Как устроен и для чего служит кривошипно-шатунный механизм? 7 основных неисправностей, которые могут возникнуть в его работе

Если у вас есть автомобиль, то с вероятностью 99.99%, в нём есть кривошипно-шатунный механизм (КШМ). Его нет только в «чистых» электромобилях, а также автомобилях с роторно-поршневым двигателем, а также в газотурбинных двигателях. Все остальные автомобильные двигатели внутреннего сгорания построены именно на базе КШМ, и неважно, дизельные они или бензиновые. Данная система передаёт энергию горения рабочей смеси через коленчатый вал и далее трансмиссию на колёса автомобиля, преобразуя возвратно-поступательное (туда и обратно) движение поршней в цилиндрах мотора во вращательное движение коленчатого вала.

Устройство механизма

Классический кривошипно-шатунный механизм был известен ещё в Древнем Риме. Использовался похожий принцип в Римской пилораме, только там вращение, под воздействием течения реки, водяного колеса превращалось в возвратно-поступательное движение пилы.

В паровых машинах также использовался КШМ, похожий на использующийся сейчас в автомобильных двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Только в нём поршень был соединён с шатуном через шток и цилиндр низкого давления. Схожая конструкция используется иногда в ДВС и по сей день.

В так называемых крейцкопфных двигателях поршень жёстко соединён с крейцкопфом – деталью, движущейся по неподвижным направляющим в одном измерении, как и поршень, через шток, а далее по привычной схеме – шатун с коленвалом. Это позволяет увеличить рабочий ход поршня, а иногда делает цилиндр двусторонним, в таких конструкциях добавлена ещё одна камера сгорания. Такой тип КШМ применяется чаще всего в судовых дизелях и другой крупной технике.

Кривошипно-шатунный механизм состоит из двух основных групп деталей – подвижных и неподвижных:

1. К подвижным частям КШМ относятся следующие детали: поршни, которые вместе с кольцами и пальцами объединены в поршневую группу, шатуны, коленчатый вал (в просторечном сокращении — коленвал), подшипники коленвала и маховик.
2. Неподвижные – это картер, объединённый с блоком цилиндров, гильзы цилиндров, головка блока цилиндров. Также к ним относятся поддон (нижний картер), полукольца коленвала, картер маховика и сцепления, а также кронштейны и детали крепежа.

Иногда выделяют и цилиндропоршневую группу, в которую входит поршневая и гильза цилиндра.

Блок цилиндров

Блок цилиндров сейчас неотделим от картера блока. Так, кстати, было не всегда – на старых двигателях (у «Запорожца», например) они могли быть изготовлены раздельно. Именно картер вместе с блоком цилиндров – основной узел конструкции двигателя автомобиля.

Внутри блока и происходит вся полезная работа двигателя. К блоку цилиндров крепятся внизу — нижний картер (поддон), сверху — головка блока, сзади — картер маховика, топливная, выпускная системы и другие детали двигателя. Сам блок прикреплён к шасси автомобиля через специальные «подушки».

Материал, из которого изготовлена эта важная часть двигателя – чаще всего либо алюминий, либо чугун. На спортивных автомобилях могут применяться и композитные материалы. В блок запрессованы съёмные гильзы, которые облегчают ход поршней и ремонтопригодность блока – то есть его расточку под «ремонтные» поршни и кольца. Гильзы делают из чугуна, стали или композитных сплавов. Существует два вида гильз:

• «сухие» — когда внешняя поверхность гильз не омывается охлаждающей жидкостью;
• «мокрые» — когда гильзу снаружи охлаждает поток жидкости.

Каждый вариант имеет свои достоинства и недостатки.

Поршни

Поршень – это металлическая деталь, которая имеет форму стакана, и в некоторых автопредприятиях водители и автослесари со стажем старые поршни, очищенные от нагара, в качестве стаканов и использовали. Однако основное его предназначение, естественно, не в этом, а для того, чтобы преобразовывать потенциальную энергию давления и термическую энергию температуры газов в кинетическую энергию вращения коленчатого вала в момент рабочего хода.

Во время тактов впуска он служит в качестве насоса, затягивающего воздух или горючую смесь, в ходе такта сжатия сжимает её, а в ходе такта выпуска — помогает удалению отработанных газов. Во время рабочего хода (точнее, чуть раньше) смесь воспламеняется (или форсунка впрыскивает топливо на дизельных двигателях), и горящие газы давят на поршень, заставляя его выполнять работу по преобразованию термической энергии в кинетическую.

Поршень современного автомобильного двигателя выполнен чаще всего из сплавов на основе алюминия. Они обеспечивают хороший отвод лишнего тепла, к тому же довольно лёгкие.

Составные части поршня автомобильного двигателя – это днище, уплотняющяя часть и юбка. Поршень соединяется с шатуном при помощи находящегося в юбке пальца. Для обеспечения плотности соединения поршня со стенкой цилиндра применяются поршневые кольца.

Поршневые кольца

Это плоские незамкнутые (с разъёмом в несколько десятых долей миллиметра) стальные или чугунные кольца, надеваемые в специальные канавки на уплотнительную часть поршня. Они служат для нескольких целей:

1. Уплотнение. Качественные, неизношенные кольца повышают компрессию (давление в цилиндре).
2. Теплопередача. Компрессионные кольца передают лишнее тепло гильзе цилиндра, предотвращая перегрев двигателя.
3. Не пропускают моторное масло из картера в камеру сгорания, но оставляют на стенках гильзы небольшой слой масла для смазки цилиндра. Самое нижнее кольцо называется маслосъёмным. Его конструкция специально разработана под эту задачу.

Поршневые пальцы

Поршневой палец нужен для того, чтобы связать поршень с шатуном. Он находится во внутренней части юбки поршня и представляет собой металлический цилиндр, отдалённо похожий на палец (отсюда и название). Шатун не крепится жёстко на пальце, ведь надо обеспечивать максимально ровную передачу крутящего момента от поршня к шатуну и далее. Выполнены пальцы обычно из легированной стали.

Пальцы делятся на фиксированные и плавающие. Фиксированный жёстко прикреплён к юбке поршня, и двигается на нём только шатун, а плавающий палец как в поршневой юбке, и на шатуне может крутиться. Сейчас в конструкциях автомоторов преобладают плавающие пальцы, обеспечивающие более полную и плавную передачу крутящего момента и снижающие нагрузку на детали КШМ.

Шатун

Для того, чтоб передать крутящий момент с поршня на коленвал, служит шатун, соединяющий две этих важных детали. Для того, чтобы ремонт шатуна не вызывал особых трудностей, в нём применяются специальные вкладыши, фактически разборный подшипник скольжения, хотя в некоторых двигателях с малой скоростью вращения коленвала по-прежнему применяются баббитовые вкладки, а в быстроходных моторах в обеих головках шатуна (как нижней, так и верхней) установлены подшипники качения. По форме шатун похож на рычаг или гаечный ключ с двутавровым сечением. Его верхняя, обычно неразъёмная головка соединяет его с пальцем поршня, а нижняя, разъёмная соединяет шатун с коленчатым валом. Делают шатуны чаще всего из легированной, иногда из углеродистой стали.

Коленчатый вал

Коленчатый вал, или сокращённо коленвал – одна из важнейших деталей мотора, впрочем, лишних деталей не бывает. Он имеет форму вала с «искривлениями» в сторону, к которой через оси прикреплены шатуны двигателя. Он состоит из следующих деталей:

1. Шейки. Они нужны для того, чтобы закрепить коленвал на картере и шатуны на нём. Подразделяются на коренные и шатунные. На коренных крепится к картеру сам коленчатый вал, на шатунных шейках к коленвалу крепятся шатуны.
2. Щёки – они и являются своего рода «коленями» коленчатого вала, именно они крутятся вокруг оси коленчатого вала. Щёки коленвала соединяют коренные и шатунные шейки.
3. Передняя выходная часть вала. К ней присоединены шкивы отбора мощности для привода через ремень, цепь или шестерни распредвала, системы охлаждения генератора и других агрегатов.
4. Задняя выходная часть вала. Она соединена с маховиком и служит для отбора мощности для «основного предназначения» автомобиля – для движения.

В конструкции коленчатого вала также предусмотрены дополнительные детали, например, противовесы, предназначенные для компенсации вибраций вала, возникающих при ударных нагрузках.

Коленчатые валы чаще всего изготавливаются либо из стали, либо из высококачественного лёгкого чугуна. Чугунные коленвалы изготавливаются при помощи литья, стальные – при помощи штамповки.

Картер двигателя

Картер, отливаемый вместе с блоком цилиндров – основная деталь двигателя автомобиля, можно сказать, что рама двигателя. Именно на картере закреплены основные части двигателя, в нём крутится коленчатый вал, в цилиндрах двигаются поршни и происходит непосредственный процесс превращения энергии сгорания топлива в энергию вращения колёс вашего автомобиля.

Ещё картер является основным местом для размещения моторного масла, которое смазывает двигатель. Для хранения масла также предназначен поддон – нижняя часть картера.

Принцип работы кривошипно-шатунного механизма

Во время основного такта работы автомобильного двигателя – рабочего хода (расширения), горящие газы давят на поршень, а тот двигается вниз — от верхней мёртвой точки к нижней, тем самым передавая энергию посредством пальца и шатуна на коленчатый вал. Шатун может ограниченно поворачиваться и вокруг оси пальца поршня, и вокруг шатунной шейки коленвала, и таким образом поступательное движение поршня превращается во вращательное.

Стоит заметить, что при остальных тактах коленчатый вал через шатун, наоборот, сообщает возвратно-поступательное движение поршню. Где он его берёт? Из «рабочих» цилиндров, энергии коленвала и маховика, а при запуске – стартера.

Неисправности, возникающие при работе КШМ и их причины

Неполадки и поломки в кривошипно-шатунном механизме могут произойти в самых разных его узлах. Чтобы свести риск возникновения этих неприятностей до минимума, необходимо знать, отчего они происходят. Чаще всего это нагар на деталях и их износ. Наиболее часто происходят поломки КШМ от использования некачественного автомобильного топлива и масла. Особенно это чревато для дизелей, которые требовательны к качеству горюче-смазочных материалов, что может вывести из строя не только КШМ. Редкая смена масла, несвоевременная замена топливных, воздушных и масляных фильтров – всё это также несёт потенциальную угрозу поломок. Может послужить причиной неисправности перегрев двигателя, а также утечка и снижение уровня моторного масла в двигателе.

Перегрев двигателя может привести даже к заклиниванию. Чтобы этого не случилось, заливайте качественную охлаждающую жидкость и следите за состоянием системы охлаждения.

Бывает, что проблема в системе питания или в зажигании. Тогда смесь сгорает не полностью или неравномерно.

Ещё одна распространённая причина поломок – это использование некачественных запчастей. Не покупайте фейк и пользуйтесь услугами проверенных автосервисов.

Перечень неисправностей КШМ

Главные неприятности, которые могут случится с кривошипно-шатунным механизмом:

1. Как шатунные, так и коренные шейки коленчатого вала подвержены износу и механическим повреждениям.
2. Износ, механические повреждения и даже расплавление могут угрожать и вкладышам (подшипникам) шеек коленвала.
3. «Болезни» поршневых колец – это закоксовывание не до конца сгоревшими продуктами горения (углеводороды окисляются только до углерода), их залегание и даже поломки, что может привести к фатальным последствиям.
4. Цилиндропоршневая группа также подвержена износу. В современных «движках» это не так заметно, всё-таки они созданы по последнему слову техники, но у каждой детали имеется конечный ресурс.
5. На днище поршня может отложиться нагар.
6. В деталях могут появиться трещины, они могут прогореть, обломиться и даже расплавиться.
7. Двигатель может даже заклинить.

Признаки наличия неисправностей в работе КШМ

Могут насторожить посторонние стуки в двигателе. Возможно, это связано с детонацией или вам попалось не слишком качественное топливо. Последствия как детонации, так и некачественного топлива могут быть печальными. Звук при детонации более звонкий, а вот глухой звук может свидетельствовать о том, что износились шейки коленвала. Если же он совсем звонкий и происходит не только при резком увеличении оборотов (например, если вы быстро тронулись с места), то вполне возможно, что вкладыши шейки коленвала начинают плавиться. Возможно, причиной масляное голодание, но так или иначе – в сервис.

Также многое может сказать дым из двигателя. Если он сизый, то значит, что в камеру сгорания попадает масло. Возможно, виной тому маслосъёмные колпачки ГРМ, а возможно, проблема в поршневых кольцах. Накопление нагара на поршнях и цилиндрах приводит к увеличению трения и повышенному износу деталей. Если проблема в кольцах, то будет снижена компрессия, хотя понижение компрессии может быть связано и с другими причинами.

Обслуживание КШМ

Прежде всего, общие советы: «машина любит ласку, чистоту и смазку». Следует вовремя проверять уровень масла, не допускать перегрева двигателя и заправляться только качественным горючим. Серьёзные проблемы с КШМ решаются только в автосервисе. Разумеется, есть автолюбители, которые самостоятельно могут расточить цилиндр до ремонтного размера, но это всё же характерно для не самых новых автомобилей.

В «закоксованных» двигателях можно провести раскоксовку, которая делается как с разбором двигателя, так и при помощи специальных средств – без такового. Однако, подобные манипуляции лучше доверить профессионалам. Соблюдайте сроки ТО.

Заключение

Кривошипно-шатунный механизм – это важнейший агрегат в автомобиле. От его функционирования зависит состояние всего автомобиля и настроение его владельца. Следите за его технической исправностью, и двигатель будет работать долго, радуя вас мощностью и экономичностью.