Шатуны
Конструкция и материал
Основными элементами шатуна являются верхняя (поршневая) головка 6 (рис. 76), стержень 5 и нижняя (кривошипная) головка 4. Верхнюю головку шатунов дизелей речных судов изготовляют заодно со стержнем, неразъемной, нижнюю головку 4 — разъемной (или отъемной): предусматривают крышку 1 с буртом 2, крепящуюся с головкой шатунными болтами 3.
Шатуны изготавливают из конструкционных сталей 35, 40, 45, 45Г2, а у высокооборотных двигателей — из легированных сталей 40ХН, 40ХНМА и 18Х2Н4ВА. Согласно техническим требованиям на изготовление шатуны дизелей должны быть штампованными. Допускается изготовлять шатуны крупных дизелей свободной ковкой, а отъемные нижние головки или их крышки двухтактных дизелей — литыми.
Рис. 76. Шатун
Поперечное сечение стержня кованых шатунов круглое, штампованных — двутавровой формы 7. Снаружи поверхность штампованных шатунов не обрабатывают. Двутавровые шатуны при одинаковой прочности легче круглых. Этим Объясняется их применение в высокооборотных дизелях. При большом объеме производства, окупающем затраты на штампы, шатуны изготавливают двутавровыми и для малооборотных двигателей.
Для подвода масла из кривошипного подшипника в поршневой предусмотрены каналы а и б, просверленные в круглом стержне шатуна. В шатунах двутаврового поперечного сечения для подобной цели используют трубку 8, прикрепленную к стержню скобами 9, или отверстие в, просверленное в утолщении 10 стержня.
Стержень шатуна нагружен по оси силой Pz, максимальное значение которой наблюдается в момент сгорания. Размеры шатунов судовых дизелей таковы, что ни формула Эйлера, ни формула Тетмайера для расчета устойчивости стержней использованы быть не могут. Прочность стержня шатуна можно проверить по эмпирической формуле. Суммарные напряжения в среднем сечении шатуна с учетом изгиба в плоскости качания определяют по формуле Навье-Ранкина:
Сила Рz известна, fcp — это средняя площадь поперечного сечения стержня, т. е. сечения, взятого по середине длины шатуна.
Параметр К вычисляют по формуле
где с — коэффициент, характеризующий упругие свойства материала шатуна,
L — длина шатуна, м; i — радиус инерции среднего сечения, м.
Радиус инерции находят способом, известным из механики. Коэффициент с зависит от марки стали, из которой изготовлен стержень, т. е.
Марка стали
35 0,00015
40 0,00016
45 0,00017
45ХН 0,00040
18ХН2Н4ВА 0,00043
Допускаемые напряжения для углеродистой стали [а]= (80 - 120) МПа, для легированной — [а] = (120 - 180) МПа.
Верхняя головка шатуна
Площадь поперечного сечения стенки верхней головки шатуна в вертикальной плоскости, как правило, немного больше, чем в горизонтальной плоскости (рис 77, а), но иногда они и равны (рис 77, б и в) Переход от головки к стержню должен быть главным, без подрезов, чтобы не вызывать концентрации напряжений Втулка 1 (рис. 77, а), запрессованная в верхнюю головку шатуна, образует головной подшипник для пальца, соединяющего шатун с поршнем. Изготавливают втулки из оловянисто-фосфористой бронзы Бр0б, 5Ф015, Бр010Ф1 или из стали и заплавляют изнутри свинцовистой бронзой. У большинства двигателей втулки стопорят винтами 2.
Как уже было изложено, головной подшипник у большинства двигателей смазывается маслом, подводимым через осевой канал а шатуна или по трубке, прикрепленной к стержню. Для подвода масла к рабочей поверхности втулки обычно протачивают внешнюю кольцевую или полукольцевую канавку б, из которой по боковым радиальным отверстиям в масло проходит к холодильнику 3 У двигателей с охлаждаемыми поршнями в верхних головках шатунов предусмотрены отверстия для выхода масла в полость охлаждения. В этом случае канавка б кольцевая Она соединяет отверстие г с осевым каналом а. Отверстия г в головке и втулке предназначены для подвода масла к поршневому пальцу.
Головной подшипник некоторых высокооборотных двигателей смазывается каплями масла, оседающими из масляного тумана картерного пространства. В верхней части головки и втулки таких двигателей предусмотрены отверстия д (рис 77, в). Капельки масла, оседающие на верхнюю головку, через эти отверстия поступают на смазывание поршневого пальца. В одно из отверстий вставлена латунная хрубка 4, которая стопорит втулку 1 от проворачивания.
Разработанные методики сложных расчетов прочности поршневой головки являются в той или иной степени приближенными. Для грубой проверки ее прочности можно ограничиться определением напряжения растяжения в горизонтальном сечении х—х головки от действия сил инерции поступательно-движущихся частей:
где Рио- сила инерции поступательно движущихся частей при положении поршня в в. м. т. Н, f — площадь поперечного сечения головки в горизонтальной плоскости (втулку поршневого подшипника не учитывают), м2
Допускаемые значения [bp]= (30/60) МПа, причем меньшие значения относятся к углеродистой стали, большие — к легированной.
Максимальное давление в поршневом подшипнике, определяемое по выражению p=Pz/(dlm) (см. рис. 75), не должно превышать 15—20 МПа для малооборотных дизелей и 25—50 МПа для среднеоборотных. Меньшие значения относятся к подшипникам из оловянистой бронзы, большие — из свинцовистой бронзы.
Нижняя головка. В ней расположен кривошипный подшипник шатуна. В случае если головка выполнена отъемной (рис. 77, г), кривошипный подшипник создают наплавкой антифрикционного сплава в ее верхней 11 и нижней 6 половинках. При отъемной головке степень сжатия в цилиндре можно регулировать изменением толщины прокладки 12 под пяткой 14 шатуна: при увеличении толщины прокладки уменьшается объем пространства сжатия, т. е. увеличивается степень сжатия.
На двигателях, построенных за последние годы, прокладку 12 не ставят так как она уменьшает общую жесткость всей нижней головки Хотя общая масса шатуна с отъемной головкой больше, чем с неотъемной, ремонт его проще.
Верхнюю половинку 11 кривошипной головки центрируют с пяткой 14 шатуна с помощью выступа 17 и шатунных болтов 9. Нижняя половинка (крышка кривошипного подшипника) 6 направляется или шатунными болтами, или выступами 22 (см. рис. 77, е) на краях крышки, а иногда и теми и другими. Между половинками предусматривают наборы прокладок 8 (см. рис. 77, г) для регулирования масляного зазора.
Рис. 77, Головки шатунов:
а, б, в — поршневые: г, д, в, ж — кривошипные
Однако в целях обеспечения большей жесткости подшиипника от них часто отказываются.
Для заливки кривошипных подшипников используют такие же сплавы, как и для рамовых.
Масло для смазывания кривошипного подшипника поступает из осевого канала коленчатого вала на поверхность шейки через одно или два отверстия. При одном отверстии в подшипнике Прорезают кольцевую канавку ж, Из нее масло поступает в холодильники 19, затем через отверстия е, трубку 18 — к подшипнику верхней головки шатуна.
Кривошипный подшипник в неотъемной нижней головке создают стальные вкладыши 34 и 35 (рис. 77, д) с наплавленным антифрикционным сплавом. От проворачивания вкладыши фиксируют штифтами 31, 33, а штифт 32 — нижнюю крышку шатуна относительно верхней части. Иногда у краев вкладышей протачивают выточки под шатунные болты, которые в этом случае и фиксируют вкладыши.
Встречаются шатуны, в кривошипной головке которых предусмотрен лишь один верхний вкладыш, а на нижнюю половинку наплавлен антифрикционный сплав.
В небольших двигателях кривошипная головка часто выполнена с косым разъемом (рис. 77, е) для удобства обслуживания. Крышка 24 прикреплена к головке 20 шпильками 23, застопоренными штифтами 21, а направляется выступами 22. Вкладыши у такого типа головок тонкостенные, при изнашивании их заменяют новыми. Для увеличения жесткости головки регулировочные прокладки не ставят.
К шатунам V-образных судовых двигателей конструируют общую для двух цилиндров кривошипную головку. К пальцу 26 главного шатуна 25 (рис. 77, ж) прикреплен прицепной шатун 27, нижняя головка которого снабжена бронзовой втулкой 28 (в ней установлен палец 26), смазываемой маслом, поступающим из кривошипной шейки коленчатого вала по каналам и и к. Крышка 30 закреплена двумя коническими штифтами 29, вставляемыми в ушки крышки и головки.
Шатунные болты. Обычно кривошипная головка закреплена двумя болтали, по одному с каждой стороны (см, рис. 77, г), а иногда и четырьмя (см. рис. 77, д). У головки с косым разъемом (см рис. 77, е) число крепежных шпилек достигает шести. Шатунные болты одновременно скрепляют и центрируют составные части головки. На стержне 9 болта (см. рис. 77, г) предусмотрены центрирующие пояски 7 и 13. Точность соединения нижней 6 и верхней 11 половинок подшипника обеспечивает поясок 7. Поясок 13 центрирует пятку 14 стержня шатуна с верхней половинкой 11. Иногда для центрирования применяют штифты 32 (см. рис. 77, д) и выступы 22 (см. рис. 77, е) у головки или центрирующие бурты 2 (см. рис. 76) у крышки. От проворачивания шатунные болты фиксируют штифты 5 (рис. 77, г), а от выпадания — винт 10, Гайки 15 шатунных болтов корончатые, застопорены соответствующими стандартными шплинтами 16.
Шатунные болты — весьма ответственная деталь. Обрыв их ведет к крупной аварии. Во время работы дизеля шатунные болты испытывают растяжение от силы инерции поршня и стержня шатуна, действующей в конце такта выпуска и в начале такта впуска, Эта сила — переменная, близкая к ударной. Болты могут испытывать ударные нагрузки и при заедании поршня. Поэтому шатунные болты четырехтактных дизелей должны быть изготовлены из легированной стали с механическими свойствами не ниже, чем у стали 40ХН. В двухтактном двигателе сила инерции всегда противодействует давление газа на поршень, вследствие чего шатунные болты могут быть выполнены из менее качественной стали.
Гайки шатунных болтов четырехтактных дизелей изготавливают из стали 40Х, в обоснованных случаях — из стали 18Х2Н4ВА.
Чтобы избежать концентрации напряжений, шатунные болты должны быть правильно обработаны без резких переходов от одного сечения к другому, рисок, царапин, забоев; резьба должна быть мелкой и чистой, без заусенцев и задиров.Никакие дополнительные усилия на срез, изгиб шатунные болты не должны испытывать. Поэтому равномерность прилегания головки и гаек проверяют «по краске».Болты должны быть затянуты достаточно для обеспечения жесткости соединения, но не чрезмерно при перетяжке может быть превышен предел текучести материала и болт при работе двигателя порвется Шатунные болты затягивают с определенной силой, указываемой в инструкции. Если предусмотрен динамометрический ключ, допускающий затяжку гаек лишь с определенным усилием, то следует пользоваться только им. Длину болта контролируют микрометрической скобой: появление остаточного удлинения является браковочным признаком болта.Гайка болтов должны быть надежно зашплинтованы, причем применять шплинты несоответствующего размера не допускается.
Поскольку болт испытывает переменные напряжения, он может порваться вследствие усталости металла. Поэтому в срок, указанный в инструкции по эксплуатации двигателя, шатунные болты необходимо заменять независимо от внешнего состояния. Принебрегать сроками замены шатунных болтов весьма опасно.
Скачать реферат:
Пароль на архив: privetstudent.com