>>> Перейти на мобильный размер сайта >>>

Учебное пособие

Гоночные мотоциклы

       

20. Кривошипно-шатунный механизм

Цилиндры и головки цилиндров гоночных двигателей отливаются из алюминиевых сплавов, обладающих высокой теплопроводностью и малой массой. При воздушном охлаждении цилиндр и головку снабжают весьма развитой ребристой поверхностью.

В качестве рабочей поверхности для поршня служит чугунная или стальная гильза, запрессованная в цилиндр; иногда гильзу вставляют в форму при отливке алюминиевого цилиндра. На некоторых двигателях успешно применяют цилиндры из алюминиевого сплава с хромированной рабочей поверхностью (без гильзы). Такое устройство благоприятствует отводу тепла.

Например, рабочая поверхность алюминиевых цилиндров серийных гоночных двигателей «Ямаха» покрыта твердым хромом, слой которого имеет толщину 0,5—0,8 мм. В результате специальной обработки хромированное покрытие приобретает матовую поверхность, лучше удерживающую слой смазки.

В последнее время применяют покрытие алюминиевых цилиндров никазилом, состоящим из карбида кремния и никеля. Износостойкость такого покрытия в десять раз больше по сравнению с хромом.

В головку цилиндра четырехтактного двигателя запрессовывают клапанные седла. Перед запрессовкой головку нагревают до 200 °С, а седла подвергают сильному охлаждению в твердой углекислоте для получения плотной посадки. Клапанные седла изготовляют из хромоникелевого чугуна или стали; хороший результат дает применение для седел выпускных клапанов алюминиевой бронзы, так как последняя имеет наряду с высокой теплопроводностью большой коэффициент расширения.

Кривошипно-шатунный механизм выдерживает высокие нагрузки как от давления газов (для гоночных двигателей до 10 000 кПа), так и от сил инерции. Для уменьшения сил ннерции поступательно-движущихся частей и связанных с ними потерь на трение стремятся к облегчению шатунов и поршней. Поршни двигателей с наддувом имеют более толстое днище и массивные боковые стенки по условиям прочности и главным образом для быстрого отвода тепла; через поршень непрерывно движется интенсивный поток тепла по направлению к стенкам цилиндра, поршневому пальцу и шатуну.

Увеличенной толщиной днища во избежание его прогорания отличаются и поршни двухтактных двигателей (рис. 73) вследствие их тяжелого температурного режима работы. В зависимости от принятого расположения газораспределительных окон на юбке поршня предусматриваются соответствующие вырезы или отверстия.

Рис. 73. Поршень двухтактного двигателя ЕМС класса 125 см3

Поршни отливают или штампуют из высококачественных алюминиевых сплавов, сохраняющих необходимые механические свойства при высоких температурах и обладающих низким коэффициентом расширения. Для изготовления поршней часто используют алюминиевые сплавы с высоким содержанием кремния (22—25 %).

В большинстве случаев на поршне четырехтактного двигателя устанавливают одно-два компрессионных и одно маслосъемное поршневые кольца (рис. 74). Высота поршневых колец обычно 1,5—2 мм даже для цилиндров большого диаметра.

Рис. 74. Поршень четырехтактного мотоциклетного двигателя BSA типа «Голд Стар»

На поршнях двухтактных двигателей монтируют одно-два компрессионных кольца небольшой высоты. Поршень двигателя MZ класса 125 см3 имел только одно стальное компрессионное кольцо высотой 1,25 мм, покрытое твердым хромом. Поршневое кольцо даже в большей степени необходимо для отвода тепла от головки поршня, чем для уплотнения зазора. На поршнях двигателей «Ямаха» применяли по одному стальному кольцу высотой 0,6 мм. Удельное давление кольца на цилиндр составляло 250 кПа. Кольца имели покрытия из тефлона, что способствовало равномерности их прилегания к цилиндрам.

При высоких частотах вращения поршневые кольца иногда могут вибрировать, что сопровождается прорывом газов и часто поломкой колец(*)

Фактором, ограничивающим надежность поршневых колец, является максимальное ускорение поршня, поскольку оно определяет инерционные нагрузки. Ориентировочные предельные значения этого фактора составляют:

На гоночных двигателях всех типов нередко устанавливают компрессионные поршневые кольца углового сечения (кольца Дайк), показанные на рис. 75. Направляет кольцо горизонтальная часть профиля, которая входит в канавку поршня с меньшим зазором, чем вертикальная часть. Вследствие этого за вертикальную часть профиля проникают газы. Разжимая кольцо, они способствуют перекрытию зазора между поршнем и цилиндром.

Рис. 75. Поршень четырехтактного двигателя «Нортон» с одним компрессионным кольцом углового сечения и одним маслосъемным кольцом

Шатуны и детали коленчатого вала изготовляют из особо прочных легированных сталей с соответствующей термической обработкой. Изредка применяют шатуны из специальных алюминиевых сплавов; высокий коэффициент расширения таких сплавов затрудняет получение надежной посадки стального цементированного кольца в ниж-шою головку для шатунного роликового подшипника. Для изготовления шатунов применяли также сплавы титана. В некоторых случаях использование этого материала давало уменьшение массы возвратно-движущихся деталей, таких, как шатуны, клапаны и коромысла, достигавшие 44 %.

Шатуны двухтактных двигателей отличаются более легкой конструкцией, так как они испытывают меньшие нагрузки от давления газов; кроме того, их меньшая ширина обусловлена необходимостью выполнить кривошип по возможности компактным для повышения степени сжатия смеси в картере.

Коленчатый вал обычно представляет собой сборную конструкцию, состоящую из шеек и щек (внутренних маховиков). Для соединения этих деталей применяются прессовые посадки, а на четырехтактных двигателях иногда торцовые шлицы (см. рис. 38).

Коленчатый вал должен иметь по возможности гладкую поверхность и простую форму, чтобы не создавать больших потерь при перемешивании воздуха в картере. С этой целью боковые поверхности маховиков, где имеются гайки и выступы противовесов, иногда закрывают легкими крышками; у четырехтактных двигателей зазор между движущимися частями и стенками картера не должен быть очень малым. Мощность одного малолитражного гоночного двигателя для автомобиля после установки противовесов на коленчатом валу уменьшилась на 3,7 кВт только из-за увеличения вентиляционных потерь в картере.

Наряду с прочностью основное требование, предъявляемое к коленчатому валу, заключается в том, чтобы он работал с минимальными деформациями. Во время сборки все подшипники подвергаются тщательной пригонке и предварительной приработке, а затем проверяется легкость вращения коленчатого вала. Малое сопротивление при поворачивании от руки еще не гарантирует минимума потерь в работе двигателя, если вал недостаточно жесткий, так как под большой нагрузкой он будет прогибаться и вызовет дополнительную затрату мощности на преодоление трения в подшипниках. Для уменьшения прогиба коленчатого вала ведущую коренную шейку снабжают иногда двумя подшипниками, расположенными по обе стороны ведущей звездочки.

Подшипник нижней головки шатуна является одной из самых напряженных деталей двигателя. Способность этого подшипника длительное время выдерживать большие усилия и скорость вращения имеет решающее значение для надежности мотоцикла в условиях гонки. На многих гоночных двигателях для нижней головки шатуна употребляют роликовые подшипники. Ролики работают непосредственно по цементированной и закаленной шейке коленчатого вала и по цементированному шатуну; иногда в шатун запрессовывают сменную обойму. Ролики расположены в один, два или три ряда и разделены между собой дюралевым или стальным сепаратором для уменьшения трения.

Обязательным условием надежной работы подшипника при высокой частоте вращения является боковое направление роликов соответствующими буртиками, сепараторами или особыми шайбами во избежание перекашивания роликов. Отношение длины ролика к его диаметру обычно не превышает 3 и даже 2.

На некоторых двигателях («Ява», С2-125, «Мак-Кёллок») успешно применяли удлиненные ролики с отношением длины к диаметру 4—6. Направление роликов обеспечивается по образующим с помощью сепараторов. В верхних головках шатунов нередко встречаются игольчатые подшипники.

Качение роликов нижней головки шатуна в известной мере сопровождается их скольжением по поверхности шейки, что связано с выделением тепла. Повышением скорости качения и скольжения роликов ограничена возможность увеличения жесткости и прочности коленчатого вала за счет применения шатунных шеек большого диаметра. По-видимому, по этой причине иногда наблюдаются поломки коленчатых валов даже на известных гоночных мотоциклах серийного типа.

На двухтактных двигателях часто ограничивают боковые перемещения шатуна зазорами по бокам его верхней, а не нижней головки. Это имеет целью освободить нижнюю головку от трения на боковых поверхностях и дополнительного нагрева, поскольку не представляется возможным обеспечить охлаждение подводом больших количеств масла. Устройство шатунных подшипников характеризуется данными, приведенными в табл. 25.

Таблица 25.
Конструктивные данные шатунных подшипников двигателей гоночных мотоциклов

Требование жесткости предъявляется и к картеру гоночного двигателя, воспринимающему большие нагрузки. Некоторые фирмы отливают картер с многочисленными мелкими наружными охлаждающими ребрами, которые одновременно повышают и жесткость картера.

Эффективная работа двухтактного двигателя в большой степени зависит от сальников коленчатого вала, герметизирующих кривошипную камеру; хорошим материалом для их изготовления является тефлон — эластичная пластмасса с низким коэффициентом трения, выдерживающая высокую температуру.

На двигателях «Ямаха» устанавливаются резиновые сальниковые манжеты с облицовкой из тефлона на уплотняющей кромке. Между цилиндрами на средней шейке применяется лабиринтовый сальник, работающий без трения и износа.

Наличие достаточного зазора между трущимися деталями имеет весьма существенное значение для двигателей, эксплуатируемых в условиях гонок. Вследствие увеличенного выделения тепла зазор в основных сопряжениях деталей, несущих большую тепловую нагрузку, должен быть увеличен на 25—50 % по сравнению с зазорами, применяемыми в обычных условиях эксплуатации; в противном случае увеличение потерь на трение повлечет за собой снижение мощности двигателя на высоких частотах вращения. Зазоры между деталями стандартных двигателей рассчитаны из соображений бесшумности работы и максимальной долговечности. Даже после длительной обкатки зазоры не увеличиваются в той мере, которая обеспечивает максимальную мощность и надежность при длительных форсированных режимах работы. Поэтому рекомендуется заранее обеспечить увеличенные зазоры, применяя соответствующие детали.

Наиболее важную роль играет зазор между поршнем и цилиндром. Недостаточный зазор между этими деталями ведет к заметному снижению мощности и может повлечь за собой заедание на высоких частотах вращения.

В зависимости от конструкции, размеров и материала деталей, а также от типа двигателя и условий его эксплуатации размер необходимых рабочих зазоров может изменяться в широких пределах. Например, для двухтактного гоночного двигателя «Бультако» класса 125 см3 (диаметр цилиндра 51,5 мм) рекомендуется рабочий зазор между юбкой поршня и цилиндром от 0,03 до 0,05 мм в зависимости от способа изготовления поршня и применяемого сплава.

Этот зазор в двухтактных двигателях подчинен противоречивым требованиям. С одной стороны, он должен быть минимальным во избежание перетечек газа между окнами, не предусмотренных рабочим процессом, а с другой — большая тепловая нагрузка требует увеличения зазора. При увеличении зазора мощность двигателя заметно снижается, особенно при средних нагрузках. Выбор оптимального зазора требует большей точности, чем у четырехтактного двигателя, и не освобождает двухтактные двигатели от довольно часто встречающихся у них прихватов (заедания поршня) при случайном обеднении смеси, например при засорениях системы топлнвоподачн или в последние моменты перед полным израсходованием топлива в баке; внезапные прихваты могут быть причиной внутренних повреждений двигателя и падения гонщика. Применяемые значения рассматриваемого зазора приведены в табл. 26. Четырехтактные двигатели успешно эксплуатировались в гонках с минимальным зазором между поршнем и цилиндром 0,1—0,2 мм (при диаметрах цилиндров 50—90 мм).

Таблица 26.
Рабочий зазор между юбкой поршня и цилиндром (двухтактные двигатели)

Для гоночного четырехтактного двигателя зазор между направляющей втулкой и выпускным клапаном должен заключаться в пределах 0,115—0,152 мм. Зазор между поршневым пальцем и втулкой шатуна у гоночных двигателей достигает 0,075 мм, в то время как для нормального дорожного двигателя достаточен зазор 0,025 мм. При подборе правильного зазора между поршневым пальцем и втулкой шатуна следует иметь в виду, что если втулка была обработана разверткой, то после непродолжительной работы зазор увеличится на 0,01 мм.

В нижней головке шатуна с роликами радиальный зазор достигает 0,04 мм. На двигателях «Мак-Кёллок» радиальный зазор в насыпном игольчатом подшипнике составлял 0,09 мм; эти двигатели работали при 8000—12 000 мин-1 и форсировались до 20 000 мин-1.

Форсированные режимы работы гоночных двигателей сокращают сроки службы их детален. Вместе с тем износостойкость деталей в большой степени зависит от их устройства и условий эксплуатации. Поэтому никаких нормативов по срокам службы гоночных мотоциклов не существует.

В качестве примера можно указать на то, что гоночные мотоциклы AJS типа 7R (350 см3) не нуждались в разборках и не требовали никакого ухода, кроме обычного технического обслуживания, в течение пробега до 2000 км во время гонок. Двигатель «Ямаха» (четыре цилиндра, 500 см3) нуждается в переборке после 3500 км; двигатели BMW длинноходного типа (66x72) выдерживали до 20 гонок без переборки, а более форсированный коротко-ходнын вариант (70x64,5) — только 700—800 км. На мотоциклах «Ямаха» класса 250 см3 замена коленчатого вала производится после 1000—1100 км, поршневых колец — после 500 км пробега в гонках.

Шатунные подшипники упомянутого выше мотоцикла «Бультако» класса 125 см3 выдерживают в среднем около 20 гонок на обычные дистанции, замену поршневых колец производят после каждых четырех-пяти гонок. Кроме того, после четырех-пяти гонок необходимо заменять жиклер дозирующей иглы и дозирующую иглу карбюратора, которые изнашиваются под действием вибрации, что приводит к нарушению нормального смесеобразования.

Уже в течение многих лет, как указывалось выше, существует устойчивая тенденция к вытеснению одноцилиндровых двигателей многоцилиндровыми — с двумя и большим числом цилиндров.

Необходимо отметить следующие конструктивные варианты многоцилнндровых двигателей.

Двухцилиндровый четырехтактный двигатель с расположением цилиндров под углом 45—50° является самым старым и в прошлом весьма распространенным типом двухцилиндрового двигателя; он имеет существенные недостатки с точки зрения возможности форсирования. Неравномерные интервалы между вспышками (через 360° + α и 360° — α, где α — угол между цилиндрами) приводят к резким колебаниям давления во всасывающей трубе и неодинаковому наполнению цилиндров. Этот недостаток пытались уменьшить, применяя для обоих цилиндров различные фазы распределения и неодинаковые степени сжатия. Разница в степени сжатия достигала единицы. Такое мероприятие базировалось на предположении, что цилиндр с худшим наполнением может работать с более высокой степенью сжатия.

Кроме указанных недостатков помехами для хорошей работы были плохие условия охлаждения заднего цилиндра, неодинаковая смазка обоих цилиндров, неодинаковая интенсивность искры для свечей, получаемая от магнето стандартных типов, плохая уравновешенность. Наилучшие показатели для V-образных двигателей были получены с двумя карбюраторами и двумя магнето; таким путем каждый цилиндр поставили в такие условия работы, как у обычного одноцилиндрового двигателя, если не считать охлаждения и смазки.

V-образный двигатель хорошо умещается в раме мотоцикла. При водяном охлаждении можно обеспечить равномерность теплоотвода от цилиндров.

Менее компактны V-образные двигатели с углом между цилиндрами 90—120°. Зато они более пригодны для воздушного охлаждения. При угле 90° достигается хорошая уравновешенность двигателя. Для эффективности охлаждения один цилиндр занимает горизонтальное или почти горизонтальное положение, второй соответственно направлен вверх («Дукати», «Гуццн»). С углом 90° конструировались и четырехцилиидровые V-образные двигатели (CZ). Фирма «Гуцци» применяла на некоторых гоночных вариантах своих серийных моделей поперечные двухцилиндровые двигатели V-образного типа, что обеспечивает эффективное воздушное охлаждение. Малый угол между цилиндрами теперь применяется редко. Такое устройство сохранилось до сих пор на гоночных мотоциклах американской фирмы «Харлей—Дэвидсон».

Получил известность V-образный восьмицилнндровый двигатель «Гуцци» класса 500 см3 водяного охлаждения (см. рис. 12). По сложности он представляет собой редкое исключение даже для гоночных мотоциклов.

К V-образным конструкциям принадлежат также двухтактный трехцилиндровый двигатель DKW (см. рис. 13) и аналогичный по схеме двигатель ИЖ-344А.

К этому же типу конструкции могут быть отнесены двух- и чстыре.хцилиндровые двухтактные двигатели, представляющие собой два одно- или двухцилиндровых двигателя, спаренных под углом друг к другу, с коленчатыми валами, соединенными между собой шестернями. В качестве примера можно привести четырехцилиндровый двигатель «Ямаха» класса 250 см3 (рис. 76), у которого два цилиндра обращены головками вперед, а другие два — под углом вверх. Многоцилиндровые двухтактные двигатели водяного охлаждения довольно громоздки, что неблагоприятно отражается на ходовых качествах мотоциклов, в частности на четырехцилиндровом мотоцикле «Ямаха» класса 250 см3 иногда не удавалось использовать его очень высокую мощность (54 кВт) из-за этого недостатка.

Рис. 76. Дорожногоночныи мотоцикл «Ямаха» класса 250 см3 с двухтактным четырехцилиндровым двигателем водяного охлаждения. Обтекатель снят

Весьма ограниченное применение имел двухцилиндровый двигатель воздушного охлаждения с горизонтальными противолежащими цилиндрами и расположением коленчатого вала в поперечной плоскости. Расположение вала под углом 180° обеспечивало отличную уравновешенность и равномерный крутящий момент, но большая длина двигателя, особенно при верхних клапанах, и несколько ослабленное охлаждение заднего цилиндра были недостатками конструкции. Все же в 20-х годах мотоциклы с двигателями «Дуглас» такого типа имели некоторый успех как в шоссейных, так и в трековых гонках.

В последнее время успешно применяется такое расположение четырехцилиндрового оппозитного двигателя водяного охлаждения на гоночном мотоцикле «Кёниг». В верхней части картера смонтирован дисковый золотник 1 (рис. 77) с приводом от коленчатого вала посредством зубчатого ремня 2. Золотник управляет впуском горючей смеси в отсеки картера из двухкамерного карбюратора 3 автомобильного типа.

Рис. 77. Схема двигателя «Кёниг» класса 500 см3

Более удачной конструктивной формой при двух цилиндрах н воздушном охлаждении является двигатель с горизонтальными противолежащими цилиндрами и продольным расположением коленчатого вала (см. рис. 10). В дополнение к преимуществам, отмеченным у предыдущего типа, он имеет вполне равномерное охлаждение обоих цилиндров. Условия охлаждения здесь даже лучше, чем у одноцилиндровых двигателей, ибо цилиндры незакрыты передним колесом. Это преимущество трудно переоценить, если иметь в виду тяжелый температурный режим работы гоночных двигателей. В монтажном отношении такой двигатель особенно удобен в сочетании с карданной передачей. На практике двигатели этого тина получили довольно широкое распространение — главным образом для гоночных мотоциклов с колясками (BMW, ИМЗ 53-С).

Двигатель с двумя параллельными вертикальными или наклонными цилиндрами стал весьма распространенным типом двухцилиндрового гоночного двигателя. Показательно, что на мотоциклах с двигателями такого типа еще в 1924 г. был установлен ряд мировых рекордов («Пежо»).

Четырехтактные двигатели подобного устройства имеют компактную форму и равномерный крутящий момент при угле между коленами, равном 0°. С другой стороны, уравновешенность их не лучше, чем одноцилиндровых двигателей, а охлаждение воздухом двух тесно расположенных цилиндров не вполне равномерно, несмотря на то, что коленчатый вал располагают в поперечной плоскости мотоцикла.

Для четырехтактного гоночного двигателя с самостоятельным карбюратором на каждом цилиндре возможен и вариант с расположением кривошипов коленчатого вала под углом 180° («Хонда», «Хорекс»); при этом двигатель лучше уравновешен и меньше вибрирует, а неравномерное чередование вспышек на больших частотах вращения, поддерживаемых во время гонки, практического значения не имеет. Нужно учитывать, что вибрация двигателя может быть крайне утомительной для гонщика и иногда является серьезной помехой для эксплуатации гоночного мотоцикла.

На двухтактных двухцилиндровых двигателях (рис. 78) рассматриваемого типа равномерность чередования рабочих тактов и хорошая уравновешенность достигаются при угле между кривошипами 180°.

Рис. 78. Дорожногоночныи мотоцикл «Ямаха» класса 250 см3 с двухтактным двухцилиндровым двигателем водяного охлаждения (TZ250)

Существовал конструктивный вариант двухцилиндрового двигателя, у которого оба вертикальных цилиндра тоже расположены в поперечной плоскости, но каждый поршень работает на самостоятельный продольный коленчатый вал («Велосетт»), причем оба вала соединяются зубчатой передачей. Такая конструкция позволяет применить карданную передачу, улучшить уравновешенность двигателя и уничтожить реактивный момент коленчатых валов. К сожалению, эта конструкция двигателя не вышла из экспериментальной стадии.

При числе цилиндров более двух в настоящее время тоже применяют рядное расположение цилиндров с установкой двигателя поперек рамы мотоцикла. Такое устройство позволяет использовать воздушное охлаждение и удобно при ценной передаче на заднее колесо. Известны рядные двухтактные гоночные двигатели с тремя («Кавасаки», «Судзуки») и четырьмя («Ямаха») цилиндрами. Рядные четырехтактные двигатели изготовлялись с тремя (MV), четырьмя («Джилера», см. рис. 11, «Хонда», С-364, см. рис. 39), пятью и шестью цилиндрами. Уникальным по компоновке является пятицилиндровый двигатель мотоцикла «Хонда», занявшего первое место в классе 125 см3 на чемпионате мира 1966 г. (рис. 79). Такое число цилиндров было принято для того, чтобы использовать ранее проверенные детали кривошипно-шатунного и распределительного механизмов двухцилиндрового двигателя класса 50 см3.

Рис. 79. Пятицилиндровый рядный гоночный двигатель «Хонда» класса 125 см3 (перед двигателем висят масляные радиаторы, которые крепятся к обтекателю мотоцикла)

Шестицилиндровый рядный двигатель был установлен на мотоцикле «Хонда», выигравшем на чемпионате мира 1966 г. в классе 250 см3. Следует иметь в виду, что переход на многоцилиндровые конструкции иногда влечет за собой увеличение массы и габаритных размеров мотоцикла; это, в свою очередь, ухудшает управляемссть и маневренность машины. Следовательно, конструктор должен стремиться к компромиссу между мощным двигателем, малой массой и компактностью мотоцикла.

Увлечение большими числами цилиндров имеет к использованию опыта гонок в массовом производстве косвенное отношение; тем не менее эксплуатация мотоциклов с мпогоцилиндровыми двигателями представляет собой интересный эксперимент.


(*) Английские исследователи объясняют это явление тем, что, когда сила инерции поршневого кольца превышает давление газов в конце сжатия, кольцо отделяется от нижней плоскости канавки поршня. Чтобы избежать вибрации поршневых колец, рекомендуется уменьшать их массу за счет уменьшения высоты сечения.

 

Top.Mail.Ru
Top.Mail.Ru