Что такое шатун и как он работает?
Шатуном называют составляющий элемент кривошипно-шатунного механизма, который соединяет поршень и коленчатый вал. Зачем же нужен шатун? Он предназначается для передачи крутящего момента к колёсам транспортного средства и преобразования этого крутящего момента во вращательные движения.
- 1. Конструкция шатуна.
- 2. Стержень шатуна.
- 3. Материалы, из которых изготавливаются шатуны.
- 4. Установка шатуна.
Начало истории шатунов относится к третьему столетию нашей эры. Тогда на лесопилках Римской империи были применены подобные механизмы в конструкции привода пил. В двенадцатом столетии нашей эры учёный Аль-Джазари описал машину для подъёма воды, которая включала в себя шатуны и коленчатый вал. Это был такой себе предок современного кривошипно-шатунного механизма. А повсеместное использование кривошипно-шатунных механизмов в разнообразных машинах началось в 16 столетии нашей эры и не закончилось по сей день.
1. Конструкция шатуна.
Шатун автомобильного двигателя соединяет поршень двигателя и коленчатый вал. Его предназначение состоит в том, чтобы передавать во время работы усилие от вала на поршень и в обратном направлении. Во время рабочего процесса шатун совершает очень сложные движения. Верхняя головка вместе с поршнем делает возвратно-поступательные движения, а нижняя головка – круговые. При этих движениях на шатун действуют высокие нагрузки, так что его конструкция должна выдерживать высокие нагрузки. Конструкция шатуна предусматривает такие составляющие:
1. Верхняя головка шатуна (поршневая головка).
2. Нижняя головка шатуна (кривошипная).
3. Силовой стержень, соединяющий головки шатуна.
Верхняя головка шатуна соединяется с поршнем при помощи поршневого пальца (из-за этого её и называют поршневой головкой). Она имеет цельную неразборную конструкцию, которая определяется способом крепления поршневого пальца.
Но бывают двигатели с плавающим пальцем, в которых отсутствуют втулки и поршневой палец попросту вращается в отверстии шатунной головки благодаря зазору. В таком случае, обязательно используется смазка, которая подаётся к поршневому пальцу. Так как на верхнюю шатунную головку приходиться очень большая нагрузка, она изготавливается в виде трапеции, дабы увеличить опорную поверхность во время работы поршня.
Нижняя головка шатуна конструктивно соединяется с шатунными шейками коленчатого вала. Эта головка разборная и состоит из верхней части и крышки нижней головки.
Верхняя часть – это одно целое с шатуном. Она растачивается на заводе производителя с установленной крышкой, так что каждая крышка может использоваться исключительно со своим подогнанным шатуном. Во время ремонта обязательно стоит это учитывать и никогда не менять крышку. Крышка соединяется с шатуном при помощи специальных шатунных болтов, которые определяют положение шатунной крышки относительно всего шатуна.
В нижней шатунной головке также имеются вкладыши подшипников скольжения, которые конструктивно напоминают корневые подшипники коленчатого вала. Эти подшипники изготавливают из стальной ленты, внутренняя поверхность которой покрыта антифрикционным сплавом. Этот сплав очень износостойкий, но только при наличии необходимого количества смазочного материала.
2. Стержень шатуна.
У большинства производителей автомобилей, ориентированных на массовый рынок, стержень шатуна расширяется к его нижней головке и имеет двутавровую форму. У дизельных двигателей шатуны более массивны и прочны, чем у бензиновых двигателей.
Некоторые двигатели оснащаются шатунами и других форм, к примеру, в спортивных авто, в которых имеются алюминиевые шатуны. Обычно, стержень шатуна имеет внутренний просверленный канал для подачи масла в верхнюю головку. Иногда, этот канал также ведёт и к нижней головке, откуда масло разбрызгивается в полости цилиндра и поршня.
Все шатуны двигателя должны иметь одинаковый вес, чтобы вибрации от двигателя были минимальными. Кроме того, совпадать должен не только вес всего шатуна, но и вес верхних головок и нижних головок. Для достижения одинакового веса используют очень точные весы, а потом подгоняют вес по самому лёгкому шатуну, аккуратно снимая часть металла с бобышек (металлические наплывы на поверхности шатунов) на головках и на стержне шатуна.
3. Материалы, из которых изготавливаются шатуны.
В целях уменьшения вибраций и повышения мощности двигателя инженеры пытаются сделать шатуны и все остальные детали кривошипно-шатунного механизма максимально лёгкими.
Но облегчение конструкции провоцирует снижение прочности детали. А ведь шатун работает под высокой нагрузкой и требует соответствующего заряда прочности. Помимо этого, в массовом производстве немалое значение имеет и себестоимость материалов для изготовления шатунов. Так что при подборе материалов для шатунов производители идут на компромисс между этими двумя аспектами.
Из чего делают шатун?
В целях экономии ресурсов и снижения себестоимости готовой продукции, двигательные шатуны в массовом производстве изготавливаются из специального чугуна методом литья. Такой подход вполне приемлем для бензиновых двигателей серийного выпуска, так как обеспечивает почти идеальный компромисс между стоимостью и прочностью.
Что касается дизельных двигателей, то их детали, в том числе и шатуны, находятся под значительно большей нагрузкой, нежели детали бензиновых двигателей. Поэтому аналогичный подход здесь неуместен. Шатуны для таких двигателей производят методом горячей ковки или горячей штамповки.
А в качестве материала используют специальную легированную сталь. Кованный шатун намного прочнее литого шатуна, но и более дорогой в производстве.
Как отличить литой шатун от кованного? Это делается по боковому шву. У кованного шатуна этот шов широкий, а у литого – очень узкий. Одним из современных способов изготовления шатунов является использование порошковых материалов, из которых методом спекания производят шатуны.
Если рассматривать элитные и спортивные автомобили, в производстве которых стоимость материалов уходит на второй план, то в них часто используют титановые и алюминиевые сплавы. Это помогает заметно снизить вес всей конструкции, и повысить обороты двигателя. Шатуны из титана и алюминия весят на 50% меньше, чем шатуны из стали и чугуна.
Большое значение имеет то, какой материал используется для производства болтов крепления крышки от шатунной головки. Для этого используют высоколегированную сталь с высоким пределом текучести (в 2-3 раза больше, чем в углеродистой стали).
4. Установка шатуна.
Во время работы шатуны часто деформируются, так как испытывают очень высокие нагрузки.
Но вот при ремонте двигателя на них мало обращают внимания. И зря. Ведь деформированный шатун значительно ухудшает работу всего двигателя. Поэтому во время ремонта обязательно рекомендуем тщательно проверять и этот компонент тоже. Для диагностики шатуна его необходимо сначала снять, а потом придётся смонтировать обратно.Как снять шатун?
Из автомобиля невозможно отдельно снять шатун. Это выполнимо только вместе со снятием поршня, шатунного пальца и поршневого кольца, то есть всей шатунно-поршневой группы механизмов.
Шатунно-поршневую группу можно снять и без снятия всего двигателя. Это крайне выгодно, если нужно сэкономить время. Но всё-таки для большей надёжности лучше проводить подобный ремонт со снятием всего двигателя. Так вы проверите абсолютно все механизмы и, возможно, предупредите усугубление сложившейся ситуации, которая пока что незаметна.
Этапы снятия шатунно-поршневой группы:
1. Демонтировать масляный поддон двигателя и головку от блока цилиндров.
2. Найти метки, которые указывают цилиндр, где располагается тот или иной шатун и направление, в котором нужно устанавливать крышку шатуна. Если вы не нашли метки, то сделайте их самостоятельно (в большинстве случаев они есть, так что будьте бдительны).
3. Постепенно открутить гайки или болты, которыми крепиться крышка от шатуна. Поворачивать нужно постепенно по четверти оборота каждый раз. Во время выкручивания болтов, на них стоит одеть защитные приспособления (подойдут и куски мягкого шланга с подходящим диаметром). Эти защитные приспособления уменьшат вероятность повреждения полированной поверхности всех деталей.
4. Демонтировать крышку шатуна и при этом не допустить выпадения из неё вкладыша.
5. Поставить коленвал таким образом, чтобы продольная ось цилиндра совпала с осью шатунной шейки
6.
Аккуратно извлечь сам поршень, придерживая его снизу и ударяя легонько деревянным молотком по болтам или по шатуну.
7. Все детали укладывать поочерёдно в последовательности их снятия на чистую поверхность. Чтобы не забыть, можно даже записать или подписать детали.
Установка шатуна вместе с установкой всей шатунно-поршневой группы производиться следующим образом:
1. Перед установкой обязательно проверить все составляющий на предмет дефектов и, при необходимости, устранить эти дефекты.
2. С помощью поршневого пальца соединить поршень с шатуном.
3. Смонтировать поршневые кольца на поршень и проверить установку всех их замков согласно правилам.
4. Стенки цилиндра, поршень и поршневые кольца смазать чистым специальным моторным маслом.
5. Провести сжатие поршневых колец с помощью спецприспособления, которое предварительно следует смазать моторным маслом.
Может понадобиться постучать по приспособлению молоточком.
6. Смонтировать шатун в отверстие цилиндра. Делать это можно только в одном направлении с направлением поршня, которое указывается специальной меткой на дне поршня.
7. Шатун выровнять относительно шейки коленвала.
8. Поверхность шатуна, куда устанавливается вкладыш подшипника, тщательно протереть. Потом установить в шатун нужный вкладыш подшипника. Обязательно убедитесь, что устанавливаете именно тот подшипник, который там раньше и стоял. Это важно, так как детали вместе уже притёрлись, и установка не той детали может повлиять на качество работы всего механизма.
9. На болты крепления шатунной крышки одеть защитные приспособления (куски шлангов) и прикрутить эту крышку к шатуну. Сначала закрутить болты руками, а потом – строго следуя руководству по эксплуатации транспортного средства. Для этого используют динамометрический ключ и специальный транспортир.
Подобная процедура установки проводится со всеми имеющимися в двигателе транспортного средства шатунами.
Шатун
Шатун образует важное звено между поршнем и коленчатым валом, преобразуя поступательное движение первого во вращательное движение последнего.
В двигателе шатун подвергается воздействию значительных переменных нагрузок, изменяющихся от растяжения к сжатию. Поэтому он должен быть прочным, жестким и легким. Шатуны изготавливаются из стали литьем или горячей штамповкой. На спортивных автомобилях могут устанавливаться шатуны из титанового сплава.
Конструкция шатуна различается в зависимости от типа двигателя и его компоновочной схемы. Длина шатуна во многом определяет высоту двигателя. Шатун условно разделяется на три части: стержень, поршневую и кривошипную головки.
Стержень шатуна имеет, как правило, двутавровое сечение. Встречаются шатуны с круглым, прямоугольным, крестообразным, Н-образным сечением стержня. Для подачи масла к подшипнику поршневой головки в стержне шатуна выполнен канал.
Поршневая головка представляет собой цельную проушину, в которую с натягом установлена втулка – подшипник скольжения для вращения поршневого пальца. Втулка изготавливается бронзовой или биметаллической (сталь со свинцом, оловом). Устройство поршневой головки определяется размером поршневого пальца и способом его крепления. Для снижения массы шатуна и уменьшения нагрузки на поршневой палец на некоторых двигателях используются шатуны с трапециевидной формой поршневой головки.
Кривошипная головка обеспечивает соединение шатуна с коленчатым валом. На большинстве двигателей кривошипная головка выполняется разъемной, что обусловлено технологией сборки ДВС. Нижняя часть головки (крышка) соединяется с шатуном с помощью болтов. Реже используется штифтовое или бандажное соединение частей кривошипной головки. Разъем может быть прямым (перпендикулярный оси стержня) или косым (под углом к оси стержня). Косой разъем применяется, в основном, на V-образных двигателях и позволяет сделать блок двигателя более компактным.
Для противодействия поперечным силам стыковые поверхности кривошипной головки выполняются профилированными. Различают зубчатое, замковое (прямоугольные выступы) соединение. Самым популярным в настоящее время является соединение частей головки, полученное способом контролированного раскалывания, т.н. сплит-разъем. Разлом обеспечивает высокую точность стыковки частей.
Толщина кривошипной головки определяет длину блока цилиндров. Особенно это актуально для V- и W-образных двигателей. К примеру, толщина нижней головки шатуна двигателя W12 от Audi составляет всего 13 мм.
В кривошипной головке размещается шатунный подшипник, состоящий из двух вкладышей. Вкладыши изготавливаются многослойными – двух-, трех-, четырех- и даже пятислойными. Самые ходовые двух- и трехслойные вкладыши. Двухслойный вкладыш представляет собой стальную основу, на которую нанесено антифрикционное покрытие. В трехслойном вкладыше стальную основу и антифрикционный слой разделяет изоляционная прокладка.
Признаки неисправности шатуна
Большинство современных автомобильных двигателей имеют определенное количество цилиндров. Хотя четырехцилиндровые и шестицилиндровые двигатели являются наиболее распространенными, на дорогах также встречается много восьмицилиндровых двигателей. В верхней части автомобильного рынка находятся экзотические и роскошные автомобили с десятицилиндровыми, двенадцатицилиндровыми и даже шестнадцатицилиндровыми двигателями.
Для каждого цилиндра, входящего в состав двигателя конкретного автомобиля, внутри него расположен шатун. Шатун представляет собой толстый плоский кусок металла (обычно из стали), который одним концом соединяется с поршнем, а другим концом с коленчатым валом. Шатун преобразует возвратно-поступательное движение поршня вверх-вниз во вращательное движение коленчатого вала. Мощность, вырабатываемая всеми цилиндрами двигателя, срабатывающими в заданной последовательности, передается на трансмиссию автомобиля, а затем на колеса, приводя автомобиль в движение по дороге.
Плохой шатун обычно является следствием какой-либо другой неисправности двигателя, а не причиной. Шатуны обычно не выходят из строя сами по себе, но имеют тенденцию к неисправности в результате отсутствия надлежащего обслуживания или выхода из строя другого компонента. Есть несколько признаков плохого шатуна. Давайте проверим, что это такое:
Стук, исходящий из двигателя: Звук, известный как «стук штока», обычно возникает из-за недостатка смазки, который возникает в подшипниках, где используется вертикальное движение шатуна. для вращения коленчатого вала. Вместо обычной масляной пленки, которая покрывает эти движущиеся части и позволяет им плавно двигаться относительно друг друга, несмазанный материал подшипника изнашивается, оставляя контакт металла с металлом между шатуном и коленчатым валом. Другая возможность заключается в том, что у вас есть «закрученный подшипник», когда подшипник шатуна вращается со своего места и блокирует масляные каналы.
Конечным результатом в любом случае является стук. Стук шатуна наиболее заметен, когда ваш двигатель работает с постоянной скоростью, и он будет увеличиваться по мере увеличения скорости двигателя.Низкое давление масла/плохой поток масла: Это еще один признак того, что ваш двигатель получает недостаточно смазки. Если грязное, вязкое масло блокирует масляные каналы вашего двигателя, масло будет с большим трудом циркулировать по ним. Низкое давление масла может привести к тому, что на приборной панели загорится сигнальная лампа масла, или оно может привести к низким показаниям манометра масла, если он есть в вашем автомобиле. Если вы видите индикатор масла или показания низкого давления масла, немедленно остановите машину, заглушите ее и позвоните своему механику для получения указаний. Вашему двигателю может угрожать серьезная опасность.
Низкий уровень масла/чрезмерный расход масла: Это может быть результатом проблем, описанных выше.
Плохая смазка может привести непосредственно к избыточному потреблению масла, уменьшая количество масла в вашем двигателе. Если вы заметили, что это постоянное состояние, и вам приходится часто доливать масло, позвоните своему механику и проверьте его, пока не стало еще хуже.Перегрев двигателя: Если проблема со смазкой шатуна достаточно серьезная, чрезмерное количество выделяемого тепла может перегрузить систему охлаждения автомобиля и вызвать перегрев. Если загорается сигнальная лампа температуры или вы видите, что указатель температуры показывает «H» или переходит в красную зону, немедленно выключите машину и свяжитесь со своим механиком.
Конечным результатом в любом случае является стук. Стук шатуна наиболее заметен, когда ваш двигатель работает с постоянной скоростью, и он будет увеличиваться по мере увеличения скорости двигателя.
Плохая смазка может привести непосредственно к избыточному потреблению масла, уменьшая количество масла в вашем двигателе. Если вы заметили, что это постоянное состояние, и вам приходится часто доливать масло, позвоните своему механику и проверьте его, пока не стало еще хуже.Стоит ли водить машину с неисправным шатуном?
Определенно нет. В то время как плохой шатун может привести к серьезным повреждениям на ранних стадиях, последствия продолжения движения с неисправным шатуном могут быть поистине катастрофическими. Если неисправный шатун сломается во время движения на высокой скорости, его части могут сделать большую дыру прямо в боковой части блока цилиндров.
В то же время поршень, к которому ранее был прикреплен шатун, может нанести ущерб верхней части цилиндра, где он может врезаться во впускной и выпускной клапаны, погнув или сломав их. Это событие известно как «бросание удочки». Поздравляю, вы только что полностью уничтожили свой двигатель.
Как починить неисправный шатун?
Нет простого способа сообщить печальную новость. Плохой шатун является признаком серьезного повреждения двигателя. Даже если вы поймаете его до того, как ваш двигатель выкинет стержень, вашему автомобилю предстоит капитальный ремонт двигателя. Возможный перечень поврежденных элементов может включать:
- Сами шатуны
- Шатунные подшипники
- Вал коленчатый
- Поршни
- Пальцы поршневые поршневые Стенки цилиндра
- Клапаны
- Прочие родственные части
Ваш механик сначала должен разобрать ваш двигатель, чтобы можно было оценить степень повреждения. Следующим шагом является составление списка элементов, которые необходимо отремонтировать или заменить, а также много труда для этого.
Это будет дорого.
Если это случится с вашей машиной, вам может быть трудно принять решение, в зависимости от новостей, которые вы получите от своего механика. В зависимости от степени повреждения и состояния остальной части вашего автомобиля механик может предложить вам один или несколько из следующих вариантов:
- Отремонтируйте поврежденный двигатель и замените детали, которые больше не пригодны для использования
- Замените весь двигатель восстановленным блоком, который будет поставляться с гарантией
- Возьмите подержанный двигатель с завода по переработке автомобилей — на него не будет гарантии
- Продайте поврежденную машину на свалку прямо сейчас, потому что затраты на ремонт намного превышают стоимость вашей машины.
Первый вариант для двигателя с минимальными повреждениями. Второй вариант стоит делать, если ваша машина достаточно молода и в ней еще полно жизни. Третий вариант — это недорогой способ продлить срок эксплуатации старой машины, а также он позволит вам продать машину в рабочем состоянии, что принесет вам более высокую цену.
Последний вариант имеет смысл, если ваша машина старая и изношенная, и в целом не будет надежной только потому, что вы заменили двигатель. Если последний звучит как ваша машина, возможно, пришло время попрощаться.
Можно ли заменить неисправный шатун самостоятельно?
Если у вас нет большого опыта в восстановлении двигателей, ответ НЕТ! Плохой шатун может означать серьезное повреждение двигателя, для ремонта которого потребуются сложные навыки и специальные инструменты. Это определенно не ваша обычная работа своими руками!
Вы можете предотвратить неисправность шатуна
Если вы читаете это, потому что у вас уже есть неисправность шатуна, мы сочувствуем. Но если вы читаете исключительно в образовательных целях, вот очень важный вывод: предотвращение проблем с шатунами — гораздо более простой и менее дорогой способ действий, чем необходимость платить за дорогостоящий ремонт (или утилизацию вашего автомобиля) после того, как это произошло!
Вы один из тех водителей, которые пытаются сэкономить несколько долларов, не обслуживая свою машину? Если это так, вы можете пожалеть об этом плохом решении.
Если вы не замените масло, вас оштрафуют, когда ваш двигатель разрушит шатуны и коленчатый вал, а также другие движущиеся части. Замена масла с рекомендованной периодичностью (см. руководство по эксплуатации) — это дешевая страховка от неисправности шатуна, а также от многих других проблем с автомобилем.
Шатуны поршневого двигателя
Шатун является связующим звеном, передающим усилия между поршнем и коленчатым валом. [Рисунок 1] Шатуны должны быть достаточно прочными, чтобы оставаться жесткими под нагрузкой, и в то же время быть достаточно легкими, чтобы уменьшить силы инерции, возникающие, когда шток и поршень останавливаются, меняют направление и снова начинают движение в конце каждого хода.
| Рисунок 1. Шатун между поршнем и коленчатым валом |
Существует четыре типа шатунов в сборе [Рисунок 2]:
- Плоский
- Вилка и нож
- Главный и шарнирный
- Разрезной
Рисунок 2. Узел шатуна |
Узел главного и шарнирного стержня
Узел основного и шарнирного стержня обычно используется в радиальных двигателях. В радиальном двигателе поршень в одном цилиндре в каждом ряду соединен с коленчатым валом главной тягой. Все остальные поршни в ряду соединены с главным штоком с помощью шарнирных штоков. В 18-цилиндровом двигателе с двумя рядами цилиндров имеется два главных штока и 16 шарнирных штоков. Шарнирные стержни изготовлены из кованого стального сплава I- или H-образной формы, обозначающей форму поперечного сечения. Бронзовые втулки запрессованы в отверстия на каждом конце шарнирного стержня, чтобы обеспечить подшипники поворотного пальца и поршневого пальца.
Главный шатун служит связующим звеном между поршневым пальцем и шатунной шейкой. Конец шатуна или большой конец содержит шатунный подшипник или главный шатунный подшипник. Фланцы вокруг большого конца обеспечивают крепление шарнирных стержней.
Шарнирные стержни крепятся к ведущему стержню с помощью шарнирных пальцев, которые при сборке запрессовываются в отверстия во фланцах ведущего стержня. Подшипник скольжения, обычно называемый втулкой поршневого пальца, устанавливается на поршневой конец главного штока для приема поршневого пальца.
При использовании коленчатого вала с разъемными шлицами или разъемным зажимом используется цельный основной шатун. Ведущий и шарнирный шатуны собираются, а затем устанавливаются на шатунную шейку; затем секции коленчатого вала соединяются вместе. В двигателях с неразъемным коленчатым валом большой конец главного шатуна разделен, как и подшипник главного шатуна. Основная часть ведущей тяги установлена на шатунной шейке; затем крышка подшипника устанавливается на место и прикручивается к главной тяге. Центры поворотных цапф не совпадают с центром шатунной шейки. Таким образом, в то время как центр шатунной шейки описывает истинную окружность для каждого оборота коленчатого вала, центры поворотных цапф описывают эллиптическую траекторию.
[Рисунок 3] Эллиптические траектории симметричны относительно центральной линии, проходящей через главный штоковый цилиндр. Видно, что большие диаметры эллипсов не совпадают. Таким образом, тяги тяг имеют разную степень угловатости относительно центра кривошипа.
| угловатость шатунов и эллиптическое движение поворотных пальцев, все поршни не двигайтесь на одинаковую величину в каждом цилиндре на заданное количество градусов поворота кривошипа. Это изменение положения поршня между цилиндрами может иметь значительное влияние на работу двигателя. Чтобы свести к минимуму влияние этих факторов на клапан и угол опережения зажигания, отверстия под цапфу во фланце главной тяги не расположены на равном расстоянии от центра шатунной шейки, тем самым в некоторой степени компенсируя влияние угловатости соединительной тяги. Другим методом сведения к минимуму неблагоприятного воздействия на работу двигателя является использование компенсированного магнето. Поворотные пальцы Поворотные пальцы имеют прочную конструкцию, за исключением масляных каналов, просверленных в пальцах, которые смазывают втулки поворотных пальцев. Эти штифты могут быть установлены путем вдавливания в отверстия во фланцах главного стержня, чтобы предотвратить их проворачивание в главном стержне. Штифты поворотных кулаков также могут быть установлены со свободной посадкой, чтобы они могли поворачиваться в отверстиях фланцев главного стержня, а также вращаться во втулках шарнирного стержня. Они называются полностью плавающими шарнирными пальцами. В любом типе установки стопорная пластина с каждой стороны удерживает цапфу и предотвращает боковое смещение. Наверх |
В этом магнето кулачок прерывателя имеет количество выступов, равное количеству цилиндров двигателя. Чтобы компенсировать изменение положения поршня из-за угловатости соединительной тяги, выступы кулачка прерывателя отшлифованы с неравномерным шагом. Это позволяет контактам прерывателя размыкаться, когда поршень находится в правильном положении зажигания.