Мотоциклы

Жигарев Федор Михайлович

Карзинкин Сергей Иванович

В книге описывается устройство мотоциклов, их агрегатов и механизмов, приводятся сведения о том, как управлять мотоциклом, как повысить проходимость мотоцикла, технически правильно обслуживать его, обнаруживать и устранять основные неисправности.

Кроме того, даются краткие сведения по истории развития мотоциклетостроения в нашей стране.

Книга предназначается в качестве пособия при самостоятельном изучении устройства мотоцикла.

Главы III–IX написаны Ф. М. Жигаревым, главы I, II, X–XVIII — С. И. Карзинкиным.

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Мотоцикл находит все большее и большее распространение среди городского и сельского населения как средство быстрого и удобного передвижения. Широко применяется мотоцикл и в армии. Мотоциклетный спорт завоевал большую популярность среди советской молодежи и стал массовым видом спорта, особенно за последние годы.

Широкое распространение мотоцикла свидетельствует о том, что он стал доступен широким слоям населения. Это является ярким свидетельством неуклонного повышения материального и культурного благосостояния советского народа.

Залогом дальнейшего подъема благосостояния советского народа является всемерное развитие социалистической промышленности и прежде всего тяжелой индустрии. Эта политика Коммунистической партии исходит из ленинского указания о том, что развитие промышленности, в первую очередь тяжелой, и электрификация страны являются основой мощного подъема всего народного хозяйства страны. Об этом свидетельствуют и решения пленума Центрального Комитета Коммунистической партии, состоявшегося в январе 1955 г. Такая политика отвечает коренным интересам трудящихся, поэтому советский народ горячо ее поддерживает и неуклонно претворяет в жизнь.

За годы пятилеток в нашей стране создан ряд заводов по производству мотоциклов. На них налажено массовое производство мотоциклов, причем самых различных марок и типов. Задача дальнейшего увеличения производства всех средств транспорта, в том числе и мотоциклов, несомненно, будет успешно решена на базе растущей высокоразвитой тяжелой индустрии и ее сердцевины — машиностроения.

На первый взгляд, мотоцикл кажется простой машиной. На самом деле это не совсем так. Мотоцикл состоит из двигателя с системами питания, смазки и охлаждения, электрооборудования и зажигания, силовой передачи, органов управления и других механизмов и агрегатов.

Для успешного использования мотоцикла нужно хорошо знать устройство и работу его механизмов и агрегатов, понимать процессы, происходящие в двигателе, т. е. для правильной эксплуатации мотоцикла необходимы определенные технические знания.

Настоящая книга преследует цель помочь многочисленным читателям, интересующимся мотоциклетным делом, получить необходимые знания и в совершенстве овладеть мотоциклом.

В книге дано описание главным образом общего устройства мотоцикла и работы его агрегатов и механизмов. Устройство и работа наиболее сложных агрегатов и механизмов рассматриваются для лучшего усвоения материала применительно к мотоциклам конкретных марок ИЖ-49, ИЖ-350, M1А и М-72.

 

Глава I

ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА МОТОЦИКЛОВ В НАШЕЙ СТРАНЕ

Производство мотоциклов в нашей стране в дореволюционный период из-за косности чиновничьего аппарата и общей технической отсталости страны не было организовано. В первые годы Советской власти не было возможности организовать собственное производство мотоциклов вследствие большой послевоенной разрухи и экономической отсталости страны.

Перед молодым Советским государством стояла задача восстановить народное хозяйство, разрушенное двумя войнами. Однако уже в то время Коммунистическая партия и Советское правительство придавали большое значение организации производства мотоциклов в нашей стране. К концу восстановительного периода было организовано отечественное производство мотоциклов. Массовое же производство мотоциклов стало возможным лишь после того, как наша страна была превращена из отсталой, аграрной в мощную, передовую, индустриальную державу. Поэтому массовое серийное производство мотоциклов различных типов и марок началось после осуществления социалистической индустриализации нашей страны.

Первый мотоцикл, получивший название «Союз», был выпущен в Советском Союзе в 1924 г. на заводе «Авиахим» № 1. Он был спроектирован группой конструкторов этого завода во главе с инженером П. Н. Львовым.

Мотоцикл «Союз» имел одноцилиндровый, четырехтактный двигатель, с рабочим объемом цилиндра 530 см3 и противоположным расположением клапанов. Смазка двигателя полуавтоматическая, зажигание от магнето. Коробка передач с постоянным зацеплением шестерен была установлена отдельно от двигателя, сцепление сухое многодисковое. Передача цепная. Рама мотоцикла трубчатая, двойная, закрытая, с подрессоренным задним колесом, размер шин 26X2 1/2''.

Главным недостатком мотоцикла «Союз» была небольшая мощность двигателя.

Советские мотоциклы других марок были созданы на Ижсталь-заводе в 1927–1929 гг. группой конструкторов во главе с инженером П. В. Можаровым. На этом заводе было выпущено несколько образцов мотоциклов ИЖ-1, ИЖ-2, ИЖ-3, ИЖ-4 и др. Мотоциклы марки ИЖ выпускаются и до настоящего времени.

Мотоциклы ИЖ-1 и ИЖ-2 относились к тяжелому типу. Они имели двухцилиндровые, V-образные двигатели, с рабочим объемом цилиндров 1200 см3. Расположение клапанов цилиндров двигателя нижнее, смазка циркуляционная, запас масла размещался в приливе картера. Зажигание и освещение осуществлялись от магнето-динамо (магдино). Двигатель устанавливался так, что ось его коленчатого вала располагалась под небольшим углом к оси рамы. Такое расположение двигателя позволило при карданной главной передаче выполнить коробку передач с прямой высшей передачей, по типу автомобильной коробки передач. В этих мотоциклах двигатель и коробка передач представляли собой общий блок.

Рама мотоциклов ИЖ-1 и ИЖ-2 штампованная; фермы вилки также штампованные. Колеса легкосъемные взаимозаменяемые. Размер шин 700X120 мм.

Обычное мотоциклетное седло заменено сиденьем тракторного типа, снабженным — надувной резиновой подушкой. Сиденье закреплялось шарнирно только в передней части. Амортизация сиденья достигалась с помощью двух пластинчатых рессор. Крепление руля к головке вилки эластичное. Эластичность обеспечивалась пружинными амортизаторами, хорошо поглощающими толчки.

Мотоцикл ИЖ-2 был снабжен вентилятором для охлаждения двигателя при работе на месте; двигатель имел устройство отбора мощности с целью приведения в действие каких-либо механизмов, используемых в сельском хозяйстве, противопожарного оборудования и т. п.

Мотоцикл ИЖ-3 имел шестеренчато-цепную передачу, двухцилиндровый, V-образный двигатель с верхним расположением клапанов и рабочим объемом цилиндров 750 см3. Двигатель был расположен в блоке с коробкой передач. Рама штампованная, по типу близкая к раме мотоциклов ИЖ-1 и ИЖ-2, но более облегченная. Передняя вилка штампованная. Задняя цепь помещалась в герметически закрытом кожухе в масляной ванне.

Мотоциклы ИЖ-1, ИЖ-2 и ИЖ-3 предназначались для эксплуатации с коляской.

Мотоцикл ИЖ-4 легкого типа имел двухтактный, одноцилиндровый двигатель, с рабочим объемом цилиндров 200 см3. Коробка передач была расположена в блоке с двигателем, привод заднего колеса осуществлялся с помощью карданного вала. Рама штампованная. Передняя вилка параллелограммная, штампованная.

Большой интерес представляет выпускная система мотоциклов ИЖ-1, ИЖ-2 и ИЖ-4. Нижние балки рамы этих мотоциклов использовались в качестве выпускных труб, а нижние перья задней вилки путем придания им соответствующей конфигурации были обращены в глушители.

Рассматривая конструкции первых мотоциклов Ижевского завода, нельзя не отметить, что конструктивное решение отдельных узлов этих машин (схема установки двигателя мотоциклов ИЖ-1 и ИЖ-2, выпускная система, подвеска, конфигурация седел) не потеряло интереса и до настоящего времени.

Первые образцы советских мотоциклов серийного производства были выпущены в Ленинграде. Опытные экземпляры этих мотоциклов, получивших название Л-300 (что означает «Ленинградский», с рабочим объемом цилиндров 300 см3), были выпущены в 1930 г. После испытания первой серии мотоциклов было начато их серийное производство.

Мотоцикл Л-300 легкого типа, с двухтактным, одноцилиндровым двигателем, с рабочим объемом цилиндра 292 см3. Трехступенчатая коробка передач с ручным переключением была расположена отдельно от двигателя, зажигание и освещение осуществлялись от магдино. Рама мотоцикла собиралась на болтах из штампованных балок специального сечения. Размер шин 26 X 3,5'', мощность двигателя 6,5 л. с., максимальная скорость около 80 км/час, расход горючего 4,5 л на 100 км.

В 1930–1935 гг. в Харькове было организовано производство мотоциклов с четырехтактным, одноцилиндровым двигателем, с рабочим объемом цилиндра 350 см3. Трехступенчатая коробка передач была расположена отдельно от двигателя, передача цепная, рама штампованная, передняя вилка с коваными перьями. Максимальная скорость около 70–75 км/час, расход горючего около 5 л на 100 км.

В 1933 г. на Ижевском мотоциклетном заводе было начато производство мотоциклов марки ИЖ-7. В основу этого мотоцикла была положена конструкция мотоцикла Л-300.

Мотоцикл ИЖ-7 начиная с 1934 г., непрерывно совершенствуется. В 1937 г. вместо мотоцикла ИЖ-7 завод начал выпускать мотоцикл ИЖ-8. Размеры двигателя те же, что и у мотоцикла ИЖ-7, но мощность 8 л. с. вместо 6,5. В 1939 г. был выпущен мотоцикл ИЖ-9 с двигателем 9,5 л. с. Рабочий объем цилиндра такой же, как и у цилиндра мотоцикла ИЖ-8. Позже Ижевский мотоциклетный завод подготовил производство четырехтактных мотоциклов ИЖ-12. Мощность двигателя 13,5 л. с., рабочий объем цилиндра 350 см3. Однако к массовому выпуску этих мотоциклов не приступили из-за начавшейся Великой Отечественной войны.

В 1935 г. производство мотоциклов организуется также на механическом заводе в г. Подольске и на Таганрогском инструментальном заводе имени И. В. Сталина. На Подольском механическом заводе был принят разработанный Научным автомобильнотракторным институтом (HATH) мотоцикл А-750, получивший название ПМЗ А-750.

Мотоцикл ПМЗ А-750 относился к типу тяжелых; он имел четырехтактный, двухцилиндровый, V-образный двигатель. Рабочий объем цилиндра 750 см3, расположение клапанов нижнее. Мощность двигателя 15 л. с. Смазка двигателя циркуляционная, резервуаром для масла служил прилив картера. Масляная система не имела внешних трубопроводов. Коробка передач трехступенчатая, была выполнена в разъемном блоке с двигателем. Передняя передача шестеренчатая, задняя — цепная. Рама двойная, цельноштампованная. Колеса легкосъемные взаимозаменяемые. Максимальная скорость 95 км/час, расход горючего 5–5,5 л на 100 км.

В 1937 г. Подольскому механическому заводу было поручено изготовление другого типа мотоцикла, получившего название «Стрела». Этот мотоцикл относился к классу мотовелосипедов, так как, кроме бензинового двигателя, он имел вспомогательный педальный привод. Двигатель мотовелосипеда «Стрела» двухтактный, одноцилиндровый, с рабочим объемом цилиндра 98 см3. Двигатель был выполнен в блоке с двухступенчатой коробкой передач. Рама и седло велосипедного типа.

Мотоцикл Таганрогского завода получил название ТИЗ АМ-600. Он принадлежал к типу тяжелых. Этот мотоцикл имел четырехтактный одноцилиндровый двигатель с нижним расположением клапанов. Рабочий объем цилиндра 593 см3. Мощность 16,5 л. с. Двигатель имел так называемую «полуциркуляционную» систему смазки, цилиндр располагался под некоторым наклоном вперед. Система смазки этого мотоцикла интересна тем, что откачка масла из картера осуществлялась маховиками, отбрасывающими масло через специальное окно в особый масляный карман картера, который служил резервуаром для масла. Подача масла при такой системе смазки производилась как обычно нагнетающим механическим насосом.

Зажигание осуществлялось от магнето, а в мотоциклах позднего выпуска — от магдино. Коробка передач четырехступенчатая, была выполнена отдельно от двигателя. Передача цепная. Рама мотоцикла трубчатая, замкнутая. Передняя вилка трубчатая параллелограммная, колеса взаимозаменяемые легкосъемные. Размер шин 4.00–19''. Максимальная скорость 90 км/час. Расход топлива 5,6–6 л на 100 км. Мотоциклы ТИЗ АМ-600 выпускались до 1941 г.

В 1939 г. на Ленинградском заводе «Красный Октябрь» был начат выпуск мотоцикла Л-8. На нем устанавливался четырехтактный двигатель. Рабочий объем цилиндра 350 см3, расположение клапанов верхнее, мощность 13,5 л. с. Максимальная скорость 105 км/час. Мотоцикл отличался экономичностью; расход горючего не превышал 2,25—2,5 л на 100 км.

С 1941 г. было начато производство мотоцикла тяжелого типа марки М-72. С началом выпуска этого мотоцикла наше отечественное мотоциклостроение вступило в новую фазу развития крупносерийного производства.

После победы советского народа в Великой Отечественной войне все усилия народа были направлены на восстановление разрушенного войной народного хозяйства и его дальнейшее развитие. Быстрое восстановление промышленности, прежде всего тяжелой индустрии, позволило в короткие сроки наладить производство и мотоциклов, начать массовый их выпуск, причем различных типов и марок.

На Московском мотоциклетном заводе было начато производство мотоциклов M1А «Москва» с двухтактным двигателем. Рабочий объем цилиндра 125 см3, мощность двигателя 4,5 л. с. Этот же самый мотоцикл, но под маркой К-125, начал выпускать Ковровский завод имени Дегтярева. Ижевский завод начал выпуск мотоцикла среднего типа марки ИЖ-350 с двухтактным двигателем. Рабочий объем цилиндра 350 см3, мощность двигателя 11,5 л. с.

Ирбитский мотоциклетный завод к концу первой послевоенной пятилетки становится крупнейшим заводом. Мотоциклы М-72, выпускаемые на этом заводе, являются наиболее распространенными.

Значительно изменились основные параметры наших мотоциклов послевоенного выпуска. Так, литровая мощность мотоциклетных двигателей возросла к 1950 г. по сравнению с 1924–1930 гг. на 71 %. Расход горючего на 100 км пути составлял: мотоцикла ИЖ-4 (объем 200 см3) 5 л, мотоцикла ИЖ-7 (объем 300 см3) выпуска 1938 г. 4,5 л, мотоцикла ИЖ-8 (объем 300 см3) выпуска 1940 г. 4,2 л, мотоцикла ИЖ-350 выпуска 1947 г. 3,5 л. Таким образом, за 18 лет расход горючего равноценных моделей мотоциклов ИЖ был снижен на 30 %.

Значительное улучшение технических параметров мотоцикла позволило, не ухудшая его ходовых качеств, уменьшить рабочий объем цилиндров двигателя, а тем самым повысить экономичность и снизить вес мотоцикла.

 

Глава II

УСТРОЙСТВО МОТОЦИКЛА

 

1. Общее устройство мотоцикла

Мотоцикл является средством быстрого передвижения по шоссе, улучшенным и грунтовым дорогам. Он имеет одно седло для посадки водителя и очень часто дополнительно седло для пассажира. Такой мотоцикл называют мотоциклом-одиночкой.

При достаточной мощности установленного на мотоцикле двигателя к мотоциклу может быть прикреплена прицепная коляска, в которой могут размещаться также 1–2 пассажира или небольшой груз. Такой мотоцикл называется мотоциклом с коляской.

Современный мотоцикл состоит из следующих основных механизмов и агрегатов:

— силовой установки — двигателя с обслуживающими его приборами и механизмами;

— силовой передачи, состоящей из механизмов, передающих вращение коленчатого вала двигателя ведущему колесу мотоцикла (в редких случаях — двум колесам);

— ходовой части, состоящей из рамы, колес, подвески;

— органов управления мотоциклом:

— оборудования мотоцикла, т. е. седла (одного или двух), грязевых щитков, подставок, багажника и т. п.

У мотоциклов с коляской, кроме того, имеется коляска с рамой, кузовом и опорным колесом.

В современных мотоциклах двигатель, как правило, располагается в средней части. Это в свою очередь определяет расположение и остальных механизмов и агрегатов мотоцикла.

Все перечисленные выше механизмы и агрегаты мотоцикла должны быть размещены в определенных габаритных размерах, которые установились в результате многолетней практики производства и эксплуатации мотоциклов. На рис. 1 обозначены основные размеры мотоцикла.

Рис. 1. Основные размеры мотоцикла: А — колесная база; Б — общая длина мотоцикла; В — ширина мотоцикла; Г — высота мотоцикла; Д — высота седла от грунта; Е — высота подножек от грунта; Ж — дорожный просвет; α° — угол наклона оси передней вилки; γ° — угол допускаемого крена (наклона) мотоцикла; З — вылет передней вилки.

Эти размеры лежат в следующих пределах: колесная база (или просто база), т. е. расстояние между осями колес А — 1250–1500 мм; общая длина Б — 1930–2500 мм; ширина В — 650–850 мм; высота мотоцикла Г — 900-1000 мм; высота седла от грунта Д — 650–750 мм; высота подножек от грунта Е — около 200 мм; дорожный просвет, т. е. расстояние от грунта до низшей точки мотоцикла в промежутке между колесами, Ж — 100–170 вылет передней вилки, т. е. расстояние от точки пересечения оси поворота стержня передней вилки до точки соприкосновения переднего колеса мотоцикла с грунтом, З — 60–70 мм; угол наклона оси передней вилки α — 60–70°; угол допускаемого крена (наклона) мотоцикла γ не менее 35°.

У мотоциклов с прицепной коляской ширина и общая длина определяются с учетом габаритов коляски и, кроме того, определяется ширина колеи, т. е. расстояние от середины следа колес мотоцикла до середины следа колеса коляски.

Колесная база мотоцикла определяет собой его общую длину. С увеличением базы увеличивается и радиус поворота мотоцикла при одном и том же отклонении переднего колеса от среднего положения, т. е. мотоцикл становится менее поворотливым. При расположении колес в одной плоскости база равна расстоянию между точками касания колес с грунтом.

Расстояние от седла до грунта имеет существенное значение и выбирается с таким расчетом, чтобы водитель мог свободно поставить ногу на землю.

Величина расстояния от подножек до грунта влияет на проходимость мотоцикла.

Дорожный просвет и колесная база характеризуют проходимость мотоцикла. У мотоциклов, предназначенных для движения по проселочным дорогам, величина дорожного просвета достигает 170 мм.

Величина угла наклона характеризует допустимый крен мотоцикла на поворотах. При малой величине угла наклона выступающие части мотоцикла будут задевать за поверхность грунта и неровности.

Большое значение имеет вес мотоцикла. Любой мотоцикл, особенно мотоцикл без коляски, должен быть легким. В то же время вес не должен быть снижен за счет уменьшения прочности. Современные мотоциклы даже самых легких типов развивают скорость движения до 70 км/час, а мотоциклы более тяжелых типов 130–145 км/час и более. При таких высоких скоростях нагрузка на детали мотоцикла достигает большой величины. Поэтому детали должны иметь необходимый запас прочности.

Вес современных дорожных мотоциклов лежит в пределах 70—250 кг, вес прицепной одноместной коляски — в пределах 60—130 кг.

 

2. Классификация мотоциклов

В зависимости от назначения мотоциклы можно разделить на дорожные, спортивные и специальные.

Дорожные мотоциклы предназначены для эксплуатации с переменными режимами работы, преимущественно со средними нагрузками. Они рассчитаны на продолжительный срок службы при сравнительно небольшом уходе.

Спортивные, мотоциклы по сравнению с дорожными рассчитаны на более напряженную работу и более квалифицированное обслуживание. В то же время эти мотоциклы должны быть пригодны и для нормальной повседневной эксплуатации.

К специальным мотоциклам относятся гоночные мотоциклы, мотоциклы высокой проходимости, пожарные и др. Обычно эти мотоциклы разрабатываются на базе серийных.

Мотоциклы, кроме того, классифицируются в зависимости от рабочего объема цилиндров двигателя. По этому признаку мотоциклы можно разделить на следующие четыре типа:

1. Сверхлегкий:

рабочий объем цилиндра двигателя — 75-125 см3;

число цилиндров — 1;

рабочий процесс двигателя — двухтактный (реже четырехтактный);

вес мотоцикла — 60–85 кг;

наибольшая скорость — до 80 км/час;

расход горючего — 2,5–3,0 л на 100 км.

Мотоциклы этого типа могут быть использованы как одиночки на проселочных дорогах, а с пассажиром — на усовершенствованных дорогах.

2. Легкий:

рабочий объем цилиндра двигателя — 125–250 см3;

число цилиндров — 1 (реже 2);

рабочий процесс двигателя — двухтактный или четырехтактный;

вес мотоцикла— 100–130 кг;

наибольшая скорость — 90-100 км/час;

расход горючего — 2,3–3,5 л на 100 км.

Мотоциклы этого типа могут быть использованы как одиночки на плохих проселочных дорогах, а с пассажиром — на хороших проселочных и на усовершенствованных дорогах. На усовершенствованных дорогах они могут быть использованы с легкой коляской.

3. Средний:

рабочий объем цилиндра двигателя — 250–500 см3;

число цилиндров — 2 или 1;

рабочий процесс двигателя — четырехтактный (реже двухтактный);

вес мотоцикла — 140–170 кг;

наибольшая скорость— 100–115 км/час;

расход горючего — 3,0–4,0 л на 100 км.

Мотоциклы этого типа могут быть использованы как одиночки и с пассажиром на всех дорогах и в условиях бездорожья, с легкой коляской — на хороших проселочных и усовершенствованных дорогах.

4. Тяжелый:

рабочий объем цилиндра двигателя — 500-1200 см3;

рабочий процесс двигателя — четырехтактный;

вес мотоцикла — 150–250 кг;

наибольшая скорость — 125–145 км/час (без коляски);

расход горючего — 4–6 л на 100 км (без коляски).

Мотоциклы этого типа могут быть использованы с коляской на всех дорогах и в условиях бездорожья. Как одиночки мотоциклы данного типа используются также на всех дорогах, за исключением особо тяжелых, на которых эксплуатация таких мотоциклов затруднительна вследствие их большого веса.

Вес мотоцикла по мере увеличения рабочего объема цилиндра двигателя значительно возрастает и для мотоцикла тяжелого типа может достигнуть такого значения, при котором пользование мотоциклом в тяжелых дорожных условиях станет затруднительным.

При пользовании прицепной коляской наибольшая скорость движения мотоцикла снижается на 30–40 %, а расход горючего возрастает при прочих равных условиях на 25–50 %. В наибольшей степени расход горючего взрастает у легких мотоциклов с колясками и в меньшей степени у тяжелых.

 

Глава III

ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА МОТОЦИКЛЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

 

1. Общее устройство мотоциклетных двигателей

Мотоциклетный двигатель служит для преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сгорании горючего в рабочем цилиндре, в механическую, которая через силовую передачу подводится к ведущему колесу и используется для движения мотоцикла.

Мотоциклетный двигатель состоит из кривошипно-шатунного механизма, механизма газораспределения, системы питания, системы зажигания и системы смазки. Приборы системы питания обеспечивают приготовление и подачу в цилиндр смеси паров горючего и воздуха, т. е. приготовление и подачу горючей смеси. Горючей смесью называется такая смесь паров горючего с воздухом, состав которой обеспечивает распространение пламени во всем занятом ею пространстве. Приборы системы зажигания служат для воспламенения рабочей смеси. Рабочей смесью называется смесь паров горючего и воздуха с остаточными газами в цилиндре двигателя.

Для создания масляного слоя между трущимися деталями двигателя с целью уменьшения трения между ними и отвода тепла от них служит система смазки двигателя. Охлаждение двигателя обычно осуществляется воздухом, обдувающим двигатель во время движения мотоцикла.

Кривошипно-шатунный механизм (рис. 2) служит для преобразования прямолинейного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Он состоит из картера 1, цилиндра 2, поршня 3, шатуна 4 и коленчатого вала, составными частями которого являются маховики 5.

Рис. 2. Схема кривошипно-шатунного механизма: 1 — картер; 2 — цилиндр; 3 — поршень; 4 — шатун; 5 — маховик; 6 — шатунный палец; 7 — коренной палец.

Картер двигателя служит опорой для коленчатого вала и цилиндра двигателя и сборником для масла, смазывающего детали двигателя. Кроме того, картер защищает кривошипно-шатунный механизм от загрязнения. Картер двигателя устанавливается непосредственно на раме мотоцикла.

Цилиндр крепится к картеру двигателя с помощью шпилек или болтов. Цилиндр имеет направляющий поясок и фланец для соединения с картером двигателя. Сверху цилиндр закрыт головкой, в которой имеется камера сжатия. В головку цилиндра ввернута запальная свеча. Внешняя поверхность цилиндра и головки цилиндра двигателя воздушного охлаждения выполнена ребристой для увеличения поверхности охлаждения цилиндра. Отвод тепла от ребер осуществляется потоком воздуха, обдувающего цилиндр при движении мотоцикла. Цилиндры и головки цилиндров двигателей водяного охлаждения окружены рубашкой охлаждения.

Поршень представляет собой стакан, который своим днищем направлен в сторону камеры сжатия. Стенками поршень скользит по внутренней поверхности цилиндра. Верхняя часть поршня, на которой расположены кольцевые канавки с поршневыми кольцами, называется головкой поршня. Поршневые кольца служат для уплотнения зазора между поршнем и внутренней поверхностью цилиндра и для снятия со стенок цилиндра излишнего масла. Нижняя часть поршня называется юбкой. На внутренних стенках поршня расположены бобышки, в отверстия которых вставлен поршневой палец, связывающий поршень с шатуном.

Шатун соединяет поршень с коленчатым валом двигателя. Он состоит из головки, стержня и большой головки.

Коленчатый вал преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное. Он состоит из шатунного пальца, на который опирается через подшипник кривошипная головка шатуна, щек, образованных в данном случае маховиками, и коренных пальцев, закрепленных в центре маховиков. Коренными пальцами коленчатый вал опирается на коренные подшипники, расположенные в стенках картера. Маховики, благодаря накопленной в них энергии, обеспечивают поддержание равномерности хода двигателя и трогание мотоцикла с места. Связанный с поршнем через шатун коленчатый вал двигателя, вращаясь, перемещает поршень в цилиндре, причем поршень то отходит от оси коренных шеек коленчатого вала на максимальное расстояние, то приближается к ней. Крайние положения поршня в цилиндре называются мертвыми точками. При наибольшем удалении от оси коренных шеек коленчатого вала поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ). При наименьшем удалении поршня от оси коренных шеек поршень находится в нижней мертвой точке (НМТ). Объем, освобождаемый поршнем в цилиндре при перемещении от верхней мертвой точки до нижней, называется рабочим объемом цилиндра. Он равен произведению площади поперечного сечения цилиндра на ход поршня, который в свою очередь равен расстоянию, проходимому поршнем при перемещении от одной мертвой точки до другой.

Сумма объема камеры сжатия и рабочего объема цилиндра носит название полного объема цилиндра. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия называется номинальной степенью сжатия. Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочей смеси, сжимаемой поршнем в цилиндре при его перемещении от нижней мертвой точки до верхней.

Газораспределение четырехтактного мотоциклетного двигателя (рис. 3, а) служит для впуска в цилиндры двигателя горючей смеси и выпуска оттуда продуктов сгорания.

Рис. 3. Газораспределение мотоциклетных двигателей: а — газораспределение четырехтактного двигателя: 1 — впускной клапан; 2 — выпускной клапан; 3 — толкатель; 4 — выпускной кулачок; 5 — впускной кулачок; б — газораспределение двухтактного двигателя: 1 — продувочный канал; 2 — выпускное окно; 3 — впускное окно.

Газораспределение состоит из впускного и выпускного кулачков, толкателей, впускного и выпускного клапанов. Валики кулачков, связанные шестернями с коленчатым валом, вращаются вдвое медленнее его. При этом впускной и выпускной кулачки нажимают на толкатели и открывают впускные и выпускные клапаны двигателя. Период, в течение которого клапан открыт, носит название фазы (угла действия) клапана. Фазы клапанов определяются обычно в градусах поворота коленчатого вала. Максимальная высота (в миллиметрах), на которую поднимается клапан, называется подъемом клапана.

У двухтактных двигателей (рис. 3, б) газораспределение представляет собой систему каналов и окон. Впуск горючей смеси в цилиндр из картера происходит через продувочный канал 1. Выпуск отработавших газов — через выпускное окно 2 и впуск горючей смеси в картер из карбюратора — через впускное окно 3. Во время работы окна двухтактного двигателя открываются и закрываются стенками поршня при его перемещении в цилиндре двигателя.

 

2. Классификация мотоциклетных двигателей

Мотоциклетные двигатели могут быть подразделены по рабочему объему (литражу) цилиндров, по типу охлаждения двигателя, по числу тактов и по числу и расположению цилиндров.

По рабочему объему мотоциклетные двигатели разделяются на четыре основные группы:

1) С объемом 75—125 см3. Эти двигатели, предназначенные для сверхлегких мотоциклов и мотовелосипедов, одноцилиндровые и в основном работают по двухтактному процессу.

2) С объемом цилиндра 125–250 см3. Эти двигатели, предназначенные для легких мотоциклов, одноцилиндровые, двухтактные и четырехтактные.

3) С объемом 250–500 см3. Эти двигатели, предназначенные для средних мотоциклов, одноцилиндровые или двухцилиндровые.

4) С объемом выше 500 см3. Эти двигатели, предназначенные для тяжелых мотоциклов, двухцилиндровые, изредка четырехцилиндровые.

По типу охлаждения двигатели делятся на две группы: воздушного охлаждения и жидкостного охлаждения.

Двигатели воздушного охлаждения являются наиболее распространенными на мотоциклах, так как для воздушного охлаждения цилиндров достаточно сделать их ребристыми. Удачное расположение ребер на цилиндре двигателя и самих цилиндров, а также интенсивный обдув их при движении обеспечивают хороший отвод тепла от цилиндров.

Двигатели водяного охлаждения на мотоциклах применяются редко, так как наличие радиатора, водяных трубопроводов и рубашки охлаждения на цилиндрах двигателя усложняет устройство двигателя и утяжеляет мотоциклы.

По числу тактов двигатели подразделяются также на две группы: четырехтактные и двухтактные.

В четырехтактных двигателях рабочий цикл завершается за четыре такта — четыре хода поршня — за два оборота коленчатою вала двигателя. Четырехтактные двигатели имеют рабочий объем цилиндров от 150 до 1200 см3, причем рабочий объем одного цилиндра не превышает 600 см3.

Преимущество этих двигателей заключается в их экономичности. Высокая экономичность четырехтактных двигателей определяется наличием клапанного распределения, обеспечивающего наилучшее наполнение цилиндров горючей смесью. Но сложность механизма газораспределения является недостатком четырехтактного двигателя, так как это затрудняет и производство, и уход за ним. В четырехтактном двигателе газы при сгорании горючего действуют на поршень только на протяжении одного хода поршня от верхней до нижней мертвой точки. Следующие три хода поршня используются для заполнения цилиндра горючей смесью, сжатия ее и выталкивания из цилиндров отработавших газов. Таким образом, из четырех ходов поршня только один ход является рабочим, а остальные три хода — вспомогательными.

В двухтактных двигателях рабочий цикл завершается за два такта — два хода поршня — за один оборот коленчатого вала. Двухтактные двигатели имеют рабочий объем цилиндров от 75 до 350 см3, причем рабочий объем одного цилиндра не превышает 350 см3. Преимущество этих двигателей заключается в отсутствии у них сложного механизма распределения, а также в лучшем использовании объема цилиндров, чем у четырехтактного двигателя, так как за каждый оборот коленчатого вала совершается один рабочий ход. Следовательно, из каждых двух ходов поршня один ход будет рабочим и один вспомогательным.

При сравнении двухтактного и четырехтактного двигателей с одинаковым рабочим объемом цилиндров и одинаковым числом оборотов кажется, что мощность двухтактного двигателя должна быть вдвое больше, чем четырехтактного. Но в действительности при этих условиях мощность двухтактного двигателя несколько меньше или равна мощности четырехтактного двигателя. Это объясняется потерей части хода поршня на наполнение и выпуск. Кроме того, горючая смесь, выталкивая отработавшие газы из цилиндра, перемешивается с ними и частично уходит в выпускную трубу. Расход горючего при этом значительно возрастает, а наполнение цилиндров горючей смесью уменьшается.

По числу и расположению цилиндров двигатели делятся на одноцилиндровые, двухцилиндровые и четырехцилиндровые с вертикальным, наклонным и горизонтальным расположением цилиндров.

Вертикально цилиндр располагается в том случае, когда высота двигателя невелика и он не мешает расположению над ним бака для горючего. При вертикальном расположении цилиндра собственный вес поршня не оказывает давления на боковую стенку цилиндра и поэтому износ стенок цилиндра будет минимальным. Наклонное и особенно горизонтальное расположение цилиндра применяется для уменьшения общей высоты двигателя и понижения центра тяжести мотоцикла, но при этом несколько увеличивается износ стенок цилиндра за счет действия на них собственного веса поршня.

Продольное горизонтальное расположение цилиндра сильно увеличивает общую длину двигателя и вызывает удлинение рамы мотоцикла.

Увеличение числа цилиндров двигателя применяется для повышения мощности двигателя, а также для получения равномерности хода при сохранении общей высоты двигателя. Преимущество двигателей с V-образным расположением цилиндров заключается в том, что шатуны обоих цилиндров могут соединяться с общей для них шатунной шейкой кривошипа (рис. 4, а), но в этом случае чередование вспышек в цилиндрах двигателя будет неравномерным.

Рис. 4. Схемы расположения цилиндров мотоциклетных двигателей: А — V-образное расположение цилиндров: а — с неравномерным чередованием вспышек: б — с равномерным чередованием вспышек; Б — линейное расположение цилиндров: в — с общим коленчатым валом; г — с отдельными коленчатыми валами; В — оппозитное расположение цилиндров (д).

У некоторых V-образных двигателей равномерность чередования вспышек достигается путем расположения цилиндров и шатунных шеек кривошипа под одинаковым углом (рис. 4, б).

V-образные двигатели размещаются обычно продольно, что значительно ухудшает охлаждение заднего цилиндра. Поэтому на некоторых мотоциклах двигатель размещается поперек рамы, что значительно улучшает охлаждение двигателя.

Линейное вертикальное расположение цилиндров (рис. 4, в) обеспечивает компактность двигателя и равномерное чередование вспышек, однако при таком расположении цилиндров увеличивается неуравновешенность двигателя вследствие одностороннего движения поршней.

Для гоночных мотоциклов применяют линейное вертикальное расположение цилиндров с отдельными кривошипами на каждый цилиндр (рис. 4, г). Кривошипы имеют противовесы и соединены между собой шестернями. Такое расположение цилиндров обеспечивает хорошую устойчивость мотоцикла в движении.

На рис. 4, д представлена схема двухтактного двухцилиндрового мотоциклетного двигателя, шатунные шейки которого расположены под углом 180°, что обеспечивает равномерное чередование вспышек и обеспечивает хорошую уравновешенность двигателя, так как поршни перемещаются в цилиндрах в противоположном друг другу направлении.

Оппозитное горизонтальное расположение цилиндров, принятое для мотоцикла М-72 (рис. 4, д), обеспечивает хороший обдув цилиндров, низкое расположение центра тяжести, а следовательно, и устойчивость мотоцикла. Недостатком такого расположения является большой вынос цилиндров двигателя в стороны, что увеличивает возможность их повреждения при падении и движении по сильно пересеченной местности.

На некоторых мотоциклах цилиндры двигателя расположены вдоль рамы. При таком расположении уменьшается ширина мотоцикла и возможность повреждения цилиндров, но ухудшается охлаждение заднего цилиндра.

 

3. Принцип работы мотоциклетного двигателя

Принцип работы мотоциклетного двигателя заключается в том, что в цилиндре двигателя осуществляется превращение тепловой энергии, получающейся при сгорании горючего, в механическую энергию. Так как процесс сгорания происходит непосредственно в рабочем цилиндре двигателя, то такие двигатели называются двигателями внутреннего сгорания.

В двигателях внутреннего сгорания карбюраторного типа горючая смесь вводится в цилиндр и сгорает там, производя механическую работу. Продукты сгорания горючего выводятся из цилиндра и снова происходит заполнение цилиндра горючей смесью. Горючая смесь, поступая в цилиндр двигателя и перемешиваясь с оставшимися там отработавшими газами, образует рабочую смесь.

Рабочий цикл в цилиндре мотоциклетного двигателя может быть завершен за два такта (два хода поршня) или за четыре такта (четыре хода поршня).

Тактом называется часть рабочего цикла, совершаемая в основном при перемещении поршня от одной мертвой точки до другой.

Ходом поршня называется расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой.

В четырехтактных двигателях за период рабочего цикла происходит последовательное чередование следующих тактов: впуска, сжатия, расширения и выпуска.

В двухтактных двигателях за период рабочего цикла происходит последовательное чередование следующих тактов: сжатия, включающего окончание впуска горючей смеси и сжатие рабочей смеси, и расширения, включающего расширение, выпуск и начало впуска.

В рабочем цикле только в такте расширения совершается полезная работа. Остальные такты цикла являются подготовительными и служат для впуска и сжатия горючей смеси и выпуска отработавших газов.

Во время такта расширения предварительно сжатая рабочая смесь, воспламеняемая при помощи электрической искры, сгорает. При сгорании температура газов достигает 2200 °C. За счет повышения температуры давление газов в цилиндре резко увеличивается. Наибольшее давление газов в цилиндре достигает 35–40 кг/см2. Под действием давления газов поршень перемещается от верхней мертвой точки к нижней.

 

4. Четырехтактный цикл двигателя

Рассмотрим процессы, происходящие последовательно в цилиндре четырехтактного двигателя, предполагая, что двигатель работает при полном открытии дроссельной заслонки, потери на трение в двигателе отсутствуют и давление воздуха в картере двигателя постоянно и равно атмосферному.

Впуск

В конце такта выпуска поршень начинает перемещаться от верхней мертвой точки к нижней, впускной клапан открывается. В результате перемещения поршня в такте впуска давление в цилиндре понижается до 0,8–0,85 кг/см2, вследствие чего в него поступает горючая смесь. Во время впуска горючая смесь нагревается, а в конце впуска температура ее достигает 50-100 °C.

Раннее открытие впускного клапана позволяет создать проходное сечение в клапане достаточной величины к началу перемещения поршня от верхней мертвой точки к нижней, а также использовать для лучшего наполнения цилиндров подпор горючей смеси во впускном патрубке и отсасывающее действие отработавших газов в конце такта выпуска предыдущего рабочего цикла.

Изменение давления газов в цилиндре двигателя при перемещении поршня от верхней мертвой точки к нижней в такте впуска показано графически на рис. 5.

Рис. 5. Процесс впуска четырехтактного двигателя: V c — объем камеры сжатия; Vh — рабочий объем цилиндра; Р — давление внешнего воздуха; r — начало такта впуска; а — конец такта впуска.

На линии ОР отложено давление (в кг/см2) в цилиндре двигателя, на линии OV — объем цилиндра. Расстояние V c соответствует объему камеры сжатия, V h — рабочему объему цилиндра. Отложим на линии ОР расстояние ОР0 , соответствующее давлению в 1 кг/см2, и проведем через точку Р0   линию, параллельную линии OV. Эта линия называется атмосферной линией и соответствует давлению внешнего воздуха. Кривая га показывает изменение давления в цилиндре двигателя в такте впуска.

Как было указано выше, на каждый квадратный сантиметр площади днища поршня в цилиндре будет действовать давление, равное примерно 0,8–0,85 кг. Если считать, что давление в картере постоянно и равно 1 кг/см2, то на поршень будет действовать сила, направленная от нижней мертвой точки к верхней и равная разности давлений в цилиндре и в картере (0,15—0,2 кг/см), помноженной на площадь поршня. Поэтому для перемещения поршня от верхней мертвой точки до нижней затрачивается работа, равная произведению силы, действующей на поршень, на путь, проходимый поршнем от верхней мертвой точки к нижней.

Таким образом, при перемещении поршня от верхней мертвой точки к нижней в такте впуска некоторая часть работы двигателя затрачивается на заполнение цилиндров двигателя горючей смесью. Эта работа может быть совершена за счет использования энергии, накопленной в маховике за предыдущий рабочий цикл. Она называется насосной работой (или насосными потерями).

Сжатие

При перемещении поршня от нижней мертвой точки к верхней происходит сжатие рабочей смеси. Так как в конце впуска (рис. 6, точка а), что соответствует началу сжатия, давление в цилиндре двигателя ниже давления внешнего воздуха, то поступление в цилиндр горючей смеси возможно и на некотором ходе поршня от нижней мертвой точки к верхней.

Рис. 6. Процесс сжатия четырехтактного двигателя: а — начало такта сжатия; а' — точка, соответствующая давлению в 1 кг/см2; с' — момент зажигания; с" — конец такта сжатия.

Поэтому впускной клапан закрывается через 50–80° поворота коленчатого вала после нижней мертвой точки.

При перемещении поршня от нижней мертвой точки к верхней давление в цилиндре двигателя начинает повышаться и в точке а достигает 1 кг/см2. При дальнейшем перемещений поршня к верхней мертвой точке рабочая смесь в цилиндре двигателя сжимается и давление в цилиндре возрастает. Увеличение давления в цилиндре двигателя происходит не только за счет сжатия, но и за счет нагревания рабочей смеси от горячих стенок цилиндра, днища поршня, впускных и выпускных клапанов.

Температура в конце сжатия может быть в пределах 350–400 °C, а конечное давление в цилиндре двигателя при степени сжатия 5–8 достигает 8—12 кг/см2.

В конце такта сжатия происходит зажигание рабочей смеси. Однако еще до конца такта сжатия давление в цилиндре повышается в основном за счет продолжающегося сжатия рабочей смеси. За этот период сгорает с малой скоростью некоторое очень небольшое количество рабочей смеси около электродов свечи.

Работа, затрачиваемая на сжатие рабочей смеси, увеличивается по мере перемещения поршня к верхней мертвой точке. В каждый отдельный момент сила, действующая на поршень по направлению от нижней мертвой точки к верхней, будет равна произведению разности давлений над поршнем и под поршнем в этот момент на площадь днища поршня. Эта сила противодействует перемещению, поршня к верхней мертвой точке и на ее преодоление затрачивается энергия, запасенная маховиком во время предыдущего рабочего цикла.

Расширение

В такте расширения происходит сгорание рабочей смеси в течение 0,002—0,003 секунды, причем горение распространяется со скоростью 20–40 м в секунду.

На рис. 7 показано изменение давления в цилиндре двигателя в процессе такта расширения.

Рис. 7. Процесс расширения четырехтактного двигателя: с" — конец такта сжатия; е — начало открытия выпускного клапана; c' — конец расширения, Z — конец видимого горения.

В начале такта расширения начинается быстрое сгорание рабочей смеси и резкое повышение давления в цилиндре до конца видимого горения (точка Z). В этом случае давление в цилиндре двигателя возрастет от 8—12 кг/см2 до 30–40 кг/см2 при температуре газов 2200–2400 °C.

При нормально работающем двигателе давление газов в цилиндре двигателя достигнет максимальной величины в момент, когда коленчатый вал двигателя повернется на 15–20° после верхней мертвой точки. За точкой Z горение в цилиндре двигателя продолжится, но вследствие быстрого перемещения поршня к нижней мертвой точке объем газов резко увеличится и при этом горючее будет догорать с замедленной скоростью.

Обычно за 30–80° до нижней мертвой точки открывается выпускной клапан. В момент открытия выпускного клапана давление в цилиндре двигателя достигает 4–5 кг/см2. Благодаря раннему открытию выпускного клапана уже в начале его открытия до 75 % продуктов сгорания выбрасывается из цилиндра двигателя под действием давления газов. В конце расширения давление газов в цилиндре падает до 1,2–1,4 кг/см2, а температура понижается до 1000–1100 °C. Отметим, что поршень при своем движении от нижней мертвой точки к верхней в такте выпуска испытывает небольшое давление газов. Таким образом, раннее открытие выпускного клапана необходимо для более быстрого освобождения цилиндров от горячих отработавших газов и для облегчения работы поршня по выталкиванию их из цилиндров в такте выпуска.

Возникающая в цилиндре двигателя сила давления, образующаяся в результате расширения газов, производит полезную работу, перемещая поршень от верхней мертвой точки к нижней. В каждый отдельный момент сила, действующая на поршень по направлению от верхней мертвой точки к — нижней, будет равна произведению разности давлений под поршнем и над поршнем на площадь днища поршня.

Выпуск

После такта расширения поршень начинает перемещаться от нижней мертвой точки к верхней, выталкивая из цилиндра отработавшие газы.

На рис. 8 показано изменение давления в цилиндре двигателя в такте выпуска.

Рис. 8. Процесс выпуска четырехтактного двигателя: а — начало такта сжатия; а' — точка, соответствующая давлению в 1 кг/см 2 ; r — конец такта выпуска, c" — конец такта сжатия; Z — конец видимого сгорания; е" — конец расширения.

Величина давления в цилиндре двигателя изменяется по кривой от 1,3–1,5 кг/см2 в точке е" до 1,15—1,2 кг/см2 в точке r. Отработавшие газы выталкиваются из цилиндра поршнем за счет использования энергии, запасенной в маховике во время такта расширения.

При подходе поршня к верхней мертвой точке скорость поршня уменьшается. В это время отработавшие газы по инерции продолжают с большой скоростью уходить в выпускную трубу. Это явление используется для улучшения очистки цилиндров, и поэтому выпускной клапан закрывается после того, как поршень начал двигаться от верхней мертвой точки к нижней.

Так как впускной клапан открывается за 10–70° до верхней мертвой точки, а выпускной закрывается после верхней мертвой точки, то происходит перекрытие клапанов, при котором и впускной и выпускной клапаны одновременно открыты. В этот период свежая горючая смесь поступает в цилиндры.

При перемещении поршня от нижней мертвой точки к верхней на него действует сила, величина которой в каждый отдельный момент равна произведению разности давлений над поршнем и под поршнем на площадь днища поршня.

Диаграмма, на которой показано изменение давления в цилиндре двигателя за время рабочего цикла, называется индикаторной диаграммой, так как это изменение давления записывается особым прибором — индикатором.

Рассмотрим порознь изменение давления на тактах впуска и выпуска (рис. 9) и на тактах сжатия и расширения.

Рис. 9. Диаграмма насосных потерь четырехтактного двигателя: V c — объём камеры сжатия; Vh — рабочий объем цилиндра.

Механические потери в двигателе складываются из работы, затрачиваемой на преодоление трения в двигателе, на привод вспомогательных механизмов двигателя и на насосные потери. Механические потери в двигателе обычно определяются путем проворачивания коленчатого вала двигателя от электромотора. При вращении коленчатого вала электромотор затрачивает мощность не только на преодоление трения между рабочими деталями двигателя и на привод вспомогательных механизмов, но и на впуск воздуха в цилиндры двигателя и выпуск его из цилиндров.

На рис. 10 показано изменение давления в цилиндре двигателя во время тактов сжатия и расширения. Изменение давления в цилиндре двигателя на такте сжатия изображено на диаграмме линией ас".

Рис. 10. Индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя: Z — начало сгорания; c' — конец расширения; а — начало такта сжатия; c" — конец такта сжатия; r — конец такта выпуска.

Как было указано ранее, работа, затрачиваемая на сжатие рабочей смеси в цилиндре двигателя, является работой вспомогательной. На ее совершение затрачивается энергия, запасенная в маховике во время предыдущего рабочего цикла.

Изменение давления в цилиндре на такте расширения изображено на диаграмме линией cZa. Работа, совершаемая газами во время такта расширения и запасенная в маховике, частично затрачивается на сжатие рабочей смеси в цилиндре двигателя. Остальная часть работы используется на преодоление трения в двигателе, на насосные потери, на преодоление трения в силовой передаче мотоцикла и на перемещение мотоцикла по дороге во время его движения. Эта работа носит название полезной.

Полезная работа, развиваемая за один рабочий цикл, равна разности работы, получаемой при расширении, и работы, затрачиваемой на сжатие. Следовательно, полезная работа двигателя, используемая за один цикл, может быть представлена в виде площади, ограничиваемой кривой ас" Zе'а (рис. 11).

Рис. 11. Среднее индикаторное давление четырехтактного двигателя: а — начало такта сжатия; c" — конец такта сжатия; Z — конец видимого горения; е' — конец расширения.

Но полезная работа, развиваемая газами в цилиндре двигателя, может быть представлена на диаграмме не в виде площади, ограниченной линией Ос" Zа и имеющей сложную форму, а в виде равновеликого ей прямоугольника, длина которого соответствует расстоянию, проходимому поршнем от одной мертвой точки до другой, а высота равна средней высоте индикаторной диаграммы.

Так как давление газов в кг/см2 откладывалось на вертикали в определенном масштабе, то высота прямоугольника представляет собой среднее индикаторное давление, которое является условным постоянным давлением, действующим на поршень при его перемещении от верхней мертвой точки к нижней. Полезная работа, совершаемая газами при постоянном среднем индикаторном давлении, будет равна полезной работе, совершаемой газами в цилиндре двигателя при переменном давлении, изменение которого показано на диаграмме.

Мощность, развиваемая газами в цилиндре двигателя, носит название индикаторной мощности. Зная среднее индикаторное давление, легко подсчитать индикаторную мощность. Для этого следует помножить величину среднего индикаторного давления (в кг/см2) на площадь поршня (в см2). Произведение будет равно силе (в кг), действующей на поршень во время всего его хода.

Произведение силы на путь поршня, проходимый им от одной мертвой точки до другой, равно работе (в кгм), совершаемой газами за рабочий цикл.

Для определения индикаторной мощности необходимо знать число рабочих циклов, совершаемых в цилиндре двигателя в одну секунду. Поскольку обычно известно число оборотов двигателя в одну минуту, то, разделив это число на 60, подсчитаем число оборотов в одну секунду. Так как при четырехтактном процессе один цикл совершается за два оборота коленчатого вала, то разделив на два число оборотов коленчатого вала за одну секунду, узнаем число рабочих циклов в одну секунду.

Если работа, совершаемая за один цикл (в кгм), известна, то, помножив ее величину на число рабочих циклов в одну секунду, подсчитаем мощность (в кгм/сек), развиваемую двигателем. Обычно мощность двигателя исчисляется в лошадиных силах, а одна лошадиная сила равна 75 кгм/сек. Следовательно, разделив полученную мощность двигателя в кгм/сек на 75 кгм/сек, получим мощность двигателя в лошадиных силах.

5. Двухтактный цикл двигателя222.

Схема работы мотоциклетного двухтактного двигателя представлена на рис. 12.

Рис. 12. Схема работы двухтактного двигателя: а — сжатие рабочей смеси в цилиндре двигателя и впуск горючей смеси в кривошипную камеру; б — расширение в цилиндре двигателя и сжатие горючей смеси в кривошипной камере; в — продувка цилиндра горючей смесью; г — начало сжатия рабочей смеси в цилиндре двигателя.

Цилиндр двигателя укреплен на кривошипной камере. На боковых стенках цилиндра внизу расположены три окна: продувочное окно, сообщающее каналом цилиндр с кривошипной камерой, выпускное окно, сообщающее цилиндр с внешней средой, и впускное окно, сообщающее кривошипную камеру с карбюратором. Верхняя кромка выпускного окна находится несколько выше верхней кромки продувочного окна. Нижняя кромка выпускного и продувочного окон расположены на уровне днища поршня при его положении в нижней мертвой точке.

Рассмотрим рабочий процесс двухтактного двигателя. Предположим, что за предыдущий рабочий цикл произошло сжатие рабочей смеси в кривошипной камере и цилиндр двигателя в основном заполнен свежей горючей смесью, поступившей через продувочное окно из кривошипной камеры.

При перемещении от нижней мертвой точки к верхней поршень вначале перекрывает своей боковой стенкой продувочное окно, а затем открывает впускное окно. Так как при перемещении поршня к верхней мертвой точке объем кривошипной камеры увеличивается, в камере создается разрежение. Атмосферный воздух, проходя через смесительную камеру карбюратора, под действием разрежения подхватывает капельки горючего, выходящего из распылителя карбюратора, обдувая их, тем самым способствует испарению.

Образующаяся горючая смесь поступает в кривошипную камеру. Испарение оставшихся в горючей смеси капелек горючего будет продолжаться в кривошипной камере за счет отбора тепла от горячих стенок цилиндра, поршня и кривошипной камеры. Когда поршень дойдет до верхней мертвой точки, давление горючей смеси в кривошипной камере достигнет 0,8 кг/см2.

В дальнейшем, при перемещении поршня от верхней мертвой точки к нижней, объем кривошипной камеры начинает уменьшаться, но на некотором участке хода поршня горючая смесь продолжает поступать из карбюратора в кривошипную камеру, так как в этот период давление в камере ниже, чем внешнее. Впускное окно закрывается в момент выравнивания внешнего давления и давления в кривошипной камере. После закрытия впускного окна давление горючей смеси продолжает повышаться за счет ее сжатия и нагревания от стенок поршня и цилиндра.

При подходе к нижней мертвой точке поршень сначала откроет выпускное, а затем и продувочное окно. К моменту открытия продувочного окна давление в кривошипной камере достигнет 1,3 кг/см2. После открытия продувочного окна горючая смесь из кривошипной камеры поступает на продувку цилиндра и при положении поршня в нижней мертвой точке давление в кривошипной камере упадет до 1,02—1,05 кг/см2. Температура рабочей смеси равна при этом 100–150 °C.

Окончание впуска и сжатие рабочей смеси

При положении поршня в нижней мертвой точке продолжается поступление горючей смеси из кривошипной камеры в цилиндр двигателя (рис. 12, в).

Поскольку давление рабочей смеси в картере двигателя несколько больше, чем в цилиндре, то в начале перемещения поршня от нижней мертвой точки к верхней продолжается продувка цилиндра горючей смесью. При этом горючая смесь перемешивается с остаточными газами. Продувка закончится в момент перекрытия поршнем продувочного окна.

При дальнейшем перемещении поршня вверх некоторая часть рабочей смеси выталкивается поршнем в выпускное окно и только после перекрытия поршнем выпускного окна начинается сжатие рабочей смеси в цилиндре двигателя. Поэтому перемещение поршня от нижней мертвой точки до момента перекрытия поршнем выпускного окна называется потерянным ходом.

Остальная часть хода до верхней мертвой точки называется полезным ходом.

В процессе сжатия рабочая смесь в цилиндре двигателя нагревается, и к концу сжатия давление в цилиндре достигает 5–7 кг/см2, а температура 350–400 °C.

На рис. 13 показано изменение давления в цилиндре двигателя в такте сжатия.

Рис. 13. Процесс сжатия в двухтактном двигателе: V c —объем камеры сгорания; рабочий объем цилиндра; а' — начало сжатия; с'' — конец сжатия; Z — конец видимого горения; е — начало выпуска.

На линии ОР отложено в масштабе давление (Р, кг/см2) в цилиндре двигателя, на линии OV — объем цилиндра. Расстояние V c соответствует объему камеры сгорания, Vh — рабочему объему цилиндра.

Отложим на линии ОР расстояние ОР 0 , соответствующее давлению в 1 кг/см2, и проведем через точку Р 0 линию, параллельную линии OV. Линия Р 0 а , называемая атмосферной линией, соответствует давлению внешнего воздуха. Линия a'с'' показывает изменение давления в цилиндре в такте сжатия.

Давление и температура рабочей смеси в конце сжатия в цилиндре двухтактного двигателя будут меньше, чем у подобного четырехтактного двигателя. Это в основном вызывается утечкой рабочей смеси из цилиндра за счет запаздывания закрытия выпускного окна и повышенным содержанием в рабочей смеси отработавших газов.

При перемещении поршня от нижней мертвой точки к верхней до момента перекрытия поршнем продувочного окна горючая смесь из кривошипной камеры продолжает поступать в цилиндр двигателя После перекрытия поршнем продувочного окна в кривошипной камере снова создается разрежение и снова горючая смесь поступает из карбюратора в кривошипную камеру.

Расширение, выпуск и начало продувки

В конце хода сжатия осуществляется зажигание рабочей смеси искрой, проскакивающей между электродами запальной свечи.

Воспламенение рабочей смеси начинается несколько ранее верхней мертвой точки (в точке с' на рис. 14) и продолжается после того, как поршень после верхней мертвой точки начнет перемещаться к нижней мертвой точке.

Рис. 14. Процесс сгорания — расширения в двухтактном двигателе: а' — начало сжатия; а — конец выпуска; с' — момент зажигания; с'' — конец сжатия; Z — конец видимого горения; е — начало выпуска.

При правильно подобранном моменте зажигания и наивыгоднейшем соотношении горючего и воздуха в рабочей смеси максимальное давление в цилиндре двигателя наступит, когда коленчатый вал повернется на 15–20° после верхней мертвой точки. При полном открытии дроссельного золотника максимальное давление достигнет 30–35 кг/см2, температура газов в этот момент повысится до 2000–2200 °C.

При дальнейшем перемещении поршня вниз происходит догорание рабочей смеси и расширение газов.

К моменту открытия выпускного окна давление в цилиндре уменьшается До 3–5 кг/см2 и температура газов — до 700-1000 °C.

После открытия выпускного окна давление в цилиндре резко падает. Через 5—15° поворота коленчатого вала после открытия продувочного окна оно равно примерно 1,2–1,25 кг/см2, т. е. из цилиндра к этому моменту выйдет почти 70 % всего объема отработавших газов. При перемещении от верхней мертвой точки к нижней поршень снова сжимает в кривошипной камере поступившую туда из карбюратора горючую смесь. С момента открытия продувочного окна начинается выталкивание поступающей из кривошипной камеры горючей смеси и находящихся еще в цилиндре отработавших газов. При этом происходит частичное перемешивание горючей смеси с остаточными газами, а также выбрасывание части рабочей смеси вместе с отработавшими газами в выпускную трубу. Это вызывает уменьшение наполнения цилиндров горючей смесью и увеличение расхода горючего.

При положении поршня в нижней мертвой точке давление в цилиндре двигателя падает до 1 кг/см2.

На рис. 15 показано изменение давления в цилиндре двигателя во время тактов сжатия и расширения.

Рис. 15. Среднее индикаторное давление двухтактного двигателя: а — начало сжатия; с" — конец сжатия; Z — конец видимого горения; е — начало выпуска.

Как и в четырехтактном двигателе, полезная работа, развиваемая за один рабочий цикл, в двухтактном двигателе равна разности работ — работы, получаемой при расширении, и работы, затрачиваемой на сжатие. Полезная работа двигателя на рис. 15 показана в виде площади, ограничиваемой кривой ac"Zea.

Для удобства определения индикаторной мощности построим прямоугольник, площадь которого равна площади, ограничиваемой кривой ac"Zca, а длина соответствует расстоянию, проходимому поршнем от одной мертвой точки до другой. В этом случае высота прямоугольника будет равна средней высоте индикаторной диаграммы, которая в масштабе, отложенном на вертикали, соответствует среднему индикаторному давлению.

Индикаторная мощность для двухтактного двигателя определяется так же, как и для четырехтактного, с той лишь разницей, что число циклов для двухтактного двигателя будет равно числу оборотов коленчатого вала двигателя.

В отличие от четырехтактных двигателей, степень сжатия двухтактного двигателя имеет два значения: номинальная степень сжатия и действительная степень сжатия.

Номинальной степенью сжатия называется отношение суммы объема камеры сжатия и рабочего объема цилиндра к объему камеры сжатия. Под рабочим объемом цилиндра подразумевается объем, описываемый поршнем при его перемещении от одной мертвой точки до другой.

Действительной степенью сжатия называется отношение объема камеры сжатия и полезного объема цилиндра в момент закрытия органов газораспределения к объему камеры сжатия.

Полезным объемом цилиндра называется объем, описываемый поршнем при его перемещении от верхнего края выпускного окна до верхней мертвой точки.

 

6. Требования, предъявляемые к мотоциклетным двигателям

Мотоциклетные двигатели работают в различных атмосферных дорожных условиях при переменной нагрузке и переменном числе оборотов и должны обеспечивать достаточную скорость движения и экономичную работу мотоцикла.

К современным мотоциклетным двигателям предъявляется ряд требований по следующим основным показателям, оказывающим существенное влияние на ходовые качества мотоцикла: надежность работы и долговечность, экономичность работы на стандартном для данного двигателя горючем, приемистость, уравновешенность, равномерность хода, достаточная литровая мощность, небольшой удельный вес, малые габариты, простота ухода за двигателем и его ремонта.

Надежность работы и долговечность двигателя зависят от качества применяемого для его изготовления материала, точности обработки и подгонки деталей, а также от качества применяемых горючего и масла. Большое влияние на надежность работы и долговечность двигателя оказывает поддержание нормального теплового режима работы двигателя в процессе эксплуатации.

Экономичность работы двигателя обеспечивается небольшими потерями (на трение внутри двигателя, на заполнение цилиндров горючей смесью и на выпуск отработавших газов из цилиндра), наиболее выгодным соотношением горючего и воздуха в горючей смеси для каждого режима работы двигателя, а также наиболее полным сгоранием горючего внутри цилиндра двигателя.

Приемистость двигателя — способность двигателя быстро увеличивать обороты и мощность при резком открытии дроссельного золотника карбюратора. Приемистость двигателя зависит от качества работы карбюратора и системы распределения, обеспечивающих быстрое изменение нагрузки двигателя. Чем больше приемистость двигателя, тем при прочих равных условиях выше способность мотоцикла набирать скорость, а следовательно, обеспечивать высокую среднюю скорость движения.

Уравновешенным является такой двигатель, у которого силы, действующие на раму мотоцикла, при установившемся режиме его работы постоянны по величине и направлению. Это значит, что двигатель, а с ним и рама мотоцикла, не колеблются в вертикальном и горизонтальном направлениях вследствие изменения величины и направления действия сил, возникающих в работающем двигателе. Чем уравновешеннее двигатель, тем меньше колебаний в раме, руле и других агрегатах и механизмах мотоцикла, влияющих непосредственно на плавность движения и утомляемость водителя.

Равномерность хода двигателя — способность двигателя незначительно изменять скорость вращения коленчатого вала в период между следующими один за другим рабочими ходами. Равномерность хода зависит от числа цилиндров, массы маховика, числа оборотов коленчатого вала и равномерности чередования вспышек в цилиндрах двигателя. Маховик, накапливающий живую силу в момент рабочего хода, отдает ее затем на поддержание скорости вращения коленчатого вала. Живая сила маховика затрачивается на преодоление трения в двигателе, на выпуск отработавших газов, впуск горючей смеси и на сжатие ее. Вследствие этого скорость вращения коленчатого вала двигателя уменьшается к началу следующего рабочего хода. Если маховик обладает достаточной массой и чередование вспышек происходит через равномерные и небольшие отрезки времени, то скорость вращения коленчатого вала двигателя между следующими один за другим рабочими ходами будет уменьшаться незначительно. Чем выше равномерность вращения коленчатого вала двигателя, тем плавнее ход мотоцикла.

Литровой мощностью двигателя называется мощность, приходящаяся на один литр рабочего объема двигателя. Большая литровая мощность может быть получена при условии, если двигатель обладает хорошим наполнением цилиндров горючей смесью при высоких оборотах коленчатого вала и наиболее полным сгоранием ее внутри цилиндров. Повышению литровой мощности способствует также наличие высокой степени сжатия.

Мотоциклетные двигатели должны обладать большой литровой мощностью, так как в этом случае для получения необходимой мощности на мотоциклах могут быть установлены двигатели с малым рабочим объемом, а следовательно, и с малым весом.

Удельным весом двигателя называется вес, приходящийся на одну единицу номинальной мощности двигателя (на 1 л. с.). Снижение удельного веса двигателя обеспечивается изготовлением его из легких и прочных материалов, а также увеличением его литровой мощности. Чем ниже удельный вес двигателя, тем при прочих равных условиях он в большей степени способен обеспечить высокую среднюю скорость движения мотоцикла.

Малые габариты двигателя обеспечивают удобное его расположение на раме, уменьшение лобового сопротивления мотоцикла и понижение его центра тяжести. Малые габариты достигаются благодаря большой литровой мощности двигателя и компактному размещению его деталей.

Простота ухода за двигателем него ремонта уменьшают потребное для этого время и облегчают эксплуатацию мотоцикла.

 

Глава IV

КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ

 

1. Цилиндры

Цилиндр мотоциклетного двигателя служит для направления движения поршня.

Цилиндр представляет собой отливку. Его внутренняя шлифованная поверхность называется зеркалом. Цилиндр обычно имеет фланец, с помощью которого он прикрепляется к картеру двигателя. Под фланцем выполнен направляющий поясок, которым цилиндр устанавливается в отверстие картера. У двигателей воздушного охлаждения на внешней поверхности цилиндра расположены ребра, увеличивающие поверхность охлаждения. У двигателей жидкостного охлаждения цилиндр окружен рубашкой, служащей для протекания жидкости, охлаждающей горячие стенки цилиндров. Сверху цилиндр закрыт головкой, в которой расположена камера сгорания. Головка также снабжена или ребрами, увеличивающими поверхность охлаждения головки, или рубашкой для охлаждающей жидкости.

В процессе работы двигателя цилиндр подвергается большим силовым нагрузкам в результате резко изменяющегося давления газов. При сгорании рабочей смеси газы давят на головку цилиндра, стремясь таким образом оторвать его от картера. Кроме того, поршень при своем перемещении в цилиндре опирается на его зеркало, что вызывает боковую нагрузку на цилиндр и износ его внутренней поверхности.

Цилиндр двигателя подвергается также значительным температурным нагрузкам, так как внутренние стенки его соприкасаются с горячими газами. Больше всего температурным нагрузкам подвергается головка цилиндра, в которой происходит сгорание рабочей смеси и которая больший период времени омывается горячими газами. Стенки цилиндра подвержены температурным нагрузкам в меньшей степени, так как горячие газы могут соприкасаться с ними лишь по мере перемещения поршня к нижней мертвой точке в процессе рабочего хода. Кроме того, при перемещении поршня на такте выпуска от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке поверхность соприкосновения горячих газов с зеркалом цилиндра постепенно уменьшается. Таким образом, на цилиндр двигателя действуют механическая и тепловая нагрузки. Поэтому цилиндры должны обладать достаточной прочностью. Они выполняются из чугуна, или чугунная гильза цилиндра имеет алюминиевое оребрение (рис. 16).

Рис. 16. Цилиндр с алюминиевым оребрением.

Цилиндры могут быть выполнены или отдельно, тогда каждый цилиндр крепится к картеру двигателя индивидуально, независимо один от другого, или в одном блоке.

Отдельное выполнение каждого цилиндра имеет то преимущество, что при повреждении одного из цилиндров он может быть легко заменен. Кроме того, отливка отдельных цилиндров более проста в производстве.

Блочное расположение применяется в том случае, когда необходимо при линейном расположении цилиндров установить их возможно ближе один к другому. Достоинство блочного расположения цилиндров по сравнению с отдельно выполненными заключается в большой их жесткости при меньшем весе. Недостатком такого расположения является большая сложность изготовления цилиндров и необходимость замены всего блока при повреждении одного из цилиндров.

Наиболее просты в изготовлении цилиндры, у которых клапаны расположены в головке (рис. 17).

Рис. 17. Цилиндр четырехтактного двигателя с верхним расположением клапанов.

В этом случае цилиндр имеет ребра, поверхность которых увеличивается к головке, фланец для крепления цилиндра к картеру и направляющий поясок. Ребра цилиндра размещены симметрично и только для размещения штоков системы распределения в ребрах сделаны вырезы. В верхней плоскости цилиндра иногда имеется выступающий поясок для посадки уплотняющей прокладки головки цилиндра и отверстия для ввертывания болтов, крепящих головку.

На рис. 18 изображен цилиндр четырехтактного двигателя мотоцикла М-72.

Рис. 18. Цилиндр двигателя мотоцикла М-72: 1 — фланец цилиндра; 2 — впускной патрубок цилиндра; 3 — гнездо клапана; 4 — выпускной патрубок цилиндра.

Гнезда клапанов 3 и патрубки 2 и 4 отлиты вместе с цилиндрами. Вместе с фланцем 1 цилиндра выполнена верхняя часть клапанной коробки, в которой расположены пружины клапанов. Во фланцах цилиндров сделано шесть отверстий для шпилек, соединяющих цилиндры с картером двигателя. На фланце левого цилиндра у направляющего пояска имеется кольцевая выточка, по которой масло из масленой магистрали поступает для смазки верхней части зеркала цилиндра. Кольцевая выточка сообщается с зеркалом цилиндра через три косых сверления в верхней части выточки.

На рис. 19 показан цилиндр двухтактного двигателя мотоцикла К1Б.

Рис. 19. Цилиндр двухтактного двигателя (разрез).

Его выполнение усложнено наличием впускных и выпускных окон и продувочных каналов. В нижней части зеркала цилиндра имеется фаска, облегчающая ввод поршня с кольцами, и выемка для шатуна.

Крепление цилиндров к картеру двигателя осуществляется, как правило, двумя способами:

1) фланец цилиндра крепится шпильками, ввернутыми в картер Двигателя;

2) цилиндры двигателя крепятся силовыми шпильками, проходящими через головку цилиндра.

Крепление цилиндров двигателя мотоцикла М-72 осуществляется шпильками. На боковых стенках картера двигателя расположены плоскости крепления цилиндров. На каждой плоскости в тело картера ввернуты шесть шпилек. Перед установкой цилиндра на плоскость устанавливается уплотнительная прокладка. Затем на шпильки надевается фланец цилиндра и закрепляется гайками. Достоинством этого способа крепления является простота изготовления крепежных деталей и легкость монтажа цилиндра. Головка цилиндра привертывается непосредственно к цилиндру восемью болтами. Недостаток такого крепления цилиндра заключается в том, что в процессе сжатия и особенно сгорания рабочей смеси газы, действуя на головку цилиндра, а через нее и на цилиндр, стремятся оторвать его от картера. Таким образом, во время работы двигателя цилиндры подвергаются большим переменным нагрузкам.

В плоскость алюминиевого картера двигателя мотоцикла M1А ввернуты четыре силовые шпильки, верхняя часть которых имеет резьбу. В эти шпильки свободно входят отверстия ребер цилиндра двигателя, уплотнительной прокладки и головки цилиндра. После этого на силовые шпильки навертываются гайки. В этом случае цилиндр оказывается зажатым между головкой цилиндра и картером двигателя и сам непосредственно к картеру не присоединяется. Достоинство этого способа крепления заключается в том, что головка цилиндров связана непосредственно с картером и поэтому цилиндры двигателя разгружены от осевых усилий, возникающих от действия давления газов на головку цилиндра. Недостатком этого способа крепления является некоторое усложнение в производстве деталей крепления.

Головки цилиндров мотоциклетных двигателей изготовляются обычно из алюминия и только в редких случаях из чугуна. Алюминиевые головки имеют то преимущество перед чугунными, что, обладая меньшим весом, они лучше отводят тепло, не коробятся и не растрескиваются при неравномерном нагреве их во время работы двигателя.

Головки цилиндров воздушного охлаждения имеют развитое оребрение, так как в процессе работы двигателя через стенки головок отводится максимальное количество тепла. Головки выполняются для каждого цилиндра отдельно или для двух цилиндров вместе.

В головке цилиндров имеется камера сжатия. Она должна обеспечивать хорошее наполнение цилиндра двигателя рабочей смесью, хорошее распространение пламени, без детонационного сгорания, и минимальные потери тепла.

В основном все камеры сжатия мотоциклетных двигателей можно разделить на три группы: полусферические, шатровые и вихревые.

На рис. 20 показана полусферическая камера сжатия двухтактного двигателя мотоцикла М1А.

Рис. 20. Головка цилиндра двигателя мотоцикла М1А с полусферической камерой сжатия: 1 — головка цилиндра; 2 — камера сжатия.

Полусферическая камера является наилучшей по своей форме, так как она обладает меньшей поверхностью отвода тепла к ребрам. Кроме того, в полусферической камере путь распространения пламени наиболее короткий.

У четырехтактных двигателей полусферические камеры обеспечивают хорошее наполнение цилиндров двигателя горючей смесью, так как горючая смесь поступает из карбюратора в цилиндр по наиболее прямому пути. Но полусферическая камера четырехтактных двигателей имеет более сложное устройство вследствие того, что в ней, кроме свечи, должны быть расположены клапаны.

Это в свою очередь усложняет привод к клапанам, тем более, что при полусферической камере клапаны расположены относительно друг друга под некоторым углом.

Шатровые камеры сжатия (рис. 21) по своей форме очень близки к полусферическим.

Рис. 21. Цилиндр с шатровой камерой сжатия.

Достоинство шатровых камер заключается в том, что в них обеспечивается удобное расположение клапанов максимального диаметра.

Полусферические и шатровые камеры имеют наибольшее распространение на современных мотоциклах, незначительная сложность их производства окупается высокой мощностью двигателей в результате хорошего наполнения цилиндров и хорошего использования тепла в камере сжатия.

Для четырехтактных двигателей дорожных и тяжелых мотоциклов применяется вихревая камера сжатия (рис. 22).

Рис. 22. Цилиндр с вихревой камерой сжатия.

Она расположена в стороне от цилиндра, над клапанами. Гнезда и направляющие втулки клапанов выполнены в теле цилиндра сбоку. При таком расположении клапанов горючая смесь, поступающая из карбюратора через клапан в камеру сжатия снизу вверх, после входа туда резко меняет свое направление и идет из камеры сжатия в цилиндр уже сверху вниз. При такой форме камеры увеличивается сопротивление горючей смеси на входе в цилиндр двигателя и, следовательно, уменьшается наполнение цилиндра. Достоинство этой камеры заключается в том, что пути распространения пламени удлиняются, сгорание рабочей смеси несколько замедляется и двигатель работает более мягко. Кроме того, при небольшом зазоре (2–3 мм) между днищем поршня и стенкой камеры сжатия обеспечивается охлаждение тонкого слоя рабочей смеси, находящейся в этом зазоре и наиболее удаленной от свечи. Это уменьшает способность рабочей смеси к детонационному сгоранию, так как охлажденная в зазоре рабочая смесь к моменту сгорания не успевает образовать с кислородом воздуха нестойкие соединения, сгорающие со взрывной скоростью.

Для уплотнения между головкой и плоскостью цилиндра устанавливаются прокладки, которые препятствуют сообщению с атмосферой в стыке плоскостей головки и цилиндра. Форма этих прокладок зависит от формы плоскости соприкосновения головки и цилиндра. Для изготовления прокладок применяются различные материалы. В частности, на двигателе мотоцикла М-72 прокладка выполнена из мелкой латунной сетки, в которую вплетены волокна асбеста. Перед установкой прокладка покрывается порошком графита, чтобы волокна асбеста не прилипали к плоскости головки и цилиндра. В настоящее время на двигателе мотоцикла М-72 применяется прокладка из алюминия. На некоторых мотоциклетных двигателях применяется прокладка из красной меди. Для увеличения упругости и лучшего уплотнения зазора на прокладке выштампованы канавки.

 

2. Поршни, поршневые пальцы, поршневые кольца

Поршень

Поршень воспринимает давление газов при сгорании рабочей смеси в цилиндре двигателя и через шатун передает его коленчатому валу.

Во время работы двигателя поршень подвергается механической нагрузке от давления газов, изменяющегося за рабочий цикл от 0,8 кг/см2 (на такте впуска) до 40 кг/см2 (в момент сгорания рабочей смеси). Кроме того, температура газов, соприкасающихся с днищем поршня, изменяется за рабочий цикл от 50 °C до 2200 °C и температура днища поршня в процессе работы достигает средней величины — 250–350 °C.

У высокооборотных мотоциклетных двигателей средняя скорость движения поршня достигает 15–20 м/сек и соответственно силы инерции поршня также достигают значительной величины. Следовательно, поршень работает в условиях резко меняющихся тепловых и механических нагрузок и прочность его в известной степени понижена вследствие нагревания до высокой температуры. Кроме того, механические и тепловые нагрузки значительно ухудшают условия смазки поршня. Поэтому к поршням современных мотоциклетных двигателей предъявляются следующие требования:

1) обеспечение герметичности между рабочей полостью цилиндра и картером;

2) невысокая температура поршня и отсутствие местных перегревов;

3) отсутствие заедания, стука и перекоса поршня в цилиндре во время работы;

4) высокая прочность ври минимальном весе;

5) минимальные потери на трение между поршнем и цилиндром;

6) минимальный износ стенок поршня и цилиндра.

Герметичность между рабочей полостью цилиндра и картером обеспечивается наличием на головке поршня канавок, в которых установлены компрессионные кольца, перекрывающие зазор между стенками поршня и цилиндра, и маслосъемные кольца, очищающие поверхность цилиндра от масла и не допускающие проникновения его в рабочую полость цилиндра.

Температура поршня зависит от количества тепла, передающегося поршню от горячих газов, а также от количества тепла, передаваемого от поршня через кольца и его юбку стенкам цилиндра и от внутренней поверхности поршня маслу и воздуху в картере. Небольшой отбор тепла поршнем от газов в такте расширения улучшает условия полного сгорания горючего в цилиндре двигателя, так как в этом случае температура газов, а следовательно, и давление их будут более высокими.

Таким образом, чем меньше тепла поршень будет принимать от горячих газов и чем больше тепла будет передаваться от поршня цилиндру и воздуху в картере, тем ниже будет средняя температура поршня. При низкой средней температуре поршня улучшается наполнение цилиндра двигателя горючей смесью, так как в этом случае горючая смесь при впуске меньше нагревается от поршня и плотность ее к началу сжатия сохраняется достаточно высокой. Низкая температура поршня допускает повышение степени сжатия, потому что сравнительно небольшое нагревание рабочей смеси в процессе сжатия уменьшает возможность образования перекисей, а следовательно, и уменьшает возможность детонационного сгорания горючего. Кроме того, при низкой температуре поршня уменьшается его тепловое расширение, что ограничивает возможность заедания, стуков и перекоса поршня в цилиндре во время работы двигателя.

Уменьшение заеданий, стуков и перекосов поршня в цилиндре осуществляется также подбором материала для изготовления поршня и установлением определенных зазоров между поршнем и цилиндром в различных точках поршня. Величина зазора между стенками поршня и цилиндром подбирается в зависимости от температуры поршня и цилиндра, а также в зависимости от теплового расширения материала, из которого изготовлен поршень. Зазор между стенками поршня и цилиндра должен обеспечивать свободное перемещение поршня в цилиндре при высокой температуре и сохранение минимально необходимого слоя масла между стенкой поршня и цилиндром. В головке поршня зазор делается несколько большим, чем в юбке, так как головка поршня нагревается в большей степени. Этот зазор должен быть минимальным и у холодного, и у горячего двигателя. Но так как поршни мотоциклетных двигателей обычно выполняются из алюминиевого сплава, который обладает большим тепловым расширением, величина зазора между юбкой и цилиндром сильно изменяется после пуска и прогрева двигателя, а при перегреве двигателя зазор может совсем исчезнуть. Вследствие этого может произойти заклинивание поршня: поршень плотно прижмется к стенкам цилиндра и трение между ними увеличится настолько, что двигатель остановится. При сильном перегреве двигателя заклинивание поршня может привести к отрыву юбки поршня от его головки или к разрыву стержня шатуна.

Для уменьшения возможности заклинивания поршня в его юбке выполняются прорези, обеспечивающие ее упругость. Такой поршень в случае перегрева двигателя заклиниваться не будет, так как увеличение периметра юбки поршня будет компенсироваться за счет уменьшения ширины прорези. Поэтому при наличии прорези на юбке можно устанавливать минимальный зазор между поршнем и цилиндром у холодного двигателя. Однако наличие прорези ослабляет поверхность юбки, поэтому поршни всегда устанавливают прорезями в сторону той стенки цилиндра, на которую не передается давление юбки во время рабочего хода. Прорезь, идущая вниз по стенке юбки, выполняется наклонно. Это делается с целью равномерного износа стенки цилиндра, так как при вертикальном расположении прорези износ поверхности цилиндра, приходящейся против этой прорези, был бы меньше, чем износ остальной его поверхности.

Для уменьшения трения между поршнем и цилиндром и заедания поршня среднюю часть юбки делают овальной, причем малый диаметр овала поршня располагают по оси поршневого пальца. Это вызвано следующими соображениями:

1) Во время такта расширения поршень под действием давления газов прижимается к боковой стенке цилиндра и поэтому сечение поршня принимает форму овала, большой диаметр которого расположен по оси поршневого пальца.

2) Под действием давления газов днище поршня прогибается внутрь и юбка поршня расширяется внизу по оси поршневого пальца. Это происходит потому, что бобышки поршня, обычно связанные с днищем поршня ребрами, делают эту часть юбки более жесткой. Поэтому стенки юбки, не имеющие бобышек, являются более слабыми и деформируются в большей степени.

3) Днище поршня, нагреваясь, уводит в стороны бобышки. Так же как и в предыдущем (во втором) случае, менее жесткая часть юбки поршня деформируется и сечение поршня принимает овальную форму с увеличением размера юбки поршня по оси пальца.

У современных мотоциклетных двигателей днище поршня может быть выполнено плоским, выпуклым или вогнутым в зависимости от формы камеры сжатия, степени сжатия и системы распределения. Плоское днище имеет меньшую поверхность соприкосновения с газами, тепло меньше переходит в поршень с плоским днищем, а следовательно, и отвод тепла от газов будет меньше, чем у поршня с выпуклым или вогнутым днищем. Выпуклое днище, как и вогнутое, обладает большей жесткостью по сравнению с плоским.

У двухтактных двигателей иногда на днище поршня делается отражатель (рис. 23), предназначенный для направления потока горючей смеси, поступающей в цилиндр через продувочное окно, вверх, а также для вывода отработавших газов, поступающих сверху вниз, из цилиндра в выпускное окно.

Рис. 23. Поршень с отражателем.

При таком направлении потоков горючей смеси и отработавших газов уменьшается возможность их смешения, что в свою очередь обеспечивает хорошее наполнение цилиндров горючей смесью.

На рис. 24 представлен поршень двигателя мотоцикла М-72.

Рис. 24. Поршень с плоским днищем двигателя мотоцикла М-72.

Поршень имеет плоское днище и три канавки для поршневых колец. Верхние два кольца компрессионные, нижнее — маслосъемное.

Над верхним поршневым кольцом в головке сделана узкая глубокая выточка. Она представляет собой воздушный экран, отражающий поток тепла, идущий от днища поршня к поршневым кольцам. Недостатком головки С выточкой является то, что масло, попадающее в выточку, коксуется и вскоре кокс заполняет ее. При этом значение выточки как экрана уменьшается.

В нижней кольцевой канавке сделана сквозная прорезь. Соединение головки и юбки в этом случае осуществляется только боковыми стенками поршня над бобышками и ребрами бобышек. При этом количество тепла, поступающего от головки поршня к юбке, уменьшается и температура юбки значительно снижается, что позволяет устанавливать небольшой зазор между юбкой и цилиндром.

На нижнем краю юбки имеются два небольших выреза, которые предотвращают возможность удара по противовесам коленчатого вала при положении поршня в нижней мертвой точке. В бобышках поршня сделаны отверстия для поршневого пальца. В этих отверстиях выполнены канавки, в которые устанавливаются стопорные кольца, ограничивающие осевое перемещение поршневого пальца в отверстиях бобышек. Внутренне концы бобышек связаны с днищем поршня ребрами, увеличивающими жесткость бобышек.

Поршень двигателя мотоцикла М1А (рис. 25) имеет выпуклое днище, две канавки для поршневых колец и вырезы на нижней части юбки.

Рис. 25. Поршень с выпуклым днищем двигателя мотоцикла М1А.

Эти вырезы оставляют открытыми отверстия двух продувочных каналов, сообщающих кривошипную камеру с полостью цилиндра при положении поршня около нижней мертвой точки. Внутри каждой кольцевой канавки установлен штифт, предохраняющий кольцо от проворачивания в канавке. Каждая бобышка связана с днищем поршня ребром. В отверстиях бобышек имеются канавки для установки стопорных колец.

Поршень двигателя мотоцикла ИЖ-350 имеет такую же конструкцию, как поршень двигателя мотоцикла M1А. Отличается он тем, что в нем имеются три кольцевые канавки и разрез в юбке поршня.

Поршень двигателя мотоцикла М-75 (рис. 26) имеет выпуклое днище, на котором имеются углубления, предотвращающие удар поршня о клапаны при их перекрытии.

Рис. 26. Поршень с выпуклым днищем двигателя мотоцикла М-75.

В головке поршня сделаны три канавки: две для компрессионных колец и одна для маслосъемного. Для отвода масла от маслосъемного кольца внутрь поршня в нижней кольцевой канавке и на фаске под нею выполнены отверстия.

Поршневой палец

Поршневой палец служит для соединения поршня с шатуном. Он представляет собой полый цилиндрический стержень, проходящий через отверстия в малой головке шатуна и в бобышках поршня. Поршневой палец для уменьшения его веса обычно выполняется полым.

Диаметр его должен быть значительным для создания достаточной опорной поверхности и уменьшения износа как пальца, так и отверстий поршня и шатуна.

По способу крепления поршневые пальцы делятся на закрепленные и плавающие.

Закрепленными называются пальцы, которые закреплены или в бобышке поршня, или в большой головке шатуна. Этот способ крепления в настоящее время почти не применяется, так как поршневые пальцы при таком способе крепления вращаются или во втулке большой головки шатуна, или в бобышках. При этом относительная скорость вращения их будет велика и соответственно будет велик и их износ.

В настоящее время наибольшее распространение получили плавающие пальцы. Плавающими называются пальцы, осевое перемещение которых ограничено пружинными замками, расположенными с торцов пальца, или заглушками, которыми пальцы могут опираться на зеркало цилиндра. Плавающие пальцы отличаются от закрепленных небольшим и равномерным износом поверхности, так как палец вращается как во втулке поршневой головки, так и в отверстиях бобышек и относительная скорость вращения его незначительна.

Поршневой палец выполняется из стали, наружная поверхность его цементируется. Для упрощения производства осевое сверление в пальцах часто делают цилиндрическим, но в некоторых случаях для увеличения прочности стенки пальца в средней его части делают более толстыми.

На рис. 27 показан поршневой палец 1 двигателя мотоцикла М-72.

Рис. 27. Крепление поршневого пальца двигателя мотоцикла М-72: 1 — поршневой палец; 2 — пружинный замок; 3 — поршень; 4 — шатун; 5 — стенка цилиндра.

Он представляет собой полый цилиндрический стержень, длина которого менее диаметра поршня. От осевого перемещения палец удерживается пружинными замками, заправленными в кольцевые выточки, выполненные в отверстиях бобышек поршня. Пружинный замок выполнен из стальной проволоки, согнутой по дуге, радиус которой несколько больше радиуса кольцевой выточки в бобышке поршня. Оба конца проволоки загнуты к центру дуги. Так как глубина кольцевой выточки в бобышке равна половине толщины кольца, выступающая из выточки часть кольца является упором для торца поршневого пальца. Загнутые внутрь концы проволоки служат для вставки и выемки замка.

Такого типа стопорные кольца отличаются простотой изготовления. Недостатком их является сравнительно быстрая разработка кольцевых канавок в отверстии бобышек. Во время работы двигателя торец поршневого пальца, соприкасаясь с стопорным кольцом, провертывает его в кольцевой канавке, что вызывает быстрый износ канавки.

Поршневой палец двигателя мотоцикла ИЖ-350 имеет полый палец, удерживаемый от осевого перемещения стопорным кольцом, входящим в выточки в отверстиях бобышки.

Иногда стопорные кольца имеют прямоугольное сечение. В этом случае соприкосновение торца пальца с замком происходит по всей плоскости торца, вследствие чего уменьшается трение кольца о стенки канавки, а следовательно, уменьшается и износ канавки.

В некоторых двухтактных двигателях для фиксации поршневого пальца от осевого перемещения применяются заглушки (рис. 28, а).

Рис. 28. Поршневой палец с заглушками: а — поршневой палец с двумя заглушками; 6 — поршневой палец с одной заглушкой; 1 — поршневой палец; 2 — заглушка.

Заглушки выполняются из мягкого металла — меди или алюминия. Это делается для того, чтобы как можно меньше изнашивались стенки цилиндра, на которые опираются заглушки, так как истирание цилиндра заглушками нарушит его цилиндрическую поверхность, что приведет к большему прорыву газов в картер.

На рис. 28, б показана установка заглушки в поршневом пальце двигателя мотоцикла Л-300. Заглушки вставлены в палец и закреплены в нем шпилькой. Грибок заглушки выступает за поверхность пальца и опирается на плоскость бобышки. Таким образом, перемещение пальца в одну сторону ограничивается упором грибка заглушки в стенку цилиндра, а в другую — упором выступающей части грибка заглушки в поверхность бобышки. Радиус грибка бобышки несколько меньше, чем радиус стенки цилиндра. Это обеспечивает наличие клиновидного зазора между заглушкой и стенкой цилиндра, что облегчает создание масляной пленки между ними.

Заглушки увеличивают жесткость пальца, но вместе с тем они увеличивают его общий вес, что для быстроходных мотоциклетных двигателей нежелательно.

Поршневые кольца

Поршневые кольца, устанавливаемые в кольцевых канавках поршня, выполняются из чугуна и служат для создания уплотнения между поршнем и цилиндром и для сбора избыточного масла с зеркала цилиндра. Поэтому поршневые кольца делятся на компрессионные и маслосъемные.

Компрессионные кольца (рис. 29) устанавливаются в верхних канавках поршня и имеют обычно прямоугольное сечение.

Рис. 29. Поршневые кольца: а — с косым замком; б — с прямым замком; в — со ступенчатым замком.

Уплотнение зазора между поршнем и цилиндром осуществляется за счет собственной упругости кольца, которое прижимается к цилиндру с усилием 0,5–1 кг/см2. Кроме того, уплотнению способствуют газы, проникающие через зазор к тыльной части кольца и прижимающие его к зеркалу цилиндра с усилием до 30 кг/см2. Компрессионные кольца размещены в канавках с зазором от 0,05 до 0,1 мм. Зазор между тыльной частью кольца и днищем кольцевой канавки в рабочем состоянии достигает 0,4–0,6 мм, в результате чего поршень не опирается на тыльную поверхность кольца.

На рис. 30 представлены различные формы маслосъемных колец.

Рис. 30. Маслосъемные кольца: а — со сквозными шлицами; б — со сквозными шлицами и канавкой; в — с отверстиями и канавкой.

Во всех случаях на поверхности маслосъемных колец имеются отверстия, выполненные иногда в виде сквозных шлицев (рис. 30, а). Кроме сквозных шлицев, на поверхности кольца иногда делается кольцевая канавка (рис. 30, 6), при наличии которой увеличивается возможность отвода масла к шлицам и через них в кольцевую канавку. На маслосъемных кольцах некоторых типов имеется канавка, в которой вместо сквозных шлицев выполнены сквозные отверстия (рис. 30, в). Масло, снимаемое маслосъемными кольцами, проходит через эти отверстия (шлицы) в кольцевую канавку, откуда отводится через дренажные отверстия внутрь поршня. На некоторых поршнях под канавкой маслосъемного кольца делается выточка с отверстиями, через которые масло, снимаемое кольцом с зеркала цилиндра, также отводится внутрь поршня.

В процессе работы двигателя кольца подвергаются воздействию газов, имеющих высокую температуру. Наружная поверхность кольца постоянно скользит по поверхности зеркала цилиндра, многократно изменяя свою скорость от 0 до 15–20 м/сек.

Поршневые кольца должны отвечать следующим требованиям: плотно прилегать к цилиндру, оказывать на стенки цилиндра равномерное удельное давление по всей окружности, быть долговечными и почти не изменять свою упругость в процессе работы.

Все эти требования должны быть соблюдены в процессе производства, но сохранение упругости и долговечность кольца во многом зависят также от режима работы двигателя; перегрев двигателя, применение несоответствующей смазки, конденсация горючего на стенках цилиндра сильно уменьшают срок службы колец.

Наиболее часто встречающимся дефектом колец является их коксование, когда масло поступает в зазоры между перегретым кольцом и канавкой поршня и там коксуется. Коксованию в большей степени подвержены верхние кольца, температура которых доходит до 300–350 °C.

Для надевания на поршень в кольце сделан поперечный разрез, который называется замком кольца. Форма замка бывает различной, но в основном для мотоциклетных двигателей применяются замки трех типов: косые, прямые и ступенчатые (рис. 29).

Косым замком называется такой, при котором кольцо имеет разрез под углом 45°. Кольца с прямым замком имеют разрез по образующей.

Для двухтактных мотоциклетных двигателей, например для двигателя мотоцикла К1Б, часто применяются кольца со ступенчатым замком, причем ступень у них служит для упора в штифт, предохраняющий кольцо от проворачивания. Двигатели мотоциклов ИЖ-350 и М1А опираются на штифт боковыми гранями углублений, выполненных на внутренних стенках колец у стыка. Зазор в замке должен быть выполнен таким, чтобы при любой высокой температуре в замке всегда имелся некоторый минимальный зазор. Если у кольца в процессе работы двигателя за счет теплового расширения выберется весь зазор, то кольцо настолько плотно прижмется к зеркалу цилиндра, что движение его будет затруднено.

На практике величина зазора холодного кольца устанавливается обычно в зависимости от диаметра цилиндра и достигает 0,0006-0,0015 диаметра цилиндра.

Для уменьшения утечки газов через замки последние располагают таким образом, чтобы удлинить путь газов, т. е. замки соседних колец располагают один от другого под углом 120° (для трех колец) или 180° (для двух колец).

Износ поршневых колец приводит к увеличению расхода масла. Это вызывается увеличением количества масла, перетекающего через неплотность между кольцами и стенкой цилиндра, а также насосным действием колец, которое сказывается все в большей степени по мере их износа.

Рассмотрим насосное действие поршневых колец. При движении поршня вниз кольца за счет трения о зеркало цилиндра прижимаются к верхней стенке кольцевой канавки. Масло, собираемое кольцами, поступает в зазор между нижней частью кольца и стенкой канавки и заполняет зазор между днищем канавки и тыльной стороной кольца.

При движении поршня вверх кольцо прижимается к нижней стенке кольцевой канавки. Часть млела из нижнего зазора выталкивается в тыльный зазор и оттуда в верхний зазор. При новом движении поршня вниз масло из верхнего зазора перетекает в зазор между поршнем и цилиндром и т. д. Таким образом, масло постепенно перекачивается в рабочую полость цилиндра.

Насосное действие, особенно заметное у изношенных колец, характеризуется наличием большого количества белого дыма при выхлопе.

На мотоциклетных двигателях поршневых колец обычно три: два компрессионных и одно маслосъемное. На быстроходных двигателях иногда число колец уменьшают до двух: одного компрессионного и другого маслосъемного. Уменьшение числа колец снижает потери на трение, так как у быстроходных двигателей сжатие и рабочий ход продолжаются недолго и утечка газов через неплотности в кольцах поэтому незначительна.

 

3. Шатун

Шатун соединяет поршень с коленчатым валом и передает последнему давление газов. В зависимости от числа цилиндров двигателя, их расположения и формы коленчатого вала применяются шатуны в основном двух типов: одинарные и сдвоенные. Сдвоенные шатуны в свою очередь подразделяются на вильчатые и прицепные. Кроме того, шатуны отличаются по устройству большой головки: с целой или разъемной головкой. Малая головка всегда выполняется целой.

Во время работы двигателя шатун сжимается силой давления газов во время хода сжатия и рабочего хода. В конце хода выпуска и начале хода впуска поршень и связанные с ним поршневой палец и верхняя головка шатуна стремятся по инерции продолжать поступательное движение и растягивают шатун, связывающий их с коленчатым валом. Кроме действующих на шатун сил давления газов и сил, стремящихся растянуть шатун при изменении направления движения поршня, на шатун действуют также силы в плоскости его качания около поршневого пальца. При перемещении шатуна из одного бокового положения в другое он стремится продолжать свое движение в плоскости качания. Этому будет препятствовать кривошип, с которым связана большая головка шатуна, и поэтому шатун будет прогибаться в средней своей части в направлении качания. Исходя из этих условий работы, к шатунам предъявляются следующие требования:

1) Минимальный вес при максимальной прочности. Это достигается подбором соответствующего материала для изготовления шатуна и приданием шатуну формы, обеспечивающей ему высокую прочность. Обычно шатуны выполняются из высококачественной стали, а иногда из легкого сплава.

2) Минимальные размеры головок шатуна. Это необходимо для уменьшения их веса. Кроме того, при небольших размерах малой головки облегчается расположение головки между бобышками поршня и соединение ее с поршневым пальцем.

3) Шатун должен иметь плавные переходы как от головок к стержню, так и в самом сечении стержня. Это необходимо для увеличения прочности шатуна, так как при резких переходах возможность разрушения шатуна увеличивается.

4) Шатун должен иметь максимально обтекаемую форму, особенно у высокооборотных двигателей, так как в этом случае уменьшается сопротивление воздуха движению шатуна в картере двигателя.

На рис. 31 показано устройство шатуна двигателя мотоцикла М-72.

Рис. 31. Шатун двигателя мотоцикла М-72: 1 — малая головка; 2 — стержень шатуна; 3 — большая головка; 4 — выемка для выхода масла вверх; 5 — бронзовая втулка.

Шатун отштампован из стали. В его малую головку запрессована бронзовая втулка, через которую проходит поршневой палец. Для подвода масла к втулке в нижней части малой головки шатуна просверлены два отверстия. Стержень шатуна двутаврового сечения. Большая головка шатуна неразъемная и опирается на шатунную шейку через роликовый подшипник. Ролики подшипника соприкасаются непосредственно с внутренней поверхностью большой головки. Поэтому для получения прочного, мало изнашивающегося слоя внутренняя поверхность головки цементирована. Стержень шатуна не цементируется, так как в процессе работы двигателя он воспринимает большие нагрузки. Цементированный же слой стали при этом может дать трещину. На боковой поверхности большой головки выполнена небольшая выемка, которая при сборке шатуна с коленчатым валом должна быть обращена вверх. Эта выемка служит для вытекания масла из шатунного подшипника и интенсивного разбрызгивания масла в верхней части картера.

Шатун двигателя мотоцикла М-72 обладает тем недостатком, что при износе внутренней поверхности большой головки он должен быть заменен. Кроме того, цементация только рабочей поверхности большой головки шатуна усложняет производство шатунов, так как в этом случае перед цементацией необходимо омеднение всей нерабочей его поверхности.

Конструкция шатунов двигателей мотоциклов M1А и ИЖ-350 в основном аналогична конструкции шатуна двигателя мотоцикла М-72.

На рис. 32 показан шатун, выполненный из алюминиевого сплава, с разъемной большой головкой.

Рис. 32. Шатун из алюминиевого сплава.

Нижняя крышка головки — стальная и имеет ребро жесткости и две шпильки, которые проходят через отверстия в верхней половине головки. Крепление нижней половины головки к верхней осуществляется гайками, навертываемыми на шпильки. В большой головке устанавливаются тонкостенные вкладыши.

Разъемной большая головка выполнена потому, что шатунные шейки коленчатого вала имеют щеки, выполненные с ними за одно целое. Монтаж шатунов с неразъемной головкой на таком коленчатом валу невозможен.

На рис. 33 показано устройство сдвоенных вильчатых шатунов двухцилиндрового двигателя.

Рис. 33. Сдвоенный шатун.

Большая головка одного шатуна раздвоена и имеет форму вилки. Для увеличения жесткости обе половины вилки связаны между собой перемычкой. Шатун опирается на шатунный палец коленчатого вала через два роликовых подшипника. Наружными обоймами этих роликовых подшипников являются две стальные термические обработанные втулки, запрессованные в обе половины вилки большой головки. Между половинами вилок шатуна вводится большая головка другого шатуна, имеющая обычную форму. Большая головка второго шатуна также опирается на шатунный палец через роликовый подшипник. Оба шатуна выполнены из стали и имеют стержни двутаврового сечения.

В остальном сдвоенные вильчатые шатуны ничем не отличаются от устройства ранее описанных шатунов.

Большие головки шатунов опираются на шатунные шейки (пальцы) коленчатого вала через подшипники качения (роликовые и игольчатые) или через подшипники скольжения (вкладыши или втулки, покрытые внутри антифрикционным сплавом).

На ряде современных, особенно многоцилиндровых, мотоциклетных двигателей в большой головке шатуна устанавливаются подшипники скольжения. Это вызвано желанием отказаться от составного коленчатого вала, в конструкции которого имеются некоторые недостатки (о чем будет сказано ниже), а также тем, что роликовые подшипники имеют повышенный износ, обусловленный многооборотностью современного мотоциклетного двигателя.

Ролики подшипника большой головки шатуна вследствие центробежной силы, вызываемой вращением кривошипа вокруг оси коленчатого вала, стремятся удалиться от центра вращения и давят на сопряженные с ним детали. При больших числах оборотов коленчатого вала современных мотоциклетных двигателей давление, вызываемое роликами, может достигнуть такой величины, что будет вытеснена пленка масла и наступит быстрый износ роликов и рабочих поверхностей деталей, составляющих роликовый подшипник большой головки шатуна.

Подшипник скольжения этому недостатку не подвержен, но он требует больше смазки и более чувствителен к недостатку масла, чем роликовый подшипник. Поэтому рабочая часть подшипника скольжения покрывается сплавом, способном в некоторой степени аккумулировать в своей поверхности масло. Таким сплавом является свинцовистая бронза, алюминий и др. В некоторых случаях, когда шатун и его нижняя крышка выполняются из алюминиевого сплава, вкладыши не применяются и рабочими поверхностями подшипника служат непосредственно поверхности шатуна и нижней крышки его.

Достоинством роликовых подшипников являются небольшие потери на трение, незначительный износ при нормальных нагрузках, а также неприхотливость к смазке. Смазка должна быть умеренной, так как чрезмерная смазка повышает трение и вызывает перегрев подшипников.

Основными недостатками роликовых подшипников являются большие габариты и невозможность их разъема. Большие габариты подшипников требуют в свою очередь увеличения размеров большой головки шатуна. Невозможность разъема подшипников затрудняет их монтаж на коленчатом валу, что в свою очередь усложняет устройство коленчатого вала.

В некоторых случаях на двухтактных двигателях в качестве шатунных подшипников применяют игольчатые. Игольчатые подшипники дают большие потери на трение, чем обычные роликовые. Это вызвано тем, что игольчатые подшипники имеют радиальный зазор, как у обычного подшипника скольжения. При положении роликов в ненагруженной части подшипника скорость вращения их уменьшается до минимальной. При входе ролика в нагруженную часть подшипника скорость его вращения постепенно доходит до максимальной. Разгон ролика от минимальной до максимальной скорости происходит со скольжением, что и вызывает увеличение потерь на трение.

Роликовые и игольчатые подшипники находят наибольшее применение в больших головках шатуна, так как они хорошо выдерживают ударные нагрузки.

Шариковые подшипники в больших головках шатунов не применяются, так как на подшипник вредно действуют резко меняющиеся по величине и направлению усилия, в результате чего шарик сильно деформируется и, следовательно, подшипник быстро выходит из строя.

 

4. Коленчатый вал

Основное назначение коленчатого вала — преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное, а силы давления газов на поршень в крутящий момент.

Во время работы двигателя на коленчатый вал действуют центробежные силы, а также переменные нагрузки от давления газов и силы инерции. Таким образом, во время работы коленчатый вал подвержен большим нагрузкам постоянного и переменного характера. Переменные, резко меняющиеся нагрузки вызывают изгиб и закручивание коленчатого вала.

Коленчатые валы мотоциклетных двигателей должны отвечать следующим требованиям:

1) Быть прочными, долговечными и достаточно легкими.

2) Изготовляться с большой точностью и из материала, обеспечивающего небольшой износ коренных и шатунных шеек.

3) Снабжаться противовесами для уравновешивания двигателя и загрузки коренных подшипников, чтобы уменьшить действия центробежных сил.

4) Иметь обтекаемую форму для уменьшения потерь на вращение.

Прочность и долговечность коленчатого вала при достаточной легкости достигаются изготовлением его из качественной стали. Форма элементов коленчатого вала и способы их соединения играют здесь большую роль. При легкости коленчатого вала уменьшается общий вес двигателя, а также уменьшается нагрузка на коренные подшипники.

Наличие противовесов на коленчатых валах мотоциклетных двигателей вызвано необходимостью уравновесить центробежные силы вращающихся частей коленчатого вала и силы инерции возвратно-поступательно движущихся частей.

При отсутствии противовеса неуравновешенные силы вращающихся частей, действуя на опоры коленчатого вала, а через них на картер двигателя и на его опоры, вызывают тряску двигателя, расположенного на упругих опорах. Это объясняется тем, что направление действия неуравновешенных центробежных сил постоянно меняется и опоры вала, а через них и опоры двигателя воспринимают нагрузку, переменную по направлению.

Точно так же неуравновешенные силы инерции возвратно-поступательно движущихся частей, действуя в плоскости осей цилиндров, вызывают тряску двигателя. Для уравновешивания этих сил массы противовеса располагают диаметрально противоположно массам шейки, шатунной шейки с шатуном и поршнем. Противовесы уменьшают воздействие центробежных сил и сил инерции на опоры коленчатого вала и таким образом разгружают подшипники.

Все коленчатые валы мотоциклетных двигателей можно разбить на две основные группы: составные и цельные.

Составным называется коленчатый вал, состоящий из отдельных частей, скрепленных между собой. Цельным называется коленчатый вал, выполненный из одного куска металла.

Составные валы делятся в свою очередь на разборные и неразборные. Наиболее распространены неразборные коленчатые валы, состоящие из двух маховиков, соединенных между собой шатунным пальцем. В центре каждого маховика установлены коренные пальцы.

Трудность соблюдения соосности коренных шеек при сборке является основным недостатком большинства составных коленчатых валов. Сборка составных коленчатых валов может быть произведена только при наличии специального приспособления.

Коленчатый вал двигателя мотоцикла М1А (рис. 34) состоит из двух маховиков с противовесами, полого шатунного пальца, двух коренных пальцев и крышек маховиков.

Рис. 34. Коленчатый вал двигателя мотоцикла М1А: 1 — коренной палец; 2 — боковая крышка маховика; 3 — маховик; 4 — шайба; 5 — ролики; б — шатунный палец; 7 — шатун.

Крышки, закрывая боковые углубления в маховиках, увеличивают их обтекаемость.

В маховиках имеются цилиндрические отверстия для шатунного и коренного пальцев.

На коренном и шатунном пальцах выполнены мелкие канавки, которые при запрессовке пальцев в маховик обеспечивают большую прочность посадки. Средняя, утолщенная часть шатунного пальца является беговой дорожкой для роликов шатунного подшипника.

Коленчатый вал двигателя мотоцикла ИЖ-350 (рис. 35) отличается от коленчатого вала двигателя мотоцикла M1А тем, что на его шатунном пальце нет выступающей беговой дорожки для роликов шатунного подшипника и канавок для более прочной посадки в отверстия маховика.

Рис. 35. Коленчатый вал двигателя мотоцикла ИЖ-350.

Более сложные коленчатые валы применяются для двигателей, у которых цилиндры расположены в ряд или один против другого. В качестве примера можно привести устройство коленчатого вала двигателя мотоцикла М-72 (рис. 36).

Рис. 36. Коленчатый вал двигателя мотоцикла М-72.

Этот вал составной, неразборный и состоит из передней щеки с противовесом и передней коренной шейкой; шатунного пальца шатуна левого цилиндра; средней щеки с двумя отверстиями для шатунных пальцев шатунов правого и левого цилиндров; шатунного пальца шатуна правого цилиндра; задней щеки с противовесом и задней коренной шейкой.

В передней коренной шейке имеется шпоночная канавка для крепления шестерни привода распределения. Крепление шестерни осуществляется шайбой, в которую упирается головка крепежного болта, ввертываемого в днище полой коренной шейки. На внешней поверхности шейки имеются три отверстия, в которые ввертываются винты, крепящие на ней маслосборный диск. Маслосборный диск служит для подачи масла в полость шатунного пальца. Шатунный палец представляет собой стальной стакан, своим отверстием направленный в сторону маслосборного диска. Одним концом он запрессован в отверстие передней щеми, а другим концом, имеющим днище, — в отверстие средней щеки. Шатунный палец шатуна правого цилиндра также запрессован в среднюю и заднюю щеки и его торцовое отверстие обращено в сторону заднего маслосборного диска. Задняя коренная шейка имеет конус со шпоночной канавкой для посадки маховика.

Крепление маховика осуществляется болтом, ввертываемым в торец коренного пальца. Головка болта от отвертывания удерживается стопорной шайбой.

 

5. Маховики и противовесы

В процессе работы двигателя маховик периодически (во время рабочего хода) накапливает живую силу, которая используется для поддержания равномерности хода двигателя, для трогания мотоцикла с места и совершения работы по впуску горючей смеси в цилиндры двигателя, сжатию ее и выпуску отработавших газов. Кроме того, живая сила маховика облегчает преодоление давления сжатия при запуске двигателя.

У мотоциклетных двигателей устройство и способы размещения маховиков на коленчатом валу многообразны. По устройству и размещению маховики в основном могут быть сведены к двум типам:

1) маховики, образующие собой щеки коленчатого вала;

2) маховики, вынесенные из картера и закрепленные на конце коленчатого вала.

Наибольшее распространение в мотоциклетных двигателях получили маховики, образующие собой щеки коленчатого вала. В центре маховиков расположены коренные пальцы. На некотором расстоянии от центра в маховиках выполнены отверстия для установки крепления в них шатунного пальца, связывающего оба маховика. При таком выполнении коленчатого вала маховики располагаются в картере двигателя, вследствие чего уменьшается внутренняя полость картера. Поэтому в данном случае увеличиваются габариты картера, так как маховики обладают значительным весом, а следовательно, и объемом для поддержания равномерности хода двигателя.

Примером маховика, расположенного вне картера и закрепленного на конце коленчатого вала, может служить маховик двигателя мотоцикла М-72. Маховик этого двигателя вынесен из картера двигателя и закреплен на заднем конце коленчатого вала путем посадки на конус со шпонкой и гайкой.

 

6. Картеры

Картер мотоциклетного двигателя служит опорой для основных деталей двигателя, а также для размещения масла. Внутренние детали двигателя защищаются стенками картера от действия внешней среды и от загрязнения. Для уменьшения веса картеры выполняются из алюминиевого сплава.

Картеры разделяются на сухие и мокрые. Сухими называются такие картеры, в которых находится минимальное количество масла, а весь запас масла хранится в масляном баке. Мокрыми называются картеры, в которых постоянно находится весь запас масла, необходимого для смазки двигателя.

Наибольшее преимущество имеют сухие картеры. Это объясняется следующим:

— масло находится в баке и непродолжительное время соприкасается с горячими стенками картера; следовательно, к трущимся поверхностям подается достаточно вязкое масло:

— масло непродолжительное время соприкасается с горячим воздухом в картере двигателя и поэтому мало окисляется; срок службы масла увеличивается, так как его качества сохраняются дольше.

По устройству картеры делятся на разъемные и неразъемные. Плоскость разъема картера обычно расположена перпендикулярно оси коленчатого вала.

К числу разъемных картеров относятся картеры двигателей мотоциклов M1А, ИЖ-350 и др.

На рис. 37 представлен картер двигателя мотоцикла М1А.

Рис. 37. Картер двигателя мотоцикла M1А: 1 — правая половина картера; 2 — левая половина картера; 3 — отсек коленчатого вала; 4 — отсек коробки передач; 5 — продувочные окна; 6 — пробка с контрольным стержнем для проверки уровня масла; 7 — шпилька для крепления цилиндра; 8 — отверстия для болтов крепления двигателя на раме.

Картер выполнен вместе с картером коробки передачи из алюминиевого сплава. В правой и левой половинах картера имеются гнезда для подшипников коленчатого вала и плоскость для установки цилиндра. Обе половины картера стягиваются болтами.

В отличие от картера двигателя мотоцикла М1А, картер двигателя мотоцикла М-72 (рис. 38) выполнен в одной отливке.

Рис. 38. Картер двигателя мотоцикла М-72: 1 — картер; 2 — крышка распределительных шестерен; 3 — передняя крышка; 4 — отверстие для шестерни привода масляного насоса; 5 — клапанная коробка; 6 — маслоналивная горловина; 7 — площадка для фланца цилиндра.

На передней стенке картера имеются гнезда для подшипников коленчатого вала и кулачкового валика и окно для ввода конца вала генератора с шестерней. На передней стенке картера выполнена также коробка распределения, в которой размещаются шестерни коленчатого вала, кулачкового валика и генератора. Коробка закрывается крышкой, на внешней стенке которой расположен прерыватель-распределитель, закрытый кожухом. Между бортами коробки и крышки установлена уплотняющая прокладка. Снизу картер закрывается поддоном, в котором имеется пробка для слива масла из картера. На левой стороне картера расположена плоскость крепления левого цилиндра и горловина для заливки масла в картер. С правой стороны картера также имеется плоскость для крепления правого цилиндра. В задней части картера имеется окно, через которое монтируется коленчатый вал с шатунами. Это окно закрывается фланцем, в центре которого расположено гнездо для заднего коренного подшипника. Картер крепится к раме двумя анкерными болтами, проходящими через отверстия в его нижней части.

 

Глава V

ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ

 

1. Процесс газораспределения

Газораспределением мотоциклетного двигателя называется периодическое действие впускных и выпускных органов, обеспечивающих наполнение цилиндров горючей смесью и удаление из них отработавших газов.

При рассмотрении рабочего процесса, происходящего в цилиндре двигателя, было выяснено, что для обеспечения максимального наполнения цилиндров горючей смесью и наилучшего освобождения цилиндров от отработавших газов, а следовательно, получения максимальной мощности впуск в цилиндры горючей смеси и выпуск отработавших газов должны быть строго согласованы (для каждого данного момента) с положением поршня в цилиндре двигателя.

Наполнение цилиндра горючей смесью и освобождение его от отработавших газов зависят не только от сопротивления каналов, по которым выходят из цилиндра газы и поступает в него свежая горючая смесь, но и от времени, отведенного на впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов, и от момента начала и конца впуска и выпуска.

Период действия системы впуска и выпуска за один рабочий цикл, выраженный в градусах угла поворота коленчатого вала относительно мертвых точек, носит название фазы газораспределения.

В качестве примера можно привести фазы газораспределения двигателя мотоцикла М-72.

Начало впуска — 76° до ВМТ.

Конец впуска — 92° после НМТ.

Период впуска — 348°.

Начало выпуска — 116° до НМТ.

Конец выпуска — 52° после ВМТ.

Период выпуска — 348°.

Перекрытие клапанов — 128°.

 

2. Классификация газораспределения

Газораспределение мотоциклетных двигателей можно разбить в основном на две группы: клапанное и щелевое.

Клапанным называется такое газораспределение, при котором открытие и закрытие впускных и выпускных отверстий цилиндра двигателя осуществляется клапанами. Клапанное распределение наиболее распространено для четырехтактных мотоциклетных двигателей, так как оно отличается простотой изготовления и надежностью работы.

Щелевым называется такое газораспределение, при котором открытие и закрытие впускных и выпускных отверстий производится поршнями, движущимися в цилиндре двигателя. Впускные и выпускные отверстия носят название щелей или окон. Щелевое распределение также отличается простотой устройства. Щели (окна) и каналы служат для прохода горючей смеси из карбюратора, подачи ее в цилиндр двигателя и выпуска из цилиндра отработавших газов.

Основными недостатками щелевого газораспределения является неудобство смазки кривошипного механизма и недостаточное наполнение цилиндров горючей смесью.

Неудобство смазки заключается в том, что картер, в котором размещен кривошипный механизм, служит для предварительного сжатия в нем горючей смеси, поступающей затем в цилиндр двигателя. Поэтому наличие в картере запаса масла невозможно.

Недостаточное наполнение цилиндров горючей смесью происходит потому, что выталкивание отработавших газов из цилиндра осуществляется предварительно сжатой горючей смесью. При этом происходит смешение горючей смеси с отработавшими газами. Кроме того, часть хода поршня у нижней мертвой точки тратится на закрытие окон и поэтому некоторая часть объема цилиндра не используется.

 

3. Клапанное газораспределение четырехтактного двигателя

Во время работы четырехтактного двигателя впуск горючей смеси в цилиндр двигателя обеспечивается открытием впускного клапана, сообщающего рабочую полость цилиндра с карбюратором. По окончании впуска, который заканчивается обычно после нижней мертвой точки, начинается сжатие рабочей смеси в цилиндре двигателя. При этом оба клапана — как впускной, так и выпускной — должны быть полностью закрыты. Клапаны должны быть закрыты и после того, как поршень достигнет верхней мертвой точки, начнется такт расширения и поршень пойдет к нижней мертвой точке.

При подходе поршня к нижней мертвой точке открывается выпускной клапан и начинается выпуск отработавших газов из цилиндра. Поршень при своем дальнейшем перемещении от нижней мертвой точки к верхней будет выталкивать отработавшие газы во внешнюю среду. Когда поршень подойдет к верхней мертвой точке, выпускной клапан закроется и вновь начнет открываться впускной клапан.

Таким образом, впускной и выпускной клапаны должны быть открыты во время соответствующего такта. Поскольку такты четырехтактного двигателя повторяются через два оборота коленчатого вала, то и клапаны открываются один раз за два оборота коленчатого вала. Открытие и закрытие клапанов должны соответствовать определенным положениям поршня в цилиндре согласно фазам, принятым для данного двигателя.

Клапаны открываются при помощи толкателей, и закрываются пружинами, которые, действуя на стержень клапана, прижимают клапан к гнезду.

Клапанное газораспределение мотоциклетных двигателей разделяется по расположению кулачков на нижнее и верхнее. Кроме того, по расположению клапанов различается газораспределение с боковым, или нижним, расположением клапанов и газораспределение с подвесными клапанами, или верхним расположением клапанов.

Нижним называется такое газораспределение, при котором кулачки расположены в коробке газораспределения, находящейся сбоку картера двигателя и часто выполненной за одно целое с картером. Обычно привод к кулачкам осуществляется шестернями непосредственно от коленчатого вала. Нижнее газораспределение может быть выполнено как с боковым (нижним) расположением клапанов, так и с подвесными клапанами (верхним расположением клапанов).

Боковыми (или нижними) называются клапаны, расположенные сбоку цилиндра и направленные своими тарелками в сторону головки цилиндра.

На рис. 39 показано нижнее газораспределение с боковыми (или нижними) клапанами.

Рис. 39. Нижнее газораспределение с боковым расположением клапанов.

На конце коленчатого вала двигателя расположена ведущая шестерня газораспределения, которая входит в зацепление с двумя ведомыми шестернями. Ведомые шестерни жестко сидят на валиках, на которых выполнены кулачки. Над каждым кулачком расположен толкатель, нижним концом упирающийся в кулачок. Над толкателями расположены клапаны. Стержни клапанов, ходят в направляющих втулках. Нижние концы стержней связаны с помощью замков через тарелку клапана с пружиной. Верхний конец пружины опирается через опорную шайбу на тело цилиндра.

Нижнее газораспределение с боковыми (нижними) клапанами отличается простотой устройства. Кроме того, поступательно-движущиеся детали распределения (толкатель и клапан) имеют небольшой вес и поэтому допускают работу двигателя на больших оборотах.

Недостатком нижнего газораспределения с боковыми клапанами является недостаточное наполнение цилиндра двигателя горючей смесью, так как горючая смесь, перетекая из-под тарелки клапана в цилиндр, резко меняет направление своего движения.

Подвесными (или верхними) называются клапаны, расположенные в головке цилиндра и направленные своими тарелками в сторону поршня.

На рис. 40 представлено нижнее газораспределение с подвесными (верхними) клапанами.

Рис. 40. Нижнее газораспределение с подвесными клапанами.

В этом случае усилие от кулачков к клапанам передается через толкатели, штанги и коромысла. Валики коромысел вращаются в подшипниках, расположенных на головке цилиндра. Газораспределение с подвесными клапанами обеспечивает наилучшее наполнение цилиндров двигателя горючей смесью, так как горючая смесь, перетекая сверху из-под тарелки клапана в цилиндр, не меняет своего направления. Детали такого механизма газораспределения достаточно просты в производстве.

Недостатком газораспределения с подвесными клапанами является большой вес возвратно-поступательно движущихся деталей газораспределения, в котором основную величину составляет вес штанги. Эти детали обладают большой массой. Для уменьшения массы возвратно-поступательно движущихся деталей иногда в нижнем газораспределении применяют высоко, расположенные кулачки (рис. 41).

Рис. 41. Нижнее газораспределение с высоко расположенными кулачками и подвесными клапанами.

В этом случае усилие к кулачкам от коленчатого вала передается через систему шестерен. Следовательно, длина и масса штанги значительно уменьшаются.

Для того, чтобы свести к минимуму массу возвратно-поступательно движущихся деталей газораспределения и обеспечить хорошее наполнение цилиндра двигателя горючей смесью, применяют верхнее газораспределение.

Верхним называется такое газораспределение, при котором кулачки расположены над головкой цилиндра и воздействуют на клапаны через коромысла или (в редких случаях) непосредственно.

На рис. 42 показано верхнее газораспределение.

Рис. 42. Верхнее газораспределение.

Привод к клапанам осуществляется от коленчатого вала через нижнюю пару конических шестерен, вертикальный валик, верхнюю пару конических шестерен, кулачковый валик и коромысла.

Клапаны. Клапаны служат для открытия и закрытия впускных и выпускных окон цилиндра. Они являются наиболее ответственными деталями двигателя, так как условия их работы, особенно выпускного клапана, чрезвычайно тяжелы.

Во время сгорания рабочей смеси в цилиндре тарелки клапанов соприкасаются с горячими газами, температура которых доходит до 2000–2200 °C. Кроме того, выпускной клапан во время выпуска омывается отработавшими газами, средняя температура которых колеблется от 1000 до 1100 °C. Впускной клапан работает в более легких условиях, так как в период заполнения цилиндров он омывается холодной горючей смесью, которая отнимает от клапана значительное количество тепла, и температура впускных клапанов редко достигает 350–400 °C.

Кроме высоких тепловых нагрузок, клапаны подвержены значительным механическим нагрузкам от пружин, обеспечивающих плотную посадку клапана в гнездо, и от сил инерции.

В связи с тяжелыми условиями работы клапанов мотоциклетных двигателей к ним предъявляются следующие требования:

1) Высокая механическая прочность, сохраняемая при многократном нагреве (до 900 °C) и охлаждении.

2) Высокая противокоррозийная при высокой температуре в присутствии продуктов сгорания.

3) Большая жесткость клапана и его седла, обеспечивающая постоянную плотную посадку.

4) Отсутствие коробления клапана при перегревах.

5) Хороший отвод тепла от клапана.

Клапаны могут быть с плоской тарелкой и тюльпанообразные.

Клапаны с плоской тарелкой имеют головку плоской или несколько выпуклой формы (рис. 43, а).

Рис. 43. Клапаны: а — с плоской тарелкой; б — тюльпанообразный.

На боковой части тарелки выполнена. рабочая фаска обычно под углом 45°. Тарелка клапана имеет плавный переход к стержню. На конце стержня выполняется кольцевая выточка, которая служит для установки в нее замка, соединяющего клапан с пружиной. В центре тарелки клапана иногда выфрезеровывают паз для лезвия отвертки, при помощи которой осуществляется притирка рабочей фаски клапана к гнезду.

Торец стержня клапана, как правило, выполняется плоским, так как он обычно опирается на плоскую головку толкателя, ось которого параллельна оси клапана. Это обеспечивает полное соприкосновение обеих плоскостей и меньший их износ. В тех случаях, когда оси клапана и толкателя не параллельны, торец стебля клапана имеет сферическую форму. Так выполнен торец стержня клапана двигателя мотоцикла М-72. Сферическая форма торца обеспечивает касание клапана и толкателя в точке, расположенной близко к центру стержня, что уменьшает возможность перекоса клапана в направляющих втулках.

При клапанах с плоской тарелкой наблюдается недостаточно высокое наполнение цилиндров двигателя горючей смесью, так как вследствие недостаточно плавного перехода от стержня к тарелке под тарелкой создается завихрение, тормозящее поступление горючей смеси в цилиндр двигателя.

У некоторых двигателей применяются тюльпанообразные клапаны (рис. 43, б). Эти клапаны имеют более плавный переход от стержня к головке, что улучшает наполнение цилиндров горючей смесью. Но эти клапаны более применимы как впускные, так как при установке их на выпуск в углублении клапана создается завихрение продуктов сгорания, что в известной степени тормозит выход отработавших газов из цилиндра.

Тюльпанообразные клапаны обладают большой поверхностью соприкосновения с горячими газами, в результате чего температура тюльпанообразных клапанов несколько выше, чем у клапанов с плоской тарелкой.

Вследствие высоких тепловых и механических нагрузок клапаны подвержены серьезным дефектам, из которых наиболее часто наблюдается прогар фаски тарелки клапана и отрыв ее от стержня.

Прогар фаски клапана происходит в том случае, когда нарушается плотность посадки клапана. Нарушение плотности посадки может быть вызвано короблением тарелки клапанов, перекосом клапана, попаданием между фаской клапана и седлом каких-либо механических частиц (нагара, частиц металла и т. д.). В случае неплотной посадки раскаленные газы во время сгорания рабочей смеси в цилиндре с большой скоростью прорываются через неплотность между фаской и клапаном и выплавляют из седла и фаски частицы металла. В последующем прогар клапана резко увеличивается, так как проход для газов все более и более расширяется.

Замки клапанов служат для закрепления опорной шайбы клапанной пружины на стержне клапана. Они обычно состоят из двух половин, которые образуют конус с цилиндрическим сверлением в центре. Замок входит в коническое отверстие опорной шайбы, охватывая своей цилиндрической частью выточку, имеющуюся на стержне клапана.

Опорные шайбы (рис. 44) клапанных пружин служат для соединения клапанов с клапанными пружинами и представляют собой диск с коническим отверстием для замка посредине.

Рис. 44. Опорная шайба клапана: 1 — стержень клапана; 2 — опорная шайба; 3 — замок.

Чтобы пружина клапана располагалась симметрично относительно оси стержня клапана, на шайбе имеется центрующая выточка. Если на шайбу опираются две концентрично установленные пружины, для каждой из них сделана центрующая выточка.

Пружины служат для плотной посадки клапана в седло. Одним концом пружины опираются на опорную шайбу клапана, а другим — на тело цилиндра или его головки.

По своей форме пружины делятся на цилиндрические, конические и шпильчатые.

Наиболее распространены цилиндрические пружины.

Это обусловлено простотой их изготовления и достаточно надежной работой. При боковом расположении клапанов на каждом клапане устанавливается по одной пружине. В подвесных же клапанах обычно устанавливаются концентрично две пружины (рис. 45), причем обе навиты в разные стороны.

Рис. 45. Пружины подвесных клапанов: а — цилиндрическая; б — коническая, в — шпильчатые.

В случае поломки одной из пружин вторая будет продолжать работать, хотя и с большой перегрузкой. При этом витки поломанной пружины не смогут попасть между витками работающей пружины, так как они имеют разностороннюю навивку. Кроме того, две пружины, установленные на одном клапане, обладают меньшей высотой, чем одна пружина, при соответствующей упругости и высоте подъема клапана.

Иногда пружины выполняют с разным шагом навивки. Это делается с целью уменьшения вибрации пружин, так как каждый виток пружины имеет разную частоту собственных колебаний и поэтому попадание такой пружины в резонанс невозможно.

В тех случаях, когда пружины должны быть большой длины и с малым диаметром витков, применяют обычно конические пружины. Конические пружины обладают тем достоинством, что они при большой длине не выгибаются в сторону, как цилиндрические пружины, и не перекашивают при этом стержень клапана в его направляющей втулке.

При подвесных клапанах иногда применяются шпильчатые пружины (по две на каждый клапан). Эти пружины не подвержены резонансовым колебаниям и имеют небольшую высоту. Недостаток этих пружин заключается в том, что при поломке одной пружины вторая будет нагружать стержень клапана эксцентрично.

Толкатели мотоциклетных двигателей можно разделить в основном на следующие группы: тарельчатые, плоские, роликовые.

Тарельчатые толкатели (рис. 46, а) являются наиболее распространенными, так как они просты по устройству и долговечны.

Рис. 46. Толкатели мотоциклетных двигателей: а — тарельчатые; б — плоские; в — роликовые; 1 — толкатель; 2 — регулировочный болт; 3 — контргайка; 4 — тарелка толкателя; 5 — ролик; 6 — втулка; 7 — ось ролика.

Эти толкатели представляют собой цилиндрический стержень, на одном конце которого выполнена плоская тарелка, опирающаяся на кулачок. Для уменьшения износа тарелки ось толкателя смещена в сторону от оси симметрии кулачка. На другом конце стержня толкателя имеется резьба (наружная или внутренняя) для регулировочного винта или регулировочной головки.

Тарельчатые толкатели обладают тем недостатком, что для размещения их требуется много места. Это, естественно, несколько увеличивает габариты привода газораспределения. Поэтому в тех случаях, когда место для размещения головок толкателей ограничено, применяют плоские толкатели.

Плоские толкатели применяются в двигателе мотоцикла М-72 (рис. 46, 6). На конце стержня толкателя, обращенном в сторону кулачкового валика, имеется головка прямоугольного сечения. Выступающие в стороны грани головки ходят в направляющих пазах втулки толкателя, что не позволяет толкателю поворачиваться вокруг своей оси. Ширина поверхности головки соответствует ширине рабочей поверхности кулачка.

Такая форма толкателя в данном случае принята потому, что кулачки очень близко размещены друг от друга и установить тарельчатые толкатели невозможно.

Роликовые толкатели (рис. 46, в) имеют преимущество перед тарельчатыми и плоскими толкателями, так как по сравнению с ними они имеют меньшие потери на трение и износ; кроме того, в сравнении с тарельчатыми толкателями они имеют меньший габарит. Недостатком роликовых толкателей является больший вес, чем других толкателей.

Роликовый толкатель состоит из стержня толкателя, в нижней части которого выполнена вилка с отверстием для установки ролика. Ролик опирается на ось плавающей стальной втулки, сидящей свободно на оси и входящей в отверстие ролика. Плавающая втулка, вращаясь между роликом и осью, уменьшает их износ, так как скорость вращения ролика относительно оси значительно уменьшается. В верхней части стержня ввертывается регулировочный болт, на котором имеется контргайка, закрепляющая болт в необходимом положении. С одной стороны контргайки сделана сквозная прорезь. Нижняя часть контргайки выполнена в виде конуса. Такие контргайки при затягивании входят конической своей частью в коническое углубление в толкателе. При этом происходит обжатие контргайки и она плотнее обхватывает резьбу болта. При применении таких контргаек уменьшается возможность самопроизвольного изменения регулировки зазора между клапаном и толкателем.

Кулачки служат для плавного и быстрого подъема и посадки клапанов в гнезда. Быстрые подъем и посадка клапанов дают возможность увеличить наполнение цилиндров двигателя горючей смесью, так как при медленном подъеме клапанов проходное сечение их возрастает медленно, что в свою очередь тормозит поступление в цилиндры горючей смеси. При плавном подъеме и посадке клапанов уменьшаются силы инерции клапана, поэтому подъем и посадка не сопровождаются стуками клапана о гнездо и головку толкателя.

Большую роль в работу механизма газораспределения играет форма кулачков. Форма и высота кулачков подбираются таким образом, чтобы обеспечивалось максимальное наполнение цилиндров двигателя горючей смесью.

При работе двигателя кулачок воздействует на толкатель, между кулачком и головкой толкателя возникает трение, что в свою очередь вызывает перекос толкателя в его направляющей, а также износ кулачка у головки толкателя. Для уменьшения вредного действия сил трения на износ деталей механизма распределения в мотоциклетных двигателях применяются следующие меры:

— ось толкателя смещается относительно оси симметрии кулачка;

— ось толкателя располагается под углом к оси клапана;

— между кулачком и толкателем устанавливается промежуточный рычаг.

Смещение оси толкателя относительно оси симметрии кулачка применяется при тарельчатых толкателях. Кулачок, выполненный за одно целое с шестерней привода, воздействует на тарельчатый толкатель, ось которого смещена влево от оси симметрии кулачка. При этом кулачок опирается большей частью своей поверхности на правую половину тарелки толкателя. Во время работы двигателя усилие, возникающее на правой половине тарелки, будет больше, чем на левой, и толкатель во время каждого подъема будет поворачиваться на некоторый угол. Таким образом, следующий удар кулачка придется на новый участок поверхности тарелки толкателя, и поэтому износ тарелки будет равномерным по всей поверхности.

Расположение оси толкателя под углом к оси клапана применяется на двигателе мотоцикла М-72. Ось клапана и ось толкателя расположены под некоторым тупым углом, и касание торца клапана приходится несколько выше центра головки регулировочного винта толкателя. Во время работы двигателя распределительный валик вращается против хода часовой стрелки. Кулачок набегает на толкатель снизу, и за счет трения между кулачком и толкателем последний перекашивается в направляющей втулке. Но по мере перемещения толкателя и клапана между их торцами также возникает усилие, которое стремится опрокинуть толкатель в направлении, противоположном действию усилий на толкатель от кулачка, поэтому перекос толкателя в его направляющей сводится к минимуму.

При установке между кулачком и толкателем промежуточного рычага кулачок скользит по выступу промежуточного рычага и поднимает клапан.

Поверхность промежуточного рычага подбирается такой, чтобы толкатель не испытывал при подъеме боковых усилий. Поверхность головки толкателя выполняется сферической.

 

4. Газораспределение двухтактных двигателей

Применяемое у двухтактных мотоциклетных двигателей щелевое распределение может быть разделено по способу продувки цилиндров свежей горючей смесью на три основные группы: с поперечной продувкой цилиндров, с петлевой продувкой и с прямоточной продувкой цилиндров.

Щелевым распределением с поперечной продувкой цилиндров называется такое распределение, при котором выталкивание отработавших газов из цилиндра свежей горючей смесью осуществляется в основном поперек цилиндра, причем для лучшей очистки цилиндра и лучшего наполнения его поток свежей горючей смеси на своем пути сначала поднимается к. головке цилиндра, а затем опускается к выпускному окну.

На рис. 47, а представлена простейшая схема щелевого распределения с петлевой продувкой цилиндров, применяемая у двигателя мотоцикла К1Б.