Reklama
motoryzacja
A A A

Konstrukcja układu korbowego

Tłoki. Tłok silnika spalinowego musi spełniać wiele zadań, z których najważniejsze są: uszczelnienie cylindra; przekazywanie siły nacisku gazów na dalsze części mechanizmu korbowego; prowadzenie górnej części korbowodu; dostatecznie szybkie odprowadzanie ciepła z części tłoka stykającej się bezpośrednio ze spalinami. W niektórych konstrukcjach tłok — dzięki korzystnemu ukształtowaniu denka — jest także elementem wytwarzają cym w komorze spalania właściwe warunki spalania. Tłok, aby sprostać tym wymaganiom, musi być właściwie j _ denko. 2 - piasta ukształtowany, lekki, wytrzymały i trudno ścieralny. Ponadto nie może on zbytnio zmieniać wymiarów pod wpływem zmian temperatury, natomiast musi dobrze przewodzić ciepło. Wszystkie te wymagania zostają spełnione dzięki właściwemu materiałowi tłoka oraz jego prawidłowej konstrukcji. Tłoki współczesnych silników samochodowych najczęściej odlewa się ze stopów aluminium. Zapewnia to im niewielką masę, a tym samym zmniejsza obciążenie mechanizmu korbowego siłami bezwładności. W tłoku można wyróżnić następujące części: denko 1, część pierścieniową, część prowadzącą oraz piasty 2 (rys. 2.30). 4» Denko jest częścią tłoka, której ukształtowanie, zwłaszcza w silnikach z zapłonem samoczynnym, zależy od typu komory spalania. W silnikach z wtryskiem bezpośrednim większa część komory spalania znajduje się w odpowiednio ukształtowanym denku tłoka. Denko takiego tłoka jest szczególnie silnie obciążone cieplnie. W silnikach z zapłonem iskrowym lub w silni­kach z zapłonem samoczynnym z dzieloną komorą spalania denka tłoków z reguły są płaskie lub nieco wypukłe w celu zwiększenia ich wytrzymałości. Przykłady różnych rozwiązań denka tłoków przedstawiono na rys. 2.31a-^d. Część pierścieniowa służy do osadzenia pierścieni tłokowych, które spełniają dwa bardzo istotne zadania: uszczelniają tłok w cylindrze oraz odprowadzają ciepło z tłoka do ścianek cylindra. Pierścienie tłokowe uszczelniające, zazwyczaj 2 lub 3, są wykonywane z żeliwa. Pierścienie te mają przecięcie umożliwiające ich założenie na tłok oraz zapewniające im sprężystość. Najniższy pierścień w zestawie zwykle ma odmienną konstrukcję. Jego zadaniem jest zgarnianie oleju z gładzi cy- lindra podczas ruchu tłoka ku dołowi, tak aby olej ten nie przedostał się do komory spalania (rys. 2.32). Jest on nazywany pierścieniem zgarniającym. • Część prowadząca, zwana także płaszczem tłoka, prowadzi tłok w cylindrze oraz przenosi siły Pn nacisku tłoka na gładź cylindra. Ta część tłoka jest więc narażona na ścieranie, zmniejszane obecnością cienkiej warstewki oleju między tłokiem a cylindrem. Prawidłowa współpraca tłoka z cylindrem wymaga zachowania odpowiedniego luzu (kilka do kilkunastu setnych milimetra) między częścią prowadzącą tłoka a gładzią cylindra. Luz zbyt duży zmniejsza szczelność tłoka oraz powoduje jego wadliwe ustawienie w czasie ruchu. Luz za mały powoduje zakleszczenie się tłoka w cylindrze, gdy materiał tłoka rozszerzy się pod wpływem nagrzania. Po nagrzaniu się do temperatury, w jakiej pracuje on w silniku, tłok powinien mieć walcową powierzchnię zewnętrzną części prowadzącej. Po ostudzeniu tłoka, ze względu na różną grubość jego elementów oraz ze względu na znacznie zróżni­cowaną uprzednio temperaturę tych elementów, jego zewnętrzny kształt zmieni się. Średnica tłoka mierzona wzdłuż osi sworznia tłokowego będzie mniejsza niż średnica mierzona w kierunku prostopadłym do osi sworznia. Średnica mierzona na wysokości sworznia będzie mniejsza niż średnica mierzona q) u dołu części prowadzącej. Jest to zrozumiałe zważywszy, że wzdłuż osi sworznia tłokowego jest o wiele więcej metalu stanowiącego piasty sworznia. Większe skupienie metalu rozszerzy się bardziej niż cieńsze miejsca tłoka. Także w osi sworznia tłokowego jest więcej metalu niż u dołu części prowadzącej, a ponadto dolna część tłoka w czasie pracy silnika nie osiąga tak wysokiej temperatury jak część sąsiadująca z jego denkiem. Z tych to względów tłok „na zimno" ma kształt stożkowy lub beczkowy, a w części prowadzącej jego przekrój poprzeczny jest owalny (rys. 2.33). Tę celową deformację części prowadzącej tłoka dobiera się doświadczalnie i wynosi ona 0,05-r--^0,25 mm. Stosuje się różne sposoby, aby choć w pewnym stopniu uprościć komplikujący się zewnętrzny kształt tłoka. Powszechnie stosowanym sposobem zapobiegającym zakleszczaniu nagrze­wającego się tłoka w cylindrze jest wybieranie materiału z części prowadzącej tłoka w okolicy piast sworznia tłokowego. Stosowane jest także przecinanie części prowadzącej tłoka poprzecznie, tuż pod pierścieniem zgarniającym, oraz ukośnie, wzdłuż płaszcza tłoka (rys. 2.34a, b, c). Przecięcia takie ukie- runkowują przepływ ciepła w tłoku oraz czynią część prowadzącą elastyczną, sprężynującą. W tłoki większych silników często wtapia się wkładki wykonane z materiału trudno rozszerzalnego pod wpływem ciepła. Wkładki takie skutecznie ograniczają rozszerzalność części prowadzącej (rys. 2.35). • Piasty służą do podparcia stalowego sworznia tłokowego, łączącego tłok z korbowodem (rys. 2.36a, b). Zazwyczaj swo-rzeń tłokowy może obracać się swobodnie w tłoku i w główce korbowodu, chociaż niekiedy w jednym z łączonych elementów może być osadzony nieruchomo. Sworzeń tłokowy jest zabezpieczony przed wysunięciem się z tłoka najczęściej pierścieniami sprężystymi z drutu. Korbowody. Korbowód łączy tłok z wałem korbowym, przenosząc nań siłę Pk, będącą składową całkowitej siły działającej na tłok. W korbowodzie można rozróżnić główkę 1, trzon 2, łeb 3 i pokrywę 4 łba (rys. 2.37). Główka jest częścią, która łączy z tłokiem sworzeń tłokowy. W główkę jest z reguły wciśnięta tuleja ślizgowa, stanowiąca łożysko dla obracającego się w niej sworznia tłokowego. Trzon jest częścią łączącą główkę korbowodu z jego łbem. Ponieważ trzon korbowodu jest podczas pracy ściskany, roz­ciągany, wybaczany oraz zginany, przeto musi on być dostatecznie wytrzymały i sztywny. Zazwyczaj trzon ma przekrój dwuteowy, wydatnie zwiększający się w miejscu połączenia z główką i z łbem. Łeb korbowodu obejmuje czop korbowy. Łeb jest wyposa­żony w łożysko ślizgowe, zwane panewką korbowodową, dzięki czemu ślizga się po czopie wału. Łeb korbowodu jest dzielony, a jego pokrywa jest przykręcana dwiema śrubami. Płaszczyzna podziału łba jest albo prostopadła do osi korbowodu, albo ukośna. Podział ukośny zmniejsza szerokość korbowodu umożliwiając jego wyjęcie przez cylinder silnika (rys. 2.38a, b). Korbowody są odkuwane ze stali węglowej do ulepszenia cieplnego lub ze stali stopowych. Użycie wytrzymalszego materiału umożliwia zmniejszenie masy korbowodu, a tym samym — zmniejszenie niepożądanych sił masowych. Korbowody z łbem niedzielonym stosuje się jedynie w silnikach dwusuwowych, gdzie są stosowane łożyska toczne (rys. 2.38c). Takie uproszczenie budowy korbowodu powoduje jed- nak konieczność rozbierania wału korbowego w celu założenia korbowodu z łożyskiem na czop korbowy. Wały korbowe. W wale korbowym możrfa rozróżnić czopy główne 1, stanowiące oś obrotu wału, czopy korbowe 2, na których zamocowane są łby korbowodów, oraz ramiona 3, które łączą czopy główne z czopami korbowymi (rys. 2.39). Ukształtowanie wału zależy od układu konstrukcyjnego silnika, liczby i układu cylindrów, kolejności zapłonów, liczby czopów głównych itp. Liczba czopów korbowych w silnikach rzędowych równa się liczbie cylindrów, a w silnikach widlastych jest zwykle dwukrotnie mniejsza. W silnikach bardziej obciążonych wał korbowy jest podparty łożyskiem głównym co każde wykorbienie, natomiast w silnikach o obciążeniu nie tak znacznym — co drugie wykorbienie. Przykład konstrukcji wa- łu korbowego przedstawiono na rys. 2.40, natomiast kształty różnych odmian ramion wałów przedstawia rys. 2.41a^f. Z tyłu wał korbowy jest zwykle zakończony kołnierzem do umocowania koła zamachowego. Natomiast część przednia wału na ogół służy do osadzenia napędu rozrządu, koła pasowego napędu urządzeń pomocniczych lub odśrodkowego filtru oleju. W silnikach wielocylindrowych na przednim końcu wału korbowego niekiedy jest także osadzony tłumik drgań skrętnych. Przedłużenia ramion wału stanowią przeciwciężary, których zadaniem jest wyrównoważenie silnika. Przeciwciężary mogą stanowić jedną całość z ramionami wału (rys. 2.41) lub mogą być do nich przykręcane (rys. 2.42a, b). W ramionach i czopach wału są wywiercone kanały, którymi doprowadza się olej do łożysk wału. Obciążenie wału korbowego siłami ciśnienia gazów oraz siłami bezwładności mas wirujących i mas znajdujących się w ruchu postępowo-zwrotnym sprawia, że warunki, w jakich on pracuje, są wyjątkowo trudne. Wał korbowy musi być wytrzyma- ły na skręcanie i zginanie, odporny na zmęczenie i dostatecznie sztywny. Czopy korbowe i główne wału muszą być ponadto odporne na ścieranie. Stosuje się wały kute i odlewane. • Wały korbowe kute przeważnie są wykonywane ze stali wę­glowej wyższej jakości, a niekiedy także ze stali stopowych. Odpowiednią twardość powierzchni czopów głównych i korbowych wałów ze stali węglowej uzyskuje się przez hartowanie powierzchniowe. Powierzchnię czopów wałów wykonanych ze stali stopowych utwardza się przez nawęglanie. Ze względu na znaczny koszt tego procesu nawęglanie jest prawie wyłącznie stosowane do czopów korbowych stanowiących bieżnię łożysk tocznych. Takie wały korbowe są charakterystyczne dla silników dwusuwowych (rys. 2.43). • Wały korbowe odlewane wykonuje się zwykle z żeliwa sfe-roidalnego, pod względem własności wytrzymałościowych zbliżonego do stali. Czopy wałów odlewanych z żeliwa sferoidalne-go charakteryzuje znaczna twardość, toteż nie wymagają one zazwyczaj utwardzania (rys. 2.44). Zaletą odlewania wałów korbowych jest ponadto łatwość uzyskania żądanego kształtu, a więc uproszczenie obróbki skrawaniem. Łożyska główne i korbowodowe. Wały korbowe i łby korbo-wodów czterosuwowych silników spalinowych z reguły są uło-żyskowane w łożyskach ślizgowych (panewkach), smarowanych olejem doprowadzanym pod ciśnieniem. Regułą jest także wykonywanie panewek w postaci wymiennych wkładek stalo- wych pokrytych od wewnątrz cienką warstwą stopu łożyskowego. Grubość wkładek stalowych wynosi zwykle 1,5-5-3 mm, a grubość warstwy stopu łożyskowego 0,3-^-0,5 mm. Jako stopy łożyskowe stosuje się stopy cynowo-ołowiowe, mie-dziowo-ołowiowe oraz niekiedy aluminiowo-cynowe. Zazwyczaj wkładkę stalową pokrywa się kilkoma cienkimi warstwami różnych stopów łożyskowych. Technologia panewek zapewnia taką dokładność ich grubości, że podczas montażu silnika nie wymagają one żadnej dodatkowej obróbki.