Шатун.

Шатун является частью кривошипно-шатунного механизма (КШМ), обеспечивая кинематическую связь между поршнями и коленчатым валом, т. е. он передает усилие от поршня к кривошипу коленчатого вала, а также в обратную сторону – от коленчатого вала к поршням! Шатун состоит из верхней головки шатуна, стержня и нижней головки шатуна (рис. 1). Верхняя головка шатуна, с помощью поршневого пальца, соединяется с поршнем,

Рис. 1. Конструкция шатуна

а нижняя головка – с шатунной шейкой коленчатого вала. Верхняя головка шатуна, вместе с поршнем, совершает возвратно-поступательное движение, а нижняя – повторяет круговое движение шатунной шейки коленчатого вала. Движение стержня в целом можно описать как возвратно-поворотное (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Различные положения шатуна за один оборот коленчатого вала. Все положения нижней головки шатуна характеризуются огибающей кривой.

Обычно шатуны изготавливаются ковкой. Однако в ДВС легковых автомобилей нередко применяются и литые шатуны; кроме того, детали небольших размеров могут изготавливаться методом порошковой металлургии (холодное прессование + спекание). Как правило, нижняя головка шатуна является разборной, и ее крышка крепится шатунными болтами. Такая конструкция позволяет установить шатунные вкладыши и, затем, собрать нижнюю головку на шатунной шейке коленчатого вала. Шатуны с неразборной нижней головкой применяются редко и, в основном, с подшипниками качения (например – роликовыми). По мере роста мощности ДВС увеличивался и диаметр шатунных шеек коленчатых валов, поэтому нижние головки шатунов (в сборе) перестали проходить через отверстия цилиндров и потому – прежде всего на быстроходных дизельных двигателях – нижние головки шатунов делают с косым разъемом. Надо учитывать, что поперечные силы, воздействующие на стык нижней головки шатуна, при косом разъеме должны обеспечивать кинетическое (геометрическое) замыкание.

Рис. 2. Зубчатая поверхность стыка – на шатуне с косым разъемом.

Стык поверхности крышки и самого шатуна может иметь «зубчатый» профиль (рис. 2). В более старых конструкциях геометрическое замыкание может обеспечиваться, в частности, канавкой и пружиной. В шатунах с прямым разъемом, применяемых в современных автомобильных ДВС, также

используются преимущества геометрического замыкания, однако технологически сложная процедура обработки зубьев в последнее время заменяется методом разлома («ломаный», или «колотый» шатун, см. рис. 3).

Рис. 3. "Ломаный" стык разъема нижней головки шатуна.

Причем сегодня метод разлома применяется даже при производстве шатунов с косым разъемом. Структура таких поверхностей обеспечивает точную посадку крышки на шатун. Первоначально данная технология применялась только на литых шатунах, однако позднее её удалось применить и на кованых шатунах. Из-за существенного увеличения максимального давления газов (в автомобильных дизелях оно достигает 15 МПа, в других, более мощных двигателях – более 20 МПа) сегодня массово переходят к так называемым трапециевидным шатунам. Т. е. таким, когда нижняя часть верхней головки шатуна (на которую действует сила давления газов) делается шире его верхней части, воспринимающей только силы инерции. При производстве мощных стационарных дизельных ДВС разъемными делаются не только нижняя головка, но и сам стержня. В большинстве подобных случаев верхняя головка шатуна крепится к стержню болтами (так называемый морской тип ВГШ). Такое решение позволяет не разбирать шатунные подшипники при демонтаже поршня в ходе ремонта двигателя. Кроме того, требуется меньше свободного пространства над двигателем, необходимого для демонтажа поршней.

Шатун отвечает за передачу сил от поршня к коленчатому валу и потому подвергается большим знакопеременным нагрузкам. Движущиеся детали КШМ должны обладать как можно меньшей массой; в то же время, в местах взаимодействия с поршневым пальцем и шатунной шейкой коленчатого вала необходимо обеспечить высокую жесткость конструкции. Это вынуждает конструкторов балансировать на грани, из-за чего шатуны оказываются уязвимыми для вторичных поломок разного рода (рис. 4).

Рис. 4

Влияние качества обработки поверхности на максимально допустимую нагрузку на шатун

Стержень шатуна в верхней мертвой точке, при максимальном давлении газов в камере сгорания подвергается сжатию, а в нижней мертвой точке, при воздействии силы инерции, растяжению (рис. 5).

Рис. 5 Сила, действующая на шатун во время цикла работы ДВС.

Выше линии абсцисс: работа на сжатие, ниже линии абсцисс: работа на растяжение

Передача усилий от поршневого пальца через шатун на коленчатый вал и наоборот осуществляется через очень тонкую масляную пленку в подшипниках – толщиной около одного микрона. Поэтому приложение сил во подшипниках нижней и верхней головок зависит от распределения давления в слое смазки, на которое, в свою очередь, влияет жесткость конструкции головок шатуна. Также следует учитывать, что под нагрузкой головки шатуна деформируются (рис. 6):

• Сила инерции, направленная вверх, к камере сгорания, удерживается в равновесии масляной пленкой между шатунной шейкой коленчатого вала и вкладышем (шатунным подшипником) со стороны крышки. Передача сил от стержня к крышке шатуна осуществляется через шатунные болты. Нижняя головка шатуна при растяжении приобретает форму вытянутого овала. Болты, при этом, изгибаются наружу. При недостаточной затяжке болтового соединения возможно раскрытие стыка болтового соединения. Это грозит нарушением точности посадки вкладышей, а в самом худшем случае – разрывом шатунных болтов из-за перегрузки.

• При максимальном сжатии газов, напротив, стержень шатуна через масляную пленку оказывает давление на шейку коленчатого вала. Отверстие нижней головки шатуна приобретает форму сплющенного овала. Шатунные болты, при этом, изгибаются внутрь. Болтовое соединение стремится к раскрытию стыка болтового соединения наружу.
• Из-за подобной «овальной» деформации нижние головки шатуна подвержены существенной изгибающим нагрузкам. Усилие затяжки шатунных болтов должно превышать изгибающие нагрузки, воздействующие на шатун, поскольку именно болты должны выдерживать и передавать рабочие нагрузки. Таким образом, болтовое соединение крышки и самого шатуна играет решающую роль: неплотное прилегание контактирующих поверхностей не допустимо. Образование увеличенных зазоров всегда приводит к критическим дополнительным нагрузкам на болты,  что легко может привести к их разрыву.

Рис. 6 Деформация разъемной нижней головки шатуна при работе на растяжение и на сжатие (схема)

Кроме того, необходимо обеспечить надлежащую плотность посадки вкладышей подшипников в отверстие нижней головки шатуна.

Поскольку момент затяжки болтов определяет напряженное состояние головки шатуна и, следовательно, геометрию отверстия в нижней головке шатуна, то при первичной установке и после каждой последующей разборки, необходимо обеспечить заводской момент затяжки шатунных болтов. Чрезмерная затяжка этих болтов приводит к деформации отверстия шатуна в виде «сплющенного» овала, недостаточная – к деформации в виде «вытянутого» овала (рис. 7).

Рис. 7 Овальность отверстий подшипников в зависимости от затяжки болтов

Воспроизводимость усилия затяжки зависит от правильности и качества выполнения операции затяжки. При затягивании динамометрическим ключом доля момента затяжки, преобразуемого в усилие затяжки, зависит от трения в резьбе и на опорной поверхности головки болта. Учитывая, что при каждой операции затяжки шероховатости сглаживаются, сила трения уменьшается, и как следствие в усилие затяжки преобразуется больший процент момента затяжки. Отверстие нижней головки шатуна приобретает форму «сплющенного» овала. Этим объясняется, почему заедание(деформация) шатунных подшипников происходит преимущественно после капитального ремонта двигателя. Чтобы улучшить результаты, целесообразно ориентироваться на момент предварительной затяжки болта и угол доворота, однако наиболее точное управление усилием затяжки возможно при контроле затяжки по удлинению болта, поскольку его удлинение прямо пропорционально усилию затяжки.

Наибольшие нагрузки на стержни шатунов с прямым разъемом воздействуют на галтели – т. е. переходы от стержня к нижней и верхней головкам (рис. 8).

Рис. 8 Характерные зоны разломов на шатуне

При применении шатунов с косым разъемом, исходной точкой усталостного разрушения, как правило, становится верхняя часть глухого резьбового отверстия в нижней головке.

Поскольку шатун – это связующее звено между поршнем и коленчатым валом, то повреждения шатунов, как правило, влекут за собой весьма масштабные последствия. Шатун находится как бы «между молотом и наковальней» и подвергается соответствующим деформациям и ударным нагрузкам, оказывающим сильное нагружение шатуна на изгиб; это подчеркивается поразительной деформацией шатунов после аварии ДВС (рис. 9).

Рис. 9 Критическое повреждение (изгибная деформация) шатуна большого дизельного ДВС

Повреждения шатуна из-за производственных дефектов

Чем больше нагрузка на шатун, тем более важным оказывается значение таких производственных дефектов, как канавки, надрезы (насечки) или забоины (см. также рис. 4)

Пример: через 725 моточасов после ремонта двигателя произошла поломка крышки нижней головки шатуна дизельного ДВС. Суммарная наработка шатуна на этот момент (продолжительность эксплуатации) - 8700 моточасов. Усталостное разрушение (рис. 10, 11 и 12) было спровоцировано дефектом поверхности в области галтели (и без того подверженной экстремальным нагрузкам), возникшим при шлифовании. Вероятно, галтель задели при шлифовке опорной поверхности гайки, результатом чего стало повреждение поверхности (рис. 11 и 12). С учетом длительной эксплуатации шатуна до ремонта ДВС следует предположить, что поверхность была повреждена при ремонте двигателя.

Рис. 10 Вторичные повреждения шатуна в результате усталостного разрушения крышки нижней головки шатуна

Рис. 11 Крышка шатуна – трещина проходит через галтель опорной поверхности гаек

Рис. 12 Очаг зарождения усталостного повреждения (A): повреждение поверхности (насечка) в зоне галтели, возникшее при шлифовании

Пример: Дизельный ДВС отработал 36 500 часов, после чего произошла поломка шатуна ниже верхней головки; в результате шатун пробил блок цилиндров (рис. 13). Причиной усталостного разрушения в зоне перехода от стержня шатуна к верхней головке явилась забоина (след удара) на поверхности (рис. 14).

Рис. 13 Отломившаяся верхняя головка шатуна

Рис. 14 Увеличенный фрагмент – отломившаяся головка шатуна, забоина (повреждение) на верхней стороне фланца в зоне исходной точки оброзования трещины

Усталостное разрушение началось в зоне края фланца и дошло примерно до половины сечения стержня, после чего произошел его долом (рис. 15). На верхней стороне фланца в зоне разрушения, а также вдоль продольной оси, в сторону верхней головки шатуна, также просматриваются следы забоин. Предположение, что они появились до поломки шатуна вследствие ударной нагрузки, подтверждается неровной, неправильной геометрией излома в исходной точке, а также немного отогнутыми краями плоскости излома.

Рис. 15 Зона исходной точки образования трещины (показано стрелками), усталостные трещины и зона долома

Рис. 16 Увеличенный фрагмент предыдущего изображения: очаг зарождения трещины

Фреттинг (фрикционная) коррозия

Пример: после 20 000 часов наработки двигатель тепловоза был демонтирован и разобран для дефектовки. На одном из шатунов выявлена трещина (рис. 17). Трещина берет начало у отверстия нижней головки шатуна, проходит через тело НГШ и примерно 6 мм не доходит до радиуса перехода к опорной поверхности под головку болта. Кроме того, в особенности, вблизи разъема НГШ заметны выраженные следы фреттинг-коррозии.

Рис. 17 Трещина на нижней головке шатуна: следы износа и фреттинг-коррозии на поверхности отверстия

Поверхность излома представляет собой медленно разросшуюся усталостную трещину. Очаг зарождения трещины – типичный для таких усталостных повреждений «рубец» (N) в отверстии нижней головки шатуна (рис. 18).

Рис. 18 Поверхность усталостного повреждения и зона долома (фрагмент рис. 17)

N очаг зарождения трещины: «рубец» от усталостных повреждений

A Зона долома, произведенного в лаборатории

В Зона развития усталостной трещины при работе ДВС

Первопричиной усталостной трещины стала недостаточно плотная посадка шатунного вкладыша на заводе, - впоследствии при производстве таких двигателей натяг вкладышей был увеличен.

Пример: в двигателе тепловоза после пробега в 750 000 км сломался болт шатуна (рис. 19).

Рис. 19  Сломанный шатунный болт.

Очаг зарождения усталостной трещины – А

Разрушение начинается с усталостной трещины F₁ под углом около 45° к оси болта, шириной около 2 мм, которая продолжается усталостной трещиной F₂, перпендикулярной продольной оси болта, и небольшой зоной долома F₃ (рис. 20). То обстоятельство, что данное разрушение начинается с типичного для усталостных разрушений угла в 45°, указывает, что его причиной послужила сильная фреттинг-коррозия посадочных поясков. После ремонта, при сборке ДВС положение болта изменилось, из-за чего изменилось и распределение нагрузки. Это привело к изменению направления усталостной трещины (F₂) и к последующей поломке болта.

Рис. 20

Разрушение стержня болта.

Очаг зарождения трещины – A; первичная усталостная трещина - F₁, вторичная усталостная трещина - F₂, зона долома – F₃

Ошибки при сборке

Наиболее частой ошибкой при сборке ДВС является ненадлежащая затяжка болтов. Это приводит к:

• раскрытию стыка болтового соединения с последующей поломкой болта. Шатун, движение которого после поломки болта становится хаотичным (рис. 21), повреждает коленчатый вал, блок цилиндров и поршень;
• овальной деформации отверстия шатнунного подшипника с его заеданием, и
• недостаточно плотной посадке шатунных вкладышей с образованием фреттинг-коррозии – причине усталостных повреждений (см. также рис. 17 и 18).

Рис. 21 Деформация шатуна из-за разрушения болта.

Повреждения, обусловленные эксплуатацией двигателя

Повреждения шатунов нередко становятся следствием нарушения условий эксплуатации или поломки других узлов двигателя. При этом рассматривать детонационное сгорание топлива, как возможную причину повреждения шатунов или шатунных подшипников, имеет смысл, пожалуй, только в самых экстремальных случаях.

Расстояние между камерой сгорания (в которой происходят колебания давления при детонации) и опорами подшипников (втулок) поршневых пальцев и (шатунных вкладышей) шатунной шейки коленчатого вала представляется для этого слишком большим. Продольные колебания в стержне шатуна, обусловленные большими перепадами давления газов, быстро затухают из-за демпфирующего воздействия масляной пленки в подшипниках. Зато глубокие задиры на поршнях, как правило, приводят в том числе и к повреждению шатунов. Причиной повреждения шатунов могут становиться и другие дефекты, как, например, негерметичность интеркулера (охладителя наддувочного воздуха), прокладок головки цилиндра, сквозная коррозия гильз цилиндров, в результате которой в цилиндры попадает охлаждающая жидкость. Скопление топлива или масла в цилиндре также приводят к «гидроудару» (рис. 22).

Рис. 22 Деформация шатуна из-за гидроудара.

Пример: на дизельном ДВС произошла разгерметизация жидкостного интеркулера. При неработающем двигателе охлаждающая жидкость, через впускной коллектор, попала в цилиндр с открытыми впускными клапанами. Поршень при этом находился около нижней мертвой точки. При проворачивании коленчатого вала стартером произошло воспламенение топлива в части из оставшихся 15 цилиндров, в результате чего поршень с достаточно большой силой уперся в практически несжимаемую воду в цилиндре. Следствием

Как показывает данный случай, поломки шатунов могут приводить к серьезным повреждениям, а подчас и к необходимости замены двигателя.