Мотоциклы - Жигарев Федор Михайлович (читать книги полностью без сокращений txt) 📗
3. Шатун
Шатун соединяет поршень с коленчатым валом и передает последнему давление газов. В зависимости от числа цилиндров двигателя, их расположения и формы коленчатого вала применяются шатуны в основном двух типов: одинарные и сдвоенные. Сдвоенные шатуны в свою очередь подразделяются на вильчатые и прицепные. Кроме того, шатуны отличаются по устройству большой головки: с целой или разъемной головкой. Малая головка всегда выполняется целой.
Во время работы двигателя шатун сжимается силой давления газов во время хода сжатия и рабочего хода. В конце хода выпуска и начале хода впуска поршень и связанные с ним поршневой палец и верхняя головка шатуна стремятся по инерции продолжать поступательное движение и растягивают шатун, связывающий их с коленчатым валом. Кроме действующих на шатун сил давления газов и сил, стремящихся растянуть шатун при изменении направления движения поршня, на шатун действуют также силы в плоскости его качания около поршневого пальца. При перемещении шатуна из одного бокового положения в другое он стремится продолжать свое движение в плоскости качания. Этому будет препятствовать кривошип, с которым связана большая головка шатуна, и поэтому шатун будет прогибаться в средней своей части в направлении качания. Исходя из этих условий работы, к шатунам предъявляются следующие требования:
1) Минимальный вес при максимальной прочности. Это достигается подбором соответствующего материала для изготовления шатуна и приданием шатуну формы, обеспечивающей ему высокую прочность. Обычно шатуны выполняются из высококачественной стали, а иногда из легкого сплава.
2) Минимальные размеры головок шатуна. Это необходимо для уменьшения их веса. Кроме того, при небольших размерах малой головки облегчается расположение головки между бобышками поршня и соединение ее с поршневым пальцем.
3) Шатун должен иметь плавные переходы как от головок к стержню, так и в самом сечении стержня. Это необходимо для увеличения прочности шатуна, так как при резких переходах возможность разрушения шатуна увеличивается.
4) Шатун должен иметь максимально обтекаемую форму, особенно у высокооборотных двигателей, так как в этом случае уменьшается сопротивление воздуха движению шатуна в картере двигателя.
На рис. 31 показано устройство шатуна двигателя мотоцикла М-72.
Рис. 31. Шатун двигателя мотоцикла М-72: 1 — малая головка; 2 — стержень шатуна; 3 — большая головка; 4 — выемка для выхода масла вверх; 5 — бронзовая втулка.
Шатун отштампован из стали. В его малую головку запрессована бронзовая втулка, через которую проходит поршневой палец. Для подвода масла к втулке в нижней части малой головки шатуна просверлены два отверстия. Стержень шатуна двутаврового сечения. Большая головка шатуна неразъемная и опирается на шатунную шейку через роликовый подшипник. Ролики подшипника соприкасаются непосредственно с внутренней поверхностью большой головки. Поэтому для получения прочного, мало изнашивающегося слоя внутренняя поверхность головки цементирована. Стержень шатуна не цементируется, так как в процессе работы двигателя он воспринимает большие нагрузки. Цементированный же слой стали при этом может дать трещину. На боковой поверхности большой головки выполнена небольшая выемка, которая при сборке шатуна с коленчатым валом должна быть обращена вверх. Эта выемка служит для вытекания масла из шатунного подшипника и интенсивного разбрызгивания масла в верхней части картера.
Шатун двигателя мотоцикла М-72 обладает тем недостатком, что при износе внутренней поверхности большой головки он должен быть заменен. Кроме того, цементация только рабочей поверхности большой головки шатуна усложняет производство шатунов, так как в этом случае перед цементацией необходимо омеднение всей нерабочей его поверхности.
Конструкция шатунов двигателей мотоциклов M1А и ИЖ-350 в основном аналогична конструкции шатуна двигателя мотоцикла М-72.
На рис. 32 показан шатун, выполненный из алюминиевого сплава, с разъемной большой головкой.
Рис. 32. Шатун из алюминиевого сплава.
Нижняя крышка головки — стальная и имеет ребро жесткости и две шпильки, которые проходят через отверстия в верхней половине головки. Крепление нижней половины головки к верхней осуществляется гайками, навертываемыми на шпильки. В большой головке устанавливаются тонкостенные вкладыши.
Разъемной большая головка выполнена потому, что шатунные шейки коленчатого вала имеют щеки, выполненные с ними за одно целое. Монтаж шатунов с неразъемной головкой на таком коленчатом валу невозможен.
На рис. 33 показано устройство сдвоенных вильчатых шатунов двухцилиндрового двигателя.
Рис. 33. Сдвоенный шатун.
Большая головка одного шатуна раздвоена и имеет форму вилки. Для увеличения жесткости обе половины вилки связаны между собой перемычкой. Шатун опирается на шатунный палец коленчатого вала через два роликовых подшипника. Наружными обоймами этих роликовых подшипников являются две стальные термические обработанные втулки, запрессованные в обе половины вилки большой головки. Между половинами вилок шатуна вводится большая головка другого шатуна, имеющая обычную форму. Большая головка второго шатуна также опирается на шатунный палец через роликовый подшипник. Оба шатуна выполнены из стали и имеют стержни двутаврового сечения.
В остальном сдвоенные вильчатые шатуны ничем не отличаются от устройства ранее описанных шатунов.
Большие головки шатунов опираются на шатунные шейки (пальцы) коленчатого вала через подшипники качения (роликовые и игольчатые) или через подшипники скольжения (вкладыши или втулки, покрытые внутри антифрикционным сплавом).
На ряде современных, особенно многоцилиндровых, мотоциклетных двигателей в большой головке шатуна устанавливаются подшипники скольжения. Это вызвано желанием отказаться от составного коленчатого вала, в конструкции которого имеются некоторые недостатки (о чем будет сказано ниже), а также тем, что роликовые подшипники имеют повышенный износ, обусловленный многооборотностью современного мотоциклетного двигателя.
Ролики подшипника большой головки шатуна вследствие центробежной силы, вызываемой вращением кривошипа вокруг оси коленчатого вала, стремятся удалиться от центра вращения и давят на сопряженные с ним детали. При больших числах оборотов коленчатого вала современных мотоциклетных двигателей давление, вызываемое роликами, может достигнуть такой величины, что будет вытеснена пленка масла и наступит быстрый износ роликов и рабочих поверхностей деталей, составляющих роликовый подшипник большой головки шатуна.
Подшипник скольжения этому недостатку не подвержен, но он требует больше смазки и более чувствителен к недостатку масла, чем роликовый подшипник. Поэтому рабочая часть подшипника скольжения покрывается сплавом, способном в некоторой степени аккумулировать в своей поверхности масло. Таким сплавом является свинцовистая бронза, алюминий и др. В некоторых случаях, когда шатун и его нижняя крышка выполняются из алюминиевого сплава, вкладыши не применяются и рабочими поверхностями подшипника служат непосредственно поверхности шатуна и нижней крышки его.
Достоинством роликовых подшипников являются небольшие потери на трение, незначительный износ при нормальных нагрузках, а также неприхотливость к смазке. Смазка должна быть умеренной, так как чрезмерная смазка повышает трение и вызывает перегрев подшипников.
Основными недостатками роликовых подшипников являются большие габариты и невозможность их разъема. Большие габариты подшипников требуют в свою очередь увеличения размеров большой головки шатуна. Невозможность разъема подшипников затрудняет их монтаж на коленчатом валу, что в свою очередь усложняет устройство коленчатого вала.
