Кривошипно-шатунный механизм: назначение, устройство, принцип работы

Назначение кривошипно-шатунного механизма (КШМ) состоит в преобразовании возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение. Цилиндро-поршневая группа двигателя (силовая часть) в процессе работы ДВС вырабатывает поступательное движение, а для обеспечения движения автомобиля требуется равномерное вращательное движение. Для преобразования одного типа движения в другой с минимально возможными потерями используется кривошипно-шатунный механизм. КШМ получает и преобразовывает энергию для передачи другим узлам для дальнейшего использования.

Устройство

КШМ состоит из элементов, которые относятся к подвижной (непосредственно выполняющие работу) или неподвижной группе деталей.

Подвижная группа

В состав подвижной (рабочей) группы деталей КШМ входят:

Поршень ― элемент, совершающий возвратно-поступательные движения в гильзе цилиндра под воздействием силы при сгорании воздушно-топливной смеси (выталкивание) или поворота коленчатого вала (возврат). Уплотнение зазора между поршнем и цилиндром на боковой поверхности элемента предусмотрены компрессионные и маслосъемные поршневые кольца. Кольца герметизируют зазор и минимизируют потерю мощности при сгорании топлива.

Шатун ― соединительный элемент между поршнем и коленчатым валом. При помощи пальца шатун верхней головкой крепится к поршню. Наличие съемной части на нижней головке позволяет надевать шатун на шейку коленвала. В конструкции предусмотрены подшипники скольжения (шатунные вкладыши) в виде двух изогнутых полукругом пластин. Вкладыши служат для уменьшения трения между головкой шатуна и шейкой коленвала.

Коленчатый вал ― центральная часть двигателя. Ось вращения коленвала служит его опорой в блоке цилиндров, одновременно являясь основной частью коленвала. Элементы детали, выступающие за ось вращения, предназначены для присоединения к шатунам. При движении шатуна вниз коленвал дает ему возможность нижней частью описывать окружность с одновременно с движением поршня. Опорные шейки коленвала лежат на подшипниках скольжения (вкладышах), как и шатуны.

Маховик ― элемент, закрепленный к фланцу на торцевой стороне коленвала. Предназначен для раскручивания коленвала (и всей цилиндро-поршневой группы) для предотвращения остановки поршней в «мертвой точке», а также для частичного демпфирования неизбежных в любом двигателе рывковых нагрузок благодаря вращению маховика с валом двигателя. Двигатель расходует часть своей мощности на поддержку вращения маховика.

Неподвижная группа

В состав неподвижной группы входят элементы внешней части двигателя, в которой расположен кривошипно-шатунный механизм:

Блок цилиндров (БЦ) ― базовая деталь ДВС с расположенными внутри цилиндрами, каналами системы охлаждения, посадочными местами распределительного и коленчатого валов. Сегодня производители отдают предпочтение сплавам алюминия для облегчения веса конструкции, хотя может использоваться и чугун. Избежать потери прочности конструкции позволяют ребра жесткости на алюминиевом блоке цилиндров. Такие ребра предусматривают вместо сплошного литья блока цилиндров. На боковых сторонах БЦ располагаются посадочные места для вспомогательных механизмов ДВС.

Головка блока цилиндров (ГБЦ) ― элемент, закрывающий блок цилиндров сверху. В головке блока предусмотрены отверстия для клапанов, впускного и выпускного коллекторов, крепления распределительного вала (в зависимости от конструкции одного или больше), крепления для других элементов ДВС. Для герметизации стыка между блоком цилиндров и головкой предусмотрена прокладка (пластина). В ГБЦ предусмотрены отверстия для крепежных болтов. Сверху головки блока устанавливается клапанная крышка. Крышкой закрывают ГБЦ после сборки и установки двигателя, готового к запуску. С помощью прокладки клапанной крышки (тонкой пластины) герметизируют стык между крышкой и ГБЦ.

Принцип работы

При сгорании воздушно-топливной смеси образуется энергия расширения в виде микровзрывов. Эту энергию механизмы двигателя преобразовывают во вращательное движение, заставляющее автомобиль двигаться.

Принцип работы КШМ можно описать так:

В цилиндры двигателя поступает смесь топлива и воздуха, где под давлением мгновенно сгорает (микровзрыв). Образующуюся при этом энергия сгорания заставляет двигаться поршень вниз.
Происходит прямолинейное и резкое движение поршня из верхней точки в момент начала горения топливной смеси в нижнюю.
Поршень толкает шатун, одетый на шейку коленвала. Соединение шатуна с поршнем и коленчатым валом предусмотрено в одной плоскости. Поршень благодаря подвижному соединению передает импульс через шатун на коленвал. Передача импульса происходит по касательной, заставляя вал делать поворот.
Возвратно-поступательное движение всех поршней трансформируется во вращение коленчатого вала.
Маховик добавляет импульс вращению при нахождении поршня в «мертвой точке».

Для запуска двигателя необходима предварительная раскрутка маховика. С этой задачей справляется сцепленный с зубчатым венцом маховика стартер. Происходит раскрутка маховика до момента запуска двигателя.

Для обеспечения работы кривошипно-шатунного механизма необходимы другие детали и узлы двигателя, включая клапаны, распределительные валы, толкатели, системы смазки и охлаждения, газораспределительный механизм.