Андрей Смирнов
Время чтения: ~15 мин.
Просмотров: 0

Шатуны на велосипед: конструкция, типы, способы крепления

ПРИНЦИП РАБОТЫ МЕХАНИЗМА

Принцип работы кривошипно-шатунного механизма рассмотрим упрощенно на примере одноцилиндрового мотора. Такой двигатель включает в себя:

  • коленчатый вал с двумя коренными шейками и одним кривошипом;
  • шатун;
  • и комплект деталей ЦПГ, включающий в себя гильзу, поршень, поршневые кольца и палец.

Воспламенение горючей смеси выполняется когда объем камеры сгорания минимальный, а обеспечивается это при максимальном поднятии вверх поршня внутри гильзы (верхняя мертвая точка – ВМТ). При таком положении кривошип тоже «смотрит» вверх. При сгорании выделяемая энергия толкает вниз поршень, это движение передается через шатун на кривошип, и он начинает двигаться по кругу вниз, при этом коренные шейки вращаются вокруг своей оси.

При провороте кривошипа на 180 градусов поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ). После ее достижения  выполняется обратная работа механизма. За счет накопленной кинетической энергии маховик продолжает вращать коленвал, поэтому чему кривошип проворачивается и посредством шатуна толкает поршень вверх. Затем цикл полностью повторяется.

Если рассмотреть проще, то один полуоборот коленвала осуществляется за счет выделенной при сгорании энергии, а второй – благодаря кинетической энергии, накопленной маховиком. Затем процесс повторяется вновь.

Поршень

Поршень воспринимает при рабочем ходе давление газов и передает его через палец и шатун коленчатому валу двигателя.

Поршень состоит из головки 1 и юбки 14. Верхняя плоскость головки (днище) ограничивает снизу рабочую полость цилиндра и непосредственно воспринимает давление газов.

В головке поршня имеются канавки для поршневых колец.

Юбка поршня, соприкасаясь со стенками цилиндра, направляет движение поршня и передает боковое усилие от него стенкам цилиндра.

На поршень действуют силы давления газов, достигающие больших величин, силы инерции возвратно-поступательно движущихся деталей, боковые силы, возникающие при отклонении шатуна от оси цилиндра, и, наконец, сила трения между поршнем и зеркалом цилиндра. Поэтому поршень должен обладать достаточной прочностью, жесткостью и износоустойчивостью.

Кроме того, вследствие неблагоприятных условий охлаждения (тепло в основном отводится через поршневые кольца и юбку поршня к стенкам цилиндра) поршни могут нагреваться до очень высокой температуры.

Поэтому к конструкции поршня и материалу, из которого он изготовляется, предъявляются повышенные требования. Для изготовления поршней применяются алюминиевые сплавы и чугун. Несмотря на большую прочность чугунных поршней, в современном автомобилестроении предпочтение отдается поршням из алюминиевых сплавов. Алюминиевые поршни легче чугунных, а это уменьшает силы инерции и нагрузку на детали двигателя при его работе.

Алюминиевые поршни обладают большой теплопроводностью, следовательно, днища таких поршней имеют более низкую температуру нагрева, что улучшает наполнение цилиндра свежей горючей смесью и позволяет увеличить-степень сжатия. Наконец, силы трения, возникающие между поршнем и стенками цилиндра, у алюминиевых поршней меньше, чем у чугунных.

В алюминиевых поршнях в верхней части головок иногда делаются глубокие узкие канавки, уменьшающие передачу тепла от днища к поршневым кольцам, чтобы избежать пригорания колец.

В средней части поршня имеются приливы — бобышки 6 для установки поршневого пальца.

Во время работы двигателя поршень и цилиндр расширяются от нагревания. Но условия охлаждения цилиндра значительно лучше, чем условия охлаждения поршня, поэтому цилиндр расширяется меньше, чем поршень. Чтобы избежать заклинивания поршня при нагревании, поршень устанавливается в цилиндре с небольшим зазором.

Чтобы уменьшить зазор между поршнем и цилиндром (вызывающий стуки поршня при непрогретом двигателе и утечку газов), алюминиевые поршни изготавливаются с разрезной и овальной юбками. Разрезные юбки могут иметь разрез различной длины и формы (П- и Т-образные).

ОСНОВНЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ

Несмотря на то, что кривошипно-шатунный механизм работает в жестких условиях, эта составляющая двигателя  достаточно надежная. При правильном проведении технического обслуживания, механизм работает долгий срок.

При правильной эксплуатации двигателя ремонт КШМ потребуется только из-за износа ряда составных деталей – поршневых колец, шеек коленчатого вала, подшипников скольжения.

Поломки составных компонентов КШМ происходят в основном из-за нарушения правил эксплуатации силовой установки (постоянная работа на повышенных оборотах, чрезмерные нагрузки), невыполнения ТО, использования неподходящих горюче-смазочных материалов.

Последствиями такого использования мотора могут быть:

  • залегание и разрушение колец;
  • прогорание поршня;
  • трещины стенок гильзы цилиндра;
  • изгиб шатуна;
  • разрыв коленчатого вала;
  • «наматывание» подшипников скольжения на шейки.

Такие поломки КШМ очень серьезны, зачастую поврежденные элементы ремонту не подлежат их нужно только менять. В некоторых случаях поломки КШМ сопровождаются разрушениями иных элементов мотора, что приводит мотор в полную негодность без возможности восстановления.

Проверка и подгонка

Разница в подходе к форсированному мотору несколько отличается от простого капитального ремонта. Последний может предполагать экономию на покупке новых деталей. В доработанном силовом агрегате лучше не применять восстановленные компоненты. При тюнинге двигателя не стоит и пренебрегать операциями дефектовки даже в случае покупки комплекта новых шатунов. Если опасность наличия трещин в материале при этом практически отсутствует, то проверка геометрии обязательна. Если при капитальном ремонте силового агрегата достаточно приобрести шатуны одной весовой группы, то форсировка обязывает во избежание вибраций подогнать шатуны не только по общей массе, но и по распределению ее по головкам. В случае эксплуатации аппарата на режимах максимальных оборотов, для лучшего натяга в посадке, отверстие под кривошипный подшипник целесообразно подобрать укладывающимся в нижний предел допуска, указанного производителем. А вот кардинальное изменение зазоров в подшипниках, пред-полагая, допустим, переход на масла более высокого класса, может привести к неудовлетворительной работе системы смазки.

Как стучит шатун

Для обеспечения вибраций близкой к нулю, шатуны изготавливаются как можно легкими. Облегчение веса может уменьшить прочность. Поэтому конструкторы ищут золотую середину.

В этом видео показано, как стучит шатун автомобиля Сузуки.

В этом видео показывается стук в работе мотора Ваз 2199 и как проверить стучат ли шатуна ДВС.

Если новые шатуны ДВС приходят по заказу в цельном виде, то их надо сломать. Ниже, на видео показано, как сломать новый шатун для Шевроле.

Определение поломки шатуна и пути решения проблемы

Ремонт шатунов двигателя — работа не сложная

Хотя при поломке последствия могут быть очень плачевными, поэтому важно уметь определять поломку этой детали и пути быстрого ремонта

Первый признак поломки — стук в двигателе. Но многие могут спутать его со звукам распредвала, клапана или других элементов двигателя. Перепутать стук шатунов двигателя с другими звуками очень сложно. Он очень сильно похож на частый и громкий стук молотка.

Для того чтобы проверить в каком цилиндре поломка нужно попробовать снять провода с крышки трамблёра, но делать это нужно последовательно. Сняв один из проводов звук в двигателе уменьшится — это значит, что поломка скрыта именно в этом цилиндре.

На инжекторных двигателях сделать это немного сложнее. На модификации с фишками, нужно снять фишку с катушки зажигания, тем самым отключив нужный цилиндр.

После того как вы определили в каком цилиндре поломка — разберите двигатель и проверьте все шатуны. Если окажется что помимо сломанного шатуна в двигателе есть ещё и гнутые, то проблема может возникнуть в том, что с одной стороны поршень будет испытывать большее трение, а с другой пропускать масло, что впоследствии приведёт к образованию нагара.

Определить гнутый шатун очень просто. Для этого вам понадобится плоская поверхность и наждачная бумага. Натяните бумагу на поверхность и потрите об неё каждый шатун поршневой головкой. Если шатун ровный, то поверхность верхней головки будет равномерно блестящая. Если же шатун кривой, то поверхность будет блестеть не равномерно. В случае если шатун кривой — его так же следует заменить.

Менять шатун нужно в нескольких случаях:

  • Деформирован стержень
  • Появились зазоры в верхней или нижней части головки

Какие же могут быть причины обрыва шатуна в двигателе? Очень просто!

  1. Поддерживайте достаточный уровень масла
  2. Меняйте фильтр, не допускайте его загрязнения
  3. Меняйте масло каждые 7-12 тыс км

Чтобы хорошо и правильно отремонтировать шатун, желательно использовать специализированное оборудование, если у вас такого оборудования нет, то лучше доверить дело профессионалам.

Во-первых, для того чтобы привести нижний шатун в идеальное заводское состояние — вам нужно обточить крышку головки. Слой, который вы снимите, должен быть минимальным. После проведения операции установить головку в прежнее положение и затяните болты.

Во-вторых, помните, что нельзя растачивать головку больше установленного диаметра. Для того чтобы не превысить допустимое значение — расточку следует выполнять на специализированном станке.

В-третьих, после расточки шатуна может увеличиться зазор под поршневым пальцем в головке. Для решения этой проблемы нужно заменить бронзовую втулку, после чего она примет требуемый диаметр.

Тюнинг

В последнее время появились тюнинговые шатуны, их преимущество перед обычными шатунами, в том, что они легче. Тюнинговые шатуны делают из легких, но крепких сплавов метала, а так как вес шатунов имеет большую роль для двигателя, и чем легче шатуны, тем шустрей движок. Для примера, возьмите тяжелый камень и быстро поднимайте его вверх и низ, а потом легкий, и поймете что быстрей поднимать и опускать легкий камень чем тяжелый, так и для движка коленвалу легче поднимать и опускать легкие шатуны.

Движки форсируют разными способами, ставят турбонадув, специальные газовые установки и т.д. Но это приводит к перегрузкам деталей двигателя, и такие движки как правило быстро выходят из строя. А если в движок поставить облегченные шатуны, то наоборот его ресурс увеличивается, плюс прибавляется резвость и мощность. По мне намного интересней ездить с виду на стандартном движке, но легко обгонять новые машины такого же класса, а другие водилы думают что в машине стоит более мощный движок.

Тюнинговые шатуны можно легко купить через интернет, но правда они стоят дороже стандартных, но если есть желание поддать своему движку резвости ставьте тюнинговые шатуны, или облегчайте стандартные снимая лишний метал и подгоняя их по весу, но не перестарайтесь.

Строение шатуна

Шатун ДВС состоит из:

  1. верхней поршневой головки;
  2. силовой стержень;
  3. нижней кривошипной головки.

Верхняя головка шатуна изготавливается цельной. Это соединительный элемент с отверстием для поршневого пальца. Верхняя головка не разъемная.

Силовой стержень выполняется цельным, без соединительных частей.

Нижняя головка шатуна — это место соединения шатунной шейки коленвала ДВС. Нижняя головка разборная, соединяются шатунными болтами. Во время ремонта вместо шатунных болтов нельзя ставить обычные, так как шатунные выдерживают большую температуру и нагрузку. Испорченную резьбу на шатунных болтах не восстанавливают методом нарезки, на заводе резьбу создают методом накатки, а не нарезкой плашкой. Это означает, что при поврежденной резьбе шатунных болтов, их следует заменить, а не ремонтировать.

В нижнюю головку в посадочное место устанавливают тонкостенные вкладыши (подшипники скольжения). Подшипники для нижней головки шатуна не отличаются по конструкции от коренных вкладышей коленвала.

В некоторых шатунах имеются специальные отверстия для прохождения моторного масла к подшипнику скольжения.

Для подачи масла к верхней головке, в некоторых видах предусмотрено смазывающее отверстие. Силовой стержень дизельных двигателей более толще, массивнее.

1 — шатунный болт; 2 — крышка; 3, 4 — нижний и верхний шатунные вкладыши; 5, 8 — нижняя и верхняя головки шатуна; 6 — корончатая гайка; 7 — стержень шатуна; 9 — втулка (гильза); 10, 11 — штифты; a — канал; б, в, г — стержень, конусный поясок и головка шатунного болта; д, е — дугообразные канавки; ж, и, о — радиальные отверстия; з, м — холодильники; к, л — кольцевые канавки; н — короткая канавка; п — выемка под штифт; р — лыска.

По конструкции строение шатунов классифицируют на:

  • двутавровые;
  • круглые;
  • ромбические.

Двутавровые используются в автомобильных двигателях внутреннего сгорания.

Круглые шатуны применяются в двигателях для судов.

Ромбические шатуны назначаются для двигателей к высокоскоростным гоночным автомобилям.

Кривошипные головки классифицируются на:

  • простые;
  • прицепные;
  • вильчатые.

Шатуны с простыми кривошипными головками устанавливают в простые ДВС.

Шатуны с прицепными кривошипными головками используются в звездообразных и V-образных двигателях.

Шатуны с вильчатыми кривошипными головками применяются в V-образных и W-образных моторах.

Блок цилиндров

На тщательно обработанную верхнюю плоскость блока цилиндров устанавливают головку блока, которая закрывает цилиндры сверху. В головке над цилиндрами выполнены углубления, образующие камеры сгорания. У двигателей жидкостного охлаждения в теле головки блока предусмотрена рубашка охлаждения, сообщающаяся с рубашкой охлаждения блока цилиндров. При верхнем расположении клапанов в головке имеются гнезда для них, впускные и выпускные каналы, отверстия с резьбой для установки свечей зажигания (у бензиновых двигателей) или форсунок (у дизелей), магистрали смазочной системы, крепежные и другие вспомогательные отверстия. Материалом для головки блока обычно служит алюминиевый сплав или чугун.

Плотное соединение блока цилиндров и головки блока обеспечивается с помощью болтов или шпилек с гайками. Для герметизации стыка с целью предотвращения утечки газов из цилиндров и охлаждающей жидкости из рубашки охлаждения между блоком цилиндров и головкой блока устанавливается прокладка. Она обычно изготавливается из асбестового картона и облицовывается тонким стальным или медным листом. Иногда прокладку с обеих сторон натирают графитом для защиты от пригорания.

Нижняя часть картера, предохраняющая детали кривошипно-шатунного и других механизмов двигателя от загрязнения, обычно называется поддоном. В двигателях сравнительно малой мощности поддон служит также резервуаром для моторного масла. Поддон чаще всего выполняется литым или изготавливается из стального листа штамповкой. Для устранения подтекания масла между блок-картером и поддоном устанавливается прокладка (на двигателях небольшой мощности для уплотнения этого стыка часто используется герметик — «жидкая прокладка»).

Шатун, особенности конструкции

Конструктивные отличия шатуна определяются типом мотора и схемой его компоновки. Так в бензиновых двигателях используют легкий вариант, а в дизельных – утяжеленный, Причина тому – дизель работает при бОльших степенях сжатия .

Основные элементы

К главным звеньям относятся: стержень, верхняя головка (поршневая) и нижняя (кривошипная). Также в комплект входят: вкладыши нижней головки (подшипники скольжения), подшипниковая втулка верхней головки, болты и гайки со шплинтами для крепления нижней головки к шатуну.

Стержень шатуна может быть разных видов сечения: прямоугольник, круг, крест или Н-образный. Есть движки, в которых шатуны имеют масляную канавку, через которую подается масло к поршню.

Поршневая головка находится вверху – это неразъемный шатунный элемент. Его конструкция зависит от способа установки поршневого пальца.

В двигателях, с пальцем фиксированного типа (палец жестко запрессован в верхнюю шатунную головку), в поршневой в головке предусмотрено цилиндрическое отверстие без втулки.

В варианте движка с плавающим пальцем (палец фиксируется в бобышках поршня), присутствует биметаллическая или бронзовая втулка.

Кривошипная головка находится внизу и имеет разборную конструкцию. Она соединяет коленчатый вал и сам шатун. Включает верхнюю часть и крышку, которая прикреплена к шатуну болтами. Бывает с двумя категориями разъемов относительно стержневой оси – косым (под углом) и прямым (перпендикулярным).

В головке, как уже говорилось, установлены вкладыши подшипника скольжения. Выглядят как две половинки разрезанного плоского кольца. Покрыты и могут содержать от двух до пяти слоев мягкого металла.

Чтобы не возникало вибраций и шумов во время работы двигателя, все шатуны, и их составляющие должны быть одинаковой массы. Подгонку по массе делают, снимая тонкую стружку с бобышек, которые расположены на верхней головке, на стержне или внизу поршневой головки.

Применяемый материал и профили

Шатуны делают штамповкой из высокопрочной стали или методом литья из чугуна.

В дизельных моторах используются изделия из легированной стали изготовленные методом ковки (горячей штамповки), а в некоторых бензиновых двигателях из порошкообразных металлов, полученные методом спекания.

Напряженные условия работы этой детали предполагают ее высокую надежность, долговечность и износостойкость. Повышенные требования предъявляются и к болтам крепления. Для их производства используют легированные стали, с высоким коэффициентом текучести.

Конструктивные особенности

Стержень шатуна, при работе, подвергается продольному изгибу, поэтому обычно имеет двутавровое сечение, хотя встречаются также круглые, крестообразные и трубчатые. Но оптимальным вариантом считается двутавровый стержень, обладающий хорошей жесткостью при минимальном весе.

Для крестообразных профилей нужны более развитые головки, а это способствует утяжелению детали. У круглого исполнения простая геометрия, но оно требует высокого качества механической обработки.

В массовом автомобильном производстве применяются стержни двутаврового сечения. Для повышения общей жесткости, уменьшения габаритов и массы шатунов в форсированных двигателях обе головки отковывают как одно целое со стержнем. При этом верхней, как правило, придают форму цилиндра.

Верхние головки выпускаются различной формы, отличия зависят лишь от устройства и способа фиксации поршневого пальца, а так же от способа смазки.

Ну, теперь поняли, чем отличается наш шатун от медведя?)))

Да! Не забудьте поделиться с друзьями! Ссылочку скиньте им на эту статью и порядок. И не останавливайтесь на прочитанном, продолжайте расширять свой автомобильный кругозор, читай те статьи про Поршень, про Блок двигателя, Про Коленчатый вал. Всё будет для вас интересно!

До новых встреч, автомобилисты!)))

Устройство шатуна

В случае применения вкладышей, последние удерживаются от проворота своими «усами», попадающими в паз головки. 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 (40Г, 45Г2, 40ХН, 12ХН3А, 18ХНВА, 18Х2Н4А,…) 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). 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.

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. 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.

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 в нём ниже. Как только произойдёт 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). Обычные вкладыши изготовлены из сталеалюминиевой ленты (антифрикционный алюминиевый сплав, обычно содержит также олово), либо свинцовистой бронзы (имеет более высокое допустимое контактное давление).

Разрушение шатуна при гидроударе.

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.

Рейтинг автора
5
Подборку подготовил
Максим Уваров
Наш эксперт
Написано статей
171
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации