2.2. УСТРОЙСТВО ДВИГАТЕЛЯ ИМЗ

Продольный и поперечный разрезы двигателя представлены на рис. 2.3 и 2.4.

Цилиндропоршневая группа (ЦПГ). Цилиндро-поршневая группа предназначена для преобразования тепловой энергии топлива в механическую работу. В нее входят цилиндр, поршень, поршневые кольца, поршневой палец. Сюда же относится и головка цилиндра, но поскольку в ней расположены детали механизма газораспределения, конструкция головки цилиндра будет рассмотрена ниже.

Рис. 2.3. Двигатель (поперечный разрез): 1 - генератор; 2 - вал распределительный; 3 - толкатель; 4 - направляющая толкателя; 5 - колпак уплотнительный; 6 - штанга толкателя; 7 - трубка (кожух) штанги; 8 - цилиндр; 9 - поршень; 10 - головка цилиндра; 11 - клапан; 12 - пружины клапана; 13 - болт регулировочный; 14 - кронштейн оси коромысла; 15 - контгайка регулировочного болта; 16 - коромысло; 17 - ось коромысла; 18 - крышка головки; 19 - шпилька крепления головки цилиндра; 20 - прокладка; 21 - стойка оси коромысла; 22 - канал стока масла из головки цилиндра; 23 - прокладка; 24 - труба цилиндра сливная для масла; 25 - кольца компрессионные; 26 - палец поршневой; 27 - кольца маслосъемные; 28 - шатун; 29 - подшиптик роликовый; 30 - палец коленчатого вала; 31 - картер двигателя; 32 - поддон; 33 - насос маслянный; 34 - щека коленчатого вала; 35 - маслоуловитель; 36 - гайка крепления цилиндра; 37 - карбюратор; 38 - наконечник; 39 - провод высокого напряжения; 40 - пробка наливного отверстия со щупом; 41 - зубчатое колесо ведомое привода маслянного насоса; 42 - пробка привода маслянного насоса; 43 - зубчатое колесо ведущее привода маслянного насоса

Условия работы деталей ЦПГ очень напряженные. При сгорании топливовоздушной смеси температура пламени достигает 2000-2500 °С. Большинство металлов при такой температуре плавится, поэтому для нормальной работы двигателя необходимо обеспечить отвод теплоты от деталей ЦПГ. В результате охлаждения деталей их температура гораздо меньше 2000 °С (температура цилиндра и головки составляет 150-250 °С, температура поршня 300-400 °С), Но даже при таких температурах прочность многих металлов снижается, поэтому очень важно не перегревать и не перегружать двигатель.

Поршень совершает в цилиндре возвратно-поступательное движение с довольно большой скоростью (до 20 м/с), поэтому детали ЦПГ необходимо изготовлять из таких материалов, которые имеют малый коэффициент трения и не подвержены большому износу. Кроме того, поршень должен обладать малой массой для уменьшения сил инерции возвратно-поступательного движения. Необходимо также учитывать плохие условия смазки, так как смазывающие свойства масел при больших температурах ухудшаются. Исходя из этих требований, рассмотрим конструкцию деталей ЦПГ.

Рис. 2.4. Двигатель (продольный разрез): 1 - маховик; 2 - картер двигателя; 3 - втулка распределительного вала; 4 - распределительный вал; 5 - задняя цапфа коленчатого вала; 6 - генератор; 7 - щека коленчатого вала; 8 - передняя цапфа коленчатого вала; 9 - уплотнительная прокладка генератора; 10 - подшипник распределительного вала; 11 - зубчатое колесо генератора; 12 - зубчатое колесо распределительного вала; 13 - крышка распределительной коробки; 14 - передняя крышка картера; 15 - сапун; 16 и 29 - сальники; 17 - поводок сапуна; 18 - корпус переднего шарикоподшипника; 19 - шарикоподшипник; 20 - ведущее зубчатое колесо распределения; 21 и 28 - маслоуловители; 22 - фильтр масляный; 23 - уплотнительное кольцо; 24 - пробка масляного фильтра; 25 - болт поддона; 26 - поддон; 27 - пробка сливного отверстия; 30 - шарикоподшипник; 31 - болт крепления маховика; 32 - палец коленчатого вала; 33 - роликовый подшипник; 34 - корпус заднего подшипника

Цилиндр отлит из специального чугуна. Внутреннюю поверхность цилиндра, по которой перемещается поршень, при окончательной обработке хонингуют (обрабатывают специальным инструментом - хоном, в результате чего достигается высокая чистота поверхности почти до зеркального блеска), и поэтому нередко называют «зеркалом цилиндра». Для уменьшения износа «зеркала» состав чугуна подбирают таким, чтобы он имел повышенную твердость. Для отвода и рассеивания теплоты в окружающую среду снаружи на цилиндре выполнены ребра охлаждения.

Цилиндры разбивают на группы в зависимости от размера внутреннего диаметра D:

Индекс группы наносят на цилиндр (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Маркировка цилиндра

Поршень отлит из алюминиевого сплава. Алюминиевый сплав имеет малую плотность и хорошую теплопроводность, вследствие чего поршень получается легким и не создает больших сил инерции, а также хорошо охлаждается. Вместе с чугунным цилиндром повышенной твердости алюминиевый поршень образует хорошую антифрикционную пару, в результате чего уменьшается износ деталей ЦПГ. Однако у алюминиевого сплава есть один существенный недостаток: коэффициент линейного расширения алюминиевого сплава в два раза больше, чем коэффициент линейного расширения чугуна. К тому же температура поршня примерно вдвое выше температуры цилиндра, поэтому при перегреве двигателя поршень расширяется настолько, что его заклинивает в цилиндре. Происходит так называемый «прихват». Во избежание «прихвата» следует исключить возможность перегрева двигателя.

Поршень имеет днище, боковую поверхность - юбку и бобышки под поршневой палец. На поршне выполнены четыре канавки под поршневые кольца. В процесе работы верхняя часть поршня нагревается сильнее и расширяется больше, нежели нижняя часть. Поэтому для того, чтобы в рабочем состоянии поршень имел цилиндрическую форму, его выполняют конусным, т. е. диаметр головки поршня, где расположены поршневые кольца, и верхней части юбки меньше нижней части юбки. При подборе поршня к цилиндру определяющим является наибольший диаметр юбки поршня.

При работе кривошинно-шатунного механизма на поршень действует сила бокового давления, которая прижимает поршень к стенке цилиндра и деформирует его. Поршень в рабочем состоянии должен иметь большую поверхность прилегания к цилиндру, поэтому его делают эллипсным в сечении. Большая ось эллипса при этом перпендикулярна оси поршневого пальца (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Схема сил, действующих на поршень

Под действием силы N поршень деформируется (показано штриховой линией) и принимает цилиндрическую форму. Разность большой и малой осей эллипса составляет 0,18 мм. Поскольку сила N всегда направлена перпендикулярно поршневому пальцу, то боковая поверхность поршня около поршневого пальца в работе не участвует. Для предотвращения заклининия поршня вследствие его деформации от силы N часть металла вокруг поршневого пальца снимается, выполняются так называемые «холодильники».

Поршни, как и цилиндры, разбивают на группы в зависимости от диаметра юбки D_ю, замеренного по большой оси эллипса на расстоянии 13 мм от нижнего торца (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Маркировка поршня

Индекс группы поршня выбивают на днище поршня. Кроме того, поршни различают по диаметру отверстия под поршневой палец и делят на четыре группы согласно табл. 2.1. Отверстия в поршне, как и поршневой палец, маркируют краской.

Таблица 2.1. Маркировка поршня и поршневого пальца

Поршневой палец установлен в поршне с натягом 0,045-0,095 мм, однако при нагревании поршень расширяется больше, чем палец, и последний свободно вращается и в поршне, и в шатуне. Такая посадка поршневого пальца называется «плавающей». За счет плавающей посадки палец изнашивается меньше и более равномерно по всей окружности.

Кривошипно-шатунный механизм. Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) предназначен для преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. В него входят коленчатый вал и шатуны.

Коленчатый вал состоит из двух коренных шеек, двух шатунных шеек и трех щек (рис. 2.8). Передняя и задняя коренные шейки выполнены заодно с передней и задней щекой соответственно. Эти детали часто называют «цапфами». Шатунные шейки расположены на пальцах, которые запрессованы в переднюю, среднюю и заднюю щеки. Для сборки и разборки коленчатого вала требуются большие усилия и высокая точность.

Рис. 2.8. Схема устройства кривошипно-шатунного механизма: 1 - шатун; 2 - шатунная шейка; 3 - коренная шейка; 4 - щека

Без специального оборудования выполнить эти операции невозможно, поэтому ремонт кривошипно-шатунного механизма производят в специализированных мастерских.

Шатун соединен с коленчатым валом с помощью роликового подшипника с сепаратором, поэтому нижняя головка шатуна неразъемная (в отличие от разъемных шатунов с подшипниками скольжения). Это создает неудобство при ремонте, однако роликовый подшипник нижней головки шатуна менее требователен к условиям смазывания, качеству масла и его очистке. Преимуществом коленчатого вала с роликовыми подшипниками в нижней головке шатуна является и то, что двигатель с таким валом легче запускается в холодное время.

Кривошипно-шатунный механизм вращается в двух коренных подшипниках, которые испытывают преимущественно радиальную нагрузку. Однако при выжиме сцепления возникает и осевая нагрузка, поэтому в качестве коренных подшипников используют радиально-упорные шариковые подшипники, которые могут воспринимать как радиальную, так и осевую нагрузки.

Механизм газораспределения. Он служит для своевременного впуска горючей смеси в цилиндры двигателя и выпуска из них отработавших газов в соответствии с диаграммой газораспределения.

Диаграмма газораспределения показывает продолжительность процессов рабочего цикла двигателя (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск) в зависимости от угла поворота коленчатого вала.

Рабочий цикл двигателя - это совокупность процессов, периодически повторяющихся в определенной последовательности. Работа механизма газораспределения должна быть согласована с работой кривошипно-шатунного механизма. Если механизм газораспределения собрать произвольно, то детали двигателя будут вращаться, клапаны будут открываться и закрываться, но двигатель работать не будет, так как впуск смеси и выпуск отработавших газов не будут согласованы с движением поршней в цилиндрах. Устройство механизма газораспределения показано на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Механизм газораспределения двигателя: 1 - штанга; 2 - кожух штанги; 3 - толкаль; 4 - направляющая толкателя; 5 - ведомое зубчатое колесо распределительного вала; 6 - поводок сапуна; 7 - сапун; 8 - сальник; 9 - распределительный вал; 10 - выпускной клапан; 11 - направляющая клапана; 12 - выпускной патрубок; 13 - нижняя тарелка; 14 - пружина клапана наружняя; 15 - пружина клапана внутренняя; 16 - верхняя тарелка клапана; 17 - сухарь клапана; 18 - коромысло; 19 - регулировочный болт; 20 - контргайка регулировочного болта; 21 - ось коромысла; 22 - впускной клапан

От коленчатого вала через зубчатые колеса получает вращение распределительный (или кулачковый) вал, в результате чего его кулачки в определенной последовательности воздействуют на толкатели, которые перемещают штанги. Штанги поворачивают двуплечие рычаги - коромысла, а те, преодолевая усилие пружин, открывают клапаны. При дальнейшем вращении распределительного вала кулачки перестают давить на толкатели, усилия на клапаны от толкателей не передаются, и под действием пружин клапаны закрываются. Одновременно с закрытием клапанов под действием пружин занимают исходное положение и остальные деталш коромысла, штанги, толкатели.

Ряд деталей механизма газораспределения, в частности клапаны, совершают возвратно-поступательное движение со значительными ускорениями. При этом в механизме газораспределения возникают довольно большие силы инерции. При частоте вращения двигателя более 6500 мин^-1 силы инерции могут быть настолько велики, что вызовут нарушение кинематической связи звеньев механизма между кулачком и клапаном, изменение закона движения клапана от определенного профилем кулачка и, как следствие, соударение клапанов. В результате повреждаются оба клапана и нередко поршень, цилиндр и головка цилиндра. Поэтому в процессе эксплуатации важно не превышать установленные для двигателя максимальные частоты вращения.

Так как тахометра на мотоциклах ИМЗ нет, о частоте вращения коленчатого вала можно судить по показаниям спидометра. Частоте вращения 5000 мин^-1 будут приблизительно соответствовать скорости: на 1-й передаче - 36 км/ч, на 2-й передаче - 57 км/ч, на 3-й передаче - 76 км/ч, на 4-й передаче - 100 км/ч, При этом следует учесть, что неточность в эти соотношения вносит несоответствие давления шин, погрешности показаний спидометра и ряд других факторов.

Для согласованного движения поршней и клапанов зубчатые колеса привода распределительного вала устанавливают по меткам, которые наносят на их торцы. При переборке механизма газораспределения на это надо обратить внимание.

Для уменьшения шума и динамических нагрузок на привод механизма газораспределения в процессе работы двигателя зубчатые колеса выполнены косо-зубыми. Для обеспечения оптимального зазора в зацеплении зубчатые колеса делят попарно на группы. При замене их надо подбирать в соответствии с группой картера, которая назначается в зависимости от межосевого расстояния отверстий привода газораспределения.

Рис. 2.10. Маркировка зубчатых колес привода распределительного вала

Индекс комплекта зубчатых колес наносится электрографом на их торцы, а группа картера выбирается в районе генератора справа (рис. 2.10, 2.11).

Рис. 2.11. Маркировка группы картера

При правильном подборе зубчатых колес на новом двигателе боковой зазор должен быть в пределах 0,01-0,12 мм (рис. 2.12), а у изношенного двигателя не должен превышать 0,3 мм.

Рис. 2.12. Замер бокового зазора зубчатых колес привода распределительного вала

На всех моделях двигателей вплоть до М67-36 применялись плоские толкатели. На последней модели ИМЗ-8.103 внедрены вращающиеся толкатели, которые более долговечны, не требуют частой регулировки зазоров в механизме газораспределения. Вращающиеся толкатели можно устанавливать на двигатели предыдущих моделей, но только в комплекте с соответствующим распределительным валом.

Смазочная система. Смазочная система выполняет несколько функций: уменьшает трение между деталями, охлаждает наиболее нагретые детали, выносит продукты износа трущихся деталей и защищает детали от коррозии. Из этих функций первостепенное значение имеет снижение трения между деталями, поскольку трение вызывает износ, а следовательно, преждевременное разрушение деталей. Кроме того, трение увеличивает механические потери.

Однако все эти функции связаны между собой, поэтому надо обеспечить хорошие охлаждение (картер и поддон должны быть чистыми) и очистку масла. При перегреве вязкость масла уменьшится, оно будет выдавливаться из зазора между трущимися деталями, произойдет непосредственный контакт деталей (а не через масляную пленку), что может привести к образованию задиров и к разрушению.

При плохой очистке масла мельчайшие частицы продуктов износа, попав на трущиеся детали и действуя как абразивный порошок, могут вызвать повышенный их износ.

Масло к трущимся деталям может подводиться несколькими способами: под давлением, разбрызгиванием (барботажем), самотеком.

Наилучшие результаты дает первый способ. Масло подводится к трущимся деталям под давлением, заполняет самые труднодоступные места и мельчайшие зазоры, что обеспечивает эффективную смазку. Однако для этого способа требуется масляный насос, причем тем большей производительности, чем больше объектов смазывания. Кроме того, необходимы каналы, по которым масло подводится к трущимся деталям. Ввиду конструктивной сложности этот способ применяется только для высоконагруженных, ответственных узлов.

Смазывание разбрызгиванием и самотеком, как правило, не требует дополнительных конструктивных решений. Масло, подводимое к вращающимся деталям под давлением, вытекает из зазоров и под действием центробежных сил разбрызгивается. Образовавшийся масляный туман покрывает все детали, обеспечивая их смазку. Часть масляного тумана оседает в специальных карманах, а затем самотеком поступает к трущимся деталям, где вновь разбрызгивается (от карманов у толкателей масло самотеком поступает в головку цилиндра и разбрызгивается коромыслами и пружинами).

Различают системы смазки с «сухим» картером и с «мокрым» картером. В системе с «сухим» картером имеется отдельный масляный резервуар, из которого масло нагнетающей секцией насоса подается в двигатель для смазки. После смазки деталей масло стекает в нижнюю часть двигателя, откуда откачивающей секцией насоса подается обратно в масляный резервуар.

В смазочной системе с «мокрым» картером масляным резервуаром являются нижняя часть картера двигателя и поддон. Оттуда масло насосом подается в двигатель, после чего стекает обратно. Эта система проще, однако лучшие возможности для охлаждения масла создаются в системе с «сухим» картером, двигатель более компактный.

На двигателях Ирбитского мотоциклетного завода применяется смазочная система с «мокрым» картером (рис. 2.13). Снизу к картеру крепится шестеренный масляный насос, который получает вращение через зубчатые колеса и штангу от распределительного вала. Масляный насос закрыт сеткой, которая защищает его и смазочную систему от попадания крупных частиц примесей.

Рис. 2.13. система смазки двигателя: 1 - маслянный шестеренный насос; 2 - карман для сбора масла; 3 - канал в корпусе заднего подшипника для прохода масла в маслоуловитель; 4 - калибрированное отверстие для прохода масла; 5 - маслоуловители кривошипного механизма; 6 - вертикальный канал для прохода масла в корпус заднего подшипника; 7 - поддон картера; 8 - канал прохода масла в маслофильтр; 9 - перепускной клапан; 10 - маслянный филтр; 11 - главная магистраль; 12 - маслосъемные поршневые кольца; 13 - отверстие в верхней головке шатуна для смазки поршневого пальца; 14 - отверстие в бобышках поршня для смазки поршневого пальца; 15 - отверстие в пальце коленчатого вала для смазки подшипника нижней головки шатуна; 16 - канал подвода масла к левому цилиндру; 17 - внутренняя полость пальца коленчатого вала для смазки подшипника нижней головки шатуна; 18 - кольцевая проточка и выемка в корпусе для прохода масла; 19 - трубка для смазки зубчатых колес газораспределения; 20 - канал для прохода масла для смазки трущихся частей в головке цилиндра; 21 - внутренняя полость кожуха штанг для прохода масла; 22 - канал для стока масла из головки цилиндра; 23 - пробка наливного отверстия со щупом; 24 - соединительная штанга и зубчатое колесо привода маслянного насоса; А - подвод масла к зубчатым колесам привода газораспределения; В - выход газов из картера двигателя; С - слив масла из двигателя

Масляный насос работает следующим образом (pиc. 2.14). В корпусе с очень малыми зазорами помещены зубчатые колеса. При вращении в направлении, показанном стрелками, вверху зубчатые колеса выходят из зацепления. При этом пространство во впадине между зубьями одного колеса, которое было занято зубом соседнего, освобождается, возникает разрежение. Под действием разрежения масло через канал в корпусе засасывается во впадину между зубьями и начинает вращаться вместе с зубчатым колесом. Затем масло попадает на выход из насоса, где зубья входят в зацепление и выдавливают масло из впадины. Так как зазор между зубчатыми колесами и корпусом очень мал, масло не может перетекать обратно на вход в насос и поступает в масляную магистраль двигателя.

Рис. 2.14. Схема работы шестеренного масляного насоса

Давление, которое создает масляный насос, зависит от сопротивления масляной магистрали. При увеличении сопротивления (например, при засорении маслофильтра) давление может значительно повыситься, что приведет к разрушению маслофильтра. Для того чтобы этого не произошло, а также, чтобы двигатель не остался без смазки, параллельно фильтру установлен перепускной клапан.

Если фильтр чистый, то масло, проходя через него, почти не встречает сопротивления и давления перед фильтром и за ним почти одинаковы. Перепускной клапан при этом закрыт, так как на шарик действуют с двух сторон почти одинаковые давления и за счет усилия пружины шарик перекрывает канал.

При засорении фильтра масло, проходя через него, встречает большое сопротивление, поэтому давление перед фильтром возрастает, а за фильтром падает. За счет разности давлений шарик преодолевает усилие пружины и открывает канал для прохода масла, минуя фильтр.

Поскольку при чистом фильтре весь масляный поток проходит через фильтр - такой фильтр называется полнопоточным. Порядок смазывания деталей двигателя показан на рис. 2.13 стрелками.

Картер является основным силовым узлом двигателя и предназначен для размещения остальных узлов (кривошипно-шатунного механизма, механизма газораспределения, цилиндропоршневой группыэ) сцепления). К картеру крепятся приборы электрооборудования. В нем выполнены каналы маслосистемы и элементы крепления двигателя к раме мотоцикла. Для обеспечения сборки и разборки двигателя картер выполнен из нескольких частей: собственно картера, корпуса заднего подшипника, корпуса переднего подшипника, крышки распределительной коробки, передней крышки, поддона (см. рис. 2.4).

При движении поршней к НМТ давление внутри картера может повыситься и под его воздействием может произойти выдавливание масла через сальники наружу. Для предупреждения этого с помощью сапуна осуществляется вентиляция картера.

В крышке распределительной коробки соосно с кулачковым валом выполнено глухое отверстие, которое радиальным каналом сообщается с атмосферой. В отверстие с малым зазором помещен цилиндрический золотник - сапун, который получает вращение от распределительного вала.

Сапун имеет два радиальных отверстия, которые при движении поршней к НМТ периодически сообщаются через канал в крышке распределительной коробки с атмосферой. Избыток газов по радиальным пазам, расположенным на заднем торце сапуна, устремляется от периферии внутрь, а затем в атмосферу. При этом частицы масла, взвешенные в воздухе, как более тяжелые отбрасываются обратно Под действием центробежных сил, а воздух как более легкий выходит в атмосферу. Далее при движении поршня сапун перекрывает канал в крышке распределительной коробки, за счет чего в картере поддерживается некоторое разрежение, препятствующее вытеканию масла.

Картер крепится к раме двумя шпильками. Через отверстие для передней шпильки, в случае образования сквозных литейных пор, возможно вытекание масла. Для предотвращения этого в отверстие вставляют алюминиевую трубку. При снятии и установке передней шпильки надо быть осторожным, чтобы не повредить трубку.