Шатун в двигателе внутреннего сгорания что это

18.08.202318.08.2023 admin 0 Comments

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

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

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

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

Стержень

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

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.

Кривошипная головка

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

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

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.

Источник

Шатун

Шатун — деталь, которая передает усилие от поршня к коленчатому валу двигателя. Также через шатун поршень получает обратное инерционное движение. Шатун служит для передачи возвратно-поступательного движения поршня к коленчатому валу двигателя.

Движение шатуна отличается сложностью. Шатун имеет две головки, одна из которых соединена с поршнем, а другая прикрепляется к коленчатому валу. Верхняя головка движется аналогично поршню, то есть совершает возвратно-поступательное движение. Нижняя головка шатуна совершает круговое движение вместе с шейкой коленчатого вала.

Шатун позволяет эффективно реализовать преобразование возвратно-поступательного движения в движение вращательное. Для выполнения этой функции шатун получает шарнирное соединение как с самим поршнем, так и с коленчатым валом ДВС. Наиболее часто шатуны выполнены из стали. Методом их изготовления становится штамповка или ковка. Для высокофорсированных ДВС спортивных авто и другой специализированной техники шатуны могут отливать из титанового сплава.

Поршневой палец может быть как фиксированным, так и плавающим. Фиксированный палец означает, что верхняя головка шатуна получает цилиндрическое отверстие, которое изготавливается с особой точностью для обеспечения строго определенного натяга в месте соединения с поршневым пальцем.

Плавающий палец подразумевает возможное наличие запрессованных в отверстие втулок, а также может вращаться в верхней головке шатуна и в бобышках поршня. Силовой стержень шатуна отличается тем, что имеет характерное сечение, называемое двутавровым. Указанный силовой стержень расширяется к нижней части.

Нижняя головка шатуна имеет разборную конструкцию. Сама головка также делится на две части. Верхняя часть выполнена единым целым с шатуном, а нижняя называется крышкой нижней головки шатуна. Такая особенность конструкции нижней головки шатуна позволяет реализовать эффективное соединение шатуна с шейкой коленвала. Крышка шатуна присоединяется к шатуну специальными направляющими болтами и гайками.

Шатунные болты находятся под большой нагрузкой в процессе работы ДВС, а также определяют правильное положение самой крышки шатуна. Указанные болты наиболее часто запрессованы в шатун, а гайки затянуты динамометрическим ключом.

Для достижения высочайшей точности в месте соединения двух составных частей нижней головки шатуна используется метод контролируемого раскалывания. Данная современная технология позволяет добиться идеальной поверхности для последующей максимальной плотности и точности прилегания крышки шатуна и нижней головки в месте излома.

Что следует понимать под определением «стуканул двигатель». Почему мотор начинает стучать. В каких случаях стук в двигателе указывает на поломку ДВС.

Назначение поршня в конструкции ДВС. Особенности и устройство поршня, маслосъемные и компрессионные кольца.

Назначение цилиндро-поршневой группы двигателя внутреннего сгорания. Особенности конструкции, поршень, кольца, гильза цилиндра. Износ и ремонт ЦПГ.

Причины появления нагара в камере сгорания, что такое нагар. Как почистить поршни двигателя и камеру сгорания от нагара, очистка без разборки двигателя.

Когда необходимо производить замену поршневых колец. Как устанавливать кольца на поршень при замене своими руками. Ресурс, колец, притирка и обкатка.

Как правильно подбирать поршневые кольца. Правильный подбор колец по размерам и материалам изготовления, как выбрать оригинальные кольца. Полезные советы.

Источник

Разрушители легенд. Двигатель внутреннего сгорания. Часть №6. Кривошипно-шатунный механизм. Часть №1. Шатун.

Вся история существования и развития двигателей внутреннего сгорания(ДВС) непрерывно связана с применением кривошипно-шатунного механизма(КШМ), без которого двигатели в давно и всем известном виде просто непредставимы. Поршень в цилиндре движется прямолинейно-поступательно и преобразовать это движение во вращательное без КШМ не представляется возможным.

Чего наворотили на основе КШМ за последние сто лет можно посмотреть здесь:

При всём кажущемся совершенстве конструкций на основе КШМ попытки создать двигатель без КШМ не прекращаются по сей день. Ничего путнего на горизонте мы пока не наблюдаем, но изобретателей это не останавливает.

Двухсотлетнее стремление избавиться от КШМ давно уже выродилось в самоцель и, похоже, народ давно позабыл(или никогда и не знал?)первопричину этих потуг. Почему же конструкторы всех мастей с маниакальным упорством продолжают опять и опять изобретать велосипед?
Чем так не угодил КШМ создателям ДВС?

Я уже давал ответ на этот вопрос в предыдущих своих статьях, но сегодня хочу остановиться на этом вопросе подробнее. Давайте ещё раз рассмотрим конструкцию КШМ.

Давление газов в цилиндре ДВС равномерно распределено по поверхности «камеры сгорания». Вектор силы этого давления НА ПОРШЕНЬ действует вдоль стенок цилиндра в район оси вращения коленвала. Поршень воздействует на кривошип через шатун, который поворачивается при вращении коленвала на довольно значительный угол — соответственно шатун передаёт на кривошип хоть и бОльшую, но только ЧАСТЬ давления газов. Кривошип в свою очередь преобразует в крутящий момент только ту ЧАСТЬ передаваемого шатуном усилия, которая направлена по КАСАТЕЛЬНОЙ относительно коленвала — таким образом теряя ещё значительную часть передаваемого усилия. Все силы, которые не преобразуются в крутящий момент на коленвалу — деформируют коленвал, шатун, стенки цилиндров, поршень, подшипники и всё прочее типа блока цилиндров — в итоге взаимокомпенсируются через механизмы двигателя и потому полезной работы не совершают. Пропадают зря.

Давайте проследим путь СИЛЫ давления газов на поршень до выходного вала ДВС.
Как видно из рисунка — в каждом КШМ имеется ДВА узла, манипулирующих силами давления газов:

Первый такой узел — это сочленение ПОРШЕНЬ-ШАТУН.
Максимальный коэффициент трансформации силы(далее КТС) давления газов через шатун возникает когда шатун расположен по оси силы давления — соответственно этот момент возникает только в ВМТ и НМТ. По мере отклонения шатуна от вертикали передаваемая на кривошип сила уменьшается по закону Pt=P1*cos(β) от 100% до некоего минимума, возникающего при повороте кривошипа на 90 градусов после ВМТ.
«Наука» теплотехника несколько извращённо трактует взаимодействие сил в этом сочленении.
Третий закон Ньютона пока ещё никто не отменял, но некоторые уже давно и успешно его забыли — сила действия ВСЕГДА равна силе противодействия. Именно поэтому НА САМОМ ДЕЛЕ боковая составляющая вызвана силой ПРОТИВОДАВЛЕНИЯ, действующей в ответ на силу ДАВЛЕНИЯ газов. Поскольку эти силы взаимодействуют под углом — то и «возникает» третья сила, в полном соответствии с законами сложения и разложения сил. В старых учебниках по ДВС ещё можно найти адекватные иллюстрации:

Чем сильнее отклоняется шатун — тем БОЛЬШЕ получается сила(N) давления поршня на стенки цилиндра.
Чем сильнее отклоняется шатун — тем МЕНЬШЕ получается сила(Pt), передаваемая через шатун на кривошип!

Максимальный угол отклонения шатуна напрямую зависит от соотношения ДЛИНЫ ШАТУНА к РАДИУСУ КРИВОШИПА. Чем длиннее шатун — тем меньше возникающий угол. Лучше всего когда шатун длиннее плеча кривошипа в 4 раза и более — максимальный угол отклонения шатуна тогда минимален.

Алхимики от двигателестроения шифруются и потому у них своя система координат — они манипулируют соотношением длины шатуна и рабочего хода поршня — это соотношение у них принято обзывать «R/S». Как часто бывает(или это специально делается?) — общепринятый термин в очередной раз всё путает. Рабочий ход поршня к углу отклонения шатуна никакого отношения, конечно же, не имеет. Но поскольку в силу конструктивных особенностей КШМ рабочий ход поршня ровно в два раза больше радиуса кривошипа — то и такое соотношение можно использовать.
Только зачем?
Я терпеть не могу, когда термин перевирает техническую суть.
Потому я не буду использовать термин R/S в своём рассказе.

При коротком(3R) шатуне угол отклонения шатуна от вертикали достигает 20 градусов и, соответственно, передаваемое на кривошип усилие в сочленении ПОРШЕНЬ-ШАТУН уменьшается процентов на 6-7. Энергия не берётся из ниоткуда и не исчезает в никуда — всё, что недополучит от поршня кривошип, всё это усилие будет впечатывать поршень в стенки цилиндра, что многократно увеличивает трение в цилиндро-поршневой группе(что тоже чревато увеличением потерь мощности) и существенно ускоряет износ.
Т.е. часть сил давления газов замыкается в двигателе накоротко уже на этом этапе.

Чем короче шатун — тем сильнее он отклоняется от вертикали при вращении кривошипа и тем больше «ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ» потери сил в сочленении ПОРШЕНЬ-ШАТУН:

Потому, как ни странно прозвучит — но именно длина шатуна обуславливает МАКСИМАЛЬНУЮ эффективность КШМ в целом! Подавляющее большинство двигателей имеет шатуны длиной 3-3.5R — соответственно за счёт сочленения ПОРШЕНЬ-ШАТУН двигатель с такой геометрией никак не может передать на кривошип больше условных 95% сил, воздействующих на поршень.

Даже 5% потерь уже готового к употреблению момента — это очень дофига. Это просто неприлично много. В потугах хоть как-то отыграть эти потери применяют смещение оси движения поршня(«дезаксиал»\»дезаксаж») — либо сдвигают точку крепления шатуна к поршню, либо сдвигают сами цилиндры в блоке так, чтобы шатун в зоне максимального давления газов был перпендикулярен(ну или хотя бы БОЛЕЕ перпендикулярен) днищу поршня и направлен строго вдоль вектора силы передаваемого через шатун давления:

Как видите — смещение уменьшает угол между шатуном и вектором силы давления газов в самом ответственном положении коленвала. За счёт этого средний момент, предаваемый шатуном на кривошип получается увеличить на 1-2 процента.
Это как бы немного, но не будем забывать, что это чуть ли не ПОЛОВИНА ПОТЕРЬ в сочленении ПОРШЕНЬ-ШАТУН. Соответственно при смещении оси движения поршня значительно снижается давление поршня на стенки цилиндра, уменьшается скорость поршня на рабочем такте, это в свою очередь приводит к уменьшению потерь на трение в цилиндре и к уменьшению износа ЦПГ. Уменьшается шум и нагрузки при перекладке поршня…
Но это всё ПРОИЗВОДНЫЕ от потерь в сочленении ПОРШЕНЬ-ШАТУН при отклонении шатуна от оси движения поршня. Я не буду влезать в дезаксиал глубоко — к сожалению он не решает всех проблем, а некоторые проблемы существенно усугубляет, увы.

Есть ещё одна проблема, которую вообще практически не озвучивают — это ДИНАМИЧЕСКИЕ потери. Дело в том, что шатун при работе двигателя движется по довольно замысловатой траектории. Длинный шатун(5R) перемещает поршень по очень близкой к синусоиде траектории. Так выглядит график ПЕРЕМЕЩЕНИЯ поршня на одинаковом коленвалу при разных шатунах(синяя кривая — при относительно длинном(5R) шатуне, красная при относительно коротком(3R) шатуне):

Как видите — отличия в кинематике поршня минимальны и непонятно о чём беспокоиться.
Но давайте посмотрим на график отклонения шатуна от оси движения поршня:

Как видите — максимальный угол отклонения шатуна отличается почти в два раза.
При длинном шатуне мы максимально теряем около 2% передаваемого момента(КТС=0.98), а при коротком — почти 6%(КТС=0.94). Т.е. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ потери передаваемого момента в сочленении поршень-шатун из-за более сильного отклонения короткого шатуна выше в ТРИ РАЗА!

На самом деле можно взять шатуны и ещё длиннее длинного(тогда потери уменьшаются всё медленнее) и ещё короче короткого(тогда потери нарастают лавинообразно) — но в реальном двигателестроении даже рассмотренные крайности применяются редко, а лезть в галимую теорию я смысла не вижу — меня интересуют чисто практические вещи.

Понятно, что на кону всего-то-навсего 4% от крутящего момента двигателя, но это очень не мало и это всё ещё СТАТИКА, о которой я писал выше.

Давайте смотреть ДИНАМИКУ.
График СКОРОСТИ поршней и шатунов уже начинает вызывать тревогу:

Дело в том, что скорость поршней в цилиндрах сильно влияет на сопротивление и износ.
А оба этих параметра — обратная сторона потерь энергии на трение.

Как видно на графике — скорость движения поршневой группы минимальна вблизи верхней мёртвой точки и вблизи нижней мёртвой точки, а максимальна — посередине хода поршня. Т.е. поршневая группа при каждом обороте коленчатого вала два раза разгоняется максимально и два раза тормозится до нулевой скорости.
Понятно, что каждый разгон и торможение требуют затрат энергии.
При возрастании скорости в два раза — ускорения(а значит и затраты энергии на разгон-торможение) возрастают в четыре раза. А как мы видим на графике — максимальная скорость поршневой группы при коротком шатуне на 3% выше.

Давайте посмотрим на ускорения поршневой при разных шатунах:

Ускорение в ВМТ отличается на 11% и затраты энергии на возвратно-поступательно движение поршневой группы увеличатся пропорционально!

Вблизи НМТ картина ещё более интересная — там ускорение поршневой группы с коротким шатуном имеет сложный характер. На первый взгляд максимальное ускорение ниже, но дело в том, что там выше скорость изменения ускорения — РЫВОК. А рывок — это ещё более энергозатратная(и разрушительная!) штука, чем ускорение.
Кому интересны подробности — читайте например тут.

Вот кривая РЫВКА этих же поршней и шатунов:

Как видно из графика максимальные скорости изменения ускорения при идеально РАВНОМЕРНОМ вращении коленвала находятся в районе 60 градусов ДО ВМТ и в районе 60 градусов ПОСЛЕ ВМТ. При коротком шатуне есть два явно выраженных всплеска в районе 25 градусов ДО НМТ(разгонный рывок) и в районе 25 градусов ПОСЛЕ НМТ(рывок торможения).
В четырёхцилиндровом РЯДНОМ двигателе рывки всех 4 цилиндров накладываются друг на друга — ведь они происходят одновременно в двух цилиндрах — при движении поршня вверх, и одновременно в двух других цилиндрах — при движении поршня вниз. Ещё и воспламенение в одном из цилиндров в районе ВМТ накладывается синфазно каждый такт…
Именно поэтому вибрации четырёхцилиндрового двигателя максимальны по амплитуде и потому именно он считается самым неуравновешенным.

Дезаксиал серьёзно ухудшает эту картину.
Но без него современный КОРОТКОШАТУННЫЙ двигатель немыслим.
В итоге вибрации двигателей получаются настолько высокими, что производителям пришлось изобретать и внедрять балансирные валы:

Эти неуравновешенные валы вращаются с вдвое более высокими оборотами, чем коленчатый вал — таким образом они тоже создают вибрации, но эти вибрации рассчитывают так, чтобы они действовали в противофазе к вибрациям коряво спроектированного КШМ и таким образом гасили их. Вот так производители «успешно» борются с проблемами, которые сами же и породили.
Правая рука не ведает, что вытворяет левая?
В результате внешних проявлений почти нет — трясётся короткошатунный двигатель не сильнее нормального длинношатунного, но внутри такого двигателя бушуют страсти — повышенные ударные нагрузки на коленвал и поршневую, значительные дополнительные вес и инерционные нагрузки, высокие ударные нагрузки на кучу дополнительных узлов — всё это приводит к ускоренному износу и повышенному расходу топлива…

Маниакальная страсть производителей ширпотребовских двигателей снять максимальную мощность с объёма завела индустрию в патовую ситуацию.
Мощность — это обороты.
Производители в погоне за оборотами(читай — за литровой мощностью) пошли по самому лёгкому пути — максимально снизили вес и РАЗМЕРЫ цилиндро-поршневой группы. Ну и получили что получили.
Паспортной МАКСИМАЛЬНОЙ мощности до сих пор приносят в жертву и момент, и экономичность, и ресурс.

При увеличении оборотов в 10 раз — скорости поршневой группы увеличиваются в 10 раз, ускорения увеличиваются в 100 раз, а рывок — в 1000 раз. Соответственно лавинообразно увеличиваются ДИНАМИЧЕСКИЕ потери момента, которые просто обязаны пагубно отражаться на итоговом КПД двигателя в реальной работе. Особенно на высоких оборотах. Но считать их я не буду — это уже высшая математика, а мне бы с арифметикой двигателя разобраться для начала…

На картинках даже в современных учебниках по ДВС нарисованы двигатели в тех пропорциях, какими их представляли себе инженеры начала прошлого века — они-то понимали толк в том, что делали. Но в жизни мы подобные пропорции найдём разве что в судовых и локомотивных двигателях.
Ну и разумеется — в двигателях Формулы-1, которым приходится крутиться с оборотами под 22000, из-за чего в них все эти современные извращения просто недопустимы…
Легковое же двигателестроение уже давно заблудилось в трёх соснах — современные двигатели ВСЕ короткошатунные и короткоходые — и бензинки и дизеля.

Источник