Кривошипно-шатунный механизм составляет основу конструк­ции большинства поршневых двигателей внутреннего сгорания. Назначение кривошипно-шатунного механизма состоит в том, чтобы воспринимать давление газов, возникающее в цилиндре, и преобра­зовывать прямолинейное возвратно-поступательное движение порш­ня во вращательное движение коленчатого вала. Эти две функции, выполняемые механизмом, и обеспечивают решение сложной проб­лемы, связанной с преобразованием тепловой энергии топлива в ме­ханическую работу при сжигании топлива в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания.

В существующих поршневых двигателях применяются два типа кривошипно-шатунных механизмов: тронковые и крейцкопфные.

В тронковых механизмах шатун шарнирно соединен непосред­ственно с нижней направляющей (тронковой) частью поршня, тогда как в крейцкопфных механизмах поршень соединяется с ша­туном через шток и крейцкопф, которые служат для поршня направ­ляющей частью. Крейцкопфные механизмы более сложны и гро­моздки. Они увеличивают габариты двигателя по высоте и утяже­ляют его конструкцию.

В быстроходных поршневых двигателях автомобильного и трак­торного типов применяются более простые и компактные тронко­вые кривошипно-шатунные механизмы. Благодаря этим преиму­ществам тронковые механизмы в настоящее время широко приме­няются и в двигателях стационарного типа. Однако для двигателей двойного действия крейцкопфные механизмы остаются единственно возможными. Такие двигатели обычно строят двухтактными, позволяющими более чем в 3 раза увеличивать мощ­ность силовых установок по сравнению с аналогичными установ­ками, снабженными четырехтактными двигателями простого дей­ствия

Кривошипно-шатунный механизм тронковых двигателей состоит из неподвижных и подвижных деталей. К неподвижным относятся: цилиндр, крышка (головка) цилиндра и картер, обра­зующие остов двигателя; подвижную группу составляют: поршне­вой комплект (поршень с поршневым пальцем и уплотняющими кольцами), шатун, коленчатый вал и маховик.

Иногда к кривошипно-шатунному механизму относят только группу перечисленных подвижных деталей, что нельзя признать правильным, тем более по отношению к двигателям внутреннего сгорания. Во-первых, это не согласуется с самим определением механизма, немыслимого без наличия направляющего звена — стойки. Во-вторых, кроме того что стенки цилиндра служат направ­ляющими для поршня, цилиндр и его головка образуют замкнутую надпоршневую полость, без которой в двигателях внутреннего сгорания нельзя создать нужного давления газов над поршнем, которое он воспринимает и передает на коленчатый вал. Следова­тельно, отдельно от надпоршневой полости кривошипно-шатунный механизм поршневого двигателя не выполнял бы одну из основных своих функций.

Наиболее распространенные схемы компоновки кривошипно-шатупного механизма автомобильных двигателей приведены ниже.

Двигатели, построенные по схемам А, Б и В, называются одно­рядными. Чаще всего из них применяется схема А с вертикальным расположением цилиндров. В двигателях, предназначенных для автобусов, с успехом применяется схема В с горизонтальным рас­положением цилиндров. Такие двигатели удобно размещаются под полом кузова автобуса.

Сравнительно новой является схема Б с наклонным расположе­нием цилиндров (под углом от 20 до 45° к вертикальной оси). Дви­гатели с такой компоновкой используют для ряда современных лег­ковых автомобилей. При этом имеется возможность более рацио­нально размещать вспомогательное оборудование и впускные трубо­проводы.

Двигатели, построенные по схемам Г и Д, называются двухряд­ными. В настоящее время особенно широко применяется схема Г с V-образным расположением цилиндров. Четырех- и восьмицилинд­ровые V-образные двигатели по условиям их уравновешенности строят с углом между осями цилиндров равным 90°. Они выгодно отличаются по габаритам и весу от соответствующих однорядных и одинаково успешно используются на легковых автомобилях и на средних и тяжелых грузовиках, нуждающихся в силовых агрегатах повышенной мощности. Двигатели с кривошипным механизмом, выполненным по схеме Д, с углом между осями цилиндров 180° называются оппозитными. Такие двигатели с противолежащим расположением цилиндров применяются довольно редко, так как размещение их и обслуживание на автомобиле менее удобно, чем, например V-образных или однорядных горизон­тальных.

Автомобильные двигатели, как правило, строят многоцилин­дровыми. Они обычно имеют 2; 3; 4; 6; 8 и редко 12 или 16 цилин­дров. Одноцилиндровые двигатели на автомобилях не применяются и вообще для этой цели не пригодны, так как не могут удовлетвори­тельно работать в качестве автомобильных силовых агрегатов без утяжеленного маховика и сложного уравновешивающего устройства.

В самом деле, в одноцилиндровом, например, четырехтактном двигателе из двух оборотов вала только пол-оборота приходится на активный рабочий ход поршня. В течение остальных полутора оборотов скорость вращения коленчатого вала непрерывно замед­ляется, поскольку движение его в это время осуществляется за счет запаса кинетической энергии маховика, накапливаемой им в мо­мент ускоренного движения при рабочем ходе поршня, когда послед­ний «взрывом» газов отбрасывается к н.м.т. Следовательно, за вре­мя одного рабочего цикла коленчатый вал вращается с разной угло­вой скоростью, что крайне нежелательно.

Выравнивание угловой скорости вращения коленчатого вала в одноцилиндровом двигателе возможно только путем повышения уровня аккумулирования кинетической энергии маховика на участ­ке ускоренного движения, т.е. за счет увеличения его инерции. Естественно, при неизменных установившихся оборотах коленчато­го вала этого нельзя достигнуть без увеличения массы маховика. Маховик с большей массой будет вращаться равномернее, следова­тельно, уменьшится и колебание угловой скорости вращения вала. Однако такой путь полностью не избавит вал двигателя от неравно­мерности вращения. К тому же большая масса маховика требует и больше времени на его разгон до заданной скорости. Вследствие этого ухудшается приемистость двигателя и снижается динамика автомобиля, т.е. уменьшается быстрота раскрутки вала двигателя и разгона автомобиля.

Если предположить, что коленчатый вал вращается равномерно, то и в этом идеальном случае поршень в конце каждого хода меняет направление своего движения. В мертвых точках его скорость равна нулю, а потом нарастает до максимума, составляющего в автомо­бильных двигателях 15—25 м/сек при номинальном числе оборотов, и снова уменьшается до нуля в смежной мертвой точке.

Такое неравномерное движение поршня и связанного с ним комплекта деталей порождает переменные по величине и направле­нию силы инерции P_j возвратно-движущихся масс, действующие вдоль оси его движения, т. е. по оси цилиндра, как показано на рисунке.

Силы инерции P_j, периодически меняя величину и направле­ние своего действия, если остаются неуравновешенными, вызывают раскачивание двигателя вне зависимости от принятой схемы кри­вошипно-шатунного механизма (см. рисунок). Возникающая при этом вибрация двигателя передается на его крепления и на раму автомобиля, разрушая его узлы и увеличивая интенсивность их износа. Вследствие вибрации повышаются уровень шума и утомляе­мость водителя, что увеличивает опасность движения.

Устранить вибрацию, вызываемую силами инерции масс криво­шипно-шатунного механизма, совершающих возвратно-поступа­тельное движение, можно только в случае, если удается создать силы, равные по величине и противоположно направленные силам, вызывающим вибрацию. Для этого, как установлено, двигатель должен иметь несколько цилиндров с общим коленчатым валом, допускающим организацию необходимого разнонаправленного дви­жения поршней в отдельных цилиндрах. Это позволяет в известной мере уравновешивать двигатель, т.е. уменьшить воздействие на его остов сил, порождающих вибрацию.

Однако внешне уравновешенные силы инерции нагружают дета­ли двигателя, вызывая изгиб вала, увеличивая нагрузку коренных опор, т. е. создают внутреннюю неуравновешенность двигателя.

В многоцилиндровых двигателях интервал между рабочими ходами, выраженный в градусах угла поворота вала, определяется числом цилиндров i. Для четырехтактных и двухтактных двигателей эти интервалы при равномерном чередовании рабочих ходов соответ­ственно равны 720°/i и 360°/i.

Чем больше число цилиндров, тем меньше интервал между рабо­чими ходами и вал двигателя вращается равномернее.

Сравнительно хорошую степень уравновешенности и равномер­ность вращения вала имеет однорядный 6-цилиндровый двигатель. Ею считают полностью уравновешенным. При двухрядном V-образном расположении цилиндров с осями под углом 90° хорошую урав­новешенность имеют 8-цилиндровые двигатели. 8-цилиндровые одно­рядные двигатели считаются уравновешенными, но в настоящее время они утратили практическое значение, так как линейное расположение цилиндров приводит к излишнему удлинению колен­чатого вала и снижает его жесткость.

Силы давления газов в надпоршневой полости одинаково действуют как на поршень, так и на головку цилиндра, поэтому, имея всегда равную себе величину и противоположное направление (см. рисунок), эти силы взаимно уравновешиваются внутри системы и не оказывают влияния на вибрацию двигателя, но нагружают коленчатый вал и коренные подшипники. Равнодействующие газо­вых сил направлены по оси цилиндра, а величина их определяется из соотношения

Р_г = p_гF_п,

где р_г — избыточное удельное давление газов, взятое по индика­торной диаграмме, кГ/см² (Мн/м²)\ F_п — площадь поршня, см² (м²).

Силы давления газов Р_г и инерционные силы P_j, действующие по оси цилиндра, суммируясь, дают силу Р_∑, которая, будучи приложена к поршневому пальцу, раскладывается на боковую силу N_б давления на стенку цилиндра и на силу Р_ш, действующую по оси шатуна (см. рисунок Е).

Если силу Р_ш, руководствуясь правилами механики, перенести по линии ее действия в центр шатунной шейки и разложить на состав­ляющие, то получим силу Т, перпендикулярную к оси кривошипа, и силу Z, направленную по оси кривошипа (см. рисунок). Сила Т называется тангенциальной. Произведение силы Т на радиус кри­вошипа г называется крутящим моментом, который определяется по формуле, кГ·м (Мн·м),

Тr = М_кр,

где М_кр определяется путем непосредственного измерения с по­мощью динамометрического устройства испытательных тормозных установок. Крутящий момент измеряют для ряда чисел оборотов вала двигателя, а затем пересчетом определяют его мощность, развиваемую при этих оборотах вала. Полученная таким образом закономерность изменения мощности двигателя по числу оборотов вала называется скоростной характеристикой.

Источник: Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. Двигатели внутреннего сгорания, 1971 г.