Шатуны, штоки и крейцкопфы


Общие положения
Шатун подвергается действию переменной нагрузки от давления газов и сил инерции.
Для достижения требуемой надежности шатуна на стадии конструкторско-технологической разработки необходимо предусмотреть:
достаточную прочность под действием всех приложенных циклических и постоянных нагрузок, включая периодические перегрузки, связанные с допустимой в эксплуатации скоростью и частотой перемен режимов работы двигателей на установках;
необходимую жесткость или сопротивление чрезмерным упругим деформациям от приложенных наибольших нагрузок для исключения недопустимых искажений формы, нарушающих нормальную работу шатунных подшипников;
стабильность размеров во времени или сопротивление остаточным деформациям несущих элементов и изнашиванию опорных поверхностей от рабочих воздействий в течение всего срока службы или заданных межремонтных периодов;
полную замкнутость разъемных неподвижных соединений или сопротивление их необратимым изменениям и фрикционно-коррозионным повреждениям на стыковых поверхностях при циклических нагрузках и возможных микро перемещениях.
Шатун состоит из стержня, поршневой и кривошипной головок, шатунных болтов и вкладышей. В некоторых случаях в конструкции шатуна отсутствуют отдельные из перечисленных элементов. Так, может отсутствовать поршневая головка, заменяемая цилиндрической пятой, присоединяемой к поршневому пальцу болтами или шаровой пятой, опираемой на сферический подшипник (подпятник) в поршне. При использовании подшипников качения в головках вместо втулки и вкладышей устанавливаются закаленные опорные кольца-обоймы. В случае ограниченных габаритных размеров вместо шатунных болтов для скрепления разъемных деталей головки могут использоваться гребенчатые много срезные соединения с коническими штифтами на прессовой посадке.
К конструированию шатуна приступают после выбора значения отношения радиуса кривошипа к длине шатуна.

Двутавровая форма сечения с ориентацией его внутренней стенки в плоскости движения широко применяется в шатунах современных двигателей.
Стержни шатунов
Основное преимущество шатунов с круглой формой сечения-простота изготовления; недостаток-нерациональное использование материала: излишняя жесткость в направлении, перпендикулярном к плоскости движения шатуна (или недостаточная жесткость в этой плоскости, а также в переходных зонах к головкам).
Стержень шатуна испытывает главным образом осевые циклические усилия. На рис. 114 представлены различные сечения стержней и шатунов. При слабо выраженном изгибе поперечное сечение стержня может иметь форму сплошного круга или круга с отверстием, квадрата или крестообразного профиля. Однако в большинстве случаев из-за наличия определенного поперечного изгиба в плоскости движения шатуна выбирают профили с преимущественным расположением материала именно в этой плоскости и с ориентацией в ней наибольшего размера (высоты сечения). Для шатунов двигателей рядного типа это наиболее экономно достигается при двутавровом профиле стержня (рис. 114, а), что позволяет осуществить плавный переход его полок в криволинейные очертания головок. Этим обеспечивается непрерывная связь силовых поясов составляющих элементов в конструкции и достигается повышенная жесткость шатуна при относительно малой массе.
Для главных шатунов, сочлененных с прицепными, имеющих дополнительные проушины на кривошипной головке, требования непрерывности силовых поясов элементов (проушин и стержня в системе головки) полнее достигаются при двутавровом Н-образном сечении стержня (рис. 114, д) с расположением полок в плоскости движения. При этом можно полностью устранить Z-образные податливые участки между центральной стенкой двутавра и плоскостями, разнесенными по торцам проушин, где резко снижается общая жесткость несущего контура головки и постели шатунного подшипника. Такая конструкция главных шатунов с развернутым (на 90°) двутавровым профилем стержня целесообразна для головок с несколькими проушинами; она применялась для шатунов звездообразных авиационных и W-образных двигателей отдельных типов.
Профили круглого сечения (рис. 114, в, г) применяют в современных конструкциях главным образом для шатунов малооборотных стационарных и судовых двигателей, а также иногда для прицепных шатунов V-образных двигателей.
Стержни шатунов прямоугольного сечения просты в изготовлении (рис. 114,е); их применяют для лодочных и некоторых двигателей малой мощности мотоциклетного типа.
Для подачи масла к поршню и подшипнику поршневой головки шатуна в. теле стержня часто выполняют глубокие отверстия-каналы, которые обычно располагают в средней части сечения, а в отдельных случаях смещают в периферийную зону сечения (по условиям допустимого выхода отверстия на поверхность постели шатунного подшипника). При выполнении канала в шатуне с^вутавровым профилем сечения предусматривают дополнительные утолщения стенки (рис. 114,6, ж-и). Качество обработки поверхности канала должно быть согласовано с качеством обработки наружной поверхности стержня, чтобы исключить возможное ослабление стержня из-за грубой поверхности канала в условиях повышенной циклической нагрузки.
Поршневая и кривошипная головки шатунов9 шатунные болты
Поршневую головку шатунов обычно выполняют в виде цельной замкнутой проушины круглой или овальной формы, имеющей плавное сопряжение со стержнем шатуна и симметричной относительно его продольной оси. В ряде случаев форма головки имеет менее благоприятные ступенчатые и несимметричные очертания, что чаще всего связано с введением дополнительных технологических выступов, используемых как базы при изготовлении или предназначаемых для регулировки (подгонки) массы шатуна. В верхней средней части головки иногда выполняют выступающий участок, очерченный по цилиндрической или сферической поверхности, к которому после сборки с поршнем плотно прижимается специальный стакан для подачи масла под заданным давлением из шатуна в поршень. Основные разновидности конструкций поршневых головок показаны на рис. 115.
В форсированных быстроходных двигателях применяют круглые тонкостенные головки (рис. 115, в). В ранних конструкциях автомобильных и тракторных двигателей при закреплении пальца в шатуне головку делали с прорезью, которую для облегчения монтажа часто выполняли косой.
В немногих конструкциях двигателей, в частности в двухтактных, применяют игольчатые подшипники; в этом случае давление на опорную поверхность может быть выше при достаточно большой длительности работы без ремонта. Конструкция получается более сложной. Для подачи масла в поршень, а также к трущимся поверхностям в теле головки делают отверстия и кольцевую канавку в расточке, располагаемые, как правило, в плоскости движения шатуна.
В целях получения необходимой износостойкости в месте соединения головки шатуна с поршневым пальцем в отверстие.
В крупных двигателях часто применяют круглые цилиндрические и реже некруглые головки, обычно имеющие плавное очертание, форма которых приближается к овальной.
Кромки отверстий для подачи масла при выходе в канавку и на наружную поверхность головки в шатунах высоко нагруженных двигателей скругляют или притупляют фаской (не менее 1 мм), для того чтобы уменьшить местное повышение напряжений в зоне концентраторов.
Отношение длин образующих максимального и минимального участков по ширине опорной поверхности головки обычно составляет.

1 2 3 4 5 6 7 8