2.4.3Шатуны

Общее устройство и материал шатунов. Основными элементами шатуна являются верхняя (поршневая) головка 5 (рис. 42, а), стержень 3 и нижняя (кривошипная) головка 2. Верхнюю головку шатунов дизелей речного флота всегда выполняют заодно со стержнем и неразъемной. Кривошипную головку делают разъемной, а иногда и отъемной (рис 42, б). Она состоит из верхней 8 и нижней 9 половин. Кривошипная головка крепится шатунными болтами 1.

Шатуны изготовляют из углеродистых сталей марок 35, 40, 45, из легированных сталей марок 40ХН, 18Х2Н4ВА и других свободной ковкой или штамповкой. При свободной ковке поперечное сечение стержня шатуна обычно бывает круглым (рис. 42, б и г) и стержень обрабатывают снаружи. Штампованные шатуны делают двутавровой формы (рис 42, д и е), и их стержни зачастую снаружи не обрабатывают. Двутавровые шатуны при той же прочности легче, чем круглые, этим объясняется их применение в быстроходных дизелях. При большом объеме производства, окупающем затраты на штампы, шатуны изготовляют двутавровыми и для тихоходных двигателей.

Площадь сечения стержня шатуна вверху обычно меньше, чем внизу. Внутри стержня сверлится канал 4 (см. рис. 42, а), по которому масло поступает из кривошипной головки в поршневую. В двутавровых шатунах для этой цели используется трубка 6 (см. рис. 42, б), прикрепляемая к стержню скобками 7, или же, как и в круглых, сверлится осевой канал (см. рис. 42, е).

Верхняя головка. Сечение стенки верхней головки шатуна в вертикальной плоскости делают немного больше, чем в горизонтальной (рис. 43, а), но иногда они одинаковы (рис. 43, в). Переход от головки к стержню должен быть плавным, без подрезов, чтобы не вызывать концентрации напряжений.

Внутрь поршневой головки запрессовывается втулка 4, образующая поршневой или головной подшипник шатуна. Втулки изготовляют из оловянисто-фосфористой бронзы Бр.ОФб,5-015 и Бр.ОФЮ-1 или из стали с заплавкой изнутри свинцовистой бронзой. Во многих двигателях втулки стопорятся винтами 6. Как уже было сказано, головной подшипник у большинства двигателей смазывается маслом, подводимым через осевой канал 1 шатуна или по трубке 7, прикрепленной к стержню. Для подвода масла к рабочей поверхности втулки обычно протачивается внешняя кольцевая или полукольцевая канавка 2, из которой по боковым радиальным отверстиям 3 масло проходит в холодильник 5. В некоторых двигателях полукольцевая канавка прорезается изнутри втулки в верхней ее части.

У небольших быстроходных двигателей головной подшипник смазывается маслом, оседающим из масляного тумана картерного пространства. В этом случае (см. рис. 43, в) головка и втулка имеют ряд сверлений 8, направленных вверх, через которые оседают на палец капельки масла. В одно из сверлений вставлена латунная трубка 9, стопорящая втулку 4.

Нижняя головка. Она несет в себе кривошипный подшипник шатуна. В случае, если головка выполнена отъемной (рис. 44, а), кривошипный подшипник образуется непосредственной заплавкой антифрикционным сплавом ее верхней 6 и нижней 2 половинок. При отъемной головке имеется возможность регулировать степень сжатия в цилиндре изменением толщины прокладки 7 под пяткой 8 шатуна: увеличение толщины прокладки уменьшает объем пространства сжатия, т. е. увеличивает степень сжатия. Однако иногда эту прокладку не ставят, так как она уменьшает жесткость соединения головки с шатуном. Отъемные головки встречаются лишь в тихоходных двигателях: шатун в данном случае имеет увеличенный вес. В быстроходных и небольших двигателях применяют шатуны с неотъемной кривошипной головкой. При этом появляется технологическая необходимость во вкладышах 3 и 5 (рис. 44, б), заставляемых антифрикционным сплавом. Один из вкладышей может быть застопорен штифтом 1 от проворачивания, но этого часто не делают: с целью уменьшения габаритов головки шатунные болты располагаются так близко к шейке, что во вкладышах вырезают для них карманы, и шатунные болты становятся фиксаторами вкладышей. От стопорения вкладышей штифтами отказываются еще и потому, что отверстия для штифтов вызывают концентрацию напряжений в шатуне или в крышке кривошипного подшипника.

Встречаются шатуны (см. рис. 42, а), в кривошипной головке которых имеется лишь один—верхний—вкладыш. Нижняя половинка заплавляется антифрикционным сплавом без вкладыша. Верхняя половинка 6 кривошипной головки центрируется с пяткой 8 шатуна с помощью выступа 11 и шатунных болтов 4. Нижняя половинка (крышка кривошипного подшипника) 2 направляется или шатунными болтами или выступами 4 (см. рис. 44, б) на краях крышки, а иногда и тем и другим. Между половинками предусматриваются наборы прокладок 3 (см. рис. 44, а) для регулирования масляного зазора. Однако с целью обеспечения большей жесткости подшипника от них часто отказываются даже в тихоходных дизелях (см. рис. 44, б). Кривошипный подшипник смазывается маслом, поступающим под давлением из рамового подшипника по каналам коленчатого вала.

Организация смазки кривошипного подшипника усложняется тем, что масло из него должно проходить постоянным потоком в трубку 12 (см. рис. 44, а) или в осевой канал 7 (см. рис. 44, б) для смазки головного подшипника. Постоянства потока можно достичь устройством кольцевой канавки 14 с выходом масла к трубке 12 (см. рис. 44, а) через канал 13. Однако такая канавка, как известно, снижает несущую способность кривошипного подшипника. Чтобы не нарушать целостности масляного клина в наиболее нагруженной верхней части подшипника, часто ограничиваются одной или двумя канавками 9 (см. рис. 44, б), прорезанными на протяжении примерно двух третей окружности в нижней части подшипника, и отводят масло в осевой канал 7 по наклонным 6 и 8 каналам. В этом случае шейка коленчатого вала должна иметь выход масла в двух точках. В небольших двигателях кривошипная головка часто выполняется с косым разъемом (см. рис. 44, в), крышка 5 крепится шпильками 1, а направляется выступами шатуна 2 и штифтами. Косой разъем делается для удобства обслуживания, а иногда – в технологических целях при унификации шатунов V-образных и однорядных двигателей.

В шатуне, показанном на рис. 44, в, применены тонкостенные вкладыши без регулировочных прокладок. Отказ от прокладок объясняется не только стремлением увеличить жесткость головки, но и тем, что при изменении толщины набора прокладок нарушается круглая форма сечения подшипника. При износе тонкостенный вкладыш заменяют новым.

Шатуны V-образных двигателей речного флота (рис. 44, г) имеют общую для двух цилиндров кривошипную головку. Шатун 1 одного из цилиндров является главным. В ушки его кривошипной головки вставляется палец 2 прицепного шатуна 3 соответствующего цилиндра второго ряда. Нижняя головка прицепного шатуна 3 имеет бронзовую втулку 4 и смазывается маслом, поступающим по каналам 6 и 5. Крышка 8 кривошипного подшипника может крепиться не болтами, а двумя коническими штифтами 7, вставляемыми в соответствующие ушки.

Кривошипные подшипники заплавляются теми же антифрикционными сплавами, что и рамовые. Иногда верхняя половинка заплавляется более качественным материалом, чем нижняя.

Шатунные болты. Кривошипные головки большинства двигателей имеют по два шатунных болта: по одному с каждой стороны. В шатунах с косым разъемом головки (см. рис. 44, в) встречается по три шпильки с каждой стороны. Шатунные болты имеют пояски (см. рис. 44, а), которыми они плотно входят в расточенные отверстия головки. Пояски делают, как правило, в плоскостях стыкования деталей: половинок 2 и 6 головки и верхней половинки с пяткою К шатуна. Бывает и иное расположение поясков (см. рис. 44, б). Оба болта делают одинаковыми. Исключение составляет двигатель НФД48, имеющий разные болты: у одного направляющий поясок есть только в плоскости стыкования головки с пяткой шатуна, \ другого — только в плоскости стыкования половинок.

Шатунные болты крепят корончатыми гайками 9 (см. рис. 44, а), стопорящимися шплинтами 10. Чтобы болт не проворачивался, его головка фиксируется штифтом 1. Кроме того, часто предусматривают отверстия для монтажных болтов 5, удерживающих шатунные болты при сборке и разборке головки.

У небольших двигателей часто оказывается более удобным располагать гайку болта снизу и стопорить его от проворачивания срезом головки. У двигателей с косым разъемом головки приходится применять шпильки 1 (см. рис. 44, в), ввертываемые в шатун 4 и застопоренные штифтами 3.

Шатунные болты — весьма ответственная деталь. Обрыв их ведет, как правило, к крупной аварии: шатун, отделившись от вала, падает вместе с поршнем вниз, пробивая стенки картера, рамы. Заклинив вал, шатун может вывести его из строя.

Во время работы дизеля шатунные болты испытывают растяжение от силы инерции поршня и стержня шатуна, действующей в конце такта выпуска и в начале такта впуска. Эта сила — переменная, близкая к ударной. Болты могут испытывать ударные нагрузки и при заедании поршня. Поэтому шатунные болты четырехтактных двигателей изготовляют из вязкой легированной стали 40ХН, 40ХНМА. В двухтактных двигателях силе инерции всегда противодействует давление газов на поршень, вследствие чего их шатунные болты могут быть изготовлены из менее качественной стали, например марки 35.

Чтобы избежать концентрации напряжений, шатунные болты должны быть чисто обработаны, не иметь резких переходов от одного сечения к другому, рисок, царапин, забоев. Резьба делается мелкой и чистой, без заусенцев и задиров.

Никаких дополнительных напряжений среза, изгиба шатунные болты не должны испытывать. Поэтому равномерность прилегания головки и гаек проверяют по краске. Затяжка болтов должна быть достаточной для обеспечения жесткости соединения, но не чрезмерной: при перетяжке может быть превышен предел текучести материала и болт при работе двигателя порвется. Ш а т у н н ы е б о л т ы з а т я г и в а ю т с я с о п р е д е л е н н о й с и л о й , указываемой в инструкции. Если имеется динамометрический ключ, допускающий затяжку гаек лишь моментом определенной величины, то следует пользоваться только им. Длина болта контролируется микрометрической скобой: появление остаточного удлинения является браковочным признаком болта. Гайки болтов должны надежно шплинтоваться, причем применение шплинта несоответствующего размера не допускается. Поскольку болт испытывает переменные напряжения, он может порваться вследствие усталости металла. Поэтому в срок, указанный в инструкции по эксплуатации двигателя, шатунные болты необходимо заменять н е з а в и с и м о о т в н е ш н е г о с о с т о я н и я .

Пренебрежение сроками смены шатунных болтов весьма опасно, и на флоте, к сожалению, еще происходят аварии по этой причине.