Шатуны служат для преобразования прямолинейного возратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала и передачи ему сил давления газов и инерции поступательно движущихся и вращающихся масс. Шатун включает верхнюю и нижнюю головки с запрессованными в них подшипниками и соединяющий их стержень крутого или двутаврового сечения. Нижняя головка разъемная и скрепляется шатунными болтами.
Шатуны тронковых (рис 8.2- а) и крейцкопфных двигателей отличаются конструкцией верхней головки (рис 8.2 – б), в последних головка разъемная и имеет вильчатую форму, так как. в ней крепится крейцкопфный узел.
Условия работы, нагрузки.
Нагрузка шатунов определяются действием сил давления газов Рr и сил инерции Рj поступательно-движущихся и вращающихся масс.
Нижняя часть верхней головки шатуна и верхняя часть нижней головки подвергаются сжатию суммарной силой Р = Рr± Рj , а стержень сжатию и продольному изгибу. Кроме того, в 4-х тактном двигателе при изменении знака суммарной силы за счет изменения направления силы инерции поступательно движущихся масс Рj (вверх) верхняя часть верхней головки шатуна подвергается сжатию, разрыву (опасное сечение I – I ) и изгибу (опасное сечение II – II), стержень шатуна – разрыву (опасное сечение III – III), нижняя часть головки – сжатию и изгибу (опасное сечение IV – IV) – рис 8.2- а. Зоны действия опасных напряжений представлены также на рис 8.3. Разрывающие напряжения в шатунах возникают также при заклинивании поршня и работе 2-х тактного двигателя с декомпрессией.
Шатунные подшипники работают на истирание при больших удельных давлениях, достигающих 20-30 МПа и более.
Поршневой подшипник нагружается еще более высокими удельными давлениями и в дополнение к ним работает в зоне высоких температур.
Перекладка зазоров в подшипниках четырехтактного дизеля вызывает в них ударные нагрузки и стуки. Кинетическая энергия удара резко возрастает при увеличении зазора в подшипнике, эллиптичности шейки и частоты вращения вала.
К конструкции шатунов предъявляют следующие основные требования: высокая жесткость и прочность головок шатуна и его стержня при возможно меньшей массе (для уменьшения сил инерции); габариты нижней головки (в тронковых дизелях) должны позволять демонтаж шатуна вместе с поршнем через цилиндр; высокая усталостная прочность, податливость (упругость) и равнозначная прочность шатунных болтов.
При увеличении жесткости подшипника улучшаются условия образования масляного клина (подшипник сохраняет цилиндрическую форму), равномернее распределяются удельные давления по поверхности антифрикционного сплава и уменьшается нагрузка шатунных болтов при перекладке зазоров в подшипниках (в четырехтактных дизелях).
Материал:
стержня шатуна – углеродистая и легированная сталь.; вставных втулок поршневых подшипников тронковых дизелей – сталь 10, 15. Их заливают свинцовистой бронзой БрСЗО или отливают целиком из оловянистой бронзы БрОС-8-12, БрОФЮ-1;
крейцкопфных подшипников – сталь 15 и 20, а в качестве антифрикционного сплава используется высокооловянистый баббит Б83, Б89 и др., или сплав на алюминиевой основе, который имеет высокую усталостную прочность, износостойкость и теплопроводность. На поверхность белого металла часто наносят тонкий слой (0,04-0,05 мм) приработочного покрытия (90% свинца, 10% олова), который заполняет неровности на поверхности подшипника и увеличивает площадь контакта цапфы и белого металла;
вкладышей кривошипных подшипников -сталь 15 и 20. Их заливают высокооловянистым баббитом, а в форсированных СОД и ВОД-свинцовистой бронзой, на которую гальваническим способом наносят приработочное покрытие, в современных двигателях чаще используют тонкостенные трехслойные вкладыши (см. Гл.9);
шатунных болтов – отковывают или штампуют из катаной или тянутой стали (для предотвращения разрыва продольных волокон). Болты МОД изготавливают из углеродистой стали, болты ВОД и СОД-из легированной стали.
Верхняя головка шатуна имеет разную конструкцию в зависимости от типа и тактности дизеля.
В тронковых дизелях поршневая головка (рис. 8.5 – а-б) обычно неразъемная, ее отковывают заодно со стержнем шатуна. В головку запрессовывают втулку 4 поршневого подшипника, ее часто фиксируют от проворачивания и осевого сдвига винтами 6 (рис. 8.7 – а). Для снижения удельных давлений в поршневом подшипнике применяют подшипники дифференциального типа, у которых наиболее нагруженную опорную поверхность 8 увеличивают.
Смазка в поршневой подшипник чаще всего подводится по сверлению 1 в шатуне (см. рис. 8.5 – а). Для подвода масла к рабочей поверхности втулки обычно протачивают внешнюю кольцевую или полукольцевую канавку 2, из которой по радиальным отверстиям 3 масло поступает в холодильник 5. Распределение масла по длине подшипника в четырехтактных дизелях осуществляется по холодильникам, а в двухтактных – по канавкам на нижней части втулки.
В малоразмерных ВОД смазка поршневого подшипника часто осуществляется за счет «масляного тумана». В этом случае головка и втулка имеют сверления, через которые на палец оседают капельки масла.
Стержень (тело) шатуна может иметь различную форму поперечного сечения: круглое и двутавровое. У шатунов двутаврового сечения жесткость и прочность более высокая при меньшей массе. Наибольший изгибающий момент действует в сечении шатуна, расположенном ближе к нижней головке. Поэтому для увеличения ее жесткости в ВОД сечение тела шатуна часто постепенно увеличивают от верхней головки к нижней (шатун равного сопротивления).
Нижняя головка шатуна (кривошипная) в судовых дизелях применяется двух основных типов: съемная, отделяемая от тела шатуна – морского типа и неотъемная -нормального типа.
В головке морского типа антифрикционный сплав заливается непосредственно в тело нижней 2 и верхней 6 половин кривошипного подшипника (рис. 8.6- а). Для регулировки степени сжатия (а следовательно, и давления в конце сжатия) между головкой и пяткой шатуна 8 устанавливают «компрессионную» прокладку 7. Для обеспечения соосности тела шатуна и кривошипной головки и разгрузки шатунных болтов 10 от боковых сил предусматривают центрирующий выступ 11 на верхней половине головки или устанавливают центрирующую проставку. Крышку подшипника центрируют шатунными болтами или специальным штифтом. Набор латунных прокладок 3 в разъеме подшипника служит для регулировки масляного зазора (в современных дизелях прокладки не применяются). Для закрепления шатунных болтов после снятия их гаек служат стопорные болты 5, которые часто одновременно являются предохранительными, предотвращающими выпадение шатунного болта в случае его обрыва.
К преимуществам головки морского типа относят: возможность замены всей головки, регулировки степени сжатия, повышения жесткости коленчатого вала за счет увеличения диаметра его шеек; удобство монтажа и демонтажа шатуна. Недостатки: значительная масса подшипника затрудняет его перезаливку, наличие двух разъемов и прокладок снижает жесткость.
В современных двухтактных СОД часто применяют отъемные головки 3, прикрепленные к пятке 2 шатуна не шатунными болтами, а шпильками 1 (рис. 8.6 -б); конструкция позволяет существенно повысить жесткость коленчатого вала за счет увеличения диаметра его шеек при сохранении возможности демонтажа шатуна через цилиндр.
Верхняя часть головки нормального типа откована заодно с пяткой шатуна (рис. 8.6 – в). Кривошипный подшипник образован верхним
5 и нижним 3 вкладышами, залитыми антифрикционным сплавом. Нижний вкладыш иногда фиксируют от проворачивания штифтом 1. Чаще всего фиксаторами вкладышей являются шатунные болты, которые с целью уменьшения габаритов головки располагают ближе к шейке вала (для этого во вкладышах вырезают карманы).
Нижняя половина 2 головки (крышка подшипника) центрируется с верхней шатунными болтами или выступами 4 на краях нижней половины (в этом случае болты разгружаются от боковых сил). Для регулировки масляного зазора в разъеме подшипника иногда предусматривают набор прокладок. В современных СОД и ВОД прокладки обычно не устанавливают или применяют одну прокладку необходимой толщины. Отказ от применения прокладок объясняется стремлением повысить жесткость нижней головки и, тем самым, улучшить условия работы кривошипного подшипника и шатунных болтов.
Головка с косым разъемом (рис. 8.6 – г) дает возможность повысить жесткость коленчатого вала за счет увеличения диаметра его шеек при сохранении демонтажа шатуна через цилиндр, а также уменьшить силу Рр, стремящуюся разорвать болты 1 (или шпильки) крепления крышки подшипника к верхней половине (при изменении знака движущей силы в четырехтактных дизелях). Для того чтобы воспринимать боковую (срезающую) силу Рс стыки головки имеют ступенчатый замок или зубчатую (рифленую) поверхность.
В V-образных дизелях чаще всего применяют общую для двух шатунов кривошипную головку. Главный шатун 1 (рис.8.6 -ц) имеет разъемную нижнюю головку. Кривошипный подшипник образован двумя тонкостенными вкладышами. Крышка 8 подшипника крепится
к верхней половине головки двумя коническими штифтами 7. Прицепной шатун 3 имеет неразъемную нижнюю головку с бронзовой втулкой 4 и соединяется с головкой главного шатуна пальцем 2. Подшипник прицепного шатуна смазывается маслом, поступающим из кривошипного подшипника по каналам 6 и 5.
Основное преимущество головки – длина кривошипных шеек коленчатого вала такая же, как и у рядных дизелей. Недостатки: большие удельные давления, воспринимаемые подшипником прицепного шатуна, и дополнительные нагрузки подшипника главного шатуна со стороны прицепного шатуна. Эти недостатки устранены в V-образных дизелях со смещенными осями цилиндров, но длина дизеля при этом больше.
Верхняя половина кривошипной головки независимо от тактности дизеля передает на шейку вала движущую силу, и для обеспечения необходимой жесткости ее выполняют массивной. Нижняя половина головки (крышка подшипника) в четырехтактных дизелях нагружена силами инерции и ее массу также обычно увеличивают (см. рис.8.6 – в) или подкрепляют ребрами жесткости (см.рис. 8.6 – а).
В двухтактных дизелях усиление нижней половины головки лишено смысла, однако для снижения ударных нагрузок на кривошипный подшипник ее часто выполняют массивной (см. рис. 8.6 -б). При этом центр тяжести шатуна располагается ближе к оси кривошипной головки, увеличиваются вращающиеся массы, и возросшая сила инерции разгружает кривошипную шейку от силы давления газов. В МОД для уменьшения массы кривошипную головку иногда выполняют дифференциальной (большую поверхность имеет наиболее нагруженная верхняя половина); снижение ударной нагрузки на кривошипный подшипник в этом случае обеспечивается за счет значительных сил инерции поступательно движущихся масс.
Смазка кривошипного подшипника осуществляется маслом, поступающим из рамовых подшипников по сверлениям в кривошипе коленчатого вала или из крейцкопфных подшипников по сверлению в шатуне и каналам в кривошипной головке.
Для обеспечения постоянного потока масла из кривошипного подшипника в трубку 12 (см. рис.8.6 -а) или в осевой канал 7 (см. рис. 8.6 -в) для смазки поршневого подшипника предусматривают круговую канавку 14 и канал 15. Однако такая канавка на наиболее нагруженной верхней половине нарушает масляный клин и снижает несущую способность подшипника. Поэтому часто прорезают одну или две канавки 9 в нижней части подшипника; масло поступает в осевой канал 7 по наклонным каналам 6 и 8 в верхней части головки. Для предотвращения утечки масла из масляной полости шатуна при остановке дизеля в его нижней части иногда устанавливают невозвратный клапан.
