Шатуны
Шатуны
Техническая информация

Шатун служит связующим звеном между поршнем и кривошипом коленчатого вала. Так как поршень совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение, а коленчатый вал — вращательное, то шатун совершает сложное движение и подвергается действию знакопеременных, носящих ударный характер нагрузок от газовых сил и сил инерции.

Шатуны автомобильных массовых двигателей изготовляют мето­дом горячей штамповки из среднеуглеродистых сталей марок: 40, 45, марганцевистой 45Г2, а в особенно напряженных двигателях из хромо-никеле­вой 40ХН, хромо-молибдено­вой улучшенной ЗОХМА и дру­гих легированных качествен­ных сталей.

Общий вид шатуна в сборе с поршнем и элементы его конструкции показаны на рис. 1. Основными элемен­тами шатуна являются: стер­жень 4, верхняя 14 и ниж­няя 8 головки. В комплект шатуна входят также: под­шипниковая втулка 13 верх­ней головки, вкладыши 12 нижней головки, шатунные болты 7 с гайками 11 и шплин­тами 10.

 

 

Рис.  1.   Шатунно-поршневая   группа в сборе с гильзой цилиндра; элементы конструкции шатуна:

1 — поршень; 2 — гильза цилиндра; 3 — уплотнительные резиновые кольца; 4 — стер­жень шатуна; 5 — запорное кольцо; б — порш­невой палец; 7 — шатунный болт; 8 — нижняя головка шатуна; 9— крышка нижней головки шатуна; 10 — шплинт; 11 — гайка шатунного болта; 12 — вкладыши нижней головки шату­на; 13 — втулка верхней головки шатуна; 14 — верхняя   головка  шатуна

Стержень шатуна, подвер­женный продольному изгибу, чаще всего имеет двутавровое сечение, но применяют иногда крестообразные, круглые, трубчатые и Другие профили (рис. 2). Наиболее рациональными являются двутавровые стержни, обладающие большой жесткостью при малом весе. Крестообразные профили нуждаются в более развитых головках шатуна, что приводит к переутяжелению его. Круглые профили отличаются простой геометрией, но требуют повышенного качества механической обработки, так как наличие у них следов обработки приводит к увеличению местной концентра­ции напряжений и возможной поломке шатуна.

Для массового автомобильного производства удобными и наибо­лее приемлемыми являются стержни двутаврового сечения. Пло­щадь поперечного сечения стержня обычно имеет переменную величину, причем минимальное сечение находится у верхней голов­ки 14, а максимальное — у нижней головки 8 (см. рис. 1). Это обеспечивает необходимую плавность перехода от стержня к ниж­ней головке и способствует повышению общей жесткости шатуна. С этой же целью и для уменьшения габаритов и веса шатунов

 


Рис. 2. Профили стержня шатуна: а) двутавровый; б) крестообразный; в) трубчатый;   г) круглый

в быстроходных двигателях автомобильного типа обе головки, как правило, отковываются за одно целое со стержнем.

Верхняя головка обычно имеет форму, близкую к цилиндриче­ской, но особенности ее конструкции в каждом конкретном случае

 


Рис. 3. Верхняя головка шатуна

выбираются в зависимости от методов фиксации поршневого пальца и его смазки. Если поршневой палец закрепляется в поршневой головке шатуна, то ее делают с разрезом, как показано на рис. 3, а. Под действием стяжного болта стенки головки несколько деформируются и обеспечивают глухую затяжку поршневого паль­ца. Головка при этом не работает на износ и выполняется с относи­тельно небольшой длиной, равной примерно ширине наружной полки стержня шатуна. С точки зрения выполнения монтажно-демонтажных работ предпочтительнее боковые разрезы, но использование их приводит к определенному увели­чению размеров и веса головкиу Верхние головки с креплением в них поршневых пальцев применялись на шатунах старых моделей рядных двигателей ЗИЛ, например, на 5 и 101 моделях.

При других методах фиксации поршневых пальцев в верхнюю головку шатуна в качестве подшипника запрессовывают втулки из оловянистой бронзы с толщиной стенок от 0,8 до 2,5 мм (см. рис. 3, б, в, г). Тонкостенные втулки изготовляют свертными из листовой бронзы и обрабатывают под заданный размер поршне­вого пальца после запрессовки в головку шатуна. Свертные втулки применяют на всех двигателях автомобилей ГАЗ, ЗИЛ-130, МЗМА и др.

Втулки верхней головки шатунов смазывают разбрызгиванием или под давлением. В автомобильных двигателях широкое распро­странение получила смазка разбрызгиванием. Капельки масла при такой простейшей системе смазки попадают в головку через одно или несколько больших с широкими фасками на входе масло-улавливающих отверстий (см. рис. 3, б) или через глубокую прорезь, сделанную фрезой со стороны, противоположной стержню. Подачу масла под давлением применяют только в двигателях, рабо­тающих с повышенной нагрузкой на поршневые пальцы. Масло подводится из общей системы смазки через канал, просверленный в стержне шатуна (см. рис. 3, б), или по специальной трубке, уста­навливаемой на стержне шатуна. Смазка под давлением применяется в двух- и четырехтактных дизелях ЯМЗ.

Двухтактные дизели ЯМЗ, работающие со струйным охлажде­нием днища поршней, имеют на верхней головке шатуна специаль­ные форсунки для подачи и распыливания масла (см. рис. 3, г). Малая головка шатуна снабжается здесь двумя толстостенными литыми бронзовыми втулками, между которыми образуется коль­цевой канал для подвода масла к форсунке-распылителю из канала в стержне шатуна. Для более равномерного распределения смазоч­ного масла на поверхностях трения втулок нарезаются спираль­ные канавки, а дозирование масла осуществляют с помощью калиб­рованного отверстия в пробочке 5, которую запрессовывают в канал стержня шатуна, как показано на рис. 4, б.

Нижние головки шатунов двигателей автомобильного и трак­торного типов обычно делают разъемными, с упрочняющими прили­вами и ребрами жесткости. Типичная конструкция разъемной голов­ки показана на рис. 1. Основная ее половина откована совместно со стержнем 4, а отъемная половина 9, называемая крышкой ниж­ней головки, или просто крышкой шатуна, скрепляется с основной двумя шатунными болтами 7. Иногда крышка крепится четырьмя и даже шестью болтами или шпильками. Отверстие в большой головке шатуна обрабатывают в собранном состоянии с крышкой (см. рис. 4), поэтому ее нельзя переставлять на другой шатун или изменять принятое положение на 180° относительно шатуна, с которым она была спарена до расточки. Чтобы предотвратить возможную путаницу на основной половине головки и на крышке, у плоскости их разъема выбивают порядковые номера, соответ­ствующие номеру цилиндра. При сборке кривошипно-шатунного механизма надо следить за правильной постановкой шатунов на ме­сто, строго руководствуясь инструкцией завода-изготовителя.

 


Рис. 4. Нижняя головка шатуна:

а) с прямым разъемом; б) с косым разъемом; 1 — половина головки, отковы­ваемая совместно со стержнем 7; 2 — крышка головки; 3 — болт шатуна; 4 — треугольные шлицы; 5 — втулочка с калиброванным отверстием; 6 — канал в стержне для подвода масла к поршневому пальцу

Для двигателей автомобильного типа с характерной совместной отливкой цилиндра и картера в одном блоке и Ессбще при наличии блок-картерной отливки остова двигателя желательно, чтсбы боль­шая головка шатуна свободно проходила через цилиндры и не за­трудняла выполнение монтажно-демонтажных работ. Когда габа­риты этой головки развиты так, что она не проходит в отверстие цилиндровой гильзы 2 (см. рис. 1), то комплект шатуна в сборе с поршнем 1 (см. рис. 1) можно свободно установить на место только при снятом коленчатом вале, что создает крайние неудобства при ремонте (Иногда поршень без уплотнительных колец, но собранный с шатуном удается просунуть за смонтированный коленчатый вал и вставить его в цилиндр со стороны картера (или, наоборот, вынуть из цилиндра через картер), а потом завершать сборку поршневой группы и шатуна, затрачивая на все это непроизводительно много времени). Поэтому развитые нижние головки выполняют с косым разъемом, как сделано это в дизеле ЯМЗ-236 (см. рис. 4, б).

Плоскость косого разъема головки обычно располагают под углом 45° к продольной оси стержня шатуна (в отдельных случаях возможен угол разъема 30 или 60°). Габариты таких головок после удаления крышки резко уменьшаются. При косом разъеме крышки чаще всего крепятся болтами, которые ввертываются в основную

половину головки. Реже для этой цели применяют шпильки. В отли­чие от нормальных разъемов, выполняемых под углом 90° к оси стержня шатуна (см. рис. 4, а), косые разъемы головок (см. рис. 4, б) позволяют несколько разгружать шатунные болты от разрывающих усилий, а возникающие при этом боковые усилия воспринимаются буртиками крышки или треугольными шлицами, сделанными на стыкующихся поверхностях головки. У разъемов (нормальных или косых), а также под опорными плоскостями шатунных болтов и гаек стенки нижней головки обычно снабжают упрочняющими приливами и утолщениями.

В головках автомобильных шатунов с нормальной плоскостью разъема в подавляющем большинстве случаев шатунные болты одновременно являются установочными, точно фиксирующими поло­жение крышки относительно шатуна. Такие болты и отверстия под них в головке обрабатывают с высокой чистотой и точностью, как установочные штифты или втулки. Шатунные болты или шпиль­ки являются исключительно ответственными деталями. Обрыв их связан с аварийными последствиями, поэтому они изготовляются из высококачественных легированных сталей с плавными перехо­дами между элементами конструкции и подвергаются термообра­ботке. Стержни болтов выполняются иногда с проточками в местах перехода к резьбовой части и около головок. Проточки делают без подрезов с диаметром, равным примерно внутреннему диаметру резьбы болта (см. рис. 1 и 4).

Шатунные болты и гайки к ним у ЗИЛ-130 и некоторых других автомобильных двигателей изготовляются из хромо-никелевой ста­ли марки 40ХН. Применяются для этих целей также стали 40Х, 35ХМА и аналогичные им материалы.

Чтобы предотвратить возможное проворачивание шатунных болтов при затягивании гаек, их головки делают с вертикальным срезом, а в зоне сопряжения кривошипной головки шатуна со стерж­нем выфрезеровывают площадки или углубления с вертикальным уступом, удерживающим болты от проворачивания (см. рис. 1 и 4). В тракторных и других двигателях шатунные болты фикси­руются иногда специальными штифтами. С целью уменьшения габаритов и веса головки шатунов болты размещают по возмож­ности ближе к отверстиям под вкладыши. Допускаются даже небольшие выемки в стенках вкладышей, предназначенные для прохода шатунных болтов. Затяжка шатунных болтов строго нор­мируется и контролируется с помощью специальных динамометри­ческих ключей. Так, в двигателях ЗМЗ-66, ЗМЗ-21 момент затяжки составляет 6,8—7,5 кГ·м (≈68—75 н-м), в двигателе ЗИЛ-130 — 7—8кГ·м (≈70—80 н-м), а в двигателях ЯМЗ — 16—18 кГ·м (≈160—180 н-м). После затяжки корончатые гайки тщательно шплинтуются, а обычные (без прорезей под шплинты) фиксируются каким-либо другим способом (специальными контргайками, отштам­пованными из тонкой листовой стали, замковыми шайбами и т. д.).

Чрезмерная затяжка шатунных болтов или шпилек недопустима, гак как может привести к опасной вытяжке у них резьбы.

Нижние головки шатунов автомобильных двигателей обычно снабжаются подшипниками скольжения, для которых применяют сплавы, обладающие высокими антифрикционными свойствами и необходимой механической стойкостью. Только в редких случаях применяют подшипники качения, причем наружными и внутрен­ними обоймами (кольцами) для их роликов служат сама головка шатуна и шейка вала. Головка в этих случаях делается неразъем­ной, а коленчатый вал — составным или разборным. Так как вместе с изношенным роликовым подшипником приходится иногда заменять весь шатунно-кривошипный узел, то широкое применение подшипники качения находят лишь в сравнительно дешевых двига­телях мотоциклетного типа.

Из антифрикционных подшипниковых сплавов в двигателях внутреннего сгорания чаще всего применяют баббиты на оловянной или свинцовой основах, алюминиевые высокооловянистые сплавы и свинцовистую бронзу. На оловянной основе в автомобильных двигателях применяют сплав баббит Б-83, содержащий 83% олова. Это качественный, но довольно дорогой подшипниковый сплав. Более дешевым является сплав на свинцовой основе СОС-6-6, содержащий по 5—6% сурьмы и олова, остальное — свинец. Его называют также малосурьмянистым сплавом. Он обладает хоро­шими антифрикционными и механическими свойствами, стоек против коррозии, отлично прирабатывается и по сравнению со спла­вом Б-83 способствует меньшему износу шеек коленчатого вала. Сплав СОС-6-6 применяется для большинства отечественных карбю­раторных двигателей (ЗИЛ, МЗМА и др.). В двигателях с повы­шенными нагрузками па шатунные подшипники применяют высокооловянистый алюминиевый сплав, содержащий 20% олова, 1% меди, остальное — алюминий. Такой сплав используется, напри­мер, для подшипников V-образных двигателей ЗМЗ-53, ЗМЗ-66 и др.

Для шатунных подшипников дизелей, работающих с особенно высокими нагрузками, применяют свинцовистую бронзу Бр.С-30, содержащую 30% свинца. Как подшипниковый материал, свинцо­вистая бронза обладает повышенными механическими свойствами, но сравнительно плохо прирабатывается и подвержена коррозии под воздействием кислотных соединений, накапливающихся в мас­ле. При использовании свинцовистой бронзы картерное масло должно содержать поэтому специальные присадки, предохраняю­щие подшипники от разрушения.

В старых моделях двигателей антифрикционный сплав зали­вали непосредственно по основному металлу головки, как говори­лось «по телу». Заливка по телу не оказывала заметного влияния на габариты и вес головки. Хорошо обеспечивала отвод тепла от шатунной шейки вала, но так как толщина слоя заливки состав­ляла более 1 мм, то в процессе работы вместе с износом сказывалась заметная усадка антифрикционного сплава, вследствие чего отно­сительно быстро увеличивались зазоры в подшипниках и возни­кали стуки. Чтобы устранить или предупредить стуки подшипни­ков, их периодически приходилось подтягивать, т. е. устранять излишне большие зазоры за счет уменьшения числа тонких латун­ных прокладок, которые с этой целью (около 5 штук) ставились в разъем нижней головки шатуна.

Метод заливки по телу в современных быстроходных транспорт­ных двигателях не применяется. Нижние головки их снабжаются сменными взаимозаменяемыми вкладышами, форма которых точно соответствует цилиндру, состоящему из двух половин (полуколец). Общий вид вкладышей показан на рис. 1. Два вкладыша 12, поставленные в головку, образуют ее подшипник. Вкладыши имеют стальную, реже бронзовую, основу, с нанесенным на пей слоем антифрикционного сплава. Различают вкладыши толстостен­ные и тонкостенные. Вкладыши несколько увеличивают габариты и вес нижней головки шатуна, особенно толстостенные, имеющие толщину стенок более 3—4 мм. Поэтому последние применяются только для сравнительно тихоходных двигателей.

Шатуны быстроходных автомобильных двигателей, как правило, снабжаются тонкостенными вкладышами, выполненными из сталь­ной ленты толщиной 1,5—2,0 мм, покрытой антифрикционным сплавом, слой которого составляет всего 0,2—0,4 мм. Такие двух­слойные вкладыши называются биметаллическими. Они применяют­ся на большинстве отечественных карбюраторных двигателей. В настоящее время получили распространение трехслойные так называемые триметаллические тонкостенные вкладыши, у которых на стальную ленту сначала наносится подслой, а потом уже анти­фрикционный сплав. Триметаллические вкладыши толщиной 2 мм применяются, например, для шатунов двигателя ЗИЛ-130. На сталь­ную ленту таких вкладышей наносится медно-никелевый подслой, покрытый малосурьмянистым сплавом СОС-6-6. Трехслойные вкла­дыши применяются также для шатунных подшипников дизелей. Слой свинцовистой бронзы, толщина которого обычно составляет 0t3—0,7 мм, сверху покрывают еще тонким слоем свинцово-оловянистого сплава, что улучшает прирабатываемость вкладышей и пре­дохраняет их от коррозии. Трехслойные вкладыши допускают большие удельные давления на подшипники, чем биметаллические.

Гнездам под вкладыши и самим вкладышам придают строго цилиндрическую форму, а поверхности их обрабатывают с высокой точностью и чистотой, обеспечивая полную взаимозаменяемость для данного двигателя, что значительно упрощает ремонт. Под­шипники с тонкостенными вкладышами не нуждаются в периоди­ческой подтяжке, так как имеют малую толщину антифрикционного слоя, не дающего усадки. Они ставятся без регулировочных про­кладок, а изношенные заменяются новым комплектом.

С целью получения надежного прилегания вкладышей и улучшения их контакта со стенками головки шатуна они изготовляются так, чтобы при затягивании шатунных болтов обеспечивался неболь­шой гарантированный натяг. От проворачивания тонкостенные вкладыши удерживаются фиксирующим усом, который отгибается у одной из кромок вкладыша. Фиксирующий ус входит в специаль­ную пазовую канавку, выфрезерованную в стенке головки у разъема (см. рис. 4). Вкладыши с толщиной стенок 3 мм и более толстые, фиксируются штифтами (дизели В-2, ЯМЗ-204 и др.).

Шатунные подшипниковые вкладыши современных автомобиль­ных двигателей смазываются маслом, поступающим под давлением через сверление в кривошипе из общей системы смазки двигателя. Для поддержания давления в смазочном слое и увеличения его несущей способности рабочую поверхность шатунных вкладышей рекомендуется выполнять без маслораспределительных дуговых или продольных сквозных канавок. Диаметральный зазор между вкладышами и шатунной шейкой вала обычно составляет 0 025— 0,08 мм.

В тронковых двигателях внутреннего сгорания применяют шатуны двух типов: одинарные и сочлененные.

Одинарные шатуны, конструкция которых подробно рассмат­ривалась выше, получили большое распространение. Они приме­няются во всех однорядных двигателях и широко используются в двухрядных автомобильных двигателях. В последнем случае на каждую кривошипную шейку вала рядом друг с другом устанав­ливают два обычных одинарных шатуна. Вследствие этого один ряд цилиндров смещается относительно другого вдоль оси вала на величину, равную ширине нижней головки шатуна. Чтобы уменьшить такое смещение цилиндров, нижнюю головку изготов­ляют с возможно меньшей шириной, а иногда шатуны выполняют с асимметричным стержнем. Так, в V-образных двигателях автомо­билей ГАЗ-53, ГАЗ-66 стержни шатунов смещены относитель­но оси симметрии нижних головок на 1 мм. Смещение осей цилин­дров левого блока относительно правого составляет в них 24 мм.

Использование обычных одинарных шатунов в двухрядных дви­гателях приводит к увеличению длины шатунной шейки вала и общей длины двигателя, но в целом такая конструкция является самой простой и экономически целесообразной. Шатуны имеют одинаковую конструкцию, создаются и одинаковые условия работы для всех цилиндров двигателя. Шатуны можно полностью унифи­цировать также с шатунами однорядных двигателей.

Сочлененные шатунные узлы представляют единую конструк­цию, состоящую из двух спаренных между собой шатунов. Их обыч­но используют в многорядных двигателях. По характерным призна­кам конструкции различают вильчатые, или центральные, и кон­струкции с прицепным шатуном (рис. 5).

 


Рис. 5. Сочлененные шатуны: а) вильчатой конструкции, б) с прицепным шатуном

У вильчатых шатунов (см. рис. 5, а), используемых иногда в двухрядных двигателях, оси больших головок совпадают с осью шейки вала, в связи с чем их называют также центральными. Большая головка главного шатуна 1 имеет вильчатую конструкцию; а головка вспомогательного шатуна 2 устанавливается в развилку главного шатуна. Его называют поэтому внутренним, или средним, шатуном. Оба шатуна имеют разъемные нижние головки и снаб­жаются общими для них вкладышами 3, которые от проворачивания чаще всего фиксируются штифтами, расположенными в крышках 4 вильчатой головки. У зафиксированных таким образом вкладышей внутренняя поверхность, соприкасающаяся с шейкой вала, пол­ностью покрывается антифрикционным сплавом, а наружная — только в средней части, т. е. в зоне размещения вспомогательного шатуна. Если вкладыши не фиксируются от проворачивания, то поверхности их с обеих сторон полностью покрываются анти­фрикционным сплавом. В этом случае вкладыши изнашиваются более равномерно.

Центральные шатуны обеспечивают одинаковую величину хода поршней во всех цилиндрах V-образного двигателя, как и обычные одинарные шатуны. Однако комплект их довольно сложен в про­изводстве, а вилке не всегда удается придать нужную жест­кость.

Конструкции с прицепным шатуном проще в производстве и обладают надежной жесткостью. Примером такой конструкции может служить шатунный узел дизеля В-2, показанный на рис. 5, б. Он состоит из главного 1 и вспомогательного прицепного 3 шатунов. Главный шатун имеет верхнюю головку и двутавровый стержень обычной конструкции. Нижняя его головка снабжена тонкостен­ными вкладышами, залитыми свинцовистой бронзой, и выполнена с косым разъемом относительно стержня главного шатуна; иначе ее нельзя скомпоновать, так как под углом 67° к оси стержня на ней размещают две проушины 4, предназначенные для крепления при­цепного шатуна 3. Крышка главного шатуна крепится шестью шпильками 6, завернутыми в тело шатуна, причем от возможного проворачивания они фиксируются штифтами 5.

Прицепной шатун 3 имеет двутавровое сечение стержня; обе головки его неразъемны и поскольку условия их работы аналогич­ны, то они снабжены бронзовыми подшипниковыми втулками. Сочленение прицепного шатуна с главным осуществляется при помощи полого пальца 2, закрепленного в проушинах 4.

В конструкциях V-образных двигателей с прицепным шатуном последний располагают относительно стержня главного шатуна справа по вращению вала, чтобы уменьшить боковое давление на стенки цилиндра. Если при этом угол между осями отверстий в проушинах крепления прицепного шатуна и стержня главного шатуна больше угла развала между осями цилиндров, то ход порш­ня прицепного шатуна будет больше хода поршня главного шатуна.

Объясняется это тем, что нижняя головка прицепного шатуна опи­сывает не окружность, как головка главного шатуна, а эллипс, большая ось которого совпадает с направлением оси цилиндра, поэтому у поршня прицепного шатуна 5 > 2г, где 5 — величина хода поршня, а г — радиус кривошипа. Например, у дизеля В-2 оси цилиндров расположены под углом 60°, а оси отверстий в про­ушинах 4 пальца нижней (большой) головки прицепного шатуна и стержня главного шатуна — под углом 67°, вследствие чего раз­ница в величине хода поршней составляет в нем 6,7 мм.

Сочлененные шатуны с прицепивши и особенно с вильчатыми конструкциями кривошипных готовок вследствие относительной их сложности в двухрядных автомобильных двигателях применяют­ся очень редко. Наоборот, использование прицепных шатунов в звездообразных двигателях является необходимостью. Большая (нижняя) головка главного шатуна в звездообразных двигателях выполняется неразъемной.

При сборке автомобильных и других быстроходных двигателей шатуны подбирают из условий, чтобы комплект их имел минималь­ную разницу в весе. Так, в двигателях автомобилей «Волга», ГАЗ-66 и ряде других верхняя и нижняя головки шатунов подгоняются по весу с отклонением ±2 г, т. е. в пределах 4 г (≈0,04 н). Следо­вательно, общая разница в весе шатунов не превышает у них 8 г (≈0,08 н). Лишний металл обычно снимают с бобышэк-приливов, крышки шатуна и верхней головки. При отсутствии у верхней головки специального прилива вес подгоняют обтачиванием ее с обе­их сторон, как, например, в двигателе ЗМЗ-21.

Отклонения от весовых показателей, принятых для шатунно-поршневой группы, не допускаются, так как это нарушает уравно­вешенность двигателя.

 

  Источник: Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. Двигатели внутреннего сгорания, 1971 г.


Newer news items:
Older news items:

 

РЕКЛАМА

Новое на сайте