Шатун (деталь)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Шатун поршня паровой машины
Нехарактерная крученая деформация шатуна
Анимация работы шатунов

Шату́н (иногда ещё называют тяговое дышло) — деталь, соединяющая поршень (посредством поршневого пальца[1]) и шатунную шейку коленчатого вала или движущих колёс паровоза. Служит для передачи возвратно-поступательных движений поршня к коленчатому валу или к колёсам для преобразования во вращательное движение. Для облегчения ремонта кривошипно-шатунного механизма в шатунах обычно используют быстросъёмные вкладыши подшипника[2], на которых нанесён антифрикционный слой (см. подшипник скольжения). Однако некоторые конструкции шатунов по-прежнему имеют заливку баббитом, при этом зазор регулируют выемом пластин между половинками шатуна (компрессоры, тихоходные судовые ДВС)[3][4]. Шатуны с ограниченным ресурсом не имеют специального антифрикционного слоя (алюминиевые шатуны пусковых и спортивных двигателей, мотоблоков)[5].

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.

Конструкции шатунов[править | править код]

Шатуны различают по форме сечения стержня шатуна: двутавровые (применяются чаще всего), круглые, ромбические. Вторые обычны в судовых двигателях, по сверлению внутри подаётся смазка или охлаждение; третьи - в гоночных моторах с большой частотой вращения, где важно улучшение аэродинамики. Простые шатуны тихоходных механизмов имеют сечение прямоугольной формы[6].

По форме кривошипной головки шатуны бывают простые, прицепные и 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[7].

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[8].

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 распостранение имеют обычные со втулками и плавающим пальцем[9].

Разъёмные нижние головки шатунов могут быть прямыми, косыми (разъём под углом, для увеличения допустимого диаметра шейки). Соединение головок - болтовое, реже штифтами. В ранних конструкциях шатунные гайки контрились отгибными шайбами или проволокой. Половинки нижней головки шатуна должны точно, без сдвига прилегать друг другу, для чего применяют центрирование по шатунным болтам, зубцы[10] или соединение шипом с последующей мехобработкой отверстия. В последние годы активно применяют разламываемые шатуны - у них разъёмную головку получают раскалыванием после глубокого охлаждения. Этим достигается максимальная точность при минимальной себестоимости. В случае применения вкладышей, последние удерживаются от проворота своими "усами", попадающими в паз головки[11]. Крышки подшипников в любых моделях двигателей нельзя путать между собой.

На циклическую прочность шатуна влияет радиус перехода, угол заделки верхней головки шатуна, а также качество поверхности всей детали. Для создания сжимающих напряжений шатуны часто подвергают дробеструйной обработке (после объёмной закалки и отпуска), авиационные обычно полировали.

В качестве материала применяют обычно легированную (45Г2, 12ХН3А, 18ХНВА,...) или углеродистую сталь достаточной прокаливаемости: 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)[12].

Шатуны в одном двигателе подбирают по массе. Причём желательно подгонять отдельно массы верхней и нижней головки, используя для подпиливания приливы на крышке и верхней головке[13]. 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[14].

Устройство головок шатуна[править | править код]

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 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.

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 ниже. Как только происходит раскрытие стыка, пульсация напряжений возрастает в несколько раз, и болты обрывает очень быстро.

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. Если же шатун имеет подшипники качения, то они могут быть насыпными (иглы), либо иметь обойму для роликов (современное решение).

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. Ремонт верхней головки требуется редко, ресурс втулки достигает полного ресурса двигателя. Однако, возможны повреждения от гидроудара либо соударения поршня с головкой при попадании в камеру предметов. Стержень шатуна при этом также часто изгибается.

История[править | править код]

Самое раннее свидетельство применения шатунов датируется концом 3-го века н. э., когда в Римской империи на лесопилках в Иераполе, Малая Азия, были применены механизмы, похожие на современные шатуны-преобразователи вращательного движения водяного колеса в поступательное для привода пилы. Аналогичные механизмы были также обнаружены при раскопках в Эфесе, которые датируются VI веком н. э.

Между 1174 и 1200 гг. арабский ученый и изобретатель Аль-Джазари описал машину, конструкция которой включала шатун с коленчатым валом (кривошипно-шатунный механизм). Предназначалась такая машина для подъёма воды[15].

В конструкциях машин кривошипы и шатуны обильно используются с XVI века, о чём свидетельствуют трактаты того времени: Агостино Рамелли The Diverse and Artifactitious Machines 1588 года, где изображены восемнадцать примеров. Число примеров растет в работе Theatrum Machinarum Novum от Георга Андреаса Бёклера, в которой присутствует до 45 различных машин.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Поршневой палец (недоступная ссылка).
  2. Шатун двигателя внутреннего сгорания | АВТОСТУК.РУ (рус.). autostuk.ru. Проверено 19 февраля 2018.
  3. [http://mash-xxl.info/info/386331/ Баббиты для вкладышей шатунов - Энциклопедия по машиностроению XXL]. mash-xxl.info. Проверено 19 февраля 2018.
  4. Шатуны - Моряк (рус.). seaspirit.ru. Проверено 19 февраля 2018.
  5. Какой шатун выбрать (рус.). enginepower.pro. Проверено 19 февраля 2018.
  6. Administrator. Шатуны. azbukadvs.ru. Проверено 20 февраля 2018.
  7. [http://www.ngpedia.ru/id481899p1.html Стержень - шатун - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1] (рус.). www.ngpedia.ru. Проверено 20 февраля 2018.
  8. Кривошипно-шатунный механизм | Конструкции судовых двигателей внутреннего сгорания. www.stroitelstvo-new.ru. Проверено 20 февраля 2018.
  9. Шатун двигателя внутреннего сгорания: конструкция, назначение, из чего делают шатуны (рус.), Автодромо - автоновости, тест-драйвы, обзоры, статьи, каталог авто и автосалонов, покупка и продажа автомобилей (18 апреля 2016). Проверено 20 февраля 2018.
  10. [http://sinref.ru/000_uchebniki/00800ekscovatori/100_rukovodstvo-po-ekspluatacii-jcb-4cx/153.htm Вкладыши нижней головки шатуна (снятие и установка) дизельного двигателя Perkins]. sinref.ru. Проверено 20 февраля 2018.
  11. Ремонт шатуннопоршневой группы Камаз (рус.). autoruk.ru. Проверено 20 февраля 2018.
  12. Administrator. Шатуны (рус.). vdvizhke.ru. Проверено 20 февраля 2018.
  13. Контент / Руководство / Поршни и шатуны - ВАЗ - ремонт, обслуживание, тюнинг (рус.). vazik.ru. Проверено 20 февраля 2018.
  14. Балансировка шатунов и коленвала. - Форум Клуба PATRIOT 4x4 (англ.). www.patriot4x4.ru. Проверено 20 февраля 2018.
  15. Что такое шатун и как он работает? (рус.). Проверено 19 февраля 2018.