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).

устройство и размеры шатуна поршневого двигателя

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

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.

конструкция верхней головки шатуна

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).
нижняя головка шатуна с косым разъемом 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.

***

Группа коленчатого вала