блока между стенками ци­линдров и его наружными стенками имеется специальная по­лость, называемая рубашкой охлаждения 7. В ней циркулирует охлаждающая жидкость системы охлаждения двигателя.

Внутри блока также имеются каналы 9 и масляная магистраль смазочной системы, по которым подводится масло к трущимся деталям двигателя. В нижней части блока цилиндров (в картере) находятся опоры для коренных подшипников коленчатого вала, которые имеют съемные крышки 13, прикрепляемые к блоку са­моконтрящимися болтами 10.

К блоку цилиндров спереди прикреплена крыш­ка распределительных шестерен, сзади — картер сцепления.

Растачивание блока цилиндров под вкладыши коренных подшипников производится в сборе с крышками картером сцепления, поэто­му крышки коренных подшипников не взаимозаменяемы и устанавливаются строго в определенном положении. На каждой крышке нанесен порядковый номер опоры, нумерация которого начинается от переднего торца блока.

Блок отливают преимущественно из легированного чугуна или из алюминиевых сплавов. После литья блок цилиндров подвер­гают искусственному старению, что уменьшает его коробление в процессе эксплуатации и обеспечивает сохран­ность правильной геометрической формы.

Долгое время единственным материалом для изготовления блоков цилиндров служил чугун. Этот материал недорог, он обладает высокими прочностью и жесткостью при хороших литьевых качествах. Кроме того, обработанные хонингованием внутренние поверхности чугунных цилиндров обладают отличными антифрикционными свойствами и высокой износостойкостью. Существенными недостатками чугуна являются его большая масса и низкая теплопроводность. Так, чугунный блок наиболее жёсткий, а значит — при прочих равных выдерживает более высокую степень форсирования и наименее чувствителен к перегреву. Теплоёмкость чугуна примерно вдвое ниже, чем алюминия, а значит двигатель с чугунным блоком быстрее прогревается до рабочей температуры. Однако, чугун весьма тяжёл — в 2,7 раза тяжелее алюминия, склонен к коррозии, а его теплопроводность примерно в 4 раза ниже, чем у алюминия, поэтому у двигателя с чугунным картером система охлаждения работает в более напряжённом режиме.

Стремление конструкторов к созданию более легких двигателей привело к разработке конструкции блоков цилиндров из алюминиевых сплавов. Алюминиевые блоки цилиндров лёгкие и лучше охлаждаются, однако в этом случае возникает проблема с материалом, из которого выполнены непосредственно стенки цилиндров. Если поршни двигателя с таким блоком сделать из чугуна или стали, то они очень быстро износят алюминиевые стенки цилиндров. Если же сделать поршни из мягкого алюминия, то они просто «схватятся» с алюминиевыми стенками, и двигатель заклинит. В связи с этим в алюминиевых блоках чаще всего в процессе сборки вставляются или запрессовываются в него при изготовлении чугунные гильзы. Однако, использование в производстве со­временных технологий позволяет изго­тавливать легкие «алюминиевые» двигатели, у которых блок цилиндров не имеет чугунных гильз. В рабочих поверхностях ци­линдров в алюминиевых блоках электролитическим путем создается повышенное содер­жание кремния, а затем цилиндры подверга­ются химическому травлению для создания на рабочей поверхности цилиндров износо­стойкой пористой пленки чистого кремния, хорошо удерживающей смазку.

Рабочие поверхности цилиндров современных алюминиевых блоков двигателей могут иметь покрытие, наносимое плазменным напылением. Напыляемый на стенки цилиндра порошок подается через плазматрон (рис. 4.3). Газ, предназначенный для создания плазмы, проходит через распылитель и поджигается электродугой. При этом температура газа повышается примерно до 11700 °C и он переходит в плазменное состояние. Частицы порошка в расплавленном состоянии заполняют неровности поверхности цилиндра. При застывании частиц они надежно соединяются со стенками цилиндра.

После напыления, как и при традиционном исполнении цилиндров, производится хонингование, однако в этом случае риски вследствие хонингования не так глубоки. Возникает весьма ровная наружная поверхность с небольшими впадинами (микроуглублениями), в которых находится масло. Каждое микроуглубление не связано с другими микроуглублениями, в отличие от хонингования чугунных гильз. Когда поршневое кольцо проходит над микроуглублением, в последнем создается давление, которое воздействует на поршневое кольцо. В результате этого поршневое кольцо всплывает поверху масляной подушки, чем и обеспечивается гидродинамическая смазка. Благодаря этому потери на трение и изнашивание существенно уменьшаются.

Преимуществами данного способа изготовления цилиндров по сравнению с обычными являются:

• снижение массы по сравнению с конструкцией с вставными гильзами цилиндров;
• уменьшение размеров двигателя по сравнению с чугунным блоком цилиндров за счет сужения перемычек между цилиндрами;
• увеличение срока службы цилиндров благодаря износостойкому покрытию, наносимому плазменным напылением.

Характерной особенностью современных высоконагруженных двигателей легковых автомобилей является применение опорной рамы, которая крепит коленчатый вал (рис.4.4). К опорной раме крепится высокий алюминиевый масляный поддон, который максимально изолирован от вибраций кривошипно-шатунного механизма, что положительно сказывается на акустике двигателя. Дополнительную функцию выполняет контур опорной рамы коленчатого вала. Он играет роль маслоотражателя в области противовесов коленчатого вала и шатунов. Таким образом, стекающее масло не разбрызгивается по стенкам всего блока двигателя, а улавливается и отводится непосредственно в поддон.

Масляный поддон картера 1 (рис. 4.2) пред­назначен для защиты картера от попадания посто­ронних частиц, грязи, применяется как резервуар для масла. Поддон штампуют из листовой стали или формованной пластмассы (композита). Снизу поддона устанавливается сливная пробка 11. Внутри поддонов могут выпол­няться лотки и перегородки, препятствующие перемещению и взбалтыва­нию масла при движении автомобиля по неровным дорогам. Поддон располагается ниже оси коленчатого вала. Он крепится болтами, для уплотнения исполь­зуются пробковые или резиновые прокладки.

Для уменьшения вибрации в блоке цилиндров и соответствующего снижения уровня шума двигателя с нижней стороны блока может устанавливаться рама жесткости 2, изготовленная из листовой стали.

Крепление головок к цилиндрам или блок-картеру осуществляется при помощи шпилек или болтов, ввернутых в картер. Кре­пление головки к цилиндру или блоку должно выполняться с нормированным значением момента затяжки резьбовых соединений (обеспечиваемых специальным динамометрическим ключом). Гайки резьбовых соедине­ний затягивают при этом в определенной последовательности, исключа­ющей возможность деформации головки. Необходимо помнить, что в процессе эксплуатации вытяжка крепежных шпилек может привести к нарушению герметичности стыка, в результате чего возможен прорыв газов в окружающую среду и в систему охлаждения и попадание охлаж­дающей жидкости в поддон двигателя и в систему выпуска, что приводит к отказу двигателя.

Головка блока цилиндров 4 закрывает цилиндры и образует верхнюю часть рабочей полости двигателя, в ней частично или полностью размещаются камеры сгорания. Головки блока цилиндров отливают из легированного серого чугуна или алюминиевого сплава. Чаще всего они являются общими для всех цилиндров, образующих ряд.

В головках блока цилиндров размещаются гнезда и направляющие втулки клапанов, впускные и выпускные каналы. Их внутренние полости образуют рубашку для охлаждающей жидкости. В верхней части имеются опорные площадки для крепления деталей клапанного механизма.

У двигателя может быть одна головка блока цилиндров (при рядном расположении) или две головки (при V-образной компоновке), при V-образной компоновке также возможно наличие четырех головок — по головке на три цилиндра. Возможно установка для головки для каждого цилиндра.

По форме камеры сгорания различны, напри­мер, в бензиновых двигателях камера сгора­ния может быть полусферической, полуклиновой или смешанной.

В головку запрессовываются (или вставляются) седла впускных и выпускных клапанов и запрес­совываются направляющие втулки клапанов Головка крепится к блоку цилиндров равномер­но затянутыми шпильками с гайками, болтами.

Крепление деталей двигателя. Крепление «болт в болт». Одним из новых направлений в конструкции крепления головки бока и крышки подшипников распределительного вала является применение соединений «болт в болт» (рис. 4.5). Корпус подшипников распределительных валов притягивается к головке цилиндров посредством коротких болтов, которые вворачиваются в расположенные в два ряда болты крепления головки к блоку цилиндров. Эти соединения позволяют увеличить компактность совместной конструкции головки цилиндров и корпуса подшипников распределительных валов и создают условия для уменьшения межцилиндровых расстояний.

Принцип анкерных связей. Чтобы снизить деформации цилиндров и обеспечить сохранение оптимальной формы их рабочих поверхностей, головка цилиндров некоторых двигателей притягивается к блоку с помощью анкерных болтов (рис. 4.6). Соединение анкерных болтов производится посредством плавающих втулок, расположенных в блоке цилиндров и фиксируемых от проворачивания в нем. Болт крепления головки цилиндров вворачиваются в плавающую втулку с одной стороны, а нижний анкерный болт вворачиваются в нее, с другой стороны.

Цилиндры являются направляющими для поршня и вместе с камерой сгорания в головке образуют полость, в которой осуществляется рабочий цикл.

Цилиндр работает в условиях переменных давлений в надпоршневой полости. Внутренние стенки его соприкасаются с пламенем и горячими газами, раскаленными до температуры 1500…2500°С. Средняя скорость скольжения поршневых колец по стенкам цилиндра в автомобильных двигателях, достигает 12…15 м/сек. Поэтому материал, употребляемый для изготовления внутренних стенок цилиндров, должен обладать большой механической прочностью, а сама конструкция стенок — повышенной жесткостью. Стенки цилиндров должны хорошо противостоять истиранию при ограниченной смазке и обладать общей высокой стойкостью против других возможных видов изнашивания (абразивного, коррозионного и некоторых разновидностей эрозии), уменьшающих срок службы цилиндров.

Внутреннюю поверхность цилиндра под­вергают закалке с нагревом ТВЧ и тщательно обрабатывают, получая «зер­кальную» поверхность. На внутреннюю поверхность наносится сетка для удержа­ния смазки

Во время работы двигателя в верхней части цилиндров сгорает рабочая смесь. При этом выделяются продукты окисления — ок­сиды углерода и азота, пары воды и другие веще­ства. При работе двигателя с пониженными температурами (50…60 °С) охлаждающей жидкости и масла часть продуктов окис­ления, особенно пары воды, конденсируется на стенах цилиндров, вследствие чего образуются кислоты, вызывающие коррозию ци­линдров. Кроме того, разрушается масляная пленка и увеличива­ется износ цилиндров и поршневых колец.

Механическое изнашивание зеркала ци­линдра в верхней части больше, чем в нижней, из-за более высо­кого давления газов. В связи с этим в некоторых двигателях автомобилей, например, ЗИЛ-431410 для повыше­ния износостойкости цилиндров в их гильзы запрессовывают вставки из износостойкого чугуна.

Гильзу цилиндра называют мок­рой, если она омывается жидкостью си­стемы охлаждения, и сухой, если она непосредственно не соприкасается с ох­лаждающей жидкостью. Внутренняя поверхность цилиндров из-за высоко­точной обработки называется зеркалом цилиндра. На него может быть нанесена сетка для удержа­ния смазки.

При установке мокрые гильзы уплотняются сверху за счет выступания их над плоскостью разъе­ма, а в нижней части уплотняются резиновыми коль­цами или медными прокладками.

Верхнюю плоскость блока цилиндров и нижнюю плоскость головки блока тщательно обрабатывают для получе­ния плотного соединения. Между этими плоскостями устанавливают сталеасбестовую уплотняющую прокладку головки блока (рис. 4.7), пред­отвращающую прорыв газов наружу и исключающую проникновение охлаж­дающей жидкости и масла в цилиндры. Прокладка грузовых автомобилей и автобусов изготовлена из стали и снабжена вставками из вулканизированной резины для уплотнения каналов системы охлаждения и смазки. Для защиты резиновых уплотнений во время установки головки цилиндров они имеют множество выпуклых участков, которые разглаживаются при затяжке гаек или болтов головки цилиндров. Перед установкой прокладки на двига­тель обе ее стороны натирают графи­том, предохраняющим ее от пригорания к блоку или головке. Гайки и болты крепления головки блока к блоку ци­линдров затягивают равномерно в опре­деленной последовательности при помощи динамометрического клю­ча, чтобы не повредить головку и про­кладку. Для правильного побора прокладки она маркируется.

Применение турбонаддува в современных двигателях одновременно с повышением мощности влечет за собой увеличение максимальных значений давления рабочего цикла. Поэтому материал и форма прокладки головки блока оказывает большое влияние на распределение сил в системе затяжки головки блока. Для надежного уплотнения прокладки головки блока современных двигателей изготавливают многослойными (обычно 4-5 слоев) и разными по высоте (гофрированными) (рис. 4.8).

Внешние болты головки блока цилиндров из-за небольшой поверхности прилегания головки блока цилиндров в области внешних цилиндров создают большое усилие прижима. Это ведёт к повышению усилия прижима прокладки и, таким образом, к изгибу головки блока цилиндров. Такой изгиб, в свою очередь, приводит к деформации цилиндров. Для устранения этого явления в некоторых двигателях применяют опорные вставки 3, которые снижают высокое давление прижима прокладки, уменьшая таким образом степень изгиба головки блока цилиндров.

На некоторых современных дизелях прокладка не устанавливается, а герметичность стыка обеспечи­вается высокой точностью и чистотой его обработки.

Поршневая группа включает в себя поршень, поршневые коль­ца, поршневой палец с фиксирующими деталями. Поршень воспринимает усилие расширяющихся газов при рабочем ходе и передает через шатун на кривошип коленчатого вала (рис. 4.9) и осуществляет подготовительные такты. Он является одной из деталей, образующих камеру сгорания двигателя, обеспечивает ее герметичность, передает силу давления газов шатуну.

Форма и конструкция поршня, в значительной степени определяются фор­мой камеры сгорания. В конструкции поршня принято выделять следующие элементы (рис. 4.10): головку 3, юбку 1, днище 5, огневой (жаровой) 6 и уплотняющий 3 пояса. Часть поршня, расположенная ниже оси бобышек, называется юб­кой. Она состоит из направляющей части и бобышек 11.

На внешний поверхности го­ловки поршня и юбке проточены канав­ки для установки компрессионных колец 7, 8 и маслосъемных колец 9.

Число колец, устанавливаемых на поршне, зависит от типа двигателя и частоты вращения ко­ленчатого вала. По окружности кана­вок, в которых размещены маслосъемные кольца, просверлены сквозные от­верстия или ставится дополнительное пружинное кольцо для отвода масла в картер двигателя. Юбка 1 является направляю­щей частью поршня при движении его в цилиндре и передает боковую силу от шатуна стенкам цилиндра. На внутрен­ней стороне юбки имеются два массив­ных прилива 11, называемых бобышками. Они соединены ребрами с днищем, увеличивая прочность поршня. При этом улучшается отвод теплоты к порш­невым кольцам, в цилиндр и охлаждаю­щую жидкость. В бобышках сделаны отверстия для установки пальца и про­точены кольцевые канавки для стопор­ных колец 10. Форма днища 5, как правило, зависит от типа ка­меры сгорания.

Для увеличения прочности и улучше­ния отвода теплоты днище поршня ди­зеля изготовляют большой толщины и усиливают ребрами с внутренней сто­роны. Стенки же юбки отливают боль­шей толщины, чем в бензиновых двигателях. Обычно поршни дизелей имеют фигурные днища. Это улуч­шает процесс смесеобразования и поз­воляет придать камере сгорания необ­ходимую форму.

Коэффициент линейного расширения поршней из алюминие­вых сплавов в 1,5…2 раза превышает коэффициент линейного рас­ширения стальной или чугунной гильзы цилиндра. Поэтому при нагреве поршень расширяется больше, чем цилиндр, охлаждаемый жидкостью, поэтому возникает опас­ность заклинивания поршня. Чтобы из­бежать этого и обеспечить нормальную работу двигателя, диаметр поршня дол­жен быть меньше диаметра цилиндра, т. е. между поршнем и цилиндром необ­ходим диаметральный зазор. Нагрев, а, следовательно, и тепловое расширение поршня по высоте не­равномерны. Поэтому поршни выполняют в виде конуса овального сече­ния.

В цилиндре поршень движется неравномерно; в крайних по­ложениях (в ВМТ и НМТ) его скорость равна нулю, а вблизи середины хода она достигает максимального значения. В результате этого возникают большие силы инерции, на величину которых влияют масса поршня и угловая ско­рость коленчатого вала. Кроме механи­ческих нагрузок, поршень подвергается действию высоких температур в период сгорания топлива и расширения образо­вавшихся газов. Он нагревается также вследствие трения его боковой поверх­ности о стенки цилиндра.

Для уменьшения сил инерции, возникающих вследствие возвратно-посту­пательного движения поршня, его масса должна быть по возможности меньше, поэтому в автомобильных двигателях чаще устанавливают поршни, изготовленные из алюминиевого сплава, так как они достаточно прочные, легкие, имеют вы­сокую теплопроводность и хорошие ан­тифрикционные свойства.

Эффективным средством регулирования теплового расширения юбки является применение специальных термовставок, размещаемых в верхней части юбки. В зоне бобышек в поршень заливают две стальные пластины, имеющие коэффициент линейного расширения в два раза меньше, чем алюминиевый сплав. При этом образуются биметаллические стенки, которые при остывании поршня препятствуют значитель­ному сокращению диаметра юбки, а при нагревании до рабочей температуры, наоборот, ограничивают ее тепловое расширение. В верхнюю часть юбки могут заливать стальное кольцо круглого или прямоугольного сечения. Для принудительного охлаждения поршней современных двига­телей могут применяться следующие способы:

— струйное опрыскивание маслом внутренней поверхности днища поршня. Масло под давлением подводится от коленчатого вала по каналу в стержне шатуна к калиброванному отверстию в верхней поршневой головке шатуна. Это обеспечивает снижение температуры, днища поршня на 15…20 °С.

— распыливание масла на днище поршня через форсунку, неподвижно установленную в зоне нижней части цилиндра на корпусе двигателя, что позволяет уменьшить температуру днища на 25… 30 °С.

— охлаждающие каналы (рис. 4.11), по которым циркулирует масло, подаваемое через форсунку 6 при положении поршня вблизи нижней мертвой точки. В бобышках поршня устанавливаются латунные втулки 7, а в днище поршня делаются подклапанные 2 выемки, исключающие соприкосновение клапана с поршнем.

Поршни двигателей с непосредственным впрыском топлива имеют особую форму с выемками 1 (рис. 4.12), необ­ходимую для обеспечения сгорания топлива.

Они представляют собой литые поршни с залитой вставкой 2 для верхнего поршневого кольца. Применение вставки для колец типично также для дизельных двигателей легковых автомобилей с высокой нагрузкой. Благодаря конструкции с малой массой, наличию вставки для поршневых колец и покрытию юбки поршни имеют длительный срок службы, плавный ход и низкие потери мощности на трение. Верхнее поршневое кольцо 3 выполнено в виде кольца прямоугольного сечения. Второе поршневое кольцо 4 выполнено в виде кольца с конической поверхностью и подрезом, а маслосъёмное кольцо 5 представляет собой пружинящее кольцо с расширителем.

Для лучшей приработки к цилиндру наружная поверхность юбки поршня покрыта тонким слоем олова.

Поршневой палец предназначен для шарнирно­го соединения поршня с верхней головкой шатуна. Он должен быть прочным, легким и износостойким, так как во вре­мя работы подвергается трению и боль­шим механическим нагрузкам, пере­менным по величине и направлению. Изготавливается полым (в виде толстостенной труб­ки). Для того чтобы пальцы надежно работали при передаче больших усилий, они изготавливаются из сталей (легированных или углеродистых), подвер­гаются цементации на глуби­ну 1,0 … 1,4 мм и закалке высокочастотны­ми токами. После этого пальцы отпускают до определен­ной твердости, что позволяет получить твердую поверхность пальца при вязкой сердцевине.

В зависимости от соединения пальцев с шатунами они разделя­ются на закрепленные и плавающие (наиболее рас­пространены). В настоящее время наибольшее распро­странение получили конструкции с плава­ющим, пальцем; при этом возможно сво­бодное проворачивание последнего как в головке шатуна, так и в бобышках порш­ня, что способствует более равномерно­му износу пальца. От осевого перемеще­ния палец фиксируется пружинными сто­порными кольцами 8 (рис. 4.9).

В быстро­ходных двигателях, особенно при применении коротких шатунов, скорость изменения боковой силы довольно значительна. Это приводит к удару поршня о цилиндр. Чтобы избежать стуков, при «перекладке» поршневые пальцы смещают на 1,4…1,6 мм в сторону действия максимальной боковой силы, что приводит к более плавной «перекладке» и снижению уровня шума.

Пальцы изготовляют с высокой точностью и подбирают к пор­шням и шатунам.

Поршневые кольца — элементы уплот­нения поршневой группы, обеспечивающие герме­тичность рабочей полости цилиндра и отвод теп­лоты от головки поршня. По назначению кольца подразделяются на компрессионные — препятст­вующие прорыву продуктов сгорания топлива в картер двигателя и отводу теплоты в стенки цилиндра, и маслосъемные обеспечи­вающие равномерное распределение масла по по­верхности цилиндра и препятствующие проникно­вению масла в камеру сгорания (рис.4.13).

Компрессионные кольца, кроме основной функции, обеспечи­вают отвод значительной доли теплоты от поршня в стенки цилиндра.

Компрессионные кольца работают в тя­желых условиях, определяемых высокой температурой, большими скоростями изме­нения давления газа и ускорениями при движении колец. При этом необходима длительная работоспособность кольцевого уплотнения.

Ком­прессионные и маслосъемное кольца — разрезные. Вследствие упругости кольца плотно прилегают к стенкам цилиндра. При этом между разрезанными концами колец сохраняется небольшой зазор (0,2… 0,35 мм). Разрез кольца называется замком, он может быть прямым, косым или ступенчатым.

Верхнее компрессионное кольцо, работающее в наибо­лее тяжелых условиях, имеет бочкообразное сечение для улучше­ния его приработки. Наружная поверхность его хромирована для повышения износостойкости. Нижнее компрессионное кольцо име­ет сечение скребкового типа (на его наружной поверхности вы­полнена проточка) и фосфатировано. Кроме основной функции, оно выполняет также дополнительную — маслосбрасывающего кольца.

Уплотнение в цилиндре осуществляется благодаря прижатию компрессионного кольца к стенке цилиндра сила­ми упругости кольца и давления газов. В момент вспышки при положении поршня в ВМТ давление в канавке первого кольца близко к давлению р_z в цилиндре, а в ка­навке второго кольца составляет лишь около 50 % этой величины (рис. 4.14). Дав­ление р_з за последним кольцом существен­но меньше, оно соизмеримо с давлением в картере двигателя. Ввиду значительного давления колец на стенки цилиндра боль­шая часть работы трения в двигателе (до 50 %…60 %) приходится на коль­ца, поэтому прижимать кольца чрезмерно большим усилием нельзя. Температура поршня в зоне расположения колец не должна превышать 200…220 °С по усло­виям сохранения технических свойств масла.

Компрессионные кольца имеют маркировку «верх» («Top») на верхнем торце. При установке поршневых колец следует обращать особое внимание на правильность их расположения. Слово «верх» («Тор») должно быть обращено к днищу поршня.

Получили распространение кольца с прямым замком как наиболее простые в изготовлении. В свободном состоянии диаметр поршневого кольца больше внутреннего диаметра цилиндра. Поэто­му кольцо, вставленное в канавку порш­ня и введенное в сжатом состоянии в цилиндр, разжимаясь, плотно приле­гает к внутренней поверхности цилинд­ра. Зазор в замке кольца позволяет ему расширяться при нагреве.

По конструкции компрессионные кольца различаются формой поперечного сечения и геометрией их рабочей поверхности. На рис. 4.15, а представлены некоторые из при­меняемых в настоящее время типов ком­прессионных колец. С повышением уровня форсирования хорошо зарекомендовали себя трапециевидные кольца 2, которые менее склонны к закоксовыванию по срав­нению с прямоугольными кольцами 1. Для повышения износостойкости рабочую по­верхность кольца покрывают слоем хрома, поверх которого иногда наносят дополни­тельный тонкий слой молибдена — износо­стойкое покрытие.

Для того чтобы снять излишки масла с зерка­ла цилиндра и отвода снятого масла в картер двигателя служат маслосъемные кольца. Благодаря этому уменьшается попадание масла в камеру сгорания. В канавках, предназначенных для установки маслосъемных колец, предусмотрены радиальные отверстия для отвода масла, снимаемого маслосъемным кольцом с зеркала цилиндра.

Маслосъемные кольца (рис. 5.15, б) вы­полняют скребковыми 4, коробчатого типа 5 и 7, а также составными 6 (из нескольких элементов). Для отвода, снятого с ци­линдра масла в стенке поршня просверли­вают радиальные (иногда наклонные) от­верстия.

Материалом для поршневых колец в основном служит спе­циальный серый высокопроч­ный чугун, который обладает высокими стабильными показа­телями прочности и упругости при рабочей температуре в те­чение всего срока службы коль­ца, высокой износостойкостью в условиях граничного трения, хорошими антифрикционными свойствами, способностью до­статочно быстро и эффективно прирабатываться к поверхности цилиндра. Легирующие добавки Сг, Ni, Mo, W способствуют по­вышению термостойкости колец. Верхние кольца форсированных двигателей иногда делают стальными.

Кольца устанавливаются таким образом, чтобы замки соседних колец были бы смещены относи­тельно друг друга на некоторый угол (90…180). Если имеется чугунное маслосъемное кольцо, то замки всех колец смещаются на 90° относительно друг друга. При наличии составных маслосъемных колец только замки компрессионных колец смеща­ются на равные углы.

Для обеспечения требуемого зазора поршни и гильзы могут разделяться (по диаметру) на группы (например, двигатель автомобиля ГАЗ – 2705 имеет 5 групп), обозначенных соответствующей буквой, которая выбивается на днище поршня и наносится на наружной поверхности нижней части гильзы (табл. 4.1).

Коленчатый вал предназначен для восприятия передаваемых шатунами усилий и преобразования их в крутящий момент, который затем трансмиссией передается колесам автомобиля, а также используется для привода в действие различных ме­ханизмов двигателя. На вал действуют большие нагрузки, и он подвергается скручиванию, изгибу и механическому изнашиванию.

Коленчатый вал (рис. 4.16) имеет сле­дующие части: коренные 9 и шатунные 8 шейки, щеки 16, противовесы 7, перед­ний конец и задний конец (хвостовик) с сальниками 1 и 5 фланцем 14 для крепления ма­ховика. Шатунные шейки служат для со­единения коленчатого вала с шатунами. Коренные шейки вала входят в подшип­ники, установленные в блоке цилин­дров.

Щеки соединяют коренные и ша­тунные шейки вала, образуя колена или кривошипы. На некоторых валах предусматривают противовесы, кото­рые отливают вместе с валом. Установка противовесов или обору­дование двигателя специальными уравновешивающими механизмами необходимы в том случае, если расположение колен коленчатого вала не обеспечивает взаимного уравновешивания сил инерции и создаваемых ими моментов. Противовесы, располо­женные на коленчатом валу, восприни­мают центробежные силы инерции и со­здаваемые ими моменты. В шатунных шейках колечатых валов большинства двигателей имеются грязеуловительные полости 10 (рис. 4.16, а) для дополнительной центробежной очистки масла. Для повышения износостойкости и долговечности шатунных и коренных шеек их закаливают с нагревом токами высокой частоты, после чего шлифуют и полируют. Переход от шеек к щекам, называемый галтелью, делают плавным, чтобы избежать концентрации напряже­ний и возможных поломок коленчатого вала. От коренных к шатунным шейкам сделаны сверления для подвода масла.

На переднем конце вала сделаны шпоночные канавки для крепления шестерни при­вода газораспределительного механизма и крепления шкива. Для равномерного чередования рабочих и других тактов в цилиндрах многоцилиндрового двига­теля шатунные шейки расположены под определенным углом по отношению друг к другу. В четырехцилиндровом рядном двигателе шатунные шейки коленчатого вала расположены под углом 180^е, в восьмицилиндровом V-образном двигателе—под углом 90°. Коренные и шатунные шейки отшлифованы под определенный размер в соответствии с размером подшипников.

Форма коленчатого вала зависит от числа и расположения цилиндров, порядка работы и тактности двигателя. На большинстве автомобильных двигателей применяют полноопорные коленчатые валы, т. е. каждая шатунная шейка расположена между двумя коренными. Таким образом, полноопорный вал имеет коренных шеек на одну больше, чем шатунных.

Вследствие работы сцепления и косозубых зубчатых колес механизма газо­распределения возникают силы, стремя­щиеся сдвинуть коленчатый вал вдоль оси. Особенно большие силы возникают в момент выключения сцепления. Фиксация от осевого смещения коленчатого вала обеспечивается установкой стопорных колец на носке вала или у его хвостовика. Допустимая величина осевого смещения составляет обычно 0,2 мм. Технологический разброс осевых размеров компенсируется подбором толщины фиксирующих шайб.

Коленчатый вал смазывается маслом под давлением. Поскольку носок и хвостовик коленчатого вала располагаются вне картера двигателя, необходимо уплотнение вала в соответствующих расточках картера. Это уплотнение обеспечивается установкой меж­ду валом и картером резиновых сальников 1 и 24 (рис. 4.17). Обычно для разгрузки манжеты от притока масла под действием избыточного давления вну­три картера на носке и хвостовике коленчатого вала устанавливают маслоотражательные кольца (диски) и выполняют маслосгонную резьбу.

Уплотнение заднего конца коленчатого вала 6 состоит из сальни­ка 24, маслосгонной резьбы 21 и маслоотражательного гребня 19. Маслосгонная резьба или накатка нарезана в направлении, обратном вращению ко­ленчатого вала. Это способствует отво­ду масла в поддон.

На площадке противовеса последней щеки двигателя ЯМЗ 536 при изготовлении автоматически наносится следующая видимая маркировка (слева — направо): по две цифры — день, месяц, год; три цифры – серийный номер, две цифры – условное обозначение диаметров шатунных и коренных шеек; последующая зона имеет идентификацию, распознаваемую сканером.

Сальник 24 предста­вляет собой асбестовый шнур, пропи­танный антифрикционным составом и покрытый графитом.

На переднем конце вала располагают шкив 3 привода вентилято­ра и генератора, зубчатое колесо 17 приво­да масляного насоса, масляный отража­тель.

Многоцилиндровые V – образные двигатели, для снижения шума при работе двигателя и уменьшения нагрузки на коленчатый вал, вызванной колебаниями, возникающими при работе двигателя силами давления газов и инерции (сгорание рабочей смеси в цилиндрах и возвратно-поступательные движения масс), могут оборудоваться демпферами крутильных колебаний с резиновым демпфером на шкиве коленчатого вала (рис. 4.18, а) или вязкостного типа с силиконовым маслом (рис. 4.18, б).

Демпфер крутильных колебаний устанавливается в торце коленчатого вала. Демпфер с резиновой вставкой уменьшает крутильные колебания за счет деформации резины.

Работа демпфера вязкостного типа заключается в том, что в результате колебаний корпус 4 демпфера и его ротор 3 смещаются друг относительно друга. Вследствие этого в находящемся между ними силиконовом масле 4 возникают напряжения сдвига, действующие в зазоре между ротором и корпусом по всей поверхности зазора. Результирующий момент этих напряжений создаёт демпфирующий эффект.

Чтобы снизить вибрацию двигателя при его работе, необходимо уравновесить моменты, создаваемые силами инерции. Это в большей мере касается V –образных двигателей. Для этого в двигателях предусматриваются противовесы, закрепленные на коленчатом валу болтами или выполненные при изготовлении вала, а также уравновешивающий вал (рис. 4.19). Моментам сил инерции противостоят также противовесы на уравновешивающем вале и в шестерне его привода. Уравновешивающий вал приводится во вращение от коленчатого вала и вращается в противоположном ему направлении. Уравновешивающий вал может использоваться также для привода масляного насоса. Противовесы изготовляются из сплава вольфрама, высокая плотность которого позволяет уменьшить их размеры.

Коленчатые валы изготавливаются ковкой из легированных хромоникель-вольфрамовых или хромоникель-молибденовых сталей с последующей механической и термической обработкой, а также литьем из специального высокопрочного чугуна. При получении литых валов существенно со­кращаются затраты на механическую об­работку при обеспечении рациональных геометрических форм элементов вала, но литые валы уступают по прочности штам­пованным. Одновременно широкое рас­пространение получили литые валы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Преимуществом литых коленчатых палов является меньшая стоимость произ­водства, меньший вес, снижение припусков на механи­ческую обработку, меньшая чувствительность к концен­трации напряжений, высокая износостойкость.

Вал вращается в коренных подшипниках скольжения, состоящих из двух тонкостенных стальных разрезных вкладышей 2,3 (см. рис. 4.16). Их назначение — уменьшить трение между шейками ко­ленчатого вала и соответствующими опорами и тем самым снизить скорость изнашивания трущихся поверхностей. Вкладыши представляют собой тонкостенную стальную ленту с нанесенным на нее слоем антифрикционного материала (материала с низким коэффициентом трения). Широкое использование высокооловянистых сталеалюминиевых вкладышей вызвано тем, что они обладают повы­шенным сопротивлением усталости, хо­рошими противозадирными свойствами и коррозионной стойкостью, что увели­чивает надежность двигателя.

Толщина вкладышей коренных подшипников составляет 1,9 … 2,8 мм — для бензиновых двигателей и 3…6 мм — для дизельных. На внешней поверхности вкладыша выштампованы выступы — усы, которые препятствуют провороту вкладыша в постели.

Вкладыши устанавливают в расточках картера и в специальных подвесках, соединенных с картером шпильками. Вкладыши изготов­лены с высокой точностью, поэтому при установке не требуются подгонка, подпиливание стыков или применение прокладок.

Маховик 13 (рис. 4.20) служит для вывода поршней из верхней и нижней мертвых точек, накопления энергии в течение рабочего хода, вращения ко­ленчатого вала во время вспомога­тельных тактов, уменьшения неравно­мерности вращения вала, облегчения пуска двигателя. Для возможности вращения коленчатого вала стартером при пуске на его ободе имеется зубча­тый венец. К маховику крепит­ся механизм сцепления.

Маховик динамически балансируется либо отдельно от вала, либо совместно с валом. Часто на маховик наносятся метки, со­ответствующие верхней мертвой точке поршня пер­вого цилиндра, кроме этих меток могут наносится и другие установочные метки. Например, в маховике двигателя ЯМЗ 536 по наружной поверхности предусмотрены 58 отверстий, предназначенных для управления работой двигателя, и метка ВМТ 1 цилиндра, а также резьбовые отверстия для съема маховика.

Маховик отливают из серого чугуна и крепят болтами к заднему торцу коленчатого вала. Болты предохраня­ются от самоотвинчивания специальными стопорными пластинами, каждая из которых устанавливается под два болта. Маховик точно фиксируется относительно шеек коленчатого вала штифтами.

Поверхность маховика, сопри­касающуюся с ведомым диском сцепле­ния, шлифуют и полируют.

При применении механической ступенчатой трансмиссии маховик является ведущей частью фрикционного сцепления. В этом слу­чае его торцевая поверхность, обращенная к коробке передач, подверга­ется шлифованию и служит поверхностью трения. К этой же торцевой поверхности винтами крепится кожух сцепления, внутри которого рас­положен ведомый диск.

При установке гидромеханической трансмиссии к маховику крепит­ся насосное колесо гидротрансформатора.

Каким бы жестким ни был коленчатый вал, он подвергается крутильным колебаниям. Кру­тильные колебания можно представить, как постоянное закручивание с последующим раскру­чиванием вала, что происходит при работе двигателя с определенной частотой. При совпадении частоты крутильных колебаний с частотой внешних сил может наступить резонанс, который приведет к резкому увеличению нагрузок, действующих на коленчатый вал, и, как следствие, к его поломке. Излом коленчатых валов (обычно в месте соединения щеки с коренной шей­кой) был частой причиной выхода из строя двигателей старых конструкций. Современные ко­ленчатые валы имеют высокую жесткость, и резонансные частоты находятся за пределами возможных частот вращения валов этих двигателей. Тем не менее, в конструкции двигателей часто применяют гасители крутильных колебаний, которые снижают до нужного уровня виб­роактивность коленчатого вала. Одним из способов гашения крутильных колебаний является разделение шкива или диска, установленного на коленчатом вале, на внутреннюю и наружную части – двухмассовый маховик (рис.). Обе части соединится уп­ругим материалом, который поглощает вибрации за счет внутреннего трения.

Другим способом является заполнение корпуса маховика силиконовой жидкостью. Гашение крутильных колебаний коленчатого вала осуществляется за счет сил сдвига, действующих в силиконовой жидкости.

Фирма ZF Services разработала серию оригинальных двухмассовых маховиков SACHS, предназначенных для установки на различные модели легковых автомобилей. Конструктивной особенностью таких маховиков является наличие планетарного механизма передачи вращения от ведущего диска ведомому (рис. 4.21).

Планетарный механизм и гаситель крутильных колебаний (система демпфирующих пружин 9, 11) располагаются внутри маховика, состоящего из двух массивных дисков (корпусов) 1 и 2. Пространство между маховиками заполнено густой консистентной смазкой.

В отличие от классического однодискового сцепления, где соотношение массы ведущего и ведомого дисков составляет 1: 0,1, у двухмассового маховика оно составляет 1: 1, то есть массы ведущего и ведомого дисков равны. Такая конструкция обеспечивает эффективное гашение колебаний и вибрации, что крайне важно при работе двигателя на низкой частоте вращения коленчатого вала при трогании с места. Трансмиссия с двухмассовым маховиком одинаково стабильно работает при обычном и прерывистом импульсном запуске двигателя, его остановке и на холостом ходу. Во многом это объясняется согласованностью действия обоих маховиков, которая обеспечивается последовательным соединением нескольких поддерживающих пакетов переменной жесткости, предотвращающих блокировку демпфирующих пружин. Кроме этого, применение планетарного механизма значительно улучшает динамический момент инерции масс трансмиссии.

Вследствие более строгих требований, предъявляемых к двигателям, таких как даунсайзинг и даунспидинг («длинные» передачи в трансмиссии и низкая частота вращения коленчатого вала двигателя), требования к двухмассовым маховикам также ужесточились, что привело к необходимости повысить эффективность гашения неравномерностей вращения коленвала.

Для устранения возникающих неравномерностей вращения в двухмассовом маховике нового типа (ZMS) (рис. 4.22) устанавливается центробежный маятник, создающий противоколебания, благодаря которым снижается неравномерность вращения.

У двухмассового маховика (ZMS) вращающаяся масса, в отличие от обычного, разделена на две: первичную и вторичную (рис. 4.23). Первичная вращающаяся масса жёстко связана с коленвалом. Вторичная вращающаяся масса жёстко связана с трансмиссией. Обе массы маховика соединяются между собой витыми дугообразными пружинами и образуют упругую систему гашения колебаний. Грузы центробежного маятника установлены в двухмассовом маховике со стороны вторичной массы после дугообразных пружин.

Возникающие в двигателе колебания (неравномерности вращения коленвала) передаются от первичной массы маховика к вторичной через дугообразные пружины и в результате этого сглаживаются.

На сглаженные колебания накладываются колебания маятника и таким образом гасятся. В результате даже при низкой частоте вращения коленчатого вала двигателя трансмиссии передаются значительно ослабленные колебания. Действие центробежного маятника связано с колебаниями. При низкой частоте вращения коленчатого вала оборотах двигателя грузы маятника могут раскачиваться сильнее, поскольку действующая на них центробежная сила меньше. По мере роста центробежной силы при увеличении числа оборотов амплитуда колебаний грузов уменьшается.

По своей конструкции двухмассовые маховики намного сложнее обычных сцеплений, поэтому их обслуживание и замена требуют и лучшей подготовки обслуживающего персонала, и наличия специального инструмента.

Шатун связывает поршень с кривошипом коленчатого ва­ла и передает усилия, газовые силы и силы инерции на шатунную шейку коленчатого вала. Он преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого ва­ла. При работе шатун совершает сложное движение в плоскости, перпендикулярной оси колен­чатого вала, и подвергается воздействию высоких газовых и инерционных сил. Шатун воспринимает большие нагрузки, меняющиеся по ве­личине и направлению. Он подвергается сжатию, изгибу и растяжению. Чтобы выдержать такие нагрузки, шатун дол­жен быть прочным, жестким для уменьшения сил инерции. Вместе с тем эта деталь должна иметь мини­мальную инерцию, поэтому масса шатуна должна быть минимальной. Шатун представляет собой стержень двутаврового се­чения, что позволяет при малой массе обеспечить необходимую проч­ность. На рис. 4.24, а показана конструкция ша­туна бензинового двигателя с прямым разрезом, а на рис. б дизельного двигателя с косым разрезом.

Основными элементами шатуна являют­ся: верхняя (или поршневая) голов­ка 7 с запрессованной втулкой 5, в кото­рой перемещается палец; стержень 4, сое­диняющий верхнюю головку с нижней (или кривошипной) головкой 9. С по­мощью нижней головки 9 и ее крыш­ки 10 шатун соединен с шатунной шейкой коленчатого вала.

Верхняя головка шатуна 7 представляет собой толстостенный цилиндр, плавно переходящий в стержень. Внутренняя поверхность верхней го­ловки выполнена с высокой точностью, поскольку в нее запрессовыва­ется подшипник, представляющий собой тонкостенную втулку 5 из оловянистой бронзы с толщиной стенок 0,8…2,5 мм. Для обеспечения необхо­димого ресурса двигателя между трущимися поверхностями пальца и подшипника верхней головки необходимо наличие слоя масла. Подача смазки к поршневому пальцу осуществляется через отверстия 6. Для этого в теле шатуна на всю длину стержня просверливают ка­нал. В этом случае предусматривается утолщение стенки, соединяющей пачки двутавра. Возможны и другие формы сече­ния стержня (в частности, круглая с от­верстием).

Нижнюю головку 9 шатуна делают разъемной; ее габариты должны позво­лять вынимать поршень с шатуном, как правило, через цилиндр, что определяется условиями сборки двигателя. Наибольшее распространение получили шатуны с разъемом, перпендику­лярным к оси стержня. Необходимость в разъе­ме нижней головки шатуна под углом возникает тогда, когда шатунные шейки коленчатого вала имеют большой диа­метр. В этом случае нижняя головка шатуна получается значительных разме­ров, что затрудняет или делает невоз­можным монтаж и демонтаж поршня вместе с шатуном через цилиндр. Например, в двигателях марки «ЯМЗ», имеющим больший, чем диаметр цилиндра, размер нижней головки шатуна, выполнен косой разъем нижней головки, так как при прямом разъеме монтаж шатуна через цилиндр при сборке двигателя становится невозможным.

Верхняя часть нижней головки откована заодно со стержнем и представляет собой полуцилиндр, плавно переходящий в стержень.

Отвер­стие в нижней головке обрабатывается совместно с крышкой, поэтому при сборке каждому шатуну должна соответствовать своя индивидуальная крышка. Для обеспечения такой возможности на бобышках под болт шату­на выбивается порядковый номер цилиндра. Для предотвращения раскры­тия стыка верхней части нижней головки и крышки болты крепления кры­шек должны затягиваться с определенным моментом, устанавливаемым заводом-изготовителем. Для предотвращения отво­рачивания гаек в процессе эксплуатации гайки либо выполняются самокон­трящимися, либо устанавливаются на специальной герметике. Нижнюю головку шатуна и крышку растачивают вместе для получения от­верстия правильной цилиндрической формы. Поэтому крышку нельзя пере­вертывать или переставлять на другие шатуны.

Крышку 10 нижней головки шатуна крепят к нему двумя болтами 2, изготовленными из высококачественной стали. Гайки 1 болтов шатуна затягивают только динамометрическим ключом и тщательно шплинтуют или стопорят специальными стопорными шайбами 11. Для предотвращения от проворачивания вкладыши имеют усики, входящие в со­ответствующие выемки в шатунах и расточках картера.

На шатунах и крышках с одной сто­роны ставят необходимые метки 12. В нижние головки шатунов устанавли­вают подшипники скольжения, состоя­щие из двух вкладышей 13 (верхнего и нижнего). Взаимозаменяемые тонко­стенные вкладыши изготовляют из материала аналогичного вкладышам коренных подшипников. Вкла­дыши устанавливают с натягом. Верхний и нижний вкладыши коренного подшипника коленчатого вала не взаимозаменяемы, так как верхнем обычно имеется отверстие и канавка для подвода масла. От осевого смещения и провертыва­ния шатунные вкладыши удержи­ваются в своих гнездах усиками 15, вхо­дящими в пазы 16, которые должны быть расположены на одной стороне шатуна. Обычно нижнюю головку ша­туна делают симметричной относитель­но оси стержня.

В нижней головке шатуна имеется специ­альное отверстие 3 для смазывания стенок цилиндра. В высоконагруженных двигателях для обеспечения подвода масла под давлением к подшипнику верхней головки шатуна в теле стержня выполняется канал.

Для возможности ремонта коленчатого вала могут быть предус­мотрены ремонтные размеров вкладышей. Клей­мо ремонтного размера наносится на тыльную сторону вкладыша недалеко от стыка.

К шатуну палец подбирается с определенным зазором (автомобиль ГАЗ –2705 от 0,0045 до 0,0095 мм). Для удобства подбора пальцы, шатуны и поршни могут разделяться на размерные группы (табл. 4.2).

Для, более раци­онального распределения нагрузки в современных дизельных двигателях, в связи с повышенным давлением сгорания между бобышками поршня и шатуном верхняя головка часто имеет коническую (трапецеидальную форму сечения в плоскости оси отверстия под палец (рис. 4.25).

В отличие от традиционной формы связи между поршнем и шатуном благодаря трапециевидной форме плоскостей сопряжения поршня и шатуна площадь нагруженных поверхностей отверстий в поршне и в шатуне под поршневой палец увеличивается. Вследствие такой формы поверхностей сила давления сгорания распределяется на большей площади, в результате чего удельные давления на поршневой палец и шатун уменьшаются.

Наиболее распространенными в двигателях являются стальные шатуны. Они или штампуются (для уменьшения стоимости), или изготавливаются ковкой (более дорогие, но прочные), но в обоих случаях обязательно подвергаются упрочнению, в том числе и закалке. В некоторых последних моделях используются шатуны из алюминиевых сплавов и проводятся эксперименты по применению шатунов из композитных материалов, когда алюминий упрочняется керамическими волокнами. В высокофорсированных двигателях спортивных автомобилей, как правило, используются шатуны из сплава титана.

В зависимости от места производства, шатуны современных двигателей обрабатываются по технологиям резки или крекинга.

При обработке резкой (рис. 4.26, а) шатун сначала подвергается первичной обработке, затем крышка шатуна отрезается от головки шатуна. Для окончательной обработки обе детали соединяются болтами.

Если используется технология крекинга, (рис. 4.26, б) шатун обрабатывается как целая деталь. На головке шатуна лазерным лучом прорезается линия разлома 3 для процесса крекинга. После этого крышка шатуна отламывается от головки с достаточным усилием, прикладываемым специальным инструментом 2.

Преимуществом метода крекинга является то, что при сборке шатуна обе ее ча­сти стыкуются практически идеально, обеспечивая полное совпадение раз­лома во всех направлениях, это кроме всего прочего не позволяет их перепутать при установке, в случае ремонта.

В настоящее время последний способ применяют и при изготовлении крышек ко­ренных подшипников коленчатого вала.

Изготавливают шатуны ковкой из высокопрочной стали с последующей термической и механической обработкой термообработкой.

Шатуны по массе могут разбиваться разбиты на группы. На двигатель допускается установка шатунов только одной группы по массе. Номер группы: А, В или С, выбит на крышке шатуна (ЯМЗ 536). Комплекты шатунов с поршнями необходимо устанавливать на двигатель, развернув шатуны короткими бобышками в сторону распределительного вала и предварительно проверив спаренность крышки с шатуном по условным номерам в районе стыка со стороны длинной бобышки. При этом выемка под форсунку на поршне должна быть напротив трубки форсунки масляного охлаждения поршня. Стрелка на поршне указывает направление установки поршня, и должна быть направлена в сторону вентилятора.

От коленчатого вала осуществляется привод газораспределительного механизма и вспомогательных агрегатов двигателей. Привод может быть шестереночным, ременным, цепным, смешанным и с помощью электродвигателей.

Смешанный привод агрегатов применяется у двигателей ЯМЗ 45340, ЯМЗ 536. Шестеренчатый привод имеют агрегаты этих двигателей, расположенные в задней части двигателя (рис. 4.27). От шестерни на носке коленчатого вала приводится шестерня распределительного вала. Сборка этой пары производится по меткам на зубьях (см. вид А).

От шестерни 3 распределительного вала и шестерни 4 приводится топливный насос высокого давления (ТНВД) и через промежуточную шестерню 6 воздушный компрессор пневмотормозов. Сборка этих приводов производится произвольно и шестерни меток не имеют. От шестерни 2 на носке коленчатого вала через промежуточную шестерню 8 приводится масляный насос. Шестеренчатый привод закрывается картером маховика, устанавливаемым на корпус шестерен.

Ременной привод с помощью поликлиновых ремней имеют агрегаты двигателей, расположенные в задней части двигателя (рис.4.28).

1. – шкив коленчатого вала с демпфером; 2,6,9 – ролик натяжной; 3 – шкив жидкостного насоса; 4 – ремень; 5 – шкив привода вентилятора; 7 – ремень; 8 – шкив генератора; 10 – шкив компрессора кондиционера

В таком приводе от шкива 1 на носке коленчатого вала приводится шкив 5 вентилятора и шкив 3 жидкостного насоса. Шкив коленчатого вала выполнен за одно целое с демпфером крутильных колебаний. От шкива вентилятора 5 вторым ремнем приводится шкив 8 генератора и шкив 10 привода компрессора кондиционера.

Подвеска двигателя. При работе двигатель находится под воздействием неуравновешенных сил инерции, моментов этих сил и реактивных момен­тов при торможении или разгоне автомобиля.

Для защиты рамы или несушего кузова от вибрации применяют уп­ругую подвеску силового агрегата (двигатель-коробка передач-сцепление-ведущий мост). Вибрационные свойства под­вески двигателя определяются конструкцией упругих элементов и разме­щением опор. Упругие элементы подвески двигателей выполняются в виде массивных резиновых втулок (рис. 4.29) или башмаков привулканизированных к каркасу. Для ограничения недопустимых продольных перемещений двигателя каркасные детали упругих элементов ориентируют таким обра­зом, чтобы в направлении действия продольных сил резиновый вкладыш имел наибольшую жесткость, или применяют специальные тяги, которые связывают с подмоторной рамой двигатель и не допускают его переме­щения.

Гашение колебаний производится также с помощью, с помощью жидкостных упругих элементов – амортизаторов.

Существуют различные методы гашения колебаний силовых агрегатов амортизаторами, как без управления колебаний силового агрегата с помощью электромагнитных клапанов, так и с применением последних.

Опора без управления колебаний силового агрегата без помощи электромагнитных клапанов показана на рис. 4.30. Если опора воспринимает колебания большой амплитуды (возникающие, например, от дорожных неровностей), их энергия гасится за счёт демпфирования в гидроопоре. Это происходит в результате выдавливания гидравлической жидкости под действием колебаний большой амплитуды из рабочей камеры в расширительную через дросселирующий канал. Таким образом толчки гасятся до комфортного уровня.

Действующие на опору колебания малой амплитуды, возникающие, например, от вибраций двигателя, гасятся плавающей мембраной разделителя.

В качестве примера гашения колебаний силовых агрегатов с электромагнитными клапанами рассмотрим управление упругим элементом с помощью электромагнитного клапана без применения и с применением вакуумного привода.

Управление упругим элементом с помощью электромагнитного клапана без применения вакуумного привода показано на рис. 4.31.

В режиме холостого хода, при частоте вращения до 1100 об/мин динамическая жесткость подвески силового агрегата снижается, что уменьшает вибрации, передаваемые на кузов при работе двигателя на режиме холостого хода и при трогании автомобиля. Электромагнитный клапан 5 при этом режиме открыт. Небольших высокочастотных колебательных движений двигателя недостаточно для того, чтобы подать масло через масляный канал 4, поэтому давление масла действует на резиновую мембрану 2. Она деформируется и выталкивает воздух через открытый воздушный канал. Упругий элемент подвески силового агрегата при этом имеет пониженную жесткость.

В режиме движения, когда частота вращения коленчатого вала превышает 1100 об/мин, небольшие и большие низкочастотные колебательные движения двигателя накладываются друг на друга. Блок управления двигателя закрывает электромагнитный клапан 5. Выход воздуха из-под резиновой мембраны 2 невозможен, что приводит к образованию воздушной подушки. Последняя оказывает сильное сопротивление давлению масла в упругом элементе и масло выталкивается в нижнюю полость через масляный канал. Резиновый гофрированный чехол 7, установленный на упругом элементе деформируется, за счёт этого происходит гашение сильных колебаний двигателя. Малые колебания двигателя воспринимает резиновая мембрана.

Управление упругими элементом с применением вакуумного привода (рис. 4.32) осуществляется с помощью тарелки 2 электромагнитного клапана с вакуумным приводом. Полость под установочной мембраной упругого элемента может соединяться посредством электромагнитного клапана с атмосферой или с источником разрежения. Электромагнитный клапан устанавливается как отдельно, так и внутри упругого элемента.

При работе двигателя на холостом ходу и скорости движения до 5 км/ч на обмотку клапана подается питание, его тарелка при этом поднимается и полость под установочной мембраной упругого элемента соединяется с впускным трубопроводом.

Под действием разрежения мембрана демпфера опускается и открывает соединительный канал между верхней и нижней камерами. При открытом соединительном канале за счет перетекания жидкости уменьшается динамическая жесткость подвески силового агрегата и снижаются вибрации, передаваемые на кузов при работе двигателя на режиме холостого хода и трогания автомобиля.

При скорости автомобиля выше 5 км/ч блок управления двигателем выключает питание электромагнитного клапана. Тарелка электромагнитного клапана закрывает канал, соединенный с впускным трубопроводом. В результате этого воздух под атмосферным давлением поступает через электромагнитный клапан в полость под мембраной демпфера.

Под действием атмосферного давления мембрана демпфера перекрывает соединительный канал между камерами 5 и 7. В этом положении гликолевая жидкость может перетекать между камерами только по спиральному каналу в сопловом аппарате, что позволяет гасить колебания силового агрегата, возникающие при движении автомобиля по неровной дороге.

Системы шумопонижения. Производители в последнее время большое внимание уделяют снижению уровня шума внутри салона автомобиля, особенно для мощных восьмицилиндровых двигателей. Одним из наиболее эффективных способов снижения внутреннего шума автомобиля является использование системы активного шумопонижения ANC (Active noise cancelation).

Как правило, моторный отсек очень хорошо звукоизолирован и является источником незначительной доли шумов в салоне автомобиля. Основная же часть шумов исходит от системы выпуска отработавших газов, хотя и в этой области управляемые заслонки в задних глушителях позволили уже заметно снизить низкочастотный фон. Ещё одним источником шумов является спортивный дифференциал.

Шумы дорожного покрытия, аэродинамические шумы и шумы от других внешних источников система компенсировать не может.

Система активного шумопонижения подавляет нежелательные звуковые колебания по принципу сложения в противофазе. Для этого НЧ-динамики акустической системы получают такой электрический сигнал, что излучаемые ими звуковые волны имеют ту же частоту и амплитуду, что и шум, но сдвинуты по фазе ровно на 180° (рис. 4.33). Накладываясь друг на друга, два таких звуковых колебания взаимно погашаются.

Система активного шумопонижения ANC представляет собой расширение функциональности штатной акустической системы автомобиля (рис. 4.34). Блок управления ANC установлен в акустическом усилителе, а исполнительными механизмами являются установленные в автомобиле низкочастотные динамики. В обивке потолка в точно рассчитанных точках устанавливаются микрофоны.

Для расчёта выходных сигналов блоку управления ANC требуется сигнал частоты вращения коленчатого вала двигателя и информация о том, действует ли отключение цилиндров. Сигнал частоты вращения поступает от БУ двигателя. Информацию о работе в четырёх- или восьмицилиндровом режиме БУ ANC получает по шине CAN. По шине CAN же блок управления получает и информацию о состоянии дверей и люка крыши (открыты/закрыты).

Получив необходимую информацию, БУ ANC определяет, по заложенной в него характеристике фазу, частоту и амплитуду сигнала отдельно для каждого из четырёх НЧ-динамиков, а также для сабвуфера. Затем пять рассчитанных низкочастотных сигналов налагаются в усилителе на низкочастотные сигналы самой звуковой системы (например, музыку) и воспроизводятся через динамики. Получившийся в результате звук воспринимается четырьмя микрофонами и передаётся для контроля в БУ ANC по отдельным проводам.

В целях снижения шума при выпуске отработавших газов в современных легковых автомобилях могут применяться заслонки ОГ с электрическим приводом. Это особенно актуально для многоцилиндровых двигателей с системой отключения цилиндров.

Например, для 8-цилиндрового двигателя Audi в 4-цилиндровом режиме заслонки ОГ закрыты и выпускная система целенаправленно гасит низкие частоты, возникающие при работе только 4 цилиндров. Без этой меры в салон автомобиля проникал бы неприятный гул, который вышеописанная система ANC сама по себе не могла бы подавить. В 8-цилиндровом режиме заслонки ОГ максимально открыты. Это уменьшает противодавление ОГ и шумы потока газов.

Открывание и закрывание заслонок ОГ происходит в соответствии с заложенной в памяти блока управления характеристикой. При определении момента открывания / закрывания блок управления двигателя учитывает следующие факторы:

• нагрузка двигателя;

• частота вращения коленчатого вала двигателя;

• включённая в данный момент передача;

• скорость автомобиля.

В корпусе электрического исполнительного привода (рис. 4.35), помимо электродвигателя 6, находится также электрическая плата с 7. На выходе электродвигателя стоит червячный редуктор 5. От червячного редуктора вращение на заслонку 1 ОГ передаётся через специальную витую пружину 3, работающую на кручение и на сжатие. Эта пружина позволяет термически разделить исполнительный привод и сильно нагретые части системы выпуска. Кроме того, эта пружина играет роль предохранительного элемента, не допуская повреждения червячной пары, если заслонка по каким-то причинам всё же будет заедать (например, из-за попадания постороннего объекта). Заедание заслонки распознаётся также электроникой привода, которая отключает в этом случае электродвигатель.

Заслонками ОГ управляет блок управления двигателя, который с помощью ШИМ-сигнала передаёт команды «привод ОТКРЫТИЯ» или «привод ЗАКРЫТИЯ».

В процессе забора воздуха в системе впуска возникают колебания, которые в зависимости от частоты приводят к различным шумам. Для ограничения их до минимально возможного уровня в воздухозаборнике может применяться объёмный резонатор, с помощью которого шумы уменьшаются.

У воздухозаборника без объёмного резонатора при заборе атмосферного воздуха возникают колебания, приводящие к возникновению шумов (рис. 5.36, а).

У воздухозаборника с объёмным резонатором тоже возникают такие колебания при заборе воздуха (рис. 4.36, б). Однако засасываемый воздух заставляет колебаться и воздух в объёмном резонаторе. Эти колебания близки по частоте к колебаниям воздухозаборника, которые вызывают шумы. В результате наложения обеих частот мешающие шумы снижаются.

Система имитации в салоне звука двигателя. Шумоизоляция салона современного салона автомобиля настолько совершенна, что вообще не слышно, как работает двигатель. Не для всех водителей автомобилей это подходит. Поэтому производители автомобилей BMW разработали специальную систему, подающую звук работающего двигателя на динамики. Иными словами, водитель и пассажиры седана смогут услышать шум работы двигателя, вот только доноситься он будет не из капота, а из акустической системы. В этой системе для имитации работающего двигателя звук распределяется по всем динамикам, находящимся в салоне — на некоторых из них звук будет тише, на других громче. Система управляется с помощью бортового компьютера и учитывает различные факторы, которые позволяют с максимальной точностью имитировать звук. ЭБУ постоянно следит за текущим состоянием двигателя и улавливает рост или снижение частоты вращения коленчатого вала и увеличение или уменьшение крутящего момента. От этого и зависит звук, который слышат водитель и пассажиры. Устройство, получившее название Active Sound Design (ASD), для генерации звука – например, урчания восьмицилиндрового бензинового мотора — использует штатную аудиосистему автомобиля, а данные о частоте вращения коленчатого вала двигателя и отражениях звука внутри салона (для более точной имитации) установка берет с микрофона, расположенного в салоне.

В автомобилях Audi система имитации звука двигателя состоит из генератора сигнала, усилителя сигнала и так называемого возбудителя (рис. 4.37).

В блоке управления системы подавления вибраций сохранены различные звуковые файлы, нужный из которых, в зависимости от модели автомобиля и текущего режима (нагрузка, число оборотов, скорость), воспроизводится «через» возбудитель. В результате возбудитель возбуждает акустические колебания в твёрдом материале, которые через кузов и ветровое стекло передаются находящемуся в салоне воздуху в виде обычного звука (частота колебаний до прим. 5000 Гц).

Возбудитель в специальном кронштейне установлен посередине ветрового стекла в его нижней точке. Возбудитель (рис. 4.38), называемый также электроакустическим преобразователем (по англ. bodyshaker) вместе со стеклом представляет собой, по сути, громкоговоритель, в котором роль мембраны играет ветровое стекло, передающее звуковые колебания в салон автомобиля.

Возбудитель состоит из трёх основных частей: колеблющейся массы, электрического разъёма для подключения к блоку управления системы подавления вибраций и резьбового пальца для крепления поверхности установки.

Генератор сигнала создаёт спектр различных колебаний, зависящий от режима работы двигателя. Сигнал этого спектра колебаний усиливается усилителем и подаётся на возбудитель который возбуждает соответствующие колебания в материале кузова.

С помощью описанных систем можно, например, на автомобиле с дизельным двигателем создать звуковую атмосферу бензинового двигателя.

Система имитации звука двигателя находит применение на электромобилях для оповещения людей о том, что к ним приближается автомобиль на электрической тяге. Работает система следующим образом: на лобовом стекле автомобиля с электрическим двигателем крепится камера, которая следит за окружающей обстановкой. Как только в поле зрения устройства попадет потенциальная жертва наезда, аудиосистема, состоящая из шести динамиков, направляет в нужную сторону звуковой сигнал, оповещающий о приближении машины.