Шатун

Шатун поршня: назначение, конструкция, основные неисправности

Шатун передает энергию от поршня к коленчатому валу. При этом он совершает два вида движения: круговое и возвратно-поступательное. Первое происходит в месте соединения его нижней головки с коленвалом, второе – в зоне соединения верхней головки с поршнем. Вследствие такой конструкции шатун постоянно испытывает высокие нагрузки во время работы.

Шатун поршня состоит из следующих элементов.

Поршневая головка

Верхняя (поршневая) головка представляет собой цельную неразборную конструкцию, которая соединяется с поршнем при помощи пальца: плавающего или фиксированного.

В верхней головке плавающего пальца обычно расположены бронзовые или биметаллические втулки. Если их нет, палец свободно двигается в отверстии головки шатуна. Для того, чтобы данный механизм функционировал нормально, ему требуется достаточное количество смазки.

Чтобы обеспечить необходимый уровень натяга, фиксированный палец вставляется в цилиндрическое отверстие меньшего диаметра.

Так как на верхнюю головку действуют очень высокие нагрузки, она имеет трапециевидную форму. Это позволяет увеличить опорную поверхность при работе поршня.

Кривошипная головка

Нижняя (кривошипная) головка соединяет коленчатый вал и шатун. Многие шатуны обладают разъемной кривошипной головкой, что зависит от метода сборки двигателя. Крышку головки с шатуном соединяют болты, штифты или бандажное крепление.

На каждый шатун можно установить только ту крышку, которой он оснащался с завода, так как она обладает определенным весом и размером. При ремонте данную деталь заменить нельзя.

По расположению стержня головка может быть прямой или косой. Последняя характерна для V-образных двигателей и используется для уменьшения размеров силового агрегата.

В нижней части шатунной головки располагаются подшипники скольжения, схожие с коренными вкладышами коленчатого вала. Их изготавливают из стальной ленты, которая изнутри обработана антифрикционным материалом с высокими износостойкими характеристиками. Особенностью этого слоя является то, что он работает только в присутствии моторного масла, а в режиме «сухого трения» очень быстро истирается.

Чаще всего его применяют на юбках поршней, дроссельных заслонках, вкладышах распредвала, подшипниках скольжения.

MODENGY Для деталей ДВС обладает следующими преимуществами:

• Имеет широкий диапазон рабочих температур: от -70 до +260 °C

Повышает КПД двигателя

Снижает трение и износ

Защищает детали от задиров в режиме масляного голодания

Снижает расход топлива

Отверждается при комнатной температуре

Совместно с покрытием рекомендуется использовать Специальный очиститель‑активатор MODENGY. Он не только убирает разнородные загрязнения с поверхностей, но и образует пленку, улучшающую адгезию покрытия с основанием.

Силовой стержень

Силовой стержень многих шатунов имеет двутавровую форму и расширяется от верхней головки к нижней. В дизельных двигателях используются более прочные и массивные детали, чем в бензиновых. В спорткарах устанавливаются шатуны, изготовленные из алюминия. Благодаря такому решению снижается масса автомобиля.

Все шатуны должны иметь одинаковый вес, в противном случае усилятся вибрации при работе силового агрегата.

Из чего изготавливают шатуны?

Каждый производитель стремится уменьшить вес деталей КШМ и снизить производственные затраты. Но так как на шатуны в процессе работы двигателя воздействуют высокие нагрузки, уменьшать их массу нежелательно – это может пагубно отразиться на прочности изделий.

При массовом производстве шатуны для бензиновых двигателей изготавливают из специального чугуна методом литься. Это позволяет добиться практически идеального соотношения прочности и стоимости деталей.

В дизельных силовых агрегатах шатуны испытывают более высокие нагрузки, поэтому их производят из легированной стали методом горячей ковки или горячей штамповки. Получаемые детали прочнее, но при этом дороже литых.

В мощных автомобилях и спорткарах используются шатуны из титановых и алюминиевых сплавов. Они в два раза легче стальных и чугунных, что позволяет снизить вес двигателя и увеличить его оборотистость.

Большое значение играет конструкционный материал, из которого изготовлены болты крепления крышки шатунной головки. Их производят из высоколегированной стали, предел текучести которой в 2-3 раза больше, чем у обычной углеродистой.

Как снять шатуны с велосипеда

В идеальном случае, когда мы используем качественное оборудование и имеем съемник для шатунов с велосипеда, сложностей возникнуть не должно. Вся конструкция в этом случае работает так, что помогает нам выполнять необходимые для технического обслуживания действия.

Перед снятием шатуна нужно открутить фиксирующий болт – шестигранник или стандартная гайка/болт. Делать это нужно очень аккуратно, чтобы не завалить грани на шестиграннике/гайке. Дальше, казалось бы, шатун должен соскочить, но этого не происходит. Используется посадка с натягом. Руками шатун не снять и потребуется выжимка шатунов.

Если рассматривать современные шатуны, то в центральное отверстие шатуна вкручивается специальный съемник-выжимка, который упирается в каретку и стаскивает (при кручении гайки съемника) шатун с его посадочной точки. Так снимаются и шатуны под квадрат, и шатуны под шлиц. Съемник нужно вкручивать абсолютно ровно и на всю длину резьбы. В противном случае, съемник вытащит себя сам вместе с резьбой, а шатун останется на месте.

На некоторых системах съемнику не во что упереться на каретке. В этом случае, нужно или оставить на месте фиксирующий винт, прижимающий шатуны и упереться в него, или подложить монетку. Можно использовать продольную ось (болт или ось колеса), для того, чтобы упереться в соседний фиксирующий винт

Важно помнить, что можно случайно повредить резьбу болта фиксации шатуна на каретке или впресовать ваш упор в резьбу каретки, а это потребует замены каретки, что иногда ещё даже более трудоемко и дорого

С шатунами на шпонке ситуация немного сложнее. Там предварительно нужно выбить шпонку, а затем раскачать шатуны (например, легкими, но резкими ударами молотка через деревянный брусок). Есть ещё рекомендация прокатиться без шпонки по двору, пока шатун не раскачается сам, правда этот вариант не всегда эффективен. Шпонка выбивается молотком. Для таких шатунов съемники не предусмотрены. Он сбивается молотком.

На практике ситуации обычно бывают разные и они сильно отличаются от желаемого идеала. Шатуны часто пригорают или срываются гайки крепления, да и сами шатуны не всегда слезают с посадочной точки на каретке очень легко. Какие же проблемы встречаются чаще всего?

Устройство кривошипно – шатунного механизма двигателя

Практически все механические части двигателя представляют из себя одновременно части кривошипно-шатунного механизма. К нему относятся блок цилиндров, картер и головка блока цилиндров, шатунно-поршневая группа, коленчатый вал и маховик.

Коленчатый вал 

Коленчатый вал представляет собой деталь со сложной конфигурацией. Помимо опорных шеек, позволяющих ему крепко держаться в блоке, коленчатый вал имеет столько кривошипов или, как их называют, колен, сколько цилиндров конструктивно заложено в блоке двигателя.

Кривошип 

К каждому колену или кривошипу посредством сложной системы деталей крепится шатун поршня.

Кривошип отстоит от оси коренных шеек на определенный радиус, называемый радиусом кривошипа. От этого параметра зависит ход поршня.

В зависимости от конструкции блока цилиндров двигателя одно колено может служить основанием для крепления одного или более шатунов. Если двигатель рядный, к одному кривошипу крепится один шатун, если V-образный, то два шатуна. Этим, кстати, объясняется относительная компактность блоков цилиндров V-образных двигателей.

Колено и кривошип — одно и то же. Колено дало название коленвалу, а кривошип — кривошипно-шатунному механизму

Шатун

Шатун представляет собой деталь двутаврового сечения, имеющую верхнюю и нижнюю «головки».  В верхней «головке» шатуна помещается поршневой палец,  посредством которого шатун соединяется с поршнем. Нижняя «головка» шатуна выполнена разъемной,  для того, чтобы ее можно было соединить  с шатунной шейкой коленчатого вала с помощью шатунных крышек.

Поршень

Поршень представляет собой цилиндрическую деталь, выполненную из алюминиевого сплава, с отверстием под поршневой палец для соединения с шатуном. Поршень надевается на шатун, как стакан, донышком вверх, и закрепляется при помощи пальца.

Материалы для производства шатунов

В стремлении сделать детали мотора более легкими некоторые производители для изготовления шатунов используют легко сплавные материалы. Но нагрузка на эти элементы не снижается. По этой причине крайне редко используется алюминий. В большинстве случаев основным металлом, который используется для создания шатунов, является чугун.

Этот металл обладает высокой устойчивостью к механическим и термическим нагрузкам. Да и способ литья уже наработан, что облегчает процесс изготовления деталей. Такие шатуны используются в бензиновых моторах.

Для дизелей, как уже обращалось внимание, нужен особо прочный материал. По этой причине используется высоколегированная сталь

Метод обработки – горячая ковка. Так как для производства используются более сложные технологии и материал дороже чугуна, то и детали значительно дороже чугунных аналогов.

В спортивных моделях используются легкие сплавы (титана и алюминия), благодаря чему облегчается конструкция силового агрегата (в некоторых случаях до 50 процентов).

Крепежные болты изготавливаются всегда из высоколегированной стали, так как в дополнение к термическим нагрузкам их резьба постоянно подвергается резким движениям на разрыв.

Шатун поршня: конструкция, причины неисправности, ремонт

Шатун поршня обеспечивает передачу энергии от поршня к коленчатому валу. Первое применение таких деталей датируется концом III века н.э. Устройства, похожие на современные шатуны использовались на лесопилках в Малой Азии, принадлежавшей Римской империи. Они служили для преобразования вращательного движения водяного колеса в поступательно для привода пилы. Подобные конструкции были обнаружены при раскопках в Эфесе, которые датируются VI веком н.э.

Шатун в процессе работы совершает 2 вида движения – круговые, в месте соединения нижней головки с коленвалом, и возвратно-поступательные, в месте соединения верхней головки и поршня. При эксплуатации двигателя на данную деталь постоянно воздействуют высокие нагрузки.

В шатун входят следующие элементы:

• Верхняя головка (поршневая)
• Нижняя головка (кривошипная)
• Силовой стержень

Поршневая головка

Поршневой палец соединяет верхнюю головку с поршнем. Сама головка представляет собой цельную неразборную конструкцию. Палец может быть плавающим и фиксированным.

В первом случае в верхнюю головку пальца впрессовываются бронзовые или биметаллические втулки. Но это относится не ко всем двигателям. Существуют модификации, где этих втулок нет, а сам палец свободно вращается в отверстии головки шатуна благодаря зазору

Для обеспечения работоспособности подобной детали важно обеспечить смазывание поршневого пальца

Для установки фиксированных пальцев в головке шатуна проделывается отверстие цилиндрической формы, изготовленное с очень высокой точностью. Диаметр этого отверстия меньше, чем диаметр поршневого пальца. Благодаря этому обеспечивается необходимый натяг при соединении двух деталей.

Верхняя головка шатуна имеет форму трапеции. Это позволяет увеличить опорную площадь поверхности при работе поршня и снизить разрушительное воздействие очень высоких нагрузок.

Кривошипная головка

Кривошипная головка служит для соединения шатуна и коленвала. В большинстве шатунов этот элемент разъемный, что обусловлено методом сборки двигателя. Крышка головки фиксируется на шатуне болтами, но в некоторых случаях для этих целей используют штифты или бандажное крепление.

На шатуне можно использовать лишь ту крышку, которая была установлена на заводе. Это обусловлено тем, что она имеет определенный вес и размер, и потому не может быть заменена на другую.

Разъем головки относительно расположения стержня может быть прямым (90° к оси) или косым (под определенным углом к оси). В V-образных ДВС применяется последний вид.

В нижней части шатунной головки находятся подшипники скольжения, схожие с коренными вкладышами коленчатого вала. Для их производства используется стальная лента, с внутренней стороны покрытая антифрикционным материалом, который обладает высокими противоизносными характеристиками. Данный слой работает исключительно при наличии моторного масла, в противном случае он быстро разрушается.

Для подшипников скольжения шатунов, коренных подшипников коленвала, юбок поршней, распределительных валы, втулок пальцев, в дроссельной заслонке подходит антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY Для деталей ДВС.

Данный материал эффективно снижает трение и износ, предотвращает заклинивание поршня в цилиндре и задир поверхностей. Он не разрушается при длительном воздействии моторного масла, предотвращает движение рывками, работает в режиме масляного голодания.

Благодаря аэрозольной упаковке с выверенными параметрами распыления нанесение покрытия не вызывает затруднений. Полимеризация материала происходит как при комнатной температуре, так и при нагреве.

Коленчатый вал

Коленчатый вал передает усилия от поршней к агрегатам и механизмам силовой передачи автомобиля. Коленчатый вал состоит из коренных 4 и шатунных 3 шеек, щек 2, носка 1, хвостовика 6 и противовесов 5.

Коренными шейками коленчатый вал опирается на коренные подшипники, расположенные в картере. Количество их может быть различным. По числу коренных шеек коленчатые валы разделяются на двух-, трех-, четырехопорные и т.п.

Шатунные шейки соединяют коленчатый вал с нижней головкой шатуна; диаметр их несколько меньше диаметра коренных шеек. Количество шеек зависит от количества и расположения цилиндров двигателя. Так, при рядном расположении цилиндров оно совпадает с количеством цилиндров.

Щеки связывают шатунные и коренные шейки и образуют вместе с шатунными шейками кривошипы коленчатого вала. Расположение кривошипов на валу зависит от порядка работы цилиндров двигателя.

Носок коленчатого вала используется для установки распределительной шестерни, шкива привода вентилятора и храповика для запуска двигателя при помощи пусковой рукоятки.

Хвостовик коленчатого вала имеет фланец, на который устанавливается маховик.

Противовесы предназначены для уравновешивания сил инерции, возникающих при движении поршней и шатунов. Уравновешивание сил инерции способствует более равномерной работе двигателя и уменьшает износ коренных шеек и подшипников коленчатого вала. Обычно они устанавливаются на коленчатых валах быстроходных двигателей с чугунными поршнями, а в двигателях с легкими алюминиевыми поршнями и жестким коленчатым валом не устанавливаются.

Для подвода масла от коренных шеек к шатунным подшипникам в щеках коленчатого вала просверливаются каналы.

Коленчатые валы изготовляются из качественных сталей ковкой или штамповкой с последующей механической и термической обработкой. Шейки коленчатого вала тщательно шлифуются и полируются.

В последнее время в автомобильной промышленности широко внедряется литье коленчатых валов из специального чугуна. Литые валы применяются, в частности, для двигателей автомобилей «Волга».

В некоторых многоцилиндровых двигателях коленчатый вал имеет значительную длину. При работе такого двигателя происходит незаметное на глаз закручивание коленчатого вала попеременно то в одну, то в другую сторону — вал начинает колебаться относительно своей оси. Такие колебания называются крутильными. Чтобы предупредить поломку вала в результате действия крутильных колебаний, на нем устанавливается специальный гаситель.

В каких ситуациях может потребоваться демонтаж шатуна?

Шатун представляет собой довольно простую деталь, которая не нуждается в особом обслуживании и уходе. Замена компонента чаще всего производится по причине механического повреждения. Необходимость снятия может возникнуть также, когда необходимо получить свободный доступ к каретке, выполнить регулировку либо промывку системы.

Нередко после езды в дождливую погоду в области каретки возникают неприятные скрипы, причиной которых выступает попадание песка и загрязнений в узловой механизм. В данном случае может потребоваться снятие шатуна для очистки посадочного места.

В целом же сам по себе шатун не демонтируется. Для этого прибегают к эксплуатации специального съемника либо применению импровизированных способов, которые будут рассмотрены далее.

Каким способом крепятся шатуны

Разберёмся, какими способами крепят рычаги к оси каретки.

• Клиновидным штифтом. В современных моделях такое крепление практически не встречается, используется только для детских байков.
• Квадратным торцом вала. Наиболее распространённое крепление. В этом способе на скошенных плоскостях квадратного сечения клином зафиксированы оба рычага. Подтянуть рычаг на клине можно с помощью винта или гайки. Для удобства в соединительных местах предусмотрены пыльники из пластмассы.
• Шестигранным торцом вала. Похожий принцип с предыдущим способом.
• Шлицевым соединением. В вале каретки делается сквозное отверстие по оси с преувеличенным диаметром, торцы вала имеют круглую форму. Шатуны крепятся крупным пустотелым болтом под шестигранник, снаружи предусмотрен пыльник.
• С использованием интегрированной оси. Ось каретки и один шатун составляют единую деталь. Второй крепится любым из перечисленных выше способов.

Устройство КШМ

Кривошипно-шатунный механизм двигателя состоит из трех основных деталей:

1. Цилиндро-поршневая группа (ЦПГ).
2. Шатун.
3. Коленчатый вал.

Все эти компоненты размещаются в блоке цилиндров.

ЦПГ

Назначение ЦПГ — преобразование выделяемой при горении энергии в механическое действие – поступательное движение. Состоит ЦПГ из гильзы – неподвижной детали, посаженной в блок в блок цилиндров, и поршня, который перемещается внутри этой гильзы.

После подачи внутрь гильзы топливовоздушной смеси, она воспламеняется (от внешнего источника в бензиновых моторах и за счет высокого давления в дизелях). Воспламенение сопровождается сильным повышением давления внутри гильзы. А поскольку поршень это подвижный элемент, то возникшее давление приводит к его перемещению (по сути, газы выталкивают его из гильзы). Получается, что выделяемая при горение энергия преобразуется в поступательное движение поршня.

Для нормального сгорания смеси должны создаваться определенные условия – максимально возможная герметичность пространства перед поршнем, именуемое камерой сгорания (где происходит горение), источник воспламенения (в бензиновых моторах), подача горючей смеси и отвод продуктов горения.

Герметичность пространства обеспечивается головкой блока, которая закрывает один торец гильзы и поршневыми кольцами, посаженными на поршень. Эти кольца тоже относятся к деталям ЦПГ.

Шатун

Следующий компонент КШМ – шатун. Он предназначен для связки поршня ЦПГ и коленчатого вала и передает механических действий между ними.

Шатун представляет собой шток двутавровой формы поперечного сечения, что обеспечивает детали высокую устойчивость на изгиб. На концах штока имеются головки, благодаря которым шатун соединяется с поршнем и коленчатым валом.

По сути, головки шатуна представляют собой проушины, через которые проходят валы обеспечивающие шарнирное (подвижное) соединение всех деталей. В месте соединения шатуна с поршнем, в качестве вала выступает поршневой палец (относится к ЦПГ), который проходит через бобышки поршня и головку шатуна. Поскольку поршневой палец извлекается, то верхняя головка шатуна – неразъемная.

В месте соединения шатуна с коленвалом, в качестве вала выступают шатунные шейки последнего. Нижняя головка имеет разъемную конструкцию, что и позволяет закреплять шатун на коленчатом валу (снимаемая часть называется крышкой).

Коленчатый вал

Назначение коленчатого вала — это обеспечение второго этапа преобразования энергии. Коленвал превращает поступательное движение поршня в свое вращение. Этот элемент кривошипно-шатунного механизма имеет сложную геометрию.

Состоит коленвал из шеек – коротких цилиндрических валов, соединенных в единую конструкцию. В коленвале используется два типа шеек – коренные и шатунные. Первые расположены на одной оси, они являются опорными и предназначены для подвижного закрепления коленчатого вала в блоке цилиндров.

В блоке цилиндров коленчатый вал фиксируется специальными крышками. Для снижения трения в местах соединения коренных шеек с блоком цилиндров и шатунных с шатуном, используются подшипники трения.

Шатунные шейки расположены на определенном боковом удалении от коренных и к ним нижней головкой крепится шатун.

Коренные и шатунные шейки между собой соединяются щеками. В коленчатых валах дизелей к щекам дополнительно крепятся противовесы, предназначенные для снижения колебательных движений вала.

Шатунные шейки вместе с щеками образуют так называемый кривошип, имеющий П-образную форму, который и преобразует поступательного движения во вращение коленчатого вала. За счет удаленного расположения шатунных шеек при вращении вала они движутся по кругу, а коренные — вращаются относительно своей оси.

Количество шатунных шеек соответствует количеству цилиндров мотора, коренных же всегда на одну больше, что обеспечивает каждому кривошипу две опорных точки.

На одном из концов коленчатого вала имеется фланец для крепления маховика – массивного элемента в виде диска. Основное его назначение: накапливание кинетической энергии за счет которой осуществляется обратная работа механизма – преобразование вращения в движение поршня. На втором конце вала расположены посадочные места под шестерни привода других систем и механизмов, а также отверстие для фиксации шкива привода навесного оборудования мотора.

Поршень

Поршень имеет вид цилиндра, изготовленного из сплавов алюминия. Основная функция этой детали заключается в превращении в механическую работу изменение давления газа, или наоборот, – нагнетание давления за счет возвратно-поступательного движения.

Поршень представляет собой сложенные воедино днище, головку и юбку, которые выполняют совершенно разные функции. Днище поршня плоской, вогнутой или выпуклой формы содержит в себе камеру сгорания. Головка имеет нарезанные канавки, где размещаются поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные). Компрессионные кольца исключают прорыв газов в картер двигателя, а поршневые маслосъемные кольца способствуют удалению излишков масла на внутренних стенках цилиндра. В юбке расположены две бобышки, обеспечивающие размещение соединяющего поршень с шатуном поршневого пальца.

Поршни с шатунами

На днище поршня нанесено обозначение группы поршня по диаметру юбки, на передней части поршня — ремонтной группы и ремонтного размера поршня. Для облегчения индивидуального подбора поршней к цилиндрам каждый из размеров ремонтной группы подразделяют на размерные группы, в которых размеры поршней по диаметру юбки следуют через 0,01 мм. Все операции подбора поршней по цилиндрам необходимо проводить при температуре окружающей среды 17… 23 °С.

Для облегчения индивидуального подбора поршневых пальцев поршни по диаметру отверстия под поршневой палец подразделяют на четыре размерные группы. Маркировку размерной группы по диаметру отверстий под поршневой палец осуществляют нанесением краски на бобышку поршня.

При замене поршней без замены гильзы цилиндров верхнюю кромку (буртик) гильзы, которая образовалась в результате износа гильзы под верхним поршневым кольцом, целесообразно обработать шабером или мелкозернистым шлифовальным кругом, установленным на пневматической или электрической дрели.

Поршни к цилиндрам следует подбирать так, чтобы зазор между стенкой цилиндров и юбкой поршня был 0,03…0,05 мм. Зазор определяется лентой-щупом толщиной 0,08 мм, шириной 10… 13 мм и длиной не менее 200 мм. Ленту-щуп протягивают через зазор между поршнем и цилиндром при неподвижном поршне с усилием 25… 45 Н, При этом поршень должен быть обращен днищем вниз, а лента-щуп должна находиться в плоскости, перпендикулярной оси отверстия под поршневой палец. Подбор поршней можно проводить не выпрессовывая гильзы из блока или после их выпрессовки. После подбора поршней к гильзам цилиндров необходимо на днищах поршней выбить порядковые номера цилиндров.

Посадку пальца в бобышках поршня выполняют с натягом 0,0025… 0,0075 мм. Допуск цилиндричности пальца равен 0,00125 мм в радиусном выражении. Стопорные кольца поршневого пальца следует устанавливать в канавках поршня с некоторым натягом, т.е. они не должны проворачиваться от усилия руки. Кольца, потерявшие упругость, следует заменить.