Chainov_Ivashenko_Konstr_dvs_1 / Чайнов Иващенко - Конструирование ДВС

ции шатуна, в которой стержень подвергнут предварительному сжа тию бандажом. При этом растяги вающая нагрузка от сил инерции воспринимается бандажем, а сжи мающая – стержнем шатуна. Досто инством такого решения является возможность использования мате риалов, которые лучше восприни мают соответствующие нагрузки.

Шатуны должны иметь мини мальную массу. Значение массы су щественно влияет на действующие силы в КШМ. На рис. 5.7 показана зависимость удельной массы шату нов mш двигателей различных ти пов от диаметра цилиндра D.

В некоторых случаях в конст рукции шатуна отсутствуют отдель ные из перечисленных элементов. Так, может отсутствовать поршне вая головка, заменяемая цилиндри ческой пятой, присоединяемой к поршневому пальцу болтами, или шаровой пятой, которая опирается на сферический подшипник (под пятник) в поршне. При использо вании подшипников качения в го ловках вместо втулки и вкладышей устанавливаются закаленные опор ные кольца обоймы.

К конструированию шатуна приступают после выбора значения– отношения радиуса кривошипа

к длине шатуна. Данный параметр определяет длину шатуна. У совре менных двигателей отношение ра диуса кривошипа к длине шатуна варьируется в широких пределах и составляет для большинства выпус каемых двигателей = 0,22–0,29. Значения более 0,3 характерны для двигателей, к которым предъ являют жесткие требования к габа ритным размерам. В малооборот ных крейцкопфных двигателях ве личина может достигать 0,5.

5.2. Анализ конструкций шатунов современных двигателей

5.2.1. Стержни шатунов

Стержень шатуна испытывает в основном осевые циклические на грузки. На рис. 5.8 показаны раз личные сечения стержней шатунов. При слабо выраженном изгибе по перечное сечение стержня может иметь форму сплошного круга или круга с отверстием (рис. 5.8, в, г), прямоугольника (рис. 5.8, е).

Однако в большинстве случаев ввиду наличия изгиба в плоскости качания шатуна выбирают двутавро вый профиль с расположением стен ки сечения в плоскости качания ша

Рис. 5.9. Поперечные сечения двутавровых стержней шату нов автомобильных двигате лей с диаметром цилиндра 82–83 мм:

а – с утолщенной полкой и уменьшенной высотой; б – с утонченной полкой и уве личенной высотой; в – с уменьшенной шириной

Рис. 5.8. Сечение стержня шатуна:

а – двутавровое; б, ж – усложненное двутав ровое; в, г – круглое; д – Н образное; е – пря моугольное; з, и – с дополнительным утолще нием стенки

туна (см. рис. 5.8, а). При этом дос тигается плавный переход стержня в очертания головок. Этим обеспе чиваются непрерывная связь сило вых поясов элементов конструкции и повышенная жесткость шатуна при относительно малой массе.

Отношение высоты двутавро вого профиля к ширине изменяет ся в широких пределах 1,3–2,5. На рис. 5.9 представлены различ ные поперечные сечения стерж ней шатунов современных двига телей с принудительным воспла менением и диаметром цилиндра 82–83 мм. На рис. 5.9, в показан стержень шатуна двигателя, имею щего компоновку VR с углом раз вала цилиндров ς15 . Отношение высоты к ширине этого сечения составляет 2,4, что позволяет уве личить диаметр шатунной шейки, сохранив жесткость коленчатого вала, и обеспечить при этом несу щую способность шатунного под шипника.

Наружные полки двутавра по длине стержня (в плоскости, пер пендикулярной к плоскости кача ния) выполняют, как правило, с

Рис. 5.10. Шатуны с уширением полок у порш невой и кривошипной головок

уширением в местах перехода стерж ня в нижнюю и верхнюю головки. При этом уширение выполняют в двух плоскостях (рис. 5.10).

При одинаковой массе шатунов с круглым и двутавровым сечения ми жесткость перехода участков от стержня к поршневой и криво шипной головкам будет более вы сокой при двутавровом сечении стержня. Поэтому стержни двутав рового сечения с ориентацией его внутренней стенки в плоскости ка чания шатуна применяют наибо лее часто.

Сочлененные шатуны V образ ных двигателей имеют дополнитель ные проушины на кривошипной го ловке. При двутавровом Н образном сечении стержня (см. рис. 5.8, д) с расположением полок в плоскости качания обеспечивается рациональ ное распределение усилий между стержнем и кривошипной головкой шатуна. Такая конструкция главных шатунов с развернутым (на угол 90 ) двутавровым профилем стержня це

лесообразна для головок с несколь кими проушинами; она применялась для шатунов звездообразных авиа ционных и W образных двигателей отдельных типов.

Стержни круглого сечения при меняют в основном в конструкциях шатунов современных малооборот ных стационарных и судовых дви гателей и иногда прицепных шату нов V образных двигателей.

Основное преимущество шатунов со стержнями круглого сечения – простота изготовления; недостаток – нерациональное использование мате риала и излишняя жесткость в на правлении, перпендикулярном к плоскости качания шатуна, а также в переходных зонах к головкам.

Стержни прямоугольного сече ния просты в изготовлении (см. рис. 5.8, е), их применяют для ло дочных и некоторых двигателей малой мощности мотоциклетного типа. Преимущества и недостатки такого сечения стержня такие же, как у круглого.

Для подачи масла к поршню и подшипнику поршневой головки шатуна в стержне часто выполняют каналы, которые обычно распола гают в средней части сечения, а в отдельных случаях смещают в пе риферийную зону сечения (по ус ловиям допустимого выхода отвер стия на поверхность постели ша тунного подшипника). При выпол нении канала в шатуне со стерж нем двутаврового сечения преду сматривают дополнительные утол щения стенки (см. рис. 5.8, б, ж– и). Качество обработки поверхно сти канала должно соответствовать качеству обработки наружной по верхности стержня, чтобы исклю чить возможное ослабление стерж ня из за грубой поверхности кана ла в условиях циклического нагру жения. Если позволяют размеры

полки, то канал иногда выполняют непосредственно в полке шатуна.

5.2.2. Поршневая и кривошипная головки шатунов, шатунные болты

Поршневую головку шатунов обыч но выполняют в виде замкнутой про ушины круглой или овальной фор мы, симметричной относительно его продольной оси и имеющей плавное сопряжение со стержнем шатуна. В ряде случаев форма головки имеет ме нее благоприятные ступенчатые и не симметричные очертания, что чаще всего связано с введением дополни тельных технологических выступов, используемых в качестве базы при из готовлении или для регулировки (подгонки) массы шатуна. В середине верхней части головки иногда выпол няют выступающий участок цилинд рической или сферической формы, к которому после сборки с поршнем плотно прижимается специальный стакан для подачи масла под давле нием через шатун в поршень.

Основные виды поршневых го ловок показаны на рис. 5.11.

Конструкция поршневой голов ки определяется размерами порш невого пальца и способом его креп ления. В бо' льшей части двигателей используют плавающие пальцы, вращающиеся в шатуне и бобыш ках поршня. При использовании материалов, склонных к повышен ному изнашиванию, пальцы за прессовывают в верхнюю головку.

Вфорсированных быстроходных двигателях применяют круглые тон костенные головки (рис. 5.11, г). В ранних конструкциях автомобиль ных и тракторных двигателей при закреплении пальца в шатуне голов ку изготавливали с прорезью, кото рую для облегчения монтажа часто выполняли косой.

Внекоторых двигателях, в част ности, двухтактных, в поршневую головку устанавливают игольчатые подшипники (рис. 5.12), которые целесообразно применять при од носторонней нагрузке. В двухтакт ных двигателях поршневой палец практически всегда прижат к ниж ней части головки, так как газовая сила, как правило, превышает силу

Рис. 5.12. Поршневая головка шатуна с иголь чатым подшипником

инерции масс поршневой группы. В этом случае повышается давление на опорную поверхность. В связи с этим для обеспечения работоспо собности подшипника масло пода ется под давлением через отверстие в стержне шатуна (рис. 5.12).

При использовании игольчатых подшипников в отверстие порш невой головки вставляется сталь ная втулка, которая является на ружной обоймой игольчатого под шипника. В этом случае в головке предусматривают отверстия для обеспечения смазывания роликов и разбрызгивания масла на днище поршня для его охлаждения. Наи более характерный дефект такой конструкции – ложное бринелли рование, проявляющееся в виде отпечатков игл на пальце или на втулке вследствие высоких кон тактных давлений.

В дизелях для улучшения условий работы сопряжения поршневого пальца с шатуном и бобышками поршня, а также снижения массы шатуна верхнюю часть поршневой головки срезают под определенным углом, как показано на рис. 5.11, в. Угол скоса зависит от соотношения газовой и инерционных нагрузок и может изменяться в пределах 10– 20 . Это дает возможность выравни вания давления в подшипнике при действии сил инерции и давления

газов и изнашивания верхней и нижней частей втулки. При этом от ношение длины максимального и минимального участков опорной по верхности головки lш/lmin = 1,5–1,8. Угол &, как правило, изменяется в пределах 60–120 , что соответствует углу контакта пальца и поршневой головки при действии сил давления газов.

Прилив А (см. рис. 5.11, в) пред назначен для подгонки шатунов по массе. Приливы могут располагать ся также наверху головки и сим метрично по обеим сторонам го ловки. Расположение одного при лива определяется необходимостью балансировки всей поступательно движущейся массы, вызванной сме щением центра масс поршня.

Вдвигателях с принудительным воспламенением для выравнивания толщины масляного слоя уменьша ют опорную поверхность верхней половины втулки (см. рис. 5.11, е).

Для получения необходимой износостойкости в месте соедине ния головки шатуна с поршневым пальцем в отверстие головки уста навливают с начальным натягом втулку из бронзы или стали. Ино гда используют биметаллические втулки на основе стали 10, на ра бочую поверхность которой нано сят тонкий слой мягкого металла (обычно свинца и олова с добав кой меди).

Вкрупных двигателях часто при меняют круглые и реже овальные го ловки, обычно имеющие плавное очертание (см. рис. 5.11, б).

Кромки отверстий для подачи масла при входе в канавку и на на ружную поверхность головки шату нов высоко нагруженных двигате лей скругляют или выполняют с фаской (не менее 1 мм) для сниже ния концентрации напряжений в зоне выхода отверстий.

Втабл. 5.1 приведены ориенти ровочные соотношения внешнего

dг, внутреннего d1 диаметров и ши рины головки в зависимости от диа

метра пальца dп. Толщина втулок шатунов легких двигателей Sв = 1– 4 мм (чаще 1,5–2,0 мм). Втулки из листовой бронзы выполняют мень шей толщины (до 0,8 мм). Толщина стенки головки Sг = 3–10 мм.

Вконструкциях с плавающими пальцами относительный зазор ме жду пальцем и бронзовой втулкой в зависимости от размеров пальца ко

леблется в пределах /dп = 0,0004– 0,0012 (по наибольшим размерам допуска).

Для выбора конкретных разме ров пальца и отверстия в поршне вой головке можно воспользоваться зависимостью минимальной тол щины масляного слоя h от относи

тельного зазора = /dп, показан ной на рис. 5.13.

Упрочнение поршневых головок осуществляется в основном следую щими конструкторскими приемами:

• увеличением радиуса перехода1 (см. рис. 5.11, г) от полки стержня

кнаружной поверхности радиуса головки шатуна;

•выполнением дополнитель ного подкрепления в виде цен тральной полки стержня или опти мизацией внутренней поверхности двутавра в месте перехода стержня

вголовку;

•использованием Н образного профиля стержня шатуна, позво

ляющего устранить консольность поршневой головки.

Кривошипная головка шатуна от личается наибольшим разнообра зием формы. Конструкция криво шипной головки в значительной мере зависит от компоновочной схемы двигателя. Головка должна обладать высокой жесткостью для обеспечения надежной работы под шипников и болтов при минималь ных размерах и массе.

Наиболее простая по конструк ции кривошипная головка выполня ется в виде плоскосимметричной не разъемной проушины (см. рис. 5.1). Шатуны с разъемной головкой, по казанные на рис. 5.14, а, б, устанав ливают в однорядных двигателях, а также в V образных со смещенным расположением цилиндров левого и

Рис. 5.13. Зависимость минимальной толщины масляного слоя от относительного зазора

Рис. 5.14. Общий вид шатунов двигателей с диаметром цилиндра D = 83 мм:

а – рядного; б – V образного:

1 – втулка; 2 – стержень; 3, 4 – верхний и нижний вкладыши; 5 – крышка; 6 – болт

правого рядов при двух рядом распо ложенных на шейках коленчатого вала шатунах.

Такие шатуны называют шату нами рядного типа, несмотря на различие во внешних очертаниях, в положении и наклоне плоскости разъема головки, а также на осо бенности соединения кривошип ной головки с крышкой шатуна.

На рис. 5.15 показан шатун ряд ного судового среднеоборотного тронкового двигателя, выполненный разъемным с соединением прямого шлицевого разъема болтом и гайкой. Особенностью этой конструкции яв ляется наличие четырех болтов, а также развитых каналов, подводя щих масло для смазывания поршне вого пальца и охлаждения поршня.

При жестком ограничении габа ритных размеров по длине V образ ного двигателя или невозможности взаимного смещения рядов цилин дров применяют сочлененные ша туны. Характерные особенности этих шатунов связаны с конструк цией кривошипных головок.

Рис. 5.15. Шатун рядного судового двигателя

В V образных двигателях приме няют следующие типы сочлененных шатунов: главный с шарнирно со единенным с ним прицепным шату ном (рис. 5.16) или центральные ша туны, один из которых вильчатый, а другой внутренний (центральный) (рис. 5.17).

На рис. 5.18 показана трехмерная модель шатуна вильчатого исполне ния.

При проектировании криво шипной головки главного шатуна наибольшее внимание нужно уде лять обоснованному выбору разме ров проушины, диаметра пальца и толщины перемычки (между рас точкой постели подшипника и вы емкой под головку прицепного шатуна или втулку пальца). При этом недостаток жесткости в этой зоне трудно восполнить увеличе нием жесткости других участков головки.

Рис. 5.16. Сочлененные шатуны:

1 – главный; 2 – прицепной; 3 – палец прицеп ного шатуна

Рис. 5.17. Центральные шатуны V образного дви гателя:

1 – вильчатый (внешний); 2 – центральный (внутренний); 3 – разъемная шейка головки вильчатого шатуна

Рис. 5.18. Трехмерная твердотельная модель вильчатого и центрального ша тунов

Подвижное сочленение при цепного и главного шатунов осу ществляется с помощью пальца, образующего опору для прицеп ного шатуна, который в зависи мости от принятого варианта со единения может быть неподвиж но закреплен или установлен под вижно в проушине главного шатуна.

В быстроходных форсирован ных двигателях нашли примене ние шатуны с плавающим паль цем в соединении главного и прицепного шатунов (рис. 5.19). В этом случае для вращения го ловки прицепного шатуна в го ловке главного выполняют отно сительно глубокую круговую вы емку, что ослабляет несущий контур кривошипной головки главного шатуна. Для укрепле ния утоненных стенок постели и пальца прицепного шатуна в та ких соединениях применяют промежуточную опору (для паль ца) в виде выступа сектора на перемычке (рис. 5.19) главного шатуна. Одновременно в головке прицепного шатуна выполняют прорезь в соответствии с рабо чим углом качания.

Ввиду ограниченных габарит ных размеров и уменьшенных сече ний жесткость шатунов часто не достаточна, поэтому наблюдаются повышенные деформации, очаги фретинг коррозии и усталостные поломки. Этому способствуют вы сокие монтажные нагрузки.

Для повышения несущей спо собности подшипника прицепной шатун выполняют с цилиндриче ской пятой вместо нижней головки, к которой специальными болтами крепят палец. В таком соединении отпадает необходимость в выполне нии увеличенной выемки в главном шатуне, при этом палец опирается по всей ширине на запрессованную в расточку проушин втулку, образуя развитый подшипник скольжения.

В W образных и звездообразных двигателях прицепное сочленение шатунов является практически единственно возможным решени ем, широко использовавшимся ра нее в авиационных двигателях. Пример конструкции главного ша туна с восемью проушинами девя

тицилиндрового звездообразного авиационного двигателя показан на рис. 5.20. На рис. 5.21 дана трехмер

Рис. 5.20. Трехмерная твердотельная модель главного шатуна звездообразного авиационно го двигателя

Рис. 5.21. Трехмерная твердотельная модель шатунной группы звездообразного авиацион ного двигателя

ная модель шатунной группы этого двигателя. Доводка шатунов в этом случае представляет очень сложную задачу.

Для шатунов с прицепным сочле нением из за бокового (эксцентрич ного) расположения оси прицепа имеются различия в кинематике поршней главного и бокового рядов цилиндров, что приводит к возник новению дополнительного нагруже ния главного шатуна в виде попереч ного изгиба его стержня (рис. 5.22).

В центрально сочлененных ша тунах необходимо учитывать осо бенности работы вильчатой голов ки, которая испытывает простран ственный изгиб (в двух плоскостях) при сжатии и растяжении стержня. При отработке такой конструкции возникают значительные трудно сти по устранению циклической подвижности на отдельных участ ках разъемов головки. При этом из нашивание стыков на участках от носительной подвижности оказы вает влияние на начальную затяжку

шатунных болтов и форму расточ ки постели подшипника, особенно на участке цилиндрической цапфы (для центрального шатуна), вызы вая ее овализацию в процессе рабо ты и снижение несущей способно сти шатунного подшипника.

При конструировании централь ного внутреннего шатуна наиболь шие трудности связаны с обеспече нием необходимой жесткости разъ емной головки вследствие ограни ченных размеров ее поперечных се чений и невозможности создания ус ловий для надежной работы. Вслед ствие изнашивания и фретинг кор розии на контактных поверхностях ограничивается срок службы под шипника. Этот основной недостаток вследствие малой жесткости криво шипных головок следует считать ха рактерным для центрально сочле ненных шатунов. Такие шатуны не целесообразно применять при отно сительно высоких нагрузках и боль ших диаметрах цилиндра, что неод нократно подтверждалось результата ми испытаний. Верхнюю границу до пустимых размеров центрально со члененных шатунов ориентировочно можно определять по внутреннему диаметру постели подшипника виль чатого шатуна, который не должен превышать 150–200 мм.

Кривошипную головку шатунов для большинства двигателей выпол няют разъемной по условиям сбор ки. Наличие разъемов и болтовых соединений в кривошипных голов ках усложняет их форму. Важным признаком, непосредственно влияю щим на форму головки и ее конст рукцию, является выбранное поло жение плоскости разъема крышки и стержня. Кривошипные головки с прямым разъемом выполняют сим метричными, а стыковые поверхно сти – плоскими с фиксированием взаимного положения крышки и