Шатун — элемент кривошипно-шатунного механизма¶
Шатун — это элемент кривошипно-шатунного механизма (КШМ) поршневых машин, соединяющий поршень с коленчатым валом и преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение вала (и наоборот). Шатун воспринимает переменные нагрузки от давления газов и инерционные силы, поэтому изготавливается из прочных материалов и рассчитывается на высокую усталостную прочность.
¶Устройство
Шатун состоит из трёх основных частей:
- Большой конец (головка) — кольцевая часть с отверстием под шатунный подшипник, насаживаемая на кривошипную шейку коленчатого вала. Обычно имеет разъёмную конструкцию: шатунная крышка крепится к шатуну двумя-четырьмя болтами.
- Стержень — соединительная балка между большим и малым концом, воспринимающая растягивающие и сжимающие усилия. По сечению стержень может быть двутавровым, круглым, прямоугольным или H-образным.
- Малый конец — головка с отверстием под поршневой палец, соединяющая шатун с поршнем. Как правило, является цельной (неразъёмной).
Между подшипниками и шейками устанавливаются вкладыши — тонкостенные стальные пластины с антифрикционным слоем, обеспечивающие малое трение и лёгкую замену при ремонте.
¶Материалы и изготовление
Шатуны изготавливают преимущественно методом ковки или штамповки из углеродистых и легированных сталей (например, 40Х, 45, 40ХН). Для высоконагруженных двигателей применяют титановые сплавы и сплавы на основе алюминия. Поверхность шатунных шеек и отверстий под подшипники подвергается закалке и шлифовке. В массовом производстве шатуны проходят динамическую балансировку и сортировку по массе — расхождение массы между шатунами одного двигателя не должно превышать десятков граммов.
¶Классификация
По конструкции шатуны делятся на:
- Цельные — с неразъёмным большим концом (применяются в двигателях с разъёмным коленчатым валом, например в рядных моторах с кривошипом, собираемым из отдельных шеек).
- Разъёмные — с отдельной шатунной крышкой, что позволяет надевать шатун на цельный коленчатый вал. Наиболее распространены в автомобильных двигателях.
По форме стержня различают шатуны с двутавровым, круглым и H-образным сечением. Двутавровое сечение обеспечивает наилучшее соотношение жёсткости к массе и применяется в большинстве современных моторов.
¶Применение
Шатун является обязательным элементом КШМ поршневых двигателей внутреннего сгорания (автомобильных, авиационных, судовых, тепловозных), компрессоров, насосов и паровых машин. В рядных двигателях на каждую шатунную шейку может приходиться один шатун (в рядных моторах) или два-три (в V-образных и оппозитных двигателях), причём в V-образных конструкциях применяются смещённые шатуны или общий шатун с крейцкопфом.
В авиационных двигателях шатуны работают в особенно тяжёлых условиях: высокие обороты и температуры требуют применения титановых сплавов и точной балансировки. В судовых низкооборотных дизелях шатуны имеют значительные размеры и массу — до нескольких тонн.
¶Характерные неисправности
Наиболее частые повреждения шатуна — это износ и задир поверхности шатунных шеек, деформация стержня, разрушение шатунных болтов и вкладышей. При обрыве шатуна (в результате гидроудара, перекрута или усталостного разрушения) возможен пробой стенки блока цилиндров — так называемый «шатунный удар». Для предотвращения подобных аварий применяют предохранительные конструкции: шатуны с ослабленным сечением («шатун-предохранитель»), рассчитанные на разрушение в контролируемой зоне.
¶Интересные факты
- В ранних конструкциях паровых машин шатун соединялся с кривошипом через ползун, а не через подшипник качения.
- Термин «шатун» происходит от глагола «шатать» и отражает качательное движение детали при работе механизма.
- В русском языке слово «шатун» также используется в механике для обозначения качающегося рычага в различных механизмах, не связанных с КШМ.
Источники:
- Ходасевич А. Г., Тагиров И. К. «Конструкция и расчёт автомобильных двигателей»
- Кульчицкий П. И. «Конструкция и расчёт автомобильных двигателей»
- Вентцель Е. С. «Теория механизмов и машин»
- Справочник «Двигатели внутреннего сгорания» под ред. В. И. Блажевича