Шатун двигателя

Шатуны соединяют коленчатый вал с поршнями и таким образом передают силы действия газов и силы инерции на шатунную шейку коленчатого вала. Шатун обеспечивает возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре. Верхняя головка шатуна со стороны поршня в направлении опоры поршневого пальца на многих современных двигателях имеет втулку ВГШ из бронзы. Шатун устанавливается на шейке кривошипа коленчатого вала посредством шатунных вкладышей. Нижняя головка шатуна имеет разъемное исполнение для монтажа на коленчатом валу. Для подачи масла к поршневому пальцу в конструкции шатуна предусматривают отверстие между верхней головкой шатуна (ВГШ) и нижней головкой шатуна (НГШ).

Шатун изготавливается из стали путем ковки или литья, причем в зависимости от нагрузки используется либо легированная, либо улучшенная сталь.

Шатуны подлежат замене, если они сломались или погнулись или если были разрушены опоры подшипников шатунов. Если остальные шатуны не повреждены, то шатуны можно заменять по отдельности, при этом рекомендуется взвесить старые шатуны и новый шатун подобрать или подогнать под вес старых шатунов.

При ремонте двигателя рекомендуется менять болты нижней головки шатуна.

Шатуны подлежат ОБЯЗАТЕЛЬНОЙ проверке и при необходимости замене в следующих случаях:

• значительные повреждения шатунных вкладышей коленчатого вала
• гидроудары в цилиндро-поршневой группе
• существенные повреждения поршней, например, в результате превышения максимально допустимой частоты вращения
• детонационное сгорание
• ошибки при монтаже, например, перепутывание крышек нижней головки шатунов
• поломки и/или повреждение поршней и гильз цилиндров

Конструкция шатуна:

Конструктивные особенности нижней головки шатуна:

«Прямой» и «косой» разъем нижней головки шатуна:

«Ломаный» разъем нижней головки шатуна:

«Ломаные» шатуны изначально изготавливаются в виде цельной детали, затем на них наносят насечки для разлома (металлокерамический шатун) или лазерную насечку (стальной шатун), после чего их целенаправленно ломают на две части (крекинг). Обе части свинчивают при монтаже шатуна. Благодаря наличию места разлома они точно подходят друг к другу. Из-за индивидуальной геометрии разлома, шатуны и крышки шатунов всегда должны использоваться вместе и не могут быть заменены по отдельности! Ломаные шатуны имеют преимущества в отношении прочности и точности изготовления. После монтажа поверхности разъема почти не видны. Шатуны и крышки шатунов устанавливаются с высокой точностью и благодаря этому обеспечивают оптимальную передачу силы.

«Зубчатый» разъем нижней головки шатуна:

Конструктивные особенности верхней головки шатуна:

«Прямая» и «трапециевидная» верхняя головка шатуна:

Верхняя головка — шатун — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Cтраница 2

Верхняя головка шатуна 3 при помощи пальца соединена с поршнем. Палец своей средней частью опирается на головную втулку, запрессованную в верхнюю головку шатуна, а концами — на бобышки в поршне.
 [16]

Верхняя головка шатуна 14 шарнирно соединена с крейцкопфом при помощи пальца.
 [18]

Верхняя головка шатуна — закрытая, с бронзовой втулкой. Нижняя головка шатуна разрезная.
 [19]

Верхняя головка шатунов цельная; в головку запрессована одна или две бронзовые втулки. В двигателе ЯАЗ-204 в верхнюю головку шатуна запрессованы две втулки, зазор между которыми образует канал для прохода масла к распылителю, имеющемуся на верхней головке и служащему для разбрызгивания масла на внутреннюю поверхность поршня в целях охлаждения.
 [20]

Верхняя головка шатуна монтируется в крейцкопф на игольчатых или конических подшипниках. Рабочая поверхность крейцкопфа заливается баббитом.
 [21]

Верхняя головка шатунов в большинстве случаев выполняется неразъемной и служит для соединения шатуна с поршнем или крейцкопфом. Для снижения механического трения в условиях высоких радиальных нагрузок в верхнюю головку шатуна запрессовывается бронзовая втулка. На рабочей поверхности втулки выполняют продольные или винтовые канавки, обеспечивающие распределение смазочного масла по всей поверхности поршневого пальца. Если сила, воспринимаемая шатуном, не изменяет своего направления за цикл, то доступ масла к нагруженной стороне шатунных подшипников затруднен, что приводит к увеличению износа трущихся элементов. Во избежание этого в верхней головке шатуна в ряде случаев применяют игольчатые подшипники. В конструкциях У-образных и вертикальных компрессоров применяют шатуны, у которых верхняя головка выполнена в виде вилки. Вильчатый шатун более сложен в изготовлении, но в сочетании с соответствующим ему крейцкопфом открытого типа позволяет приблизить шток к пальцу крейцкопфа и уменьшить осевые размеры компрессора. К недостаткам вильчатых шатунов следует отнести повышенную массу верхней головки и возможность деформации, что приводит к нарушению работы подшипникового узла в верхней головке шатуна. В нижней головке в этом случае предусматривают дополнительный разъем, позволяющий регулировать мертвое пространство в смежных ступенях за счет изменения толщины специальной регулировочной пластины, установленной между стержнем шатуна и нижней головкой. Центровка разъемной головки со стержнем шатуна осуществляется с помощью центрирующих выступа и выточки.
 [23]

Втулки верхней головки шатунов при капитальном ремонте заменяют новыми. Новую втулку запрессовывают под прессом так, чтобы стык ее был расположен под углом 90 к оси симметрии шатуна против часовой стрелки.
 [24]

Основные дефекты шатуна двигателя ЗИЛ-130.  [25]

Втулки верхней головки шатунов при КР заменяют новыми. Новую втулку запрессовывают под прессом так, чтобы стык ее был расположен под углом 90 к оси симметрии шатуна против часовой стрелки. Технология устранения этого дефекта у КамАЗ несколько иная: охлаждают втулку в жидком азоте, затем устанавливают ее в шатун так, чтобы после обработки торцы ее совпадали со скошенными торцами верхней головки ( запрессовка втулки в верхнюю головку шатуна не допускается), затем обрабатывают прошивкой до размера 0 44 5 и растачивают отверстие до размера по рабочему чертежу 0 45 0 o oi7 мм.
 [26]

Конструкция верхней головки шатуна зависит от способа крепления поршневого пальца. При закреплении пальца в шатуне верхние головки имеют косой или прямой разрез, стягиваемый болтом. При плавающем пальце верхняя головка имеет запрессованную в нее бронзовую втулку с толщиной стенок 0 5 — 2 5 мм.
 [27]

Палец верхней головки шатуна шарнирно соединен с траверсой. Башмак болтами прикреплен к нижней головке шатуна. Палец кривошипа конусной поверхностью вставляется в отверстие кривошипа и через разрезную втулку затягивается гайками.
 [28]

Втулку верхней головки шатуна заменяют новой и растачивают ее, используя в качестве базы отверстие в нижней головке.
 [29]

Втулка верхней головки шатуна бронзовая, палец поршня плавающий, пустотелый.
 [30]

Страницы:  

   1

   2

   3

   4

ДЕСЯТЬ ВЕЩЕЙ, КОТОРЫЕ НУЖНО ЗНАТЬ О ШАТУНАХ

(1) Шатун. Шатун является связующим звеном между поршнем и кривошипом. Шатуны постоянно находятся под большими нагрузками при движении вверх и вниз внутри цилиндра, поднимая и опуская поршень при вращении коленчатого вала. Повышенная мощность, будь то за счет поршня с высокой степенью сжатия, агрессивных фаз газораспределения, выхлопной трубы или других модификаций, увеличит нагрузку на шток.

(2) Как делают стержни. Лучшие шатуны кованые. Метод ковки под высоким давлением выравнивает зернистую структуру материала, делая его прочнее; однако ковка нерентабельна, если только компания не производит тысячи одинаковых стержней. Crank Works CNC изготавливает свои стержни из заготовки, а затем завершает обширный процесс термообработки и дробеструйной обработки для повышения прочности.

(3) Длинный стержень. Более длинный шток улучшает мощность на средних и высоких оборотах (без изменения рабочего объема двигателя). Более длинный шток снижает нагрузку на поршень и цилиндр; однако более длинный шток может стать вредным, если вы не втягиваете достаточно воздуха в двигатель, чтобы компенсировать это. В 2020 году Yamaha добавила к своему YZ450F стержень на 1,5 мм длиннее. Благодаря этому трение было снижено на 2 процента, что привело к меньшему нагреву, более быстрому набору оборотов и значительному сокращению декомпрессионного торможения при движении по инерции в поворотах.

(4) Укороченный стержень. По сравнению с четырехтактными двигателями старого образца современный двигатель имеет очень короткий ход поршня и большой диаметр цилиндра. В то время как более длинный шатун обеспечивает более плавное вращение в цилиндре, более короткий шатун прижимает поршень к стенкам цилиндра под более крутым углом, создавая большее сопротивление и торможение двигателем, обеспечивая при этом более высокие обороты. Более короткий шток также оказывает большую нагрузку на поршень, кольца и поршневой палец, что снижает долговечность. Иногда длинная тяга двигателя снижает мощность на низах, а это означает, что менее опытным гонщикам будет легче ездить с более коротким шатуном.

(5) Ходовой двигатель. Шатун соединен с кривошипом с помощью пальца. Специалисты по настройке двигателей послепродажного обслуживания используют такие компании, как Crank Works, для перемещения большого конца шатуна в новое место на кривошипе, увеличивая или уменьшая его радиус, чтобы удлинить или сократить ход двигателя. Это называется «погладить двигатель». Удлинение хода увеличивает количество воздуха и газа, которые могут поместиться в цилиндре. Кроме того, при более длинном ходе потребуется установить прокладку под цилиндр и фрезеровать головку, чтобы освободить место в цилиндре.

(6) Вращающаяся масса. Большинство людей удивляются, узнав, насколько сильно двигатель мотоцикла влияет на его способность проходить повороты. Вращающиеся металлические детали внутри двигателя создают эффект гироскопа, действуя как волчок, который всегда стремится вернуться прямо вверх. Чем легче юла, тем легче ее опрокинуть. Чем тяжелее волчок, тем труднее его опрокинуть. Точно так же двигатель с тяжелыми вращающимися частями хочет встать в середине поворота при повороте дроссельной заслонки. Вместо того, чтобы оставаться в колее, мотоцикл будет подниматься. Более легкий шатун может улучшить управляемость, одновременно увеличивая приемистость и мощность.

(7) Подшипники. Когда поршень совершает более 200 оборотов в секунду, на шатун и его подшипники действуют огромные нагрузки. Прочность стержня и его способность плавно вращаться на обоих концах имеют решающее значение. В стандартных двухтактных шатунах используются игольчатые подшипники на верхнем и нижнем концах. Поршни четырехтактных двигателей должны перемещаться вверх и вниз в два раза чаще, что увеличивает износ. В четырехтактных двигателях ранее использовались игольчатые подшипники в верхней и нижней части штока, но в последнее время конструкторы двигателей перешли на втулки (подшипники скольжения) в верхней и нижней части для увеличения срока службы. Дополнительный ход без искры на четырехтактном двигателе может разрушить топовый игольчатый подшипник.

(8) В наличии. В 2020 году KTM перешла с втулки верхней части штока с покрытием на бронзовые втулки на своих четырехтактных моделях для повышения долговечности. Yamaha, Kawasaki и Honda в настоящее время используют покрытия, снижающие трение, на своих топовых шатунных подшипниках.

(9) Допуски. Более жесткие допуски уменьшают раскачивание и флаттер поршня, что помогает, когда тюнеры ищут незначительное увеличение мощности. Более жесткие допуски также уменьшают потери мощности. Если поршневой палец слишком ослаблен, он позволяет поршню раскачиваться вперед и назад, и кольца не будут должным образом уплотняться в отверстии.

(10) Кривошип со смещением. Большинство людей считают, что поршень установлен прямо на одной линии с центром кривошипа. Не правда. В последние годы был сделан шаг к радиальному смещению поршня по отношению к кривошипу (перпендикулярно оси их вращения). В большинстве случаев поршень смещен на несколько миллиметров в сторону выпускной стороны цилиндра. Почему? Постоянная остановка и запуск поршня создает нагрузку на кривошип, шток и поршень. При смещении поршня от центра встречная нагрузка уменьшается. Цель кривошипов со смещением — уменьшить трение, а трение максимально во время такта сгорания, потому что поршень толкается в сторону цилиндра с наибольшей силой. Разработчик двигателя ориентируется на определенный диапазон оборотов, тот, который, по его мнению, гонщики используют чаще всего (от 5000 до 8000 об/мин), а затем выбирает количество миллиметров смещения, чтобы соответствовать этому целевому диапазону оборотов. Например, кривошип Yamaha YZ450F находится на 12 мм впереди центральной линии цилиндра.

Вот все, что мы смогли узнать о первых в мире двухкомпонентных шатунных тягах

Ежегодная выставка SEMA в Лас-Вегасе всегда собирает поклонников послепродажного обслуживания автомобилей множество нового оборудования для ознакомления. На этой неделе Transcend Energy Group произвела фурор, представив первый в отрасли шатун, состоящий из двух частей, известный как Thunder Rod, целью которого является повышение как эффективности, так и производительности двигателя внутреннего сгорания. Компания R&T посетила с президентом и главным директором по продукту Джоном Вудардом выставочную площадку SEMA, чтобы лучше понять преимущества, которые может дать эта простая деталь. Мы также поговорили с отраслевыми экспертами, чтобы узнать их мнение о жизнеспособности Thunder Rod.

Это захватывающая технология, которая привлекла много внимания как на SEMA, так и в преддверии выставки, предлагая теоретические преимущества благодаря нестандартному мышлению. Однако было очень трудно найти эксперта, который бы под запись говорил о том, звучали ли правдоподобно какие-либо из этих утверждений в реальном мире. Но прежде чем мы погрузимся во все это, давайте поговорим об основах того, что представлено.

Шатун не является сложной деталью двигателя. В самом общем смысле шатун прикрепляет поршень к коленчатому валу двигателя, преобразуя энергию возвратно-поступательного движения поршня в энергию вращения, отвечающую за вращение кривошипа. В то время как наука о материалах и производственные процессы улучшили традиционные конструкции шатунов за последнее столетие или около того, Transcend стала первой компанией, выпустившей узел, состоящий из двух частей. Вместо традиционной установки, в которой сам поршень является точкой поворота, эта конструкция перемещает точку поворота вниз на плечо шатуна. Эта установка создает гораздо более прямолинейное движение поршня, что, в свою очередь, улучшает общий объемный КПД двигателя. Частично это сводится к тому, что в Thunder Rod используются седла, установленные внутри самого поршня, чтобы уменьшить раскачивание поршня и сократить потребность в толстых юбках поршня, которые часто встречаются на поршнях с высокими характеристиками.

Transcend Energy Group

«Одно из преимуществ, которое это обеспечивает, заключается в том, что мы используем внутреннюю часть поршня», — сказал Вудворд R&T. «С установкой можно не использовать толстую юбку. Волшебство — это вращение в седле. Это позволяет поршню оставаться нейтральным на стороне без нагрузки и зацепляться только на другой стороне. Он не пытается вырваться оттуда. Чем сильнее он давит, тем больше он пытается удержать все на месте. Вы можете просто представить, что вы толкаете что-то между рукой и стеной. Я думаю, что в будущем мы обнаружим, что вам вообще не нужно использовать юбки, а вместо этого использовать нескользящий материал, такой как тефлон или что-то в этом роде, чтобы делать обувь, которая еще больше снижает это трение».

До сих пор разработка Thunder Rod ограничивалась двигателями LS объемом 5,3 и 6,2 литра, но для этого есть веские причины. Вудворд отметил, что команда хотела использовать компьютеризированный двигатель для целей сбора данных, а доступность платформы в целом давала ей преимущество перед чем-то вроде двигателя с верхним расположением распредвала от Ford. Также не повредит то, что рынок послепродажного обслуживания влюблен в двигатели LS, с непревзойденной доступностью запчастей и исследованиями.

Благодаря смещению точки поворота вниз и добавлению деталей внутри самого поршня поршни Transcend на самом деле стали немного тяжелее стандартных поршней LS. Дополнительный вес никоим образом не ограничивает общую скорость поршня, но он влияет на то, насколько быстро поршень проходит различные части своего хода. Громовой стержень увеличивает скорость поршней на 30 процентов от верхней мертвой точки, обеспечивая при этом такое же количество задержек на пути вниз.

«Он быстрее там, где это важно, и медленнее там, где это не имеет большого значения», — сказал Вудворд. «Когда вы втягиваете воздух, вы хотите, чтобы он всасывал его быстро, чтобы увеличить скорость всасывания. Как только вы закрываете клапаны и начинаете нагнетать воздух, чем медленнее вы нагнетаете воздух, тем больше воздуха выходит через кольца. Чем быстрее вы сможете сжать этот воздух, тем больше в нем будет силы. Подумайте о ручном насосе. Вы можете качать его медленно, но гораздо эффективнее, если у вас более быстрые движения».

Трансценд Энерджи Группа

По словам Вудворда, преимущество такого веса поршня заключается в большем крутящем моменте на низких оборотах. Сообщается, что в собственных испытаниях компании 5,3-литровый V-8, оснащенный Thunder Rod, смог сравниться по крутящему моменту со стандартным 6,2-литровым V-8 в очень важном диапазоне 1500–3500 об/мин. Это прирост около 30 процентов, и это не повод качать головой.

«Вы не только получаете на 30 процентов больше скорости от поршня, когда он покидает верхнюю мертвую точку, но и быстрее получаете ангельский заряд», — сказал Вудворд. «У него гораздо больше рычагов для работы в начале рабочего такта. Эта дополнительная скорость и рычаг на кривошипе равняются большему крутящему моменту. Этот небольшой дополнительный угол поворота коленчатого вала может показаться не таким уж большим, но возьмите этот четырехдюймовый диаметр цилиндра, умноженный на 8 цилиндров, умноженный на ход поршня и умноженный на число оборотов в минуту, и это действительно много».

Thunder Rod также изменяет статическую и динамическую степень сжатия любого двигателя LS, в котором он установлен. Вообще говоря, статическое сжатие стандартного 6,2-литрового V-8 LS составляет около 155 фунтов на квадратный дюйм. Без каких-либо других изменений в двигателе Thunder Rod увеличивает это значение до 198 фунтов на квадратный дюйм. Когда пришло время настроить модифицированный компрессионный двигатель, команда обнаружила, что гораздо приятнее использовать больше времени, чем стандартные агрегаты, которые они тестировали.

«Общее правило состоит в том, что двигатель LS любит общий угол опережения зажигания около 26 градусов», — сказал Вудворд. «Старый маленький блок Chevy был бы ближе к 32 градусам, а с установленным Thunder Rod этот LS теперь достигает максимума около 32 градусов».

Transcend Energy Group

В настоящее время Transcend Energy Group работает только над тестированием Thunder Rod в сравнении запасов. Хотя они уже нашли большой запас высоты внутри LS только с этой единственной частью, остальная часть двигателя на самом деле не предназначена для такого функционирования. Возьмем, к примеру, сами поршни, профиль которых в настоящее время не позволяет максимально использовать потенциал Thunder Rod. В настоящее время Woodward работает над поиском более подходящего поршня в существующем наборе компонентов вторичного рынка. Другие элементы, такие как головки и распределительный вал, также не были настроены для системы и могли бы помочь увеличить потенциал мощности в уравнении. Команда активно общается с OEM-производителями, чтобы узнать их мнение о том, как лучше коллективно улучшить систему.

«Все инновации, которые появляются, являются результатом того, что люди принимают вещи и думают нестандартно», — сказал Вудворд. «Если вы этого не делаете, у вас возникает туннельное зрение и вы все время думаете в рамках нормы, трудно создать что-то новое. Люди сделали так много того же. В отрасли с двигателями наблюдается небольшой застой, поэтому они создали более качественные масла, чтобы продолжать пытаться устранить трение в двигателях. Двигатели внутреннего сгорания очень неэффективны, возможно, на 25 или 30 процентов. Это может быть ближе к 60 процентам в чем-то вроде двигателя F1. До двигателя внутреннего сгорания еще далеко, но мы должны начать мыслить нестандартно».

Такой компании, как Transcend Energy Group, легко делать большие заявления, когда речь идет о новом продукте, особенно о том, на который они получили внутренние и международные патенты. Тем не менее, R&T обратился к ряду производителей двигателей и автомобильных экспертов, чтобы попытаться подтвердить рекламируемый здесь прирост производительности. Все пришли к единому мнению, что, хотя Thunder Rod представляет собой интересную инженерную работу, без публикации компанией фактических данных мало что можно сказать о жизнеспособности продукта.

«Они заявляют об изменении степени динамического сжатия, которую необходимо измерить, или я имею в виду, что вы, безусловно, можете рассчитать положение поршня в зависимости от времени и посмотреть, как оно изменится», — сказал R&T Кевин Хоаг из Юго-Западного исследовательского института. «Это не похоже на очень большой эффект. Если эта промежуточная деталь закреплена там, я изо всех сил пытаюсь понять, как они устраняют качание поршня или вторичное движение поршня. Я бы предложил им на самом деле предоставить расчеты и продемонстрировать это. Я думаю, что в целом этот дизайн находится именно в этом. Есть некоторые вещи, которые изменяются, и какой реальный эффект от них нужно измерить и продемонстрировать.

До тех пор, пока Transcend Energy Group не закончит разработку Thunder Rod и больше людей на вторичном рынке не получат возможность работать с новым оборудованием, вопросы об эффективности этой детали все еще будут возникать. Двухкомпонентные шатуны являются новинкой для бензиновых двигателей, но в морских дизелях и старых паровых двигателях на протяжении десятилетий использовалась компоновка шатуна с крейцкопфом. Говорит ли это о возможностях Thunder Rod, еще предстоит выяснить. Тем не менее, приятно видеть, что компании все еще вкладывают средства в улучшение двигателя внутреннего сгорания на столь позднем этапе его жизненного цикла.