Шатун поршня в двигателе внутреннего сгорания играет очень важную роль, он является соединяющим звеном цепочки: поршень — коленчатый вал. Он преобразует вращение коленвала в поступательные движения поршня. При работе двигателя шатун испытывает на себе переменные циклические нагрузки, поэтому одной из важных характеристик отвечающих за его ресурс, является усталостная прочность.
Усталостная прочность шатуна достигается изготовлением его из правильно подобранного материала, удачной конструкции и соблюдении всех технологий.
Для изготовления шатунов применяют стали с содержанием углерода 0,3 — 0,45%:
- марганцовистые;
- хромистые;
- хромоникелевые;
- хромомолибденовые.
Шатун состоит из стержня, нижней и верхней головки по краям. Через поршневой палец на верхней головке крепится поршень, на нижней, которая является разъемной — коленчатый вал.
Заготовки шатунов получают штамповкой в несколько этапов с промежуточной термообработкой. Это дает высокую вязкость и пластичность при невысокой твердости.
При проектировании двигателя, в шатун закладывается высокая прочность его конструкции путем снятия или максимального уменьшения напряжений в опасных местах.
Для придания прочности конструкции должны быть выполнены следующие условия:
- Переход между верхней головкой и стержнем должен быть максимально широким, в идеальном случае он должен равняться радиусу верхней головки.
- Стержень должен расширяться к нижней головке.
- Середина крышки нижней головки должна иметь большое сечение.
- Площадки под болты и гайки нижней головки не должны ослаблять конструкцию.
Для надежной работы шатуна, должен обладать высокой прочностью не только сам шатун, но и болты, соединяющие две половинки его нижней головки. Так как болты, как и сам шатун подвержены цикличным нагрузкам. Для придания прочности их изготавливают из стали с низким содержанием углерода 0.3%. Резьба на болтах не нарезается, а накатывается, так как катаная резьба прочнее нарезной на 20-30%. Шаг резьбы на болтах: чаще всего М8х1, М9х1 и М10х1, реже применяется М10х1.25, еще реже М8х0.75.
Для центрирования крышек применяются разные варианты.
На большинстве двигателей применяются шатуны с плоским стыком крышки, так как его нижняя часть беспрепятственно проходит сквозь цилиндр (при установке на двигатель поршня и шатуна в сборе). Но встречаются двигатели, где это сделать проблематично, например, на некоторых дизельных двигателях, где шатун из-за больших нагрузок на него выполнен массивнее. При плоском стыке нижняя головка может не пройти в цилиндр, поэтому на таких двигателях делают косой стык по треугольным или прямоугольным шлицам.
Из-за облегчения центрирования нижней крышки по отверстиям на последних двигателях VOLVO, а также ALFA ROMEO применена конструкция с треугольными шлицами на прямом стыке. У них есть один минус, при разрушении шатунного вкладыша, такие шатуны гораздо сложнее в ремонте.
На некоторых последних двигателях именитых марок BMW и FORD применяются “колотые” шатуны. У таких шатунов стыком разъема крышки является хрупкий излом. Огромным преимуществом такой конструкции шатунов является высокая точность отверстия нижней головки, она составляет порядка 0.001-0.002 мм. Но при этом они обладают большим минусом, они практически не ремонтопригодны.
Шатун является довольно точной деталью. Основной параметр закладывается в параллельности осей верхней и нижней головки. Здесь его точность должна лежать в пределах 0.02 — 0.03 мм на расстоянии 100 мм. В одном двигателе шатуны могут отличаться по массе не более чем на 1% от массы шатуна.
Для уравновешенности всей кривошипно-шатунной системы необходимо провести развесовку шатунов и поршней. Так вот, когда речь идет о развесовке шатунов, то их вес учитывается по отдельности. Для уравновешенности коленчатого вала учитывается вес только нижней головке шатуна, так как именно она совершает вращательное движение и должна быть уравновешенна противовесом коленчатого вала.
Масса нижней его части может быть определена путем ее взвешивания, когда верхняя головка находится на шарнирной опоре.
Масса верхней его части определяется аналогично, только в этом случае на весах взвешивается его передняя часть, а задняя часть находится на шарнирной опоре.
В сумме оба веса должны дать общую массу шатуна.
В следующей части статьи шатун поршня двигателя мы поговорим о верхней головке шатуна.
