Трехзвенный шатун: конструкция и преимущества для ресурса ДВС

Введение в проблему проектирования шатунов. Сложившиеся стереотипы в машиностроении часто определяют консервативный подход к проектированию деталей. Ярким примером служит шатун, традиционно представляемый как фигурная пластина с двумя отверстиями или шаровыми головками. Эта устоявшаяся конструкция кочует из одного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в другой без критического осмысления. Однако простота этого решения может скрывать существенные недостатки, влияющие на общую эффективность и долговечность силового агрегата.

Проблема перекосов в кривошипно-шатунном механизме. Если рассмотреть кривошипно-шатунный механизм сбоку, становится очевидным требование строгой перпендикулярности шатуна продольной оси двигателя. На практике идеальная геометрия недостижима из-за производственных допусков. Непараллельность шатунной шейки коленчатого вала или перекос отверстий в верхней и нижней головке шатуна приводят к смещению узлов. В итоге ось поршневого пальца, которая должна быть строго параллельна оси двигателя, никогда не занимает это идеальное положение.

Усугубляет ситуацию погрешность расточки отверстия под палец и неточность установки блока цилиндров на картер. Суммируя эти факторы, инженеры приходят к выводу, что обеспечить идеальную параллельность стенок цилиндра и поршня практически невозможно даже при высокой культуре производства. Возникающие перекосы являются источником повышенного износа и снижают моторесурс силовой установки.

Конструктивное решение В. С. Саленко. Несмотря на то что миллионы ДВС успешно функционируют, изобретатель из города Комсомольска-на-Днепре В. С. Саленко утверждает, что они могли бы работать лучше. Для решения проблемы перекосов он предложил принципиально иную конструкцию – трехзвенный шатун. Его ключевая особенность заключается в обеспечении самоустановки поршня по цилиндру, а нижней головки – по шатунной шейке коленвала. Это достигается за счет добавления специальных пальцевых шарнирных соединений вблизи обеих головок шатуна.

На рис. 12 представлена схема трехзвенного шатуна, наглядно демонстрирующая его устройство. Конструкция включает центральное тело шатуна, к которому через дополнительные шарниры крепятся верхняя и нижняя головки. Такая компоновка позволяет узлам адаптироваться к неизбежным погрешностям сборки и изготовления, компенсируя перекосы в нескольких плоскостях. Это решение кардинально меняет кинематику всей поршневой группы.

Рис. 12. Трехзвенный шатун

Экспериментальное подтверждение эффективности конструкции. После нескольких часов обкатки любого стандартного двигателя становится земетным перекос поршня. Это доказывает эллиптический износ его юбки, который наблюдается вопреки теории. Такой перекос приводит не только к ускоренному износу самого поршня, но и к возникновению конусности в подшипниках пальца и шатунной шейки. Наиболее интенсивно эти деструктивные процессы протекают именно в период обкатки, необратимо увеличивая зазоры.

Шатунно-поршневая группа по праву считается узлом, определяющим ресурс всего двигателя. Применение трехзвенного шатуна позволяет сохранить материал, который при стандартной схеме безвозвратно стирается в процессе приработки. Перенаправление этих потерь на увеличение моторесурса является главным экономическим преимуществом инновации. Это теоретическое положение было подтверждено практическими испытаниями.

Практические испытания и их результаты. В. С. Саленко лично изготовил и испытал несколько образцов трехзвенных шатунов для мотоциклетных и автомобильных двигателей, в частности для автомобиля «Москвич». Важно подчеркнуть, что сборка двигателя «Москвича» проводилась в кустарных условиях, что обычно усугубляет проблему перекосов. Несмотря на это, а также на минимальные зазоры во всех шарнирных соединениях (всего 0,005 от диаметра), двигатель продемонстрировал превосходные характеристики.

Мотор легко заводился и демонстрировал стабильную, четкую работу даже на самых малых оборотах холостого хода. Такая работа свидетельствует об отсутствии паразитических нагрузок и вибраций, вызванных перекосами. Устойчивая работа на низких оборотах косвенно подтверждает снижение механических потерь и более равномерное распределение нагрузок на трущиеся поверхности. Данный эксперимент доказывает жизнеспособность и перспективность концепции самоустанавливающегося шатуна.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: П. П. Лукин; Г. А. Гаспарян; В. Ф. Родионов; К. Ю. Чириков.

Источник: Конструирование и расчет автомобиля. Необычные двигатели.

Данные публикации будут полезны студентам автомобилестроительных и транспортных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам и технологам автопрома, а также всем, кто интересуется глубоким пониманием процессов проектирования и компоновки современных автомобилей.