Pages Menu
TwitterRssFacebook
Categories Menu

Опубликовано Янв 10, 2014 в ДВИГАТЕЛЬ | Нет комментариев

Духи металла

В старом польском анекдоте дама за рулем жаловалась, что никак не может найти под капотом тех гномиков, которые крутят колеса. Заглянем в мотор, может там и вправду живут.

Устройство и работа двигателяА там — сплошные детали: кулачки, толкатели, пружины, клапаны, седла, свечи. Попадаем в камеру сгорания… Жарко — 2600 градусов! Давление переваливает за сотню атмосфер. Ныряем дальше. Поршни, кольца, пальцы, шатуны и, наконец, коленвал — основа главного механизма двигателя — кривошипно-шатунного.

Он преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршней от камеры сгорания (верхней мертвой точки) до нижней границы рабочего обьема цилиндра и хода поршня (нижней мертвой точки) во вращательное движение, удобное для дальнейшей передачи.. Состоит этот механизм из двух главных элементов: кривошипа и шатуна. Кривошипом является шатунная шейка коленвала по отношению к его оси, а шатун соединяет эту шейку с поршнем (через поршневой палец) как первичным источником механической силы в двигателе. Врожденной болезнью такого механизма является боковое давление поршня на стенку цилиндра. А трение поршней и колец в цилиндрах составляет половину всех потерь на трении в двигателе. Эти потери почти полностью устраняют бесшатунные схемы Баландина. Дальнейшее развитие этой схемы предложил киевский изобретатель Василий Балбышев. Его вариант позволяет работать при любых углах развала цилиндров.

Овальный поршень Honda

Овальный поршень Honda

Размеры и конфигурация коленвала зависит от числа и расположения цилиндров: для равномерного чередования рабочих ходов и балансировки (уравновешивания) сил инерции возвратно-поступательно движущихся и вращающихся масс двух- и четырехцилиндровые двигатели требуют угла между коленами вала 180°, трех- шести- и двенадцати 120°, пяти- и десяти — 72°. Большое число колен ослабляет жесткость коленвала, в частности, на кручении (торсионную жесткость). Тогда приходится увеличивать сечения вала (диаметры шеек), но это увеличивает момент трения в подшипниках. В двух(трех)рядных двигателях коленвалы короче и жестче, что уменьшает торсионные колебания до приемлемых значений. Там на каждую шатунную шейку коленвала монтируется два (три) шатуна противолежащих цилиндров. Для жесткости большое значение имеет перекрытие шеек, которое зависит от радиуса кривошипа, равного половине хода поршня и диаметра шеек. Чем короче ход поршня и толще шейки, тем жестче вал, тем большие нагрузки (крутящий момент и обороты, в результате — мощность) он сможет передать.

Схемы кривошипных механизмов

Схемы кривошипных механизмов

Для более мягкой работы механизма применяется дезаксиальность, то есть смещение оси коленвала относительно оси цилиндра. Величина ее — около 1,5 мм. Этим достигается уменьшение боковой силы и менее резкая перекладка поршня от одной стенки цилиндра к другой в верхней мертвой точке. Иногда дезаксиальными делаются оси поршневых пальцев.

Естественно, чем больше размеры и масса движущихся частей, тем больше силы инерции и нагрузки от них, тем меньшими могут быть их скорости (обороты) и ускорения. И наоборот. Поэтому там, где позволяют расходы, стараются разделить общий литраж двигателя на возможно большее число цилиндров. При этом все детали соответственно уменьшаются и облегчаются. Эти детали передают все силы, возникающие при сгорании рабочей смеси (топлива с воздухом плюс остатки предыдущего сгорания) и движении самого механизма (динамические силы). В них возникают высокие напряжения, которые выдерживают только высокопрочные стали, легированные никелем, хромом, молибденом и специальные сплавы (для шатунов также — титановые, дюраль, волоконные композиты в экспериментальных двигателях). Распространяется технология отделения крышки от шатуна методом удара.

Коленвалы изготовляются последовательной многооперационной ковкой, нитридируются (азотируются) и термообрабатываются до твердости шеек НВ 250-300, затем шлифуются.

Альтернатива стали — пустотелое литье из высокопрочного чугуна со сфероидалным графитом, дающим хорошую износостойкость. При этом методе снижается масса вала, а его жесткость может быть выше. Для повышения усталостной прочности шейки и галтели валов обрабатываются дробью.

Кстати, если вы желаете приобрести недорогой внедорожник, советуем вам обратить внимание на Geely Emgrand X7. Цены emgrand x7 и комплектации этого автомобиля вы можете узнать на сайте emgrandx7.ru.

Идея монолитного поршня-шатуна

Идея монолитного поршня-шатуна

Важными мелочами являются сочленения движущихся деталей — подшипников скольжения (вкладыши) или качения (шариковые и роликовые). При работе в них «концентрируются» все нагрузки механизма: силы трения при высоких контактных давлениях приводят к выделению большого количества тепла, которое способна отвести только эффективная система смазки. Вкладыши изготовляют трехслойными (реже — двух); на стальную ленту наносятся слои антифрикционных веществ. В основном это оловянистая бронза, толщиной несколько десятых миллиметра и напыленный верхний слой редких металлов, обладающих антизадирными свойствами, например — индия, толщиной 0,02 мм или алюминия с содержанием серебра. Они выдерживают давления 25-35 МРа. Для спортивных моторов применяются также чисто серебряные вкладыши толщиной слоя 0,3 мм на стальной основе с напылением индия. Такие вкладыши выдерживают давление до 50 МРа. Перед монтажом поверхности могут обрабатываться антифрикционными средствами — дисульфидом молибдена или вольфрама.

Вкладыши

Вкладыши

В поршнях преобладают легкие конструкции с минимальной высотой, чему способствует и минимальное число колец: два компрессионных и одно маслосъемное. Сами кольца делаются тоже минимальной высоты для снижения тангенциальной жесткости и, как следствие, давления на стенку и потерь на трение. Для этого же редуцируются фрикционные поверхности поршней до минимально необходимых сегментов в зонах, нормальных к оси пальца. В результате получается конструкция существенно легче традиционных.

Обычно цилиндры и поршни круглые, однако были и похитрее. Известная фирма Honda в гоночном двигателе NR 500 применила овальные цилиндры и поршни из-за легислативных соображений. Дело в том, что этот двигатель готовился для чемпионского мотоцикла как…8-цилиндровый! Но тем временем изменились технические требования, ограничившие число цилиндров до четырех. Чтобы сохранить очень дорогую конструкцию, было принято беспрецедентное решение: слить по два соседних цилиндра и поршня в один! О сложности технологии и стоимости говорить не будем.

Блоки цилиндров выполняются как из легких сплавов так и из чугуна. Гильзы делают как мокрыми так и сухими. Мокрые гильзы лучше охлаждаются, однако увеличивают габариты блока и всего двигателя. Рабочая поверхность гильз (зеркало) хонингуется. Такая обработка оставляет на зеркале спиральный микрорельеф, хорошо держащий смазку. Применяется также виброобработка. Некоторые фирмы применяют различные покрытия: хромирование с пористой обработкой, Nikasil — напыление никелево-кремниевой смесью высокой твердости, Ferrocoat — покрытие поршней пленкой железа, работающей по алюминиевой поверхности расточек блока!

В некоторых двигателях применяются балансирные валы, компенсирующие неуравновешенные силы и моменты. А где же Духи? В следующей статье.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *