ПОРШНИ, ПОРШНЕВЫЕ КОЛЬЦА И ПАЛЬЦЫ

ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ

Целью практического занятия является изучение конст­рукции двигателей ВАЗ -2101, 2103, 2106, 21011 и основных систем.

При изучении используются: настоящее пособие, раз­резной макет, плакат, узлы и детали двигателя и агрегатов ВАЗ - -2101, разрезные макеты и плакаты других двигателей внут­реннего сгорания для сравнения используемых в изучаемом двигателе конструктивных решений с другими вариантами. Это позволяет проанализировать мотивы принятых конструк­тивных решений, выяснить достоинства и недостатки изучае­мых конструкций и в итоге обобщить опыт проектирования двигателей внутреннего сгорания различного назначения.

Для студентов специальностей 101200 «Двигатели внут­реннего сгорания» и 130207 «Авиационные двигатели и энергетические установки» (специализации "Авиационные двигатели внутреннего сгорания) рекомендуется следующая последовательность проведения занятия:

1. По настоящему пособию изучить назначение и устройство основных элементов и узлов двигателя;

2. На макете и плакате найти основные узлы и детали, рас­смотреть механизм их взаимодействия и конструктивные особенности;

3. Для деталей одинакового назначения, имеющих на разных двигателях различные конструктивные исполнения, сделать заключение о возможных причинах этих отличий;

4. По указанию преподавателя выполнить эскизы отдельных элементов двигателя;

5. Подготовить ответы на контрольные вопросы;

6. По ходу работы делать необходимые записи в тетрадь лабо­раторных работ.

Практическое занятие рассчитано на 4 часа и проводит­ся в кабинете конструкции двигателей внутреннего сгорания. За 15 мин. до окончания работы нужно быть готовым к опросу.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДВИГАТЕЛЕ

Поршневые четырехтактные четырехцилиндровые (с рядным расположением цилиндров) бензиновые двигатели ВАЗ -2101, 21011, 2105, 2103, 2107, 2106 используются в лег­ковых автомобилях «Жигули» ВАЗ - 2101 - 2107, 2121. Двига­тели имеют водяное охлаждение и карбюраторную топливную систему. Конструктивно перечисленные двигатели имеют лишь незначительные отличия.

Основные параметры двигателей:

Параметр	Ед. изм		21011, 2105
Диаметр цилиндра	мм
Ход поршня	мм
Рабочий объем	см
Степень сжатия		8,8	8,5	8,5	8,5
Номинальная мощ­ность	КВт (л.с.)	47 (64)	50,7 (69)	52,5 (71,4)	54,8 (74,5)
при частоте вращен.	1/мин
Макс, крутящий мо­мент, при частоте вращен.	Н-м   1/мин	87,3	94,1	105,9	121,6
Порядок работы		1-3-4-2
Масса	кг
Габаритные размеры	мм	690x327x452
Топливо		АИ-93, АИ-92, АИ-91 1-93, АИ-92, АИ-91
Расход топлива на 100 км пробега на скорости 90 км/ч	л	6,5	6,7	6,9	6,8

 

КРИВОШИПНО - ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ И БЛОК

ЦИЛИНДРОВ

К кривошипно - шатунному механизму двигателя отно­сятся: блок цилиндров, головка блока, поршни, поршневые пальцы и кольца, шатуны, коленчатый вал, коренные и шатун­ные подшипники, маховик и масляный картер.

БЛОК ЦИЛИНДРОВ двигателя ВАЗ составляет одно целое с верхней частью картера. Он отлит из специального легированного чугуна с высокими механическими свойствами. Для увеличения жесткости блока плоскость разъема картера расположена ниже оси коленчатого вала на 50 мм. Расстояние между осями цилиндров составляет 95 мм; по всей высоте ци­линдров сделаны протоки для охлаждающей жидкости, благо­даря чему обеспечивается интенсивный отвод тепла, улучшается охлаждение поршней и поршневых колец, не­сколько снижается температура моторного масла и уменьша­ется вероятность деформаций блока от неравномерного нагрева.

В верхней части цилиндров у некоторых блоков могут быть запрессованы короткие сухие гильзы длиной 40 мм со стенками толщиной 1,75 мм. Они отлиты из специального вы­соколегированного чугуна аустенитнои структуры, который отличается повышенной износостойкостью. При эксплуатации гильзы не выпрессовывают, а их обработку (растачивание и хонингование) при ремонтах производя совместно, т. е. также, как цилиндров, не имеющих гильз.

Водяная рубашка блока цилиндров сообщается с ру­башкой головки блока через специальные отверстия в плоско­сти их стыка. Стык уплотняется прокладкой.

В передней части блока имеется полость для цепной передачи, приводящей в движение распределительный вал и дополнительный вал привода масляного насоса, прерывателя -

 

 

распределителя и бензонасоса. В передней части полости име­ется окно, закрываемое крышкой привода распределительного вала. Для крепления крышки передний торец блока снабжен фланцем с девятью резьбовыми отверстиями. Справа на блоке цилиндров расположены приливы с отверстиями для крепле­ния водяного насоса, кронштейна генератора и кронштейна крепления подвески двигателя. С левой стороны блок имеет развитый прилив, в котором размещен дополнительный вал привода масляного насоса, прерывателя - распределителя, бен­зинового насоса и маслоотражатель системы вентиляции кар­тера. Чуть ниже расположены: прилив с отверстием для маслоизмерительного стержня (щупа), фланец крепления кронштейна подвески двигателя и резьбовое отверстие для пробки слива охлаждающей жидкости из водяной рубашки блока цилиндров.

Задняя часть блока цилиндров имеет развитые крон­штейны и отверстия для крепления картера сцепления, кото­рый фиксируется относительно блока двумя установочными втулками, входящими в крайние боковые отверстия, и крепит­ся к нему четырьмя болтами. Непосредственно к обработанно­му торцу задней части блока привернута шестью болтами крышка уплотнения задней коренной шейки коленчатого вала.

Если взглянуть на блок цилиндров снизу, можно уви­деть пять опор для вкладышей коренных подшипников колен­чатого вала. Крышки коренных подшипников обрабатывают окончательно под вкладыши совместно с блоками, и поэтому они невзаимозаменяемы. Для обеспечения их правильного расположения при сборке на них нанесены метки с номерами соответствующих опор. Каждая крышка крепится двумя бол­тами.

По периметру нижней части блок имеет обработанный фланец, к которому девятнадцатью болтами прикреплен стальной штампованный масляный картер (поддон). Гермети­зация внутренней полости блока в местах стыка передних и

 

 

задних крышек и масляного картера осуществляется проклад­ками; передний и задний концы коленчатого вала уплотняются резиновыми манжетами, надежность переднего уплотнения повышена дополнительно лабиринтным устройством.

В процессе эксплуатации блок цилиндров требует пе­риодической проверки затяжки болтов и гаек, наблюдения за герметичностью в манжетных уплотнениях коленчатого вала и соединениях с уплотнительными прокладками.

В зависимости от фактического диаметра цилиндра, по­лученного в процессе его доводки, для более точного обеспе­чения оптимальной величины зазора между цилиндрами и поршнями, цилиндры делятся на пять размерных классов через 0,01 мм. При изготовлении нового двигателя поршни нор­мального диаметра подбирают к соответствующим цилиндрам, класс которых обозначен буквами с правой стороны блока. С целью увеличения срока службы двигателя при его ремонте предусматривается возможность расточки цилиндров блока для использования поршней ремонтных размеров, имеющих ремонтное увеличение: первое - 0,2 мм, второе - 0,4 и третье -0,6 мм. Цилиндры растачивают в том случае, если зазоры меж­ду юбкой поршня и цилиндром достигают 0,15 мм.

При ремонте предусмотрена возможность замены биме­таллических втулок вала привода масляного насоса, которые при наличии задиров на рабочей поверхности, ее овальности или проворачивании втулок в гнездах должны быть выпрессо-ваны и заменены новыми. Окончательная обработка втулок при замене производится только после их запрессовки.

ГОЛОВКА БЛОКА ЦИЛИНДРОВ, отлитая из алюми­ниевого сплава, - общая для всех цилиндров. Головка крепится к блоку десятью болтами. Между блоком и головкой установ­лена металлоасбестовая прокладка. Затяжку болтов головки производят на холодном двигателе, так как требуемое уплот­нение обеспечивается только за счет некоторого предвари-

тельного натяга, учитывающего разницу коэффициентов ли­нейного расширения стальных болтов и алюминиевой головки блока.

В головке блока имеются камеры сгорания, впускные и выпускные каналы, резьбовые отверстия для установки свечей зажигания и протоки для охлаждающей жидкости. Седла и направляющие втулки клапанов, изготовленные из специаль­ного жаростойкого чугуна, вставляют в предварительно нагре­тую головку охлажденными, благодаря чему обеспечивается натяг.

Расположение клапанов (а, следовательно, осей их се­дел и втулок) - рядное, наклонное под углом 20° к плоскости осей цилиндров.

В передней части головки имеется полость для разме­щения цепного привода распределительного вала и натяжите-ля цепи.

Прилегающая к блоку плоскость головки и полуклино­вые камеры сгорания механически обработаны. Этим достига­ется необходимая чистота поверхности и практически одинаковый объем камер.

Площадь оснований камер сгорания меньше площади днищ поршней, благодаря чему при движении поршней вверх обеспечивается интенсивное завихрение горючей смеси, а, следовательно, улучшается процесс ее горения. С левой сторо­ны головки блока расположены четыре резьбовых отверстия для свечей зажигания. С правой стороны находится фланец с резьбовыми отверстиями для шпилек крепления впускного и выпускного коллекторов; здесь же смонтированы трубопрово­ды системы охлаждения.

Сверху на головке имеются площадки и отверстия для направляющих втулок клапанов, опорных шайб клапанных пружин, втулок опор рычагов и корпуса подшипников распре­делительного вала. Верхняя часть головки закрывается крыш-

кой, закрепленной восемью шпильками с гайками. Необходи­мое уплотнение стыка обеспечивается прокладкой, зажатой между фланцами головки и крышки.

ПОРШНИ, ПОРШНЕВЫЕ КОЛЬЦА И ПАЛЬЦЫ

ПОРШНИ отлиты из алюминиевого сплава. У них пло­ские днища и неразрезные юбки овальной в поперечном сече­нии формы. Благодаря овальности, достигающей 0,2 мм и конусности (в верхней части диаметр юбки меньше, чем в нижней на 0,045 мм) расширение поршня при нагревании не вызывает его заклинивания, так как компенсируется уменьше­нием овальности и конусности его юбки. Для улучшения при­работки рабочую поверхность поршня покрывают тонким слоем олова. В теле поршня находятся залитые туда две сталь­ные терморегулирующие пластины, которые способствуют наиболее рациональному распределению температуры и, кро­ме того, увеличивают его механическую прочность.

В нижней части юбки сделаны боковые выемки, чтобы противовесы коленчатого вала не касались поршня.

Бобышки с отверстиями под поршневой палец для уве­личения жесткости связаны с днищем ребрами; снаружи во­круг бобышек размещены холодильники. Ось отверстия под палец смещена относительно диаметральной плоскости порш­ня на 2 мм. Это позволяет исключить удары поршня о стенки цилиндра при изменении направления движения в верхней мертвой точке при рабочем ходе.

Для установки поршневых колец служат три кольцевые канавки. В двух верхних находятся компрессионные кольца, а в нижней - маслосъемное. Эта канавка соединена с внутренней полостью поршня четырьмя прорезями, через которые излиш­няя смазка, снимаемая маслосъемным кольцом, отводится в картер.

 

 

 

Действие этого кольца усиливается благодаря тому, что нижняя кромка его канавки снабжена фаской. Весит поршень около 335 г и точная подгонка по весу (разница не более 2,5 г на одном двигателе) достигается за счет снятия металла с ниж­ней стороны бобышек.

При сборке поршни разбиваются на пять размерных классов в зависимости от максимального диаметра юбки, при­чем разница диаметров у смежных групп не превышает 0,01 мм.

В зависимости от диаметра под поршневой палец поршни делятся еще на три категории. Подобная градация не­избежна при массовом производстве, когда применяется се­лективная сборка, позволяющая получить наивыгоднейшие посадки в соединениях без ущерба для качества продукции и без удорожания изделий. В запасные части поставляются поршни трех размерных классов.

С наружной стороны поршня (в углублении холодиль­ника) находится метка «П», которая при сборке двигателя должна быть обращена к его передней части, так как в против­ном случае поршневой палец будет смещен в противополож­ную сторону, что вызовет стуки и повышенное трение поршня о стенки цилиндра.

ПОРШНЕВЫЕ КОЛЬЦА двигателя изготовлены из специального чугуна. Их конструкция и применяемые при производстве технологические процессы обеспечивают высо­кую износостойкость деталей и эффективность их работы.

У верхнего компрессионного кольца с номинальной вы­сотой 1,5 мм и радиальной шириной 3,3 мм выпуклая рабочая поверхность со скругленными кромками покрыта тонким сло­ем хрома (не менее 0,08 мм). Этот слой обеспечивает кольцу высокую износостойкость. Зазор в замке у кольца, установлен­ного в цилиндр с номинальным диаметром, должен составлять 0,2... 0,35 мм.

Среднее компрессионное кольцо сделано с одним скребкообразным выступом, благодаря которому оно одновре­менно является и маслосъемным. Его цилиндрическая наруж­ная поверхность фосфатирована для повышения износостойкости и уменьшения трения о цилиндр. Номиналь­ная высота кольца 2 мм, а радиальная ширина 3,3 мм.

Нижнему маслосъемному кольцу придан специальный профиль: наружная цилиндрическая поверхность имеет два скребкообразных выступа, расположенных по краям кольца, а средняя часть, являющаяся проточкой, сообщается с внутрен­ней поверхностью восемью прорезями. Снимаемое верхним скребком масло сбрасывается в проточку, а оттуда протекает в канавку поршня и далее через внутреннюю полость поршня стекает в масляный картер.

На внутренней цилиндрической поверхности кольца проточена конусная, со скругленной вершиной канавка, в ко­торой устанавливается специальная стальная расширительная пружина - эспандер. Эта пружина, разжимая изнутри кольцо, прижимает его (независимо от того, насколько оно изношено) к стенке цилиндра.

Высота кольца 3,925... 3,937 мм, а его радиальная ши­рина с пружиной и без нее соответственно равна (по номина­лам) 3,85 и 2,5 мм. Перед сборкой колец с поршнями между ними и канавками проверяется величина зазора по высоте, ко­торая не должна превышать 0,15 мм.

При установке поршней в цилиндры замки колец долж­ны быть развернуты в разные стороны для уменьшения про­пуска газов.

ПОРШНЕВЫЕ ПАЛЬЦЫ - стальные, пустотелые, с толщиной стенки около 3,5 мм. Их номинальный наружный диаметр равен 22 мм, а длина - 67 мм.

От осевого перемещения палец зафиксирован горячей его посадкой в верхней головке шатуна, которая при сборке

 

 

 

предварительно нагревается до 240 °С, благодаря чему в соединении обеспечивается гарантированный натяг.

В зависимости от наружного диаметра поршневые пальцы делятся на три категории для сборки в соответствии с тремя размерными категориями поршней. Наружная поверхность пальцев подвергается цементации и термической обработке для достижения высокой поверхностной твердости.

Заводом предусмотрен выпуск поршней и колец к ним, имеющих ремонтное увеличение 0,2; 0,4 и 0,6 мм и предназначенных для установки в блоки, цилиндры которых расточены на соответствующие размеры. Поршневые же пальцы выпускаются двух ремонтных размеров, имеющих увеличение 0,2 и 0,5 мм.

Поршни увеличенных ремонтных размеров не делятся на категории по размерам отверстий для поршневых пальцев.

ШАТУН двигателя - стальной, кованый, со стержнем двутаврового сечения.

В верхней головке выполнено отверстие с номинальным диаметром 22 мм для поршневого пальца, который в отличие от выпускавшихся ранее в нашей стране двигателей имеет в шатуне неподвижную посадку. Необходимый натяг в соединении шатун - поршневой палец обеспечивается допусками при изготовлении деталей и нагреванием верхней головки шатуна при сборке до температуры +240°С.

Нижняя головка шатуна - разъемная, с диаметральной плоскостью разъема, лежащей перпендикулярно к оси шатуна. Ее крышка крепится двумя болтами с резьбой М 9х1 и самоконтрящимися гайками.Гайки шатунных болтов при сборке затягиваются равномерно; номинальное значение момента 52 Н-м.

 

 

Для обеспечения точного центрирования болты имеют шлифованную с высокой точностью цилиндрическую часть (призонный участок).

Окончательная обработка отверстия в нижней головке шатуна под вкладыши производится в собранном виде. Поэтому перестановка крышек с одного шатуна на другой совершенно недопустима. Для обеспечения плавной работы двигателя шатуны в сборе с крышками подгоняются по весу засчет снятия металла со специальных бобышек на верхней головке и крышке шатуна.

В нижней головке шатуна устанавливаются взаимозаменяемые тонкостенные сталеалюминиевые вкладыши, которые удерживаются от проворачивания выступами, входящими в специальные пазы, имеющиеся в теле шатуна.

В верхней части нижней головки шатуна имеется сквозное отверстие диаметром 1,5 мм через которое при работе двигателя на зеркало цилиндра разбрызгивается масло.

При сборке двигателя это отверстие должно быть направлено вперед, а имеющаяся на нижних головках и крышках маркировка с обозначением номеров цилиндров должна находиться слева, если смотреть на двигатель спереди.

При разборке двигателя во время эксплуатации следует помнить, что все детали приработались по своим местам, и поэтому их необходимо пометить так, чтобы при последующей сборке случайно не поменять между собой.

В шатуне, собранном с поршнем и кольцами, необходимо проверить посадку поршневого пальца. Это соединение считается нормальным и пригодным для дальнейшей эксплуатации, если приложение усилия в 4 кН не вызовет перемещения пальца в отверстии головки шатуна. Кроме того, контролируется перпендикулярность осей деталей, входящих в узел.Тонкостенные вкладыши шатунных подшипников проверяются внешним осмотром. Они не должны иметь разруше-

ния антифрикционного слоя и механических повреждений. Между вкладышами и шейками коленчатого вала должен быть зазор, нормальная величина которого 0,036... 0,086 мм. Если зазор больше 0,1 мм надо заменить вкладыш или перешлифовать шатунные шейки коленчатого вала на один из уменьшенных (ремонтных) размеров.

Перешлифованные валы могут быть собраны с шатунными вкладышами четырех ремонтных размеров.

КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ ДВИГАТЕЛЯ отлит из специального высокопрочного чугуна, имеющего твердость по прибору Бринелля НВ = 235...265 ед. Вал полноопорный с пятью коренными и четырьмя шатунными шейками. Номинальный диаметр коренных шеек вала 51 мм, а шатунных - 48 мм. Для повышения износостойкости рабочие поверхности коренных и шатунных шеек закалены токами высокой частоты на глубину 2...2,3 мм до твердости по прибору Роквелла НКС = 50 ед. Щеки коленчатого вала, прилегающие к 1, 3 и 5- и коренным шейкам, имеют развитые противовесы.

В теле вала просверлены масляные каналы, по которым подводится к шатунным подшипникам смазка. Благодаря применению полноопорного вала масло к шатунным шейкам подается от 1, 2, 4 и 5-й коренных шеек; таким образом, исключены неблагоприятные условия, при которых возникает "масляное голодание" у неполноопорных валов. Технологические выходы сверлений заглушены четырьмя запрессованными в них пробками, которые при ремонтах должны выниматься для удаления отложений.

Вкладыши коренных подшипников - тонкостенные, сталеалюминиевые, с радиальными отверстиями для прохода масла. Верхние и нижние вкладыши каждого подшипника одинаковы.

Вкладыши 1, 2, 4 и 5-го подшипников (ширина 21,000... 21,254 мм) имеют на внутренней поверхности кольцевые

 

канавки для непрерывной подачи масла к шатунным шейкам. Вкладыши 3-го коренного подшипника такой канавки не имеют и отличаются большей шириной (22,500... 22,754 мм).

Диаметральный зазор между коренными шейками вала и их вкладышами составляет 0,050... 0,095 мм, что обеспечивает циркуляцию масла и безударную работу соединения без выдавливания слоя смазки.

Осевая фиксация коленчатого вала производится упорными полукольцами, установленными на торцах гнезда подшипника 5-й коренной шейки. Осевой зазор в этом соединении равен 0,055... 0,265 мм (рис. 1).

На переднем конце коленчатого вала находится ведущая звездочка цепного привода газораспределения и шкив ременной передачи на генератор. Оба они устанавливаются на сегментной шпонке и затягиваются гайкой храповика. Шкив снабжен меткой для установки зажигания и регулировки клапанных зазоров.

Носок коленчатого вала снабжен манжетным уплотнением, запрессованым в крышку. От попадания пыли манжета защищена дополнительным лабиринтным уплотнением (рис.2). У хвостовика коленчатого вала также устанавливается манжетное уплотнение, запрессованное в крышку (см. рис. 1). В центральном отверстии заднего торца вала находится шарикоподшипник 10, во внутреннее кольцо которого входит конец первичного вала коробки передач.

К заднему торцу коленчатого вала привернут шестью самоконтрящимися болтами 9 с общей прокладкой чугунный маховик 8, фиксируемый по центральному отверстию.

На обод маховика напрессован стальной зубчатый венец 13 стартера. При разборке двигателя коленчатый вал проверяется на пригодность к дальнейшей эксплуатации осмотром и замером размеров его шеек. Коленчатый вал не должен иметь трещин на шейках и на щеках. При обнаружении трещин его необходимо заменить.

 

Рис. 1. Задняя коренная шейка коленчатого вала, фиксация вала от

осевого перемещения, уплотнение заднего конца коленчатого вала:

1 - коренная шейка, 2 - полукольцо, 3 - блок цилиндров, 4 - вкладыш, 5 -

маслосбрасывающая канавка, 6 - крышка, 7 - манжетное уплотнение (саль-

ник), 8 - маховик, 9 - болт крепления маховика, 10 - шарикоподшипник

опоры первичного вала коробки передач, 11 - крышка коренного подшип-

ника, 12 - масляный картер, 13 - венец маховика

 

 

Рис. 2. Носок коленчатого вала и уплотнение: 1 - носок коленчатого вала, 2 - масляный картер, 3 - цепь привода рас-

пределительного вала, 4 - звездочка ведущая, 5 - болт крепления масляного картера, 6 - прокладка, 7 - ведущий шкив клиноременной передачи, 8 - манжетное уплотнение (сальник), 9 - храповик, 10 – стопорная шайба, 11 - крышка, 12 - шпонка.

 

Незначительные кольцевые риски на шейках и их вкладышах не являются причиной, требующей перешлифовки вала. При увеличении монтажного зазора между подшипниками и шейками более 0,15 мм следует заменить вкладыши или перешлифовать вал до ближайшего ремонтного размера.

Перешлифовка шеек на ремонтный размер производится в том случае, если они имеют овальность более 0,05 мм. Для перешлифованных валов выпускаются вкладыши четырех ремонтных размеров.

При увеличении осевого зазора коленчатого вала более 0,35 мм следует установить полукольца 2 (рис.1) увеличенного размера, с увеличенной против нормальной на 0,127 мм толщиной.

При установке маховика следует помнить, что на заводе он не балансируется в сборе с коленчатым валом. Поэтому предварительно надо провернуть коленчатый вал так, чтобы шатунные шейки 1 и 4 цилиндров были обращены вверх, при этом имеющаяся на маховике установочная метка должна лежать в одной плоскости с осями этих шатунных шеек.

Свободное проворачивание коленчатого вала после затягивания болтов крышек коренных подшипников свидетельствует о правильной сборке.