Шатун в двигателе внутреннего сгорания¶

Шатун — деталь кривошипно-шатунного механизма (КШМ) двигателя внутреннего сгорания, служащая для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Шатун является связующим звеном между поршнем и коленчатым валом: через шатун усилие сгоревшего топлива передаётся на кривошип вала, который приводит во вращение коленвал, а затем трансмиссию и колёса автомобиля.

¶Устройство и конструкция

Шатун состоит из трёх основных элементов:

• Шатунный стержень — соединяет верхнюю и нижнюю головки. По сечению стержень может быть круглым, двутавровым, крестообразным или H-образным; двутавровое сечение обеспечивает наилучшее соотношение жёсткости к массе.
• Верхняя головка (поршневая) — имеет отверстие под поршневой палец (болт Шатуна), через который шатун соединяется с поршнем.
• Нижняя головка (шатунная) — надевается на шатунную шейку коленчатого вала. Обычно выполнена разъёмной: к основной части шатуна крепится крышка, фиксируемая шатунными болтами. Между шатунной головкой и шейкой вала устанавливаются тонкостенные вкладыши (полукольца), изготовленные из антифрикционных сплавов.

В верхней головке шатуна размещается втулка (бронзовая или стальная с антифрикционным покрытием), в которую запрессован поршневой палец. Палец может быть «плавающим» (свободно вращается и в поршне, и в шатуне) или закреплённым в шатуне (тогда он вращается только в поршне). Плавающие пальцы получили наибольшее распространение в современных двигателях.

¶Материалы и изготовление

Шатуны работают в условиях высоких знакопеременных нагрузок: на шатунный стержень действуют силы инерции и давления газов, достигающие в момент сгорания значительных величин. Поэтому шатуны изготавливают из высокопрочных материалов:

• Кованая углеродистая или легированная сталь (40Х, 38ХС, 42CrMo4 и аналоги) — наиболее распространённый вариант.
• Кованый титановый сплав (Ti-6Al-4V) — применяется в гоночных и высокопроизводительных двигателях, снижает массу подвижных деталей.
• Спеканный порошковый металл (метод спекания с последующей ковкой,粉末 металлургия) — используется некоторыми автопроизводителями для серийных моторов.
• Чугун — применяется в маломощных двигателях, например в некоторых моделях ВАЗ (ВАЗ-2101 и др.).

Основной способ изготовления — ковка с последующей механической обработкой. Шатуны проходят термообработку (закалку и отпуск) для повышения прочности и усталостной стойкости. В автомобильных двигателях шатуны изготавливают парными (одинаковой массы) в пределах одного двигателя; допускаемое расхождение массы шатунов в комплекте обычно не превышает нескольких граммов.

¶Принцип работы

В процессе работы цикла ДВС шатун совершает сложное движение: верхняя головка движется возвратно-поступательно вместе с поршнем, нижняя — вращается вместе с шатунной шейкой коленвала, а стержень качается в плоскости цилиндра. Угол между осью шатуна и осью цилиндра меняется непрерывно, поэтому на шатун действуют переменные боковые усилия.

При такте сжатия и рабочем ходе через шатун передаётся усилие от давления газов; при тактах впуска и выпуска доминируют силы инерции подвижных масс. Максимальная нагрузка на шатун возникает в начале рабочего хода, когда давление в цилиндре достигает пика.

¶Типы шатунов

По конструкции шатуны разделяют на:

• Цельные — наиболее распространённая конструкция, стержень и головки выполнены как единое кованое или литое изделие.
• Разъёмные по стержню — применяются в V-образных двигателях для облегчения сборки (шатун и крышка устанавливаются на шейку с торца).
• Разрезные шатуны — шатунная головка выполнена разъёмной в осевом направлении, что позволяет устанавливать шатун на шейку вала без демонтажа коленвала; используются в некоторых дизельных и гоночных двигателях.

¶Неисправности и ресурс

Основные неисправности шатуна связаны с усталостными разрушениями стержня, износом шатунной головки и вкладышей, деформацией стержня. При обрыве шатуна (так называемый «шатунный удар») нижняя головка или стержень могут пробить стенку блока цилиндров — это катастрофическая неисправность, требующая замены двигателя.

Причинами разрушения шатуна обычно служат:

• Гидроудар — попадание в цилиндр жидкости (воды, топлива), несжимаемой в рабочем объёме.
• Детонация — повышенные ударные нагрузки на поршень и шатун.
• Недостаток смазки — работа двигателя без масла или с низким уровнем.
• Конструктивный дефект или усталостное разрушение материала.

Ресурс шатуна при нормальной работе двигателя, как правило, равен ресурсу двигателя и составляет 200–400 тыс. км и более.

¶Шатуны в российских двигателях

На предприятиях России шатуны для автомобильных двигателей выпускают, в частности, заводы «КамАЗ» (для дизельных двигателей), Волжский моторный завод (ВМЗ) и другие. Для двигателей ВАЗ шатуны изготавливались на Волжском автозаводе и поставлялись на рынок запасных частей как оригинальные, так и от сторонних производителей. В ремонтной практике применяется шлифовка шатунных шеек и подбор вкладышей ремонтного размера.

Источники:

• Соколов А.А. — «Конструкция автомобиля»
• Вахламов В.К. — «Конструкция и расчёт автомобильных двигателей»
• Кулешов В.В. — «Конструкция и расчёт автомобильных двигателей»
• Автомобильный справочник: устройство КШМ