Механическая часть двигателя / Кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный механизм, или КШМ, - это основной подвижный механизм двигателя внутреннего сгорания, воспринимающий давление газов в цилиндрах и преобразующий возвратно-поступательное движение поршней во вращение коленчатого вала. Через маховик или приводной диск крутящий момент передается трансмиссии.

К основным деталям КШМ относятся поршни, поршневые кольца, пальцы, шатуны, шатунные вкладыши, коленчатый вал, коренные вкладыши и упорные элементы. Цилиндры, гильзы и опоры коленчатого вала расположены в блоке цилиндров и образуют неподвижную основу механизма.

В англоязычной технической документации применяются термины Crank Mechanism, Crankshaft and Connecting Rod Mechanism, Crank Train и Rotating Assembly. Состав узла в конкретном каталоге или руководстве может отличаться.

Главный принцип: низкая компрессия, расход масла, синий дым или металлический стук не доказывают неисправность конкретной детали КШМ. Причиной могут быть клапаны, турбокомпрессор, вентиляция картера, форсунки, маховик, привод ГРМ или недостаточное давление моторного масла.

Не продолжайте движение при низком давлении масла и металлическом стуке.
Не разбирайте двигатель только по результату одного измерения компрессии.
Не устанавливайте новые кольца в изношенные цилиндры без измерений.
Не заменяйте вкладыши без проверки шеек коленчатого вала.
Не меняйте местами крышки шатунов и коренных опор.
Не обрабатывайте шейки наждачной бумагой вместо точного ремонта.
Не используйте повторно одноразовые болты шатунов.
Не запускайте двигатель без предварительного создания давления масла.
Не затягивайте крепление произвольным моментом.
Не маскируйте стук густым маслом или присадками.

Назначение КШМ

Давление сгорания действует на днище поршня. Поршень передает силу через палец и шатун на шатунную шейку коленчатого вала. Смещение шатунной шейки относительно оси коренных шеек образует кривошип и преобразует линейное движение во вращение.

воспринимает давление газов;
передает усилие от поршней коленчатому валу;
преобразует возвратно-поступательное движение во вращательное;
перемещает поршни при впуске, сжатии и выпуске;
передает момент маховику или приводному диску;
приводит масляный насос и газораспределительный механизм;
обеспечивает рабочий объем двигателя;
воспринимает инерционные и ударные нагрузки.

Состав кривошипно-шатунного механизма

Группа	Основные детали	Функция
Поршневая группа	Поршень, кольца, палец, стопорные кольца	Воспринимает давление и герметизирует цилиндр
Шатунная группа	Шатун, крышка, втулка, болты, вкладыши	Передает усилие между поршнем и коленвалом
Коленчатая группа	Коленчатый вал, коренные вкладыши, упорные шайбы	Преобразует движение и передает момент
Сопряженные детали	Цилиндры, гильзы, маховик, демпфер, сальники	Направляют движение и герметизируют узел

Поршень

Поршень перемещается в цилиндре, воспринимает давление сгорания и передает его шатуну. Часть тепла отводится через кольца к стенке цилиндра.

Днище. Формирует часть камеры сгорания.
Кольцевые канавки. Удерживают компрессионные и маслосъемные кольца.
Перемычки. Передают нагрузку между кольцами и корпусом.
Бобышки пальца. Удерживают поршневой палец.
Юбка. Направляет поршень и воспринимает боковое усилие.
Масляная галерея. Улучшает охлаждение нагруженного поршня.

Поршень может иметь смещенную ось пальца, асимметричную юбку, выемки под клапаны и обязательное направление установки.

Поршневые кольца

Кольца герметизируют зазор между поршнем и цилиндром, отводят тепло и регулируют масляную пленку.

верхнее компрессионное кольцо;
второе компрессионное кольцо;
маслосъемное кольцо.

Кольца имеют определенный профиль, покрытие и направление установки. Недостаточный зазор в замке может привести к смыканию концов после нагрева и повреждению цилиндра.

Поршневой палец

Палец соединяет поршень с верхней головкой шатуна. Он может быть плавающим, полуплавающим или запрессованным.

диаметр и овальность пальца;
зазор в бобышках поршня;
зазор во втулке шатуна;
задиры и перегрев;
стопорные кольца и канавки.

Шатун

Шатун передает усилие от поршня шатунной шейке коленчатого вала.

стержень шатуна;
верхняя головка;
втулка верхней головки шатуна;
нижняя головка;
крышка;
болты шатуна;
шатунные вкладыши.

Шатун проверяют на изгиб, скручивание, овальность нижней головки и состояние болтов. Крышка является парной деталью конкретного шатуна.

Коленчатый вал

Коленчатый вал состоит из коренных и шатунных шеек, щек, противовесов, носка и заднего фланца. Внутренние каналы подают масло от коренных опор к шатунным шейкам.

диаметр шеек;
овальность и конусность;
радиальное биение;
трещины;
задиры и перенос материала вкладыша;
чистоту масляных каналов;
фланец маховика;
шпоночный паз и резьбу носка;
поверхности сальников;
ремонтный размер.

Коренные и шатунные вкладыши

Вкладыши образуют подшипники скольжения. Между вкладышем и шейкой должна существовать масляная пленка, предотвращающая прямой контакт металлов.

Комплект подшипников коленчатого вала удерживает вал в блоке. Комплект шатунных подшипников работает между шатунами и шатунными шейками.

давление и вязкость масла;
фактический масляный зазор;
чистота каналов;
геометрия шеек;
правильность сборки;
детонация;
разжижение масла топливом;
перегрев;
частые холодные запуски;
масляное голодание.

Упорные элементы

Упорные шайбы коленчатого вала или интегрированные поверхности вкладыша ограничивают осевое перемещение.

смещение вала при нажатии сцепления;
ошибки сигнала датчика положения;
повреждение сальников;
контакт щек с опорами;
шум при запуске и остановке;
повреждение блока.

Цилиндры и гильзы

Цилиндр направляет поршень и является рабочей поверхностью колец. Он может быть выполнен в блоке или в виде сменной гильзы цилиндра.

диаметр;
овальность;
конусность;
зазор поршня;
шероховатость после хонингования;
выступ гильзы;
соосность с опорами коленвала.

Маховик и демпфер

Маховик накапливает кинетическую энергию и сглаживает неравномерность вращения. На двигателях с автоматической коробкой может применяться приводной диск.

На переднем конце установлен шкив коленчатого вала, часто с резиновым демпфером крутильных колебаний. Его повреждение может имитировать неисправность КШМ.

Работа механизма

Впуск. Коленчатый вал перемещает поршень вниз.
Сжатие. Поршень движется вверх.
Рабочий ход. Давление газов создает крутящий момент.
Выпуск. Поршень вытесняет отработавшие газы.

Около верхней и нижней мертвых точек поршень резко изменяет направление, создавая высокую инерционную нагрузку на палец, шатун и его болты.

Смазка КШМ

Масло под давлением поступает к коренным опорам, затем по каналам коленвала - к шатунным шейкам.

Цилиндры и поршни смазываются разбрызгиванием, масляным туманом или специальными форсунками.

низкий уровень масла;
неисправный насос;
засоренный маслоприемник;
неправильный фильтр;
увеличенные зазоры;
засоренные каналы;
разжижение масла топливом;
перегрев;
вспенивание;
отлив масла от маслоприемника.

Охлаждение поршней

Тепло передается от поршня через кольца к цилиндру. В нагруженных двигателях днище дополнительно охлаждается струей масла.

Неисправная форсунка может вызвать перегрев, трещину поршня, задиры или разрушение кольцевых перемычек.

Основные нагрузки

давление сгорания;
инерция поршней и шатунов;
боковое усилие на стенку цилиндра;
крутильные колебания;
детонационные удары;
осевое усилие трансмиссии;
тепловое расширение;
загрязнение масла;
превышение оборотов;
высокая нагрузка на низких оборотах.

Типичные неисправности

износ поршневых колец;
закоксовывание маслосъемных колец;
износ цилиндров двигателя;
задиры поршней и цилиндров;
трещина или прогар поршня;
разрушение кольцевой перемычки;
износ пальца или втулки шатуна;
изгиб шатуна;
износ шатунных вкладышей;
износ коренных вкладышей;
проворачивание вкладыша;
задиры шеек коленвала;
трещина коленчатого вала;
избыточный осевой люфт;
повреждение болта шатуна;
засорение масляных каналов;
неисправность маховика или демпфера.

Износ поршневых колец

повышенный расход моторного масла;
синий дым под нагрузкой;
повышенные картерные газы;
масло во впуске;
снижение компрессии;
потеря мощности;
нагар на поршнях и свечах;
загрязнение каталитического нейтрализатора.

Задиры поршней и цилиндров

Задиры образуются при разрушении масляной пленки. Причинами являются перегрев, неправильный зазор, смывание масла топливом, пыль во впуске или неисправность охлаждения поршня.

металлический шум;
низкая компрессия;
расход масла;
дым;
стружка в масле;
нестабильная работа;
заклинивание двигателя.

Износ шатунных вкладышей

Увеличенный зазор позволяет шатуну ударять по шейке.

стук усиливается на прогретом двигателе;
меняется при резком открытии дросселя;
может уменьшаться после отключения проблемного цилиндра;
сопровождается металлом в фильтре;
прогрессирует после снижения давления масла.

Продолжение работы может привести к проворачиванию вкладыша и разрушению блока.

Износ коренных вкладышей

При увеличении коренных зазоров снижается давление масла и ухудшается положение коленчатого вала в блоке.

Глухой низкочастотный стук может усиливаться под нагрузкой, но точная локализация требует измерений.

Проворачивание вкладыша

Вкладыш теряет фиксацию, поворачивается в постели и может перекрыть масляный канал.

повреждение шейки;
перегрев шатуна или блока;
потеря давления масла;
разрушение посадочного места;
заклинивание коленвала;
полное разрушение двигателя.

Стук поршня

Поршневой стук возникает при большом зазоре между юбкой и цилиндром. Часто он сильнее после холодного запуска и уменьшается после прогрева.

Аналогичный звук могут создавать гидрокомпенсаторы, форсунки, палец и привод ГРМ.

Стук поршневого пальца

Износ пальца, бобышек или втулки шатуна создает звонкий звук, который может меняться при переходе от нагрузки к торможению двигателем.

Низкая компрессия

Низкая компрессия в цилиндрах может быть связана с кольцами, цилиндрами, поршнем, клапанами или прокладкой головки.

измерение компрессии двигателя;
пневмотест цилиндров;
эндоскопия цилиндров двигателя;
проверка картерных газов;
оценка расхода масла;
проверка клапанов и фаз.

Повышенный расход масла

Повышенный расход моторного масла возникает из-за колец и цилиндров, но также из-за турбокомпрессора, сальников клапанов, вентиляции картера и наружных утечек.

Синий дым

Синий дым из выхлопной трубы указывает на сгорание масла, но не определяет путь его поступления.

дым под нагрузкой - проверка колец и турбокомпрессора;
дым после холостого хода - проверка клапанных уплотнений;
дым после торможения двигателем - проверка разрежения, клапанов и турбины;
постоянный густой дым - проверка цилиндров и поршней.

Низкое давление масла

Низкое давление может быть причиной и следствием износа КШМ.

фактическое давление по манометру;
уровень, температура и вязкость масла;
масляный фильтр;
насос и редукционный клапан;
маслоприемник;
зазоры вкладышей;
опоры распределительных валов;
разжижение масла топливом.

Вибрация двигателя

Вибрация двигателя возможна при разной компрессии, погнутом шатуне, неправильной массе поршней, деформированном коленвале или неисправном демпфере.

Также проверяют пропуски, форсунки, маховик, сцепление и опоры двигателя.

Когда двигатель нужно остановить

загорелся индикатор давления масла;
появился сильный металлический стук;
давление масла ниже допуска;
в фильтре обнаружено много металла;
двигатель перегревается;
уровень масла быстро снижается;
появился густой синий дым;
двигатель тяжело проворачивается;
после гидроудара появились шум и вибрация;
подозревается разрушение поршня или шатуна.

Начальная диагностика

Собрать историю эксплуатации и ремонтов.
Проверить уровень и состояние масла.
Осмотреть масло и фильтр на металл.
Измерить давление масла.
Считать ошибки и пропуски.
Выполнить диагностику шумов двигателя.
Измерить компрессию.
Выполнить пневмотест.
Провести эндоскопию.
Проверить картерные газы.
Оценить цвет выхлопа.
После локализации планировать разборку.

Диагностика шумов

Звук	Направление проверки	Что исключить
Глухой стук под нагрузкой	Шатунные и коренные вкладыши	Маховик, детонация, агрегаты
Стук на холодном двигателе	Поршень и цилиндр	Гидрокомпенсаторы, цепь ГРМ
Звон при смене нагрузки	Поршневой палец	Детонация, форсунка, клапаны
Удар при нажатии сцепления	Осевой люфт коленвала	Маховик, сцепление, опоры

Измерение компрессии

Компрессия зависит от колец, клапанов, прокладки, фаз и скорости стартера. Масляная проба является вспомогательным, но не окончательным тестом.

Пневмотест

шум в картере - поршневая группа;
шум во впуске - впускной клапан;
шум в выпуске - выпускной клапан;
пузырьки в бачке - головка, блок или прокладка;
перетекание в соседний цилиндр - повреждение между цилиндрами.

Эндоскопия цилиндров

вертикальные задиры;
состояние хона;
трещины и прогар поршня;
разрушение перемычек;
следы клапанов;
нагар;
охлаждающую жидкость;
посторонние предметы.

Эндоскоп не измеряет овальность и конусность цилиндра.

Проверка картерных газов

Повышенный поток возможен при износе колец, цилиндров или повреждении поршня. Учитывают конструкцию вентиляции картера и режим нагрузки.

Анализ масла и фильтра

алюминий от поршней;
железо от цилиндров и коленвала;
медь или свинец от вкладышей;
топливо;
охлаждающую жидкость;
шлам;
частицы герметика;
следы перегрева.

Проверка после снятия поддона

маслоприемник;
осадок и металлические частицы;
боковой зазор шатунов;
доступные вкладыши;
осевой люфт коленвала;
форсунки охлаждения поршней;
крепление крышек;
поверхность шеек.

Измерение цилиндров

Цилиндры измеряют нутромером в нескольких поясах и направлениях.

диаметр;
износ верхней зоны;
конусность;
овальность;
локальные задиры;
ремонтный размер;
зазор нового поршня.

Проверка поршней и колец

диаметр юбки;
овальность поршня;
кольцевые перемычки;
зазор кольца в канавке;
зазор в замке;
маслоотводящие отверстия;
бобышки пальца;
направление установки;
массу комплектов.

Проверка шатунов

номер и направление;
изгиб и скручивание;
отверстие нижней головки;
втулка верхней головки;
плоскости разъема;
резьба и длина болтов;
перегрев;
боковой зазор;
соответствие крышки шатуну.

Проверка коленчатого вала

измерение шеек микрометром;
проверка биения;
дефектоскопия;
контроль галтелей;
проверка твердости;
очистка каналов;
балансировка;
проверка фланца;
поверхности сальников.

Масляный зазор

Зазор определяют по разнице между диаметром опоры с вкладышем и диаметром шейки. Основной метод использует микрометр и нутромер.

Калиброванная пластиковая нить может применяться для контрольной проверки, но не показывает овальность шейки.

Малый зазор вызывает перегрев, большой - снижение давления и ударные нагрузки.

Локальный ремонт

замена сальника коленчатого вала;
замена маховика или демпфера;
ремонт резьбового соединения;
замена колец при исправной геометрии цилиндров;
замена вкладышей коленчатого вала при исправных шейках.

Капитальный ремонт

Капитальный ремонт двигателя необходим при комплексном износе сопряженных деталей.

овальность или конусность цилиндров;
задиры в нескольких цилиндрах;
повреждение шеек коленвала;
проворачивание вкладыша;
трещина поршня или шатуна;
низкое давление из-за общего износа;
металл в системе смазки;
повреждение блока;
расход масла и низкая компрессия.

Основные ремонтные операции

мойка и дефектовка блока;
хонингование цилиндров;
расточка под ремонтный размер;
ремонт или замена гильз;
замена поршневых колец;
замена поршней и пальцев;
проверка шатунов;
шлифовка или замена коленвала;
замена вкладышей;
ремонт постелей блока;
балансировка;
очистка системы смазки;
проверка масляного насоса.

Подбор деталей

VIN;
код двигателя;
дата производства;
номинальный или ремонтный размер;
диаметр цилиндра;
размер шеек;
класс поршня и пальца;
толщина вкладыша;
масляные отверстия;
тип упорного подшипника;
масса поршня и шатуна;
покрытие колец;
OE-номер.

Подготовка к сборке

очистить блок и каналы;
повторно измерить детали;
проверить ремонтные размеры;
разложить детали по цилиндрам;
проверить направление установки;
подготовить новые болты;
очистить резьбовые отверстия;
подготовить монтажную смазку;
проверить измерительный инструмент;
не перекрывать каналы герметиком.

Установка коленчатого вала

Установить коренные вкладыши.
Совместить масляные отверстия.
Смазать рабочие поверхности.
Уложить коленчатый вал.
Правильно установить упорные элементы.
Установить крышки по номерам.
Затянуть по этапам.
Проверять легкость вращения.
Измерить осевой люфт.
Проверить масляный зазор.

Установка поршней и шатунов

Проверить направление деталей.
Установить кольца правильной стороной.
Расположить замки по процедуре.
Смазать цилиндр и поршень.
Сжать кольца оправкой.
Защитить шейку от болтов шатуна.
Ввести поршень без сильных ударов.
Установить вкладыш и парную крышку.
Затянуть болты моментом и углом.
Проверить боковой зазор.
Провернуть коленвал.

Контроль перед запуском

коленвал вращается равномерно;
осевой люфт в допуске;
фазы установлены правильно;
масляный насос подготовлен;
маслоприемник установлен герметично;
залито правильное масло;
система охлаждения заполнена;
аккумулятор исправен;
можно создать давление без запуска;
в двигателе нет посторонних предметов.

Первый запуск

Создать давление масла без запуска.
Проверить индикатор давления.
Запустить двигатель без повышения оборотов.
Контролировать фактическое давление.
Слушать механические шумы.
Проверить утечки.
Контролировать температуру.
Остановить двигатель при стуке или падении давления.
После остывания проверить уровни.
Соблюдать режим приработки.

Практические случаи

Новые кольца не устранили расход масла

Цилиндры имели большую овальность и конусность. Новые кольца не могли равномерно прилегать к поверхности.

Новые шатунные вкладыши снова застучали

Шейки коленвала имели задиры и овальность. Замена вкладышей не восстановила геометрию.

После ремонта давление масла осталось низким

В редукционном клапане насоса находилась металлическая частица.

Стук поршня приняли за шатунный

Звук был сильнее на холодном двигателе. Измерение выявило увеличенный зазор поршня.

После гидроудара двигатель работал почти ровно

Один шатун был слегка изогнут. Высота положения поршня отличалась, а вибрация увеличивалась под нагрузкой.

Вкладыш провернулся после замены турбины

Металлические частицы не удалили из масляных каналов и охладителя.

Синий дым оказался не связан с кольцами

Компрессия и пневмотест были нормальными. Масло поступало через турбокомпрессор.

После сборки коленвал вращался туго

Одну крышку коренной опоры установили неправильной стороной.

Типичные ошибки диагностики

делать вывод о кольцах только по компрессии;
путать детонацию со стуком вкладыша;
не измерять давление масла;
не осматривать фильтр;
не проверять турбину и вентиляцию картера;
не учитывать температуру шума;
оценивать цилиндры только эндоскопом;
менять вкладыши без измерения шеек;
считать отсутствие дыма доказательством исправности колец;
разбирать двигатель до локализации дефекта.

Типичные ошибки ремонта

не проверять зазор колец;
устанавливать кольцо неправильной стороной;
не очищать маслоотводящие отверстия;
смешивать поршни, шатуны и крышки;
не проверять массу деталей;
устанавливать неправильные вкладыши;
не совмещать масляные отверстия;
оставлять грязь под вкладышем;
не проверять осевой люфт;
повторно использовать болты;
затягивать без динамометрического ключа;
не очищать каналы коленвала;
не проверять насос;
не создавать давление перед запуском;
продолжать работу при стуке.

Как увеличить ресурс КШМ

использовать масло требуемой спецификации;
не превышать интервал замены;
применять качественные фильтры;
контролировать уровень масла;
устранять утечки и разжижение топливом;
не нагружать холодный двигатель;
не допускать перегрева;
не работать с высокой нагрузкой на слишком низких оборотах;
устранять детонацию и неисправности форсунок;
поддерживать чистоту впуска;
обслуживать вентиляцию картера;
реагировать на изменение шума и давления масла.

Товарные группы TESMA

Поршни двигателя
Комплекты поршневых колец
Поршневые пальцы
Шатуны и болты шатунов
Втулки верхней головки шатуна
Комплекты шатунных подшипников
Комплекты подшипников коленчатого вала
Упорные шайбы коленчатого вала
Коленчатые валы
Гильзы цилиндров
Маховики и приводные диски
Шкивы и демпферы коленчатого вала
Сальники коленчатого вала
Полные комплекты прокладок двигателя

Детали КШМ подбирают по VIN, коду двигателя, OE-номеру, номинальному или ремонтному размеру, геометрии цилиндров и шеек, классу поршня и результатам измерений двигателя.

Частые вопросы

Что входит в кривошипно-шатунный механизм?

Поршни, кольца, пальцы, шатуны, вкладыши, коленчатый вал и упорные элементы. Цилиндры, гильзы, маховик и демпфер являются связанными деталями.

Чем опасен стук шатуна?

Он может привести к проворачиванию вкладыша, разрушению шейки, обрыву шатуна и повреждению блока.

Можно ли ездить с низким давлением масла?

Нет. Недостаточное давление разрушает вкладыши, коленвал, распределительные валы и турбокомпрессор.

Показывает ли компрессия состояние колец?

Только частично. На результат влияют клапаны, прокладка, фазы и скорость стартера.

Можно ли заменить только поршневые кольца?

Только при исправных поршнях и геометрии цилиндров.

Можно ли заменить вкладыши без снятия двигателя?

Иногда доступ возможен через поддон, но решение зависит от состояния шеек и блока.

Почему новые вкладыши быстро начинают стучать?

Из-за изношенных шеек, неправильного размера, грязи, низкого давления масла или ошибок затяжки.

Почему синий дым не всегда означает износ колец?

Масло может поступать через турбокомпрессор, направляющие клапанов или вентиляцию картера.

Что такое ремонтный размер коленвала?

Это уменьшенный после шлифовки диаметр шейки, под который устанавливаются более толстые вкладыши.

Нужно ли балансировать КШМ?

Балансировка требуется после предусмотренного изменения массы или обработки деталей.

Что проверить после капитального ремонта?

Давление масла, температуру, компрессию, герметичность, расход масла, шумы и состояние масла после начального пробега.

Связанные страницы базы знаний TESMA

Что еще прочитать по этой теме

Вывод

Кривошипно-шатунный механизм преобразует давление газов во вращение коленчатого вала. Его ресурс зависит от поршней, колец, цилиндров, шатунов, вкладышей, коленвала, системы смазки и охлаждения.

При стуке, низком давлении масла, синем дыме, расходе масла или низкой компрессии сначала локализуют причину. Используют измерение давления и компрессии, пневмотест, эндоскопию, проверку картерных газов, анализ масла и точные измерения деталей.

При ремонте необходимо восстановить не только отдельную деталь, но также геометрию сопряженных поверхностей, масляные зазоры, чистоту каналов и соосность опор. После сборки создают давление масла и немедленно останавливают двигатель при стуке, перегреве или снижении давления.