Название детали - "шатун" - имеет прямое отношение к характеру выполняемой работы - передачи возвратно-поступательных движений поршня к коленчатому валу. Наиболее заметное распространение деталь получила в эпоху паровозов, в которых была частью привода. При передаче возвратно поступательного движения один конец шатуна перемещается вверх и вниз с ограниченной амплитудой, то есть "шатается".
Таким образом, хотя центр кривошипа описывает истинный круг для каждого оборота коленчатого вала, центры штырей костяшки описывают эллиптический путь. Эллиптические траектории симметричны относительно центральной линии через цилиндр главного штока. Можно видеть, что основные диаметры эллипсов не совпадают. Таким образом, соединительные стержни имеют разную степень угловатости относительно центра броска кривошипа.
Из-за различной угловой зависимости тяговых стержней и эллиптического движения штырей кулака все поршни не перемещают равное количество в каждом цилиндре при заданном числе градусов движения броска кривошипа. Такое изменение положения поршня между цилиндрами может существенно повлиять на работу двигателя. Чтобы свести к минимуму влияние этих факторов на время работы клапана и зажигания, отверстия штыревого штифта в фланце ведущего штока не равноудалены от центра коленчатого вала, тем самым компенсируя влияние угловой силы штока стержня.
Шатун - одна из древнейших деталей механизмов. Эту деталь можно видеть, например, в конструкции аппаратов гениального инженера Леонардо Да Винчи
Шатун - одна из наиболее древних деталей, которая применялась еще в древних, деревянных механизмах. Первые известные шатуны работали еще в конструкции привода римской лесопилки третьего века. Они превращали вращение колеса, приводимого в движение водой, в возвратно-поступательное движение пилы. Впервые сочетание шатуна с коленчатым валом встречается в конструкции водяного насоса двенадцатого тысячелетия, изобретенного арабским инженером Аль-Джазари. Его конструкция не была похожа на и была гораздо сложнее, что свидетельствует о том, что Аль-Джазари не вполне представлял себе закон сохранения энергии. В Италии времен эпохи Возрождения конструкцию с применением шатуна можно видеть на полотне художника Пизонелло, изображающем работу водяного насоса. К шестнадцатому столетию конструкция "шатун - коленчатый вал" окончательно приняла современный вид и получила широкое распространение. Свдительство этому содержится на страницах трактата "Theatrum Machinarum Novum" 1588 года Георга Андреаса Боклера, в котором описывается не менее 45 машин, построенных с применением шатуна.
Другим методом минимизации неблагоприятных воздействий на работу двигателя является использование компенсированного магнито. В этом магнитоне кулачок выключателя имеет несколько лепестков, равное количеству цилиндров на двигателе. Чтобы компенсировать изменение положения поршня из-за угловой тяги штока, кулачковые лепестки лопаток шлифуются с неравномерным шагом. Это позволяет контактам выключателя открываться, когда поршень находится в правильном огневом положении.
Стопорные штифты имеют сплошную конструкцию, за исключением отверстий для масла, просверленных в штифтах, которые смазывают втулки пальцев кулака. Эти штифты могут быть установлены путем вдавливания в отверстия в фланцах главного стержня, чтобы они не могли вращаться в главном штоке. Штыревые штифты также могут быть установлены со свободным креплением, чтобы они могли поворачиваться в отверстиях фланца главного стержня, а также поворачивать втулки шарнирных штоков. Они называются полностью плавающими пальцами.
Устройство шатуна
В двигателях современных автомобилей применяюся шатуны, сделанные из стали, но встречаются и другие варианты материала. К примеру, для двигателей спортивных автомобилей для облегчения веса агрегата могут быть изготовлены шатуны из титана или специальных высокотемпературных алюминиевых сплавов (T6-2024 и T651-7075). Кроме того, "спортивные" шатуны отличаются методом изготовления - их получают методом ковки, укрепляющей структуру металла. Кованые поршни и шатуны прочнее обычных, полученных методом литья.Шатунные вкладыши - обязательная для замены деталь при капитальном ремонте двигателя
В любом типе установки блокировочная пластина с каждой стороны удерживает стопорный штифт и предотвращает боковое перемещение. Проводные стержни простого типа используются во встроенных и противостоящих двигателях. Конец стержня, прикрепленный к шатуну, снабжен крышкой и двухсекционным подшипником. Крышка подшипника удерживается на конце стержня болтами или шпильками. Для обеспечения правильной посадки и баланса шатуны всегда должны заменяться в одном цилиндре и в том же относительном положении.
Разъединенный стержень раздвоен на конце коленчатого вала, чтобы пространство между лезвием и штифтом. На коленчатом конце стержня используется одиночный двухрядный подшипник. Этот тип шатуна мало используется на современных двигателях. Соединительная штанга является одним из крупнейших компонентов для производства в автомобильном цилиндровом двигателе. Он работает как соединение поршня и коленчатого вала и берет на себя ответственность за передачу мощности от поршня на коленчатый вал и передачу его в коробку передач.
Шатуны устроены таким образом, что ни один из их концов не крепится к смежным деталям так, чтобы в этом месте появилось трение. Через верхнюю головку шатуна продевается поршневой палец, к которому, в свою очередь, присоединяется поршень, а нижняя головка надевается на шейку вращающегося коленчатого вала. Естественно, оба крепления подразумевают использование обильной смазки. Для снижения износа шатунных шеек коленчатого места крепление нижней головки снабжают специальными вкладышами, которые имеют антифрикционное покрытие.Нижнее "кольцо" шатуна, посредством которого он крепится к коленвалу, для облегчения сборки делают разборным - нижняя часть "кольца" - так называемая крышка, может быть отделена.
Существуют различные типы материалов и методы производства, используемые при создании шатуна. Основные напряжения, вызванные в шатуне, представляют собой комбинацию осевых и изгибающих напряжений при работе. Давление газа в цилиндре и сила инерции будут создавать осевое напряжение. Целый шатун состоит из длинного хвостовика, маленького конца и большого конца. Наиболее распространенным типом производственных методов является литье, ковка и порошковая металлургия. Шатун должен выдерживать сложное состояние нагрузки.
Он должен подвергаться высоким циклическим нагрузкам порядка 10 ^ 8-109 циклов, которые варьируются от высоких сжимающих нагрузок из-за сгорания, до высоких растягивающих нагрузок из-за инерции. Поэтому долговечность этого компонента жизненно важна. Из-за этих факторов автомобильные соединительные стержни стали темой исследований для различных аспектов, таких как технология производства, материалы, производительность, симуляция, усталость и т.д. в современных автомобильных цилиндровых двигателях шатуны обычно изготавливаются для производственных двигателей, но могут быть изготовлены из алюминия или титана для высокопроизводительных двигателей или из чугуна для применения в мотороллерах.
Особенности эксплуатации и ремонта шатунов
Несмотря на то, что шатуны не образуют пар трения ни на одном из концов, дефекты шатунов встречаются на практике очень часто. Проблема шатунов не в трении, которого почти нет (если не считать трения боковой головки о щеки коленвала), а в нагрузке и в высокой температуре. Нагрузка на шатун, причем разнонаправленная, может достигать нескольких тонн, а порой и нескольких десятков тонн. Такова особенность его работы - , то есть оборота коленвала. Как правило, при возникновении стука шатунных вкладышей принято ограничиваться заменой только самих вкладышей, хотя в результате перегрева двигателя или проворачивания вкладышей шатун почти наверняка деформируется - искривляется. Чтобы понять, параллельны ли оси отверстия головок, и не искривился ли шатун, необходимо провести измерения при помощи специальных приспособлений.Одна из самых впечатляющих поломок двигателя - дыра, пробитая в блоке цилиндров вылетевшим наружу шатуном
Они не жестко закреплены на обоих концах, так что угол между шатуном и поршнем может меняться, когда стержень перемещается вверх и вниз и вращается вокруг коленчатого вала. Маленький конец прикрепляется к поршневому штифту, штифтовому штифту или штырю для запястий, который в настоящее время чаще всего прижимается к стержню, но может поворачиваться в поршне, «плавающей запястье». Большой конец шатунов будет соединен с подшипниковой цапфой на рукоятке кривошипа, работая на сменных вкладышах подшипников, доступных через болты шатуна, которые удерживают «колпачок» подшипника на большой конец.
Помимо несоосности частым дефектом шатуна становится износ отверстия верхней головки шатуна, в которое вставляется так называемый . Определить, ровное отверстие или оно разбито, можно только нутромером, так как визуальный осмотр ничего не даст - величины износа слишком малы.Чтобы определить степень деформации - причины несоосности - шатун можно положить на поверочную плиту - идеально ровную поверхность, позволяющую судить о том, деформирована деталь или нет.
Основным источником износа двигателя является боковое усилие, оказываемое на поршень через шатун коленчатым валом, который обычно носит цилиндр в овальном поперечном сечении, а не в круге, что делает невозможным правильное уплотнение поршневых колец относительно стен цилиндров, Геометрически видно, что более длинные стержни уменьшают количество этой боковой силы и, следовательно, приводят к увеличению срока службы двигателя. Однако для данного блока двигателя сумма длины шатуна плюс ход поршня является фиксированным числом, которое определяется фиксированным расстоянием между осью коленчатого вала и верхней частью блока цилиндров, где головка цилиндра крепится, таким образом, для данного цилиндра более длинный ход, обеспечивающий большее перемещение и мощность двигателя, требует более короткого шатуна, что приводит к ускоренному износу цилиндра.
Способы ремонта шатунов
Диаметр отверстия нижней головки после проворачивания вкладышей увеличивается и должен быть восстановлен до номинального предусмотренного заводом размера. Для этото сначала проводят «занижение» крышки шатуна на небольшую величину, измеряемую в микронах - около 0,05-0,1 мм. Если отверсти разбито несильно, крышку шлифуют, если сильно - фрезеруют. Естественно, после занижения отверстие теряет форму, и его необходимо расточить. Помимо возвращения формы расточка способствует восстановлению заводского размера отверстия. Для этой операции используется специальный расточный станок для шатунов, но если его нет, квалифицированный токарь может сделать то же самое с помощью специальной оснастки на универсальном станке (токарно-фрезеровочном). После расточки стенки отверстия доводятся до идеального состояния хонингованием (такую же обработку ). Современные двигатели, как правило, относятся к категории высокофорсированных, так как в современном автомобилестроении заметна тендеция повышения отдачи без увеличения рабочего объема. Для этого применяются различные агрегаты, позволяющие повысить степень сжатия при сохранении объема, к примеру, . Естественно, при форсировке нагрузка на все без исключения детали, в том числе и на шатуны, существенно увеличивается. Соответственно, при малейшем нарушении работы системы смазки могут иметь необратимые последствия для шатунов. При большом перегреве и серьезных нагрузках в структуре металла, из которого сделаны шатуны, происходят такие изменения, что ремонт шатунов может оказаться невозможным или слишком дорогим, и проще заменить их новыми деталями.Шатунная группа включает шатун, втулки, вкладыши, болты (или шпильки) с гайками, элементы крепления вкладышей и элементы шплинтовки гаек. Шатун связывает колено вала с поршнем в тронковых двигателях или с ползунами в крейцкопфных двигателях. При работе шатун совершает сложное качательное движение и подвергается переменной по величине и направлению нагрузке от давления газов и сил инерции. Действующие на шатун силы вызывают в нем сложные деформации: сжатие, растяжение, продольный и поперечный изгибы. Поэтому шатун должен быть прочным и жестким при возможно малой массе. Материалом для шатунов обычно служит углеродистая или легированная сталь, реже – алюминиевый сплав. Шатуны изготовляют большей частью ковкой в штампах с последующей механической и термической обработкой.
Шатун автомобильного двигателя является производителем большого объема и критическим компонентом. Он соединяет возвратно-поступательный поршень с вращающимся коленчатым валом, передавая тягу поршня на коленчатый вал. Для каждого автомобиля, использующего двигатель внутреннего сгорания, требуется, по меньшей мере, один шатун в зависимости от количества цилиндров в двигателе. Соединительные стержни для автомобильных применений обычно изготавливаются путем ковки. Тем не менее, отливки могут иметь дыры, которые наносят ущерб прочности и усталости.
В зависимости от типа двигателя и расположения цилиндров шатуны можно разделить на три группы:
- шатуны однорядных двигателей с тронковым кривошипно-шатунным механизмом;
- шатуны двухрядных двигателей (V-, W- ,VR-образных);
- шатуны двигателей с крейцкопфным кривошипно-ша- тунным механизмом.
Основные элементы конструкции шатуна тронкового кривошипно-шатунного механизма следующие: верхняя (или поршневая) головка шатуна, стержень (или тело) и нижняя головка. Верхняя головка шатуна, которая охватывает поршневой палец, обычно делается неразъемной цилиндрической формы. В нее запрессовывается бронзовая втулка или вставляются стальные вкладыши с тонким слоем антифрикционного сплава, которые являются подшипником поршневого пальца. Иногда втулку в верхней головке шатуна стопорят болтом, чтобы предотвратить ее проворачивание и перемещение в осевом направлении (рис. 1.14).
Тот факт, что поковки производят беспилотные и улучшенные стержни, дает им преимущество перед литыми стержнями. Между процессами ковки, порошковой ковочной или каменной ковки, каждый процесс имеет свои преимущества и недостатки. Заготовки из порошкового металла имеют преимущество вблизи чистой формы и экономии материалов. Однако стоимость заготовки высока из-за высоких материальных затрат и сложных технологий производства. С, материал дешевый, и процесс кузнечной штамповки является экономически эффективным.
Первый аспект состоял в том, чтобы исследовать и сравнить усталостную прочность стальных кованых шатунов с образцами порошковых кованых шатунов. Второй аспект состоял в том, чтобы оптимизировать вес и стоимость изготовления стального кованого шатуна. Из-за большого объема производства логично, что оптимизация шатуна для его веса или объема приведет к крупномасштабной экономии. Он также может достичь цели снижения веса компонента двигателя, таким образом уменьшая инерционные нагрузки, уменьшая вес двигателя и улучшая характеристики двигателя и экономию топлива.
Рис. 1.14. Конструкции верхних головок шатуна
Масло для смазки подшипника верхней головки шатуна подводится от шатунной шейки коленчатого вала по каналу в стержне шатуна или забрасывается при вращении вала. Иногда в верхнюю головку шатуна ставят игольчатый подшипник, однако из-за ударной нагрузки подшипники качения не получили широкого применения.
В нашей компании мы в основном поставляем кованные шатуны для автомобильного цилиндрового двигателя со сталью. Напротив, сталь будет экономически выгодной для применения. Ниже мы расскажем, почему сталь чаще всего используется в производстве кованых шатунов.
Для достижения высокой прочности и малой массы мы использовали алюминий или другие материалы для двигателей с большим числом оборотов. Но с ростом материальных затрат и улучшением дизайна дизайнеры снова обращаются к стали. Это лишь одна из основных причин выбора стали.
Существуют и другие причины, такие как стоимость, долговечность и долговечность. Другим важным фактором является зазор. Дополнительный материал, необходимый для алюминиевых стержней, часто будет мешать зазорам штока к распредвалу. Используя высокопрочный стальной стержень, большие кулачковые отверстия могут использоваться без помех. Весь процесс производства стали также определяет прочность этих материалов.
Стержень шатуна, соединяющий его верхнюю и нижнюю головки, может быть различной формы сечения (рис. 1.15). В тихоходных двигателях сечение стержня часто имеет цилиндрическую или овальную форму. Стержни с таким сечением просты в изготовлении, но круглая форма нерациональна, так как при равной жесткости шатун с круглым стержнем получается более тяжелым. Для уменьшения массы круглый стержень делают обычно пустотелым (сверленым). Во избежание концентрации напряжений переходы от стержня к головкам выполняются более плавными. Так как нижняя головка всегда значительно больше верхней, поперечное сечение стержня должно постепенно увеличиваться от верхней головки к нижней. В быстроходных двигателях стержень шатуна изготовляют преимущественно двутаврового сечения; в этом случае обеспечивается наибольшая жесткость детали в плоскости качания при наименьшей массе. Для подвода масла к подшипнику поршневого пальца большей частью по всей длине стержня высверливают отверстие диаметром 6–8 мм.
Ошибки двигателя, которые многие гонщики обвиняют в шатунах, часто являются ошибками установки. Когда их характеристики правильно поняты, шатуны могут быть одной из самых сильных частей современного гоночного двигателя. Давайте сделаем быстрое умственное упражнение: сколько раз - либо на трассе, либо во время просмотра телевизора - слышали ли вы, что водитель или экипаж объясняют выдутый двигатель фразой «мы сломали стержень»?
Шатуны, изготовленные для гонок, изготавливаются с такой же точностью или точностью, как и любая другая деталь, которая входит в двигатель. Неисправность может исходить из любого количества мест, но отказ часто возникает на стержне из-за напряжений. Часто отказ от раннего отказа стержня происходит от явной человеческой ошибки. Простые вещи, такие как неправильная установка стержневого болта, грубое обращение или чрезмерное движение стержней, могут привести к дорогостоящим перестроениям. К счастью, эти ошибки легко предотвратить, если у вас есть четкое представление о том, какие типы сил вы ожидаете от своих шатунов, и как их правильно установить.
Рис. 1.15. Сечение стержня шатуна
Нижняя головка шатуна (рис. 1.16) по условиям ее монтажа, как правило, делается разъемной и имеет размеры, позволяющие вынимать поршень с шатуном через цилиндр. Разъем головки обычно располагают в плоскости оси шатунной шейки. При значительном диаметре шатунных шеек нижнюю головку шатуна иногда изготовляют с косым разъемом для облегчения демонтажа шатуна через цилиндр.
Поскольку почти все формы штоков для гоночных автомобилей для нержавеющей стали в интересах сдерживания затрат, эта статья будет сосредоточена только на процессах, связанных с этим материалом. Для нержавеющих стержней существует несколько вариантов конструкции: кованая, порошковая ковка, заготовка и полностью обработанная.
Порошковая ковка позволяет дешевый, довольно прочный стержень, но это не качество стандартной ковки. Вам будет трудно найти цельный гоночный стержень, который был выкован порошком. Однако, если вы участвуете в гонках строгого класса акций, который не допускает стержни послепродажного обслуживания, это может быть то, за что вы застряли. Пока они сбалансированы, вы вряд ли превысите ограничения на лошадиную силу порошкового кованого стержня в двигателе запаса.
Неразъемные нижние головки в виде исключения применяют только в двигателях, коленчатые валы которых делаются разъемными, а также в случае применения подшипников качения (мотоциклетные, звездообразные и другие двигатели).
Рис. 1.16. Конструкции нижних головок шатуна
Крышка шатуна – это нижняя часть его головки. Она может быть зафиксирована относительно верхней различными способами: фиксирующим пояском у шатунных болтов, штифтами, буртиками на крышке, шлицами в полости стыка. Нижнюю головку шатуна или непосредственно заливают антифрикционным сплавом, или снабжают вкладышами с заливкой. Для регулирования зазора в шатунном подшипнике в плоскости разъема нижней головки шатуна двигателей больших размеров помещают набор калиброванных прокладок.
Шатунные подшипники, так же как и коренные, имеют вид толсто- или тонкостенных вкладышей с баббитовой или свинцовисто-бронзовой заливкой, а также сталеалюминиевых вкладышей. От проворачивания и смещения в осевом направлении вкладыши подшипника фиксируются штифтами или выступами, которые входят в соответствующие пазы в крышке.
Шатунные болты для крепления разъемных кривошипных головок шатуна испытывают переменные нагрузки. Основной нагрузкой являются сила инерции поступательно движущихся частей и центробежная сила инерции массы вращающейся части шатуна за вычетом массы крышки. Сила предварительной затяжки болтов должна обеспечивать плотность стыка и значительно превосходить по величине силу, стремящуюся раскрыть стык. При недостаточной жесткости шатунной головки и неточности ее изготовления опорные поверхности головки и гайки шатунного болта перекашиваются, что вызывает дополнительные напряжения от изгиба болта. Обрыв шатунного болта на работающем двигателе обычно вызывает разрушение деталей кривошипно-шатунного механизма и корпуса.
В двухрядных V- ,VR- и W-образных двигателях с неразъемным коленчатым валом возможны три способа размещения шатунов на коленчатом вале:
1. Сочлененные шатуны (рис. 1.17). Нижняя головка главного шатуна имеет косой разъем относительно оси шатуна. Крышка крепится к головке шпильками. В верхней части нижней головки имеются две проушины, расположенные под углом, соответствующим углу развала цилиндров двигателя. Прицепной шатун снабжен неразъемной нижней головкой с бронзовой втулкой. Сочленение нижней головки прицепного шатуна с главным осуществляется при помощи пальца, установленного в проушинах главного шатуна. Масло к рабочей поверхности бронзовой втулки прицепного шатуна подводится от главного шатуна по системе отверстий и через внутреннюю полость пальца.
2. Центральные шатуны (рис. 1.18). Нижнюю головку главного шатуна выполняют вильчатой (рис. 1.18б). Две отъемные нижние крышки охватывают стальной разрезной вкладыш шатунного подшипника (рис. 1.18а). Заливка антифрикционным сплавом на вкладышах делается по всей внутренней поверхности, а также посередине наружной поверхности. В развилку главного шатуна входит нижняя разъемная головка внутреннего шатуна (рис. 1.18в), которая охватывает средний пояс вкладыша.
Рис. 1.17. Сочлененные шатуны
Рис. 1.18. Центральные шатуны
3) Смещенные шатуны. В этом случае на одной общей шатунной шейке рядом расположены две нижние головки шатунов нормального типа, применяющихся в однорядных двигателях.
Преимуществом сочлененных шатунов является повышенная жесткость нижней головки. К недостаткам следует отнести различный ход поршней, соединенных с главными и прицепными шатунами, и сложность конструкции сочлененных шатунов. Центральные шатуны обеспечивают одинаковый ход поршней правого и левого рядов цилиндров, но также сложны в изготовлении и не обладают достаточной жесткостью. В случае применения смещенных шатунов приходится смещать ряды цилиндров в осевом направлении один относительно другого, что увеличивает длину двигателя и усложняет конструкцию передачи механизма газораспределения. Однако в современных двигателях часто при-меняются смещенные шатуны.
В кривошипно-шатунном механизме крейцкопфного типа шатун сочленяется с поршнем через шток и крейцкопф (ползун). С головкой поршня шток соединяется при помощи фланца, откованного вместе с ним. Крейцкопф представляет собой стальную паковку с двумя цапфами для соединения с верхней вильчатой головкой шатуна. Шток поршня крепится к крейцкопфу. Кроме того, к крейцкопфу болтами присоединяется один или два башмака с плоской или цилиндрической подошвой, залитой антифрикционным сплавом. Башмаки движутся по направляющим крейцкопфа. Обычно верхние головки вилки шатуна делаются разъемными с крышками, которые крепятся болтами. В верхние головки вставляются вкладыши, залитые антифрикционным сплавом.