Блок-картер автомобильного двигателя
Такие составляющие остова мотора , как цилиндры с головками, картер, и некоторые иные неподвижные детали, находящиеся в корпусе, по инерции от масс и давления газами, совершают вращательные и возвратно-поступапательные движения, и собственно от этих сил начинают испытывать тепловые, упругие воздействия. Именно по этому поводу, детали, находящиеся в двигателе, как и остов самого двигателя, обязательно должны быть высокопрочными и жесткими.
Главный элемент корпусной части двигателя (остова) — это картер . Внутренняя его часть занята коленчатым валом и его опорами, а внешняя стороны оснащена цилиндрами. Также картер оснащен устройствами механизмов по газораспределению, различного рода узлами смазывающей системы (вместе с сетями ее каналов и нередко со специальной емкостью, предназначенной для масла), и иным оборудованием. К боковой стенке картера прикреплены кронштейнеры, либо лапы по установке двигателя непосредственно на подмоторную раму. К торцовой стенке прикреплен кожух от маховика. В 2-хтактных автомобилях с кривошипно-камерным типом продувки внутренняя часть картера применяется для продувания цилиндров. От количества цилиндров зависит такой показатель, как длина самого цилиндра. Поперечное сечение, находящееся во внутренней полости картера определяют исходя от радиуса кривошипа и размера шатуна.
В двигателе, у которого стоит жидкостное охлаждение блока цилиндров , представляется единая отливка вместе с верхней частью картера, из которых и образуется сам блок-картер .
Эта отливка имеет довольно большую жесткость в действии на силы инерции, силы давления газа, и его моментов. Повышенная жесткость у блок-картера дает безопасность на возможную деформацию коренных подшипников, гильз на цилиндре, а также и стыковой плоскости с головой цилиндра. Более того, для этой безопасности также внутренние перегородки с наружными стенками оборудованы из более тонкого слоя, это понижает значительно вес блок-картера , и соответственно, расход металла резко уменьшается.
По внешнему представлению блок-картер имеет вид формы коробчатого типа, который принимает на себя все прямые нагрузки, появляющиеся в процессе функционирования цикла работы, и которые действуют непосредственно на двигательный остов.
Немного о материале изготовления блока-картера . Его отливают либо из хорошего сплава алюминия со свойствами литейна, либо из специального легированного чугуна. При алюминиевом сплаве блок-картеры подвергаются искусственному износу в отливке. Но масса двигателя значительно уменьшается (примерно до 60 процентов), если отлив алюминиевый. Но, однако, стоит заметить, что огромный недостаток такого материала состоит в том, что при его функционировании происходят довольно значительные жаровые деформации, которые могут привести к видоизменению по форме опорной поверхности. Также довольно уменьшена прочность самого механизма при данной отливке.
Существует два вида картеров поршневого двигателя:
Стоит заметить, что разъемные картеры со своей плоскостью по горизонтали, и параллельные оси относительно коленвала, более популярны, нежели неразъемные.
2.1.1 Блок-картер
Блок-картер является основой корпусной деталью двигателя. Блок-картер стальной, сварно-литой [6]. Конструкция блок-картера дизеля типа 6ЧН 15/18 приведена на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 — Блок картер двигателя 6ЧН 15/18
Блок-картер закрыт снизу стальной ванной, служащей сборником масла. Вверху в блок вставлены чугунные втулки цилиндров с рубашками. Пространство между втулкой цилиндров и рубашками образует полость охлаждения [6].
Снизу к блоку крепятся подвески со стальными вкладышами с тонкослойной заливкой свинцовистой бронзы [6]. Такая конструкция обладает высокой продольной жесткостью при относительно небольшой массе.
2.1.2 Крышка цилиндров
Крышка цилиндра закрывает втулку цилиндра, а ее огневое днище вместе с поршнем и стенками втулки образует камеру сгорания [1].
Крышка цилиндра работает в условиях высокого давления продуктов сгорания топлива и больших температур, что приводит к возникновению в ней значительных динамических и тепловых напряжений [1].
Крышка цилиндра изготовлена из высокопрочного чугуна или стали, имеет насос-форсунку, пусковой клапан, два впускных и два выпускных клапана. Крышка цилиндра закрыта кожухом из алюминиевого сплава. Над кожухом расположены три крышки, образующие герметичное пространство, в котором расположен распределительный вал [6].
Конструкция остова обладает высокой жесткостью, но сварные швы в блок-картере могут служить концентраторами напряжения. Преимущество конструкции остова двигателя достигается тем, что конструкция обладает минимальным составом деталей, объединяются различные функции, выполняемые одним узлом.
2.2 Описание и анализ деталей движения двигателя
2.2.1 Коленчатый вал
Коленчатый вал служит для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное и передачи вращающего момента потребителю мощности [5]. Коленчатый вал дизеля, кованный из легированной стали [6].
Конструкция коленчатого вала дизеля типа 6ЧН 15/18 представлена на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 — Коленчатый вал двигателя 6ЧН 15/18
Коленчатый вал изготовлен из стали 18ХНВА, его вес в собранном виде без маховика и шатунов 92 кг, он имеет шесть Колен, расположенных попарно (1 и 6, 2 и 5, 3 и 4) в трех плоскостях под углом 120° друг к другу, с шестью шатунными и семью коренными пустотелыми шейками. Полости коренных и шатунных шеек сообщаются между собой через каналы, просверленные в щеках вала. В первой щеке коленчатого вала имеется три канала, из них два (параллельных плоскости щеки) служат для подвода масла из полости хвостовика вала в полость первой шатунной шейки, а третий — наклонный, с запрессованной трубкой — для подвода масла из полости первой шатунной шейки к первой коренной шейке. Все остальные щеки имеют по два канала, параллельных их плоскости. Такая конструкция, с перекрытием шеек, обеспечивает необходимую жесткость коленчатого вала [6].
2.2.2 Шатун
Шатун изготовлен из стали 18ХНВА и кругом обработан. Стержень шатуна имеет двутавровое сечение, увеличивающееся сверху вниз.
В отверстие верхней головки шатуна запрессована бронзовая втулка. Для смазки поршневого пальца в головке шатуна имеется шесть сквозных отверстии. В одно из них запрессован латунный трубчатый штифт, удерживающий втулку от проворачивания.
Нижняя головка шатуна разъемная. Ребристая крышка крепится к шатуну шестью шпильками и фиксируется буртом на головке шатуна и двумя цилиндрическими штифтами. Гайки шпилек нижней головки шатуна имеют номера и риски, соответствующие номерам и рискам на крышке. В расточке нижней головки зажат разъемный стальной вкладыш, залитый свинцовистой бронзой. Вкладыш шатуна. Стальной тонкостенный вкладыш залит свинцовистой бронзой. На его половинках имеются: на верхней — круглое и на нижней — овальное отверстия, в которые входят цилиндрические штифты, запрессованные в шатун и его крышку и предохраняющие вкладыш от осевых смещений [6].
Для чего предназначен блок картер
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.
Блок картер двигателя
Блок – картер является корпусной деталью, представляет собой чугунную отливку, верхняя часть которой образует блок цилиндров, а нижняя – верхнюю часть картера коленчатого вала. В верхней части блок – картера выполнены вертикальные расточки, в которых установлены гильзы цилиндров. Полость между стенками блок – картера и гильзами служит для прохода ОЖ. В поперечных перегородках нижней части блок – картера расточены поверхности, предназначенные для подвески коленчатого вала. Вместе с крышками они образуют постель для коренных подшипников коленчатого вала. Для обеспечения соосности коренных подшипников расточка постелей блок – картера производится в сборе с крышками с одной установки. Поэтому крышки коренных подшипников невзаимозаменяемые.
В передней стенке блок – картера запрессована бронзовая втулка, которая является передней опорой распределительного вала, две другие опоры расточены в теле блока.
На наружных боковых поверхностях блок – картера имеется ряд обработанных привалочных плоскостей для крепления сборочных единиц и агрегатов. К переднему торцу блок – картера крепится картер и крышка картера распределительных шестерен. К крышке картера крепится разъёмная передняя опора. К задней привалочной плоскости блок – картера крепится картер маховика. Картер маховика выполнен из алюминиевого сплава. Картер маховика дизелей со стартерным пуском – фланец для крепления картера. Установочная шпилька, ввёрнутая в резьбовое отверстие на картере маховика, служит для определения положения поршня первого цилиндра в в.м.т.
В связи с применением на дизелях охлаждения поршней маслом в блок – картере касательно каналу главной масляной магистрали выполнены четыре сверления, в которые устанавливаются форсунки. Выходя из сопла форсунки, струя масла омывает донышко поршня, охлаждая его.
Вкладыши коренных подшипников изготовлены из биметаллической полосы сталь – сплав А020 – 1.
Гильзы цилиндров съемные, “мокрого” типа, изготовлены из специального чугуна. Внутренняя поверхность гильзы закалена ТВЧ. Гильза устанавливается в блок – картер по двум центрующим пояскам: верхнему и нижнему. В верхнем пояске гильза закрепляется буртом, в нижнем уплотняется резиновыми кольцами, размещенными в канавках блок – картера.
Полость между стенками блока цилиндров и гильзами образует рубашку охлаждения, заполненную ОЖ.
Головка цилиндров лита из чугуна, общая для всех цилиндров. Для уплотнения плоскости разъёма между головкой и блоком цилиндров установлена прокладка из асбостального полотна. В головке выполнены впускные и выпускные каналы, закрываемые клапанами. Для совершенствования процесса смесеобразования впускные каналы в головке цилиндров дизелей выполнены по типу винтового канала, создающего вращательное движение воздушного заряда вокруг оси цилиндра. Для повышения износостойкости посадочных мест под клапаны головки цилиндров установлены седла из специального жаропрочного сплава. На головке цилиндров имеется четыре гнезда для установки форсунок. Внутренние полости, выполненные в головке цилиндров, служат для прохода ОЖ.
На головке монтируется клапанный механизм, который закрыт алюминиевым колпаком. Стык между колпаком и корпусом колпака уплотнён паронитовой прокладкой.