Конструкция шатуна
Шатун – это соединение поршня и коленчатого вала, преобразующее скользящее (линейное) движение во вращение. Конструкция шатуна зависит главным образом от диаметра поршневых и шатунных шеек и их взаимного расстояния. Важно помнить, что при определении длины шатуна также необходимо учитывать соображения противовеса. Причем на размеры шатуна влияют величина и частота напряжений, а значит, и частота вращения. На шатун действует не только давление поршня, приведённого в движение расширением газа, но и силы масс противоположного направления, изменение которых экспоненциально связано с изменением оборотов. Чтобы уравновесить эти нагрузки, вес должен быть уменьшен как можно больше, а соотношение веса и жесткости должно поддерживаться как можно более низким. Шатунная лапка также требует тщательной конструкции, и избежать раскола можно только в обмен на дорогую и трудоемкую конструкцию. Важным конструктивным моментом является то, что после снятия крышки шатунной лапки шатунно-поршневой узел можно вытащить из цилиндра, не повредив при этом подшипники коленчатого вала.
Силы, действующие на шатуны
Шатун нагружен инерцией, возникающей за счет силы расширяющегося газа, действующей на поршень, а также ускоренного движения массы всего поршня и шатуна. Нагрузку, возникающую из-за давления газа, достигающего максимума вблизи верхней мертвой точки поршня, можно снизить на высоких оборотах. Однако в случае легковых автомобилей этот эффект не очень значителен, поскольку установленные в них двигатели внутреннего сгорания могут свободно нагружаться даже при низких скоростях вращения. Поэтому этот эффект не учитывается при расчете двигателей легковых автомобилей.
Из вышеизложенного следует, что теоретические размеры шатунов являются лишь ориентировочными и их результаты обычно модифицируются на основе предыдущего практического опыта. Тем не менее, в настоящее время существуют модели FEM, которые очень хорошо аппроксимируют фактические напряжения в шатунах. Информацию аналогичной точности можно получить с помощью оптических стресс-тестов шатуна, при которых заготовка из синтетической смолы загружается и освещается поляризованным светом, а полученное изображение предоставляет информацию о возможном распределении напряжений.
Смазка шатуновСмазка шатунной головки обычно не представляет особых проблем. Замена масла между контактными поверхностями в четырехтактном двигателе возможна путем прокачки его через масляный насос. Небольшое количество масла также скапливается в канавках втулки. Шатунная лапка обычно имеет подшипник скольжения, имеющий компактные массу и размеры. Такая конструкция используется, если возможна смазка под давлением. Когда это невозможно или в очень быстрых гоночных двигателях используются подшипники качения. Особая трудность в такой ситуации состоит в том, что их использование возможно только в случае разъемного коленчатого вала. Масло подается к шатунному подшипнику, смазываемому под давлением, через отверстия в коленчатом валу. Масло из подшипника поступает в шейку поршня через отверстие в поршне, противоположное стенке цилиндра.
Рекомендуется смазать шатунный подшипник, если масло попало в ненагруженную часть шатунной шейки. Для этого необходимо точно знать нагруженность шеек и подшипников. Нагрузка определяется газовыми и массовыми силами, зависящими от частоты вращения коленчатого вала.
Из чего состоят шатуны?Классический метод изготовления шатунов – цельная штамповка. При этой процедуре не возникает проблем с подготовкой валов двутаврового, «Н» или «Т» сечения с ребром жесткости. Оставшиеся на поверхности заусенцы шлифуются в плоскости симметрии так, чтобы остались только продольные следы обработки. Затем делаются отверстия для подшипников. Как и поршни, шатуны, напечатанные на 3D-принтере, сейчас производятся в значительных количествах.
Материалом, из которого они изготовлены, является сталь, которая легко рафинируется и имеет хорошие свойства удлинения. Для двигателей с более высокими характеристиками они изготавливаются из легированных сталей Cr-Mo, Cr-V и Ni, которые можно рафинировать - сегодня также распространены стали TWIP и TRIP. Кроме того, существуют еще сплавы Al-Cu-Mg. В настоящее время проводятся эксперименты с пластиковыми шатунами.
Если шатун предполагается использовать в высокопроизводительном двигателе, вся наружная поверхность повторно обрабатывается и полируется, чтобы исключить риск образования трещин.