Текст книги "Мотоциклы"

Автор книги: Федор Жигарев

Соавторы: Сергей Карзинкин
сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 21 страниц)

3. Шатун

Шатун соединяет поршень с коленчатым валом и передает последнему давление газов. В зависимости от числа цилиндров двигателя, их расположения и формы коленчатого вала применяются шатуны в основном двух типов: одинарные и сдвоенные. Сдвоенные шатуны в свою очередь подразделяются на вильчатые и прицепные. Кроме того, шатуны отличаются по устройству большой головки: с целой или разъемной головкой. Малая головка всегда выполняется целой.

Во время работы двигателя шатун сжимается силой давления газов во время хода сжатия и рабочего хода. В конце хода выпуска и начале хода впуска поршень и связанные с ним поршневой палец и верхняя головка шатуна стремятся по инерции продолжать поступательное движение и растягивают шатун, связывающий их с коленчатым валом. Кроме действующих на шатун сил давления газов и сил, стремящихся растянуть шатун при изменении направления движения поршня, на шатун действуют также силы в плоскости его качания около поршневого пальца. При перемещении шатуна из одного бокового положения в другое он стремится продолжать свое движение в плоскости качания. Этому будет препятствовать кривошип, с которым связана большая головка шатуна, и поэтому шатун будет прогибаться в средней своей части в направлении качания. Исходя из этих условий работы, к шатунам предъявляются следующие требования:

1) Минимальный вес при максимальной прочности. Это достигается подбором соответствующего материала для изготовления шатуна и приданием шатуну формы, обеспечивающей ему высокую прочность. Обычно шатуны выполняются из высококачественной стали, а иногда из легкого сплава.

2) Минимальные размеры головок шатуна. Это необходимо для уменьшения их веса. Кроме того, при небольших размерах малой головки облегчается расположение головки между бобышками поршня и соединение ее с поршневым пальцем.

3) Шатун должен иметь плавные переходы как от головок к стержню, так и в самом сечении стержня. Это необходимо для увеличения прочности шатуна, так как при резких переходах возможность разрушения шатуна увеличивается.

4) Шатун должен иметь максимально обтекаемую форму, особенно у высокооборотных двигателей, так как в этом случае уменьшается сопротивление воздуха движению шатуна в картере двигателя.

На рис. 31 показано устройство шатуна двигателя мотоцикла М-72.

Рис. 31. Шатун двигателя мотоцикла М-72: 1 – малая головка; 2 – стержень шатуна; 3 – большая головка; 4 – выемка для выхода масла вверх; 5 – бронзовая втулка.

Шатун отштампован из стали. В его малую головку запрессована бронзовая втулка, через которую проходит поршневой палец. Для подвода масла к втулке в нижней части малой головки шатуна просверлены два отверстия. Стержень шатуна двутаврового сечения. Большая головка шатуна неразъемная и опирается на шатунную шейку через роликовый подшипник. Ролики подшипника соприкасаются непосредственно с внутренней поверхностью большой головки. Поэтому для получения прочного, мало изнашивающегося слоя внутренняя поверхность головки цементирована. Стержень шатуна не цементируется, так как в процессе работы двигателя он воспринимает большие нагрузки. Цементированный же слой стали при этом может дать трещину. На боковой поверхности большой головки выполнена небольшая выемка, которая при сборке шатуна с коленчатым валом должна быть обращена вверх. Эта выемка служит для вытекания масла из шатунного подшипника и интенсивного разбрызгивания масла в верхней части картера.

Шатун двигателя мотоцикла М-72 обладает тем недостатком, что при износе внутренней поверхности большой головки он должен быть заменен. Кроме того, цементация только рабочей поверхности большой головки шатуна усложняет производство шатунов, так как в этом случае перед цементацией необходимо омеднение всей нерабочей его поверхности.

Конструкция шатунов двигателей мотоциклов M1А и ИЖ-350 в основном аналогична конструкции шатуна двигателя мотоцикла М-72.

На рис. 32 показан шатун, выполненный из алюминиевого сплава, с разъемной большой головкой.

Рис. 32. Шатун из алюминиевого сплава.

Нижняя крышка головки – стальная и имеет ребро жесткости и две шпильки, которые проходят через отверстия в верхней половине головки. Крепление нижней половины головки к верхней осуществляется гайками, навертываемыми на шпильки. В большой головке устанавливаются тонкостенные вкладыши.

Разъемной большая головка выполнена потому, что шатунные шейки коленчатого вала имеют щеки, выполненные с ними за одно целое. Монтаж шатунов с неразъемной головкой на таком коленчатом валу невозможен.

На рис. 33 показано устройство сдвоенных вильчатых шатунов двухцилиндрового двигателя.

Рис. 33. Сдвоенный шатун.

Большая головка одного шатуна раздвоена и имеет форму вилки. Для увеличения жесткости обе половины вилки связаны между собой перемычкой. Шатун опирается на шатунный палец коленчатого вала через два роликовых подшипника. Наружными обоймами этих роликовых подшипников являются две стальные термические обработанные втулки, запрессованные в обе половины вилки большой головки. Между половинами вилок шатуна вводится большая головка другого шатуна, имеющая обычную форму. Большая головка второго шатуна также опирается на шатунный палец через роликовый подшипник. Оба шатуна выполнены из стали и имеют стержни двутаврового сечения.

В остальном сдвоенные вильчатые шатуны ничем не отличаются от устройства ранее описанных шатунов.

Большие головки шатунов опираются на шатунные шейки (пальцы) коленчатого вала через подшипники качения (роликовые и игольчатые) или через подшипники скольжения (вкладыши или втулки, покрытые внутри антифрикционным сплавом).

На ряде современных, особенно многоцилиндровых, мотоциклетных двигателей в большой головке шатуна устанавливаются подшипники скольжения. Это вызвано желанием отказаться от составного коленчатого вала, в конструкции которого имеются некоторые недостатки (о чем будет сказано ниже), а также тем, что роликовые подшипники имеют повышенный износ, обусловленный многооборотностью современного мотоциклетного двигателя.

Ролики подшипника большой головки шатуна вследствие центробежной силы, вызываемой вращением кривошипа вокруг оси коленчатого вала, стремятся удалиться от центра вращения и давят на сопряженные с ним детали. При больших числах оборотов коленчатого вала современных мотоциклетных двигателей давление, вызываемое роликами, может достигнуть такой величины, что будет вытеснена пленка масла и наступит быстрый износ роликов и рабочих поверхностей деталей, составляющих роликовый подшипник большой головки шатуна.

Подшипник скольжения этому недостатку не подвержен, но он требует больше смазки и более чувствителен к недостатку масла, чем роликовый подшипник. Поэтому рабочая часть подшипника скольжения покрывается сплавом, способном в некоторой степени аккумулировать в своей поверхности масло. Таким сплавом является свинцовистая бронза, алюминий и др. В некоторых случаях, когда шатун и его нижняя крышка выполняются из алюминиевого сплава, вкладыши не применяются и рабочими поверхностями подшипника служат непосредственно поверхности шатуна и нижней крышки его.

Достоинством роликовых подшипников являются небольшие потери на трение, незначительный износ при нормальных нагрузках, а также неприхотливость к смазке. Смазка должна быть умеренной, так как чрезмерная смазка повышает трение и вызывает перегрев подшипников.

Основными недостатками роликовых подшипников являются большие габариты и невозможность их разъема. Большие габариты подшипников требуют в свою очередь увеличения размеров большой головки шатуна. Невозможность разъема подшипников затрудняет их монтаж на коленчатом валу, что в свою очередь усложняет устройство коленчатого вала.

В некоторых случаях на двухтактных двигателях в качестве шатунных подшипников применяют игольчатые. Игольчатые подшипники дают большие потери на трение, чем обычные роликовые. Это вызвано тем, что игольчатые подшипники имеют радиальный зазор, как у обычного подшипника скольжения. При положении роликов в ненагруженной части подшипника скорость вращения их уменьшается до минимальной. При входе ролика в нагруженную часть подшипника скорость его вращения постепенно доходит до максимальной. Разгон ролика от минимальной до максимальной скорости происходит со скольжением, что и вызывает увеличение потерь на трение.

Роликовые и игольчатые подшипники находят наибольшее применение в больших головках шатуна, так как они хорошо выдерживают ударные нагрузки.

Шариковые подшипники в больших головках шатунов не применяются, так как на подшипник вредно действуют резко меняющиеся по величине и направлению усилия, в результате чего шарик сильно деформируется и, следовательно, подшипник быстро выходит из строя.

4. Коленчатый вал

Основное назначение коленчатого вала – преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное, а силы давления газов на поршень в крутящий момент.

Во время работы двигателя на коленчатый вал действуют центробежные силы, а также переменные нагрузки от давления газов и силы инерции. Таким образом, во время работы коленчатый вал подвержен большим нагрузкам постоянного и переменного характера. Переменные, резко меняющиеся нагрузки вызывают изгиб и закручивание коленчатого вала.

Коленчатые валы мотоциклетных двигателей должны отвечать следующим требованиям:

1) Быть прочными, долговечными и достаточно легкими.

2) Изготовляться с большой точностью и из материала, обеспечивающего небольшой износ коренных и шатунных шеек.

3) Снабжаться противовесами для уравновешивания двигателя и загрузки коренных подшипников, чтобы уменьшить действия центробежных сил.

4) Иметь обтекаемую форму для уменьшения потерь на вращение.

Прочность и долговечность коленчатого вала при достаточной легкости достигаются изготовлением его из качественной стали. Форма элементов коленчатого вала и способы их соединения играют здесь большую роль. При легкости коленчатого вала уменьшается общий вес двигателя, а также уменьшается нагрузка на коренные подшипники.

Наличие противовесов на коленчатых валах мотоциклетных двигателей вызвано необходимостью уравновесить центробежные силы вращающихся частей коленчатого вала и силы инерции возвратно-поступательно движущихся частей.

При отсутствии противовеса неуравновешенные силы вращающихся частей, действуя на опоры коленчатого вала, а через них на картер двигателя и на его опоры, вызывают тряску двигателя, расположенного на упругих опорах. Это объясняется тем, что направление действия неуравновешенных центробежных сил постоянно меняется и опоры вала, а через них и опоры двигателя воспринимают нагрузку, переменную по направлению.

Точно так же неуравновешенные силы инерции возвратно-поступательно движущихся частей, действуя в плоскости осей цилиндров, вызывают тряску двигателя. Для уравновешивания этих сил массы противовеса располагают диаметрально противоположно массам шейки, шатунной шейки с шатуном и поршнем. Противовесы уменьшают воздействие центробежных сил и сил инерции на опоры коленчатого вала и таким образом разгружают подшипники.

Все коленчатые валы мотоциклетных двигателей можно разбить на две основные группы: составные и цельные.

Составным называется коленчатый вал, состоящий из отдельных частей, скрепленных между собой. Цельным называется коленчатый вал, выполненный из одного куска металла.

Составные валы делятся в свою очередь на разборные и неразборные. Наиболее распространены неразборные коленчатые валы, состоящие из двух маховиков, соединенных между собой шатунным пальцем. В центре каждого маховика установлены коренные пальцы.

Трудность соблюдения соосности коренных шеек при сборке является основным недостатком большинства составных коленчатых валов. Сборка составных коленчатых валов может быть произведена только при наличии специального приспособления.

Коленчатый вал двигателя мотоцикла М1А (рис. 34) состоит из двух маховиков с противовесами, полого шатунного пальца, двух коренных пальцев и крышек маховиков.

Рис. 34. Коленчатый вал двигателя мотоцикла М1А: 1 – коренной палец; 2 – боковая крышка маховика; 3 – маховик; 4 – шайба; 5 – ролики; б – шатунный палец; 7 – шатун.

Крышки, закрывая боковые углубления в маховиках, увеличивают их обтекаемость.

В маховиках имеются цилиндрические отверстия для шатунного и коренного пальцев.

На коренном и шатунном пальцах выполнены мелкие канавки, которые при запрессовке пальцев в маховик обеспечивают большую прочность посадки. Средняя, утолщенная часть шатунного пальца является беговой дорожкой для роликов шатунного подшипника.

Коленчатый вал двигателя мотоцикла ИЖ-350 (рис. 35) отличается от коленчатого вала двигателя мотоцикла M1А тем, что на его шатунном пальце нет выступающей беговой дорожки для роликов шатунного подшипника и канавок для более прочной посадки в отверстия маховика.

Рис. 35. Коленчатый вал двигателя мотоцикла ИЖ-350.

Более сложные коленчатые валы применяются для двигателей, у которых цилиндры расположены в ряд или один против другого. В качестве примера можно привести устройство коленчатого вала двигателя мотоцикла М-72 (рис. 36).

Рис. 36. Коленчатый вал двигателя мотоцикла М-72.

Этот вал составной, неразборный и состоит из передней щеки с противовесом и передней коренной шейкой; шатунного пальца шатуна левого цилиндра; средней щеки с двумя отверстиями для шатунных пальцев шатунов правого и левого цилиндров; шатунного пальца шатуна правого цилиндра; задней щеки с противовесом и задней коренной шейкой.

В передней коренной шейке имеется шпоночная канавка для крепления шестерни привода распределения. Крепление шестерни осуществляется шайбой, в которую упирается головка крепежного болта, ввертываемого в днище полой коренной шейки. На внешней поверхности шейки имеются три отверстия, в которые ввертываются винты, крепящие на ней маслосборный диск. Маслосборный диск служит для подачи масла в полость шатунного пальца. Шатунный палец представляет собой стальной стакан, своим отверстием направленный в сторону маслосборного диска. Одним концом он запрессован в отверстие передней щеми, а другим концом, имеющим днище, – в отверстие средней щеки. Шатунный палец шатуна правого цилиндра также запрессован в среднюю и заднюю щеки и его торцовое отверстие обращено в сторону заднего маслосборного диска. Задняя коренная шейка имеет конус со шпоночной канавкой для посадки маховика.

Крепление маховика осуществляется болтом, ввертываемым в торец коренного пальца. Головка болта от отвертывания удерживается стопорной шайбой.

5. Маховики и противовесы

В процессе работы двигателя маховик периодически (во время рабочего хода) накапливает живую силу, которая используется для поддержания равномерности хода двигателя, для трогания мотоцикла с места и совершения работы по впуску горючей смеси в цилиндры двигателя, сжатию ее и выпуску отработавших газов. Кроме того, живая сила маховика облегчает преодоление давления сжатия при запуске двигателя.

У мотоциклетных двигателей устройство и способы размещения маховиков на коленчатом валу многообразны. По устройству и размещению маховики в основном могут быть сведены к двум типам:

1) маховики, образующие собой щеки коленчатого вала;

2) маховики, вынесенные из картера и закрепленные на конце коленчатого вала.

Наибольшее распространение в мотоциклетных двигателях получили маховики, образующие собой щеки коленчатого вала. В центре маховиков расположены коренные пальцы. На некотором расстоянии от центра в маховиках выполнены отверстия для установки крепления в них шатунного пальца, связывающего оба маховика. При таком выполнении коленчатого вала маховики располагаются в картере двигателя, вследствие чего уменьшается внутренняя полость картера. Поэтому в данном случае увеличиваются габариты картера, так как маховики обладают значительным весом, а следовательно, и объемом для поддержания равномерности хода двигателя.

Примером маховика, расположенного вне картера и закрепленного на конце коленчатого вала, может служить маховик двигателя мотоцикла М-72. Маховик этого двигателя вынесен из картера двигателя и закреплен на заднем конце коленчатого вала путем посадки на конус со шпонкой и гайкой.

6. Картеры

Картер мотоциклетного двигателя служит опорой для основных деталей двигателя, а также для размещения масла. Внутренние детали двигателя защищаются стенками картера от действия внешней среды и от загрязнения. Для уменьшения веса картеры выполняются из алюминиевого сплава.

Картеры разделяются на сухие и мокрые. Сухими называются такие картеры, в которых находится минимальное количество масла, а весь запас масла хранится в масляном баке. Мокрыми называются картеры, в которых постоянно находится весь запас масла, необходимого для смазки двигателя.

Наибольшее преимущество имеют сухие картеры. Это объясняется следующим:

– масло находится в баке и непродолжительное время соприкасается с горячими стенками картера; следовательно, к трущимся поверхностям подается достаточно вязкое масло:

– масло непродолжительное время соприкасается с горячим воздухом в картере двигателя и поэтому мало окисляется; срок службы масла увеличивается, так как его качества сохраняются дольше.

По устройству картеры делятся на разъемные и неразъемные. Плоскость разъема картера обычно расположена перпендикулярно оси коленчатого вала.

К числу разъемных картеров относятся картеры двигателей мотоциклов M1А, ИЖ-350 и др.

На рис. 37 представлен картер двигателя мотоцикла М1А.

Рис. 37. Картер двигателя мотоцикла M1А: 1 – правая половина картера; 2 – левая половина картера; 3 – отсек коленчатого вала; 4 – отсек коробки передач; 5 – продувочные окна; 6 – пробка с контрольным стержнем для проверки уровня масла; 7 – шпилька для крепления цилиндра; 8 – отверстия для болтов крепления двигателя на раме.

Картер выполнен вместе с картером коробки передачи из алюминиевого сплава. В правой и левой половинах картера имеются гнезда для подшипников коленчатого вала и плоскость для установки цилиндра. Обе половины картера стягиваются болтами.

В отличие от картера двигателя мотоцикла М1А, картер двигателя мотоцикла М-72 (рис. 38) выполнен в одной отливке.

Рис. 38. Картер двигателя мотоцикла М-72: 1 – картер; 2 – крышка распределительных шестерен; 3 – передняя крышка; 4 – отверстие для шестерни привода масляного насоса; 5 – клапанная коробка; 6 – маслоналивная горловина; 7 – площадка для фланца цилиндра.

На передней стенке картера имеются гнезда для подшипников коленчатого вала и кулачкового валика и окно для ввода конца вала генератора с шестерней. На передней стенке картера выполнена также коробка распределения, в которой размещаются шестерни коленчатого вала, кулачкового валика и генератора. Коробка закрывается крышкой, на внешней стенке которой расположен прерыватель-распределитель, закрытый кожухом. Между бортами коробки и крышки установлена уплотняющая прокладка. Снизу картер закрывается поддоном, в котором имеется пробка для слива масла из картера. На левой стороне картера расположена плоскость крепления левого цилиндра и горловина для заливки масла в картер. С правой стороны картера также имеется плоскость для крепления правого цилиндра. В задней части картера имеется окно, через которое монтируется коленчатый вал с шатунами. Это окно закрывается фланцем, в центре которого расположено гнездо для заднего коренного подшипника. Картер крепится к раме двумя анкерными болтами, проходящими через отверстия в его нижней части.

Глава V
ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ

1. Процесс газораспределения

Газораспределением мотоциклетного двигателя называется периодическое действие впускных и выпускных органов, обеспечивающих наполнение цилиндров горючей смесью и удаление из них отработавших газов.

При рассмотрении рабочего процесса, происходящего в цилиндре двигателя, было выяснено, что для обеспечения максимального наполнения цилиндров горючей смесью и наилучшего освобождения цилиндров от отработавших газов, а следовательно, получения максимальной мощности впуск в цилиндры горючей смеси и выпуск отработавших газов должны быть строго согласованы (для каждого данного момента) с положением поршня в цилиндре двигателя.

Наполнение цилиндра горючей смесью и освобождение его от отработавших газов зависят не только от сопротивления каналов, по которым выходят из цилиндра газы и поступает в него свежая горючая смесь, но и от времени, отведенного на впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов, и от момента начала и конца впуска и выпуска.

Период действия системы впуска и выпуска за один рабочий цикл, выраженный в градусах угла поворота коленчатого вала относительно мертвых точек, носит название фазы газораспределения.

В качестве примера можно привести фазы газораспределения двигателя мотоцикла М-72.

Начало впуска – 76° до ВМТ.

Конец впуска – 92° после НМТ.

Период впуска – 348°.

Начало выпуска – 116° до НМТ.

Конец выпуска – 52° после ВМТ.

Период выпуска – 348°.

Перекрытие клапанов – 128°.