Зачастую домашним слесарям приходится сталкиваться с ремонтом паровых двигателей, двигателей внутреннего сгорания, компрессоров, поршневых насосов.

Работа всех этих механизмов основана на преобразовании поступательного движения поршня во вращательное движение вала, и наоборот: они преобразуют вращательные движения вала в поступательные движения поршня. Называются такие двигатели кривошипно-шатунными механизмами (рис. 68).

Рис. 68. Сборка кривошипно-шатунного механизма: а – кривошипно-шатунный механизм: 1 – поршень; 2 – шатун; 3 – коленчатый вал; 4 – маховик.

Рис. 68 (продолжение). Сборка кривошипно-шатунного механизма: б – шатунно-поршневая группа перед сборкой: 1 – поршень; 2 – поршневые кольца; 3 – поршневой палец; 4 – шатун; 5 – верхний вкладыш; 6 – нижний вкладыш; 7 – болт; 8 – гайка со шплинтом; 9 – крышка нижней головки; 10 – втулка; в – щипцы для монтажа поршневых колец.

Сборочными единицами кривошипно-шатунного механизма являются:

– коленчатый вал (кривошип или кривошипный диск в зависимости от вида двигателя) – наиболее ответственная часть механизма; именно он преобразует поступательные движения поршневой группы во вращательные (и наоборот);

– маховик, имея большую массу и обладая большой инерцией, он облегчает пуск двигателя, делает переход от одной частоты вращений (скорости) к другой наиболее плавным, уменьшает неравномерность вращения вала и выводит поршни во время работы механизма из «мертвых точек»;

– шатун механизма, который соединяет коленчатый вал (кривошип или кривошипный диск) с поршневой группой;

– поршневая группа – этот элемент механизма передает осевое усилие, создаваемое в цилиндре давлением пара или газа (в двигателях внутреннего сгорания и паровых котлах), или, напротив, воспринимает осевые усилия от вращения вала, осуществляя сжатие и подачу воздуха, газа или жидкости (в компрессорах и поршневых насосах).

Сборка кривошипно-шатунного механизма происходит поэтапно: собирают отдельно поршень, осуществляют предварительную сборку шатуна, сочленяют поршень с шатуном и устанавливают шатунно-поршневую группу на вал.

Сборка поршня начинается с подбора его по гильзам цилиндров, и главное здесь – обеспечить необходимую герметичность (поршень, помимо преобразования одного вида энергии в другую, должен препятствовать проникновению масла из картера в цилиндр, а также отводить в стенки цилиндра и в смазывающий материал теплоту, которая возникает при сгорании топлива; вместе с этим поршень не должно заклинивать и между гильзой цилиндра и поршнем должен находиться смазочный слой). Необходимой герметичности можно достигнуть правильным подбором зазора между стенками цилиндра и поршнем, причем зазор этот должен быть неодинаков по высоте поршня в связи с неравномерным его нагревом (а соответственно, и расширением) во время работы. Наименьший зазор в холодном состоянии должен приходиться на нижнюю часть поршня, именно она центрирующая для поршня. Примерный зазор составляет: для поршней из чугуна – от 0,001 до 0,002 диаметра цилиндра, для поршней из алюминия – от 0,002 до 0,004 диаметра.

В верхней и нижней частях поршня в канавки устанавливают поршневые кольца. Кольца эти должны обладать определенной упругостью (ее принимают за усилие сжатия до касания замка, равное 35–70 Н). К сборке допускаются только качественно обработанные кольца: без трещин, следов обработки, разрушения граней. Для установки колец применяют специальные щипцы (рис. 68, в), разводящие концы колец, но ограничивающие этот развод, так как чрезмерно большой развод является причиной поломки колец или образования на них трещин. При установке колец замки (места стыков концов колец) должны быть сдвинуты относительно замков соседних колец под углом 90, 120 и 180°, величина зазора в замках должна быть в пределах 0,02–0,5 мм.

При предварительной сборке шатуна в его верхнюю головку запрессовывают втулку и производят чистовое развертывание отверстия втулки (поскольку в процессе запрессовки его диаметр уменьшается). Затем подбирают верхний и нижний вкладыши, их внутренняя и наружная поверхности должны быть чистыми, гладкими, без царапин, рисок, вмятин и других дефектов. Вкладыши тщательно протирают салфетками, обдувают, устанавливают на место, закрывают нижней головкой и закрепляют ее болтами с гайкой. Далее проверяют правильность отверстия под подшипники с обеих сторон (на предмет обнаружения эллипсности и конусообразности), для чего используют индикаторный нутромер.

Собранный шатун сочленяют с поршнем поршневым пальцем. Зазор между цилиндрической поверхностью пальца и стенок отверстия втулки шатуна при нагревании во время работы механизма должен находиться в пределах 0,03–0,05 мм, поэтому палец пригоняют к отверстию втулки шатуна с малым зазором или натягом. При запрессовке пальца поршень (без колец) рекомендуется нагреть в масляной ванне до температуры 80–90 °C, а сам палец – смазать маслом. Запрессовку производят деревянным молотком.

При установке шатунно-поршневой группы на коленчатый вал нижнюю головку шатуна разбирают, шатунную шейку вала смазывают тонким слоем смазочного масла, поршень с шатуном вставляют в цилиндр и нижнюю головку вновь собирают, резьбовое соединение гайка-болт стопорят шплинтом.

При установке шатуна на шейку вала между поверхностями шейки вала и вкладышей шатуна необходимо оставить зазор (при диаметре шейки 80–100 мм – не более 0,08–0,14 мм) для смазочного материала. Величину зазора вычисляют как разницу между внутренним диаметром вкладышей шатуна в сборе и наружным диаметром шейки вала.

Этот зазор также позволяет шатуну самоустанавливаться при несовпадении осей цилиндра и шейки вала.

В некоторых случаях для преобразования вращательных движений в поступательные и наоборот использовать кривошипно-шатунный механизм не представляется возможным. В этих случаях применяют его разновидности: эксцентриковый, кривошипно-ползунный, кривошипно-кулисный и пр. Однако эти виды механизмов используются в основном в станкостроении, при производстве промышленного оборудования для металло-, деревообработки и т. д. Для домашнего мастера они вряд ли будут представлять интерес.