Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания (1037884), страница 40
Текст из файла (страница 40)
5.1).Конструкции шатунов отличаются большим разнообразием в зависимости от типа двигателя, принятой компоновочной схемы и т.д.При этом их можно классифицировать по следующим конструкционным признакам:• по способу монтажа (сборки):неразъемные и разъемные;• по типу разъема: прямой и косой;• по способу соединения разъема:болтовой, штифтовой, бандажный;• по восприятию нагрузки вплоскости разъема: болтом, штифтом, профилированием поверхности разъема и "сплитразъем";• по возможности раздельноговосприятия нагрузки, когда разныеэлементы шатуна воспринимаютРис. 5.1. Общий вид шатуна:1 – поршневая (верхняя) головка; 2 – стержень; 3 – кривошипная (нижняя) головка187различные силы (принцип сепаратного восприятия нагрузки).Различают также шатуны рядных двигателей и сочлененные шатуны, применяемые в V, Wобразных и звездообразных двигателях.Большинство современных конструкций шатунов выполняют разъемными, что обусловлено в первуюочередь технологией сборкиразборки двигателя.
Кроме того, только в этом случае коленчатый валмногоцилиндрового двигателя может быть выполнен цельным, чтоповышает его жесткость и прочность по сравнению с составным.Тем самым повышается общая жесткость системы, уменьшаются деформации корпуса, а соответственно и уровень структурного шума.Неразъемные шатуны преимущественно используются в двигателяхмалой размерности либо в звездообразных. В этом случае сборку кривошипношатунного механизма возможно осуществить только при разборнойконструкции коленчатого вала.Цельный шатун, представляющийсобой достаточно простую конструкцию (рис. 5.1), является частным случаем неразъемной конструкции. Вэтом шатуне отсутствуют подшипниковые втулки или вкладыши. Цельный шатун применяют в тех случаях,когда материал шатуна обладает хорошими антифрикционными свойствами, например, при использованииалюминиевых сплавов либо при установке подшипников качения, а такжекогда они изготовлены из материалов,обладающих невысоким сопротивлением изнашиванию (к таким материалам относятся в первую очередь титановые сплавы, а также различные полимерные композиционные материалы).
В последнем случае поршневойпалец запрессовывают в верхнюю головку шатуна (подшипник отсутствует) и соединение становится неразъемным и менее технологичным.В разъемныхконструкциях(рис. 5.2) нижняя часть (крышка)отделена от остальной части шатуна. Наиболее распространенное соединение этих элементов – болтовое (рис.
5.2, а).При ограниченных габаритных размерах для скрепления элементов нижней головки шатуна могут использоваться гребенчатые многосрезные соединения с коническими штифтами напрессовой посадке (рис. 5.2, б).Штифтовое и бандажное соединенияэлементов используют редко ввидуболее сложной технологии изготовления и сборки (рис. 5.2, в).Рис. 5.2. Способы соединения элементов кривошипной головки шатуна:а – болтовой; б – штифтовой; в – бандажный; 1 – шатун; 2 – болт; 3 – крышка шатуна; 4 –штифт; 5 – бандаж188Недостатками конструкций скосым разъемом являются отсутствие симметрии и в ряде случаев повышенная трудоемкость механической обработки шатуна.В связи с появлением в разъемепод действием нагрузок значительных переменных сил сдвига стыковые поверхности выполняют профилированными, при этом в нихобразуются несущие замкнутые элементы для сопротивления поперечным усилиям.
В шатунах существующих конструкций применяютследующие соединения профилированных стыков (рис. 5.4):• зубчатое (шлицевое) в виде системы треугольных шлицев с заданнойплотностью прилегания (рис. 5.4, а);• однозубое типа зуба пилы с несимметричным согласованным профилем и силовым замыканием(рис. 5.4, б);Рис.
5.3. Кривошипные головки шатунов с различными разъемами:а – прямым; б – косымВследствие ограничения внешнего размера кривошипной головкипри диаметре шатунной шейки коленчатого вала d/D > 0,66–0,68 поусловиям сборки поршня и шатунас коленчатым валом через цилиндр(рис. 5.3, а) резко сокращается радиальная толщина стенки головки взоне разъема, что не позволяет получить необходимые размеры поверхности стыка. Для повышенияжесткости кривошипной головкиприменяют конструкции с косымразъемом, у которых плоскость стыка располагается под определеннымуглом b к оси стержня (рис.
5.3, б).При этом для получения улучшенной формы несущего контура такихголовок шатунные болты ввертываются непосредственно в шатун.Рис. 5.4. Виды стыковых соединений кривошипной головки шатунов:а – шлицевое; б – однозубое с силовым замыканием; в – замковое шпоночного типа;г – с помощью штифта189• замковое в виде чередующихсяпрямоугольных выступов и впадиншпоночного типа с замыканием засчет начальной посадки в замке исил трения от затяжки (рис.
5.4, в).В шатунах современных конструкций наиболее часто используютшлицевое соединение, обладающееповышенной несущей способностью и самозамыканием при сдвиге, благодаря затяжке болтов.Для разгрузки болтов от усилийсдвига в стыке, приводящих к появлению дополнительных напряжений изгиба, часто используютштифты (рис. 5.4, г). Они позволяют обеспечить зазор между стержнем болта и отверстием, благодарячему исключается контакт междуболтом и шатуном. Это приводит ких независимому деформированиюи снижению дополнительных напряжений изгиба в болте.В последнее время нашел применение "сплит–разъем", получаемыйв результате излома кривошипнойголовки (рис. 5.5).
Такой вид разъема значительно технологичнее, поскольку не требуется механическойобработки поверхности стыка и дополнительных мероприятий по центрированию крышки. Недостаткомявляется то, что детали шатунов неявляются взаимозаменяемыми.Во всех применяемых в настоящее время конструкциях шатуновреализуется принцип совместноговосприятия нагрузок, т.е. различныетипы нагрузок воспринимаются всеми элементами шатуна.
Например,стержень шатуна воспринимает каксжимающую, так и растягивающуюнагрузку. В связи с развитием технологии композиционных материаловпоявилась возможность реализациипринципа сепаратного восприятиянагрузки, т.е. различные нагрузкивоспринимаются отдельными элементами конструкции.Рис. 5.5.
Стыковое соединение кривошипнойголовки типа "сплитразъем"На рис. 5.6 показана принципиальная схема разъемной конструкРис. 5.6. Схема конструкции шатуна с сепаратным восприятием нагрузки:1 – крышка шатуна; 2 – бандаж; 3 – стержень с верхней головкой; 4 – анкеры190Рис.
5.7. Зависимость удельной массы шатунов от диаметра цилиндра:1 – двигатели с принудительным воспламенением, S/D = 0,85–0,95; 2рядные и Vобразныедизели (с рядом сидящими шатунами), S/D = 1,1–1,4ции шатуна, в которой стерженьподвергнут предварительному сжатию бандажом. При этом растягивающая нагрузка от сил инерциивоспринимается бандажем, а сжимающая – стержнем шатуна. Достоинством такого решения являетсявозможность использования материалов, которые лучше воспринимают соответствующие нагрузки.Шатуны должны иметь минимальную массу.
Значение массы существенно влияет на действующиесилы в КШМ. На рис. 5.7 показаназависимость удельной массы шатунов m ш двигателей различных типов от диаметра цилиндра D.В некоторых случаях в конструкции шатуна отсутствуют отдельные из перечисленных элементов.Так, может отсутствовать поршневая головка, заменяемая цилиндрической пятой, присоединяемой кпоршневому пальцу болтами, илишаровой пятой, которая опираетсяна сферический подшипник (подпятник) в поршне. При использовании подшипников качения в головках вместо втулки и вкладышейустанавливаются закаленные опорные кольцаобоймы.К конструированию шатунаприступают после выбора значенияl – отношения радиуса кривошипак длине шатуна.
Данный параметропределяет длину шатуна. У современных двигателей отношение радиуса кривошипа к длине шатунаварьируется в широких пределах исоставляет для большинства выпускаемых двигателей l = 0,22–0,29.Значения l более 0,3 характерныдля двигателей, к которым предъявляют жесткие требования к габаритным размерам. В малооборотных крейцкопфных двигателях величина l может достигать 0,5.5.2. Анализ конструкцийшатунов современных двигателей5.2.1. Стержни шатуновСтержень шатуна испытывает восновном осевые циклические нагрузки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
