Основной задачей шатуна является передача возвратно-поступательного движения от поршня к вращательному движению коленчатого вала. Таким образом, шатун фактически преобразует возвратно-поступательное движение во вращательное. Также, как и его омоним — медведь-шатун в лесу, шатун в двигателе является самым крепким и сильным "зверем".
Как работает шатун?
Шатун (отмечен жёлтым) передаёт возвратно-поступательное движение от поршня (отмечен синим) к коленвалу (отмечен зелёным) Как уже было отмечено выше, шатун берёт на себя задачу передачи тягового усилия от поршня, который движется вверх-вниз, к коленчатому валу, преобразовывая тягу во вращательную. Происходит это очень просто. В то время, когда поршень находится в верхней мёртвой точке — точнее, чуть ниже её, происходит воспламенение топлива и воздуха в камере сгорания над поршнем, и в результате взрыва поршень выталкивается вниз. Шатун, прикреплённый сверху к поршню, также движется вниз, заставляя крутиться коленчатый вал. Когда поршень достигает нижней точки, по инерции коленвал толкает шатун и вместе с ним поршень вверх.
Верхняя часть шатуна единая и неразрывная, а нижняя — разъединяется для того, чтобы шатун был одет на коленчатый вал. Очень важную роль играет подшипник между шатуном и коленчатым валом — он должен быть выполнен очень качественно и выдерживать колоссальные нагрузки.
Как правило, существует несколько материалов, которые используются при создании шатунной системы. Это легированная сталь, алюминий и титан.
Также иногда для изготовления шатуна используют смеси материалов — обычно те же алюминий и титан смешивают вместе, чтобы получить высокопрочный сплав.
Выбор шатуна — довольно простая задача, Вам просто нужно знать марку и модель двигателя (или, ещё лучше, код запчасти). Однако, шатуны следует покупать только оригинальные и лучше только у авторизованных дилеров. Проблема здесь в том, что при замене вышедших из строя шатунов двигатель полностью разбирается, а некачественные шатуны могут не только заставить повторить недешёвый процесс разборки/сборки мотора, но и привести к более дорогостоящим последствиям.
Несмотря на требовательность к точности, прочности при производстве, шатун — относительно недорогая запчасть автомобиля. И здесь работает закономерность — чем крупнее шатун (и, соответственно, двигатель), тем он дороже.
Для большинства российских легковых автомобилей шатун стоит около 700-1200 рублей (один шатун, не комплект), для иномарок (причём, цена на сам автомобиль не сильно коррелирует со стоимостью шатуна) около 1000-3000 рублей. Для КамАЗа — от 4000 до 7000 рублей, для грузовых автомобилей иностранного производства — от 5000 до 15000 рублей.
В шатуне ДВС, содержащем поршневую и кривошипную головки, соединяющий их жесткий шток (стержень) и крышку, присоединенную болтами к кривошипной головке, особенностью является то, что ось отверстий поршневой и кривошипной головок шатуна выполнена со смещением от линии, соединяющей центры площадей поперечных сечений штока (стержня) на величины, определяемые по формуле: 
i
firi, где i – величина смещения, fi – коэффициент трения материалов, составляющих фрикционную пару шарнира, r i – радиус шарнира, в сторону, обеспечивающую разгрузку стержня шатуна от действия момента трения в парах палец – поршневая головка и кривошип – кривошипная головка. Изобретение позволяет обеспечить равномерное распределение напряжений в поперечных сечениях стержня шатуна для уменьшения его массы при обеспечении необходимых несущих свойств. 1 ил.
Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к конструкциям шатунов.
Известна конструкция шатуна двигателя внутреннего сгорания, состоящая из шатунной ножки, шатунной головки и стержня, ось которого проходит через центры отверстий в верхней и нижней головках шатунов и имеет равновеликие составные половинки (см. патент FR №2719349 кл. F 16 C 7/00 от 29.04.94).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, при использовании известного изобретения является неравномерное распределение сжимающих напряжений по поперечному сечению стержня шатуна, возникающих при передаче усилия от поршня во время рабочего хода, обусловленное его симметричностью.
Известна конструкция шатуна двигателя внутреннего сгорания, поршневую и кривошипную головки, соединяющий их жесткий шток и крышку, присоединенную болтами к кривошипной головке, в котором центр масс смещен относительно его продольной оси (см. А.С. SU №1227837, кл. F 16 C 7/02, от 28.04.81 г.).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного изобретения, является пересечение осей кривошипной и поршневой головок с линией, соединяющей центры площадей поперечных сечений корпуса (штока, стержня).
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является шатун, ось стержня которого смещена от линии, соединяющей центры поршневой и кривошипной головок с целью достижения большей мощности, момента и экономичности машины (см. заявка WO №49300, кл. F 16 C 7/02, от 25.02.2000 г.)
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного изобретения, принятого за прототип, является пересечение оси отверстия поршневой головки шатуна с осью его стержня или неопределенное по величине и направлению смещение оси стержня относительно центра кривошипной головки, приводящее к нагружению стержня дополнительными моментами от сил трения в поршневой и кривошипной головках шатунов и соответствующему увеличению его массы.
Сущность изобретения - обеспечение равномерного распределения напряжений в поперечных сечениях стержня шатуна с целью уменьшения его массы при обеспечении необходимых несущих свойств.
Технический результат - снижение массы шатуна приводит к уменьшению массы противовесов коленчатого вала, уменьшению инерционных сил подвижных деталей кривошипно-шатунного механизма, снижению шума, вибраций, расхода топлива и уменьшению вредных выбросов ДВС.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в шатуне двигателя внутреннего сгорания, содержащем поршневую и кривошипную головки, соединяющий их жесткий шток (стержень) и крышку, присоединенную болтами к кривошипной головке, особенностью является то, что ось отверстий поршневой и кривошипной головок шатуна выполнена со смещением от линии, соединяющей центрыплощадей поперечных сечений штока (стержня) на величины, определяемые по формуле
i
iri,
где i- величина смещения,
ri - радиус шарнира, в сторону, обеспечивающую разгрузку стержня шатуна от действия момента трения в парах палец - поршневая головка и кривошип - кривошипная головка.
На чертеже представлен шатун двигателя внутреннего сгорания - общий вид.
Шатун для двигателя внутреннего сгорания включает корпус шатуна 1, содержащий поршневую головку 6 с осью отверстия 9, стержень 7 с осью 10 и кривошипную головку 8 с осью отверстия 11, к которой болтами 2 крепится крышка шатуна 3. Шатун поршневым пальцем 5 соединен с поршнем 4.
Работа шатуна осуществляется следующим образом. Газовые силы, действующие на поршень 4 в период рабочего хода, действуют на поршневой палец 5, от которого передаются на поршневую головку шатуна 6, далее через стержень шатуна 7 на кривошипную головку 8, от которой передаются на кривошип коленчатого вала. Для неподвижной схемы все силы проходят через центры отверстий. Но при вращении в шарнирных парах образуются моменты, вызванные трением фрикционных пар поршневой палец -поршневая головка шатуна, кривошипная головка - кривошип, которые дополнительно нагружают стержень шатуна изгибающим моментом, и стержень работает как сжато-изогнутая балка, несущая способность которой значительно уменьшается.
Преимущество изобретения состоит в том, что оси отверстий поршневой и кривошипной головок шатуна не совпадают с осью стержня (если стержень симметричен) или линией, соединяющей центры площадей сечений, а смещены на величину i. В этом случае сила, действующая на шатун, создает момент, противоположный по направлению моменту трения, что приводит к полной или частичной разгрузке стержня шатуна от изгиба. Величину разгрузки следует назначать с учетом всех действующих сил на конкретный кривошипно-шатунный механизм.
Формула изобретения
Шатун двигателя внутреннего сгорания, содержащий поршневую и кривошипную головки, соединяющий их жесткий шток (стержень) и крышку, присоединенную болтами к кривошипной головке, отличающийся тем, что ось отверстий поршневой и кривошипной головок шатуна выполнена со смещением от линии, соединяющей центры площадей поперечных сечений штока (стержня) на величины, определяемые по формуле
ifiri,
где i – величина смещения,
fi – коэффициент трения материалов, составляющих фрикционную пару шарнира;
ri – радиус шарнира,
в сторону, обеспечивающую разгрузку стержня шатуна от действия момента трения в парах палец – поршневая головка и кривошип – кривошипная головка.
РИСУНКИ
www.findpatent.ru
Шатун поршня в двигателе внутреннего сгорания играет очень важную роль, он является соединяющим звеном цепочки: поршень - коленчатый вал. Он преобразует вращение коленвала в поступательные движения поршня. При работе двигателя шатун испытывает на себе переменные циклические нагрузки, поэтому одной из важных характеристик отвечающих за его ресурс, является усталостная прочность.
Усталостная прочность шатуна достигается изготовлением его из правильно подобранного материала, удачной конструкции и соблюдении всех технологий.
Для изготовления шатунов применяют стали с содержанием углерода 0,3 - 0,45%:
Шатун состоит из стержня, нижней и верхней головки по краям. Через поршневой палец на верхней головке крепится поршень, на нижней, которая является разъемной - коленчатый вал.
Заготовки шатунов получают штамповкой в несколько этапов с промежуточной термообработкой. Это дает высокую вязкость и пластичность при невысокой твердости.
При проектировании двигателя, в шатун закладывается высокая прочность его конструкции путем снятия или максимального уменьшения напряжений в опасных местах.
Для надежной работы шатуна, должен обладать высокой прочностью не только сам шатун, но и болты, соединяющие две половинки его нижней головки. Так как болты, как и сам шатун подвержены цикличным нагрузкам. Для придания прочности их изготавливают из стали с низким содержанием углерода 0.3%. Резьба на болтах не нарезается, а накатывается, так как катаная резьба прочнее нарезной на 20-30%. Шаг резьбы на болтах: чаще всего М8х1, М9х1 и М10х1, реже применяется М10х1.25, еще реже М8х0.75.
Для центрирования крышек применяются разные варианты.
На большинстве двигателей применяются шатуны с плоским стыком крышки, так как его нижняя часть беспрепятственно проходит сквозь цилиндр (при установке на двигатель поршня и шатуна в сборе). Но встречаются двигатели, где это сделать проблематично, например, на некоторых дизельных двигателях, где шатун из-за больших нагрузок на него выполнен массивнее. При плоском стыке нижняя головка может не пройти в цилиндр, поэтому на таких двигателях делают косой стык по треугольным или прямоугольным шлицам.
Из-за облегчения центрирования нижней крышки по отверстиям на последних двигателях VOLVO, а также ALFA ROMEO применена конструкция с треугольными шлицами на прямом стыке. У них есть один минус, при разрушении шатунного вкладыша, такие шатуны гораздо сложнее в ремонте.
На некоторых последних двигателях именитых марок BMW и FORD применяются “колотые” шатуны. У таких шатунов стыком разъема крышки является хрупкий излом. Огромным преимуществом такой конструкции шатунов является высокая точность отверстия нижней головки, она составляет порядка 0.001-0.002 мм. Но при этом они обладают большим минусом, они практически не ремонтопригодны.
Шатун является довольно точной деталью. Основной параметр закладывается в параллельности осей верхней и нижней головки. Здесь его точность должна лежать в пределах 0.02 - 0.03 мм на расстоянии 100 мм. В одном двигателе шатуны могут отличаться по массе не более чем на 1% от массы шатуна.
Для уравновешенности всей кривошипно-шатунной системы необходимо провести развесовку шатунов и поршней. Так вот, когда речь идет о развесовке шатунов, то их вес учитывается по отдельности. Для уравновешенности коленчатого вала учитывается вес только нижней головке шатуна, так как именно она совершает вращательное движение и должна быть уравновешенна противовесом коленчатого вала.
Масса нижней его части может быть определена путем ее взвешивания, когда верхняя головка находится на шарнирной опоре.
Масса верхней его части определяется аналогично, только в этом случае на весах взвешивается его передняя часть, а задняя часть находится на шарнирной опоре.
В сумме оба веса должны дать общую массу шатуна.
В следующей части статьи шатун поршня двигателя мы поговорим о верхней головке шатуна.
avto-master.info
Изобретение относится к области двигателестроения и направлено на снижение вибрации двигателя внутреннего сгорания. Шатун двигателя внутреннего сгорания содержит поршневую и кривошипную головки, стержень и средство снижения виброактивности шатуна. Средство снижения виброактивности шатуна выполнено в виде двух камер с металлической дробью, причем камеры образованы штатными углублениями стержня и крышками со средствами крепления к полкам тавра стержня шатуна. Крышки выполнены с отверстиями (перфорированы) либо сплошными без отверстий - перфораций. Технический результат: простота и технологичность конструкции, снижение виброактивности шатуна. 3 ил.
Изобретение относится к области двигателестроения и направлено на снижение вибрации двигателя внутреннего сгорания.
Изобретение может быть использовано в компрессорах, насосах, а также в других машинах и механизмах с кривошипно-шатунными механизмами.
Известен шатун двигателя внутреннего сгорания [1], содержащий поршневую и кривошипную головки, связанные между собой посредством разрезного состоящего из двух частей стержня. Указанные части стержня жестко связаны одними концами с головками посредством крепежных элементов, между другими концами установлен упругий элемент, выполненный в виде аккумулятора энергии с возможностью телескопического перемещения. Такой шатун не надежен в эксплуатации и рассчитан на небольшие нагрузки.
Известен также шатун двигателя внутреннего сгорания [2]. В шатуне поршневая и кривошипная головки связаны между собой посредством разрезного состоящего из двух частей стержня. Одни концы стержня жестко связаны с головками, а между другими концами частей стержня установлен упругий элемент, выполненный в виде цилиндрической втулки из пружинной стали и размещенного в этой втулке сменного пакета цилиндрических пластинчатых пружин различной толщины (прототип).
Существенным недостатком шатуна является сложность конструкции и высокая его стоимость.
Техническими результатами изобретения являются простота и технологичность конструкции, низкая виброактивность и стоимость изготовления, и существенное снижение виброактивности в целом.
Технический результат достигается тем, что:
1. Средством снижения виброактивности шатуна является дополнительный элемент штатного шатуна проектированных и находящихся в эксплуатации двигателей.
2. Средством, обеспечивающим снижение виброактивности, служит металлическая дробь.
3. Средство снижения виброактивности - металлическая дробь - размещено в двух камерах.
4. Камеры для размещения металлической дроби образованы штатными углублениями стержня шатуна и крышками со средствами крепления к полкам тавра стержня шатуна.
5. Крышки камер сплошные или выполнены с отверстиями (перфорированы).
6. Шатун технологическим операциям, приводящим к изменению его конструкции, а также снижению прочности, не подвергается.
7. В камерах с металлической дробью накапливаются разбрызгиваемое картерное масло и его пары через щели, образованные между крышками камер и полками стержня шатуна, или отверстия (перфорации) самой крышки.
Техническое решение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен шатун в плоскости zoy его сложного движения, на фиг.2 - разрез А-А поперечного, т.е. параллельно плоскости оух, сечения стержня шатуна, на фиг.3 - разрез В-В, продольное сечение шатуна, т.е. в плоскости zox.
Шатун содержит поршневую головку 1, кривошипную головку 2, стержень 3, крышку 4 кривошипной головки, шатунные болты 5.
Сечение А-А стержня 3 шатуна - двутавровое, т.е. состоит из полок 6, 7, между которыми расположена симметрично перпендикулярная стойка 8 двутавра. Параллельно противоположные поверхности стойки 8 с внутренними поверхностями полок 6, 7 образуют соответствующие углубления двутавра (фиг.2, 3). Эти углубления закрыты соответственно крышками 9, 10 (фиг.2, 3), которые могут быть выполнены, по крайней мере, с отверстиями Е. Углубления двутавра с крышками 9, 10 образуют справа и слева от стойки 8 соответствующие камеры С, D (фиг.3). В камерах С, D размещена металлическая дробь 11, 12 (фиг.1-3). Крепление крышек 9, 10 камер С, D к полкам двутавра осуществляется, по крайней мере, винтами 13, 14.
Работа шатуна заключается в следующем.
При работе двигателя угловая скорость вращения коленчатого вала поршневого двигателя внутреннего сгорания w не является постоянной, а периодически меняется по времени [8]. Периодом для w будет период рабочего процесса в двигателе, т.е. для четырехтактного процесса - два оборота коленчатого вала двигателя, а для двухтактного процесса - один оборот. Причиной переменности w являются крутильные колебания коленчатого вала, которые возникают вследствие упругости последнего и вследствие того, что при работе двигателя силы, действующие на кривошипные шейки вала, периодически изменяются, причем периодом их изменения и являются как раз два оборота вала в четырехтактных двигателях, один оборот в двухтактных. Кроме того, в процессе возвратно-поступательного движения поршня силы инерции шатуна любого кривошипно-шатунного механизма (КШМ) по характеру движения являются качательными, т.е. шатун совершает плоское движение, перпендикулярное оси коленчатого вала двигателя [8].
При работе двигателя в зависимости от угла отклонения шатуна от оси цилиндра и положения относительно верхней или нижней мертвой точки поршня металлическая дробь 11, 12 (фиг.1-3) центробежной и поступательной силами инерции прижимается к соответствующим внутренним поверхностям камер С, D (фиг.2, 3).
Возникающие при этом от металлической дроби 11, 12 (фиг.1-3) реактивные силы инерции и моменты стремятся вернуть шатун в исходное положение, благодаря чему происходит снижение виброактивности шатуна [9]. Таким образом, реактивные силы инерции металлической дроби 11, 12 (фиг.1-3) снижают как силы инерции поступательно движущихся масс, так и боковую или нормальную силу, действующую перпендикулярно на стенку цилиндра, а следовательно, и радиальную, тангенциальную, центробежную силы и силу, действующую по оси шатуна.
Для проникновения в камеры С, D (фиг.3) с металлической дробью 11, 12 (фиг.2, 3) разбрызгиваемого от работы коленчатого вала масла, а также образованного масляного тумана в картере, крышка по первому варианту выполнена с отверстиями Е (фиг.3), а по второму варианту масло может поступать через щели, образованные между плоскостями полок 6, 7 (фиг.2) двутавра стержня 3 шатуна и крышками 9, 10 (фиг.2, 3). При движении шатуна происходит движение металлической дроби 11, 12 (фиг.2, 3) и масла с соответствующей скоростью. Часть масла при этом выходит из камер С, D (фиг.3) через отверстия Е (фиг.3) или щели, забрызгивая зеркало цилиндра и коленчатый вал. Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает также смазку и охлаждение цилиндра, коленчатого вала, что очень важно.
Реализация шатуна в двигателях внутреннего сгорания, особенно быстроходных, может обеспечить снижение виброактивности примерно на 5-7 дБ. Работы по данному направлению планируется выполнить на базе двигателя Ч 8,5/11.
Источники информации
1. 3аявка ФРГ №3339360, кл. F16С 7/07, 1985.
2. Патент РФ №1767246. - Шатун двигателя внутреннего сгорания. / М.А.Минасян. - Опубл. в БИ №37 07.10.92 г. (прототип).
3. Авт.св. 1267080. Шатун. / М.А.Минасян. - Опубл. в БИ №40, 1986 г.
4. Авт.св. 122787. Шатун. / М.А.Минасян, П.А.Истомин. - Опубл. в БИ №16, 1981.
5. Патент РФ №2245463. - Шатун двигателя внутреннего сгорания / Минасян М.А. - Опубл. в БИ №3, 2005.
6. Патент РФ №2254507. - Шатунно-поршневая группа / Минасян М.А. - Опубл. в БИ №6, 2005.
7. Истомин П.А., Минасян М.А. Динамические модели кривошипно-шатунных механизмов и их деталей // Двигателестроение. 1984, №9, с.20-24.
8. Нейман И.Ш. Динамика авиационных двигателей. М. - Л., Оборонгиз, 1940, с.468.
9. Истомин П.А., Минасьян М.А. Динамические модели кривошипно-шатунных механизмов поршневых двигателей и их деталей. Двигателестроение, 1984, №9, с.20-24.
Шатун двигателя внутреннего сгорания, содержащий поршневую и кривошипную головки, стержень и средство снижения виброактивности шатуна, отличающийся тем, что средство снижения виброактивности шатуна выполнено в виде двух камер с металлической дробью, причем камеры образованы штатными углублениями стержня и крышками со средствами крепления к полкам тавра стержня шатуна, крышки выполнены с отверстиями (перфорированы) либо сплошными без отверстий - перфораций.
www.findpatent.ru
Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к конструкциям шатунов. Шатун двигателя внутреннего сгорания содержит поршневую и кривошипную головки, соединяющий их жесткий шток и крышку, присоединенную болтами к кривошипной головке. Ось наружной поверхности поршневой головки смещена относительно оси отверстия под поршневой палец на величину Δi в сторону таким образом, что обеспечивается выравнивание напряжений в правой и левой половинах поперечного сечения поршневой головки от действия момента трения в паре палец - поршневая головка. Технический результат - обеспечение равных напряжений в поперечных сечениях поршневой головки шатуна с целью уменьшения его массы при обеспечении необходимых несущих свойств. 2 ил.
Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к конструкциям шатунов.
Известна конструкция шатуна двигателя внутреннего сгорания, состоящая из шатунной ножки, шатунной головки и стержня, ось которого проходит через центры отверстий в верхней и нижней головках шатунов и имеет равновеликие составные половинки (см. патент FR №2719349, кл. F 16 C 7/00 от 29.04.94).
Известна конструкция шатуна двигателя внутреннего сгорания, поршневую и кривошипную головки, соединяющий их жесткий шток и крышку, присоединенную болтами к кривошипной головке, в котором центр масс смещен относительно его продольной оси (см. авт. свид. SU №1227837, кл. F 16 C 7/02 от 28.04.81 г.).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, при использовании известного изобретения является неравномерное распределение растягивающих напряжений по поперечному сечению поршневой головки шатуна, возникающих при инерции поршневого комплекта и поршневого пальца при прохождении поршнем верхней мертвой точки во время такта выпуска, обусловленное симметричностью поршневой головки.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является шатун, содержащий поршневую и кривошипную головки, стержень, ось которого смещена от линии, соединяющей центры поршневой и кривошипной головок с целью достижения большей мощности, момента и экономичности машины, и крышку, присоединенную болтами к кривошипной головке (см. заявка WO №49300, кл. F 16 C 7/02 от 25.02.2000 г.).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного изобретения, принятого за прототип, является симметричность поршневой головки шатуна, которая приводит к неравномерному нагружению поперечных сечений от результирующей сил инерции и трения.
Сущность изобретения - обеспечение равных напряжений в поперечных сечениях поршневой головки шатуна с целью уменьшения его массы при обеспечении необходимых несущих свойств.
Технический результат - снижение массы шатуна приводит к уменьшению массы противовесов коленчатого вала, уменьшению инерционных сил подвижных деталей кривошипно-шатунного механизма, снижению шума, вибраций, расхода топлива и уменьшению вредных выбросов ДВС.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в шатуне двигателя внутреннего сгорания, содержащем поршневую и кривошипную головки, соединяющий их жесткий шток и крышку, присоединенную болтами к кривошипной головке, особенностью является то, что ось наружной поверхности поршневой головки смещена относительно оси отверстия под поршневой палец на величину Δi в сторону таким образом, что обеспечивается выравнивание напряжений в правой и левой половинах поперечного сечения поршневой головки от действия момента трения в паре палец - поршневая головка.
На чертежах представлено: на фиг.1 изображен общий вид шатуна двигателя внутреннего сгорания; на фиг.2 - поршневая головка шатуна со смещением оси образующей наружной поверхности относительно оси отверстия под поршневой палец.
Шатун двигателя внутреннего сгорания включает корпус шатуна 1, содержащий поршневую головку 6 с осью отверстия 9, стержень 7 с осью 10 и кривошипную головку 8 с осью отверстия 11, к которой болтами 2 крепится крышка шатуна 3. Шатун поршневым пальцем 5 соединен с поршнем 4.
Работа шатуна на такте выпуска осуществляется следующим образом. Силы инерции, действующие на поршень 4 и на поршневой палец 5, передаются на поршневую головку шатуна 6, далее через стержень шатуна 7 на кривошипную головку 8, от которой передаются на кривошип коленчатого вала. Для неподвижной схемы все силы проходят через центры отверстий. Но при колебательном движении шатуна в шарнирной паре поршневой головки образуется момент, вызванный трением фрикционной пары поршневой палец - поршневая головка шатуна, который нарушает симметрию нагрузки, вследствие чего левая и правая часть поперечного сечения поршневой головки нагружается по разному.
Преимущество изобретения состоит в том, что ось наружной поверхности поршневой головки смещена относительно оси отверстий под поршневой палец на величину Δi. В этом случае площади и моменты инерции левой и правой половины поперечного сечения поршневой головки шатуна становятся неодинаковыми, и поршневая головка работает как непризматическая криволинейная балка. Величина смещения является сложной функцией геометрических размеров, характеристик материалов, действующей нагрузки и коэффициента трения и в каждом конкретном случае определяется расчетным путем таким образом, чтобы максимальные напряжения в левой и правой половине поперечного сечения головки были равны.
Шатун двигателя внутреннего сгорания, содержащий поршневую и кривошипную головки, соединяющий их жесткий шток и крышку, присоединенную болтами к кривошипной головке, отличающийся тем, что ось наружной поверхности поршневой головки смещена относительно оси отверстия под поршневой палец на величину Δi в сторону таким образом, что обеспечивается выравнивание напряжений в правой и левой половинах поперечного сечения поршневой головки от действия момента трения в паре палец - поршневая головка.
www.findpatent.ru
Приветствую всех гостей моего сайта. Многие возможно увидели, что у меня уже имеется достаточное количество статей про различные поршни, от несложных до керамических. Но неожиданно спохватившись, я понял, что у меня на сайте нет ни одной статьи, про не меньше серьёзную и нагруженную деталь любого двигателя внутреннего сгорания — шатун. В ДВС эта подробность испытывает такие же нагрузки как и поршень, а также больше. А важность качественного изготовления шатуна, ещё более значима, поскольку в нём находятся два подшипника, скольжения либо качения, а сил, влияющих на шатун, кроме того больше чем у поршня.
В данной статье я постараюсь поведать всё, ну либо практически всё о шатуне, поведать какие конкретно они бывают, и т. д. и т. п.
Главная задача детали двигателя, именуемой шатун, это превращение поступательного перемещения поршня (вверх-вниз) во вращательное перемещение коленчатого вала. Верхняя головка шатуна соединена через металлический палец с поршнем, и принимает на себя давление газов сгорающей горючее-воздушной смеси.
А нижняя головка шатуна передаёт давление газов на кривошипно-шатунный механизм коленвала и заставляет его крутиться. И при этих казалось бы несложных перемещениях, шатун испытывает колосальные ,и в также время неравномерные (переменные) нагрузки.
К тому же в начале такта впуска и в конце такта сжатия, шатун тянет на себя и собственный вес и поршень, и всё это на громадных оборотах, в итоге силы инерции пробуют его растянуть (порвать). А на рабочем такте выпуска и такте двигателя, шатун напротив сжимается от давления газов, давящих на поршень, и от сопротивляющегося коленчатого вала. Другими словами на громадных оборотах, нагрузка на разрыв и нагрузка на сжатие, чередуются весьма быстро и скоро. Сейчас я думаю вы представили, как и в каких условиях приходится трудиться данной подробности.
Исходя из этого и требования о качестве изготовления шатуна, довольно большие.
Так как если он хоть мало не выдержит нагрузки и чуть деформируется, то поршневую группу тут же перекосит и начнёт прихватывать, а подшипники в его головках будут трудиться с перекосом, конечно перекос подшипников будет и при трении на шейках коленвала (и поршневого пальца также). При таких условиях, ресурс двигателя быстро устремится к нулю, к тому же как мы знаем, поршневая и коленвал — это самые дорогие детали двигателя.
подшипники и Шатун его головок двухтактного 50 кубового мотора
Значит светло, дабы шатун выдержал перечисленные выше нагрузки, его нужно изготовить из прочной и отличной стали.
А к шатунам и к материалу их изготовления у спортивного двигателя (форсированного, с надувом), требования ещё более твёрдые. При изготовлении, заготовку штампуют, и весьма шепетильно смотрят за образованием соответствующего профиля, что придает конструктивную жесткость подробности. Так же крайне важна полная одинаковость (особенно по весу) изготовления шатунов для многоцилиндровых двигателей, поскольку в случае если будет расхождение по массе кроме того на несколько граммов, то повышенная вибрация на высоких оборотах, будет весьма ощутима и вредна. Неудобство от вибрации будет ощущаться как водителем, так и самим двигателем, в итоге разрушение коренных подшипников коленвала, может случиться за считанные километры. Исходя из этого в случае если вам нужно будет поменять один из нескольких шатунов вашего двигателя, настоятельно рекомендую убедиться в том, что новый шатун весит совершенно верно столько же как и остальные шатуны.
Предостережение.
Многие «Кулибины», разобрав собственный двигатель и заметив в первый раз шатуны, удивляются какой же он,, либо они шероховатые. Тут же в их яркой голове появляется идея: а не пригладить ли их наждаком либо напильником. Всем настоятельно рекомендую — не требуется, тут народное творчество неуместно. И растолкую из-за чего: так как при штамповке самым прочным получается верхний (наружный) слой металла, и как раз исходя из этого все шатуны серийных двигателей не обрабатываются снаружи, по окончании штамповки.
Шатуны мотоцикла Урал, вымирающая конструкция из-за нехорошей смазки подшипников и их малого ресурса. На фото Б — обычный двутавровый шатун, а на фото В — шатун непрочной формы.
Ещё направляться обратить внимание на центральную часть шатуна (стержень), которая имеет двутавровое сечение (исключение составляют шатуны некоторых моделей мотоциклов Урал). Многих «Кулибиных», у которых всегда чешутся руки, так и подмывает прогуляться по граням двутавра с болгаркой. Они в большинстве случаев мыслят так: дескать куда столько веса и лишнего металла, а вот в случае если это дело удалить и этим уменьшить шатун, то мотор закрутится радостнее.
Но ребятки, неужто вы умнее японских инженеров, каковые годами лишь и думают, как вынудить крутиться двигатель резвее и выжать из него большую мощность. взглянуть на фото (намерено помещённое мной внизу текста) шатунов с японских спортбайков, у которых мощи очевидно поболее чем у вашего оппозита. Из-за чего то на них двутавровое сечение сохранено. А дело в том, что именно двутавровая форма придаёт шатуну большую жёсткость на кручение и на изгиб, в особенности при передаче переменных упрочнений. Жаль что это не знают многие инженеры Ирбитского и народные умельцы завода, на мотоциклах Урал, как я уже сказал стоят шатуны необычной формы (см. фото) Но на некоторых моделях Уралов, стоят обычные двутавровые шатуны.
Возможно Ирбитский завод решил поэкспериментировать. Лишь вот жаль, что экспериментальные результаты отразятся на потребителе. Завод в Киеве по изготовлению мотоциклов Днепр, в этом замысле намного умнее, и шатуны их мотоциклов, фактически не отличаются от шатунов импортных мотоциклов (см. предпоследнее фото внизу текста).
Верная доработка шатуна
И однако шатун возможно доработать и уменьшить, но делать это необходимо верно, в особенности если вы при тюнинге двигателя параллельно облегчаете поршневую. Как мы знаем облегчение подробностей сокращает силы инерционных нагрузок (особенно на громадных оборотах). При облегчении подробностей основное не переусердствовать, поскольку верная разработка облегчения веса, разрешает уменьшить стержень шатуна всего на 10 — 15 %. Для этого шатун фрезеруют, а не пользуются простой болгаркой, поскольку фрезерный станок (особенно с ЧПУ) разрешает снять лишний слой металла полностью одинаково с обеих сторон подробности. По окончании фрезеровки поверхность шатуна нужно шепетильно отшлифовать и после этого отполировать.
Полировка поверхности шатуна необходима, поскольку по окончании фрезерной обработки поверхности металла, у шатуна не остаётся упрочнённого верхнего слоя, а микронеровности, покинутые фрезой фрезерного станка, становятся концентратором напряжений на поверхности подробности и их принципиально важно удалить (сгладить). И в случае если эти неровности не убрать, то при высоких оборотах, на шатуне в местах микронеровностей покажутся трещины, и вероятен обрыв шатуна.
Верхняя часть шатуна (головка).
На шатунах различных двигателей как верхняя часть, так и нижняя, возможно различной.
Нагрузки при работе мотора, на верхнюю часть приходятся меньшие, чем на нижнюю (подшипник кривошипа), соответственно от этого и диаметр на верхней головке меньше, чем на нижней. А по большому счету существует три метода соединения верхней головки и поршневого пальца шатуна.
Самый старый метод, это запрессовка поршневого пальца в головку шатуна (а в поршне палец сидит на свободной посадке). И данный метод некоторыми мотоциклистами самодельщиками имеющими Урал, используется и поныне, в то время, когда кое-какие из них устанавливают поршни от древних машин (к примеру от хороших жигулей).
Кое-какие преимущества для того чтобы сочленения подробностей однако имеется, к примеру полное отсутствие люфта между шатуном и пальцем, что разрешает свести диаметр головки к минимуму. От этого мало понижается (совсем чуть чуть) масса и конечно происходит некое (снова же чуть чуть) понижение инерционных сил.
И все эти маленькие преимущества понижаются куда более ощутимыми недочётами, в частности: поршневой палец не вращается в отверстии головки, а вращается в алюминиевых бобышках поршня. Это ведет к достаточно стремительному (по сравнению с другими методами соединения) однобокому износу бобышек поршня (получаются круглые, и в двигателе появляется неприятный стук).
К тому же при сборке подробностей таким методом, необходимо иметь маленькие навыки термиста. Другими словами если не нагреть головку шатуна до 150 — 200 градусов (а палец нужно охладить в морозилке), то подробность не установишь. Так же необходимо успеть выставить подробности ровно (палец относительно поршня), и если не успеешь, то нагреваемый от соприкосновения с тёплой подробностью палец намертво обожмётся остывающей головкой, и палец так и останется находиться криво, относительно поршня. Меньше необходимы определённые навыки.
Второй метод соединения верхней головки и поршневого пальца шатуна, это плавающий палец (палец подвижен в отверстии головки). При таком соединении, в верхнюю головку шатуна запрессовывается медная втулка, и в сопряжении с поршневым пальцем, втулка является подшипником скольжения, конечно используют ещё и подшипник качения — роликовый (чаще на двухтактных моторах). В таком методе нужно сократить осевое перемещение пальца, и для этого и предназначены стопорные кольца, каковые защёлкиваются в проточках бобышек поршня. В таком сопряжении в верхней головке шатуна сверлят отверстие либо два отверстия, для лучшего подвода смазки при работе. Ресурс подробностей при соединении вторым методом, возрастает приблизительно вдвое.
Как я уже сказал, используют либо подшипник скольжения — втулку, либо подшипник качения — сепаратор с роликами. В верхней головке шатуна четырёхтактных двигателей, используют втулку (медную). И при обычной смазке четырёхтакников, она способна пережить пара капитальных ремонтов двигателя.
В головках шатуна двухтактных двигателей, по крайней мере современных, применяют игольчатый (роликовый) подшипник качения, и это конечно, поскольку условия смазки этого сопряжения, в двухтактных моторах существенно хуже, поскольку тут не подаётся чистое масло, а топливно-воздушно-масляная смесь. И увижу, что подшипник качения, не отличается долговечностью в режиме работы тяни-толкай (а шатун имеет как раз таковой режим работы), и достаточно скоро изнашивается и начинает стучать (вспомните новые 12 вольтовые Явы, каковые начинали стучать намного раньше, чем их более древние 6 вольтовые модели, в которых устанавливалась медная втулка в головке шатуна).
Время бежит, моторы совершенствовались в увеличении мощности, и казалось бы, что в сочленении головки и пальца шатуна уже ничего не придумаешь получше и идеальнее.
Но неугомонная инженерная идея не позволяла уснуть многим изобретателям и инженерам. Но сперва на спортивных моторах, а после этого и на серийных, отказались от втулки в головке шатуна. И вот уже лет 25, как на импортных моторах в шатунах втулки нет по большому счету.
Стальной поршневой палец ходит (плавает) конкретно в отверстии металлического шатуна. И в условиях современной смазочной совокупности, и качественного синтетического масла, такое сопряжение подробностей трудится великолепно. Такое сопряжение разрешило существенно уменьшить головку шатуна, и свести зазор между отверстием головки и пальцем к минимуму.
Конечно все эти приколы даются не просто так: сам шатун изготовлен из сверхтвёрдой, сверхпрочной и от этого весьма износостойкой стали, а палец покрывается особым износостойким покрытием. Конечно пальцы и такие шатуны существенно дороже простых.
Нижняя часть шатуна (кривошипная нижняя головка).
Тут так же различия зависят от тактов мотора. В кривошипно-шатунном механизме двухтактного двигателя устанавливают роликовый подшипник качения. Он по конструкции практически такой же как и в верхней головке шатуна, но конечно существенно замечательнее и массивнее. И нижняя головка любого шатуна, испытывает нагрузки намного большие чем поршневая несколько двигателя. Кстати на древних моторах (к примеру БМВ и Цюндапп вермахта, К-750, М-72, либо мотоциклов Урал) в нижней головке шатуна кроме этого устанавливали подшипник качения, и ресурс коленвала таких моторов весьма мелкий — всего 15 тысяч км.
В современных четырёхтактных двигателях (к примеру у японских либо европейских спортбайков, либо продвинутых дорожников, и фактически во всех автомобильных двигателях) нижняя головка шатуна разъёмная, и с шейкой коленчатого вала контактирует через подшипники скольжения — вкладыши. База вкладышей металлическая, а сверху нанесён мягкий антифрикционный слой.
Г — шатун Днепра, Д и Е — шатуны зарубежных мотоциклов.
На шатуне с вкладышами имеются особые шатунные болты, каковые снабжают точность и жёсткость фиксации частей (половинок) нижней головки шатуна. Эти болты изготавливают из прочной высоколегированной стали и к тому же ещё и подвергаются термообработке (закаливаются и отпускаются).
Это принципиально важно, поскольку болт из простого металла, при работе шатуна растянулся бы, и отверстие нижней головки шатуна утратило бы форму совершенного круга (стало бы круглым). А в круглом отверстии сходу бы показался стук, и ударные нагрузки скоро бы доканали сопряжение. Так же шатунные болты делают функцию правильных фиксаторов шатунной крышки довольно самого шатуна, по причине того, что диаметр шатунных болтов выдерживается при изготовлении весьма совершенно верно (да и сами болты хорошо входят в собственные отверстия). Гайки шатунных болтов изготавливают из той же прочной стали, что и болты, и имеют особенную самоконтрящую их площадку. Но бывают гайки с отверстием для шплинта, что надёжно страхует их от отворачивания.
Гайки с отверстиями бывают на некоторых европейских моторах и на отечественном прекрасно привычном двигателе мотоцикла Днепр. Кстати, как я уже отмечал, шатуны Днепра, практически такие же как и шатуны импортных мотоциклов (см. фото), лишь в них стоит всё та же медная втулка, а гайки шатунных болтов стоят вверху, а не внизу.
Подчеркну, что крайне важно дабы вкладыши прилегали к постелям в шатуне весьма хорошо и без зазоров, поскольку чем плотнее прилегают вкладыши к металлу шатуна, тем интенсивнее отводится тепло от него (тепло отводится через коленчатый вал и плёнку масла). От этого зависит обычная температура при работе и долговечность подшипника скольжения. И в случае если найдёте при замерах и вскрытии двигателя, что овальность отверстий превышает 0,05 мм, то такие вкладыши нужно поменять (подробнее о ремонте двигателя возможно почитать вот тут).
Ну и конечно нельзя переворачивать либо поменять местами крышки нижних головок шатунов. Так как отверстия под вкладыши обрабатывают на заводе по отдельности на каждом шатуне (обрабатывают несколько — шатун с крышкой), в итоге любой шатун лишь со своей крышкой имеет совершенный круг. А при замене крышки данный круг конечно нарушается.
Дабы ремонтники не ошибались, на его крышке и шатуне ставят клеймо либо метки (в случае если внезапно их не обнаружите подробностях, то ставьте собственные). Оба клейма (и на крышке и на шатуне) при сборке должны появляться на одной стороне шатуна и иметь однообразную маркировку.
И последнее: при ремонте двигателя рекомендую контролировать шатуны (особенно отечественные) на параллельность и прямолинейность верхней и нижней головок шатуна, это крайне важно для обычной работы мотора.
Как это сделать возможно взглянуть в данной статье.
Вот помой-му и всё самое основное о шатуне, что как я думаю полезно знать каждому ремонтнику и не только ему. У кого появятся вопросы, пишите.
Удачи всем!
www.shatak.ru
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".
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 современный кривошипно-шатунный механизм 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.
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
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.
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 - шатун попеременно то сжимается, то растягивается на протяжении одного полного цикла, 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
Помимо несоосности частым дефектом шатуна становится износ отверстия верхней головки шатуна, в которое вставляется так называемый плавающий палец. 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.
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 проходят стенки цилиндров при капремонте блока). 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, турбонагнетатели. 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.
blamper.ru
