Основным рабочим органом двигателя внутреннего сгорания является кривошипно-шатунный механизм. Он воспринимает силу давления газов на поршень и преобразует его возвратно-поступательное движение во вращательное движение коленчатого вала. При работе двигателя основные элементы КШМ (поршень, шатун, коленчатый вал) находятся в непрерывном движении и испытывают большие нагрузки. Например, в двигателе 6ЧРН 36/45 в момент сгорания топлива сила давления газов составляет более 83 т, поэтому к прочности деталей КШМ предъявляются особо высокие требования.
Поршень и его конструкция
Поршень рабочего цилиндра воспринимает силу давления газов и передает её на шатун. В двухтактных двигателях поршень предназначен и для открытия, и для закрытия продувочных и выпускных окон. Поршень находится под воздействием сил давления газов, инерции и высоких температур.
Поршень состоит из верхней части (головки) и нижней части, тронковой, называемой юбкой (см. рис. 14). Головка имеет проточенные канавки для расположения поршневых колец и является основной уплотнительной частью. Нижняя часть служит направляющей при движении поршня в цилиндре и передает на втулку нормальные силы. Верхняя часть головки, непосредственно воспринимающая давление газов, называется днищем. Высокая температура газов при сгорании топлива (до 2000°С) приводит к значительным температурным напряжениям. Днища поршней могут иметь различные формы (плоскую, вогнутую, выпуклую, фигурную) в зависимости от конфигурации камеры сгорания, системы продувки и расположения клапанов (см. рис. 14 – вогнутое, см. рис. 15 – выпуклое).
Снижение температурных напряжений днища достигается:
- большим радиусом закругления перехода от днища к боковым стенкам, что способствует лучшему отводу теплоты;
- охлаждением внутренней поверхности поршня маслом, поступающим по каналу в шатуне;
- покрытием днища теплоизолирующими материалами;
- хромированием для повышения жаростойкости.
Диаметр верхней части поршня в районе днища меньше, чем нижней, поскольку днище больше нагревается и расширяется. Повышению прочности способствуют ребра на внутренней части поршня и наличие поршневого пальца, служащего для шарнирного крепления шатуна. В ВОД и СОД распространены пальцы «плавающего» типа.
Поршневые кольца
Поршневые кольца (см. рис. 17) подразделяются на уплотнительные (компрессионные) и маслосъемные. Компрессионные кольца располагаются в верхней части головки поршня, обеспечивая плотное прилегание между поршнем и втулкой и отвод теплоты к охлаждаемой втулке. Для упругости и возможности расширения кольца имеют разрез-замок, поэтому их диаметр в свободном состоянии больше, чем диаметр втулки. Замок кольца может быть прямым (для высокооборотных двигателей), косым или ступенчатым (для малооборотных и среднеоборотных). Основное уплотнение осуществляется двумя верхними кольцами, иногда с фиксирующими стопорами в двигателях с большим диаметром цилиндра. Форма компрессионных колец может быть прямоугольной или трапецеидальной с пояском из свинцовистой бронзы, обладающей антифрикционными свойствами и высоким коэффициентом теплопроводности. Кольца изготовляют из чугуна с повышенным содержанием фосфора для увеличения износостойкости; верхнее компрессионное кольцо иногда изготавливают из специальной стали.
Поршневые кольца (см. рис. 17) подразделяются на уплотнительные (компрессионные) и маслосъемные. Компрессионные кольца располагаются в верхней части головки поршня, обеспечивая плотное прилегание между поршнем и втулкой и отвод теплоты к охлаждаемой втулке. Для упругости и возможности расширения кольца имеют разрез-замок, поэтому их диаметр в свободном состоянии больше, чем диаметр втулки. Замок кольца может быть прямым (для высокооборотных двигателей), косым или ступенчатым (для малооборотных и среднеоборотных). Основное уплотнение осуществляется двумя верхними кольцами, иногда с фиксирующими стопорами в двигателях с большим диаметром цилиндра. Форма компрессионных колец может быть прямоугольной или трапецеидальной с пояском из свинцовистой бронзы, обладающей антифрикционными свойствами и высоким коэффициентом теплопроводности. Кольца изготовляют из чугуна с повышенным содержанием фосфора для увеличения износостойкости; верхнее компрессионное кольцо иногда изготавливают из специальной стали.
В высокофорсированных двигателях при интенсивном износе нижней поверхности канавок поршня применяют сдвоенные противоизносные кольца. Повышение работоспособности колец достигается методами пористого хромирования, протачиванием канавок для аккумулирования масла, заливкой оловом или молибденовым покрытием, а также нанесением насечек для повышения упругости.
Шатун и кривошипно-шатунный механизм
Шатун предназначен для передачи силы давления газов, действующей на поршень, на шейку кривошипа коленчатого вала. На шатун действуют силы давления и инерции, зависящие от его массы и частоты вращения коленчатого вала.
Шатун состоит из верхней и нижней (мотылевой) головок, соединённых стержнем. Стержни могут иметь круглое (у малооборотных двигателей) или двутавровое (у высоко- и среднеоборотных) сечение (см. рис. 14 и 17). В тронковых двигателях шатун соединяется с поршнем при помощи поршневого пальца; верхняя головка шатунов в таких двигателях может быть неразъемной. Для повышения износостойкости головного подшипника шатуна используют хромирование, латунирование и фосфатирование. В двухтактных двигателях нагружаются только нижние половинки верхней головки. Нижняя головка шатуна, соединяющая его с коленчатым валом, часто выполняется разъемной (см. рис. 17) для удобства монтажа, что позволяет увеличить диаметр шатунной шейки вала. Шатунные болты изготовляют из легированной стали, а отверстия под них калибруются для точного крепления.
Коленчатый вал
Коленчатый вал является одной из наиболее ответственных и дорогостоящих деталей двигателя. Его стоимость может достигать 25 % стоимости всего двигателя, а срок службы определяет общую эксплуатационную долговечность агрегата. На вал действуют переменные нагрузки от давления газов, инерционных сил, а также значительные скручивающие и изгибающие моменты.
Коленчатый вал состоит (см. рис. 19) из рамовых и мотылевых шеек, соединённых между собой щеками. Рамовые шейки вращаются в рамовых подшипниках, а на мотылевых шеях закрепляются нижние головки шатунов, через которые передаются силы на вал. Крайняя кормовая шейка снабжена фланцем для присоединения потребителя мощности, а носовая часть используется для расположения приводов вспомогательных механизмов. Мотылевая (кривошипная) шейка, расположенная между щеками, вместе с ними образует кривошип, обеспечивая равномерное распределение вспышек в цилиндрах и равномерность нагрузки на рамовые подшипники.
Смазка подшипников коленчатого вала производится путём подачи масла через сверления в шейках, щеках и мотылевых шейках, далее масло поступает через каналы в шатун к его головному подшипнику и на охлаждение поршня. На небольших двигателях масло подводится только к крайнему рамовому подшипнику, откуда оно распространяется по валу. В крейцкопфных двигателях смазка мотылевых подшипников осуществляется через специальные отверстия в шатунах, а рамовых подшипников – из главной магистрали. Давление масла в подшипниках малооборотных двигателей составляет 0,4–0,5 МПа, в высокооборотных – до 0,9 МПа.
Коленчатые валы изготовляют из углеродистых сталей (для малооборотных двигателей) или из легированных сталей (с добавлением вольфрама, никеля, хрома, магния) для высокооборотных. Для повышения износостойкости поверхности шеек вал подвергается термической обработке (азотация, дробеструйный наклеп и т.д.). Иногда используются цельные литые чугунные валы или составные конструкции.
При работе двигателя коленчатый вал подвергается различным колебаниям – поперечным, продольным и крутильным. Особое внимание уделяется крутильным колебаниям, которые могут передаваться на редуктор и валопровод. Для их уменьшения применяют эластичные муфты и демпферы, поглощающие энергию колебаний.
Для получения дополнительной информации о кривошипно-шатунном механизме и других аспектах судовых двигателей посетите Seamen.es.\n\nЕсли вы хотите совмещать профессиональную деятельность с отдыхом на воде, рекомендуем обратить внимание на специальные предложения аренды катеров – узнайте подробности на Freewind.es