Лекция 2. Шатунная группа

Шатун состоит из стержня, поршневой и кривошипной головок, шатунных болтов, крышки и вкладышей (рис. 8.1). Имеются также шатуны с неразъемной кривошипной головкой и подшипниками качения. Обычно они используются на малоцилиндровых микролитражных двигателях с игольчатыми подшипниками.

В процессе работы двигателя шатуны подвергаются интенсивным знакопеременным нагрузкам от газовых и инерционных сил при температуре 100...120 °С.

Для изготовления шатунов ДсИЗ применяют стали 45, 45Г2, 40Г, 40Х, 40ХН, а для дизелей 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА, 40ХН3А, 40Х2МА. Заготовки получают ковкой в штампах, детали – механической и термической обработкой. Используется также литье из ковкого перлитного чугуна КЧ или высокопрочного чугуна с шаровидным графитом ВЧ45, который по прочности приближается к сталям, имеет низкую чувствительность к концентраторам напряжений и обладает повышенным внутренним трением, что способствует демпфированию вибраций. Перспективны также титановые сплавы типа ВТ, у которых s_В = 1000 МПА, Е=1,16×10⁵ МПа.

Шатуны могут быть одинарными или сочлененными (рис. 8.1, 8.2). Наибольшее распространение получили одинарные шатуны как в рядных, так и в V-образных ДВС. В V-образных на одной шейке коленвала последовательно располагаются две кривошипные головки шатунов двух смещенных противолежащих цилиндров. При расположении цилиндров правого и левого рядов в одной плоскости применяют прицепной шатун или вильчатый, см. рис. 8.2.

На рис. 8.1, б показаны два варианта радиусов галтелей для уменьшения концентрации напряжений при переходе от стержня шатуна к кривошипной головке.

В поршневой головке при плавающем поршневом пальце в неразрезную поршневую головку шатуна запрессовывают бронзовую втулку. При защемленном пальце его фиксация в головке осуществляется гарантированным натягом при сборке (20...40) мкм. Для подгонки шатунов по массе и по центру масс поршневая головка имеет приливы и отверстия для подачи смазки к пальцу. Бронзовую втулку в поршневой головке для плавающего пальца изготавливают сворачиванием из листовой бронзы с механической обработкой до толщины 0,8...2,5 мм. Применяют БрАЖ9-4 алюминиево-железистую, БрОЦС4-4-2,5 – оловянисто-цинковую и БрОФ6,5-0,15 – оловянисто-фосфористую бронзы (табл. П. 9).

Зазор между пальцем и втулкой назначают D=(0,0004...0,001)d_п от диаметра пальца.

Стержни шатунов обычно двутаврового сечения. Смещение стержня шатуна относительно продольной оси симметрии кривошипной головки позволяет уменьшить расстояние между осями цилиндров и длину двигателя, но при этом возможен неравномерный износ подшипников шатунов.

Рассмотрим расчет на прочность стержня шатуна. Напряженное состояние стержня шатуна оценивают по максимальным значениям действующих нагрузок и по запасам прочности при переменных напряжениях от действующих сил. Максимальная сила (МН), сжимающая стержень шатуна, имеет место при угле поворота коленчатого вала на угол 370° (см. 1.1) или на 10 % от ВМТ при максимальном давлении газов Р_г (берется с индикаторной диаграммы).

, (8.1)

где m_п – масса поршня с пальцем и кольцами; m_шср – часть массы шатуна, расположенная выше сечения F_ср. С достаточной точностью можно принять m_шср » 0,275; m_ш, r – радиус кривошипа; l – длина шатуна; l – критерий подобия кривошипных механизмов, l = r/l.

Максимальная растягивающая сила Р_р, МН, возникает от центробежных сил при угле поворота коленвала двигателя a = 0 (см. рис. 1.1) и возникает в начале такта впуска.

, (8.2)

где DР_п – давление остаточных газов.

Максимальное напряжение от сжимающей силы равно s_{max X} = k Р_сж/F_ср, где F_ср = h_шb_ш (b_ш - а_ш)( h_ш -2t_ш) – площадь среднего сечения шатуна, – коэффициент, учитывающий влияние продольного изгиба шатуна в плоскости качания; s_В – предел упругости; – длина линии внешнего контура сечения шатуна, определяется курвиметром.

– момент инерции сечения
В–В относительно оси Х – Х, перпендикулярной к плоскости качания шатуна, м⁴; Е_ш – модуль упругости материала.

Максимальные напряжения сжатия в плоскости, перпендикулярной к плоскости качания, равны

, (8.3)

где – коэффициент, учитывающий влияние продольного изгиба шатуна в плоскости, перпендикулярной к плоскости качания;

l₁ – длина стержня шатуна между поршневой и кривошипной головками.

– момент инерции сечения В–В относительно оси Y–Y в плоскости качания шатуна, м⁴.

Допускаемые напряжения для углеродистых сталей 160...250 МПа; для легированных сталей 200...350 МПа.