Введение

Компонент поршневого двигателя, соединяющий поршень с коленчатым валом. Шатун, также называемый "коньковым стержнем", является частью поршневого двигателя, соединяющей поршень с коленчатым валом. Вместе с коленчатым механизмом шатун преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Шатун необходим для передачи компрессионных и растягивающих усилий от поршня. В наиболее распространенной форме, в двигателе внутреннего сгорания, он обеспечивает поворот на поршневом конце и вращение на конце вала. Предшественником шатуна является механическая связь, использовавшаяся водяными мельницами для преобразования вращательного движения водяного колеса в возвратно-поступательное движение. Наиболее распространенное применение шатунов – в двигателях внутреннего сгорания или паровых двигателях.

Двигатели внутреннего сгорания

Шатун для двигателя внутреннего сгорания состоит из "большого конца", "тела" и "малого конца". Малый конец крепится к пальцу поршня (также называемому "поршневым пальцем" или "шатунным пальцем" в США), который обеспечивает вращение между шатуном и поршнем. Обычно большой конец соединяется с шатунной головкой с помощью гладкого подшипника для снижения трения; однако в некоторых небольших двигателях может использоваться роликовый подшипник, чтобы избежать необходимости в системе принудительной смазки. Шатуны с роликовыми подшипниками обычно имеют цельную конструкцию, при которой коленчатый вал должен быть запрессован сквозь них, а не двухкомпонентную конструкцию, которую можно прикрепить болтами к шейке коленчатого вала. Обычно в подшипнике большого конца шатуна просверлено отверстие для подачи смазочного масла на боковую поверхность цилиндра, чтобы смазывать движение поршней и поршневых колец. Шатун может вращаться на обоих концах, что позволяет изменять угол между шатуном и поршнем при движении шатуна вверх и вниз и вращении вокруг коленчатого вала.

Материалы

Материалы, используемые для шатунов, широко варьируются и включают углеродистую сталь, порошковые железосодержащие сплавы, микролегированную сталь и сфероидальный графитовый чугун. В серийно выпускаемых автомобильных двигателях шатуны чаще всего изготавливаются из стали. В высокопроизводительных двигателях могут применяться шатуны, изготовленные из цельного металлического слитка ("билет"), а не литых или кованых. К другим материалам относятся алюминиевые сплавы T6 2024 и T651 7075, которые используются для снижения веса и способности поглощать высокие ударные нагрузки, но при этом снижается долговечность. Титан – более дорогостоящий вариант, позволяющий уменьшить вес. Чугун может использоваться в более дешевых и менее мощных приложениях, таких как мотороллеры.

Неисправность при эксплуатации

Во время каждого оборота коленчатого вала шатун часто испытывает большие и повторяющиеся силы: силы сдвига, возникающие из-за угла между поршнем и шатунной головкой, сжимающие силы при движении поршня вниз и растягивающие силы при движении поршня вверх. Эти силы пропорциональны квадрату частоты вращения двигателя (RPM). Поломка шатуна, часто называемая "заклиниванием шатуна", нередко приводит к тому, что сломанный шатун пробивает стенку картера, делая двигатель неремонтопригодным. Типичными причинами поломки шатуна являются разрушение на растяжение при высоких оборотах двигателя, ударная нагрузка при ударе поршня о клапан (из-за неисправности газораспределительного механизма), выход из строя вкладышей шатуна (обычно из-за проблем со смазкой) или неправильная установка шатуна.

Износ цилиндров

Боковая сила, передаваемая на поршень через шатун коленчатым валом, может привести к износу цилиндров и приобретению ими овальной формы. Это значительно снижает производительность двигателя, так как круговые поршневые кольца не могут обеспечить надлежащую герметичность на овальных стенках цилиндра. Величина боковой силы пропорциональна углу наклона шатуна, поэтому увеличение длины шатуна уменьшает боковую силу и износ двигателя. Однако максимальная длина шатуна ограничена размерами блока цилиндров; сумма длины хода поршня и длины шатуна не должна приводить к выходу поршня за верхнюю границу блока цилиндров.

Стропы для мастера и раба

В радиальных двигателях обычно используются главный и ведомый шатуны, при этом один поршень (самый верхний поршень в анимации) имеет главный шатун с непосредственным креплением к коленчатому валу. Остальные поршни крепят свои шатуны к кольцам по краю главного шатуна. Многорядные двигатели с большим количеством цилиндров, такие как двигатели V12, имеют ограниченное пространство для большого числа шатунных шеек на ограниченной длине коленчатого вала. Самое простое решение, используемое в большинстве автомобильных двигателей, заключается в том, чтобы каждая пара цилиндров использовала общую шейку коленвала, но это уменьшает размер подшипников шатунов и означает, что соответствующие (т.е. противоположные) цилиндры в разных рядах слегка смещены вдоль оси коленчатого вала (что создает раскачивающий момент). Другое решение – использовать главный и ведомые шатуны, где главный шатун также включает один или несколько кольцевых пальцев, которые соединены с большими головками ведомых шатунов на других цилиндрах. Недостатком конструкции с главным и ведомыми шатунами является то, что длины хода всех ведомых поршней, не расположенных на 180° от главного поршня, всегда будут немного больше, чем у главного поршня, что увеличивает вибрацию в V-образных двигателях. Одним из самых сложных примеров использования главных и ведомых шатунов является 24-цилиндровый экспериментальный авиационный двигатель Junkers Jumo 222, разработанный во время Второй мировой войны. Этот двигатель состоял из шести рядов цилиндров, каждый из которых включал четыре цилиндра. Каждый "слой" из шести цилиндров использовал один главный шатун, а остальные пять цилиндров – ведомые шатуны. Было построено около 300 опытных двигателей, однако серийное производство не было налажено.

Стропы для вилки и лопастей

Вилочные и лопастные шатуны, также известные как "шатуны с раздельным большим концом", использовались в V-образных мотоциклетных двигателях и V12 авиационных двигателях. Для каждой пары цилиндров "вилочный" шатун разделяется на две части в области большого конца, а "лопастной" шатун с противоположного цилиндра утончается, чтобы поместиться в образовавшийся зазор в вилке. Такая конструкция устраняет раскачивающий момент, возникающий при смещении пар цилиндров вдоль коленчатого вала. Обычно в большом конце шатуна вилочного типа используется одна широкая втулка подшипника, охватывающая всю ширину шатуна, включая центральный зазор. Лопастной шатун при этом работает не непосредственно на шейке коленвала, а по внешней стороне этой втулки. Это заставляет два шатуна колебаться вперед и назад (вместо вращения относительно друг друга), что снижает нагрузку на подшипник и скорость скольжения. Однако движение подшипника становится возвратно-поступательным, а не непрерывным вращением, что создает более сложную задачу для смазки. К известным двигателям, использующим вилочные и лопастные шатуны, относятся авиационный двигатель Rolls Royce Merlin V12, двухтактные дизельные двигатели EMD и различные V-образные мотоциклетные двигатели Harley Davidson.