Шатун , также называемый «шатуном», [1] [2] [3] является частью 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 поворачиваться на конце поршня и вращаться на конце вала.
Предшественником шатуна является механическое соединение, используемое водяными мельницами для преобразования вращательного движения водяного колеса в возвратно-поступательное движение. [5]
Наиболее распространенное применение шатунов — в двигателях внутреннего сгорания или паровых машинах .
В кельтском оппиде в Поле в Бретани был найден шатунный кривошип , датируемый 69 годом до н. э. [6]
Предшественником соединительной длины является механическая связь, используемая водяными мельницами римской эпохи . Ранний пример этой связи был найден на лесопилке Иераполиса конца 3-го века в Римской Азии (современная Турция) и лесопилках 6-го 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 по конструкции появилась где-то между 1174 и 1206 годами нашей эры в государстве Артукидов (современная Турция), когда изобретатель Аль-Джазари описал машину, которая включала шатун с коленчатым валом для перекачивания воды как часть водоподъемной машины, [8] [9] хотя устройство было более сложным, чем типичные конструкции кривошипа и шатуна. [10] : 170 Также есть документация по кривошипам с шатунами в альбомах эскизов Такколы из Италии эпохи Возрождения и художника 15-го века Пизанелло . [10] : 113
В атмосферном двигателе Ньюкомена 1712 года (первом паровом двигателе) вместо шатуна использовался цепной привод, поскольку поршень создавал усилие только в одном направлении. [11] Однако большинство паровых двигателей после этого были двухстороннего действия , поэтому усилие создавалось в обоих направлениях, что привело к использованию шатуна. Типичное расположение использует большой блок скользящих подшипников, называемый крейцкопфом , с шарниром между поршнем и шатуном, размещенным снаружи цилиндра, что требует уплотнения вокруг штока поршня . [12]
В паровозе кривошипы обычно устанавливаются непосредственно на ведущие колеса . Шатун используется между цапфой кривошипа на колесе и крейцкопфом (где он соединяется с поршневым штоком ). [13] На меньших паровозах шатуны обычно имеют прямоугольное поперечное сечение, [14] однако иногда использовались шатуны морского типа круглого поперечного сечения.
На колесных пароходах шатуны называются «сошками» (не путать с рычагами сошки ).
Шатун для двигателя внутреннего сгорания состоит из «большой головки», «стержня» и «малой головки». Малая головка крепится к поршневому пальцу (также называемому «поршневым пальцем» или «пальцем запястья» в США), что обеспечивает вращение между шатуном и поршнем. Обычно большая головка крепится к шатунной шейке с помощью подшипника скольжения для уменьшения трения; однако некоторые двигатели меньшего размера могут вместо этого использовать подшипник качения , чтобы избежать необходимости в системе смазки с насосом. Шатуны с подшипниками качения обычно представляют собой цельную конструкцию, в которой коленчатый вал должен быть запрессован вместе через них, а не двухкомпонентную конструкцию, которая может быть закреплена болтами вокруг шейки цельного коленчатого вала. [ требуется ссылка ]
Обычно в подшипнике на большом конце шатуна просверлено отверстие, через которое смазочное масло разбрызгивается на упорную сторону стенки цилиндра для смазки хода поршней и поршневых колец .
Шатун может вращаться на обоих концах, так что угол между шатуном и поршнем может изменяться по мере того, как шатун движется вверх и вниз и вращается вокруг коленчатого вала .
Материалы, используемые для шатунов, широко варьируются, включая углеродистую сталь, спеченный металл на основе железа, микролегированную сталь, чугун с шаровидным графитом. [15] В серийных автомобильных двигателях шатуны чаще всего изготавливаются из стали . В высокопроизводительных приложениях могут использоваться шатуны «заготовки», которые изготавливаются из цельной заготовки металла, а не отливаются или куются.
Другие материалы включают алюминиевый сплав T6-2024 или алюминиевый сплав T651-7075 , которые используются для легкости и способности поглощать сильные удары за счет долговечности. Титан является более дорогим вариантом, который снижает вес. Чугун может использоваться для более дешевых, менее производительных применений, таких как мотороллеры.
Во время каждого поворота коленчатого вала шатун часто подвергается воздействию больших и повторяющихся сил: сдвигающих сил 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).
Поломка шатуна, часто называемая «выбрасыванием шатуна», часто приводит к тому, что сломанный шатун выбивается из картера и, таким образом, делает двигатель неремонтопригодным. [17] Распространенными причинами поломки шатуна являются разрыв при растяжении из-за высоких оборотов двигателя, ударная сила, когда поршень ударяет по клапану (из-за проблем с клапанным механизмом), поломка подшипника шатуна (обычно из-за проблем со смазкой) или неправильная установка шатуна. [18] [19] [20] [21]
Боковая сила, действующая на поршень через шатун со стороны коленчатого вала, может привести к износу цилиндров в овальную форму. Это значительно снижает производительность двигателя, поскольку круглые поршневые кольца не могут должным образом герметизировать овальные стенки цилиндра.
Величина боковой силы пропорциональна углу шатуна, поэтому более длинные шатуны уменьшат величину боковой силы и износ двигателя. Однако максимальная длина шатуна ограничена размером блока двигателя; длина хода плюс длина шатуна не должны приводить к перемещению поршня за верхнюю часть блока двигателя.
Радиальные двигатели обычно используют шатуны типа «главный-ведомый», при этом один поршень (самый верхний поршень в анимации) имеет главный стержень с прямым креплением к коленчатому валу. Остальные поршни прикрепляют крепления своих шатунов к кольцам по краю главного стержня.
Многорядные двигатели с большим количеством цилиндров, такие как двигатели V12 , имеют мало места для многих шатунных шеек на ограниченной длине коленчатого вала. Простейшее решение, используемое в большинстве двигателей дорожных автомобилей, заключается в том, чтобы каждая пара цилиндров делила шатунную шейку , но это уменьшает размер шатунных подшипников и означает, что соответствующие (т. е. противоположные) цилиндры в разных рядах слегка смещены вдоль оси коленчатого вала (что создает качающуюся пару ). Другое решение заключается в использовании шатунов с ведущим и ведомым цилиндрами, где ведущий шток также включает один или несколько кольцевых штифтов, которые соединены с большими концами ведомых штоков на других цилиндрах. Недостатком ведущего и ведомого штоков является то, что длина хода всех ведомых поршней, не расположенных на 180° от ведущего поршня, всегда будет немного больше, чем у ведущего поршня, что увеличивает вибрацию в двигателях с V-образным расположением.
Одним из самых сложных примеров шатунов «ведущий-ведомый» является 24-цилиндровый экспериментальный авиационный двигатель Junkers Jumo 222, разработанный для Второй мировой войны. Этот двигатель состоял из шести рядов цилиндров, в каждом из которых было по четыре цилиндра. Каждый «слой» из шести цилиндров использовал один ведущий шатун, а остальные пять цилиндров использовали ведомые шатуны. [22] Было построено около 300 испытательных двигателей, однако двигатель не был запущен в производство.
.jpg/1280px-Forked_connecting_rods_(Autocar_Handbook,_13th_ed,_1935).jpg)
Вилочно-лопастные шатуны, также известные как «разъемные шатуны с большой головкой», использовались в двигателях мотоциклов V-twin и авиационных двигателях V12 . [23] Для каждой пары цилиндров «вилочный» стержень разделяется надвое на большой головке, а «лопастной» стержень из противоположного цилиндра утончается, чтобы вписаться в этот зазор в вилке. Такое расположение устраняет качающуюся пару , которая возникает, когда пары цилиндров смещены вдоль коленчатого вала.
Обычная компоновка подшипника большой головки заключается в том, что стержень вилки имеет одну широкую втулку подшипника, которая охватывает всю ширину стержня, включая центральный зазор. Затем стержень лезвия движется не непосредственно по шатунной шейке, а снаружи этой втулки. Это заставляет два стержня колебаться вперед и назад (вместо вращения относительно друг друга), что снижает силы на подшипнике и скорость поверхности. Однако движение подшипника также становится возвратно-поступательным, а не непрерывно вращающимся, что является более сложной проблемой для смазки.
Известными двигателями, в которых используются вилочно-лопастные шатуны, являются 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 кривошипно-шатунной системы пришлось перенести с 13-го на 6-й век; теперь рельеф из Иераполя отодвигает его еще на три столетия назад, что подтверждает, что каменные пилы с водяным приводом действительно использовались, когда он изменил мир двигателей.
Авзоний
написал свою Мозеллу.
{{cite book}}: |periodical=проигнорировано ( помощь )Однако то, что аль-Джазари не полностью понял значение кривошипа для соединения возвратно-поступательного движения с вращательным, показано его необычайно сложным насосом, приводимым в действие зубчатым колесом, установленным эксцентрично на его оси.