Устройство автомобилей

Устройство автомобилей

Детали шатунной группы

Шатунная группа

Шатунная группа образует промежуточное шарнирное звено между прямолинейно перемещающимся поршнем и вращающимся коленчатым валом. Она включает в себя шатун, шатунные вкладыши, втулку верхней головки шатуна и крепежные детали, к которым относятся болты и гайки нижней головки шатуна, выполняемой чаще всего разъемной (см. рис. 1).
Детали шатунной группы несут значительные механические нагрузки, принимаемые от поршня через поршневой палец и передаваемые далее деталям группы коленчатого вала, а также значительные инерционные нагрузки, обусловленные сложным знакопеременным движением шатуна.

По этим причинам к конструкции деталей шатунной группы предъявляются определенные требования, направленные на обеспечение их надежной и безотказной работы, а также приемлемой долговечности, поскольку ремонт и замена этих деталей связаны с ремонтными работами значительной трудоемкости.

Шатун

Основной деталью шатунной группы является шатун – металлический стержень с головками на обоих концах, шарнирно соединяющий поршень и коленчатый вал. Шатун воспринимает усилие со стороны газов при рабочем ходе от поршневого пальца и передает его кривошипу коленчатого вала, а также обеспечивает перемещение поршневой группы при совершении промежуточных процессов (тактов).
Верхняя головка шатуна качается на поршневом пальце через специальную втулку, а нижняя вращается относительно шатунной шейки посредством подшипников скольжения (вкладышей).

Анализ кинематики движения шатуна показывает, что его верхняя головка перемещается возвратно-поступательно совместно с поршнем. Совершая при этом цикличные угловые колебания небольшой амплитуды.
Нижняя головка шатуна вращается вместе с кривошипом коленчатого вала, при этом она тоже совершает колебания небольшой амплитуды относительно оси цилиндра.
Стержень шатуна совершает сложное циклическое движение в плоскости, перпендикулярной коленчатому валу.

Механические нагрузки, действующие на шатун, очень разнообразны и изменяются по величине и направлению во время работы двигателя. Набольшие напряжения обусловлены силами сжатия при рабочем ходе поршня, поэтому расчеты на прочность для шатунов выполняют по сжимающей нагрузке.
Растягивающие усилия при вспомогательных тактах, а также напряжения, вызванные силами трения и инерции значительно меньше сжимающих сил, тем не менее, при конструировании шатунов (особенно высоконагруженных и быстроходных двигателей) приходится учитывать и их.

К шатунам предъявляются следующие требования:

• высокая усталостная прочность при динамических нагрузках;
• высокая жесткость головок и стержня;
• минимальная масса и габариты (размеры шатуна не должны препятствовать его проходу через цилиндр при сборке двигателя);
• простота и технологичность конструкции.

В зависимости от компоновки двигателя могут применяться различные типы шатунов. В однорядных и V-образных двигателях со смещенными цилиндрами правого и левого ряда наибольшее распространение получили простые одинарные шатуны (рис. 1), непосредственно сопрягаемые с шатунной шейкой коленчатого вала. Реже встречаются в двухрядных и многорядных двигателях с цилиндрами, расположенными в одной поперечной плоскости, сочлененные шатуны (рис. 2).

Сочлененные шатуны могут быть:

• вильчатыми (рис. 2, а) с нижними головками, расположенными соосно шатунной шейке;
• главными (рис. 2, б) и прицепными (рис. 2, в) с нижними головками, размещенными вне центра шатунной шейки.

В последнем случае оси нижних головок главного и прицепного шатунов движутся по разным траекториям.

Конструкция верхней головки шатуна зависит от способов фиксации поршневого пальца. В случае жесткого закрепления поршневого пальца в верхней головке шатуна он запрессовывается в головку с гарантированным натягом.

При установке плавающего пальца в верхнюю головку шатуна запрессовывают бронзовую втулку, толщиной 0,8…2,5 мм.

Для подгонки шатуна по массе и расположению центра масс на верхней головке имеется прилив 1 (рис. 3). Чтобы обеспечить равномерное давление на опорную поверхность втулки, поперечное сечение верхней головки делается с утолщением в центре.

Для смазывания поршневого пальца в менее нагруженной части верхней головки шатуна выполняют отверстия или прорези (рис. 3, б, в).

Учитывая значительные отличия величин сжатия и растяжения, верхние головки шатунов дизельных двигателей иногда выполняют с наклонными торцевыми плоскостями (рис. 3, г). При этом давление на нижнюю и верхнюю половины головки сравниваются, а масляный слой имеет более равномерную толщину по окружности.

В наиболее нагруженных двигателях применяют подачу масла к поршневому пальцу под давлением через канал в стержне шатуна (рис. 3, д, е). При этом появляется возможность принудительного струйного охлаждения днища поршня через распылитель 2 на верхней головке.

С точки зрения прочности самым опасным сечением верхней головки является сечение в месте ее перехода в стержень (рис. 1, точка А), расположение которого определяется углом φ_З .
Для упрочнения верхней головки выполняют плавный переход (галтель) к стержню или создают прилив металла в зоне перехода.

Стержень шатуна должен обладать высокой жесткостью и прочностью. Этим требованиям отвечает стержень двутавровой формы поперечного сечения, который имеет высокую жесткость по оси х-х (рис. 1).
Такая форма стержня выгодна и с точки зрения уменьшения массы шатуна, а также экономии металла.
Размер поперечного сечения стержня шатуна плавно возрастает от верхней до нижней головки.

Нижняя головка шатуна обеспечивает вращательное движение шатуна вокруг шейки коленчатого вала и образует корпус шатунного подшипника. Для обеспечения сборки механизма нижние головки шатунов выполняются разъемными (разрезными). Крышка нижней головки крепится к шатуну с помощью шатунных болтов, шпилек или конических штифтов (рис. 2).

Для обеспечения правильных переходов отверстия под шатунный вкладыш нижняя головка обрабатывается в сборе с крышкой. Поэтому крышки нижних головок шатунов не взаимозаменяемы.

Плоскость разъема нижней головки чаще всего перпендикулярна оси стержня шатуна (рис. 1). Однако в дизелях, имеющих относительно большие диаметры шатунных шеек, коленчатого вала иногда применяют косой разъем нижней головки (рис. 4).
Если же применять обычный перпендикулярный разъем, нижняя головка может не пройти сквозь цилиндр при монтаже или демонтаже

Для точной центровки крышки относительно шатуна применяют призонные болты (имеющие точно обработанный направляющий поясок), а также треугольные шлицы, буртики и фиксирующие штифты.

Шатунные вкладыши , являясь подшипниками скольжения, обеспечивают вращение шатуна относительно коленчатого вала с минимальным трением и изнашиванием.

Шатунные вкладыши работают в более тяжелых условиях, чем коренные, так как нагружены неравномерно. Они выполняются аналогично вкладышам коренных подшипников и из того же материала. Осевой зазор, которому соответствует возможное перемещение шатуна вдоль шатунной шейки, не должен превышать 0,2…0,3 мм.

Шатунные болты затягиваются с усилием; момент затяжки должен в 2…3 раза превышать момент растяжения, возникающий при работе двигателя.

Болт должен исключать напряжения, перекосы. Должна быть предусмотрена надежная фиксация, препятствующая самоотворачиванию болта.

Напряжения в болте и гайке, возникающие при затяжке, снимаются обратным поворотом гайки на небольшой угол. Болты выполняют фасонными с таким расчетом, чтобы минимальное сечение тела было меньше ослабленного внутреннего диаметра резьбы.
Радиусы перехода от головки к телу и от тела к резьбе выполняются достаточно большими.

Для предотвращения проворачивания головок болтов при затяжке гаек на их боковой поверхности выполняется лыска (срез), которая упирается в выступ нижней головки шатуна. Гайки и болты от самоотворачивания предохраняются шплинтами и стопорными шайбами с отгибаемыми краями. Гайки шатунных болтов иногда делают самоконтрящимися (обжатые по краям).

Из каких металлов изготавливают шатуны?

Для изготовления шатунов бензиновых двигателей используются углеродистые или легированные стали 45, 45Г2, 40Г, 40Х, 40ХН, 40Р, а для дизельных двигателей – высокопрочные легированные стали 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА, 40ХНЗА, 40Х2МА и др.
Шатуны могут отливаться, также, из высокопрочных титановых сплавов или композитных материалов.

Чаще всего шатуны изготавливаются методом горячей штамповки с последующим механической обработкой рабочих поверхностей. Для повышения прочности шатуны подвергаются термической обработке. Для того, чтобы повысить усталостную прочность, их поверхность обрабатывают стальной дробью.

Шатун

Шату́н (англ. connecting rod ) (устар. тяговое дышло) — деталь, соединяющая поршень (посредством поршневого пальца) и шатунную шейку коленчатого вала или движущих колёс паровоза. Служит для передачи газовых сил возвратно-поступательно движущегося поршня к вращающемуся коленчатому валу.

Шатун как элемент, необходимый для соединения поршня с коленчатым валом, применяется во всех существующих поршневых двигателях, за исключением двигателя Баландина, где усилие на вал передаётся не шатунным, а ползунным механизмом, а также шайбовых двигателях.

Содержание

• 1 Виды и классификация шатунов
• 2 Условия работы и требования к шатуну
• 3 Устройство шатуна
  • 3.1 Материал
  • 3.2 Механическая и термическая обработка
  • 3.3 Подшипники шатуна
  • 3.4 Балансировка по весу
• 4 Отказы и неисправности
• 5 История
• 6 См. также
• 7 Примечания

Виды и классификация шатунов [ править | править код ]

Шатуны различают по форме сечения стержня шатуна:

• двутавровые I-образные и H-образные (в зависимости от соотношения длин полок и перемычки двутавра);
• прямоугольные;
• круглые;
• трубчатые;
• ромбические.

Круглые обычны в судовых двигателях, по сверлению внутри подаётся смазка или охлаждение; ромбические — в гоночных моторах с большой частотой вращения, где важно улучшение аэродинамики. Простые шатуны тихоходных механизмов имеют сечение прямоугольной формы [1] .

По форме кривошипной головки шатуны бывают:

• простые;
• прицепные;
• вильчатые.

Вторые характерны для звездообразных и V-образных двигателей, вильчатые применяются в некоторых V- и W-образных двигателях. Ввиду более высоких газовых сил, при равном диаметре цилиндра необходимое сечение дизельного шатуна оказывается больше, поэтому дизельные шатуны тяжелее. Шатун испытывает сложное знакопеременное нагружение и рассчитывается отдельно по каждому своему элементу [2] .

По виду подшипников в головках шатуна:

• скольжения (втулки, вкладыши);
• качения (шариковые, роликовые, игольчатые);
• с неподвижным пальцем (шарнир в бобышках поршня).

В нижней головки шатуна чаще всего установлен подшипник скольжения, имеющий сменный вкладыш с антифрикционным сплавом из свинцовистой бронзы (в дизелях, работающих на грязном по сере топливе), алюминиево-оловянным сплавом (чаще всего) или даже серебром (звездообразные быстроходные). Верхняя головка шатуна традиционно имеет бронзовую втулку, чаще всего со сверлением для подачи масла от подшипника нижней головки. Однако в двигателях с фиксацией поршневого пальца в шатуне (ранние модели ВАЗ) верхний шатунный подшипник отсутствует — нет ни втулки, ни роликов. Смотря по форсировке двигателя, шатуны могут иметь отверстие в кривошипной головке для подачи масла на гильзу цилиндра [3] .

Некоторые конструкции имеют подшипники качения в нижней и даже верхней головке шатуна, в этих случаях внутренняя поверхность шатуна закаливается. Такой шатун не имеет вкладышей и ремонтных размеров, при износе меняют обойму с роликами, по результатам обмеров — шатун и/или коленчатый вал. Применение — быстроходные двигатели с воздушным охлаждением, двигатели с кривошипно-камерной продувкой — то есть те, в которых труднее обеспечить достаточное количество масла под давлением. Но наибольшее распространение имеют обычные со втулками и плавающим пальцем [4] .

По виду разъема крышки шатуна:

• разъёмы прямые;
• косые (разъём под углом, для увеличения допустимого диаметра шейки).
• разламываемые (разрывные) шатуны — шатун отковывается вместе с крышкой единой деталью, проходят полную механическую обработку, далее охлаждаются для повышения хрупкости, после чего крышку откалывают от шатуна по канавкам концентраторам напряжений. Таким образом соприкасающиеся поверхности шатуна и крышки точно подходят друг к другу, но шатуны и крышки не взаимозаменяемы.

Половинки нижней головки шатуна должны точно, без сдвига прилегать друг другу. Соединение головок — болтовое. В ранних конструкциях шатунные гайки фиксировались отгибными шайбами или проволокой.

По способу центрирования крышки:

• по шатунным болтам;
• по штифтам;
• зубцам [5] ;
• шипам с последующей мехобработкой отверстия
• по невзаимозаменяемому хрупкому разрыву.

Условия работы и требования к шатуну [ править | править код ]

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 [ править | править код ]

Материал [ править | править код ]

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 [ править | править код ]

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.

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 [ править | править код ]

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 [ править | править код ]

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] .

Шатун — немаловажная деталь двигателя

В этой статье разберем такую деталь двигателя автомобиля и не только, как шатун. Что это такое, какие бывают и из чего делают. Видео советы забивания пальца в шатун холодным способом.

Шатун представляет собой связующий элемент между коленчатым валом и поршнем. Его основная функция заключается в преобразовании поступательного движения поршня двигателя во вращательное движение вала.

В системе двигателя шатун является объектом периодического воздействия нагрузок с переменным действием, которые меняются от напряжения к сжиманию. Именно поэтому шатун должен обладать следующими характеристиками:

Поэтому данный элемент двигателя изготавливают из высококачественной стали. Метод производства: литье или горячее штампование. На автомобилях спортивного класса, а также гоночных моделях, в состав двигателя входит шатун, изготовленный из сплава титана.

Шатуны могут отличаться друг от друга в зависимости от вида двигателя, в состав которого они входят, его схемы компоновки. Размеры также могут отличаться. Как правило, они определяются высотой двигателя: чем она больше, тем больше длина шатуна.

Цена на шатуны двигателя самые разнообразные, начиная от 30-40 долларов для отечественных автомобилей и доходя отметки 100 и даже 150?200 долларов для иномарок.

Строение шатуна

Шатун имеет простое устройство, которое состоит из следующих элементов:

Стержень представляет собой составной элемент шатуна, имеющий преимущественно двутавровое сечение. Некоторые модели имеют круглое, крестообразное, Н-образное или прямоугольное сечение шатунного стержня. В стержне присутствует канал, предназначенный для транспортировки масла к подшипнику головки поршня.Поршневая головка — это проушина с цельной структурой, внутри которой расположена втулка. Втулка представляет собой скользящий подшипник, предназначенный для вращения пальца поршня. Материал изготовления втулки: бронза или сталь с оловом или свинцом. Структура поршневой головки зависит от размера поршневого пальца, а также от метода его крепления. Для того, чтобы уменьшить вес шатуна и, как следствие, нагрузку на поршневой палец, на некоторых автомобильных двигателях устанавливают шатуны с поршневой головкой в виде трапеции.

Кривошипная головка — механизм, предназначенный для соединения шатуна и коленчатого вала друг с другом. Большая часть шатунов оснащена разъемной кривошипной головкой, это объясняется способом сборки двигателя внутреннего сгорания. Крышка головки, расположенная в нижней части, прикрепляется болтами к шатуну. Иногда применяют бандажное или штифтовое крепление составных элементов головки. Разъем кривошипной головки бывает двух видов: прямой (расположен под углом 90 градусов относительно оси стержня), косой (под определенным углом к оси). Косой разъем используется для уменьшения размеров двигателя V-образной формы.

Профилированные стыковые поверхности головки обеспечивают препятствие при воздействии поперечных сил. При этом соединение может быть замковым или зубчатым. Самым современным и популярным является соединение, изготовленное методом раскалывания. Оно называется сплит-разъемом.

Внутри кривошипной головки шатуна расположен подшипник, который состоит из двух многослойных вкладышей. Количество слоев может варьироваться от двух до пяти в каждом. Наиболее широко используются вкладыши из двух и трех слоев. Двухслойный вкладыш изготовлен из стали с антифрикционной поверхностью. Трехслойный также состоит из стали, а антифрикционное покрытие разделяется специальной прокладкой.

Видео, как выбить и установить поршень на шатун ВАЗ холодным способом:

Видео советы — менять шатун или нет:

Шатуны для двигателей Kohler

Поломка шатуна взывает в двигателе частый и громкий звук, похожий на стук молотка. Причиной неисправности может быть естественный износ или некачественный ремонт. Быстрая замена элемента помогает избежать разрушительных последствий для оборудования.

Оригинальные надежные шатуны к двигателям Kohler вы легко найдете на сайте GENSP.RU.

Устройство шатуна

Выполняющие однотипную работу шатуны отличаются устройством в разных видах оборудования. Например, в дизельных моделях детали всегда тяжелее, чем в бензиновых. Состоят шатуны из 3 основных частей:

• верхняя поршневая головка;
• соединительный стержень;
• нижняя кривошипная головка.

Все главные части шатуна на разных технических агрегатах имеют свои индивидуальные размеры. Отличаются они формой, материалами, методом установки. Кроме того, шатуны имеют разные второстепенные и крепежные элементы. Конструкторы Kohler стремятся видоизменять запчасти с целью увеличения их прочности и срока службы.

Назначение шатуна

Соединительная деталь между поршнем и коленвалом предназначена для преобразования поступательных движений во вращательные. Через шатун происходит передача энергии от поршня внутри цилиндра к колесам механизма. Моторы Kohler применяются в технике:

• сельскохозяйственной − газонокосилки, поливальные машины, аэраторы;
• строительной − компрессоры, насосы, помпы, световые вышки, тракторы;
• прочего назначения − виброплиты, генераторы, мотоблоки, квадроциклы.

При эксплуатации техники периодически требуются новые запчасти для замены отслужившим свой ресурс. Следует своевременно приобретать сертифицированные изделия для бесперебойной работы механизмов. На нашем сайте вы купите товар от производителя по лучшей цене.

Как купить шатун для Kohler?

Для корректного подбора деталей вы найдете в каталогах на нашем сайте подробную навигацию по брендам, типам и модификациям двигателей. Ознакомитесь с техническими характеристиками, описанием изделий.

Обращайтесь в «Энерджи Пауэр» с вопросами о приобретении шатунов для ДВС Kohler. Оригинальные запасные части всегда есть на складе. Покупать качественный товар в нашей компании не только удобно, но и очень выгодно. Следите за нашими сезонными скидками, акциями и распродажами по специальным ценовыми предложениям.

Если вы затрудняетесь с выбором, то мы поможем определиться с конкретными деталями для двигателей ваших установок. Укажите в заявке серийный номер и маркировку мотора. Оформляйте заказ на шатуны самовывозом за наличный и безналичный расчет. Покупайте запасные части на нашем сайте с доставкой по Москве и в другие города России.

Мы выполняем индивидуальные заказы без наценки и в короткие сроки,
гарантируем качество нашей продукции

Если у вас остались вопросы задайте их нам, мы с радостью ответим.