Шатунные болты. Конструкция. Отношение длины шатуна

Шатунные болты соединяют верхнюю и нижнюю части шатунной головки. Эти резьбовые соединения должны выполнять две основные функции:

1. Предотвращение образования зазора в плоскости разъема между нижней и верхней частями шатунной головки. На шатунные болты действуют силы инерции шатуна и поршня, а также поперечные силы, возникающие из-за эксцентричной нагрузки, и силы, вызванные сжатием выступа вкладыша подшипника. При сборке двигателя болты предварительно натягиваются с контролируемым усилием до предела текучести 0,2% или с использованием метода крутящего момента плюс угол поворота, чтобы противостоять действующим силам инерции.

2. Точное позиционирование и фиксация шатуна и крышки относительно друг друга для предотвращения смещения. Для этого существует несколько вариантов:
- a. Направление с помощью шатунных болтов, у которых буртик или канавки находятся в плоскости разъема, предотвращая смещение верхней и нижней частей.

- b. Направление с помощью штифтов, расположенных рядом с болтами, или втулок, окружающих болты (Рис. 7-31).
- c. Фрезерование зубчатых выступов в плоскости разъема.
- d. Направление с помощью поверхности разъема при использовании технологии "раскола" (Рис. 7-32).

Рис. 7-31. Установка вкладышей подшипников и расширяющегося болта

Рис. 7-32. Шатун с разъемом по технологии "раскола"

Если используются штифты, втулки или шатуны с разъемом по технологии "раскола", можно обойтись без болтов с плотной посадкой. В этом случае структура поверхности разъема или штифты и втулки обеспечивают достаточное сопротивление относительному смещению верхней и нижней частей.

Конструкция шатуна. При проектировании шатуна важны следующие аспекты:
- Стабильность размеров в областях, где устанавливаются вкладыши подшипников.
- Масляные каналы для смазки верхней головки шатуна (редко используются в современных конструкциях).
- Разъем шатунной головки для установки на шейку коленчатого вала.

- Фиксация и крепление крышки шатуна.
- Оптимизация конструкции шатунной ноги для снижения массы.
- Проектирование критических зон в соответствии с нагрузками.

На Рис. 7-33 показан анализ напряжений для шатуна с угловым разъемом.

Рис. 7-33. Анализ напряжений для шатуна с угловым разъемом и трапециевидной верхней головкой (половинная модель) (Federal Mogul)

Для снижения массы поршня и/или шатуна верхняя головка может быть выполнена в форме трапеции. Такая конструкция полезна в двигателях с турбонаддувом, так как позволяет уменьшить расстояние между бобышками поршневого пальца и снизить изгиб пальца. Шатунная головка разъемная для установки на шейку коленчатого вала и фиксируется двумя болтами.

Обычно шатунная головка разъединяется перпендикулярно длинной оси шатуна. В качестве альтернативы, для уменьшения максимальной ширины шатуна, разъем может быть выполнен под углом. Угловой разъем позволяет установить шатун (без крышки) через цилиндр при сборке. Недостатком углового разъема является то, что глухое отверстие для шатунного болта заканчивается в зоне наибольшей нагрузки, а также возникают значительные боковые силы в плоскости разъема. Шатуны с угловым разъемом используются в V-образных двигателях и крупных дизельных двигателях, где из-за высоких нагрузок требуются шейки коленчатого вала большого диаметра.

Шатунная нога соединяет верхнюю и нижнюю головки и имеет I- или H-образное сечение. Это позволяет снизить массу при сохранении высокой жесткости.

Отношение длины шатуна. Отношение длины шатуна — это геометрическая величина, определяемая как отношение радиуса кривошипа r к расстоянию l между центрами верхней и нижней головок шатуна (Рис. 7-29). Оно выражается формулой:

В двигателях легковых автомобилей это значение обычно находится в диапазоне от 0,28 до 0,33, причем меньшие значения характерны для дизельных двигателей. Выбор длины шатуна зависит от многих факторов, таких как отношение хода поршня к диаметру цилиндра, скорость поршня, частота вращения двигателя, максимальное давление в камере сгорания, высота блока цилиндров, конструкция поршня и т. д.

С увеличением отношения длины шатуна возрастают боковые силы, действующие на поршень, что может потребовать изменения конструкции поршня. При уменьшении отношения длины шатуна увеличивается общая высота двигателя из-за увеличения высоты блока цилиндров. Кроме того, ограничения, связанные с технологией изготовления (высота блока цилиндров), могут препятствовать изменению длины шатуна.