Як і у парової машини, зворотно-поступальний рух поршня перетворюється в обертальний рух вала двига-теля внутрішнього згоряння. Це перетворення виконує кривошипно-шатунний механізм. Він складається з поршня, шатуна (в окремих-них випадках є шток і крейцкопф), колінчастого вала і махо-віка.
При наявності штока і крейцкопфа (крейцкопфні двигуни) бічний тиск, що виникає при похилому положенні шатуна, не передається на поршень і стінки циліндра, а сприймається повзуном і паралелями. До крейцкопфпим двигунів відносяться всі двигуни подвійної дії і двигуни великий пот-ності.
Однак у більшості двигунів внутрішнього згоряння шток, повзун і паралелі відсутні. Такі двигуни називаються беекрейцкопфнимі або тронкових. Тронкових двигуни менш складні внаслідок відсутності крейцкопфний вузла і мають меншу висоту, що також дуже цінно.
При роботі тронкового двигуна бічний тиск, що виникає-ний при похилому положенні шатуна, сприймається поршнем і передається робочої поверхні циліндра. В цьому випадку поршень шарнірно з'єднується безпосередньо з шатуном і виконує роль повзуна.
Поршень сприймає тиск газів і передає його шатуну і колінчастого валу. Поршні можуть бути цільними і складовими, з охолодженням рідиною і без охолодження. Найчастіше поршні діаметром до 400 мм виготовляються цільними.
На фіг. 88 представлений цілісний поршень тронкового типу без охолодження. Він має стаканообразную форму і складається з нижньої циліндричної частини 2, званої Тронка або спідницею. і верхньої частини 4, званої головкою поршня. Довжина поршня тронкового типу зазвичай становить 1,3-1,6 діаметра циліндра D і визначається допустимим питомим тиском на стінки циліндра; крім того, вона залежить від кількості кілець ущільнювачів 3 і від відстані між ними. Питомий тиск не повинен пре-сходити 6-8 кг / см 2.
Кількість прокладок (компресійних) кілець коливається в межах 3-6. Ці кільця служать для перешкоджання про-розриву газів між поршнем і стінками циліндра. Вони виконуються квадратного, прямокутного і трапецеїдального перетину з різними-ними формами замків (стиків). Для вільного розширення кільця при нагріванні передбачається зазор в замку, величина якого в холодному стані становить для двох верхніх кілець 0,006D, а для інших 0,004D.
Досвід показує, що краще ущільнення з меншою втратою на тертя виходить при більшій кількості вузьких кілець.
Кільця повинні прилягати до робочої поверхні циліндра без просвітів, а тому повинні бути достатньо пружні, але не через-мірно, щоб не збільшувати втрати на тертя і не посилювати знос робочої поверхні циліндра. Однак тиск кілець на стінку циліндра залежить не тільки від їх пружності, але головним чином від величини тиску газів. Гази, проникаючи через зазор між кільцем і торцевої поверхнею канавки в поршні, притискають кільце до стінки циліндра. Природно, що найбільший тиск гази надають на перше зверху кільце; тому найбільшому зносу піддається циліндрична поверхня першого кільця, яка більшою мірою зношує і робочу поверхню циліндра.
Поршневі кільця виготовляються з сірого та легованого чавуну.
Технічні умови на виготовлення поршневих кілець дизелів встановлені ГОСТом 7133-54. Для підвищення зносостійкості як кільця, так і робочої поверхні циліндра не менше ніж одне верхнє кільце повинне мати покриття пористим хромом. Хро-мування кілець полягає в нанесенні гальванічним спосо-бом пористого хрому шаром 0,1-0,2 мм.
Пористий хром має здатність розносити масло по поверхні втулки.
Розносять масло і самі кільця (фіг. 79, а). При русі поршня вниз поршневі кільця прижився-томиться до верхньої торцевої поверхні канавки. Нижньою кромкою кільце зскрібає зі стінки втулки масло, яке і потрапляє в утворив-ся зазор. При русі поршня вгору кільце пе-ремещаться в канавці і притискається до її нижньої торцевої поверхні; при. це масло витісняється в зазор, що утворюється між-ду верхньою поверхнею канавки і кільцем.
При наступному ході поршня вниз розглянуте явле-ня повторюється. Таким чином відбувається перекачування масла на поверхні втулки вгору. Це явище називають насоснимдействіем кілець. Воно особливо помітно у чотиритактних двигунів при наявності розрідження в циліндрі в період всмоктуючого ходу.
Осьової зазор між поршневим кільцем і його канавкою для верхнього кільця при діаметрі циліндра від 160 до 300 мм повинен бути 0,08-0,25 мм; для інших кілець 0,05-0,15 мм. При діа-метрі циліндра вище 300 мм для верхнього кільця - 0,12-0,3 мм, для інших кілець 0,07-0,25 мм.
При підвищеному зазорі між поршневими кільцями і канав-ками насосне дію кілець зростає і масло перекачується в камеру згоряння, ніж збільшується витрата масла.
Для зменшення надходження масла в камеру згоряння встановлюють одне або два маслос'емних кільця, зскрібає-щие масло зі стінок циліндра і відводять його через отвори в стінках поршня в картер двигуна. Схема дії маслос'емного, кільця найпростішої конструкції представлена на фіг. 89, б.
При русі поршня вгору тиск масла, що збирається в кільцевому просторі скоса, стискає кільце і масло проходить
через утворену щілину між втулкою і кільцем вниз, а при русі поршня вниз масло через отвори, просвердлені по всьому колу поршня, видаляється всередину поршня і стікає в картер.
При установці поршневих кілець в канавки поршня замки кілець розташовують таким чином, щоб у сусідніх кілець вони не прихо-сідали б один проти іншого, а були зміщені приблизно на 120 °. У двотактних двигунах замки кілець щоб уникнути їх поломки зміщують від продувних і вихлопних вікон. З цією метою їх закреп-ляють штифтами (фіг. 90).
Матеріалом для виготовлення поршнів служить головним чином сірий чавун (зазвичай марки СЧ 24-44). Для швидкохідний-них двигунів поршні для зменшення сил інерції виготовляють з алюмінієвого-вих сплавів, питома вага яких при-мірно в 2,5 рази менше питомої ваги чавуну. Іноді для таких двигунів через готовляют чавунні поршні полегшеної конструкції (з тонкими стінками і дит-рами жорсткості).
Для запобігання заїдання поршня внаслідок його розширенням-ня при нагріванні повинен бути зазор між поршнем і робочою поверхнею циліндра. Величина зазору між спідницею чавунного поршня і поверхнею циліндра в середньому 0,001D; між верх-ній частиною головки поршня і поверхнею циліндра (0,004- 0,008) D, де D-діаметр циліндра. Більший зазор у верхній частині поршня об'єднується наявністю тут значно більших теплових напружень. Ці напруги іноді викликають появу тріщин в днище поршня. Тому поршні великих діаметрів роблять зазвичай складовими; нерідко їх головка виконується з литої сталі. Головка поршня з'єднується зі спідницею шпильками. Така конструкція дає ряд переваг: а) можливість застосування для головки матеріалу підвищеної якості; б) можливість заміни головки, не змінюючи всього поршня; в) отримання більш надійної і порівняно вільної від ливарних напруг кон-струкції; г) можливість деякої регулювання простору стиснення за допомогою прокладки між головкою і спідницею.
Поршні двигунів подвійної дії складаються з двох головок з кільцями ущільнювачів і проміжної частини між ними.
Для попередження неприпустимого теплового напруги і появи тріщин поршень слід охолоджувати. У двигунах невеликих шой потужності (з невеликим діаметром циліндрів) поршні охла-ються за допомогою теплообміну через поршневі кільця і спідницю зі стінкою циліндра, охолоджувальної водою; крім того, для пови-шення тепловіддачі збільшують Тепловіддаючим поверхню днища поршня за рахунок ребер, звернених у внутрішню порожнину поршня.
У двигунах великої потужності (з великим діаметром цилінд-дров) доводиться вдаватися до штучного охолодження порш-ній водою або маслом, так як зі збільшенням діаметра циліндра Тепловіддаючим поверхню його зростає в квадраті, а обсяг циліндра, який визначає собою кількість палива, що спалюється, зростає в кубі. Відсутність в цьому випадку рідинного охолодження може привести до перегріву поршня. Рідина підводиться до поршнів або хитними трубами а шарнірними з'єднаннями, або телеско-пическое трубами.
Для шарнірного з'єднання поршня тронкового типу з шатуном служить палець 5 (фіг. 88). Він зміцнюється в припливах - бобишках7. наявних з двох сторін поршня. Щоб уникнути пошкодження робочої поверхні циліндра довжина пальця береться трохи менше діаметра поршня, а сам палець кріпиться від поздовжнього переміщення.
Однак під час роботи двигуна нагрів-шийся палець повинен мати можливість вільно подовжуватися, не викликаючи деформує-ції поршня. У поршні, представленому на фіг. 88, це досягається застосуванням пружинних кілець 6. Для цієї ж мети застосовують кріплення, показане на фіг. 91. Стопор 1 щільно входить в гніздо, наявне в пальці, не даючи йому переміщатися по осі, стопор 2 входить в подовжній паз пальця 3 і дозволяє йому вільно подовжуватися при нагріванні, не даючи провертатися. Пальці, які можуть вільно повертатися в бобишках, називаються плаваючими. Вони зазвичай встановлені в бронзових втулках. Плаваючі пальці, внаслідок зазначеної свободи, зношуються більш одно-мірно.
Поршневі пальці виготовляють з вуглецевої або легирован-ної стали ГОСТ 8052-56. Для меншого стирання їх робоча поверхня цементується і гартується. Для зменшення ваги пальці зазвичай роблять порожнистими.
У крейцкопфних двигунів поршневий шток з'єднується безпосередньо з головкою поршня за допомогою фланця і шпильок.
Шатун передає зусилля газів від поршня на колінчастий вал і тому працює на поздовжній вигин і на стиск. Матеріалом для шатунів зазвичай є вуглецева сталь марки 45. У швидкохідних потужних двигунах застосовуються шатуни з хромонікелевої сталі, наприклад, марки 40ХН.
Шатун складається з верхньої головки 3 (фіг. 92), стержня 5 і ниж-ній головки 8. Стрижень шатуна виконується круглого або дво-таврового перетину. Для зменшення ваги шатуна по його осі просверливается канал 6, який використовується для підведення смазоч-ного масла до поршневого пальця.
Верхня головка шатуна зазвичай отковивается заодно з тілом шатуна і дуже рідко (у потужних тихохідних двигунів) робиться рознімної. На фіг. 92 верхня головка виконана з запресують-ванною втулкою 4 з бронзи; вона зупинена від провертання шпилькою, що проходить в отвер-стіе 2.
Застосовуються також втулки зі сталі з заливкою свинцювата бронзою. У двигунів, робота-чих з меншим тепловим на-пряжением, іноді застосовується заливка з бабіту. У двигунах великої потужності застосовуються розрізні вкладиші. Для устра-вати підвищеного зазору при розрізному вкладиші служать про-кладки, натискні болти і клини.
Нижня головка шатуна де-лается рознімною. На фіг. 92 дана конструкція нижньої головки зі знімною головкою. У цьому випадку нижня частина стрижня шатуна закінчується фланцем 9 з плоскою нижньою опорною поверхнею. Це спрощує отковкі і обробку шатуна; крім того, за допомогою сталевої (компресійної) про-кладки 7 можна, змінюючи її тол-щину, регулювати обсяг про-простору стиснення і ступінь стиснення робочого циліндра.
Для центрування на знімній головці робиться виступає шип 10, приганяли щільно до відповідної западині ша-туна.
Прокладки 11 в стику двох половин нижньої головки регулюють зазор в Мотильова підшипнику - між поверхнею антифрикционной (зазвичай бабітової) заливки нижньої головки і Мотильова шийкою. Виймаючи прокладки (вони представляють собою набір латунних пластин), можна зменшити зазор, компенсуючи вироблення підшипника.
У швидкохідних дизелях і у всіх карбюраторних двигунів нижня головка шатуна робиться рознімної (але не знімною). У цьому випадку верхня частина нижньої головки отковивается разом зі стержнем-ньому шатуна.
Шатунниє болти 12 навантажуються зусиллям затяжки і додаткової змінної силою, викликаної силами інерції поступально рухомих мас. Затягування болтів виробляється спеціальними гайками зі шплинтовку, що оберігає їх від само-довільного відгвинчування. Для усунення повороту болта при закріпленні гайки використовуються стопорні болтики 1. входять в спеціальний паз болта. Обрив шатунних болтів може викликати значні руйнування двигуна; тому шатунний болт є вельми відповідальною деталлю.
Для виготовлення болтів застосовують в основному сталь 30ХНЗА, для виготовлення гайок болтів - сталь 35 і 40Х.
Шатуни крейцкопфних двигунів мають верхню головку вилкоподібний форми, що складається з двох рознімних підшипників, які охоплюють цапфи повзуна. Нижня головка не відрізняється від головки шатуна тронкового двигуна.
Шатуни легких швидкохідних дизелів і карбюраторних двига-телей найчастіше штампуються. Особливим конструктивним пристроєм відрізняються шатуни двигунів з дворядним похилим V-подібним розташуванням циліндрів. У цих двигунів шатуни одного ряду циліндрів з'єднуються з колінчастим валом двигуна за допомогою нижньої головки, а шатуни другого ряду шарнірно пов'язані з шатунами першого ряду (фіг. 93). Таким чином, одна Мотильова шийка сприймає тут роботу двох циліндрів.
Колінчастий вал піддається значним изгибающим і скручують зусиллям. Тому він повинен добре протистояти деформацій, викликаним цими зусиллями. Вали бувають в залежно-сті від числа циліндрів одно-, дво-, три-, чотири- колінчаті і т. Д.
Кожне коліно або мотиль складається з двох щік 1 (фіг. 94). Мотильова (або шатунной) шийки 2 і двох шийок 3, що лежать в Рамов підшипниках. Іноді мотилі мають противаги (на кресленні відсутні).
Колінчастий вал двигунів малої та середньої потужності зазвичай цілісний. У великих двигунів колінчаті вали виконуються складовими; в цьому випадку дві його частини з'єднуються фланцями 4, скріпленими болтами або шпильками. Кінцеві фланці 5. складові єдине ціле з валом, служать для з'єднання двигуна з споживачем енергії.
Колінчасті вали є найдорожчою деталлю, яку зважаючи на складність їх виготовлення може виконати не кожен завод, що виготовляє двигуни. Вали виготовляються за допомогою кування або штампування. Багатоколінчасті вали потужних двигунів изго-товляются зі складовими мотилями; в цьому випадку щоки і шийки виковували і обробляються окремо, а потім з'єднуються за допомогою гарячої пресової посадки.
Колінчасті вали дизелів повинні відповідати ГОСТу 704-52, який пред'являє високі вимоги до якості матеріалу вала, а також до точності і чистоті механічної обробки робочої поверхні шийок валу. Вали виготовляються з якісної вугле-родістой або легованої сталі.
Для полегшення ваги колінчастого вала зазвичай його шийки мають осьові свердління і утворюються канали використовуються для під-вода мастила. Спочатку з рамового підшипника через радіальні отвори в шийці вала (фіг. 95, а) масло входить в центральний канал вала, звідки по каналах в Мотильова щоці і Мотильова шийці виходить в Мотильова підшипник.