Кривошипно-шатунный механизм двигателя КШМ

При контролируемом сгорании топлива в ДВС автомобиля поршням придается возвратно поступательное движение. Для преобразования его в крутящий момент служит узел КШМ – кривошипно-шатунный механизм, шарнирно закрепленный к поршням и коленвалу. Основных неисправностей немного, но для устранения требуется полная разборка двигателя.

Конструкция КШМ

В отличие от прочих агрегатов автомобиля конструкция механизма кривошипно-шатунного условно включает в себя часть поршневой группы и коленчатый вал. Состоит КШМ из подвижных деталей и неподвижных элементов. Одну или несколько степеней свободы имеют:

• шатун и поршень;
• кольца компрессионные, стопорные и маслосъемные;
• палец поршневой и кольцо стопорное;
• вкладыши, болт крепежный и крышка шатуна;
• маховик и коленвал;
• противовес и шейки шатунные, коренные;
• вкладыши.

К неподвижным элементам относятся головка и блок цилиндров.

В зависимости от конструкции ДВС и количества цилиндров кинематика кривошипно шатунного механизма несколько видоизменяется:

• в рядном двигателе плоскость коленвала и цилиндров полностью совпадает;
• в VR-образном моторе происходит смещение на угол 15 градусов;
• в W-образном приводе величина смещения достигает 72 градусов.

Другими словами, в рядном двигателе рабочий цикл осуществляется поочередно 4-мя цилиндрами, что позволяет равномерно распределить нагрузки на коленвал. Для достижения компактных размеров ДВС модификации с большим количеством цилиндров размещаются V-образно. Что так же позволяет смягчить нагрузки на коленвал за счет гашения части энергии.

Чертеж КШМ в разрезе

Чтобы характеристика кривошипно шатунного механизма была стабильной в момент перегрузок (высокая температура, большое давление и обороты, трудности с подачей смазки), вместо шариковых/роликовых подшипников применяются элементы скольжения с шатунными и коренными вкладышами. Неравномерность угловых скоростей вала в отдельных циклах сглаживается массивным маховиком за счет инертности этой детали.

Принцип действия и назначение

В отличие от электродвигателя принцип действия КШМ в двигателях внутреннего сгорания значительно сложнее:

• поршни поочередно выталкиваются из цилиндров при воспламенении топливной смеси;
• внутри них шарнирно закреплены шатунные детали сложной конфигурации;
• коленчатый вал имеет ответную посадочную поверхность П-образного типа для нижней головки шатуна, что обеспечивает смещение от оси вращения вала;
• за счет фиксированного расстояния между поршнем и коленвалом шатун описывает амплитуду в виде восьмерки, за счет чего и преобразуется поступательное движение с цилиндров в крутящий момент на валу.

Основное назначение расходных элементов КШМ (вкладыши, втулки, кольца) заключается в увеличении эксплуатационного ресурса этого узла. Поскольку число цилиндров достигает 16 штук в современных авто, устройство и работа механизма КШ должна быть идеально сбалансирована.

Поломки и проблемы кривошипно-шатунного механизма

Практически все детали КШМ являются парами трения, что наглядно подтверждает схема кинематики привода автомобиля. Если диагностика данного механизма привода внутреннего сгорания выявила неисправности, необходим капитальный ремонт двигателя, так как производится его полная разборка.

Технические особенности неисправностей КШМ заключаются в износе деталей трения. Основными поломками являются:

• залегшие кольца на поршнях – из-за высокой выработки металла появляется люфт, возникает перекос и поршень заклинивается внутри цилиндра;
• износ пальцев поршневых – вместо фиксированного размера между коленвалом/поршнем расстояние получается плавающим, изменяются характеристики крутящего момента;
• выработка поршневой группы – стачивается зеркало цилиндра или поверхность поршня, меняются характеристики ДВС;
• износ подшипников – шатунные или коренные вкладыши сточились, возникают ударные нагрузки на вал.

Основными причинами неисправностей становятся длительные нагрузки, отсутствие ТО, низкое качество смазки или выработка ресурса привода.

Залегание колец поршневых

Указанные неисправности кривошипно шатунного механизма диагностируются по признакам:

• перебои в работе мотора;
• постоянное уменьшение в картере уровня смазки;
• отработанные газы принимают синий оттенок.

Поломка не может устраняться в домашних условиях, так как необходима высокая квалификация мастера и полная разборка двигателя.

Износ поршней и пальцев

Эти конкретные неисправности кривошипно шатунного механизма выявляются по следующим признакам:

• пальцы – независимо от режима работы мотора в верхней части блока цилиндров слышен звонкий стук, пропадающий при выкручивании свечи, увеличивающийся при наборе оборотов валом;
• поршни – выхлоп синего цвета, аналогичный предыдущему случаю стук, но только на холостых оборотах, после прогрева обычно исчезает.

После диагностики этой неисправности в обязательном порядке требуется капремонт ДВС.

Износ подшипника шатунного и коренного

Неизбежно потребуется ремонт кривошипно шатунного механизма при выработке ресурса подшипников, о котором свидетельствуют следующие факторы:

• подшипник шатуна – сигнальная лампа извещает о недостаточном давлении смазки, стук глухой, плавающий, идет из средней части блока цилиндров;
• подшипник коренной – сигнальная лампа горит, свидетельствуя о низком давлении масла, в нижней части блока цилиндров возникает глухой стук.

По аналогии с предыдущими вариантами без капремонта обойтись не получится.

Способы диагностики КШМ

Вышеуказанные методики выявления причин не являются высокоточными. Служат поводом для поездки на СТО, где может быть произведено квалифицированное диагностирование кривошипно комбинированного механизма мастерами, обладающими необходимым опытом и практикой работ. Они имеют чертеж кинематики с точными размерами, допусками и посадками. Обладают необходимым для этого оборудованием.

Предварительная на определение стуков

Поскольку ремонт кривошипно шатунного механизма относится к дорогостоящим операциям капремонта двигателя, на начальном этапе мастер СТО позиционирует стуки и шумы внутри блока цилиндров. Для этого используется стетоскоп (обычно модификация КИ-1154 производителя Экранас). Технология исследований выглядит следующим образом:

• рабочая поверхность стетоскопа прислоняется к стенкам БЦ на разных уровнях (в рабочей зоне подшипников шатунных и кривошипных);
• двигатель прогревается до температуры ОЖ 75 – 80 градусов;
• обороты увеличиваются вначале плавно, затем режим работ изменяется резко;
• стуки прослушиваются лишь при возникновении зазора больше 0,1 – 0,2 мм.

Характер стука заметен исключительно профессионалу:

• поршни о цилиндр издают звуки щелкающие, на холодном двигателе;
• звонкий звук металл о металл при резком увеличении оборотов издает поршневой палец, реже при неправильно выставленном (опережение) угле зажигания;
• коренные подшипники звучат в низкой тональности;
• звук подшипников шатунных немного резче.

Внимание: Данная методика диагностики так же не является окончательной. Позволяет мастеру выявить наличие имеющихся дефектов с гарантией, что разбирать ДВС все же необходимо для замены расходных элементов.

Измерение суммарных зазоров в сопряжениях

Обычно техническое обслуживание кривошипно шатунного механизма осуществляется с помощью установки КИ-11140 для определения зазора в КШМ.

При этом не нужно снимать поддон картера и запускать мотор. Измеряются зазоры в головках шатуна суммарно:

• поршень диагностируемого цилиндра позиционируется в верхней «мертвой точке»;
• коленвал стопорится, устройство фиксируется на месте форсунки;
• шток упирается с натягом в дно поршня, зажимается винтом;
• установка компрессора подсоединяется к штуцеру, создается вакуум -0,06 МПа и давление такой же величины;
• после 2 – 3 циклов подачи указанного давления и вакуума стабилизируются показания индикатора;
• затем индикатор настраивается на отметку «0» в надпоршневом пространстве при давлении;
• после чего, в него подается отрицательное давление.

Суммарные зазоры измеряют минимум три раза, выводят среднее значение, сравнивают с допустимой нормой эксплуатации из таблиц.

Определение объема газа, прорывающегося в картер

Не пригодна к эксплуатации существующая сборка кривошипно шатунного механизма авто, если проверка прорывающихся газов выявила большее его количество в картере. Измерения производятся прибором КИ-4887-И следующим способом:

• газорасходомер подключается в полость картера и к глушителю или вакуумной установке;
• двигатель включается в режим «под нагрузкой»;
• прорывающиеся газы изменяют показания прибора на величину их объема, проходящего в единицу времени.

При значительном износе ДВС расход может превышать 120 л/мин, требуются дополнительные регулировки расходомера. После отсоединения системы вентилирования картера все дополнительные отверстия необходимо закрыть заглушками/пробками.

Схема подключения газового расходомера КИ-4887-11

Измерение давления масла

Эксплуатируемая сборка кривошипно шатунного механизма считается пригодной к использованию, если проверка давления масла удовлетворяет норме. Измерения проводятся прибором КИ-5472, состоящим из рукава и манометра:

• штатный манометр скручивается с маслофильтра;
• на его место крепится прибор;
• двигатель прогревается до 70 – 80 градусов;
• фиксируется значение магистрального давления при оборотах холостого хода.

Предельно простое общее устройство системы смазки и прибора КИ позволяет снизить время диагностики.

Для ДВС карбюраторного типа считается нормальной компрессия в пределах 0,7 МПа. Поэтому в некоторых случаях диагност СТО измеряет компрессию прогретого двигателя. При этом разница показаний цилиндров не может превышать 0,1 МПа.

Технология ремонта

Основное назначение капремонта КШМ – восстановление ресурса поршневой группы и коленчатого вала. Для этого реставрируются посадочные места, заменяются пальцы, вкладыши.

Поршни и пальцы

Поршень, условно входящий в кривошипно шатунный механизм двигателя авто, изготавливается из алюминиевых сплавов. Палец создан из легированной стали, изнашивается меньше.

У поршней восстанавливается зеркало, геометрия канавок для колец и бобышек, внутри которых находится палец. Размеры поршневого пальца подбираются при температуре воздуха в мастерской 20 градусов в зависимости от размерной группы поршня.

Ремонт шатунов

В основном изготавливают шатуны из стали 40Г, 40Х или ст45, характерными дефектами считаются:

• выработка металла посадочных мест;
• износ отверстий;
• изменение геометрии (скручивание и изгиб).

Выбраковывают кинематический элемент механизма при аварийном изгибе, поломке и раскрытии трещин. В остальных случаях изгибы и скручивание устраняют при нагреве до 500 градусов для снятия внутренних напряжений. Посадочные поверхности фрезеруются, затем шлифуются до следующего ремразмера.

После чего, работа кривошипно шатунного механизма вновь удовлетворяет требованиям регламента ГОСТ. Запрещено удалять слой металла больше 0,2 – 0,4 мм для дизелей, карбюраторных ДВС, соответственно. В противном случае нарушается кинематическая схема узла.

Реставрация коленвала

Основными нюансами ремонта коленчатого вала являются:

• деталь изготавливается из магниевого чугуна высокопрочного, сталей ДР-У, 50Т, 40Х или ст45;
• основными дефектами становятся изгиб и выработка стали посадочных мест;
• реже изнашиваются шпоночные канавки, повреждаются резьбы, раскрываются трещины;
• ремонтопригодной считается сборка кривошипно шатунного механизма с выработкой посадочных поверхностей и поврежденными резьбами;
• трещины более 3 мм приводят к отбраковке коленвала.

После промывки масляных каналов и наружных поверхностей изделие исследуется дефектоскопом. Выработку восстанавливают наплавлением Св-18ХГСА проволоки с проточкой под ремонтные параметры. Шпоночные канавки фрезеруют с заданной чистотой обработки. При этом должна соблюдаться схема установки шестеренок.

После шлифовки коленвал балансируют на динамической установке БМ-У4 либо КИ-4274.

Таким образом, кривошипно шатунный механизм КШМ проще и дешевле поддерживать в работоспособном состоянии. Для этого нужно своевременно проходить ТО и обращаться в сервис к специалистам при малейшем постороннем звуке в блоке цилиндров. В этом случае, даже капремонт обойдется дешевле.