1.4.3. Расчёт на прочность шатуна

      Назначение шатуна – передавать усилия от поршня двигателя к коленчатому валу. Шатун в собранном виде состоит из верхней головки (в ней помещается головной подшипник), стержня и нижней головки, в которой находится мотылевый подшипник. С помощью головного подшипника шатун соединяется с поршнем, а посредством мотылевого – с мотылевой шейкой коленчатого вала. При передаче усилий от поршня к коленчатому валу в стержне шатуна возникают напряжения сжатия и изгиба. Кроме того, вследствие быстрого нарастания давления в цилиндре в период сгорания топлива шатун подвержен ударной нагрузке.

      В связи с этим материал для изготовления шатуна должен быть высокого качества. Шатуны отковывают или штампуют из углеродистой или легированной стали. Отъемные нижние головки шатуна изготавливают обычно из литой стали.

      Вкладыши головного подшипника чаще всего изготавливают литыми из бронзы, но их выполняют и стальными с последующей заливкой слоем антифрикционного сплава. Вкладыши мотылевого подшипника в большинстве случаев изготавливают стальными с заливкой антифрикционным сплавом. Из антифрикционных сплавов наибольшее применение получили высокооловянистые баббиты.

      В быстроходных двигателях получило большое распространение в качестве антифрикционного сплава свинцовистая бронза. Свинцовистая бронза менее пластична, чем баббит, а поэтому хуже прирабатывается к валу. Для надежной работы вкладыша из свинцовистой бронзы необходимо тщательная очистка смазки, при этом кислотность ее возрастает быстрее, чем в подшипниках с баббитовой заливкой.

      Различие конструктивной формы шатунов в основном определяется конструкцией его верхней головки. В тронковых двигателях обычно шатуны имеют неразъемную верхнюю головку.

      Форма сечения стержня шатуна бывает круглой, кольцевой и двутавровой. Кольцевую и двутавровую формы сечения стержня шатуна применяют в быстроходных двигателях, так как шатуны данного сечения имеют меньший вес, а следовательно, и меньшие силы инерции. Нижнюю головку шатуна выполняют отдельно от стержня и заодно с ним. Изготовление верхней половины нижней головки заодно со стержнем позволяет уменьшить вес шатуна.

      Верхняя половина мотылевого подшипника передает на шейку коленчатого вала усилие, равное разности давления газов на поршень и сил инерции, поэтому она должна обладать достаточной жесткостью. Нижняя половина мотылевого подшипника в четырехтактных двигателях в период такта наполнения и впуска нагружена только силами инерции движущихся частей.

      Стяжные болты верхней и нижней головок шатуна являются деталями, разрыв которых приводит к крупной аварии двигателя, поэтому к материалу и изготовлению их предъявляются повышенные требования.

      Конструкция болта должна быть равнопрочной, концентрации напряжений не должно быть. Стержень болта обычно по длине имеет центрирующие пояски, необходимые для обеспечения плотного прилегания болта к стенкам отверстия. Для избежания концентрации напряжений переходы от резьбы, центрирующих поясков и головки болта должны быть плавными и достаточной длины. Резьба должна быть с малым шагом, что позволяет более точно осуществлять затяг болтов, поэтому обычно применяют мелкую метрическую резьбу. Головка болта выполняется круглой, а гайка корончатой и иногда специальной формы. Количество шлицев у гайки должно обеспечивать нужный затяг болта.

      Шатунные болты мотылевого подшипника располагают по возможности ближе к шейке вала. Сокращение расстояния между осями болтов позволяет уменьшить длину пятки шатуна, которая в тронковых двигателях для возможности вытаскивания поршня вместе с шатуном через цилиндр должна быть меньше диаметра последнего. Ввиду этого иногда применяют стяжных болтов у мотылевого подшипника не два, а четыре. При увеличении числа болтов диаметр их уменьшается. Это позволяет приблизить болты к шейке вала, а следовательно, и сократить длину пятки шатуна. При затягивании болтов необходимо контролировать величину вытяжки, так как чрезмерный затяг значительно сокращает срок их службы.

      Принимаем основные размеры шатуна (рис. 1.12):

      расстояние между центрами головок шатуна –  мм;

      расстояние между внутренними образующими цилиндрических отверстий в верхней и нижней головках шатуна –  мм;

      наружный диаметр круглой верхней головки шатуна –  мм;

      внутренний диаметр круглой верхней головки шатуна –  мм;

      длина верхней головки шатуна –  мм;

      сечение шатуна – двутавр:  мм;  мм;  мм;  мм;

      диаметр шатунных болтов –  мм;

      количество шатунных болтов – .

      Шатун воспринимает давление газов на поршень и силы инерции поступательно движущихся частей. Эти силы достигают максимального значения при нахождении поршня в крайнем верхнем положении.

      У четырёхтактных дизелей в конце хода выпуска на шатун действует сила инерции, которая стремиться разорвать его, а в начале рабочего хода результирующая сила сжимает шатун (направлена вниз). Таким образом, в четырёхтактных двигателях простого действия шатун подвержен знакопеременной нагрузке.

      Напряжения сжатия в стержне шатуна:

 кгс/см²  МПа,

где  – минимальное сечение головки шатуна.

      Сила , кроме сжатия, вызывает продольный изгиб. В плоскости качания шатун можно рассматривать как балку с шарнирными опорами, при этом деформация изгиба распространяется по всей его длине. В плоскости, перпендикулярной качанию шатуна, его следует рассматривать как балку с заделанными концами, в данном случае деформация изгиба распространяется на половину длины шатуна.

      Таким образом:

 кгс/см²  МПа;

 кгс/см²  МПа,

где f – площадь среднего сечения шатуна:

 см².

 и  – моменты инерции сечения относительно осей x и y:

 см⁴;

 см⁴.

      Шатуны подвергаются ещё и значительному воздействию сил инерции массы шатуна, действующих в плоскости его движения. В этом случае шатуны, кроме того, необходимо проверять на изгиб указанными силами инерции. Наибольшее значение рассматриваемые силы имеют при угле между шатуном и мотылём, равном 908.

      Наибольший изгибающий момент равен:

 кгс.см  Н.м,

где P – равнодействующая сил инерции:

 кгс  кН,

      где q – сила инерции элемента стержня шатуна длиной 1 см:

 кгс/см  кН/м,

            где  кгс/см³ – удельный вес материала шатуна.

      Суммарные напряжения в стержне шатуна будут равны:

 кгс/см²  МПа  МПа,

где W – момент сопротивления сечения шатуна, удаленного на расстояние  от центра верхней головки.

      Верхнюю головку шатуна проверяют на разрыв силой, возникающей при заедании поршня. Её условно принимают равной:

 кгс  кН.

Напряжения в верхней головке шатуна:

 кгс/см²  МПа  МПа,

где  см.

      Для нормальной работы головного подшипника верхняя головка шатуна должна иметь соответствующую жёсткость. В соответствии с этим необходимо принятые размеры проверять на жёсткость. Относительная деформация верхней головки шатуна может быть определена по формуле:

 мм/см  мм/см,

где E – модуль упругости материала головки шатуна;

      I – момент инерции сечения головки:

 см⁴.

Шатунные болты нижней головки шатуна проверяют на растяжение силой . Напряжения растяжения в болтах:

 кгс/см²  МПа  МПа,

где  – число шатунных болтов;

       – площадь сечения болта:

 см².