Конструкция шатуна — RacePortal.ru
На шатун воздействуют большие знакопеременные и изменяющиеся по величине усилия, вызванные давлением расширяющихся в цилиндре газов и инерцией деталей поршневой группы. Для уменьшения вибрации и повышения максимальных оборотов двигателя, что необходимо для повышения максимальной мощности двигателя, конструкторы стремятся сделать шатун, как и все остальные детали, совершающие возвратно-поступательное движение, как можно легче. Но это стремление вступает в противоречие с необходимостью обеспечения прочности шатуна, работающего под воздействием больших и разнообразных нагрузок. Кроме этого в массовом производстве большое значение имеет себестоимость материалов, из которых изготавливаются шатуны, и стоимость изготовления самого шатуна.
Как и везде в технике, принятие технического решения, это постоянный выбор наиболее приемлемого компромисса для данных условий. Шатун состоит из двух головок и соединяющего их силового стержня. Верхняя головка шатуна (поршневая), меньшего размера, через поршневой палец соединяется с поршнем, а нижняя головка шатуна (кривошипная) соединяется с шатунной шейкой коленчатого вала.
Соединением с натягом, при котором диаметр вала, вставляемого в отверстие несколько больше внутреннего диаметра отверстия. Существует несколько методов сборки таких соединений – запрессовка при помощи пресса, нагрев детали с отверстием или, наоборот, сильное охлаждение вала. Если поршневой палец плавающего типа, в верхнюю головку шатуна запрессовываются бронзовые или биметаллические втулки, изготовленные из стали с залитым во втулку тонким слоем бронзы.
Но существуют двигатели с плавающим пальцем в верхней головке шатуна, в которой отсутствует втулка. В этом случае поршневой палец вращается непосредственно в отверстии верхней головки шатуна.
Плавающий поршневой палец устанавливается в верхней головке шатуна с установленным зазором (0,015 ÷ 0,020 мм). Для смазывания плавающего поршневого пальца в верхней головке шатуна может быть сделано отверстие, через которое масло из внутренней полости поршня подаётся к поршневому пальцу. Поскольку нагрузки на нижнюю часть поршневой головки шатуна значительно ниже, чем на верхнюю часть верхняя головка шатуна форсированных двигателей делается в виде трапеции, что увеличивает опорную поверхность пальца во время рабочего хода поршня.
Нижняя (шатунная) головка шатуна разборная. Состоит из верхней части, изготовленной как одно целое с шатуном и крышки нижней головки. Отверстие нижней головки шатуна растачивается на заводе при установленной крышке. Поэтому крышка нижней головки может использоваться только со своим шатуном. Во время ремонта двигателя не допускается замена крышки или установка крышки обратной стороной. Перед разборкой двигателя обязательно ознакомьтесь с видом совместных меток, и с какой стороны коленчатого вала они установлены.
Крышка шатуна соединяется с шатуном при помощи шатунных болтов. Шатунные болты работают под очень большой нагрузкой. Поскольку крышка устанавливается относительно шатуна с высокой точностью, шатунные болты чаще всего являются направляющей деталью, определяющей совместное положение крышки относительно шатуна. Для этого большинство шатунных болтов имеют центрирующие участки, позволяющие точно установить крышку головки относительно шатуна. Шатунные болты чаще всего запрессовываются в шатун, поэтому при замене шатунных болтов для их выпрессовки из шатуна может потребоваться применение пресса. Выпрессовывайте шатунные болты только в случае их необходимой замены. Никогда не заменяйте шатунные болты и гайки шатунных болтов, на болты и гайки непредназначенные для этих целей. Всегда затягивайте гайки шатунных болтов только при помощи динамометрического ключа, даже когда устанавливаете крышку для контрольного замера размеров отверстия нижней головки шатуна. При любом подозрении, что шатунный болт начал вытягиваться, замените болт с гайкой на новые.
.
Различные типы болтов крепления крышки шатуна. На некоторых болтах видны места, предназначенные для центровки крышки шатуна Для правильной установки крышки шатуна центрирование крышки также может осуществляться при помощи направляющих втулок или направляющих штифтов.
В нижнюю головку шатуна вставляются тонкостенные вкладыши подшипников скольжения. По своей конструкции эти вкладыши практически не отличаются от вкладышей коренных подшипников коленчатого вала. Вкладыши подшипника нижней головки шатуна изготавливаются из тонкой стальной ленты, внутренняя поверхность которой залита специальным сплавом, обладающим высокими антифрикционными свойствами и обладающим высоким сопротивлением износу. Для каждого типа двигателя существуют различные типы антифрикционных сплавов, обладающих различными свойствами.
Вкладыш изготавливается в виде дуги переменного радиуса, в месте замка большего, чем диаметр посадочного отверстия. Кроме того, длина вкладыша обеспечивает небольшой выступ вкладыша над плоскостью разъёма головки шатуна, этим обеспечивается необходимый натяг, предотвращающий проворачивание вкладыша в головке.
Антифрикционный материал имеет высокую износостойкость только в условиях работы с достаточной смазкой. Масло в подшипник нижней головки шатуна поступает из отверстия в шатунной шейке коленчатого вала. Некоторые шатуны имеют специальные дренажные отверстия, позволяющие регулировать прохождение масла через подшипник. Это необходимо потому, что масло кроме своей основной функции – смазка трущихся поверхностей, ещё служит для охлаждения этих поверхностей. Всегда необходимо точно выдерживать зазор в подшипнике шатуна. Наиболее точным измерением зазора является метод с применением специальной измерительной пластмассовой проволоки.
Стержень большинства шатунов массовых двигателей имеет двутавровую форму и расширяется к нижней головке шатуна. Существуют стержни другой формы, особенно у шатунов спортивных двигателей, изготовленных из алюминиевых сплавов. Шатуны дизельных двигателей обычно более массивные и более прочные по сравнению с шатунами бензиновых двигателей.
В некоторых двигателях стержень шатуна имеет внутри просверленный масляный канал для подачи масла к верхней головке шатуна. Иногда в верхней части нижней головки шатуна делается отверстие, из которого масло под давлением разбрызгивается во внутренней полости поршня и цилиндра.
Для уменьшения вибраций двигателя необходимо чтобы все шатуны двигателя имели одинаковый вес, более того должен быть одинаковым не только общий вес каждого шатуна, но и вес каждой верхней и каждой нижней головки шатуна. Для взвешивания каждой головки шатуна применяются точные (электронные) весы со специальным приспособлением (установочной скалкой).
Сначала взвешиваются все шатуны двигателя, и результаты взвешивания записываются в специальную таблицу с отдельным указанием веса нижней и верхней головок каждого шатуна. Подгонка веса осуществляется по самому лёгкому шатуну, за счёт аккуратного снятия части металла со специальных наплывов (бобышек), расположенных на верхней головке шатуна и на крышке нижней головки. Иногда наплывы в нижней части шатуна расположены не на крышке нижней головки, а на стержне шатуна чуть выше нижней головки в месте нахождения центра тяжести шатуна.Стрелками отмечены бобышки, с которых снимается часть металла при подгонке веса шатунов одного двигателя.
Материалы, из которых изготавливаются шатуны с целью уменьшения себестоимости производства шатуны массовых двигателей изготавливаются методом литья из специального чугуна, что в полнее обеспечивает требования двигателей работающих на бензине. Шатуны высоконагруженных двигателей, особенно дизельных двигателей с наддувом, изготавливаются методом горячей штамповки (ковки) из специальных легированных сталей.
Кованые шатуны прочнее литых, но дороже в изготовлении. Кованый шатун легко отличить от литого по боковому шву. Боковой шов кованого шва широкий, а литого узкий. Шатуны некоторых современных двигателей изготавливаются методом спекания из порошковых металлов, такие шатуны обладают более высокой прочностью. Линия соединения нижней головки такого шатуна с крышкой шатуна имеет неровный колотый разъём, поскольку отделение крышки от шатуна происходи методом разлома. В этом случае обеспечивается наиболее точная установка крышки относительно шатуна.
Для уменьшения веса, что необходимо для обеспечения повышения оборотов двигателя, шатуны двигателей дорогих спортивных автомобилей, где цена материала не имеет большого значения, изготавливаются из алюминиевых или титановых сплавов. Шатун, изготовленный из титановых или алюминиевых сплавов весит меньше чем стальной шатун на 50%. Особенно высокие требования предъявляются к материалам, из которых изготавливаются болты крепления крышки головки шатуна.
Обычно они изготавливаются из высоколегированных сталей обладающих очень высоким пределом текучести превышающий этот показатель 2 ÷ 3 раза по сравнению с углеродистыми сталями.
При ремонте некоторых высокофорсированных спортивных двигателей требуется обязательная замена болтов и гаек крепления крышки головки шатуна.Во время ремонта двигателя многие автомеханики практически не контролируют состояние шатуна. Они уверенны, что неисправными могут быть только детали, подвергающиеся износу: поршневые кольца, сами поршни, стенки цилиндров, направляющие втулки клапанов другие трущиеся детали. А в шатуне, особенно с фиксированным поршневым пальцем, непосредственно трущихся деталей нет. Поэтому принимается, что шатун всегда исправен, и шатуны устанавливаются в ремонтируемый двигатель не только без ремонта, но и вообще без проверки их технического состояния.
Довольно часто шатуны имеют деформацию, не допускающую их установку в ремонтируемый двигатель. Даже если двигатель автомобиля не подвергался аварийным неисправностям с последующим ремонтом, шатун может быть деформирован под воздействием штатных нагрузок.
Тем более повышается вероятность деформации шатуна, если в результате обрыва ремня привода ГРМ, при котором от удара поршня были погнуты клапаны двигателя, если двигатель подвергся гидроудару, вследствие попадания воды в цилиндры двигателя или произошло прокручивание вкладыша и, соответственно перегрев нижней головки шатуна.
Деформация шатуна может произойти из-за неправильного ремонта, когда при установке фиксированного поршневого пальца, для нагрева верхней головки шатуна использовалась газовая горелка. Отверстие нижней головки шатуна, под воздействием ударных нагрузок, может принять овальную форму при неправильном моменте затяжки болтов крепления крышки головки шатуна или вытягивания болтов крепления крышки. Поэтому проверка геометрии и, в случае необходимости, ремонт или замена шатуна являются обязательными при ремонте двигателя. Сначала необходимо измерить диаметр, овальность и конусность отверстий верхней и нижней головок шатуна. Сделать это можно при помощи универсального нутромера, но в специализированных мастерских для этой цели может применяться специальные точные приспособления
Очень важным показателем геометрии шатуна является параллельность осей отверстий головок шатуна.
Деформация стержня шатуна может привести к тому, что оси этих отверстий будут не параллельны. Это приведёт к перекосу поршня в цилиндре и, соответственно, повышенной шумности при работе двигателя, преждевременному износу поршня, стенок цилиндра, опорной поверхности нижней головки шатуна и коленчатого вала, а при сильном перекосе поршневого пальца и к разрушению поршня. Точно проверить параллельность осей отверстий шатуна можно только при помощи специальных приспособлений. К сожалению, такие приспособления часто отсутствуют даже в специализированных мастерских. А для проверки деформации стержня шатуна при помощи поверочной плиты или лекальной линейки требуется определённый опыт, да и эти, не очень удобные мерительные инструменты, бывают не во всех ремонтных предприятиях. Кроме того, на некоторых V-образных двигателях нижняя головка шатуна расположена несимметрично относительно стержня и верхней головки шатуна. И тогда проверить геометрию шатуна при помощи поверочной плиты вообще не удастся.
Стержень шатуна может иметь спиральную закрутку или осевой искривление. В любом из этих случаев ось поршневого пальца будет не параллельна оси коленчатого вала, а ось поршня будет не параллельна оси цилиндра. Проверка наличия искривления стержня шатуна
Шатун: надежное плечо кривошипно-шатунного механизма
Шатун: надежное плечо кривошипно-шатунного механизмаВ работе кривошипно-шатунного механизма поршневых двигателей одну из ключевых ролей играют детали, соединяющие поршни и коленчатый вал — шатуны. О том, что такое шатун, каких типов бывают эти детали и как они устроены, а также о правильном выборе, ремонте и замене шатунов — читайте в данной статье.
Что такое шатун и какое место он занимает в двигателе?
Шатун — компонент кривошипно-шатунного механизма поршневых ДВС всех типов; разъемная деталь, предназначенная для соединения поршня с соответствующей шейкой коленчатого вала.
Эта деталь выполняет несколько функций в двигателе:
- Механическое соединение поршня и коленвала;
- Передача от поршня на коленчатый вал моментов, возникающих во время рабочего хода;
- Преобразование возвратно-поступательных движений поршня во вращательное движение коленвала;
- Подача смазочного материала на поршневой палец, стенки поршня (для дополнительного охлаждения) и цилиндра, а также на детали ГРМ в силовых агрегатах с нижним расположением распределительного вала.
В моторах число шатунов равно числу поршней, каждый шатун верхней частью соединен с поршнем (через бронзовую втулку и палец), а нижней — с соответствующей шейкой коленвала (через подшипники скольжения). В результате образуется шарнирная конструкция, обеспечивающая свободное движение поршня в вертикальной плоскости.
Шатуны играют важную роль в работе силового агрегата, и их поломка зачастую полностью выводит мотор из строя. Но для верного выбора и замены этой детали необходимо разобраться в ее конструкции и особенностях.
Типы и конструкция шатунов
Конструкция шатуна
Сегодня существует два основных конструктивных типа шатунов:
- Стандартные — обычные шатуны, используемые во всех типах поршневых двигателей;
- Спаренные (сочлененные) — узел, состоящий из обычного шатуна и шарнирно соединенного с ним шатуна без кривошипной головки, такие узлы находят применение в V-образных моторах.
Конструкция шатунов ДВС устоялась и практически доведена до совершенства (насколько это возможно при современном развитии техники), поэтому, несмотря на огромное разнообразие двигателей, все эти детали устроены принципиально одинаково.
Шатун — разборная (составная) деталь, в которой выделяются три части:
- Стержень;
- Поршневая (верхняя) головка;
- Кривошипная (нижняя) головка со съемной (отъемной) крышкой.
Стержень, верхняя головка и половина нижней головки являются одной деталью, все эти части формируются сразу при изготовлении шатуна.
Крышка нижней головки является отдельной деталью, которая тем или иным способом соединяется с шатуном. Каждая из частей шатуна имеет свои конструктивные особенности и функционал.
Стержень. Это основа шатуна, соединяющая головки и обеспечивающая передачу усилия от поршневой головки на кривошипную. От длины стержня зависит высота поршней и их ход, а также и общая высота двигателя. Стержням для достижения необходимой жесткости придаются различные профили:
- Двутавровый с расположением полок перпендикулярно или параллельно осям головок;
- Крестообразный.
Наиболее часто стержню придается двутавровый профиль с продольным расположением полок (справа и слева, если смотреть на шатун вдоль осей головок), остальные профили используются реже.
Внутри стержня высверлен канал для подачи масла от нижней головки на верхнюю, в некоторых шатунах выполняются боковые отводы от центрального канала для разбрызгивания масла на стенки цилиндра и другие детали.
На двутавровых стержнях вместо высверленного канала может использоваться металлическая маслоподводящая трубка, соединенная со стержнем металлическими скобами.
Обычно на стержень наносится маркировка и метки для верного монтажа детали.
Поршневая головка. В головке выточено отверстие, в которое запрессована бронзовая втулка, играющая роль подшипника скольжения. Во втулку с небольшим зазором устанавливается поршневой палец. Для смазки поверхностей трения пальца и втулки в последней выполнено отверстие, обеспечивающее поступление масла из канала внутри стержня шатуна.
Кривошипная головка. Эта головка — разъемная, ее нижняя часть изготовлена в виде съемной крышки, монтируемой на шатун. Разъем может быть:
- Прямой — плоскость разъема находится под прямым углом к стержню;
- Косой — плоскость разъема выполнена под некоторым углом.
| Шатун с прямым разъемом крышки | Шатун с косым разъемом крышки |
Конструкция шатунов различных типов
Наиболее широко распространены детали с прямым разъемом, шатуны с косым разъемом чаще используются на V-образных силовых агрегатах и на дизелях, они более удобны для монтажа и снижают размеры силового агрегата.
Крышка может крепиться к шатуну с помощью болтов и шпилек, реже используется штифтовое и иные соединения. Болтов может быть два или четыре (по два на каждую сторону), их гайки фиксируются специальными стопорными шайбами или шплинтами. Болты для обеспечения максимальной надежности соединения могут иметь сложный профиль и дополняться вспомогательными деталями (центрирующими втулками) поэтому крепеж шатунов различных типов не взаимозаменяем.
Крышка может изготавливаться заодно с шатуном или отдельно. В первом случае после формирования шатуна нижняя головка раскалывается на две части для изготовления крышки. Для обеспечения надежного соединения и обеспечения устойчивости соединения при возникновении поперечных моментов поверхности стыкования шатуна и крышки выполняются профилированными (зубчатыми, с прямоугольным замком и т.д.). Независимо от технологии изготовления шатуна, отверстие в нижней головке растачивается в сборе с крышкой, поэтому данные детали должны использоваться только в паре, они не взаимозаменяемы.
Для предотвращения распаривания шатуна и крышки на них выполняются маркеры в виде меток различной формы или цифр.
Внутрь кривошипной головки устанавливается коренной подшипник (вкладыш), выполненный в виде двух полуколец. Для фиксации вкладышей внутри головки имеются две или четыре выточки (пазы), в которые входят соответствующие усы на вкладышах. На внешней поверхности головки может быть предусмотрен выход масляного канала для разбрызгивания масла на стенки цилиндра и другие детали.
У сочлененных шатунов над головкой выполняется выступ с расточенным отверстием, в который вставляется палец нижней головки прицепного шатуна. Сам прицепной шатун имеет аналогичное обычному шатуну устройство, однако его нижняя головка имеет малый диаметр и неразборная.
Шатуны изготавливаются штамповкой или ковкой, однако крышка нижней головки может быть литой. Для изготовления этих деталей используются различные марки углеродистых и легированных сталей, которые могут нормально работать под высокими механическими и тепловыми нагрузками.
Вопросы обслуживания, ремонта и замены шатунов
Шатуны во время работы двигателя подвергаются незначительному износу (так как основные нагрузки воспринимают вкладыши в нижней головке и втулка в верхней), а деформации и поломки в них возникают либо при серьезных неисправностях двигателя или в результате его длительной интенсивной эксплуатации. Однако при выполнении некоторых ремонтных работ приходится демонтировать и разбирать шатуны, а капитальный ремонт силового агрегата зачастую сопровождается заменой шатунов и сопряженных с ними деталей.
Разборка, демонтаж и последующий монтаж шатунов требует соблюдения некоторых правил:
- Крышки нижних головок должны устанавливаться только на «родные» шатуны, поломка крышки требует полной замены шатуна;
- При монтаже шатунов необходимо соблюдать их порядок установки — каждый шатун должен занимать свое место и иметь правильную пространственную ориентацию;
- Затяжка гаек или болтов должна выполняться с определенным усилием (с применением динамометрического ключа).
Особое внимание необходимо уделять ориентации шатуна в пространстве. На стержне обычно имеется метка, которая при монтаже на рядный мотор должна быть обращена к его передней части и совпадать с направлением стрелки на поршне. В V-образных моторах в одном ряду метка и стрелка должны смотреть в одну сторону (обычно это левый ряд), а на втором ряду — в разные. Таким расположением обеспечивается балансировка КШМ и мотора в целом.
При поломке крышки, в случае возникновения кручений, прогибов и других деформаций, а также при разрушении шатуны полностью заменяются. Новый шатун должны быть того же типа и каталожного номера, что и установленный на моторе ранее, однако эту деталь еще необходимо подбирать по весу для сохранения балансировки двигателя. В идеальном случае все шатунно-поршневые группы двигателя должны иметь одинаковый вес, однако в реальности все шатуны, поршни, пальцы и вкладыши имеют неодинаковые массы (особенно, если используются детали ремонтных размеров), поэтому детали приходится взвешивать и комплектовать по весу.
Вес шатунов определяется с учетом веса каждой из его головок.
Разборку, замену и сборку шатунов и шатунно-поршневых групп необходимо выполнять в строгом соответствии с инструкцией по ремонту и ТО транспортного средства. В дальнейшем шатуны не нуждаются в специальном обслуживании. При правильном подборе и монтаже шатунов двигатель будет обеспечивать необходимые рабочие характеристики в любых условиях эксплуатации.
Другие статьи
#Бачок ГЦС
Бачок ГЦС: надежная работа гидропривода сцепления14.10.2020 | Статьи о запасных частях
Многие современные автомобили, особенно грузовые, оснащаются гидравлическим приводом выключения сцепления.
Достаточный запас жидкости для работы главного цилиндра сцепления хранится в специальном бачке. Все о бачках ГЦС, их типах и конструкции, а также о выборе и замене этих деталей читайте в статье.
Шатун двигателя
Шатуны соединяют коленчатый вал с поршнями и таким образом передают силы действия газов и силы инерции на шатунную шейку коленчатого вала. Шатун обеспечивает возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре. Верхняя головка шатуна со стороны поршня в направлении опоры поршневого пальца на многих современных двигателях имеет втулку ВГШ из бронзы. Шатун устанавливается на шейке кривошипа коленчатого вала посредством шатунных вкладышей. Нижняя головка шатуна имеет разъемное исполнение для монтажа на коленчатом валу. Для подачи масла к поршневому пальцу в конструкции шатуна предусматривают отверстие между верхней головкой шатуна (ВГШ) и нижней головкой шатуна (НГШ).
Шатун изготавливается из стали путем ковки или литья, причем в зависимости от нагрузки используется либо легированная, либо улучшенная сталь.
Шатуны подлежат замене, если они сломались или погнулись или если были разрушены опоры подшипников шатунов. Если остальные шатуны не повреждены, то шатуны можно заменять по отдельности, при этом рекомендуется взвесить старые шатуны и новый шатун подобрать или подогнать под вес старых шатунов.
При ремонте двигателя рекомендуется менять болты нижней головки шатуна.
Шатуны подлежат ОБЯЗАТЕЛЬНОЙ проверке и при необходимости замене в следующих случаях:
- значительные повреждения шатунных вкладышей коленчатого вала
- гидроудары в цилиндро-поршневой группе
- существенные повреждения поршней, например, в результате превышения максимально допустимой частоты вращения
- детонационное сгорание
- ошибки при монтаже, например, перепутывание крышек нижней головки шатунов
- поломки и/или повреждение поршней и гильз цилиндров
Конструкция шатуна:
Конструктивные особенности нижней головки шатуна:
«Прямой» и «косой» разъем нижней головки шатуна:
«Ломаный» разъем нижней головки шатуна:
«Ломаные» шатуны изначально изготавливаются в виде цельной детали, затем на них наносят насечки для разлома (металлокерамический шатун) или лазерную насечку (стальной шатун), после чего их целенаправленно ломают на две части (крекинг).
Обе части свинчивают при монтаже шатуна. Благодаря наличию места разлома они точно подходят друг к другу. Из-за индивидуальной геометрии разлома, шатуны и крышки шатунов всегда должны использоваться вместе и не могут быть заменены по отдельности! Ломаные шатуны имеют преимущества в отношении прочности и точности изготовления. После монтажа поверхности разъема почти не видны. Шатуны и крышки шатунов устанавливаются с высокой точностью и благодаря этому обеспечивают оптимальную передачу силы.
«Зубчатый» разъем нижней головки шатуна:
Конструктивные особенности верхней головки шатуна:
«Прямая» и «трапециевидная» верхняя головка шатуна:
Ремонт верхней нижней головки шатуна автомобиля.
Ремонт шатунов двигателя бывает двух видов:
- ремонт верхней головки шатуна;
- ремонт нижней головки шатуна.
РЕМОНТ ВЕРХНЕЙ ГОЛОВКИ ШАТУНА
Ремонт верхней головки шатуна производится на поршнях с «плавающей» посадкой поршневого пальца в шатуне. Поршни имеют втулку для работы в паре с поршневым пальцем. В процессе работы двигателя втулка разбивается, и в соединении образуется увеличенный зазор.
Мы производим замену втулок верхней головки шатуна с последующей обработкой под поршневой палец.
Расточка и хонинговка отверстия происходит на специализированном станке, который позволяет базировать шатун относительно нижней головки, и обрабатывать втулку верхней головки шатуна соосно с отверстием нижней головки, что является залогом «правильной» работы двигателя.
В нашей практике были случаи, когда к нам обращались клиенты, у которых наблюдался повышенный расход масла после капитального ремонта мотора. После повторной разборки двигателя и подетальной дефектовки мы выяснили, что втулка под поршневой палец разворачивалась ручной разверткой.
Геометрия отверстия и зазор в соединении палец-втулка были в допуске, а ось отверстия «завалена».
В результате этого, поршни в цилиндре были установлены с небольшим наклоном в одну сторону. Что привело к неправильному прилеганию поршневых колец и, как следствие, к повышенному расходу масла.
Проблема ушла после повторной замены втулок в заводских условиях.
Хотим обратить ваше внимание на то, что верхняя головка шатунов с горячей посадкой поршневого пальца не ремонтируется. При изменении геометрии, такие шатуны подлежат замене.
РЕМОНТ НИЖНЕЙ ГЛОВКИ ШАТУНА
Ремонт нижней головки шатуна производится для восстановления геометрии посадочного места под шатунный вкладыш. Необходимость этого ремонта возникает не только на моторах, где «стучал» коленвал, но и в процессе штатного ремонта двигателя.
В результате механических и термических нагрузок на шатун, его нижняя головка может деформироваться.
Поэтому, при каждой разборке мотора, геометрию головки необходимо контролировать.
Технология ремонта проста. На плоскошлифовальном станке «занижается» нижняя крышка шатуна, после чего он собирается с моментом, установленным производителем индивидуально для каждого типа двигателей.
Далее, собранный шатун растачивается в номинальный размер, как это делается на заводе — производителе мотора. Для того чтобы компрессионное расстояние осталось неизменным, резец базируется по постели (?) самого шатуна, а основной съем металла происходит с «заниженной» крышки.
После ремонта нужно проконтролировать посадку нового вкладыша в «постель» и, при необходимости, надфилем углубить посадочное место под замок вкладыша.
Не все шатуны подлежат ремонту. «Разрывные» или «колотые» шатуны, у которых крышка с шатуном не имеют ровных привалочных плоскостей, при изменении геометрии, необходимо заменить.
ДЕФЕКТОВКА ШАТУНА БЕСПЛАТНО
Если возникла потребность в дефектовке шатунов, но нет собственной инструментальной базы, это можно сделать, совершенно бесплатно, в условиях нашего приемного пункта «Механика» — Обнинск.
Мы производим следующие виды работ по ремонту и дефектовке шатунов:
- Проверка геометрии нижней головки шатуна.
- Ремонт нижней головки шатуна с плоским разъемом с соблюдением параллельности осей.
- Ремонт нижней головки шатуна с зубчатым разъемом с соблюдением параллельности осей.
- Ремонт верхней головки шатуна с соблюдением параллельности осей.
- Перепрессовка поршней (горячая посадка).
- Проверка геометрии шатуна на наличие деформаций.
Обращайтесь к нам в «Механика»-Обнинск, и мы профессионально, и в короткие сроки произведем ремонт верхней и нижней головки шатуна, а также – дефектовку шатуна.
Оценка ширины паза между верхней и нижней частями кривошипной головки шатуна с помощью цифрового микроскопа
Назад к ресурсам
Шатун
Применение
Шатун служит для передачи газовых сил возвратно-поступательно движущегося поршня к вращающемуся коленчатому валу.
Нижняя головка шатуна (кривошипная), соединяемая с коленчатым валом, – разборная и состоит из верхней и нижней (крышки) частей. Эти две части нижней головки соединены между собой при помощи шатунных болтов. Ширина паза между верхней и нижней частями должна соответствовать проектным спецификациям, чтобы гарантировать надежное крепление и предотвратить неравномерное вращение коленчатого вала. Для обеспечения качества, проводится прецизионное измерение ширины паза с помощью микроскопа. Однако, коэффициенты увеличения, необходимые для адекватной оценки ширины паза, мешают видеть зону в целом; это затрудняет выявление аномалий, которые были бы видны на изображении в полном размере.
Решение Olympus
Измерение/наблюдение с помощью цифрового микроскопа Olympus DSX® с функцией сшивки изображений
Характеристики продукта
- Функция автоматической сшивки создает одно целое изображение паза, даже при большом увеличении.
- Результаты измерений выводятся прямо на экран наблюдения.
- Автоматическое распознавание контуров обеспечивает однородное качество данных, вне зависимости от уровня квалификации оператора.
Шатун | Нижняя разборная головка шатуна | ||
Шатун | Нижняя разборная головка шатуна | ||
Сшитое изображение зоны паза (объектив 5X с увеличением 1x) | ||
Продукты, используемые для этой цели
Превосходное качество изображений и лучшие результаты. Цифровые микроскопы DSX1000 позволяют с высокой точностью проводить анализ отказов и неисправностей.
Sorry, this page is not available in your country
Sorry, this page is not available in your countryLet us know what you’re looking for by filling out the form below.
Шатун двигателя и какие шатуны бывают.
Приветствую всех гостей моего сайта. Многие наверное заметили, что у меня уже есть достаточное количество статей про разные поршни, от простых до керамических. Но внезапно спохватившись, я осознал, что у меня на сайте нет ни одной статьи, про не менее важную и нагруженную деталь любого двигателя внутреннего сгорания — шатун. В ДВС эта деталь испытывает такие же нагрузки как и поршень, и даже больше. А важность качественного изготовления шатуна, ещё более значима, так как в нём находятся два подшипника, скольжения или качения, а сил, воздействующих на шатун, даже больше чем у поршня. В этой статье я попытаюсь рассказать всё, ну или почти всё о шатуне, рассказать какие они бывают, и т. д. и т. п.
Основная задача детали двигателя, называемой шатун, это превращение поступательного движения поршня (вверх-вниз) во вращательное движение коленчатого вала. Верхняя головка шатуна соединена через стальной палец с поршнем, и воспринимает на себя давление газов сгорающей топливо-воздушной смеси.
А нижняя головка шатуна передаёт давление газов на кривошипно-шатунный механизм коленвала и заставляет его крутиться. И при этих казалось бы простых движениях, шатун испытывает колосальные ,и в тоже время неравномерные (переменные) нагрузки.
К тому же в начале такта впуска и в конце такта сжатия, шатун тянет на себя и поршень и собственный вес, и всё это на больших оборотах, в итоге силы инерции пытаются его растянуть (разорвать). А на рабочем такте двигателя и такте выпуска, шатун наоборот сжимается от давления газов, давящих на поршень, и от сопротивляющегося коленчатого вала. То есть на больших оборотах, нагрузка на разрыв и нагрузка на сжатие, чередуются очень резко и быстро. Теперь я думаю вы представили, как и в каких условиях приходится работать этой детали.
Поэтому и требования о качестве изготовления шатуна, очень высоки. Ведь если он хоть немного не выдержит нагрузки и чуть деформируется, то поршневую группу тут же перекосит и начнёт прихватывать, а подшипники в его головках будут работать с перекосом, естественно перекос подшипников будет и при трении на шейках коленвала (и поршневого пальца тоже).
В таком случае, ресурс двигателя резко устремится к нулю, к тому же как известно, поршневая и коленвал — это самые дорогие детали двигателя.
Шатун и подшипники его головок двухтактного 50 кубового мотора
Значит ясно, чтобы шатун выдержал вышеперечисленные нагрузки, его необходимо изготовить из прочной и высококачественной стали. А к шатунам и к материалу их изготовления у спортивного двигателя (форсированного, с надувом), требования ещё более жёсткие. При изготовлении, заготовку штампуют, и очень тщательно следят за образованием соответствующего профиля, который придает конструктивную жесткость детали. Так же очень важна полная одинаковость (особенно по весу) изготовления шатунов для многоцилиндровых двигателей, ведь если будет расхождение по массе даже на пару граммов, то повышенная вибрация на высоких оборотах, будет очень ощутима и вредна. Неудобство от вибрации будет ощущаться как водителем, так и самим двигателем, в итоге разрушение коренных подшипников коленвала, может произойти за считанные километры.
Поэтому если вам придётся поменять один из нескольких шатунов вашего двигателя, настоятельно советую убедиться в том, что новый шатун весит точно столько же как и остальные шатуны.
Предостережение.
Многие «Кулибины», разобрав свой двигатель и увидев впервые шатуны, удивляются какой же он,, или они шероховатые. Тут же в их светлой голове возникает мысль: а не пригладить ли их наждаком или напильником. Всем настоятельно советую — не нужно, здесь народное творчество неуместно. И объясню почему: ведь при штамповке самым прочным получается верхний (наружный) слой металла, и именно поэтому все шатуны серийных двигателей не обрабатываются снаружи, после штамповки.
Шатуны мотоцикла Урал, вымирающая конструкция из-за плохой смазки подшипников и их малого ресурса. На фото Б — нормальный двутавровый шатун, а на фото В — шатун непрочной формы.
Ещё следует обратить внимание на центральную часть шатуна (стержень), которая имеет двутавровое сечение (исключение составляют шатуны некоторых моделей мотоциклов Урал).
Многих «Кулибиных», у которых постоянно чешутся руки, так и подмывает пройтись по граням двутавра с болгаркой. Они обычно мыслят так: мол куда столько лишнего металла и веса, а вот если это дело удалить и этим облегчить шатун, то мотор закрутится веселее. Но ребятки, неужели вы умнее японских инженеров, которые годами только и думают, как заставить крутиться двигатель резвее и выжать из него максимальную мощность. Посмотрите на фото (специально помещённое мной внизу текста) шатунов с японских спортбайков, у которых мощи явно поболее чем у вашего оппозита. Почему то на них двутавровое сечение сохранено. А дело в том, что именно двутавровая форма придаёт шатуну максимальную жёсткость на кручение и на изгиб, особенно при передаче переменных усилий. Жаль что это не понимают многие народные умельцы и инженеры Ирбитского завода, на мотоциклах Урал, как я уже говорил стоят шатуны странной формы (см. фото) Но на некоторых моделях Уралов, стоят нормальные двутавровые шатуны. Наверное Ирбитский завод решил поэкспериментировать.
Только вот жаль, что результаты экспериментов отразятся на потребителе. Завод в Киеве по изготовлению мотоциклов Днепр, в этом плане намного умнее, и шатуны их мотоциклов, практически не отличаются от шатунов импортных мотоциклов (см. предпоследнее фото внизу текста).
Правильная доработка шатуна
И всё же шатун можно доработать и облегчить, но делать это нужно правильно, особенно если вы при тюнинге двигателя параллельно облегчаете поршневую. Как известно облегчение деталей уменьшает силы инерционных нагрузок (особенно на больших оборотах). При облегчении деталей главное не переусердствовать, так как правильная технология облегчения веса, позволяет облегчить стержень шатуна всего на 10 — 15 %. Для этого шатун фрезеруют, а не пользуются обычной болгаркой, так как фрезерный станок (особенно с ЧПУ) позволяет снять лишний слой металла абсолютно одинаково с обеих сторон детали. После фрезеровки поверхность шатуна необходимо тщательно отшлифовать и затем отполировать. Полировка поверхности шатуна обязательна, так как после фрезерной обработки поверхности металла, у шатуна не остаётся упрочнённого верхнего слоя, а микронеровности, оставленные фрезой фрезерного станка, становятся концентратором напряжений на поверхности детали и их важно удалить (сгладить).
И если эти неровности не убрать, то при очень высоких оборотах, на шатуне в местах микронеровностей появятся трещины, и возможен обрыв шатуна.
Верхняя часть шатуна (головка).
На шатунах разных двигателей как верхняя часть, так и нижняя, может быть разной. Нагрузки при работе мотора, на верхнюю часть приходятся меньшие, чем на нижнюю (подшипник кривошипа), соответственно от этого и диаметр на верхней головке меньше, чем на нижней. А вообще существует три способа соединения поршневого пальца и верхней головки шатуна.
Самый древний способ, это запрессовка поршневого пальца в головку шатуна (а в поршне палец сидит на свободной посадке). И этот способ некоторыми мотоциклистами самодельщиками имеющими Урал, применяется и поныне, когда некоторые из них устанавливают поршни от древних автомобилей (например от классических жигулей). Некоторые преимущества такого сочленения деталей всё же есть, например полное отсутствие люфта между пальцем и шатуном, что позволяет свести диаметр головки к минимуму.
От этого немного снижается (совсем чуть чуть) масса и естественно происходит некоторое (опять же чуть чуть) снижение инерционных сил.
И все эти небольшие достоинства снижаются куда более ощутимыми недостатками, а именно: поршневой палец не вращается в отверстии головки, а вращается в алюминиевых бобышках поршня. Это приводит к достаточно быстрому (по сравнению с другими способами соединения) однобокому износу бобышек поршня (получаются овальные, и в двигателе появляется неприятный стук). К тому же при сборке деталей таким способом, нужно иметь небольшие навыки термиста. То есть если не нагреть головку шатуна до 150 — 200 градусов (а палец желательно охладить в морозилке), то деталь не установишь. Так же нужно успеть выставить детали ровно (палец относительно поршня), и если не успеешь, то нагреваемый от соприкосновения с горячей деталью палец намертво обожмётся остывающей головкой, и палец так и останется стоять криво, относительно поршня. Короче нужны определённые навыки.
Второй способ соединения поршневого пальца и верхней головки шатуна, это плавающий палец (палец подвижен в отверстии головки).
При таком соединении, в верхнюю головку шатуна запрессовывается бронзовая втулка, и в сопряжении с поршневым пальцем, втулка представляет собой подшипник скольжения, а так же применяют ещё и подшипник качения — роликовый (чаще на двухтактных моторах). В таком способе необходимо ограничить осевое перемещение пальца, и для этого и предназначены стопорные кольца, которые защёлкиваются в проточках бобышек поршня. В таком сопряжении в верхней головке шатуна сверлят отверстие или два отверстия, для лучшего подвода смазки при работе. Ресурс деталей при соединении вторым способом, увеличивается примерно в два раза.
Как я уже говорил, применяют или подшипник скольжения — втулку, или подшипник качения — сепаратор с роликами. В верхней головке шатуна четырёхтактных двигателей, применяют втулку (бронзовую). И при нормальной смазке четырёхтакников, она способна пережить несколько капитальных ремонтов двигателя. В головках шатуна двухтактных двигателей, по крайней мере современных, используют игольчатый (роликовый) подшипник качения, и это естественно, так как условия смазки этого сопряжения, в двухтактных моторах значительно хуже, так как здесь не подаётся чистое масло, а топливно-воздушно-масляная смесь.
И замечу, что подшипник качения, не отличается долговечностью в режиме работы тяни-толкай (а шатун имеет именно такой режим работы), и довольно быстро изнашивается и начинает стучать (вспомните новые 12 вольтовые Явы, которые начинали стучать намного раньше, чем их более древние 6 вольтовые модели, в которых устанавливалась бронзовая втулка в головке шатуна).
Время бежит, моторы совершенствовались в повышении мощности, и казалось бы, что в сочленении пальца и головки шатуна уже ничего не придумаешь получше и совершеннее. Но неугомонная инженерная мысль не давала уснуть многим инженерам и изобретателям. Но сначала на спортивных моторах, а затем и на серийных, отказались от втулки в головке шатуна. И вот уже лет 25, как на импортных моторах в шатунах втулки нет вообще. Стальной поршневой палец ходит (плавает) непосредственно в отверстии стального шатуна. И в условиях современной смазочной системы, и качественного синтетического масла, такое сопряжение деталей работает великолепно.
Такое сопряжение позволило значительно уменьшить головку шатуна, и свести зазор между пальцем и отверстием головки к минимуму.
Естественно все эти приколы даются не просто так: сам шатун изготовлен из сверхтвёрдой, сверхпрочной и от этого очень износостойкой стали, а палец покрывается специальным износостойким покрытием. Естественно такие шатуны и пальцы значительно дороже обычных.
Нижняя часть шатуна (кривошипная нижняя головка).
Здесь так же различия зависят от тактов мотора. В кривошипно-шатунном механизме двухтактного двигателя устанавливают роликовый подшипник качения. Он по конструкции почти такой же как и в верхней головке шатуна, но естественно значительно мощнее и массивнее. И нижняя головка любого шатуна, испытывает нагрузки намного большие чем поршневая группа двигателя. Кстати на древних моторах (например БМВ и Цюндапп вермахта, К-750, М-72, или мотоциклов Урал) в нижней головке шатуна также устанавливали подшипник качения, и ресурс коленвала таких моторов очень маленький — всего 15 тысяч км.
В современных четырёхтактных двигателях (например у японских или европейских спортбайков, или продвинутых дорожников, и практически во всех автомобильных двигателях) нижняя головка шатуна разъёмная, и с шейкой коленчатого вала контактирует через подшипники скольжения — вкладыши. Основа вкладышей стальная, а сверху нанесён мягкий антифрикционный слой.
Г — шатун Днепра, Д и Е — шатуны зарубежных мотоциклов.
На шатуне с вкладышами имеются специальные шатунные болты, которые обеспечивают жёсткость и точность фиксации частей (половинок) нижней головки шатуна. Эти болты изготавливают из прочной высоколегированной стали и к тому же ещё и подвергаются термообработке (закаливаются и отпускаются). Это важно, так как болт из обычного металла, при работе шатуна вытянулся бы, и отверстие нижней головки шатуна потеряло бы форму идеального круга (стало бы овальным). А в овальном отверстии сразу бы появился стук, и ударные нагрузки быстро бы доканали сопряжение. Так же шатунные болты выполняют функцию точных фиксаторов шатунной крышки относительно самого шатуна, из-за того, что диаметр шатунных болтов выдерживается при изготовлении очень точно (да и сами болты плотно входят в свои отверстия).
Гайки шатунных болтов изготавливают из той же прочной стали, что и болты, и имеют особую самоконтрящую их площадку. Но бывают гайки с отверстием для шплинта, который надёжно страхует их от отворачивания. Гайки с отверстиями бывают на некоторых европейских моторах и на нашем хорошо знакомом двигателе мотоцикла Днепр. Кстати, как я уже отмечал, шатуны Днепра, почти такие же как и шатуны импортных мотоциклов (см. фото), только в них стоит всё та же бронзовая втулка, а гайки шатунных болтов стоят вверху, а не внизу.
Хочу отметить, что очень важно чтобы вкладыши прилегали к постелям в шатуне очень плотно и без зазоров, ведь чем плотнее прилегают вкладыши к металлу шатуна, тем интенсивнее отводится тепло от него (тепло отводится через плёнку масла и коленчатый вал). От этого зависит нормальная температура при работе и долговечность подшипника скольжения. И если обнаружите при вскрытии двигателя и замерах, что овальность отверстий превышает 0,05 мм, то такие вкладыши необходимо менять (подробнее о ремонте двигателя можно почитать вот здесь).
Ну и естественно нельзя переворачивать или менять местами крышки нижних головок шатунов. Ведь отверстия под вкладыши обрабатывают на заводе по отдельности на каждом шатуне (обрабатывают пару — шатун с крышкой), в итоге каждый шатун только со своей крышкой имеет идеальный круг. А при замене крышки этот круг естественно нарушается. Чтобы ремонтники не ошибались, на шатуне и его крышке ставят клеймо или метки (если вдруг их не найдёте на деталях, то ставьте свои). Оба клейма (и на крышке и на шатуне) при сборке должны оказаться на одной стороне шатуна и иметь одинаковую маркировку.
И последнее: при ремонте двигателя советую проверять шатуны (особенно отечественные) на прямолинейность и параллельность верхней и нижней головок шатуна, это очень важно для нормальной работы мотора. Как это сделать можно посмотреть в этой статье.
Вот вроде бы и всё самое главное о шатуне, что как я думаю полезно знать каждому ремонтнику и не только ему. У кого возникнут вопросы, пишите. Удачи всем!
Дефектовка шатунов
При разборке и ремонте двигателя механики редко обращают внимание на шатуны, полагая, что с ними ничего случиться не может.
Однако это не так: выход из строя шатунов может привести к тяжёлым последствиям, вплоть до разрушения мотора. Итак, на что надо обратить внимание…
Дефект 1. Износ и задиры на рабочей поверхности нижней головки шатуна.
Причины:
- Длительная работа двигателя.
- Работа двигателя с недостаточным уровнем масла в картере или малым давлением.
- Работа двигателя на некачественном и грязном масле.
- Разжижение масла в результате сильного перегрева или попадания в масло топлива (бензина или дизтоплива).
- Работа двигателя с засорённым масляным фильтром.
Примечание.
Указанные причины непосредственно на шатуны не влияют. Но они приводят к износу шатунных шеек коленвала и шатунных вкладышей, а это, в свою очередь, вызывает повышенные нагрузки на нижнюю головку шатуна. В критических случаях шатунные вкладыши могут провернуться в нижней головке шатуна. Всё вышесказанное ведёт к нарушению геометрии нижней головки шатуна.
Проверку размеров шатуна следует выполнятьтак: ставим на место нижнюю крышку шатуна и затягиваем крепёжные болты предписанным моментом. С помощью индикаторного нутромера промеряем нижнюю головку в разных плоскостях и сравниваем полученные данные с размерами, предписанными производителем. Если полученный размер выходит за пределы указанных допусков, то нижнюю головку шатуна необходимо отремонтировать.
N.B. Крышки шатунов не взаимозаменяемы.
Действия:
- Ремонт нижней головки шатуна. В некоторых случаях — замена шатунов. Проверка системы смазки, масляного насоса и при необходимости ремонт или замена масляного насоса. Чистка, промывка и продувка масляных каналов блока цилиндров и коленчатого вала. Следует применять моторное масло надлежащего качества и регулярно, в предписанные производителем сроки, менять моторное масло и фильтр. Проверка и при необходимости ремонт системы охлаждения. Проверка и при необходимости ремонт системы питания.
Дефект 2.
Износ и задиры рабочей поверхности верхней головки шатуна.
Причины:
- Длительная работа двигателя.
- Работа двигателя с недостаточным уровнем масла в картере или малым давлением.
- Работа двигателя на некачественном и грязном масле.
- Разжижение масла в результате сильного перегрева или попадания в масло топлива (бензина или дизтоплива).
- Работа двигателя с засорённым масляным фильтром.
- Засорение масляных каналов в теле шатуна.
- Неправильная установка втулки верхней головки шатуна.
- Несоблюдение натяга при установке поршневого пальца в верхнюю головку шатуна (только для шатунов с прессовой посадкой поршневого пальца).
Примечание.
Вышеперечисленные причины актуальны для шатунов с плавающей посадкой поршневого пальца, то есть на те, где в верхнюю головку установлена втулка под поршневой палец.
N.B. При ремонте нижней головки шатуна и замене втулки верхней головки шатуна обязательно обеспечение одинакового межосевого расстояния между верхней и нижней головкой на всех шатунах.
Действия:
- Ремонт верхней головки шатуна путем установки новой втулки. В некоторых случаях — замена шатунов. Для шатунов с прессовой посадкой пальца — замена шатунов! Проверка системы смазки, масляного насоса и при необходимости ремонт или замена масляного насоса. Чистка, промывка и продувка масляных каналов блока цилиндров и коленчатого вала. Следует применять моторное масло надлежащего качества и регулярно, в предписанные производителем сроки, менять моторное масло и фильтр. Проверка системы охлаждения и при необходимости её ремонт. Проверка и при необходимости ремонт системы питания.
Дефект 3. Изгиб и скручивание стержня шатуна.
Причины:
- Большой пробег двигателя.
- Гидроудар или попадание каких-либо предметов в цилиндры двигателя.
Действия:
- Замена шатунов. При наличии подобных повреждений шатуны, как правило, не ремонтируются.
Примечание.
Для проверки деформации шатунов существуют специальные приспособления.
Проверить геометрию шатунов можно на станке для расточки шатунов, а так же воспользовавшись лекальной линейкой или поверочной плитой.
Дефект 4. Износ или разрушение резьбы на болтах крепления нижних крышек шатунов.
Причины:
- Неправильная затяжка крепёжных болтов.
- Перегрев двигателя.
- «Стук» шатунных подшипников.
Действия:
- Замена шатунных болтов и гаек. Строгое соблюдение предписанного момента затяжки.
Дефект 5. Разрушение резьбы в крепёжных отверстиях.
Причины:
- Неправильная затяжка крепёжных болтов.
- Перегрев двигателя.
- «Стук» шатунных подшипников.
Действия:
- Изношенная или разрушенная резьба ремонту не подлежит. Замена шатуна.
Дефект 6. Трещины в шатуне.
Причины:
- Часть причин, приводящих к появлению трещин, перечислена выше, в пункте 1.
- Гидроудар или попадание в цилиндр посторонних предметов.
Действия:
- При наличии трещин шатуны ремонту не подлежат.
Примечание:
Определить наличие трещин можно визуально. Но в большинстве случаев трещины в шатуне приводят к его разрушению во время работы, что ведёт к тяжелым последствиям для мотора, вплоть до его разрушения.
Дополнения.
- После ремонта шатуны должны быть тщательно промыты и продуты сжатым воздухом для удаления загрязнений.
- При замене хотя бы одного шатуна необходимо взвесить его и путем снятия металла с приливов на нижней крышке и самом шатуне подогнать массу так, что бы разница в комплекте для одного мотора не превышала указаний завода-изготовителя. Как правило, данные показатели не должны превышать: для легковых двигателей — 4 г; для грузовых двигателей — 15 г.
Шатуны — обзор
10.6.3 Характеристики трения подшипников поршневого узла
Шатунные малые и большие подшипники составляют подшипники в поршневом узле.
Они работают в суровых условиях при высоких динамических нагрузках и относительно низких скоростях шейки (например, Zhang et al. , 2004). Их моменты трения важны для точности расчета динамики поршневого узла. Сила трения поршневого пальца напрямую влияет на наклон юбки поршня.Их моменты трения необходимо включить в баланс моментов уравнений динамики поршневого узла. Их моменты трения в подшипниках могут быть рассчитаны либо с помощью упрощенного подхода с использованием эквивалентного граничного коэффициента трения, умноженного на действующую нагрузку и радиус подшипника, либо с помощью более сложного подхода, включающего уравнения трения гидродинамической смазки, представленные в предыдущем разделе.
Сухара и др. (1997) измерил трение в подшипнике выступа поршневого пальца полуфланцевого запрессованного поршневого пальца автомобильного бензинового двигателя.Они обнаружили, что сила трения подшипника поршневого пальца увеличивается с давлением в цилиндре во второй половине такта сжатия, такте расширения и первой половине такта выпуска.
Они заметили резкий скачок силы трения при полной нагрузке сразу после ВМТ срабатывания, когда давление в цилиндре было самым высоким. Другой гораздо меньший пик произошел при угле поворота коленвала 90 ° после ВМТ срабатывания, когда шатун изменил направление. Пики силы трения указывали на характеристики граничной смазки поршневого пальца в этих областях.Сухара и др. (1997) обнаружил, что трение поршневого пальца находилось в диапазоне от 6,5% (при половинной нагрузке) до 16% (при полной нагрузке) среднего эффективного давления трения (FMEP) юбки поршня и колец, и им нельзя было пренебречь. Их результаты очень похожи на результаты аналитического моделирования, когда при моделировании предполагается граничное трение для поршневого пальца (Xin, 1999). Поршневой палец и узкий конец шатуна лишь слегка качаются вперед и назад. Силу трения поршневого пальца можно рассчитать, умножив нагрузку на палец на эквивалентный коэффициент трения.
Очень интересная диаграмма Стрибека была опубликована Suhara et al.
(1997 г.) для подшипника поршневого пальца. Они заметили, что коэффициент трения уменьшается по мере уменьшения рабочего параметра во второй половине такта сжатия, что указывает на операцию гидродинамической смазки. Коэффициент трения резко увеличивается по мере дальнейшего уменьшения рабочего параметра в течение первой половины хода расширения, указывая на то, что подшипник поршневого пальца работает в режиме смешанной смазки.Сухара и др. (1997) полагал, что повышающийся высокий коэффициент трения с рабочим параметром во второй половине такта расширения был вызван очень тонкой масляной пленкой, которая не утолщалась при увеличении рабочего параметра. Это свидетельствовало о недостаточных поставках смазочного масла в этом регионе. Они указали, что необходимо сделать упор на усовершенствование конструкции для уменьшения трения как для режима граничной смазки в первой половине такта расширения, так и для режима масляного голодания во второй половине такта расширения.
Небольшое уменьшение шероховатости поверхности может значительно снизить трение поршневого пальца, как указано Suhara et al.
(1997) в своем обширном экспериментальном исследовании различных эффектов конструкции на трение поршневого пальца. Улучшение материала подшипника втулки пальца также имеет большое влияние на снижение трения. Уменьшение зазора в подшипнике выступа поршневого пальца, например, для снижения шума, может привести к увеличению трения в режиме граничной смазки из-за более серьезных неровностей контактов, особенно при полной нагрузке и высоком давлении в цилиндре.Чрезмерное уменьшение длины поршневого пальца и толщины стенки по причине уменьшения веса может привести к значительному увеличению нагрузки на агрегат и деформации подшипника выступа пальца. Это может привести к увеличению граничного трения и износа, если не будут приняты другие конструктивные меры для противовеса (например, использование лучшего материала подшипника, уменьшение шероховатости поверхности, улучшение подачи масла).
Что такое узкий подшипник?
Производство двигателя — это все о деталях, и выбор правильного набора подшипников двигателя, подходящего к вашему коленчатому валу, является важным! Внутри мы исследуем, что такое узкий подшипник и когда их следует использовать.
Кажется, что каждый день в социальных сетях появляется новый пост об уличных двигателях, вырабатывающих четырехзначную мощность. Убийственная последняя модель Hemi с воздуходувкой легко развивает мощность более 1100 лошадиных сил, а Майк Моран построил полностью заготовленный двигатель с двойным турбонаддувом мощностью 5300 лошадиных сил. Показатели мощности продолжают расти, и все же гораздо меньше внимания уделяется тому, что требуется для коленчатых валов, поршней и шатунов, чтобы выдержать эти постоянно растущие и более простые, чем когда-либо, уровни мощности.
Скругление — это радиус, образованный при переходе от шатуна или главной шейки к вертикальной части коленчатого вала. Радиус увеличивает прочность коленчатого вала, но требует немного более узкого подшипника по сравнению с подшипниками серийного производства. Один маленький момент, который часто упускают из виду, — это ширина шатунного подшипника.
Это то, на чем мы остановимся в этой статье. Но сначала давайте взглянем на конструкцию коленчатого вала.
Всем известно, что коленчатый вал из легированной стали 4340 значительно прочнее, чем у типичной чугунной версии.Эта легированная сталь обладает более высокой прочностью на разрыв, а также более ковкой, что означает, что кованая сталь способна слегка изгибаться при высоких нагрузках. Литые кривошипы имеют тенденцию быть хрупкими и растрескиваться при высоких нагрузках.
Еще одна хитрость для повышения прочности — это простой метод, известный как радиус скругления. В типичном коленчатом валу V8 напряжение возникает в нескольких местах, но концентрируется в углах, создаваемых как в месте соединения шейки шатуна с щекой кривошипа, так и в том же месте на основных шейках.Один из способов минимизировать напряжение в острых углах — создать небольшой радиус. Литые коленчатые валы оригинальных производителей иногда подрезают этот угол для создания радиуса.
Чтобы проиллюстрировать разницу между серийным подшипником и стержневым подшипником с более узкими рабочими характеристиками, мы измерили эти два подшипника Chevy Federal-Mogul с большим блоком.
Трехметаллический высокопроизводительный подшипник на 0,020 дюйма уже, чем его алюминиевый собрат оригинального производителя. Кованые коленчатые валы добавляют материал в этой позиции.Затем после обработки шейки создается очень плавный радиус, улучшающий прочность. Однако этот процесс также уменьшает общую ширину журнала. Благодаря высокопроизводительному коленчатому валу эта уменьшенная ширина требует более узкого подшипника по сравнению с версией со стандартной заменой.
В качестве обобщения стандартные заменяемые стержневые подшипники часто немного шире, чем их собратья с высокопроизводительными подшипниками. Рассматривать материалы подшипников выходит за рамки этой статьи — но в большинстве запасных подшипников используется алюминиевый сплав, в то время как в большинстве высокопроизводительных стержневых и коренных подшипников используется гораздо более мягкий и податливый трехметаллический материал, который изнашивается быстрее, но будет Не очищайте и не царапайте, как стандартные алюминиевые подшипники.
Чтобы проиллюстрировать этот момент, мы измерили ширину набора запасных алюминиевых шатунных подшипников Federal-Mogul для шатунных подшипников с большим блоком Chevy по сравнению с набором трехметаллических подшипников Federal-Mogul (Speed-Pro).Стандартные алюминиевые версии имели размер 0,885 дюйма, в то время как рабочие подшипники были на 0,020 дюйма уже на 0,865 дюйма. Использование более широких подшипников на высокопроизводительном коленчатом валу из кованой стали может привести к заеданию внешних кромок подшипника на большем радиусе галтеля коленчатого вала.
Это может привести к немедленному отказу подшипника и, как минимум, к попаданию мусора подшипника в масло.
Могут возникнуть опасения по поводу использования подшипника, который теперь стал на 0,020 дюйма более узким, с точки зрения нагрузки на подшипник, но небольшая разница в ширине действительно несущественна, поскольку разница в ширине представляет собой уменьшение ширины всего на два (2) процента в этом приложении с большим блоком.
На этой фотографии показан зазор, созданный между краем суженного стержневого подшипника и радиусом галтеля. Это предотвращает контакт кромки с радиусом коленчатого вала. Суженные подшипники также поднимают вопрос о фаске подшипников штока. Большинство высокопроизводительных стержневых подшипников имеют фаску на одной стороне подшипника, чтобы приспособиться к большому радиусу на краю шейки. Поскольку внутренняя сторона подшипника избегает этого радиуса скругления, нет необходимости в снятии фаски с обеих сторон подшипника.
Но как для верхнего, так и для нижнего подшипника это требует правильной ориентации подшипника. Поскольку подшипник расположен на выступе, подшипник со скошенной кромкой должен быть установлен либо как верхний, либо как нижний подшипник, поскольку фаска будет находиться на противоположной стороне нижней половины подшипника по сравнению с верхней половиной подшипника.
Для этого необходимо, чтобы на подшипниках штанги рабочих характеристик с такими фасками были отмечены «верхний» и «нижний». Некоторые производители подшипников сокращают это, используя буквы «U» и «L», нанесенные на задней стороне стержня.
Если эти половины подшипника установлены неправильно, плоский край подшипника будет обращен к радиусу галтеля и вызовет немедленный износ подшипника в этом месте — часто стержень даже заедает после затяжки крышки. Даже не глядя на штамповку на подшипнике, внимательный производитель двигателя знает, как правильно установить подшипник, просто совместив фаску подшипника со скошенной стороной шатуна.
Все это относится к категории важных деталей, которые требуются в процессе создания двигателя производительности. Соберите его правильно, и двигатель вознаградит строителя стабильной и надежной работой. Если упустить одну или две из этих деталей, надежность сразу же станет под вопросом.
Объяснение скорости поршня, угла штока и увеличенного смещения.
Внимательный взгляд на ход коленчатого вала и его влияние на среднюю скорость поршня, инерцию и контроль огромных разрушительных сил, действующих внутри двигателя.
Производители двигателей давно рассчитывают среднюю скорость поршня своих двигателей, чтобы помочь определить возможные потери мощности и опасные ограничения числа оборотов.
Это математическое упражнение было особенно важно при увеличении общего рабочего объема с помощью коленчатого вала с ходовым механизмом, потому что средняя скорость поршня будет увеличиваться по сравнению со стандартным ходом при тех же оборотах.Но что, если бы существовала другая динамика двигателя, которая могла бы дать строителям лучшее представление о долговечности поршневого узла?
На видео выше показаны два двигателя, один с коротким ходом коленчатого вала, а другой со значительно более длинным ходом.Обратите внимание, что оба поршня достигают верхней мертвой точки и нижней мертвой точки одновременно, но поршень в двигателе с более длинным ходом (слева) должен двигаться значительно быстрее.
«Вместо того, чтобы сосредотачиваться на средней скорости поршня, обратите внимание на влияние силы инерции на поршень», — предлагает Дэйв Фасснер, руководитель отдела исследований и разработок компании K1 Technologies.
Давайте сначала рассмотрим определение средней скорости поршня, также называемой средней скоростью поршня. Это эффективное расстояние, которое проходит поршень за заданную единицу времени, и для сравнения оно обычно выражается в футах в минуту (фут / мин).Стандартное математическое уравнение довольно простое:
Средняя скорость поршня (фут / мин) = (ход x 2 x об / мин) / 12
Есть более простая формула, но о математике позже. Скорость поршня постоянно изменяется, когда он перемещается от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) и обратно в ВМТ за один оборот коленчатого вала. В ВМТ и НМТ скорость составляет 0 футов в минуту, и в какой-то момент во время хода вниз и вверх он будет ускоряться до максимальной скорости, а затем замедлится и вернется к 0 футов в минуту.
Когда поршень движется от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, на короткое время он полностью останавливается. Это создает огромную нагрузку на булавки для запястий.
Показанные штифты Trend предлагаются с различной толщиной стенки, чтобы выдерживать необходимую нагрузку. Существуют формулы для расчета скорости поршня при каждом градусе вращения коленчатого вала, но обычно это гораздо больше информации, чем требуется большинству производителей двигателей. Традиционно они смотрят на среднюю или среднюю скорость поршня во время вращения кривошипа и, возможно, вычисляют максимальную скорость поршня.
Средняя скорость поршня — это общее расстояние, которое поршень проходит за один полный оборот коленчатого вала, умноженное на число оборотов двигателя. Очевидно, что скорость поршня увеличивается с увеличением числа оборотов в минуту, и скорость поршня также увеличивается с увеличением хода. Давайте посмотрим на небольшой пример.
Чтобы просмотреть все предложения K1 Technologies по коленчатому валу, щелкните ЗДЕСЬ
Шевроле с большим блоком и коленчатым валом с ходом 4000 дюймов, работающим при 6500 об / мин, имеет среднюю скорость поршня 4333 фут / мин.
Давайте еще раз рассмотрим формулу, использованную для расчета этого результата. Умножьте ход на 2, а затем умножьте это число на число оборотов в минуту. Это даст вам общее количество дюймов, которое поршень прошел за одну минуту. В данном случае формула: 4 (ход) x 2 x 6 500 (об / мин), что равно 52 000 дюймов. Чтобы прочитать это в футах в минуту, разделите на 12. Вот полная формула:
(4 x 2 x 6500) / 12 = 4333 фут / мин
Вы можете упростить формулу с помощью небольшого математического трюка. Разделите числитель и знаменатель в этом уравнении на 2, и вы получите тот же ответ.Другими словами, умножьте ход на число оборотов в минуту, а затем разделите на 6.
(4 x 6500) / 6 = 4333 фут / мин
С помощью этой более простой формулы мы вычислим среднюю скорость поршня при увеличении хода до 4 500 дюймов.
(4,5 x 6500) / 6 = 4875 футов в минуту
Как видите, средняя скорость поршня увеличилась почти на 13 процентов, хотя число оборотов в минуту не изменилось.
Опять же, это средняя скорость поршня за весь ход. Чтобы рассчитать максимальную скорость, которую поршень достигает во время хода, требуется немного больше расчетов, а также длина шатуна и угол наклона штока в зависимости от положения коленчатого вала. Существуют онлайн-калькуляторы, которые вычисляют точную скорость поршня при любом заданном вращении коленчатого вала, но вот основная формула, которую часто используют производители двигателей, не требующая длины штока:
Максимальная скорость поршня (фут / мин) = ((Ход x π) / 12) x об / мин
Давайте посчитаем максимальную скорость поршня для нашего строкера BBC:
((4.5 x 3,1416) / 12) x 6500 = 7658 футов в минуту
Преобразуя футы в минуту в мили в час (1 фут в минуту = 0,011364 миль в час), этот поршень разгоняется от 0 до 87 миль в час примерно за два дюйма, а затем и обратно до нуля в оставшемся пространстве цилиндра глубиной 4,5 дюйма.
Теперь представьте, что поршень BBC весит около 1,3 фунта, и вы можете получить представление об огромных силах, приложенных к коленчатому валу, шатуну и пальцу запястья — вот почему Фасснер предлагает посмотреть на силу инерции.
«Инерция — это свойство материи, заставляющее ее сопротивляться любому изменению в своем движении», — объясняет Фусснер.«Этот принцип физики особенно важен при разработке поршней для высокопроизводительных приложений».
При удлинении шатуна происходит более мягкий переход поршня при изменении направления. Более длинный шатун также уменьшает высоту сжатия поршня и может помочь снять вес с вращающегося узла.Сила инерции является функцией массы, умноженной на ускорение, и величина этих сил увеличивается как квадрат скорости двигателя.Другими словами, если вы удвоите частоту вращения двигателя с 3000 до 6000 об / мин, силы, действующие на поршень, не увеличатся — они увеличатся в четыре раза.
«Как только поршень движется вверх по цилиндру, он пытается продолжить движение», — напоминает Фусснер. «Его движение останавливается и немедленно прекращается только под действием шатуна и импульса коленчатого вала».
Из-за угловатости штока, на которую влияет длина шатуна и ход двигателя, поршень не достигает своей максимальной скорости движения вверх или вниз примерно до 76 градусов до и после ВМТ с точными положениями, зависящими от длины штока до точки. коэффициент хода », — говорит Фусснер.
Шатуны Stroker, такие как эта кованая деталь LS7 от K1 Technologies, являются отличным способом увеличения рабочего объема. Однако при увеличении хода поршень должен ускоряться на каждом обороте быстрее, чтобы покрыть большую рабочую площадь стенки цилиндра. Ищете коленчатый вал LS Stroker? Кликните сюда.«Это означает, что поршень имеет угол поворота кривошипа примерно на 152 градуса для перехода от максимальной скорости к нулю и обратно к максимальной скорости в течение верхней половины хода. А затем примерно 208 градусов, чтобы проделать ту же последовательность во время нижней половины гребка.Следовательно, восходящая сила инерции больше, чем нисходящая сила инерции ».
Если не брать в расчет шатун, есть формула для расчета первичной силы инерции:
0,0000142 x вес поршня (фунты) x об / мин2 x ход (дюймы) = сила инерции
Вес поршня включает кольца, палец и фиксаторы. Давайте рассмотрим простой пример одноцилиндрового двигателя с ходом 3.000 дюймов (такой же, как у Small-Block 283ci и 302ci Chevy) и 1.Поршень в сборе на 000 фунтов (453,5 грамма) при 6000 об / мин:
0,0000142 x 1 x 6000 x 6000 x 3 = 1534 фунта
С помощью некоторых дополнительных вычислений, использующих длину и ход штока, можно получить поправочный коэффициент для повышения точности результатов силы инерции.
Радиус кривошипа ÷ Длина стержня
«Из-за воздействия шатуна сила, необходимая для остановки и повторного запуска поршня, максимальна в ВМТ», — говорит Фусснер. «Эффект шатуна заключается в увеличении первичной силы в ВМТ и уменьшении первичной силы в НМТ на этот коэффициент R / L.”
В этом примере радиус равен половине хода коленчатого вала (1,5 дюйма), деленной на длину стержня 6 000 дюймов, что дает коэффициент 0,25 или 383 фунта (1,534 x 0,25 = 383). Этот коэффициент добавляется к исходной силе инерции для хода вверх и вычитается при движении вниз.
Оба кривошипа слева и справа находятся в одной и той же точке при каждом вращении. Однако поршню слева придется двигаться намного быстрее, чтобы достичь верхней мертвой точки одновременно с поршнем справа.«Таким образом, действительная восходящая сила в ВМТ становится 1917 фунтов, а фактическая направленная вниз сила в НМТ — 1151 фунт», — говорит Фасснер. «Эти силы изменяются прямо пропорционально весу поршневого узла и длине штока, а также пропорционально квадрату частоты вращения двигателя. Следовательно, эти цифры можно рассматривать как базовые, чтобы легко оценить силы, создаваемые в двигателе любого другого размера ».
Между прочим, средняя скорость поршня для этого 1-цилиндрового двигателя при 6000 об / мин составляет 3000 футов в минуту, а максимальная скорость поршня (с использованием нашей предыдущей формулы) составляет 4712 футов в минуту.
Что произойдет, если вы увеличите ход с 3.000 дюймов до 3.250 дюймов? Во-первых, средняя скорость поршня увеличивается до 3250 футов в минуту, а максимальная скорость поршня увеличивается до 5 105 футов в минуту. Затем основная сила увеличивается с 1534 фунта до 1661 фунта. Также есть изменение при добавлении нового коэффициента R / L 0,27 (1,625 ÷ 6.000). Фактическая восходящая сила в ВМТ становится 2 109 фунтов, а фактическая сила, направленная вниз в НМТ, становится 1213 фунтов.
«Если мы увеличим частоту вращения двигателя на 3.Ход от 250 дюймов до 7000 об / мин, при прочих равных условиях первичное усилие увеличивается до 2261 фунта », — говорит Фусснер. «Затем примените коэффициент R / L 0,27, и фактическая сила, направленная вниз, станет 1,651 фунта. Фактическая восходящая сила в ВМТ становится 2 871 фунт. Это почти полторы тонны! »
Теперь рассмотрим эффект более легкого поршня. При сохранении хода 3,20 дюйма и 7000 об / мин, но при использовании поршня, который весит 340 граммов (0,750 фунта), максимальное усилие снижается с 2871 фунта до 2154 фунта, или на 717 фунтов меньшего усилия.Эта же более легкая конфигурация поршня будет иметь усилие в 1238 фунтов, необходимое для остановки и перезапуска поршня при НМТ, что на 413 фунтов меньше.
«Таким образом, с каждым полным оборотом двигатель будет испытывать на 1130 фунтов меньше силы инерции с более легким поршневым узлом», — говорит Фусснер. «Это уменьшение силы инерции, конечно, будет применяться к каждому цилиндру в многоцилиндровом двигателе. Двигатель, работающий на 7000 об / мин, будет останавливаться и запускать каждый поршень 14000 раз в минуту ».
Когда поршень достигает верхней мертвой точки на такте выпуска, он не является подушкой сжатия, чтобы замедлить его.Вместо этого шатун принимает на себя всю тяжесть силы, действующей на его балку, и пытается отделить его крышку. Качественные шатуны имеют первостепенное значение для высокомощного двигателя с высокими оборотами. Ищете кованые шатуны? Кликните сюда!Средняя и максимальная частота вращения поршня по-прежнему являются ценными расчетами для любого производителя двигателей, который вносит изменения в проверенную формулу. Превышение средней скорости поршня 5000 футов в минуту должно привлечь ваше внимание и побудить к переосмыслению выбора деталей. Чрезмерная скорость поршня может привести к непостоянной смазке стенки цилиндра, а в некоторых ситуациях поршень действительно будет ускоряться быстрее, чем фронт пламени во время сгорания.В то время как первое может вызвать поломку деталей, второе приводит к потере мощности.
Поршни также должны быть максимально легкими без ущерба для необходимой прочности и долговечности. Силы инерции будут растягивать шатуны и сопротивляться ускорению коленчатого вала, что снова может привести к выходу из строя деталей и снижению мощности.
«Мы знаем, что обычная мера, используемая в течение многих лет для предположения, что зона опасности структурной целостности поршня в работающем двигателе — это средняя скорость поршня», — резюмирует Фасснер.«Как инструктор по прыжкам с парашютом сказал своему ученику, болит не скорость падения, а внезапная остановка. Так и с поршнями. Поэтому вместо того, чтобы сосредотачиваться только на средней скорости поршня, давайте решим также рассмотреть влияние силы инерции на поршень и то, что мы можем сделать, чтобы уменьшить эту силу. А если это невозможно, убедитесь, что компоненты достаточно прочны, чтобы выдержать поставленную нами задачу ».
«Хотя увеличение длины штока смягчит инерционную нагрузку за счет изменения вышеупомянутого отношения R / L, оно не снизит среднюю скорость поршня, потому что до тех пор, пока не будет изменен ход», — продолжает Фусснер.«Поршень должен пройти одинаковое расстояние за один оборот коленчатого вала, независимо от длины штока. Скорость — это расстояние, пройденное за единицу времени ».
Последнее замечание о скорости поршня — 2,500 футов в минуту считалось верхним пределом скорости поршня не так давно. Важно учитывать, что средняя скорость поршня также используется в качестве ориентира для рассмотрения других компонентов двигателя, таких как шатуны и коленчатые валы. На заре создания горячих родов у большинства двигателей были чугунные кривошипы и шатуны, а также литые алюминиевые поршни, которые не так прочны, как детали двигателей сегодня.
«Таким образом, увеличение прочности этих деталей позволило более чем вдвое увеличить безопасную среднюю скорость поршня до 5000 футов в минуту и более», — говорит Фасснер. «Другой фактор — это использование. Будет ли двигатель работать в течение длительного времени с высокой скоростью поршня или для быстрого прохождения по тормозной полосе? Уменьшение времени выдержки при высоких скоростях поршня увеличивает надежность. Прочные и легкие компоненты смогут выдерживать более высокие скорости поршней, чем тяжелые компоненты с меньшей прочностью ».
Общие сведения о длине штока, высоте сжатия поршня и ходе коленчатого вала
Внутри двигателя находится непостоянная экосистема, в которой каждый компонент напрямую влияет на другой.Длина штока, ход коленчатого вала и высота сжатия поршня — это три переменные, которые являются ключевыми для выбора идеального вращающегося узла. Вот более подробное описание их определения и эффектов.
Взаимосвязь между длиной шатуна, высотой сжатия поршня и степенью сжатия часто понимается неправильно, в основном из-за неправильного использования термина «сжатие». Честно говоря, это, вероятно, вообще не должно применяться к терминологии поршня, за исключением того, что касается объема поверхности днища поршня.Сжатие — это термин, связанный с объемом, который относится к степени сжатия. Это не имеет никакого отношения к механическому звену, создаваемому определенным ходом коленчатого вала и межцентровым расстоянием шатуна, или положением штифта, которое сводит головку поршня по существу к верхнему краю отверстия. Если вы изучите прилагаемую диаграмму, вы заметите, что существует четыре основных размера, определяющих соотношение кривошипа, штока и поршня.Мы часто говорим, что двигатель имеет определенную степень сжатия, например, сжатие 10: 1.Но это не подходящее использование, когда речь идет о механическом взаимодействии хода кривошипа и длины штока. Высота штифта является предпочтительным термином, и вы можете увидеть соотношение на иллюстрации выше. При фиксированной длине хода изменение длины штока влияет на две вещи, ни одна из которых не является степенью сжатия. Он определяет требуемую высоту пальца для приведения головки поршня вровень с декой блока в ВМТ. Это также влияет на скорость приближения и отхода поршня относительно ВМТ и в некоторой степени на время пребывания поршня в ВМТ.
Основные размеры двигателя
- Высота настила блока
- Длина хода
- Длина от центра до центра стержня
- Высота пальца
Ход кривошипа, шатун и поршень должны входить в размер блока по высоте так, чтобы поршневая дека почти на одном уровне с поверхностью деки в ВМТ. Поскольку ход кривошипа вращается вокруг своего собственного центра на основном подшипнике, вы можете видеть, что только половина длины хода используется, когда поршень находится в ВМТ.Остальное расстояние занимает длина штока и высота пальца поршня. Итак, окончательный размер поршневого узла рассчитывается как:
½ длины хода + длина стержня + высота штифта
Поскольку высота блока фиксирована в узком окне, доступном для фрезерования палубы, комбинация длины хода, длины штока и высоты штифта должна составлять ту же высоту с небольшим допуском для требуемой высоты платформы и зазора между поршнем и головкой цилиндров, который также включает толщина прокладки.Обычной практикой в кругах перформанса является обнуление блока. Это означает, что комбинация половины длины хода плюс длины штанги и высоты штифта равняется фиксированной высоте деки блока. Плоская часть верхней части поршня находится в точном соответствии с поверхностью деки блока. Это вынуждает производителя выбирать соответствующую толщину сжатой прокладки для регулирования зазора между поршнем и головкой. Неудивительно, что большинство рабочих прокладок головки в сжатом состоянии имеют толщину от 0,039 до 0,042 дюйма. Общепринятый минимальный зазор между поршнем и головкой со стальными шатунами составляет.035 дюймов.
Более длинные штоки неизменно поднимают положение пальца выше в поршне, где он пересекает канавку масляного кольца. Производители поршней, такие как Diamond, предлагают простое решение с опорной планкой маслосъемного кольца. Опорные направляющие отлично справляются со своей задачей и позволяют использовать поршни очень малой высоты.Длина хода почти всегда выбирается первой, поскольку она связана с сочетанием диаметра отверстия и хода для желаемого смещения. Длину штанги обычно указывают далее в зависимости от области применения.Теории по этому поводу широко обсуждаются и часто противоречат друг другу, но, как правило, обычно выбираются более короткие штоки, чтобы добиться более быстрого отклонения от ВМТ, когда поршень начинает движение по каналу. Это быстрее открывает большее пространство для наполнения цилиндра, так что высокоскоростная система впуска может быстрее начать заполнять цилиндр. Он часто используется для улучшения отклика дроссельной заслонки в приложениях, которые часто регулируются.
Поршни с более короткими штоками быстрее прибывают в ВМТ и не задерживаются надолго до того, как быстро уйдут.Поршень быстрее достигает максимальной скорости и при меньшем угле поворота коленчатого вала, что снижает воздействие объема цилиндра в точке максимального перепада давления. Для обеспечения оптимальной эффективности в этих условиях требуется соответствующая синхронизация впускных клапанов. Поскольку поршень быстрее достигает максимальной скорости, впускной клапан можно открыть раньше, чтобы воспользоваться преимуществом разницы давлений в цилиндре. В этот момент открывается меньший общий объем цилиндра, но раннее начало потока будет вытеснять поршень по каналу, поскольку объемное воздействие быстро увеличивается.Это обычно называют более сильным натягиванием поршня на заряд из-за его повышенного ускорения.
Более длинные штоки могут улучшить коэффициент хода штока, уменьшая осевую нагрузку на поршень. Распространенное заблуждение состоит в том, что длина стержня влияет на смещение, а это не так. Только диаметр цилиндра и ход коленчатого вала изменяют рабочий объем двигателя.Во многих гоночных двигателях используются более длинные шатуны, чтобы уменьшить вес поршня, что положительно сказывается на форме кривой крутящего момента, ее расположении и эффективности сгорания.Для более длинных штоков обычно требуются более короткие и легкие поршни. Это подталкивает кольцевой пакет к поршню выше. При использовании без наддува строители ценят это, потому что им нравится перемещать кольцевой пакет вверх, чтобы облегчить возвратно-поступательный узел, улучшить стабильность поршня и минимизировать несгоревшие газы в щели над верхним кольцом. Однако более длинные стержни в приложениях с наддувом могут быть проблематичными, потому что приложения с наддувом должны перемещать кольцевой пакет вниз по поршню, чтобы перемещать его подальше от чрезмерного нагрева.Более длинные штоки затрудняют выполнение этого, поскольку отверстие под штифт пересекает канавку масляного кольца. Во многих случаях для применений с наддувом может быть указан более короткий стержень, поскольку давление наддува снижает потребность в критических отношениях настройки стержня / хода, необходимых для эффективной работы без наддува.
Фактически, шатуны обеспечивают дополнительный элемент настройки в двигателе для соревнований. Поскольку длина штока (от центра к центру) изменяется, она влияет на движение поршня, так что его можно использовать в качестве инструмента настройки.Влияя на ускорение и скорость поршня, он определяет скорость, с которой создается разница между атмосферным давлением (над карбюратором) и давлением в цилиндре во время такта впуска. Соответственно, это влияет на основные составляющие уравнения VE, то есть поперечные сечения впускного и выпускного трактов, синхронизацию клапана и оптимальную точку зажигания.
Этот размер блока от центральной линии главного отверстия определяет окончательную длину пакета кривошипа, штока и поршня в сборе.Это включает длину стержня, половину длины хода и высоту штифта. Длину стержня и высоту штифта можно изменять в зависимости от применения, но окончательный размер всегда определяется высотой блока.Более быстрое воздействие атмосферного давления улучшает наполнение цилиндра, и, таким образом, VE обеспечила размеры впускного тракта и синхронизацию клапанов надлежащего размера и синхронизации. Важно понимать, что и ускорение, и скорость поршня равны нулю в ВМТ и НМТ.Во всех промежуточных точках ускорение и скорость определяются длиной штанги. Для любой заданной длины штока поршень достигает максимальной скорости в точной точке хода относительно угла поворота кривошипа, когда ось штока находится под углом 90 ° к ходу кривошипа (обычно около 70-75 ° угла поворота кривошипа). Эта точка представляет собой самую высокую степень воздействия падения давления в цилиндре и тесно связана с синхронизацией впускных клапанов для оптимального наполнения цилиндра.
После выбора длины стержня у вас есть две части уравнения.Поскольку длина и ход штока теперь фиксированы, оставшейся переменной является высота штифта. Чтобы найти необходимую высоту штифта, сложите длину стержня и половину хода и вычтите результат из высоты настила блока. Блоки, которые не были декорированы, обычно обеспечивают коэффициент выдавливания около 0,020 дюйма. Это часто удаляется, когда блок равен нулю, чтобы соответствовать днищу поршня. На этом этапе производитель может оценить доступное пространство для пакета колец и определить, влияет ли более длинный стержень на расположение кольца.
Хотя эти поршни выглядят почти одинаково, поршень слева разработан для более длинного штока (или хода). Это очевидно из-за меньшей высоты сжатия, т.е. штифт запястья обрабатывается ближе к коронке.Обратите внимание, что это не влияет на степень сжатия. Головка поршня все еще останавливается на поверхности деки блока, поэтому пространство сгорания (объем) над ней остается неизменным, если вы не измените толщину прокладки головки. Степень сжатия можно изменить только путем увеличения или уменьшения объема пространства сгорания над поршнем в ВМТ.И поскольку отношения механически фиксированы, на степень динамического сжатия может влиять только синхронизация кулачка.
Вы можете использовать калькулятор на веб-сайте Diamond, чтобы перебрать все эти цифры и определить лучшую комбинацию для вашего приложения. Заказывая поршни, технический представитель также может помочь вам найти лучшую комбинацию. Техник также может помочь вам с размещением пакета колец, чтобы избежать проблем с предохранительными клапанами. Есть несколько способов упаковать эти компоненты в зависимости от требований вашего приложения, и технические специалисты будут держать вас в необходимых пределах, чтобы защитить ваши инвестиции.
Влияние длины шатуна в двигателях Stroker
Все мы слышали поговорку «замене вытеснению нет». Чем больше воздуха может вытеснить двигатель, тем больше топлива он может сжечь. Каждый раз, когда вы можете добавить больше топлива, вы обязательно получите больше мощности. Это причина того, что турбины и закись азота так популярны. Оба нагнетают больше кислорода в камеру сгорания, позволяя сжечь дополнительное топливо. То же самое верно и для смещения.
Есть три способа увеличить рабочий объем двигателя: увеличить количество цилиндров, увеличить диаметр цилиндров или увеличить ход коленчатого вала.Первый выбор требует совершенно другого блока двигателя, поэтому в этой статье выбор сужается до диаметра и хода. Увеличить диаметр отверстия очень просто, и это наиболее распространенная практика. Однако увеличение диаметра отверстия обычно ограничивается менее чем одной сотой тысячных дюйма (0,100) из-за толщины стенок цилиндра на базовом блоке. Блоки послепродажного обслуживания или установка гильз цилиндров позволяют увеличить размер, но, опять же, это требует другого блока или серьезной механической работы.
В двигателяхStroker могут использоваться шатуны разной длины, а некоторые имеют специальные зазоры. Направляющие масляного поддона и отверстия цилиндров также в большинстве случаев требуют очистки.
Ход двигателя, с другой стороны, обычно может быть увеличен на пятьсот тысячных (1/2 дюйма) или более в некоторых стандартных блоках. Результат — большое увеличение рабочего объема на кубический дюйм. Использование блока вторичного рынка может дать еще больший прирост, и, конечно же, всегда есть ограничения и другие вещи, которые следует учитывать.Производитель двигателя должен учитывать все факторы при проектировании двигателя для конкретного применения. Можно написать главы, охватывающие все эти факторы, но в этой статье основное внимание будет уделено физическим (размерным) и динамическим (эксплуатационным) свойствам, связанным с выбором длины шатуна для двигателя. Мы поговорили с Томом Либом из Scat Enterprises, Трипом Мэнли из Manley Performance и Кирком Питерсом из Lunati, чтобы узнать их мнение о влиянии характеристик двигателя на длину шатуна.Следует отметить, что эти концепции основаны на разной длине стержня при одном и том же ходе (сравнение 5,7-дюймового стержня с 6,0-дюймовым стержнем у Chevy 383 ci), не обязательно длины стержня в целом (сравнение длины стержня у 383-дюймового гребешка). ci малого блока к длине стержня в большом блоке 632 ci), если не указано иное.
Высота поворотного узла
Когда вы увеличиваете ход коленчатого вала, каждая шейка будет вращаться на больший диаметр. Думайте о ходе коленчатого вала как о круге.Центры коренных шеек коленчатого вала представляют собой центр окружности. Центры шейки шатуна представляют собой внешнюю сторону круга. При вращении коленчатого вала (круговое движение) шейка штока движется по окружности, диаметр которой равен ходу.
Когда данный цилиндр находится в верхней мертвой точке (ВМТ), шейка штока находится непосредственно выше нуля градусов вращения в центре окружности. В нижней мертвой точке (BDC) она находится на 180 градусов непосредственно ниже центра.Хотя большой конец шатуна (соединенный с коленчатым валом) совершает круговое движение, меньший конец (соединенный с поршнем) движется возвратно-поступательным движением (вверх и вниз). Шатун преобразует вращение коленчатого вала в возвратно-поступательное движение поршня. Полное перемещение поршня из ВМТ в НМТ равно ходу.
Коленчатый вал, шатун и поршень составляют вращающийся узел. Высота сжатия поршня, длина шатуна и половина хода равны высоте деки в двигателе с нулевой декой.
Высота узла вращения равна половине хода плюс длина шатуна плюс высота сжатия поршня. Цель состоит в том, чтобы достичь высоты вращающегося узла, которая обеспечит требуемый объем или зазор деки для конкретного применения. Объем или зазор деки определяется путем нахождения разницы между высотой вращающегося узла и высотой деки. Высота деки измеряется от центра отверстий главного журнала до верха деки блока. Двигатель, у которого высота вращающегося узла и высота платформы равны, считается двигателем нулевого уровня.
Для конкретного тактового двигателя может быть несколько комбинаций длины шатуна и высоты сжатия поршня. Для длинного штока потребуется поршень с короткой высотой сжатия (расстояние от центра пальца кисти до верхней части днища поршня), а для короткого штока потребуется большая высота сжатия для достижения такой же высоты сборки. Прежде чем выбрать комбинацию штока и поршня, которую вы будете использовать, необходимо учесть несколько факторов.
Баланс двигателя
После определения желаемой монтажной высоты выбираются длина штока и высота сжатия поршня.Короткий шток потребует поршня большей высоты сжатия, чем длинный шток, и наоборот. Следует учитывать вес компонентов. Поршень с большей высотой сжатия также будет весить больше, чем поршень с меньшей высотой сжатия для того же применения. Более тяжелый поршень требует, чтобы коленчатый вал имел более тяжелые противовесы, чтобы компенсировать дополнительный возвратно-поступательный вес поршня. Это может даже потребовать добавления дополнительного веса снаружи к гармоническому балансиру и маховику.В этом случае двигатель считается внешне сбалансированным.
Любой дополнительный вес, возникающий при использовании более длинного шатуна, меньше влияет на противовес, поскольку шатун совершает возвратно-поступательное движение и вращается. Возвратно-поступательный груз требует для компенсации большего веса, чем вращающийся груз. Разница в весе шатуна делится на вращательную и возвратно-поступательную, в то время как разница в весе поршня применяется только к возвратно-поступательному весу. Использование более легкого поршня позволит использовать более легкие противовесы коленчатого вала и может не потребовать внешнего добавления дополнительного веса.В этом случае вращающийся узел считается внутренне сбалансированным.
Lieb утверждает, что во многих случаях длина шатуна определяется тем, ищет ли производитель двигателя двигатель с внутренней или внешней балансировкой.
Вес вращающихся и совершающих возвратно-поступательное движение частей определяет необходимое количество противовеса.
Конструкция и устойчивость поршня
Говоря о высоте сжатия поршня, следует отметить, что большая высота сжатия дает больше места между верхней частью днища поршня и пакетом колец.Мэнли заявляет: «Сегодня все производительные двигатели — это сумматоры мощности. Для толпы тюнеров это толчок, а для дрэг-рейсеров — большие блоки по закиси азота. При использовании короткого штока поршневой палец опускается ниже на поршне, создавая лучший пакет колец для наддува ». Кроме того, большая высота сжатия может увеличить толщину материала на платформе поршня, что обеспечивает повышенную прочность для более высоких давлений в цилиндрах, создаваемых сумматорами мощности.
Слева: обратите внимание, что более высокая высота сжатия поршня справа позволяет смещать пакет колец дальше вниз от верхней части поршня.Справа: вид юбки поршня, выступающей из нижней части отверстия возле НМТ.
Также следует учитывать устойчивость поршня. Более длинный шатун будет удерживать поршень выше в отверстии цилиндра, когда он находится в НМТ для данного хода. Маленький конец штока, который соединен с поршневым пальцем, расположен дальше по отверстию цилиндра с длинным штоком по сравнению с коротким штоком. Следовательно, поршень также перемещается вверх по отношению к нижней части цилиндра, увеличивая расстояние от центра пальца до нижней части стенки цилиндра.
Это важно, если юбка поршня выходит из нижней части отверстия в точке НМТ. Чем дальше юбка поршня выходит из отверстия, тем больше становится проблемой поршневой рок. Поршневой рок в конечном итоге приводит к потере кольцевого уплотнения. Юбка поршня, контактирующая со стенкой цилиндра, ограничивает качательное движение поршня. Увеличение расстояния от поршневого пальца до нижней части цилиндра улучшает стабильность поршня в двигателе, где юбка поршня выступает из цилиндра в НМТ.
Угол стержня
Когда коленчатый вал вращает большой конец шатуна, малый конец перемещается вверх и вниз.Это создает угол между стенкой цилиндра и шатуном. Сила угла определяется отношением длины штанги к ходу (коэффициент штанги). Соотношение штанги определяется делением длины штанги на ход.
Общие формулы для построения двигателей Stroker
Несколько формул, которые вам нужно знать при сборке строкера:
- Рабочий объем в кубических дюймах = Диаметр цилиндра x Диаметр цилиндра x Ход поршня x Число цилиндров x 0,7854
- Монтажная высота = (ход / 2) Длина штока Высота сжатия поршня
- Передаточное число стержня = длина стержня / ход
- Средняя скорость поршня (футов в секунду) = (2 x ход x об / мин / 60) / 12
Все три производителя удилищ, с которыми мы консультировались, имели немного разные взгляды на соотношение удилищ.
По словам Либа, «любой угол, не превышающий 20, 21, 22 градуса, не является событием. Если вы посмотрите на двигатель спринтерского автомобиля Chevy объемом 410 куб. См с 6-дюймовым стержнем, то угол будет довольно серьезным, и эти двигатели работают довольно хорошо ».
Передаточное отношение штанги малого блока 410 ci при использовании 6-дюймовой штанги будет в диапазоне от 1,5 до 1,6, в зависимости от сочетания диаметра отверстия и хода, используемого для достижения 410 кубических дюймов. Максимальный угол наклона удилищ при соотношении удилищ 1,5 составляет чуть менее 19,5 градусов, и это относится к категории непригодных для соревнований по Либу.Он добавляет: «Когда вы занимаетесь большими блоками с ходом 4,750 дюйма, то сталкиваетесь с некоторыми проблемами».
Мэнли указал на большой диапазон передаточных чисел от 1,87 в двигателе Nissan GTR до менее 1,5 у некоторых двигателей с большим блоком. «Передаточное число не так важно, как другие факторы», — заявил Мэнли, имея в виду перемещение кольца вниз с помощью короткого стержня для двигателей с наддувом.
Петерс предлагает использовать «Как можно большее передаточное число», ссылаясь на меньшую угловатость штока, меньший возвратно-поступательный вес из-за более короткого поршня по высоте сжатия (помните, что, хотя длинный шток будет весить больше, разница не столь значительна, потому что он разделен. между вращающейся и совершающей возвратно-поступательное движение массой), а в качестве преимуществ — уменьшенное количество камней в поршне.
Длина и передаточное число стержня также влияют на один из наиболее важных аспектов работы двигателя ходового механизма — скорость поршня.
Скорость поршня
Часто встречаются формулы и калькуляторы, которые определяют среднюю скорость поршня. Это просто средняя скорость поршня для данного хода при заданных оборотах в минуту. Средняя скорость поршня всегда будет одинаковой для данного хода, независимо от длины шатуна. С другой стороны, пиковая скорость поршня зависит от длины штока.
Скорость поршня равна нулю в ВМТ и увеличивается по мере ускорения в направлении НМТ. Скорость достигает пика на определенном уровне после ВМТ (ATDC), а затем замедляется обратно до нуля в BDC. Поршень ускоряется на обратном пути к ВМТ, достигая максимальной скорости с той же определенной степенью перед ВМТ (ВМТ).Пиковая скорость поршня (при заданных оборотах в минуту) определяется фактической длиной и ходом штока, в то время как степень вращения, при которой это происходит, определяется соотношением штока.[Изменение производительности] не имеет ничего общего с длиной штока, по сути, это связано с соотношением поршня, когда клапаны открываются или закрываются. — Том Либ, Scat Enterprises, Inc.
Распространенная ошибка, относящаяся к пиковой скорости поршня, заключается в предположении, что она возникает при повороте на 90 градусов, что неверно. Пиковая скорость на самом деле возникает где-то около 70-75 градусов до ВМТ и ВМТ (в зависимости от соотношения штоков) из-за угла штока, влияющего на скорость и положение поршня. Пиковая скорость поршня выше с коротким штоком по сравнению с длинным штоком (ход такой же), потому что более короткий шток создает больший угол.
Как упоминалось ранее, передаточное число штоков определяет, в какой степени происходит пиковая скорость вращения. По мере уменьшения передаточного числа стержня (более короткий стержень) количество градусов до и после ВМТ, при которых возникает пиковая скорость, также уменьшается (другими словами, пиковая скорость возникает ближе к ВМТ). Это также означает, что поршень начинает быстрее замедляться при вращении с более коротким штоком. Следовательно, скорость поршня меньше с коротким штоком в нижней половине хода (через НМТ), чем (см. График, предоставленный Prestige Motorsports).
кулачков распределительного вала были нанесены с помощью шкалы градуса и индикатора часового типа. Этот график от Prestige Motorsports показывает скорость поршня в зависимости от состояния распределительного вала. Обратите внимание, что крутизна скорости поршня (скорость ускорения) до и после ВМТ более крутая, чем НМТ. Пики также расположены ближе друг к другу по обе стороны от ВМТ. Короткая штанга увеличит пиковую скорость, а меньшее передаточное отношение штанги приведет к приближению пика к ВМТ. Скорость поршня выше в ВМТ и ниже в НМТ с коротким штоком по сравнению с длинным штоком, используемым с тем же ходом.
Значимость влияния длины штока на скорость поршня в конечном итоге зависит от скорости поршня по отношению к событиям клапана. «Длина штока и ход коленчатого вала определяют скорость поршня», — говорит Либ. «[Изменение производительности] не имеет ничего общего с длиной штока, по сути, это связано с положением поршня, когда клапаны открываются или закрываются».
Это относится как к положению поршня, так и к скорости. Наибольшая разница в положении поршня будет возникать при наибольшем угле штока, или 90 градусов до и после ВМТ. Короткий шток в этой точке опускает верхнюю часть поршня дальше по отверстию по сравнению с длинным штоком при том же ходе (из-за того, что угол короткого штока больше). Разница в положении оказывает наибольшее влияние на открытие выпускного клапана и закрытие впускного клапана. Открытие впускного отверстия и закрытие выпускного отверстия происходит около ВМТ, где положение поршня отличается всего на несколько тысячных дюйма или меньше (поскольку разница в угле штанги между коротким и длинным штоком в этой точке вращения минимальна. ).В современном двигателестроении можно использовать более короткий стержень, когда производитель двигателя хочет улучшить эффект продувки при более низких оборотах.- Кирк Петерс, Лунати
«В сегодняшнем двигателестроении можно использовать более короткий стержень, если производитель двигателя хочет улучшить эффект продувки при более низких оборотах», — заявил Петерс.
Это верно, потому что скорость поршня имеет большее влияние, чем положение поршня во время перекрытия. Скорость поршня близка к максимальной, когда перекрытие начинается до ВМТ. Короткая штанга будет переносить большую скорость от пика обратно к ВМТ и снова к пику (другими словами, между пиками меньше углов поворота). Следовательно, длина штока может существенно повлиять на эффект продувки из-за ее влияния на скорость поршня.Короткий шток увеличивает скорость поршня во время перекрытия, позволяя получить выгоду от продувки при более низких оборотах, чем длинный шток.
График открытия впускных лепестков распредвала также следует вправо вместе с ускорением поршня. Короткий шток обеспечивает большую скорость поршня со стороны открытия, но меньшую скорость со стороны закрытия. Выходной патрубок, с другой стороны, открывается и закрывается на стороне вращения НМТ, где короткий шток обеспечивает более низкие скорости поршня. Следовательно, длинный шток увеличит скорость поршня во время выхлопа.
Заключение
ДвигателиStroker обеспечивают значительное увеличение рабочего объема. Хотя увеличение рабочего объема само по себе обеспечит дополнительную мощность, существует множество факторов, которые необходимо учитывать, чтобы получить максимальную отдачу от увеличенного хода. Длина шатуна — это один из аспектов, который следует учитывать при проектировании поршневого двигателя.
Длина штанги изменяет как физические, так и динамические свойства двигателя. Такие факторы, как высота сборки, балансировка двигателя, расположение поршневого кольца и длина цилиндра, являются физическими характеристиками, которые необходимо учитывать, в то время как угол штока и скорость поршня являются динамическими характеристиками, на которые влияет длина штока.Динамические характеристики изменят характеристики двигателя в зависимости от их отношения к изменениям положения распределительного вала.
Как производитель двигателей, важно принимать во внимание все аспекты и понимать, как один компонент повлияет на общую комбинацию. Сама по себе длина штанги не может быть обобщена как обеспечивающая определенное изменение для каждого двигателя. Скорее, любое изменение характеристик двигателя связано с ролью длины стержня в изменении динамических свойств всей комбинации.
Поршни и шатуны двигателя
Поршень действует как подвижная заглушка в цилиндре, образуя нижнюю часть камеры сгорания.Между поршнем и стенкой цилиндра имеется газонепроницаемое уплотнение, поэтому единственный способ расширения горячих газов сгорания — это прижать поршень вниз. То же самое и с пушечным ядром, но вместо того, чтобы улететь на чей-то любимый пиратский корабль, вращающийся коленчатый вал толкает поршень вверх по цилиндру, и цикл повторяется.
Более 60% трения внутри двигателя происходит за счет движения поршневого узла, и поэтому это основная область для повышения эффективности двигателей.Поршень все еще находится в стадии разработки и исследований, что мы вскоре увидим более подробно.
Огромные силы создаются при изменении направления поршня при его движении вверх и вниз. Более легкий поршневой узел имеет меньший импульс, таким образом прикладывая меньшее усилие и позволяя двигателям с более высокими оборотами. Это означает, что происходит постоянный толчок для уменьшения веса шатуна и поршня.
Поршень соединен с коленчатым валом через шатун , часто сокращается до стержень или же шатун .Эти части вместе известны как поршень в сборе . Оба конца шатуна могут поворачиваться: часть шатуна, которая соединяется с поршнем, называется малый конец , а конец, который крепится вокруг коленчатого вала, называется большой конец . Большой конец будет иметь вкладыши подшипники которые минимизируют трение и поддерживают точный масляный зазор с шейкой штока на коленчатом валу. Шатун разделен на две части — с крышка стержня используется для зажима вокруг подшипника шатуна и коленчатого вала.
Компоненты поршневого узла
Поршень
Вся мощность в двигателе достигается за счет силы, воздействующей на верхнюю часть поршня. Эта сила определяется как площадь поршня, умноженная на давление газа. Более крупные поршни и более высокое давление газа обеспечат большую мощность. В целом размер поршня ограничен конструкцией двигателя, но поршень действительно играет жизненно важную роль в поддержании высокого давления газа, создавая газонепроницаемое уплотнение со стенкой цилиндра.
Верхняя поверхность поршня называется кроны (также голова или же купол ). В серийных двигателях корона бывает различной формы, но обычно она бывает плоской, выпуклой или выпуклой.
[Различные формы коронки]
Практически все современные поршни включают предохранительный клапан которые обеспечивают зазор вокруг клапанов в верхней части хода поршня.
Заводная головка, находящаяся в непосредственном контакте с горячими дымовыми газами, сильно нагревается.Именно эта область расширяется больше всего, поэтому будет небольшой конус внутрь от нижней части поршня, чтобы обеспечить больший зазор вокруг этой верхней площадки между головкой и верхним поршневым кольцом.
Хотя нам требуется газонепроницаемое уплотнение, нам также необходимо, чтобы поршень плавно перемещался по цилиндру с минимальным трением, поэтому поршню необходимо некоторое зазор . У обычного поршня зазор между ним и стенкой цилиндра составляет 0,1 мм (0,004 дюйма) — это примерно ширина человеческого волоса.Чтобы сохранить этот зазор, поршень должен быть точно обработан, а сплав, из которого он сделан, будет точно определен с учетом теплового расширения.
Небольшой зазор между поршнем и стенкой цилиндра перекрывается за счет кольца поршневые , которые входят в канавки на поршне в области, известной как ремень поршневой . Пространства между этими канавками называются кольцо приземляется .
Поршень прикреплен к шатуну с помощью короткой полой трубки, называемой Булавка на запястье , или же палец поршневой .Эта булавка для запястья несет полную силу сгорания.
На поршень при сгорании действуют не только вертикальные силы, но и боковые силы, вызванные постоянно изменяющимся углом шатуна. Из-за этих боковых сил поршню требуются гладкие поверхности, чтобы он мог прилегать к стенке цилиндра и удерживать поршень в вертикальном положении. Боковые поверхности поршня известны как Юбка поршня .
[Пышная юбка и юбка-тапочка]
Есть два типа юбок.Самый простой — это широкая юбка или сплошная юбка, представляющая собой классический поршень трубчатой формы. Эта конструкция до сих пор используется на грузовиках и больших коммерческих двигателях, но уже давно заменена на автомобили и мотоциклы более легкой конструкцией, известной как тапочек поршневой .
У скользящего поршня часть юбки срезана, остались только поверхности, которые опираются на переднюю и заднюю часть стенки цилиндра. Такое удаление сводит к минимуму вес и уменьшает площадь контакта между поршнем и стенкой цилиндра, тем самым уменьшая трение.
Современные производственные двигатели дополнительно уменьшают трение между поршнем и стенкой цилиндра за счет использования Покрытия поршней с низким коэффициентом трения , как тефлон в сковороде с антипригарным покрытием. Эти покрытия обычно наносятся трафаретной печатью в виде заплатки на юбки поршней — например, на изображенном на рисунке покрытии на основе графита двигателя Ford Fiesta Ecoboost.
[Поршень Ford]
Когда поршень опускается на ходу сгорания, он будет оказывать боковую силу в направлении, противоположном наклонному шатуну.Направление цилиндра, на которое действует эта сила, известно как сторона осевого напора, и поршень и стенка цилиндра будут подвергаться большему износу в этой области.
[Схема тяги]
Поршень становится невероятно горячим, и ему необходимо эффективно отводить это тепло. Тепло от поршня идет в три места: в виде лучистого тепла в камеру сгорания, в стенки цилиндра через поршневые кольца и вниз по шатуну. Кроме того, во многих двигателях поршень охлаждается с помощью масла, распыляемого на нижнюю часть.
Поршневые кольца
Поршневые кольца плотно прилегают к поршню, перекрывая небольшой зазор между поршнем и стенкой цилиндра. Обычно на поршне имеется три поршневых кольца, выполняющих разные функции.
Компрессионные кольца
Два верхних кольца называются кольца компрессионные (также известен как кольца нажимные или же кольца газовые ) и их основная роль заключается в предотвращении проникновения газов через небольшой зазор между поршнем и стенкой цилиндра.Этот проход газа через поршень в картер известен как минет и должны быть минимизированы для сохранения сжатия.
Компрессионные кольца обычно изготавливаются из твердого чугуна и оказывают внешнее давление на стенку цилиндра. Это внешнее давление возникает из-за естественной упругости колец, но дополняется на такте сгорания давлением газа за кольцами, которое более плотно прижимает их к стенке цилиндра.
[Давление газа за компрессионными кольцами]
Важно отметить, что компрессионные кольца не оказывают бокового давления на поршень и не действуют для него как направляющие.Канавка в поршне будет глубже, чем ширина поршневого кольца, что позволит кольцу скользить по масляной пленке.
Компрессионные кольца также передают тепло от поршня к стенке цилиндра, где оно рассеивается в охлаждающей жидкости, протекающей через водяные рубашки.
Эти кольца сломаны с небольшим зазором, который позволяет устанавливать и снимать их поверх поршня. Ширина этого зазор поршневого кольца указывается производителем, и его можно измерить, поместив кольцо внутрь цилиндра и измерив зазор с помощью щупа.На этом рисунке зазоры сильно преувеличены, на самом деле они будут очень тонкими — 0,2 мм или меньше.
Кольца контроля масла
Кольцо нижнее на поршне масло регулировочное кольцо . Масло постоянно разбрызгивается на стенки цилиндров либо из отверстий в шатунах, либо из форсунок, установленных в картере. Для минимального трения нам нужна тонкая масляная пленка, а функция маслосъемного кольца заключается в том, чтобы удалить излишки масла и оставить идеальную масляную пленку для скольжения компрессионных колец и юбки поршня.
Мы определенно не хотим, чтобы масло в камере сгорания: его присутствие может вызвать плохое сгорание, высокие выбросы, чрезмерное накопление углерода на клапанах и поршнях и синий дым — все это плохие новости для плавного двигателя.
Маслосъемное кольцо обычно состоит из двух тонких хромированных скребковых колец с проставкой, зажатой между ними для удаления масла. Он разработан, чтобы скользить по маслу при движении вверх и соскребать его при движении вниз. Это называется сегментированным дизайном.В канавке для контроля масла будут просверлены отверстия, чтобы излишки масла могли легко стекать обратно в картер.
Установка новых поршневых колец
Область стенки цилиндра над верхним компрессионным кольцом не охвачена кольцами, что снижает износ. Это может вызвать образование гребня в течение всего срока службы двигателя. Если новые кольца устанавливаются на цилиндр, который не подвергался повторной расточке, тогда может потребоваться кольцо с удаленной выемкой, известное как гребневик, чтобы гарантировать, что новое кольцо не соприкасается с этим гребнем материала.
[Схема смещений колец]
При установке новых колец зазоры должны быть смещены и никогда не должны находиться на одной линии друг с другом, чтобы предотвратить прямой путь для выхода газов.
Булавка на запястье
Поршень прикреплен к шатуну через полую трубку из закаленной стали, известную как Булавка на запястье или же палец поршневой . Этот штифт проходит через маленький конец шатуна и позволяет ему поворачиваться на поршне.
Есть два метода закрепления булавки на запястье. А полуплавающий В конструкции штифт закреплен в шатуне, при этом он может свободно вращаться в отверстиях поршня. А полностью плавающий штифт запястья будет свободно вращаться как в малом конце, так и в поршне, и будет зафиксирован на месте с помощью стопорных колец или тефлоновых кнопок на концах штифта. Для полностью плавающей булавки на запястье будет заменяемая втулка внутри малого торцевого отверстия.
Штифт кисти может быть немного смещен в сторону, а не точно по центру поршня.Это известно как штифт смещенный и используется для уменьшения поперечного перемещения поршня внутри цилиндра. Избыточное движение из стороны в сторону известно как удар поршня из-за стука, который он производит.
Шатун
шатун передает силу от поршня к коленчатому валу, он постоянно подвергается растягивающим, сжимающим и изгибающим силам, поскольку он действует как посредник в этих двухтактных отношениях.Шатун должен быть конструктивно прочным, и неслучайно он принимает форму миниатюрной стальной двутавровой балки, похожей на своих более крупных собратьев, поддерживающих небоскребы и мосты. Профиль двутавровой балки обеспечивает максимальную прочность конструкции при минимальной стоимости веса, и, как и поршень, мы хотим сохранить как можно меньший вес шатуна.
Требуемая прочность шатуна означает, что он изготовлен из кованой стали или порошковой стали. У экзотических двигателей могут быть титановые стержни.Чугун не используется из-за его веса.
Верхняя часть шатуна, прикрепленная к поршню, называется малый . Он не всегда будет иметь опору. От малого конца стержень проходит по профилю двутавровой балки до самого конца. большой конец который разделен на две части, чтобы он мог плотно прилегать к шейке коленчатого вала. Нижняя часть стержня называется крышка стержня и он будет прикреплен шпильками или болтами к самому стержню.
Стержень в настоящее время обычно изготавливается как одно целое, а затем крышка стержня надрезается и отламывается. Это оставляет неровную поверхность сопрягаемой поверхности, но придает большую прочность. Важно, чтобы крышки шатунов не смешивались с другими шатунами — они должны быть вместе как единое целое.
Шатунная головка будет иметь вкладыши подшипников в двух половинах, эти вкладыши подшипников будут изготовлены из того же материала, что и вкладыши для основных цапф. Подшипники шатуна смазываются маслом, поступающим под давлением через каналы в коленчатом валу.
Во многих шатунах просверлено отверстие от большого конца вверх, через вал, до выпускного отверстия где-нибудь по их длине. Этот канал позволяет маслу проходить вверх по шатуну от большого конца и разбрызгиваться на упорную область стенки цилиндра, где трение является максимальным.
Неисправности
Поршневой удар
Износ стенки цилиндра или юбки поршня может привести к слишком большим зазорам между поршнем и стенкой цилиндра.Это допускает чрезмерное перемещение поршня из стороны в сторону. Когда поршень меняет направление вверху и внизу своего хода, это может привести к его ударам о стенку цилиндра, вызывая шум, известный как поршневой удар .
Поршень обычно усиливается, когда двигатель холодный, до того, как поршень успеет прогреться и расшириться. Его можно вылечить путем механической обработки цилиндра и использования поршня увеличенного размера.
Модификации и апгрейды
Модернизированные поршни и шатуны
Установка набора более прочных и легких штоков и поршней позволит создать более мощный двигатель.Это может быть необходимо для наддува или наддува двигателя. Переход от кованых стержней к титановой или порошковой (спеченной) стали приведет к более мощному двигателю.
Покрытия поршней
Как обсуждалось выше, недавно разработанные двигатели часто имеют покрытие с низким коэффициентом трения, нанесенное на заводе на их поршни. Но эти покрытия также доступны на вторичном рынке для уменьшения трения и увеличения (или уменьшения) теплопередачи.
[Примеры покрытий]
- На юбку нанесено покрытие для уменьшения трения между ней и стенкой цилиндра.
- Керамическое покрытие может быть нанесено на головку и предназначено для отражения тепла обратно в камеру сгорания и уменьшения количества, передаваемого поршню.
- Нижняя сторона поршня может иметь нескользящее покрытие, известное как масляное покрытие который отталкивает масло, тем самым уменьшая вес узла и обеспечивая более эффективное охлаждение масла.
Часть 7 — Шатун
Полная потеря двигателя из-за ослабления 1 комплекта болтов шатуна на судне
НИКОГДА! использовать новые и бывшие в употреблении сборочные компоненты на одном шатуне
Размеры и состояние шатуна
Сопрягаемые поверхности болтов и резьбы должны быть в надлежащем состоянии и не должны подвергаться воздействию грубого обращения, поскольку небольшие повреждения могут быть исходной точкой усталостных трещин.
Примечание: Новые шатунные болты дешевле …. чем новый двигатель!
Всякий раз, когда это наверняка известно большинству из нас … но вот наша рекомендация о том, что необходимо для получения надежных измерений для правильных решений:
- измерения напр. диаметр и овальность шатуна
корпуса требует полностью затянутых болтов шатуна с
в сборе шатунного вала! - также требует использования соответствующей смазки для болтов и гаек
(в соответствии с рекомендациями производителя двигателя)
=> см. Sidekick 1 - также требует, чтобы температура корпуса, калибровочного
и измерительного прибора была как можно более одинаковой.
=> см. Sidekick 2 - также требует калибровки вашего измерительного устройства перед измерительным прибором
Sidekick 1
Если вы хотите обеспечить правильную работу компонента двигателя, такого как f.е. поршень, головка цилиндра и, конечно же, шатун, важно использовать правильную смазку для сборочных деталей (болт, гайки и т. д.).
Для обеспечения этого «Инструкции по эксплуатации» всех производителей двигателей содержат информацию о том, что вид смазки, которую вы должны использовать . Важно понимать, что это инструкция, а не просто рекомендация, которую вы можете игнорировать или пренебрегать, если подходящая смазка недоступна. Игнорирование или пренебрежение этой инструкцией может привести к значительному отклонению требуемых усилий затяжки! И если это произойдет… удачи вашему двигателю …
Сколько смазки мне следует использовать? Много помогает? Нет, совсем наоборот. Задача смазки — уменьшить трение между резьбой болтов и гаек. Достаточно тонкого слоя смазки; если иное не указано производителем двигателя. При окончательной сборке поршней мы используем (не смейтесь) зубные щетки для меньшей резьбы и бутылочные щетки для большей резьбы, чтобы обеспечить лишь тонкий слой смазки.
Нужен пример? Вот он: сборка поршня MAN 16/24 со слишком большим количеством Molykote на резьбе болтов (погружение болтов в Molykote) приведет к ослаблению крутящего момента, который будет более чем на 40% ниже требуемого.Как следствие, при работе двигателя головка поршня расшатывается. Мы видели такие случаи на борту нескольких судов, когда несколько лет назад экипаж менял заводную головку …
Sidekick 2
По мере увеличения размера измеряемого объекта погрешность измерения также увеличивается при разнице температур между компонентом двигателя, калибрующим устройством и измерительным устройством.
Разница температур всего 6 ° C (предположительно 28 ° C корпуса и 22 ° C измерительного устройства) между корпусом шатуна с предполагаемым диаметром отверстия e.грамм. 450 мм, и измерительный прибор даст погрешность измерения ок. 0,03 мм! «Как новый» допуск в этом диапазоне диаметров обычно составляет всего +0,04 мм.
Состояние болтов шатуна
Поверхность болтов и резьбы должны быть в надлежащем состоянии и не подвергаться воздействию грубого обращения: небольшие повреждения могут быть отправной точкой усталостных трещин.
НИКОГДА! используйте новые и бывшие в употреблении сборочные компоненты на одном шатуне.
