Avtoargon.ru

АвтоАргон
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Шатун двигателя внутреннего сгорания: конструкция, назначение, из чего делают шатуны

Шатун двигателя внутреннего сгорания: конструкция, назначение, из чего делают шатуны

Автор: AutoLubitelПросмотров: 13185

Шатун – это соединительная деталь между коленвалом и поршнем, основное назначение которой является преобразование поступательных движений поршня внутри цилиндра во вращательные движения коленчатого вала, с которого вращение передается на колеса автомобиля через трансмиссию.

Конструкция шатуна

Особенности конструкции шатунов напрямую зависят от типа мотора и схемы его компоновки. Так для бензиновых двигателей используются легкие шатуны, в дизелях — тяжелые.

Основные элементы шатуна – стержень, верхняя поршневая головка, нижняя кривошипная головка.

Поршневая головка соединена со стержнем поршневым пальцем, кривошипная головка – с шейкой коленвала.

Данная деталь шатуна может иметь различный тип сечения, которое может быть похоже на прямоугольник, на круг, крест или может быты Н-образным. Некоторые типы двигателей оснащаются шатунами, в которых стержни имеют небольшую масляную канавку для своевременной подачи масла в поршневую головку.

В большинстве случаев верхний отдел кривошипной головки оснащается маленьким отверстием для разбрызгивания масла во внутренних полостях поршня и цилиндра.

Поршневая головка размещена вверху и является неразъемным шатунным элементом, конструкция которого напрямую зависит от метода установки поршневого пальца.

В двигателях, в которых установлен палец фиксированного типа, поршневая головка имеет специальное цилиндрическое отверстие для его установки. В ДВС с пальцем плавающего типа, такая головка комплектуется бронзовой или биметаллической втулкой.

В тех моделях двигателей, которые используют плавающий палец, но втулка не предусмотрена, вращательные движения пальца осуществляются в соответствующем отверстии головки.

С целью снижения значительных нагрузок на палец, некоторые модели ДВС комплектуются шатунами с поршневыми головками в форме трапеции.

Головка шатуна, которая расположена внизу отличается разборной конструкцией, основным назначением которой является соединение двух механизмов – коленвала и самого шатуна.

Головка состоит из верхней части и крышки, которая крепится к шатуну крепежными болтами. Кроме всего прочего такая головка может иметь два типа разъемов по отношению к стержневой оси — косой (выполненный под углом) и прямой (выполненный перпендикулярно).

Длина цилиндрового блока зависит от толщины нижней головки. В головке устанавливаются тонкие вкладыши подшипника скольжения, которые могут иметь от 2-х до 5-ти слоев, изготовленных из стальных полос, внутренняя часть которых покрывается защитным антифрикционным составом, соответствующим определенному типу двигателя.

Как правило, в современных ДВС применяются вкладыши, состоящие из 2-х и 3-х слоев. В двухслойном вкладыше на металлическую основу просто наносится слой антифрикционного состава, а в трехслойном вкладыше добавляется еще и изоляционный слой.

Чтобы снизить вибрации и шумы при работе двигателя, все установленные шатуны, а также их составные части должны иметь равную массу. Это значит, что в одном шатуне масса отдельной его детали должна быть одинаковой по отношению к массе аналогичной детали в другом шатуне.

Например, если масса стержня одного шатуна составляет 50 г., в таком случае во всех остальных шатунах стержни должны иметь аналогичную массу.

Подгонка массы шатунов происходит путем снятия тонкого металлического слоя с бобышек, которые располагаются на верхних шатунных головках. В некоторых случаях подобные бобышки находятся на шатунном стержне или нижней части поршневой головки.

Материалы для производства шатунов

Шатуны производятся двумя способами — штамповкой из высокопрочной стали или литьем из чугуна. В дизелях применяются шатуны, изготовленные из легированной стали методом ковки или горячей штамповки.

В некоторых видах бензиновых двигателей устанавливаются шатуны, производимые из порошкообразных металлов методом спекания.

Из-за напряженных условий работы данная деталь КШМ должна отличаться надежностью, долговечностью и износостойкостью.

Особое внимание уделяется не только изготовлению шатунов, но и болтов крепления. Для производства болтов используются легированные виды стали, обладающие высоким коэффициентом текучести, что в несколько раз выше, чем у высокоуглеродистых сталей.

Шатун

Шатун образует важное звено между поршнем и коленчатым валом, преобразуя поступательное движение первого во вращательное движение последнего.

В двигателе шатун подвергается воздействию значительных переменных нагрузок, изменяющихся от растяжения к сжатию. Поэтому он должен быть прочным, жестким и легким. Шатуны изготавливаются из стали литьем или горячей штамповкой. На спортивных автомобилях могут устанавливаться шатуны из титанового сплава.

Конструкция шатуна различается в зависимости от типа двигателя и его компоновочной схемы. Длина шатуна во многом определяет высоту двигателя. Шатун условно разделяется на три части: стержень, поршневую и кривошипную головки.

Стержень шатуна имеет, как правило, двутавровое сечение. Встречаются шатуны с круглым, прямоугольным, крестообразным, Н-образным сечением стержня. Для подачи масла к подшипнику поршневой головки в стержне шатуна выполнен канал.

Поршневая головка представляет собой цельную проушину, в которую с натягом установлена втулка – подшипник скольжения для вращения поршневого пальца. Втулка изготавливается бронзовой или биметаллической (сталь со свинцом, оловом). Устройство поршневой головки определяется размером поршневого пальца и способом его крепления. Для снижения массы шатуна и уменьшения нагрузки на поршневой палец на некоторых двигателях используются шатуны с трапециевидной формой поршневой головки.

Кривошипная головка обеспечивает соединение шатуна с коленчатым валом. На большинстве двигателей кривошипная головка выполняется разъемной, что обусловлено технологией сборки ДВС. Нижняя часть головки (крышка) соединяется с шатуном с помощью болтов. Реже используется штифтовое или бандажное соединение частей кривошипной головки. Разъем может быть прямым (перпендикулярный оси стержня) или косым (под углом к оси стержня). Косой разъем применяется, в основном, на V-образных двигателях и позволяет сделать блок двигателя более компактным.

Читать еще:  Шевроле авео 2013 технические характеристики двигателя

Для противодействия поперечным силам стыковые поверхности кривошипной головки выполняются профилированными. Различают зубчатое, замковое (прямоугольные выступы) соединение. Самым популярным в настоящее время является соединение частей головки, полученное способом контролированного раскалывания, т.н. сплит-разъем. Разлом обеспечивает высокую точность стыковки частей.

Толщина кривошипной головки определяет длину блока цилиндров. Особенно это актуально для V- и W-образных двигателей. К примеру, толщина нижней головки шатуна двигателя W12 от Audi составляет всего 13 мм.

В кривошипной головке размещается шатунный подшипник, состоящий из двух вкладышей. Вкладыши изготавливаются многослойными – двух-, трех-, четырех- и даже пятислойными. Самые ходовые двух- и трехслойные вкладыши. Двухслойный вкладыш представляет собой стальную основу, на которую нанесено антифрикционное покрытие. В трехслойном вкладыше стальную основу и антифрикционный слой разделяет изоляционная прокладка.

Поршни мотоцикла

Поршнем двигателя называется цилиндрическая деталь, которая совершает возвратно-поступательные движения внутри цилиндра. Данная деталь является неотъемлемой частью двигателя любого механического транспортного средства. Она предназначена для преобразования разницы давления газа, пара или жидкости в механическую энергию.

Материал производства поршней

Чугун

Материалом для производства поршней для первых двигателей внутреннего сгорания служил чугун. Однако, детали, сделанные из него, были достаточно тяжелыми. С развитием технологий, стали использовать для производства транспортных деталей более легкий металл – алюминий. Таким образом, алюминиевый поршень имел множество преимуществ над чугунным. Это связано, в первую очередь, с тем, что алюминиевый поршень увеличивал мощность и обороты, одновременно уменьшая нагрузку на детали и улучшая теплоотдачу.

Алюминий

С момента начала производства поршней из алюминия, в разы возросла мощность двигателей, а температура и давление в цилиндрах современных транспортных средств стали такими, что алюминий подошел к пределу своей прочности. В связи с этим, в последние несколько лет для изготовления поршней стали использовать сталь, поскольку стальные детали способны выдержать большие нагрузки. Стальные поршни отличаются от алюминиевых, в первую очередь, своим более легким весом. Это обусловлено конструкцией новых поршней – они имеют более легкие стенки и значительно меньшую компрессионную высоту (компрессионной высотой называется расстояние от днища до оси алюминиевого пальца).

Таблица. Физико-механические свойства поршневых сплавов.

Требования к качеству поршней

Все вышесказанное относится к поршням любого транспортного средства, в том числе и мотоцикла. Как уже говорилось выше, мощность моторов современных транспортных средств очень велика. Так как поршню отводится одна из главных ролей в работе двигателя, то к его качеству предъявляются особые требования.

Дело в том, что мотоциклы оборудуются однотактными и двухтактными двигателями. Работа любого двигателя разделяется на циклы. В цилиндре существует так называемое надпоршнвое пространство, в котором и сгорает топливо.

В каждом цикле работы двигателя во время его сгорания происходит выделение тепла в большом количестве, которое с огромной силой толкает поршень вниз, тем самым запуская в работу двигатель. Температура в цилиндре достигает 2000 0 С, однако, для запуска двигателя понадобится не все тепло, а только некоторая его часть, остальное тепло наряду с выхлопными газами будет удалено через выхлопную трубу.

Таким образом, поршень мотоцикла должен соответствовать следующим требованиям:

  1. Своим перемещением в цилиндре он должен позволять расширяться сжатым газам, продукту горения топлива, тем самым совершая механическую работу. Это значит, что он должен быть устойчив к работе в условиях высокого температурного режима, а также давлению газа, и надежно уплотнять канал цилиндра.
  2. Для сведения к минимуму механических потерь и, соответственно, износа, поршень должен как можно лучше соответствовать требованиям пары трения. Это связано с тем, что поршень цилиндр и поршневые кольца вместе представляют собой линейный подшипник скольжения.
  3. Он должен обладать высокой устойчивостью к механическому воздействию во время испытываемых нагрузок со стороны камеры сгоранию и реакции от шатуна.
  4. Поршень мото во время совершения возвратно-поступательных движений с высокой скоростью, должен обеспечить минимальную нагрузку на кривошипно-шатунный механизм инерционными силами.

Таким образом, учитывая все вышесказанное, поршень во время своей работы нуждается в охлаждении. Если этого нет, то он просто расплавится, чем может навредить двигателю в целом.

Система охлаждения поршней мотоцикла

Существует четыре пути охлаждения поршня, первым из которых являются поршневые кольца.

  1. Главная роль отведена именно первому кольцу, которое расположено ближе к днищу. Этот путь является самым коротким к охлаждающей жидкости. Кольца являются прижатыми одновременно к поршневым канавками и к стенке цилиндра. Ими обеспечивается свыше половины теплового потока.
  2. Вторым путем является масло в двигателе. Именно оно имеет доступ к самым нагретым частям двигателя. В связи с этим, существенная часть тепла уносится масляным туманом в поддон картера.
  3. Третий путь поршневого охлаждения пролегает сквозь массивные бобышки в палец, после чего тепло попадает в шатун, после которого оно попадает в масло. Данный путь является менее интересным, поскольку во время его преодоления существуют еще тепловые сопротивления, такие как зазоры и стальные детали, которые обладают существенной длиной и низким коэффициентом теплопроводности.
  4. Четвертый путь заключается в том, что тепло забирает свежая топливовоздушная смесь, которая только что поступило в цилиндр.
Читать еще:  Волга с двигателем от chrysler расход

Не смотря на такое, казалось бы, достаточное количество путей охлаждения поршня мотоцикла, все таки наиболее важным является отдача тепла посредством поршневых колец. Если этот путь перекрыть, то у двигателя не будет шансов выдержать большие нагрузки в течении длительного времени. Это приведет к значительному повышению температуры и расплавлению поршня, что, в свою очередь, разрушительно повлияет на двигатель.

Поломки и замена поршней

Как и любые другие детали, поршневая группа в определенные моменты требует своей замены. Однако, не все знаю, когда это делать правильно. По некоторым рекомендациям, сам поршень следует менять после двух смен колец, которые, в свою очередь меняются через каждые 8 тысяч км пробега. А цилиндр меняется после двух замен поршней. Однако, данная рекомендация является не совсем правильной в связи с тем, что каждый пилот имеет свой стиль езды.

В связи с этим бывают ситуации, когда пробег большой, а деталь еще хорошая. Или же пробег маленький, а деталь пришла в негодность и т.д. Поэтому, опытные механики рекомендуют производить замену тогда, когда придет время, о чем будут свидетельствовать некоторые симптомы, указывающие на то, что двигатель работает не правильно.

К таким симптомам относятся посторонние шумы, различные звуки и стучания, часты перегрев, потеря компрессии, потеря мощности вместе с увеличившимся дымлением, увеличение расхода топлива, падение уровня масла и т.д. Как только появились подобные признаки, следует сразу же провести тщательный техосмотр транспортного средства и заменить неисправные детали.

Если случилось так, что пришло время заменять цилиндр и поршень, то есть несколько правил его подбора.

  1. Во-первых, к новому цилиндру поршень подбирается по маркировке.
  2. Во-вторых, к расточенному и хонингованному цилиндру, поршень подбирается, учитывая скорость свободного, т.е. без колец, прохождения поршня в цилиндре.
  3. В третьих, смазанный поршень должен опускаться в цилиндре под собственной силой тяжести. Стоит обратить внимание, что прослабленный поршень упадет и при этом издаст характерных стук, а слишком плотный наоборот – потребует приложения некоторых усилий для его продвижения в цилиндре.

Ни первое, ни второе не желательное явление, так как в дальнейшем это может привести к возникновению определенных проблем с двигателем мотоцикла.

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).

Читать еще:  В двигателе стук расход масла больше

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 φЗ .
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.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector