Шатун і колінчастий вал
Шатун перетворює зворотно-поступальний рух поршня в обертальний рух колінчастого вала і шарнір-но з'єднаний з цими деталями. При роботі шатун здійснює складний рух в площині, перпендикулярній осі колінчастого вала, і піддається впливу високих газових і інерційних сил. Шатун повинен мати високу міцність, по можливості малою масою, але одночасно достатню твердість, що забезпечує стабільність форми і розмірів, зокрема отворів під підшипники. Залежно від типу кривошипно-шатунного механізму і розташування циліндрів можна виділити шатуни рядного типу двигунів з тронкових механізмом; шатуни причіпного типу багаторядних двигунів (V-, W- і зіркоподібних); шатуни двигунів з крейцкопфний механізмом.
На рис. 1, а показана конструкція шатуна двигуна рядного типу, що застосовується також і в V-подібних двигунах з встановленими на одній шатунной шийці колінчастого вала шатунами. В останньому випадку доводиться зміщувати лівий і правий ряди циліндрів між собою в напрямку осі колінчастого вала, що ускладнює конструкцію корпусу і механізму передач.
На рис. 1, а показана конструкція шатуна двигуна рядного типу, що застосовується також і в V-подібних двигунах з встановленими на одній шатунной шийці колінчастого вала шатунами. В останньому випадку доводиться зміщувати лівий і правий ряди циліндрів між собою в напрямку осі колінчастого вала, що ускладнює конструкцію корпусу і механізму передач.
Основними елементами шатуна є: верхня (або поршнева) головка / с запресованої втулкою, в якій переміщається палець; стрижень, що з'єднує верхню головку з нижньої (або кривошипної) голівкою. За допомогою нижньої головки і її кришки шатун з'єднаний з шатунной шийкою колінчастого вала.
Верхню головку шатуна роблять зазвичай нероз'ємною циліндричної форми. У неї запресовують бронзову втулку; в деяких конструкціях застосовують голчасті підшипники. Для більш раціонального розподілу навантаження між бобишками поршня і шатуном верхня головка часто має конічну форму перетину в площині осі отвору під палець, для змазування якого передбачені отвори 8. Верхню головку крім круглої роблять і овальної форми.
Стрижень шатуна випробовує осьову і поперечну навантаження і має зазвичай двотавровий поперечний переріз, добре працює на вигин в площині гойдання шатуна. У багатьох випадках для подачі масла до підшипника верхньої (поршневий) головки шатуна і поршня в тілі шатуна на всю довжину стержня просвердлюють канал. У цьому випадку передбачається потовщення стінки, що сполучає полки двутавра. Можливі й інші форми перерізу стрижня (зокрема, кругла з отвором).
Мал. 1. Шатуни: а - рядного типу; б - з косим роз'ємом нижньої головки; в - центрально-зчленований V-образного двигуна; 1 - верхня головка; 2 - стрижень; 3 - нижня головка; 4-кришка нижньої головки; 5 - втулка верхньої головки; 6 - шатунний болт; 7 - гайка; 8-отвір для змащування пальця
Мал. 2. Підшипник нижньої (кривошипної) головки шатуна
Нижню головку шатуна роблять рознімною; її габарити повинні дозволяти виймати поршень з шатуном, як правило, через циліндр, що визначається умовами складання двигуна. Після установки поршня з шатуном в двигун до нижньої голівці кріплять її кришку за допомогою шатунних болтів і гайок. По конструкції нижні (кривошипні) головки шатунів відрізняються великою різноманітністю. Найбільш проста показана на рис. 1, а плоскосімметрічная конструкція. Прагнення збільшити діаметр корінних шийок колінчастого вала при форсуванні двигунів призводить до зменшення товщини нижньої головки в місці роз'єму. У зв'язку з цим, а також для забезпечення можливості виїмки шатуна через циліндр широкого поширення набули шатуни з косим роз'ємом нижньої головки (рис. 1, б), у яких стик за умовами міцності розташований під кутом 42 ... 50 ° до осі стрижня шатуна. Для сприйняття срезивающіх сил в площині стику застосовують зубчасте (шлицевое) з'єднання із заданою щільністю прилягання.
Мал. 3. Головний шатун звездообразного двигуна
У більшості сучасних двигунів внутрішнього згоряння застосовують підшипники ковзання (рис. 2), виконані у вигляді розрізних сталевих вкладишів, залитих по поверхні, зверненої до шийки колінчастого вала, шаром антифрикційного матеріалу (бабітом, свинцювата бронзою, сплавом на основі алюмінію, кадмію та ін. ).
В автомобільних і тракторних двигунах застосовують тонкостінні вкладиші, що встановлюються з натягом в розточення нижньої головки шатуна (в разі корінних підшипників колінчастого вала - в розточення корінних опор). Від осьового зсуву і провертання під дією сил тертя вкладки утримуються вусиками, що входять в пази.
У багаторядних і зіркоподібних двигунах застосовують шатуни причіпного типу (рис. 3). В цьому випадку до головного шатуна шарнірно за допомогою вушок і пальців приєднують відповідне число (в залежності від числа рядів циліндрів двигуна) причіпних шатунів. Шатун причіпного типу простіше головного по конструкції. Зсув відносно шатунной шийки вала осі зчленування головного і причіпного шатунів робить кинематику поршнів бічних циліндрів дещо відмінною від кінематики поршня головного циліндра (зазвичай в цьому випадку потрібне забезпечення рівності ступенів стиснення по всіх циліндрах).
Найбільшою різноманітністю відрізняються шатуни V-образних двигунів. Компактність двигуна по довжині при забезпеченні раціональних розмірів уздовж твірної підшипників колінчастого вала забезпечується застосуванням конструкції з шатуном причіпного типу. На рис. 4 показаний варіант з'єднання нижньої кришки з кривошипної головкою головного шатуна шпильками-штифтами, які працюють на зріз. У головку шатуна причіпного типу вставлена втулка, яка спільно з закріпленим в головному шатуне пальцем підшипник ковзання. Іноді для підвищення несучої здатності підшипника шатуна здійснюють жорстке з'єднання шатуна причіпного типу з пальцем, забезпечуючи рухливість останнього в проушинах кривошипної головки головного шатуна.
Ідентичність кінематики поршнів обох рядів циліндрів V-образного двигуна забезпечується застосуванням центрально-зчленованих шатунів. Недоліком такої конструкції є відносно низька жорсткість кривошипних головок. Роздвоєна головка вильчатого шатуна складна за формою, а її елементи піддаються підвищеним Згинальна навантажень. Вильчаті шатуни відрізняються розташуванням полиць стрижня по відношенню до голівок.
На відміну від тронкових двигунів шатуни крейцкопфних двигунів мають роз'ємні верхню (крейцкопфний) і нижню, яку в суднових дизелях Мотильова, головки.
На рис. 5 представлена конструкція шатуна і крейцкопфа з двостороннім і одностороннім повзунами. Верхня головка шатуна має вильчатого форму і з'єднана через поперечину з повзуном, опори якого (черевики), покриті шаром бабіту, переміщаються по спеціальних напрямних. Змазування плазунів здійснюється через поперечки. Повзуни і поперечки виготовляють зі сталі, при цьому на поперечки йде більш якісна, легована сталь.
Мал. 4. Шатунов група V-образного двигуна з шатуном причіпного типу
Стрижні шатунів крейцкопфних двигунів сталеві, точені, круглого перетину. Для регулювання ступеня стиснення двигуна між стрижнем шатуна і його окремою нижньої (Мотильова) голівкою ставлять прокладки.
Для з'єднання рознімних головок шатунів всіх типів в переважній більшості випадків застосовують шатунні болти.
Мал. 5. Шатуни крейцкопфних двигунів: а - з двостороннім повзуном; б - з одностороннім повзуном; 1 - поперечина; 2 - повзун; 3 - верхня (крейцкопфний) головка; 4 - стрижень; 5 - прокладка; 6 - болт
Сила попереднього затягування болтів повинна забезпечити щільність стику при тривалій роботі з'єднання. Шатунниє болти виготовляють з високоякісних сталей і ретельно обробляють.
Колінчастий вал є найбільш напруженою деталлю, трудомісткою у виготовленні. При роботі вал навантажується змінними силами і моментами, схильний до крутильним, Згинальна і поздовжнім коливанням, які при несприятливих умовах (резонансні і близькі до них режими роботи) можуть істотно збільшити напруги в валі від основних газових і інерційних зусиль. Шейки вала під дією тертя схильні до зносу. Тому колінчастий вал повинен мати високу міцність, твердістю і зносостійкість.
Основним елементом колінчастого вала є коліно, що складається з корінний, шатунной шийок і щік. Останні можуть бути виконані як одне ціле з противагами для врівноваження моментів, відцентрових і інерційних сил; часто противаги виконують окремо і кріплять до щік болтами. Сучасні двигуни мають, як правило, полноопорние колінчаті вали. Число і взаємне розташування колін залежать від числа циліндрів, їх розташування і тактності двигуна.
При цьому важливі рівномірність спалахів по циліндрах двигуна, а також врівноваженість сил і моментів інерції. Так, вал V-образного восьмициліндрового чотиритактного автомобільного дизеля (рис. 6) має хрестоподібну форму, що при куті розвалу циліндрів 90 ° забезпечує рівномірне чергування спалахів.
На передньому кінці вала розташовують шків приводу вентилятора і генератора, зубчасте колесо приводу масляного насоса, масляний відбивач. Часто на передньому кінці вала, що здійснює найбільші за амплітудою відхилення при крутильних коливаннях, встановлюють спеціальні гасителі коливань. Вони поглинають енергію коливань, що підводиться до валу двигуна ззовні, завдяки тертю між елементами гасителя і тим самим зменшують амплітуду коливань. На рис. 7 показані різні конструкції гасителів коливань.
В даний час найбільш широко застосовують гасителі коливань рідинного тертя, у яких рівномірно обертається при роботі двигуна маховик поміщений в герметичний корпус, заповнений кремнийорганической рідиною (силіконом). При коливаннях стінки корпусу переміщаються відносно рівномірно обертового маховика, залучаючи в рух шари силікону і здійснюючи роботу тертя.
Мал. 6. Колінчастий вал автомобільного дизеля: 1 і 6 - зубчасті колеса; 2 шатунная шийка; 3 - корінна шийка; 4 - щоки з противагами; 5 і 8 - противаги; 7 - масляна порожнину; 9 - передній кінець колінчастого вала
Зменшити небезпека крутильних коливань можна також створенням інерційних реактивних моментів у певному перетині вала. Для цього у відповідному місці встановлюють гасителі коливань маятникового або упругомассового типу.
Передній кінець колінчастого вала ущільнюють гумовим сальником, розташовуючи його в спеціальній кришці. Ущільнення заднього кінця колінчастого вала здійснюється також за допомогою Маслоотражатель і сальника; іноді застосовують маслосгонную різьблення по напрямку, зворотному обертанню вала. Вал обертається в корінних підшипниках, що складаються з двох тонкостінних сталевих розрізних вкладишів, залитих, як і шатунні вкладиші, антифрикційним сплавом. Вкладиші встановлюють в розточеннях картера і в спеціальних підвісках, з'єднаних з картером шпильками. Від осьових переміщень, що виникають внаслідок застосування косозубих шестерень, зусиль в зчепленні і т. Д. Вал утримується кільцями вкладиша, поверхня яких, звернена до опорного поясу щоки колінчастого вала, покрита антифрикційним сплавом.
Мал. 7. Гасителі крутильних коливань: а і б - молекулярного тертя; в - рідинного тертя; 1 - маховик; 2 - прівулканізірованная гумова прокладка; 3 - гумове кільце; 4 - корпус
Місце положення упорного підшипника по довжині вала може бути різним і залежить від компонування двигуна. Підшипники вала змащуються під тиском; при цьому мастильний матеріал підводиться до корінних опор, а потім по масляним порожнинах в колінах подається на шатунні шийки. Спеціальні килими порожнини в шийках колінчастого вала служать для уловлювання частинок металу, нагару та інших механічних домішок і тим самим покращують умови роботи підшипників.
У тепловозних і середньооборотних суднових двигунах застосовуються також цілісні колінчаті вали. У великих малооборотних суднових дизелях внаслідок надзвичайно великих габаритів і маси застосовують складові колінчаті вали, що складаються з окремих шийок, і відлитих зі сталі щік, з'єднаних між собою запрессовкой з натягом.
Іноді шатунную шийку і щоки відливають як одне ціле, і вал в цьому випадку називають полусоставним.
Колінчасті вали виготовляють куванням і штампуванням зі сталі, а також литтям із спеціального високоміцного чавуну. При отриманні литих валів істотно скорочуються витрати на механічну обробку при забезпеченні раціональних геометричних форм елементів вала, але литі вали поступаються за міцністю штампованим.
Мал. 8. Колінчасті вали малооборотних суднових дизелів: а - складовою вал; б-полусоставной вал
До атегорія: - Пристрій і робота двигуна