Кривошипно-шатунный механизм
Форсунки охлаждения (см. Рисунок 27 — Установка гильзы и форсунки охлаждения поршня) устанавливаются в картерной части блока цилиндров и обеспечивают подачу масла из главной масляной магистрали на внутреннюю полость поршней при достижении в ней давления 80-120 кПа (0,8-1,2 кгс/см2). На такое давление отрегулирован клапан, расположенный в каждой из форсунок.
При сборке двигателя необходимо контролировать правильность положения трубки форсунки относительно гильзы цилиндра и поршня. Контакт с поршнем недопустим.
Маховик с креплением под коленчатый вал 740.30-1005020 ( см. Рисунок 33 — Установка полуколец, вкладышей подшипников, манжеты и маховика коленчатого вала 740.30-1005020 ) закреплен десятью болтами 16, изготовленными из легированной стали, на торце хвостовика коленчатого вала и зафиксирован штифтом 4 на центрирующей шейке 20 коленчатого вала 6. С целью исключения повреждения поверхности маховика под головки болтов устанавливаются шайбы 17. На обработанную цилиндрическую поверхность маховика напрессован зубчатый венец 14, с которым входит в зацепление шестерня стартера при пуске двигателя. Под манжету уплотнения коленчатого вала устанавливается кольцо 21 с наружной хромированной поверхностью. Во внутреннюю расточку маховика установлена дистанционная втулка 18 и подшипник 19 первичного вала с двухсторонним уплотнением.
Маховик с креплением под коленчатый вал 740.13-1005020 ( см. Рисунок 32 — Установка манжеты уплотнения и маховика коленчатого вала 740.13-1005020 ) закреплен восемью болтами 12, изготовленными из легированной стали с двенадцатигранной головкой, на торце хвостовика коленчатого вала 5 и точно зафиксирован двумя штифтами 3 и установочной втулкой 15 маховика. Величина моментов затяжки болтов крепления маховиков указана в таблице 10 ( см. раздел «Ремонт двигателя »).
Конфигурация сопрягаемой со сцеплением поверхности маховика определяется моделью сцепления.
Установка маховиков двигателей других моделей при проведении ремонтных работ не допускается.
При выполнении регулировочных работ по установке угла опережения впрыскивания топлива и величин тепловых зазоров в клапанах маховик фиксируется при помощи фиксатора ( см. Рисунок 30 — Положения ручки фиксатора маховика ).
Гаситель крутильных колебаний закреплен восемью болтами 11 ( см. Рисунок 36 — Установка гасителя крутильных колебаний, фланца отбора мощности и шкива ) на переднем носке коленчатого вала 6.
Привод отбора мощности — передний, осуществляется с носка коленчатого вала через фланец 15 отбора мощности, прикрепленный к носку коленчатого вала 6 восемью болтами 11. Центрирование фланца относительно коленчатого вала осуществляется по отверстию во фланце гасителя. Крутящий момент от фланца отбора мощности передается на шкив 1 электромагнитной муфты и далее через ременную передачу на привод генератора и водяного насоса. Шкив закреплен на фланце отбора мощности шестью специальными болтами 14 размерностью М12×1,25×30. На торце шкива выполнено шесть отверстий диаметром 14 мм. Отверстия предназначены для проворота коленчатого вала при регулировании зазоров клапанов.
1.2 Как фиксируются пальцы от осевых смещений?
По способу фиксации их подразделяют на плавающие и закрепленные. Последние неподвижно фиксируют в головке шатуна или в бобышках поршня, поэтому угловое перемещение они сохраняют только в бобышках (рис. 2, б) или в головке шатуна (рис. 2, в).
В современных конструкциях неподвижность пальца относительно головки шатуна достигают путем запрессовки пальца в головку с заданным натягом (например, в двигателях ВАЗ натяг составляет 0,01…0,042 мм при диаметре пальца 22 мм).
При неподвижной фиксации поршневых пальцев в шатуне или бобышках поршня отдельные участки их нагружаются неравномерно, а, следовательно, и неравномерно изнашиваются. Чтобы устранить этот недостаток, применяют так называемые плавающие пальцы, которые фиксируют только от осевого смещения, как показано на рис. 2, а, г.
В процессе работы они могут свободно поворачиваться, как в головке шатуна, так и в бобышках поршня, что способствует более равномерному их износу. В холодном состоянии палец должен плотно без качки входить в отверстие втулки верхней головки шатуна, а по отверстиям в бобышках поршня из алюминиевых сплавов его подбирают с тугой посадкой. Необходимость этого обусловливается разницей в коэффициентах линейного расширения у алюминиевых поршней и стальных пальцев.
Опыт показывает, что в прогретом двигателе зазоры между поршневым пальцем и отверстиями в бобышках и головке шатуна выравниваются. Для облегчения сборки алюминиевые поршни рекомендуется подогревать до 60…80 °С путем погружения в горячую жидкость.
Осевую фиксацию плавающих пальцев осуществляют с помощью стопорных пружинных колец круглого или прямоугольного сечения (рис. 2, а) и реже для этой цели используют грибки из мягкого металла (рис. 2, г).
Стопорные кольца устанавливают в канавках, проточенных для них в отверстиях бобышек, несущих поршневой палец. Из канавок их вынимают с помощью отогнутых внутрь концов или имеющихся у них отверстий (рис. 2, а). Грибки, или заглушки, из мягкого металла (обычно из алюминия) запрессовывают с двух сторон в отверстия поршневого пальца.
При осевом перемещении грибки поршневого пальца соприкасаются с зеркалом цилиндра, но не разрушают стенок. Поршневые пальцы двухтактных двигателей с торцов закрываются иногда заглушками, предотвращающими возможное перетекание газов между впускными и выпускными окнами. От осевого перемещения пальцы в этих двигателях фиксируют стопорными кольцами (рис. 2, д).
Таким образом, поршневые пальцы изготовлены из хромоникелевой стали в виде пустотелых цилиндрических стержней и упрочнены цементацией и закалкой. Осевое перемещение пальца в поршне ограничено стопорными кольцами.
Кривошипно-шатунный механизм
КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ (рис. 2-10) изготавливается из высококачественной стали с упрочнением методом карбонитрирования или азотирования. Валы имеют пять коренных и четыре шатунных шейки, связанные щеками и сопряженные с ними переходными галтелями. Для равномерного чередования рабочих ходов шатунные шейки коленчатого вала расположены под углом 90°.
Рис. 2-10. Коленчатый вал: 1 — противовес; 2 — шестерня привода масляного насоса; 3 — шпонка; 4 — отверстия подвода масла к шатунным подшипникам; 5 — отверстия подвода масла к коренным подшипникам.
На каждой шатунной шейке установлены по два шатуна 5 (рис. 2-12) — один для правого и один для левого рядов цилиндров.
Подвод масла к шатунным шейкам производится через отверстия 5 (рис. 2-10) в коренных и отверстия 4 в шатунных шейках.
Для уравновешивания сил инерции и уменьшения вибраций коленчатый вал имеет шесть основных противовесов, отштампованных заодно со щеками коленчатого вала. Кроме основных противовесов он имеет дополнительный съемный противовес 1, напрессованный на вал, его угловое расположение относительно коленчатого вала определяется шпонкой 3.
На хвостовике коленчатого вала выполнена шейка, по которой центрируется шестерня 3 (с модулем зуба 4,5 мм) привода газораспределительного механизма и маховик 1, на носок коленчатого вала напрессована шестерня 2 (рис. 2-10) привода масляного насоса.
На торце хвостовика коленчатого вала выполнено десять резьбовых отверстий М16×1,5-6Н для крепления маховика и шестерни коленчатого вала, на торце носка коленчатого вала выполнено восемь резьбовых отверстий М12х1,25-6Н для крепления гасителя крутильных колебаний и полумуфты отбора мощности.
От осевых перемещений коленчатый вал зафиксирован верхними 1 (рис. 2-12) и нижними 2 полукольцами, установленными в проточках задней коренной опоры блока цилиндров, так, что сторона с канавками прилегает к упорным торцам вала.
Уплотнение коленчатого вала осуществляется манжетой безпружинной конструкции с уплотнительным элементом из PTFE (модифицированный фторопласт). Манжета размещена в картере маховика.
Диаметры шеек коленчатого вала:
— коренных — (95+0,015) мм;
— шатунных — (80+0,015) мм.
Маркировка коленчатого вала, выполненная в поковке на третьем противовесе, должна быть 740.50-1005020.
Рис. 2-11. Установка крышек подшипников коленчатого вала: 1 — крышка подшипника; 2 — коленчатый вал; 3 — болт крепления крышки; 4 — болт стяжной крепления крышки подшипника левый; 5 — болт стяжной подшипника правый; 6 — шайба; 7 — блок цилиндров.
Рис. 2-12. Установка упорных полуколец и вкладышей коленчатого вала: 1 — полукольцо упорного подшипника верхнее; 2 — полукольцо упорного подшипника нижнее; 3 — вкладыш подшипника коленчатого вала верхний; 4 — вкладыш подшипника коленчатого вала нижний; 5 — блок цилиндров; 6 — крышка подшипника коленчатого вала задняя; 7 — коленчатый вал; 8 — шестерня привода газораспределительного механизма; 9 — центрирующая шейка коленчатого вала.
КРЫШКИ КОРЕННЫХ ПОДШИПНИКОВ 1 (рис. 2-11) изготовлены из высокопрочного чугуна.
Крепление крышек осуществляется с помощью вертикальных коренных 3 и горизонтальных стяжных 4 и 5 болтов, которые затягиваются по определенной схеме с регламентированным моментом (см. приложение А).
Кроме того, крышка пятой коренной опоры центрируется в продольном направлении двумя вертикальными штифтами, обеспечивающими точность совпадения расточек под упорные полукольца коленчатого вала на блоке и на крышках.
Для удобства снятия крышек коренных подшипников при ремонте, они имеют отверстия для съемника.
ВКЛАДЫШИ КОРЕННЫХ И ШАТУННЫХ ПОДШИПНИКОВ (рисунки 2-12 и 2-14) изготовлены из стальной ленты, покрытой слоем свинцовистой бронзы толщиной 0,3 мм, слоем свинцовооловянистого сплава толщиной 0,022 мм и слоем олова толщиной 0,003 мм.
Верхние 3 (рис. 2-12) и нижние 4 вкладыши коренных подшипников не взаимозаменяемы. Верхние вкладыши отличаются от нижних наличием отверстия для подвода масла и кольцевой канавки для его распределения. Вкладыши 9 (рис. 2-13) нижней головки шатуна взаимозаменяемы. От проворачивания и бокового смещения вкладыши фиксируются выступами (усами), входящими в пазы, предусмотренные в постелях блока и шатуна, а также крышках подшипников.
Пределы допусков диаметров шеек ремонтного коленчатого вала при восстановлении двигателя должны быть такими же, как у диаметров шеек нового коленчатого вала.
Клеймо ремонтного размера нанесено на тыльной стороне вкладыша.
При шлифовке коленчатого вала по коренным шейкам до диаметра менее 94,5 мм или по шатунным шейкам до диаметра менее 79,5 мм, необходимо коленчатый вал подвергнуть повторному азотированию по специальной технологии.
НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ ЗАМЕНА ВКЛАДЫШЕЙ ПРИ РЕМОНТЕ НА ВКЛАДЫШИ С МАРКИРОВКОЙ 740, ТАК КАК ПРИ ЭТОМ ПРОИЗОЙДЕТ СУЩЕСТВЕННОЕ СОКРАЩЕНИЕ РЕСУРСА ДВИГАТЕЛЯ! ДОПУСТИМО ПРИМЕНЕНИЕ ВКЛАДЫШЕЙ НОМИНАЛЬНОГО И РЕМОНТНОГО ТИПОРАЗМЕРОВ С МАРКИРОВКОЙ 7405.
ШАТУН (рис. 2-13) стальной, кованый, стержень 5 имеет двутавровое сечение. Верхняя головка шатуна неразъемная, нижняя выполнена с прямым разъемом и плоским стыком. В верхнюю головку шатуна запрессована сталебронзовая втулка 10, а в нижнюю установлены сменные вкладыши 9.
Рис. 2-13. Поршень с кольцами в сборе с шатуном: 1 — поршень; 2, 3 — компрессионные кольца; 4 — маслосъемное кольцо; 5 — стержень шатуна; 6 — болт крепления крышки шатуна; 7 — гайка болта крепления крышки шатуна; 8 — крышка шатуна; 9 — вкладыш нижней головки шатуна; 10 — втулка верхней головки шатуна; 11 — поршневой палец; 12 — стопорное кольцо.
Для точной посадки вкладышей подшипника в нижнюю головку, шатун окончательно обрабатывают в сборе с крышкой 8, поэтому крышки шатунов не взаимозаменяемы.
Крышка нижней головки шатуна крепится с помощью гаек 7, навернутых на болты 6, предварительно запрессованные в стержень шатуна. Затяжка шатунных болтов осуществляется по схеме с регламентированным моментом (см. приложение).
На крышке и стержне шатуна нанесены метки спаренности — трехзначные порядковые номера. Кроме того, на крышке шатуна выбит порядковый номер цилиндра двигателя.
ПОРШЕНЬ 1 (рис. 2-13) отлит из алюминиевого сплава. В головке поршня имеются три канавки, в которые установлены поршневые кольца. Канавка под верхнее компрессионное кольцо со вставкой из износостойкого чугуна. В днище поршня выполнена открытая тороидальная камера сгорания с вытеснителем в центральной части, которая смещена относительно оси поршня в сторону от выточек под клапаны на 5 мм. Боковая поверхность представляет собой сложную овально-бочкообразную форму с занижением в зоне отверстий под поршневой палец. На юбку нанесено графитовое покрытие.
В нижней ее части выполнен паз, исключающий, при правильной сборке, контакт поршня с форсункой охлаждения при нахождении его в нижней мертвой точке (НМТ).
Поршень комплектуется двумя компрессионными и одним маслосъемным кольцами. С целью обеспечения топливной экономичности и экологических показателей, применен селективный подбор поршней для каждого цилиндра по расстоянию от оси поршневого пальца до днища. По указанному параметру поршни разбиты на четыре группы 10, 20, 30 и 40. Каждая последующая группа от предыдущей отличается на 0,11 мм.
В запасные части поставляются поршни наибольшей высоты (размер от оси поршневого пальца до днища поршня 40 группы составляет 71,04-0,04 мм (для двигателя КАМАЗ-740.50-360) и 76,04-0,04 мм (для двигателей КАМАЗ-740.30-260, КАМАЗ-740.31-240 и КАМАЗ-740.11-240)), поэтому во избежание возможного контакта между ними и головками цилиндров, в случае замены, необходимо контролировать надпоршневой зазор. Если зазор между поршнем и головкой цилиндра после затяжки болтов ее крепления будет менее 0,87 мм, необходимо подрезать днище поршня на недостающую до этого значения величину.
Для двигателей 740.50-360 маркировка 740.51-1004015-41 выполнена на внутренней поверхности поршня. Для двигателей 740.30-260, 740.31-240 и 740.11-240 маркировка 740.30-1004015-40 выполнена на внутренней поверхности поршня.
УСТАНОВКА ПОРШНЕЙ С ДВИГАТЕЛЕЙ КАМАЗ ДРУГИХ МОДЕЛЕЙ НЕДОПУСТИМА!
КОМПРЕССИОННЫЕ КОЛЬЦА 2 и 3 (рис. 2-13) изготавливаются из высокопрочного, а маслосъемное из серого чугунов. Верхнее компрессионное кольцо имеет форму двухсторонней трапеции, а второе имеет форму односторонней трапеции. При монтаже торец с отметкой «ТОР» или » ВЕРХ » должен располагаться со стороны камеры сгорания.
На двигателях 740.50-360 рабочая поверхность верхнего компрессионного кольца 2 покрыта молибденом и имеет бочкообразную форму.
Форма на втором компрессионном кольце представляет собой конус с уклоном к нижнему торцу, по этому характерному признаку кольцо получило название «минутное». Рабочая поверхность кольца покрыта хромом. Минутные кольца применены для снижения расхода масла на угар, их установка в верхнюю канавку недопустима.
МАСЛОСЪЕМНОЕ КОЛЬЦО 4 (рис. 2-13) коробчатого типа, высотой 4 мм, с пружинным расширителем, имеющим переменный шаг витков и шлифованную наружную поверхность. Средняя часть расширителя с меньшим шагом витков при установке на поршень должна располагаться в зоне замка кольца. Рабочая поверхность кольца покрыта хромом.
Маркировка поршневых колец выполнена на верхнем торце колец рядом с замком. Маркировка содержит обозначение предприятия-изготовителя — «GOE» и обозначение верхнего торца кольца — «ТОР» (для двигателей 740.50-360 и 740.30-260) и «КАМАЗ» и «ВЕРХ» (для двигателей 740.31-240 и 740.11-240).
УСТАНОВКА ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ С ДРУГИХ МОДЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ КАМАЗ МОЖЕТ ПРИВЕСТИ К УВЕЛИЧЕНИЮ РАСХОДА МАСЛА, УХУДШЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗА ТЕЛЕЙ И УМЕНЬШЕНИЮ РЕСУРСА РАБОТЫ!
ПОРШНЕВОЙ ПАЛЕЦ 11 (рис. 2-13) плавающего типа, его осевое перемещение ограничено стопорными кольцами 12. Палец изготовлен из хромоникелевой стали, диаметр отверстия 20,7 мм для двигателя 740.50-360 и 21,7 мм для двигателей 740.30-260, 740.31-240 и 740.11-240 с фасками 2×45°.
ПРИМЕНЕНИЕ ПОРШНЕВЫХ ПАЛЬЦЕВ С ДРУГИМИ ДИАМЕТРАМИ ОТВЕРСТИЙ И РАЗМЕРАМИ ФАСОК НЕДОПУСТИМО, ТАК КАК ЭТО НАРУШАЕТ БАЛАНСИРОВКУ ДВИГАТЕЛЯ!
ФОРСУНКИ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОРШНЯ (рис. 2-8) устанавливаются в картерной части блока цилиндров 7 и обеспечивают подачу масла из главной масляной магистрали на внутреннюю поверхность поршней.
При сборке двигателя необходимо контролировать правильность положения трубки форсунки охлаждения поршня 1 относительно гильзы цилиндра 6 и поршня. Контакт с поршнем и деталями кривошипно-шатунного механизма недопустим.
МАХОВИК 1 (рис. 2-14) изготовлен из специального чугуна и закреплен десятью болтами 16 с двенадцатигранной головкой, изготовленными из легированной стали, на хвостовике коленчатого вала и зафиксирован штифтом 4 на центрирующей шейке коленчатого вала 20. С целью исключения повреждения поверхности маховика, под головки болтов устанавливаются шайбы 17. Величина момента затяжки болтов крепления маховика указана в приложении.
Рис. 2-14. Установка маховика: 1 — маховик; 2 — картер маховика; 3 — шестерня привода газораспределительного механизма; 4 — штифт установочный маховика; 5 — блок цилиндров; 6 — коленчатый вал; 7 — полукольцо упорное верхнее; 8 — вкладыш подшипника коленчатого вала верхний; 9 — вкладыш подшипника коленчатого вала нижний; 10 — полукольцо упорное верхнее; 11 — крышка подшипника коленчатого вала; 12 — манжета С 8002714 (Германия); 14 — обод зубчатый; 15 — выборка под дисбаланс; 16 — болт; 17 — шайба; 18 — втулка дистанционная; 19 — подшипник; 20 — центрирующая шейка; 21 — кольцо.
На обработанную цилиндрическую поверхность маховика напрессован зубчатый обод 14, с которым входит в зацепление шестерня стартера при пуске двигателя. Под манжету уп лотнения коленчатого вала устанавливается кольцо 21 с наружной хромированной поверхностью. Во внутреннюю расточку маховика установлена дистанционная втулка 18 и подшипник 19 первичного вала коробки передач с двухсторонним уплотнением.
При выполнении регулировочных работ по установке угла опережения впрыскивания топлива и величин тепловых зазоров в клапанах механизма газораспределения, а также при отворачивании болтов крепления маховика во время проведения ремонтных работ, маховик фиксируется при помощи фиксатора (рис. 2-15).
Маркировка маховика выполнена на литой поверхности со стороны сцепления.
УСТАНОВКА МАХОВИКОВ ДРУГИХ МОДЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ КАМАЗ, А ТАКЖЕ МАХОВИКОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ОДНОЙ МОДЕЛИ, НО С ДРУГИМИ ВАРИАНТАМИ ТОПЛИВНЫХ АППАРАТУР, ПРИ ПРОВЕДЕНИИ РЕМОНТНЫХ РАБОТ НЕ ДОПУСКАЕТСЯ!
Рис. 2-15. Положение ручки фиксатора маховика двигателя КАМАЗ — 740.50-360: а) — при эксплуатации; б) — при регулировке, в зацеплении с маховиком.
Гаситель крутильных колебаний (рис. 2-16) закреплен восемью болтами на переднем носке коленчатого вала.
Рис. 2-16. Гаситель крутильных колебаний коленчатого вала: 1 — корпус гасителя; 2 — маховик гасителя; 3 — крышка; 4 — пробка заправочного отверстия; 5 — высоковязкостная силиконовая жидкость; 6 — лента подшипника гасителя; 7 — центровочный бурт.
Рис. 2-17. Гаситель крутильных колебаний коленчатого вала двигателя 740.11-240: 1 — корпус гасителя; 2 — маховик гасителя; 3 — крышка; 4 — пробка заправочного отверстия; 5 — высоковязкостная силиконовая жидкость; 6 — центровочная шайба.
Гаситель состоит из корпуса 1 (рис. 2-16), в который установлен с зазором маховик гасителя 2. Снаружи корпус гасителя закрыт крышкой 3. Герметичность обеспечивается сваркой по стыку корпуса гасителя и крышки. Между корпусом гасителя и маховиком гасителя находится высоковязкая силиконовая жидкость, дозировано заправленная перед заваркой крышки. Центровка гасителя осуществляется буртиком 7.
Гашение крутильных колебаний коленчатого вала происходит путем торможения корпуса гасителя, закрепленного на носке коленчатого вала, относительно маховика в среде силиконовой жидкости. При этом энергия торможения выделяется в виде теплоты.
КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩАЕТСЯ при проведении ремонтных работ деформировать корпус и крышку гасителя. Гаситель с деформированным корпусом или крышкой к дальнейшей эксплуатации не пригоден.
После установки гасителя проверить наличие зазора между гасителем и противовесом.
2. Поршни, поршневые пальцы, поршневые кольца
Поршень воспринимает давление газов при сгорании рабочей смеси в цилиндре двигателя и через шатун передает его коленчатому валу.
Во время работы двигателя поршень подвергается механической нагрузке от давления газов, изменяющегося за рабочий цикл от 0,8 кг/см 2 (на такте впуска) до 40 кг/см 2 (в момент сгорания рабочей смеси). Кроме того, температура газов, соприкасающихся с днищем поршня, изменяется за рабочий цикл от 50 °C до 2200 °C и температура днища поршня в процессе работы достигает средней величины — 250–350 °C.
У высокооборотных мотоциклетных двигателей средняя скорость движения поршня достигает 15–20 м/сек и соответственно силы инерции поршня также достигают значительной величины. Следовательно, поршень работает в условиях резко меняющихся тепловых и механических нагрузок и прочность его в известной степени понижена вследствие нагревания до высокой температуры. Кроме того, механические и тепловые нагрузки значительно ухудшают условия смазки поршня. Поэтому к поршням современных мотоциклетных двигателей предъявляются следующие требования:
1) обеспечение герметичности между рабочей полостью цилиндра и картером;
2) невысокая температура поршня и отсутствие местных перегревов;
3) отсутствие заедания, стука и перекоса поршня в цилиндре во время работы;
4) высокая прочность ври минимальном весе;
5) минимальные потери на трение между поршнем и цилиндром;
6) минимальный износ стенок поршня и цилиндра.
Герметичность между рабочей полостью цилиндра и картером обеспечивается наличием на головке поршня канавок, в которых установлены компрессионные кольца, перекрывающие зазор между стенками поршня и цилиндра, и маслосъемные кольца, очищающие поверхность цилиндра от масла и не допускающие проникновения его в рабочую полость цилиндра.
Температура поршня зависит от количества тепла, передающегося поршню от горячих газов, а также от количества тепла, передаваемого от поршня через кольца и его юбку стенкам цилиндра и от внутренней поверхности поршня маслу и воздуху в картере. Небольшой отбор тепла поршнем от газов в такте расширения улучшает условия полного сгорания горючего в цилиндре двигателя, так как в этом случае температура газов, а следовательно, и давление их будут более высокими.
Таким образом, чем меньше тепла поршень будет принимать от горячих газов и чем больше тепла будет передаваться от поршня цилиндру и воздуху в картере, тем ниже будет средняя температура поршня. При низкой средней температуре поршня улучшается наполнение цилиндра двигателя горючей смесью, так как в этом случае горючая смесь при впуске меньше нагревается от поршня и плотность ее к началу сжатия сохраняется достаточно высокой. Низкая температура поршня допускает повышение степени сжатия, потому что сравнительно небольшое нагревание рабочей смеси в процессе сжатия уменьшает возможность образования перекисей, а следовательно, и уменьшает возможность детонационного сгорания горючего. Кроме того, при низкой температуре поршня уменьшается его тепловое расширение, что ограничивает возможность заедания, стуков и перекоса поршня в цилиндре во время работы двигателя.
Уменьшение заеданий, стуков и перекосов поршня в цилиндре осуществляется также подбором материала для изготовления поршня и установлением определенных зазоров между поршнем и цилиндром в различных точках поршня. Величина зазора между стенками поршня и цилиндром подбирается в зависимости от температуры поршня и цилиндра, а также в зависимости от теплового расширения материала, из которого изготовлен поршень. Зазор между стенками поршня и цилиндра должен обеспечивать свободное перемещение поршня в цилиндре при высокой температуре и сохранение минимально необходимого слоя масла между стенкой поршня и цилиндром. В головке поршня зазор делается несколько большим, чем в юбке, так как головка поршня нагревается в большей степени. Этот зазор должен быть минимальным и у холодного, и у горячего двигателя. Но так как поршни мотоциклетных двигателей обычно выполняются из алюминиевого сплава, который обладает большим тепловым расширением, величина зазора между юбкой и цилиндром сильно изменяется после пуска и прогрева двигателя, а при перегреве двигателя зазор может совсем исчезнуть. Вследствие этого может произойти заклинивание поршня: поршень плотно прижмется к стенкам цилиндра и трение между ними увеличится настолько, что двигатель остановится. При сильном перегреве двигателя заклинивание поршня может привести к отрыву юбки поршня от его головки или к разрыву стержня шатуна.
Для уменьшения возможности заклинивания поршня в его юбке выполняются прорези, обеспечивающие ее упругость. Такой поршень в случае перегрева двигателя заклиниваться не будет, так как увеличение периметра юбки поршня будет компенсироваться за счет уменьшения ширины прорези. Поэтому при наличии прорези на юбке можно устанавливать минимальный зазор между поршнем и цилиндром у холодного двигателя. Однако наличие прорези ослабляет поверхность юбки, поэтому поршни всегда устанавливают прорезями в сторону той стенки цилиндра, на которую не передается давление юбки во время рабочего хода. Прорезь, идущая вниз по стенке юбки, выполняется наклонно. Это делается с целью равномерного износа стенки цилиндра, так как при вертикальном расположении прорези износ поверхности цилиндра, приходящейся против этой прорези, был бы меньше, чем износ остальной его поверхности.
Для уменьшения трения между поршнем и цилиндром и заедания поршня среднюю часть юбки делают овальной, причем малый диаметр овала поршня располагают по оси поршневого пальца. Это вызвано следующими соображениями:
1) Во время такта расширения поршень под действием давления газов прижимается к боковой стенке цилиндра и поэтому сечение поршня принимает форму овала, большой диаметр которого расположен по оси поршневого пальца.
2) Под действием давления газов днище поршня прогибается внутрь и юбка поршня расширяется внизу по оси поршневого пальца. Это происходит потому, что бобышки поршня, обычно связанные с днищем поршня ребрами, делают эту часть юбки более жесткой. Поэтому стенки юбки, не имеющие бобышек, являются более слабыми и деформируются в большей степени.
3) Днище поршня, нагреваясь, уводит в стороны бобышки. Так же как и в предыдущем (во втором) случае, менее жесткая часть юбки поршня деформируется и сечение поршня принимает овальную форму с увеличением размера юбки поршня по оси пальца.
У современных мотоциклетных двигателей днище поршня может быть выполнено плоским, выпуклым или вогнутым в зависимости от формы камеры сжатия, степени сжатия и системы распределения. Плоское днище имеет меньшую поверхность соприкосновения с газами, тепло меньше переходит в поршень с плоским днищем, а следовательно, и отвод тепла от газов будет меньше, чем у поршня с выпуклым или вогнутым днищем. Выпуклое днище, как и вогнутое, обладает большей жесткостью по сравнению с плоским.
У двухтактных двигателей иногда на днище поршня делается отражатель (рис. 23), предназначенный для направления потока горючей смеси, поступающей в цилиндр через продувочное окно, вверх, а также для вывода отработавших газов, поступающих сверху вниз, из цилиндра в выпускное окно.
Рис. 23. Поршень с отражателем.
При таком направлении потоков горючей смеси и отработавших газов уменьшается возможность их смешения, что в свою очередь обеспечивает хорошее наполнение цилиндров горючей смесью.
На рис. 24 представлен поршень двигателя мотоцикла М-72.
Рис. 24. Поршень с плоским днищем двигателя мотоцикла М-72.
Поршень имеет плоское днище и три канавки для поршневых колец. Верхние два кольца компрессионные, нижнее — маслосъемное.
Над верхним поршневым кольцом в головке сделана узкая глубокая выточка. Она представляет собой воздушный экран, отражающий поток тепла, идущий от днища поршня к поршневым кольцам. Недостатком головки С выточкой является то, что масло, попадающее в выточку, коксуется и вскоре кокс заполняет ее. При этом значение выточки как экрана уменьшается.
В нижней кольцевой канавке сделана сквозная прорезь. Соединение головки и юбки в этом случае осуществляется только боковыми стенками поршня над бобышками и ребрами бобышек. При этом количество тепла, поступающего от головки поршня к юбке, уменьшается и температура юбки значительно снижается, что позволяет устанавливать небольшой зазор между юбкой и цилиндром.
На нижнем краю юбки имеются два небольших выреза, которые предотвращают возможность удара по противовесам коленчатого вала при положении поршня в нижней мертвой точке. В бобышках поршня сделаны отверстия для поршневого пальца. В этих отверстиях выполнены канавки, в которые устанавливаются стопорные кольца, ограничивающие осевое перемещение поршневого пальца в отверстиях бобышек. Внутренне концы бобышек связаны с днищем поршня ребрами, увеличивающими жесткость бобышек.
Поршень двигателя мотоцикла М1А (рис. 25) имеет выпуклое днище, две канавки для поршневых колец и вырезы на нижней части юбки.
Рис. 25. Поршень с выпуклым днищем двигателя мотоцикла М1А.
Эти вырезы оставляют открытыми отверстия двух продувочных каналов, сообщающих кривошипную камеру с полостью цилиндра при положении поршня около нижней мертвой точки. Внутри каждой кольцевой канавки установлен штифт, предохраняющий кольцо от проворачивания в канавке. Каждая бобышка связана с днищем поршня ребром. В отверстиях бобышек имеются канавки для установки стопорных колец.
Поршень двигателя мотоцикла ИЖ-350 имеет такую же конструкцию, как поршень двигателя мотоцикла M1А. Отличается он тем, что в нем имеются три кольцевые канавки и разрез в юбке поршня.
Поршень двигателя мотоцикла М-75 (рис. 26) имеет выпуклое днище, на котором имеются углубления, предотвращающие удар поршня о клапаны при их перекрытии.
Рис. 26. Поршень с выпуклым днищем двигателя мотоцикла М-75.
В головке поршня сделаны три канавки: две для компрессионных колец и одна для маслосъемного. Для отвода масла от маслосъемного кольца внутрь поршня в нижней кольцевой канавке и на фаске под нею выполнены отверстия.
Поршневой палец служит для соединения поршня с шатуном. Он представляет собой полый цилиндрический стержень, проходящий через отверстия в малой головке шатуна и в бобышках поршня. Поршневой палец для уменьшения его веса обычно выполняется полым.
Диаметр его должен быть значительным для создания достаточной опорной поверхности и уменьшения износа как пальца, так и отверстий поршня и шатуна.
По способу крепления поршневые пальцы делятся на закрепленные и плавающие.
Закрепленными называются пальцы, которые закреплены или в бобышке поршня, или в большой головке шатуна. Этот способ крепления в настоящее время почти не применяется, так как поршневые пальцы при таком способе крепления вращаются или во втулке большой головки шатуна, или в бобышках. При этом относительная скорость вращения их будет велика и соответственно будет велик и их износ.
В настоящее время наибольшее распространение получили плавающие пальцы. Плавающими называются пальцы, осевое перемещение которых ограничено пружинными замками, расположенными с торцов пальца, или заглушками, которыми пальцы могут опираться на зеркало цилиндра. Плавающие пальцы отличаются от закрепленных небольшим и равномерным износом поверхности, так как палец вращается как во втулке поршневой головки, так и в отверстиях бобышек и относительная скорость вращения его незначительна.
Поршневой палец выполняется из стали, наружная поверхность его цементируется. Для упрощения производства осевое сверление в пальцах часто делают цилиндрическим, но в некоторых случаях для увеличения прочности стенки пальца в средней его части делают более толстыми.
На рис. 27 показан поршневой палец 1 двигателя мотоцикла М-72.
Рис. 27. Крепление поршневого пальца двигателя мотоцикла М-72: 1 — поршневой палец; 2 — пружинный замок; 3 — поршень; 4 — шатун; 5 — стенка цилиндра.
Он представляет собой полый цилиндрический стержень, длина которого менее диаметра поршня. От осевого перемещения палец удерживается пружинными замками, заправленными в кольцевые выточки, выполненные в отверстиях бобышек поршня. Пружинный замок выполнен из стальной проволоки, согнутой по дуге, радиус которой несколько больше радиуса кольцевой выточки в бобышке поршня. Оба конца проволоки загнуты к центру дуги. Так как глубина кольцевой выточки в бобышке равна половине толщины кольца, выступающая из выточки часть кольца является упором для торца поршневого пальца. Загнутые внутрь концы проволоки служат для вставки и выемки замка.
Такого типа стопорные кольца отличаются простотой изготовления. Недостатком их является сравнительно быстрая разработка кольцевых канавок в отверстии бобышек. Во время работы двигателя торец поршневого пальца, соприкасаясь с стопорным кольцом, провертывает его в кольцевой канавке, что вызывает быстрый износ канавки.
Поршневой палец двигателя мотоцикла ИЖ-350 имеет полый палец, удерживаемый от осевого перемещения стопорным кольцом, входящим в выточки в отверстиях бобышки.
Иногда стопорные кольца имеют прямоугольное сечение. В этом случае соприкосновение торца пальца с замком происходит по всей плоскости торца, вследствие чего уменьшается трение кольца о стенки канавки, а следовательно, уменьшается и износ канавки.
В некоторых двухтактных двигателях для фиксации поршневого пальца от осевого перемещения применяются заглушки (рис. 28, а).
Рис. 28. Поршневой палец с заглушками: а — поршневой палец с двумя заглушками; 6 — поршневой палец с одной заглушкой; 1 — поршневой палец; 2 — заглушка.
Заглушки выполняются из мягкого металла — меди или алюминия. Это делается для того, чтобы как можно меньше изнашивались стенки цилиндра, на которые опираются заглушки, так как истирание цилиндра заглушками нарушит его цилиндрическую поверхность, что приведет к большему прорыву газов в картер.
На рис. 28, б показана установка заглушки в поршневом пальце двигателя мотоцикла Л-300. Заглушки вставлены в палец и закреплены в нем шпилькой. Грибок заглушки выступает за поверхность пальца и опирается на плоскость бобышки. Таким образом, перемещение пальца в одну сторону ограничивается упором грибка заглушки в стенку цилиндра, а в другую — упором выступающей части грибка заглушки в поверхность бобышки. Радиус грибка бобышки несколько меньше, чем радиус стенки цилиндра. Это обеспечивает наличие клиновидного зазора между заглушкой и стенкой цилиндра, что облегчает создание масляной пленки между ними.
Заглушки увеличивают жесткость пальца, но вместе с тем они увеличивают его общий вес, что для быстроходных мотоциклетных двигателей нежелательно.
Поршневые кольца, устанавливаемые в кольцевых канавках поршня, выполняются из чугуна и служат для создания уплотнения между поршнем и цилиндром и для сбора избыточного масла с зеркала цилиндра. Поэтому поршневые кольца делятся на компрессионные и маслосъемные.
Компрессионные кольца (рис. 29) устанавливаются в верхних канавках поршня и имеют обычно прямоугольное сечение.
Рис. 29. Поршневые кольца: а — с косым замком; б — с прямым замком; в — со ступенчатым замком.
Уплотнение зазора между поршнем и цилиндром осуществляется за счет собственной упругости кольца, которое прижимается к цилиндру с усилием 0,5–1 кг/см 2 . Кроме того, уплотнению способствуют газы, проникающие через зазор к тыльной части кольца и прижимающие его к зеркалу цилиндра с усилием до 30 кг/см 2 . Компрессионные кольца размещены в канавках с зазором от 0,05 до 0,1 мм. Зазор между тыльной частью кольца и днищем кольцевой канавки в рабочем состоянии достигает 0,4–0,6 мм, в результате чего поршень не опирается на тыльную поверхность кольца.
На рис. 30 представлены различные формы маслосъемных колец.
Рис. 30. Маслосъемные кольца: а — со сквозными шлицами; б — со сквозными шлицами и канавкой; в — с отверстиями и канавкой.
Во всех случаях на поверхности маслосъемных колец имеются отверстия, выполненные иногда в виде сквозных шлицев (рис. 30, а). Кроме сквозных шлицев, на поверхности кольца иногда делается кольцевая канавка (рис. 30, 6), при наличии которой увеличивается возможность отвода масла к шлицам и через них в кольцевую канавку. На маслосъемных кольцах некоторых типов имеется канавка, в которой вместо сквозных шлицев выполнены сквозные отверстия (рис. 30, в). Масло, снимаемое маслосъемными кольцами, проходит через эти отверстия (шлицы) в кольцевую канавку, откуда отводится через дренажные отверстия внутрь поршня. На некоторых поршнях под канавкой маслосъемного кольца делается выточка с отверстиями, через которые масло, снимаемое кольцом с зеркала цилиндра, также отводится внутрь поршня.
В процессе работы двигателя кольца подвергаются воздействию газов, имеющих высокую температуру. Наружная поверхность кольца постоянно скользит по поверхности зеркала цилиндра, многократно изменяя свою скорость от 0 до 15–20 м/сек.
Поршневые кольца должны отвечать следующим требованиям: плотно прилегать к цилиндру, оказывать на стенки цилиндра равномерное удельное давление по всей окружности, быть долговечными и почти не изменять свою упругость в процессе работы.
Все эти требования должны быть соблюдены в процессе производства, но сохранение упругости и долговечность кольца во многом зависят также от режима работы двигателя; перегрев двигателя, применение несоответствующей смазки, конденсация горючего на стенках цилиндра сильно уменьшают срок службы колец.
Наиболее часто встречающимся дефектом колец является их коксование, когда масло поступает в зазоры между перегретым кольцом и канавкой поршня и там коксуется. Коксованию в большей степени подвержены верхние кольца, температура которых доходит до 300–350 °C.
Для надевания на поршень в кольце сделан поперечный разрез, который называется замком кольца. Форма замка бывает различной, но в основном для мотоциклетных двигателей применяются замки трех типов: косые, прямые и ступенчатые (рис. 29).
Косым замком называется такой, при котором кольцо имеет разрез под углом 45°. Кольца с прямым замком имеют разрез по образующей.
Для двухтактных мотоциклетных двигателей, например для двигателя мотоцикла К1Б, часто применяются кольца со ступенчатым замком, причем ступень у них служит для упора в штифт, предохраняющий кольцо от проворачивания. Двигатели мотоциклов ИЖ-350 и М1А опираются на штифт боковыми гранями углублений, выполненных на внутренних стенках колец у стыка. Зазор в замке должен быть выполнен таким, чтобы при любой высокой температуре в замке всегда имелся некоторый минимальный зазор. Если у кольца в процессе работы двигателя за счет теплового расширения выберется весь зазор, то кольцо настолько плотно прижмется к зеркалу цилиндра, что движение его будет затруднено.
На практике величина зазора холодного кольца устанавливается обычно в зависимости от диаметра цилиндра и достигает 0,0006-0,0015 диаметра цилиндра.
Для уменьшения утечки газов через замки последние располагают таким образом, чтобы удлинить путь газов, т. е. замки соседних колец располагают один от другого под углом 120° (для трех колец) или 180° (для двух колец).
Износ поршневых колец приводит к увеличению расхода масла. Это вызывается увеличением количества масла, перетекающего через неплотность между кольцами и стенкой цилиндра, а также насосным действием колец, которое сказывается все в большей степени по мере их износа.
Рассмотрим насосное действие поршневых колец. При движении поршня вниз кольца за счет трения о зеркало цилиндра прижимаются к верхней стенке кольцевой канавки. Масло, собираемое кольцами, поступает в зазор между нижней частью кольца и стенкой канавки и заполняет зазор между днищем канавки и тыльной стороной кольца.
При движении поршня вверх кольцо прижимается к нижней стенке кольцевой канавки. Часть млела из нижнего зазора выталкивается в тыльный зазор и оттуда в верхний зазор. При новом движении поршня вниз масло из верхнего зазора перетекает в зазор между поршнем и цилиндром и т. д. Таким образом, масло постепенно перекачивается в рабочую полость цилиндра.
Насосное действие, особенно заметное у изношенных колец, характеризуется наличием большого количества белого дыма при выхлопе.
На мотоциклетных двигателях поршневых колец обычно три: два компрессионных и одно маслосъемное. На быстроходных двигателях иногда число колец уменьшают до двух: одного компрессионного и другого маслосъемного. Уменьшение числа колец снижает потери на трение, так как у быстроходных двигателей сжатие и рабочий ход продолжаются недолго и утечка газов через неплотности в кольцах поэтому незначительна.