Устройство блок картера двигателя шатун

Картер, цилиндры, их головки и другие неподвижные (корпусные) детали, образующие остов двигателя, нагружаются силами давления газов и силами инерции от масс, совершающих возвратно-поступательное и вращательное движения, моментами от этих сил, испытывают упругие и тепловые воздействия. Поэтому корпусные детали и остов двигателя в целом должны обладать высокой прочностью и жесткостью.

Картер является главным из элементов остова (корпуса) двигателя. С внешней стороны к нему крепят цилиндры, а внутреннюю его полость занимает коленчатый вал с его опорами. В картере размещают также основные устройства механизма газораспределения, различные узлы системы смазки с ее сложной сетью каналов и чаще всего с емкостью для смазочного масла и другое вспомогательное оборудование. К одной из торцовых стенок картера в автомобильных двигателях крепят кожух маховика, к боковым – кронштейны или лапы для установки двигателя на подмоторную раму. В двухтактных двигателях с кривошипно-камерной продувкой цилиндров внутреннюю полость картера используют в качестве камеры для продувки цилиндров. Длина картера зависит от размера и числа цилиндров в ряду, а поперечное сечение его внутренней полости определяется в основном радиусом кривошипа и размерами шатуна.

В автомобильных двигателях с жидкостным охлаждением блок цилиндров обычно представляет собой единую отливку с верхней половиной картера и вместе они образуют блок-картер. Подобная монолитная отливка обладает большой жесткостью в плоскостях действия сил инерции, сил давления газов и их моментов. Высокая жесткость блок-картеров обеспечивает минимальные деформации в зонах коренных подшипников, гильз цилиндров и плоскости стыка с головкой цилиндров. Кроме того, в этом случае наружные стенки и внутренние перегородки могут быть сделаны более тонкими, что несколько снижает массу блок-картера и уменьшает расход металла.

В общем случае блок-картер представляет собой сложную пространственную конструкцию коробчатой формы (рис.1), которая воспринимает все силовые нагрузки, возникающие в процессе осуществления рабочего цикла, действующие на остов двигателя.

Блок-картер отливают из легированного чугуна или из алюминиевого сплава с хорошими литейными свойствами. Алюминиевые блоки подвергают искусственному старению для снятия внутренних напряжений в отливке. При переходе от чугунных отливок к алюминиевым значительно (до 60%) может быть снижена масса двигателя. Недостатками применения алюминиевых отливок для блок-картера являются большие температурные деформации, приводящие к изменению геометрической формы опорных поверхностей, и более низкая механическая прочность.

Картеры поршневых двигателей автомобилей делают разъемными и неразъемными. Наибольшее распространение получили разъемные картеры с горизонтальной плоскостью

разъема, параллельной оси коленчатого вала (рис. 2).

Блок-картер горизонтальной перегородкой разделен на две части. В нижней части (рис.3,б) в вертикальных перегородках расположены опоры коленчатого вала, в верхней (рис.3,а) – гильзы цилиндров.

Блок-картер может быть отлит вместе с цилиндрами (рис.4,а) либо иметь вставные сменные гильзы (рис,4,б).

Рисунок 4 – Схемы цилиндров двигателя

При применении сменных гильз упрощается изготовление блок-картера, появляется возможность применения для гильз более износостойких материалов, снижаются трудоемкость и затраты при ремонте двигателя, так как в этом случае при выходе из строя одного цилиндра нет необходимости подвергать ремонту весь блок.

В результате непосредственного контакта внешней поверхности гильзы с охлаждающей жидкостью улучшается теплоотвод, стабилизируется температурный режим поршня и цилиндра, снижается тепловая напряженность и повышается долговечность сопряжения.

В V -образных двигателях, вследствие крепления на одной шатунной шейке двух шатунов, цилиндры правого и левого рядов (по ходу автомобиля) смещены. К примеру, у двигателей ЗМЗ-53-11 левый ряд смещен вперед на 24 мм, у двигателя ЗИЛ-508.10 – на 29 мм, у двигателей КамАЗ-740.10 – на 29,5 мм.

Коренные опоры коленчатого вала являются одними из наиболее нагруженных элементов двигателя. Для обеспечения гарантированного жидкостного трения в подшипниках коленчатого вала важно ограничить деформации элементов данного узла, а также обеспечить соосность опор вдоль двигателя.

При разъемных коренных подшипниках верхняя опорная часть их расположена в перегородке картера, а нижняя выполнена в виде крышки и фиксируется болтами или шпильками. Для уменьшения момента, изгибающего крышку, расстояние от оси шпилек до оси коленчатого вала принимается минимально возможным. Посадка крышки по торцовым плоскостям, выфрезерованным в приливах картера, обеспечивает большую жесткость всему узлу подшипника (рис.5,а). Для повышения прочности и жесткости соединения в некоторых случаях применяют горизонтальные стяжные болты (шпильки), связывающие крышки со стенками картера в единое целое (рис.5,б). От возможных боковых смещений крышки фиксируют в ряде случаев специальными установочным штифтами (рис.5,в) или втулками (рис.5,г).

Рисунок 5 – Крепление крышек коренных подшипников коленчатого вала с использованием фиксирующих элементов:

а – выступов; б – поверхностей и стяжных шпилек; в – штифтов; г – втулок;

1 – основная силовая шпилька; 2 – фиксирующие выступы крышки; 3 – стяжная сквозная шпилька; 4 – фиксирующая поверхность; 5 – стяжной болт; 6 – штифт; 7 — втулка

Болты и гайки крепления крышек коренных подшипников затягивают динамометрическим ключом определенным усилием, а затем крышку совместно с блок-картером протачивают и обрабатывают. Поэтому крышки коренных подшипников не взаимозаменяемы, фиксируются с определенным усилием и только в одном положении. При необходимости их снабжают метками (нумеруют).

Для уменьшения температурных деформаций коренных опор блока из алюминиевого сплава крышки коренных подшипников изготовляют из ковкого чугуна, по обе стороны от гнезда вкладыша имеются шипы, плотно входящие при сборке в соответствующие пазы блока. В результате низкого коэффициента линейного расширения чугунной крышки и жесткой связи ее с блоком температурные изменения диаметра под вкладыши снижаются примерно в 1,5 раза.

Для придания большей жесткости блоку плоскость разъема между блоком и поддоном смещают вниз от оси коленчатого вала (у двигателя КамАЗ-740.10 на 102 мм, у двигателя ЗМЗ-53-11 на 75 мм).

С целью повышения жесткости применяют также неразъемные (цельные) коренные опоры, как например, в двигателе автомобиля ЗАЗ-968М «Запорожец» (рис. 6).

Картеры с неразъемными коренными опорами называют туннельными. Гнезда под коренные опоры в торцовых стенках и поперечных перегородках делают так, чтобы коленчатый вал, предварительно собранный с коренными подшипниками качения, свободно устанавливался в эти гнезда через отверстие в одной из его торцовых стенок.

Рисунок 6 – Туннельный блок-картер

Картеры туннельного типа характерны для автомобильных двигателей воздушного охлаждения. При жидкостном охлаждении туннельные картеры иногда отливают вместе с блоком цилиндра и получают конструкцию повышенной жесткости.

НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО БЛОК-КАРТЕРА

Картер является главным из элементов остова (корпуса) двигателя. С внешней стороны к нему крепят цилиндры, а внутреннюю его полость занимает коленчатый вал с его опорами. В картере размещают также основные устройства механизма газораспределения, различные узлы системы смазки с ее сложной сетью каналов и чаще всего с емкостью для смазочного масла и другое вспомогательное оборудование. К одной из торцовых стенок картера в автомобильных двигателях крепят кожух маховика, к боковым – кронштейны или лапы для установки двигателя на подмоторную раму.

Блок-картер при работе двигателя воспринимает большие нагрузки от сил давления газов и сил инерции движущихся масс, поэтому он должен обладать повышенной жесткостью и малой массой. Жесткость блок-картера повышают путем постановки перегородок и оребрения внутренней поверхности и понижения плоскости крепления поддона картера относительно оси коленчатого вала.

Блок-картер представляет собой отлитую из серого чугуна жесткую монолитную коробку, к которой крепят и в которой размещены различные механизмы, агрегаты и отдельные детали. Верхняя часть отливки является блоком цилиндров, а нижняя — картером. К верхней обработанной плоскости блок-картера на шпильках крепят головку цилиндров, к обработанной части передней торцовой плоскости блок-картера — крышку распределительных шестерен, а к задней — картер маховика. В стенках блок-картера расположены каналы для подвода масла к трущимся поверхностям деталей и отверстия для установки подшипников распределительного вала. На наружных поверхностях стенок блок-картера имеются обработанные площадки для крепления различных механизмов и агрегатов.

В общем случае блок-картер представляет собой сложную пространственную конструкцию коробчатой формы, которая воспринимает все силовые нагрузки, возникающие в процессе осуществления рабочего цикла, действующие на остов двигателя.

Вид блока-картера зависит от двигателя (число цилиндров и их расположения) (рис.1):

К обработанным плоскостям блок-картера крепят составные детали остова двигателя (рис.2): сверху — головки цилиндров, сзади — картер маховика 13, впереди — картер распределительных шестерен 7, снизу — поддон картера 11:

Рис. 2- Блок-картер с составными деталями остова двигателя

В верхней части блок-картера предусмотрены вертикальные расточки цилиндров, в которые вставляют гильзы цилиндров. Пространство между внутренними стенками блок-картера и наружной поверхностью цилиндра (гильзы) называют водяной рубашкой, оно заполнено охлаждающей жидкостью. Водяная рубашка блок-картера соединена с водяной рубашкой головки цилиндра посредством водопропускных отверстий. Нижняя часть блок-картера имеет поперечные перегородки, количество которых равно числу коренных опор коленчатого вала. В каждой перегородке расположены гнезда коренных подшипников коленчатого вала. К нижней обработанной плоскости крепят поддон картера. Материалом для изготовления блок-картеров служат серый и легированный чугуны и алюминиевые сплавы. Блок-картеры двигателей могут быть гильзованными и негильзованными.

Блок-картер двигателя внутреннего сгорания

Блок-картер является остовом двигателя внутреннего сгорания. В основе блок-картера лежит сложная отливка коробчатой формы, чья верхняя часть формирует блок цилиндров, а нижняя – верхнюю половину картера. Основные элементы блок-картера тракторного двигателя [рис. 1] показаны на примере двигателей Д-144, СМД-14 и СМД-144.

Рис. 1. Блок-картер тракторного двигателя.

а) – Блок-картер жидкостного охлаждения с рядным расположением цилиндров;

б) – Блок-картер жидкостного охлаждения с V-образным расположением цилиндров;

в) – Блок-картер воздушного охлаждения;

1) – Отверстия для штанг;

2) – Отверстия для охлаждающей жидкости;

3) – Отверстия для шпилек крепления головки цилиндров;

4) – Подводящие каналы для охлаждающей жидкости;

5) – Подводящие каналы для масла;

6) – Крышка коренного подшипника;

7) – Прилив для коренного подшипника;

8) – Резиновое уплотнительное кольцо;

9) – Втулка распределительного вала;

10) – Гильза цилиндра;

11) – Воздушная полость;

13) – Отверстие для цилиндра;

16) – Уплотнительная прокладка;

А) – Плоскость крепления головки цилиндра;

Б) – Плоскость крепления картера распределительных шестерён;

В) – Плоскость крепления крышки с опорой под турбокомпрессор.

С целью увеличения жёсткости в конструкции блок-картера широко применяются различные перегородки и оребрения его внутренней поверхности. Как правило, поперечные (вертикальные) перегородки разделяют блок-картер двигателя на одинаковые отсеки, количество которых равно числу цилиндров. У двигателей, число цилиндров которых не превышает четырёх (в редких случаях шести) расположение цилиндров в блок-картере выполнено в один ряд – рядное [рис. 1, а)]. Если цилиндров шесть, восемь и более, то их располагают в два ряда (с наклоном друг к другу) – V-образное расположение [рис. 1, б)]. Угол, который образуется между осями цилиндров обоих рядов, называется угол развала. Применение V-образной схемы расположения цилиндров в блок-картере обусловлено стремлением уменьшения массо-габаритных характеристик двигателя, а также увеличения жёсткости блок-картера и коленчатого вала. При V-образной схеме достигается уровень минимальных деформаций гильз цилиндров, коренных подшипников и плоскости стыков блока с головкой цилиндров.

Блок-картер с рядным расположением цилиндров применяется для следующих двигателей: А-41, Д-240, А-01М, Д-144, СМД-14.

Блок-картер с V-образным расположением цилиндров используется в двигателях: СМД-60, ЗМЗ-53, ЗИЛ-130, а также в двигателях семейства КамАЗ и ЯМЗ.

Внутри и снаружи блок-картера (38) [рис. 2] расположены детали КШМ (кривошипно-шатунный механизм) и ГРМ (газораспределительный механизм), сборочные единицы и системы двигателя, а также опоры, используемые для крепления двигателя к раме. В блок-картере (примерно в средней его части) размещена перегородка, которая отделяет верхнюю полость (предназначенную для циркуляции охлаждающей жидкости) от нижней (заполнена масляным туманом, формирующимся в процессе вращения коленчатого вала двигателя с большой частотой). Нижняя половина картера либо поддон (33) картера используется для герметичного закрытия КШМ снизу. Как правило, поддон также является резервуаром для масла. Для предотвращения чрезмерного увеличения давления либо разряжения внутри картера на него монтируется сапун. Это даёт возможность не только устранить подтекание масла, но и защитить полость картера от пыли.

Рис. 2. Разрез тракторного двигателя Д-240 жидкостного охлаждения.

2) – Маслосъёмные кольца;

3) – Уплотняющая часть поршня с компрессионными кольцами;

4) – Камера сгорания и днище поршня;

5) – Валик коромысел;

7) – Тарелка клапана;

9) – Пружина клапана;

10) – Направляющая втулка клапана;

11) – Гильза цилиндра;

12) – Стойка валика коромысел;

13) – Регулировочный винт;

17) – Головка цилиндров;

20) – Шкив привода вентилятора;

21) – Шестерня привода распределительного вала;

22) – Шестерня привода распределительного вала;

23) – Шкив коленчатого вала;

24) – Шестерня привода распределительного вала;

25) – Шестерня привода масляного насоса;

26) – Уплотнение поддона картера;

27) – Шестерня привода масляного насоса;

29) – Распределительный вал;

31) – Уплотняющее резиновое кольцо;

32) – Поршневой палец;

33) – Поддон картера;

34) – Коленчатый вал;

35) – Вкладыш для коренного подшипника;

36) – Прилив для коренного подшипника;

Блок-картер в основном отливается из серого мелкозернистого чугуна СЧ 21-40 (СЧ 18-36), который обладает высокими механическими и литейными качествами. С целью снижения массы блок-картеры для некоторых автомобильных двигателей отливаются из алюминиевых сплавов (ЗМЗ-53), что приводит к практически двукратному уменьшению их массы. Алюминиевый блок-картер значительно дороже в производстве, чем чугунный.

Для крепления головки на чугунный блок-картер устанавливаются короткие шпильки, а на алюминиевый блок-картер – несущие силовые шпильки (в верхнюю половину картера).

В двигателях с воздушных охлаждением (Д-21А1 и Д-144) из-за необходимости создания охлаждающих воздушных потоков нет возможности использовать блок-картерный тип отливки [рис. 3]. Цилиндры в подобном блок-картере закрепляются между головкой и картером посредством несквозных анкерных связей [рис. 1, в)]. Количество анкерных связей, которые приходятся на один цилиндр, как правило, меньше, чем в дизельных двигателях с жидкостным охлаждением. Для дизельных двигателей большой мощности, имеющих воздушное охлаждение, блок-картер отливается из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (8ДВТ-330).

Рис. 3. Поперечный разрез тракторного двигателя Д-144 воздушного охлаждения.