Шатун , также называемый «шатун», [1] [2] [ 3] — это часть поршневого двигателя , которая соединяет поршень с коленчатым валом . Вместе с кривошипом шатун преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращение коленчатого вала. [4] Шатун необходим для передачи сжимающих и растягивающих усилий от поршня. В своей наиболее распространенной форме, в двигателе внутреннего сгорания , он позволяет поворачивать конец поршня и вращение конца вала.
Предшественником шатуна является механическое соединение, используемое водяными мельницами для преобразования вращательного движения водяного колеса в возвратно-поступательное движение. [5]
Шатуны чаще всего используются в двигателях внутреннего сгорания или паровых двигателях .
Кривошип шатуна был найден в кельтской Оппиде в Поле в Бретани и датирован 69 годом до нашей эры [6].
Предшественником соединительной длины является механическое соединение, использовавшееся на водяных мельницах римской эпохи . Ранний пример этой связи был обнаружен на лесопилке Иераполиса конца III века в Римской Азии (современная Турция) и на лесопильнях VI века в Эфесе в Малой Азии (современная Турция) и в Герасе в Римской Сирии. Кривошипно - шатунный механизм этих машин преобразовывал вращательное движение водяного колеса в линейное движение пильных полотен. [7]
Ранняя документация конструкции произошла где-то между 1174 и 1206 годами нашей эры в штате Артукид (современная Турция), когда изобретатель Аль-Джазари описал машину, в которой шатун с коленчатым валом использовался для перекачки воды, как часть водоподъемной машины. [8] [9] , хотя устройство было более сложным, чем типичные конструкции кривошипа и шатуна. [10] : 170 Есть также документация о кривошипах с шатунами в альбомах для рисования Такколы из Италии эпохи Возрождения и художника 15 века Пизанелло . [10] : 113
В атмосферном двигателе Ньюкомена 1712 года (первый паровой двигатель) вместо шатуна использовалась цепная передача, поскольку поршень создавал силу только в одном направлении. [11] Однако большинство паровых двигателей после этого являются двойного действия , поэтому сила создается в обоих направлениях, что приводит к использованию шатуна. В типичной конструкции используется большой блок скользящих подшипников, называемый траверсой , с шарниром между поршнем и шатуном, расположенным снаружи цилиндра, что требует уплотнения вокруг штока поршня . [12]
В паровозе кривошипы обычно устанавливаются непосредственно на ведущих колесах . Шатун используется между шатунным пальцем на колесе и крейцкопфом (где он соединяется со штоком поршня ). [13] Эквивалентные шатуны на тепловозах называются «боковые тяги» или «соединительные тяги». На небольших паровозах шатуны обычно имеют прямоугольное поперечное сечение [14] , однако иногда используются шатуны морского типа с круглым поперечным сечением.
На гребных пароходах шатуны называются «шатунами» (не путать с шатунными рычагами ).
Шатун двигателя внутреннего сгорания состоит из «большого конца», «шатуна» и «малого конца». Маленький конец прикрепляется к поршневому пальцу (также называемому в США «поршневым пальцем» или «запястным пальцем»), что обеспечивает вращение шатуна и поршня. Обычно большой конец соединяется с шатунной шейкой с помощью подшипника скольжения для уменьшения трения; однако в некоторых двигателях меньшего размера вместо этого может использоваться подшипник качения , чтобы избежать необходимости в насосной системе смазки. Шатуны с подшипниками качения обычно представляют собой цельную конструкцию, в которой коленчатый вал должен быть прижат друг к другу через них, а не конструкцию, состоящую из двух частей, которая может быть закреплена болтами вокруг шейки цельного коленчатого вала. [ нужна цитата ]
Обычно на большом конце шатуна в подшипнике просверлено точечное отверстие, благодаря которому смазочное масло выливается на упорную сторону стенки цилиндра, смазывая ход поршней и поршневых колец .
Шатун может вращаться на обоих концах, так что угол между шатуном и поршнем может меняться, когда шатун движется вверх и вниз и вращается вокруг коленчатого вала .
Материалы, используемые для изготовления шатунов, широко различаются, включая углеродистую сталь, спеченный металл на железной основе, микролегированную сталь, чугун с шаровидным графитом. [15] В серийных автомобильных двигателях шатуны чаще всего изготавливаются из стали . В высокопроизводительных приложениях можно использовать шатуны «заготовки», которые изготавливаются из цельной металлической заготовки , а не отливаются или куются.
Другие материалы включают алюминиевый сплав T6-2024 или алюминиевый сплав T651-7075 , которые используются из-за легкости и способности поглощать сильные удары за счет долговечности. Титан — более дорогой вариант, который снижает вес. Чугун можно использовать для более дешевых и менее производительных устройств, таких как мотороллеры.
Во время каждого вращения коленчатого вала шатун часто подвергается воздействию больших и повторяющихся сил: сил сдвига, возникающих из-за угла между поршнем и шатунной шейкой, сил сжатия при движении поршня вниз и сил растяжения при движении поршня вверх. [16] Эти силы пропорциональны квадрату частоты вращения двигателя (об/мин).
Выход из строя шатуна, часто называемый «выбрасыванием шатуна», часто выталкивает сломанный шатун через стенку картера, что делает двигатель не подлежащим ремонту. [17] Распространенными причинами выхода из строя шатуна являются разрушение при растяжении из-за высоких оборотов двигателя, сила удара при ударе поршня о клапан (из-за проблемы с клапанным механизмом), выход из строя подшипника шатуна (обычно из-за проблемы со смазкой) или неправильная установка шатун. [18] [19] [20] [21]
Боковая сила, действующая на поршень через шатун со стороны коленчатого вала, может привести к тому, что цилиндры изнашиваются и приобретают овальную форму. Это значительно снижает производительность двигателя, поскольку круглые поршневые кольца не могут должным образом прилегать к стенкам цилиндра овальной формы.
Величина боковой силы пропорциональна углу наклона шатуна, поэтому более длинные шатуны уменьшат боковую силу и износ двигателя. Однако максимальная длина шатуна ограничена размером блока двигателя; длина хода плюс длина шатуна не должны приводить к перемещению поршня мимо верхней части блока цилиндров.
В радиальных двигателях обычно используются шатуны типа «главный и подчиненный», при этом один поршень (самый верхний поршень в анимации) имеет главный шатун, напрямую прикрепленный к коленчатому валу. Остальные поршни прикрепляют крепления своих шатунов к кольцам по краю главного шатуна.
Многорядные двигатели со многими цилиндрами, такие как двигатели V12 , имеют мало места для многих шатунных шеек на коленчатом валу ограниченной длины. Самое простое решение, используемое в большинстве двигателей дорожных автомобилей, состоит в том, чтобы каждая пара цилиндров имела общую кривошипную шейку , но это уменьшает размер шатунных подшипников и означает, что совпадающие (т.е. противоположные) цилиндры в разных рядах слегка смещены вдоль оси. ось коленчатого вала (которая создает качающуюся пару ). Другое решение - использовать шатуны «главный-ведомый», где главный шатун также включает в себя один или несколько кольцевых штифтов, которые соединены с большими концами ведомых шатунов на других цилиндрах. Недостатком главных-ведомых шатунов является то, что длина хода всех ведомых поршней, не расположенных под углом 180° от главного поршня, всегда будет немного больше, чем у главного поршня, что увеличивает вибрацию в V-образных двигателях.
Одним из наиболее сложных примеров главных и ведомых шатунов является 24-цилиндровый экспериментальный авиадвигатель Junkers Jumo 222, разработанный для Второй мировой войны. Этот двигатель состоял из шести рядов цилиндров, по четыре цилиндра в каждом. В каждом «слое» из шести цилиндров использовался один главный шатун, а в остальных пяти цилиндрах - ведомые шатуны. [22] Было построено около 300 испытательных двигателей, однако в производство двигатель так и не поступил.
.jpg/1280px-Forked_connecting_rods_(Autocar_Handbook,_13th_ed,_1935).jpg)
Шатуны с вилкой и лезвием, также известные как «разъемные шатуны», использовались в мотоциклетных двигателях V-twin и авиационных двигателях V12 . [23] Для каждой пары цилиндров «вилочный» стержень разделен на две части на большом конце, а «лезвийный» стержень противоположного цилиндра утончен, чтобы соответствовать этому зазору в вилке. Такое расположение устраняет раскачивание пары , возникающее при смещении пар цилиндров вдоль коленчатого вала.
Обычно подшипник шатуна имеет одну широкую опорную втулку, охватывающую всю ширину стержня, включая центральный зазор. Затем стержень лезвия проходит не непосредственно по шатунной шейке, а по внешней стороне втулки. Это заставляет два стержня колебаться вперед и назад (вместо вращения относительно друг друга), что снижает силы на подшипник и скорость поверхности. Однако движение подшипника также становится возвратно-поступательным, а не непрерывно вращающимся, что представляет собой более сложную проблему для смазки.
Известные двигатели, в которых используются вилочные стержни, включают авиационный двигатель Rolls-Royce Merlin V12, двухтактные дизельные двигатели EMD и различные мотоциклетные двигатели Harley Davidson V-twin.
Из-за находок в Эфесе и Герасе изобретение системы кривошипа и шатуна пришлось перенести с 13-го на 6-й век;
теперь рельеф Иераполиса возвращает нас еще на три столетия назад, что подтверждает, что водяные каменные пилорамы действительно использовались, когда они изменили мир двигателей.
Авзоний
написал свою Мозеллу.
{{cite book}}: |periodical=игнорируется ( помощь )Однако о том, что аль-Джазари не совсем понял смысл кривошипа для соединения возвратно-поступательного движения с вращательным, свидетельствует его чрезвычайно сложный насос, приводимый в движение посредством зубчатого колеса, эксцентрично установленного на его оси.