Mio-tech-service.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое шатуны двигателя

Шатун поршня: назначение, конструкция, основные неисправности

Верхняя головка

Верхняя головка шатуна – это та часть, что имеет отверстие для поршневого пальца. В это отверстие после установки поршня запрессовывают палец. Конструкция верхней головки цельная. Форма ее полностью определяется тем, как сделано крепление поршневых пальцев.

Если палец фиксированный, тогда в головке на шатуне отверстие будет иметь цилиндрическую форму. Отверстие сделано очень точно, чтобы обеспечивать нужный натяг при соединении. Натяг – это, когда размер поршневого пальца немного больше, чем размер отверстия в головке шатуна. Если палец имеет плавающую конструкцию. Тогда в головку шатуна впрессовывают биметаллические или бронзовые втулки.

Но существуют и модели ДВС с плавающим типом пальца, где нет втулок, и палец может свободно вращаться в отверстии головки шатуна, ведь отверстие в головке сделано с зазором. В этом случае к поршневому пальцу обязательно подается масло. Верхняя головка делается в виде трапеции, так как она испытывает грандиозные нагрузки. Трапеция позволяет увеличить опору в процессе работы поршней.

Условия работы и требования к шатуну [ | ]

Шатун в современных быстроходных двигателях миллиарды раз воспринимает переменные напряжения (это число зависит от быстроходности и ресурса ДВС). К нему предъявляются требования:

  • достаточная усталостная прочность во избежание разрушения;
  • жёсткость для исключения потери устойчивости стержня при сжатии (учитывая возможные разовые перегрузки при авариях);
  • минимальная масса, для снижения динамических нагрузок на шейки коленвала и уменьшения массы противовесов, а также и маховика;
  • технологичность и простота конструкции, определяемые также возможностями станочной обработки;
  • минимальные издержки на материал, обеспечивающие однако 90% прокаливаемость сечения (либо отказ от закалки, если это невозможно на крупногабаритных двигателях) [6] .

Устройство шатуна

Материал

В качестве материала применяют обычно легированную (40Г, 45Г2, 40ХН, 12ХН3А, 18ХНВА, 18Х2Н4А. ) или углеродистую сталь достаточной прокаливаемости [6] : чем больше толщина сечения, тем более легированную сталь приходится применять. Для малоразмерных автомобильных двигателей обычным является применение селектированной по углероду закалённой стали; в тихоходных механизмах шатуны имеют большие сечения, и для увеличения 90 % прокаливаемости возрастающее количество легирующих элементов недопустимо увеличивает их стоимость. Поэтому шатуны судовых ДВС изготавливают из нормализованной углеродистой стали типа Ст5 (Сталь 30, 35, 40) [7] . В автомобилях ВАЗ применяют сталь 40 селект. Хромоникелевые типа 12ХН3А применяют при необходимости цементации (получения высокой твёрдости) внутреннего диаметра головок, работающих с роликовыми подшипниками. Алюминиевые шатуны встречаются в пусковых двигателях, что позволяет обходиться им без вставных вкладышей, штампованные титановые шатуны применяют на быстроходных гоночных моторах.

Механическая и термическая обработка

Поскольку шатун работает в основном на растяжение-сжатие, а не изгиб, сердцевина его сечения должна иметь равную с поверхностными слоями прочность. Этого достигают либо сплошной прокаливаемостью за счёт ограничения толщины сечения (двутавр) с применением необходимого количества легирующих элементов (хром, никель, молибден), либо отказом от закалки с применением нормализованной стали (крупноразмерные ДВС). На материал и необходимую степень закалки может влиять выбор подшипников шатуна: так, подшипники качения требуют высокой твёрдости дорожек, и потому выбирается нужная сталь с последующей цементацией диаметра под подшипник. Шатун всегда получают штамповкой или ковкой для повышения прочности, литьё не применяется.

Читать еще:  Двигатель 409 холодный запускается

Для повышения усталостной прочности применяют один из двух методов: полировка поверхности, либо её наклёп путём дробеструйной обработки. На циклическую прочность шатуна влияют также радиус перехода, угол заделки верхней головки шатуна. Шатунные болты изготовляют из качественных легированных сталей, подвергают закалке с отпуском, причём принимаются все меры по повышению усталостной прочности — плавный переход от резьбы, чистая обработка поверхности, поверхностное упрочнение. Это же относится и к шатунной гайке. Ввиду этого, шатунный болт не подлежит стандартизации, и всегда уникален.

Подшипники шатуна

Одним из вариантов служат подшипники качения (роликовые или игольчатые), в этом случае тела качения чаще всего имеют сепаратор. Это накладывает также требования по твёрдости к коленчатому валу двигателя. В случае применения вкладышей, последние удерживаются от проворота своими «усами», попадающими в паз головки [8] . Крышки подшипников в любых моделях двигателей нельзя путать между собой.

Кривошипная (мотылёвая) головка имеет установленные вкладыши, фиксирующиеся от проворачивания «усами», вставленными в пазы головки. В случае подшипника из баббита (применяются высокопрочные оловянно-свинцовые баббиты типа Б83), между половинками шатуна устанавливают пакет металлических прокладок, и по мере износа баббита их снимают при обслуживании судового дизеля. Обычные вкладыши изготовлены из сталеалюминиевой ленты (антифрикционный алюминиевый сплав, обычно содержит также олово), либо свинцовистой бронзы (имеет более высокое допустимое контактное давление) [9]

Нижний подшипник шатуна в большинстве случаев разъёмный (может быть неразъёмным только при сборном коленвале), поэтому крышка соединяется с шатуном болтами (шпильками), реже штифтами.

Шатунные болты (шпильки) должны гарантировать нераскрытие стыка кривошипной головки, при этом болт испытывает переменное напряжение, зависящее от соотношения жёсткости болта и крышки. Чем меньше жёсткость болта (выше длина, меньше сечение), тем пульсации напряжений растяжения в нём ниже. Как только произойдёт раскрытие стыка, пульсация напряжений многократно возрастает, и болты обрывает очень быстро [10] .

Верхняя головка шатуна в большинстве случаев имеет свёртную бронзовую втулку с отверстием для смазки. После запрессовки втулку разворачивают в размер пальца, обеспечивая нужную чистоту поверхности. Поскольку скорость вращения поршневого пальца невелика, долговечность узла во многих случаях обеспечивается при небольшом диаметре пальца и смазки разбрызгиванием.

Самые простые по устройству шатуны могут не иметь вкладышей нижней головки (алюминиевые шатуны пусковых двигателей, авиадвигатели дронов, и подобные с ограниченным ресурсом).

Балансировка по весу

Шатуны в одном двигателе подбирают по массе. Причём желательно подгонять отдельно массы верхней и нижней головки, используя для подпиливания оставленные приливы на крышке и верхней головке [11] . Однако некоторые механики предпочитают более лёгкий путь — при ремонте взвесить новые шатуны и поршни, выстроить по весу одни по возрастанию, а вторые по убыванию, потом соединить. Так масса поршневого комплекта легко и просто получается почти одинаковой [12] .

Читать еще:  Шум работы двигателя самолета

Есть некоторые правила, которые следует учитывать при выборе Q-фактора. За счет этого можно увеличить передаваемое усилие на 4%.

Среди особенностей отметим:

  1. Этот показатель определяет то, какое расстояние между плоскостями.
  2. Максимальное усилие передается в случае, когда педаль находится под углом 90 градусов.
  3. Если ноги расположены вблизи друг друга, то длительная поездка может создать много трудностей.
  4. РассматриваемыйQ-фактор учитывается при создании спортивного велосипеда.

Увеличенный Q-фактор свойственен горным велосипедам. Это связано с тем, что он предназначен для движения по пересеченной местности.

Как работает коленчатый вал двигателя

Итак, в камерах двигателя внутреннего сгорания, после воспламенения нагнетенного туда горючего, образуются газы, которые, расширяясь, толкают поршни. Те, в свою очередь, оказывают воздействие на присоединенные к ним шатуны через кинематическую пару (бронзовая втулка и палец, тончайший зазор между ними заполнен маслом, подающимся сквозь отверстие во втулке). Шатун нижней головкой через подшипник соединен с шейкой колена, расположенного на валу, и каждое движение поршня, таким образом, проворачивает весь коленчатый вал двигателя.

Чтобы крутящий момент был передан на трансмиссию без ослабления, каждую коренную шейку охватывает специальный подшипник коленвала, состоящий из двух половинок, установленных внутри крышек картера. В последнем предусмотрены ячейки для вращающихся колен, с отверстиями для шатунов в верхней части и поддоном для масла в нижней. Между ячейками, по числу опорных шеек, располагаются подшипники, у каждого вместо элементов качения с внутренней стороны имеется канавка для масла.

Чтобы масло не вытекало из картера, на оба конца вала устанавливаются сальники, которые также имеются с каждой стороны от опорных подшипников.

Поршень с кольцами и пальцем

Поршень – это небольшая цилиндрическая деталь, изготовленная из алюминиевого сплава. Его основным назначением является преобразование давления выделяемых газов в поступательное движение, передаваемое в шатун. Возвратно-поступательное движение обеспечивается за счет гильзы.

Поршень состоит из юбки, головки и дна (днища). Дно может иметь разную форму (выпуклую, вогнутую или плоскую), в нем содержится камера сгорания. На головке расположены небольшие канавки для поршневых колец (маслосъемных и компрессионных).

Кольца компрессионного типа предотвращают возможное попадание газов в двигательный картер, а кольца малосъемного типа предназначены для удаления лишнего масла со стенок цилиндра.

Юбка оснащена специальными бобышками с отверстиями, для установления поршневого пальца, соединяющий поршень и шатун.

Шатун

Шатун – еще одна деталь КШМ, которая изготавливается из стали методом штамповки или ковки, оснащенная шарнирными соединениями. Шатун предназначен для передачи энергии движения от поршня к валу.

Шатун складывается из верхней, разборной нижней головки и стержня. Верхняя головка соединяется с поршневым пальцем. Нижнюю разборную головку можно соединять с шейкой вала с помощью крышек (шатунных).

Читать еще:  Что такое твд двигатель

Кривошип (колено)

К любому кривошипу (колено) крепится шатун поршня. Зачастую кривошип располагается от оси шеек в определенном радиусе, что определяет ход поршня. Именно эта деталь дала название кривошипно-шатунному механизму.

Коленчатый вал

Еще одна подвижная деталь механизма сложной конфигурации, изготовленная из чугуна или стали. Основным назначением вала является преобразование поступательного поршневого движения поршня во вращательный момент.

Коленчатый вал складывается из шеек (коренных, шатунных), щек (соединяющих шейки) и противовесов. Щеки создают равновесие при работе всего механизма. Внутри шейки и щеки оснащены небольшими отверстиями, через которые под давлением происходит подача масла.

Маховик

Маховик, как правило, установлен на конце вала. Изготавливается из чугуна. Маховик предназначен для повышения равномерного вращения вала для запуска двигателя с помощью стартера.

В настоящее время чаще применяются маховики двухмассового типа – два диска, которые достаточно плотно соединены между собой.

Блок цилиндров

Это неподвижная деталь КШМ, которая изготавливается из чугуна или алюминия. Блок предназначен для направления поршней, именно в них осуществляется весь рабочий процесс.

Блок цилиндров может быть оснащен рубашками охлаждения, постелями для подшипников (распределительного и коленчатого вала), точкой крепления.

Головка цилиндров

Эта деталь оснащена камерой сгорания, каналами (впускными и выпускными), отверстиями для свечей зажигания, втулками и седлами. Головка цилиндров изготавливается из алюминия.

Как и блок, головка также имеет рубашку охлаждения, которая соединяется с рубашкой цилиндра. А вот герметичность этого соединения обеспечивается специальная прокладка.

Закрывается головка небольшой штампованной крышкой, при этом между ними устанавливается резиновая прокладка, устойчивая к воздействию масел.

Поршень, гильза цилиндров и шатун образуют то, что автомобилисты обычно называют цилиндр. Двигатель может иметь от одного до 16, а иногда и больше цилиндров. Чем больше цилиндров, тем больше общий рабочий объем двигателя и, соответственно, тем больше его мощность. Но нужно понимать, что при этом одновременно с мощностью растет и расход топлива. Цилиндры в двигателе могут располагаться по различным компоновочным схемам:

  • рядная (оси всех цилиндров располагаются в одной плоскости)
  • V-образная компоновка (оси цилиндров располагаются под углом 60 или 120 градусов в двух плоскостях)
  • оппозитная компоновка (оси цилиндров располагаются под углом 180 градусов)
  • VR-компоновка (аналогично V-образной, но плоскости располагаются под небольшим углом относительно друг друга)
  • W-образная компоновка представляет собой совмещение на одном коленчатом валу двух VR-компоновок, расположенных V-образно со смещением относительно вертикали

От компоновочной схемы зависит балансировка двигателя, а так же его размер. Наилучшей балансировкой обладает оппозитный двигатель, однако он редко используется на автомобилях из-за конструктивных особенностей.

Так же отличным балансом обладает рядный шестицилиндровый двигатель, но его применение на современных автомобилях практически невозможно из-за его громоздкости. Наибольшее распространение получили V-образные и W-образные двигатели из-за наилучшего сочетания динамических характеристик и конструктивных особенностей.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector