Шатун поршня: назначение, конструкция, основные неисправности
Конструкция шатуна
Шатун передает энергию от поршня к коленчатому валу. При этом он совершает два вида движения: круговое и возвратно-поступательное. Первое происходит в месте соединения его нижней головки с коленвалом, второе – в зоне соединения верхней головки с поршнем. Вследствие такой конструкции шатун постоянно испытывает высокие нагрузки во время работы.
Шатун поршня состоит из следующих элементов.
Поршневая головка
Верхняя (поршневая) головка представляет собой цельную неразборную конструкцию, которая соединяется с поршнем при помощи пальца: плавающего или фиксированного.
В верхней головке плавающего пальца обычно расположены бронзовые или биметаллические втулки. Если их нет, палец свободно двигается в отверстии головки шатуна.
Для того, чтобы данный механизм функционировал нормально, ему требуется достаточное количество смазки.
Чтобы обеспечить необходимый уровень натяга, фиксированный палец вставляется в цилиндрическое отверстие меньшего диаметра.
Так как на верхнюю головку действуют очень высокие нагрузки, она имеет трапециевидную форму. Это позволяет увеличить опорную поверхность при работе поршня.
Кривошипная головка
Нижняя (кривошипная) головка соединяет коленчатый вал и шатун. Многие шатуны обладают разъемной кривошипной головкой, что зависит от метода сборки двигателя. Крышку головки с шатуном соединяют болты, штифты или бандажное крепление.
На каждый шатун можно установить только ту крышку, которой он оснащался с завода, так как она обладает определенным весом и размером. При ремонте данную деталь заменить нельзя.
По расположению стержня головка может быть прямой или косой.
В нижней части шатунной головки располагаются подшипники скольжения, схожие с коренными вкладышами коленчатого вала. Их изготавливают из стальной ленты, которая изнутри обработана антифрикционным материалом с высокими износостойкими характеристиками. Особенностью этого слоя является то, что он работает только в присутствии моторного масла, а в режиме «сухого трения» очень быстро истирается.
Покрытие может наноситься как на заводе-изготовителе, так и при дальнейшем обслуживании двигателя в условиях гаража или автосервиса. Для защиты подшипников скольжения и других деталей силового агрегата оптимально подходит антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY Для деталей ДВС.
Чаще всего его применяют на юбках поршней, дроссельных заслонках, вкладышах распредвала, подшипниках скольжения.
MODENGY Для деталей ДВС обладает следующими преимуществами:
- Имеет широкий диапазон рабочих температур: от -70 до +260 °C
-
Повышает КПД двигателя
-
Снижает трение и износ
-
Защищает детали от задиров в режиме масляного голодания
-
Снижает расход топлива
-
Отверждается при комнатной температуре
Совместно с покрытием рекомендуется использовать Специальный очиститель‑активатор MODENGY.
Он не только убирает разнородные загрязнения с поверхностей, но и образует пленку, улучшающую адгезию покрытия с основанием.
Силовой стержень
Силовой стержень многих шатунов имеет двутавровую форму и расширяется от верхней головки к нижней. В дизельных двигателях используются более прочные и массивные детали, чем в бензиновых. В спорткарах устанавливаются шатуны, изготовленные из алюминия. Благодаря такому решению снижается масса автомобиля.
Все шатуны должны иметь одинаковый вес, в противном случае усилятся вибрации при работе силового агрегата.
Из чего изготавливают шатуны?
Каждый производитель стремится уменьшить вес деталей КШМ и снизить производственные затраты. Но так как на шатуны в процессе работы двигателя воздействуют высокие нагрузки, уменьшать их массу нежелательно – это может пагубно отразиться на прочности изделий.
При массовом производстве шатуны для бензиновых двигателей изготавливают из специального чугуна методом литься. Это позволяет добиться практически идеального соотношения прочности и стоимости деталей.
В дизельных силовых агрегатах шатуны испытывают более высокие нагрузки, поэтому их производят из легированной стали методом горячей ковки или горячей штамповки. Получаемые детали прочнее, но при этом дороже литых.
В мощных автомобилях и спорткарах используются шатуны из титановых и алюминиевых сплавов. Они в два раза легче стальных и чугунных, что позволяет снизить вес двигателя и увеличить его оборотистость.
Большое значение играет конструкционный материал, из которого изготовлены болты крепления крышки шатунной головки. Их производят из высоколегированной стали, предел текучести которой в 2-3 раза больше, чем у обычной углеродистой.
Почему шатуны выходят из строя?
Основной причиной выхода шатунов из строя является износ деталей.
Верхняя головка редко подвергается ремонту, а рабочий ресурс втулки нередко оказывается равен ресурсу самого двигателя.
Нарушение формы или разрушение шатуна может произойти вследствие гидроудара, попадания внутрь двигателя абразивных веществ и посторонних предметов, соударения головки блока и поршня.
Подшипники нижней головки могут выйти из строя вследствие недостаточного смазывания. Определить такую неисправность можно по замятию вкладышей, удлинению шатунных болтов, темно-синему окрасу шатунной головки и потемнению вкладышей.
К поломке шатуна приводит недостаточный уровень масла в двигателе, засорение масляного фильтра, загрязнение цилиндра абразивами и посторонними предметами.
Ремонт шатунов
Шатуны нуждаются в ремонте, если наблюдаются:
Перед началом работ шатун тщательно осматривается, при помощи нутрометра измеряется диаметр детали, зазоры в верхней и нижней части.
Если все показатели в норме, менять шатун не потребуется. При деформации стержня отверстия головок перестают быть параллельными, что приводит к перекосу цилиндра. Об этом свидетельствуют повышенная шумность двигателя при работе на холостом ходу, следы износа на коленвале, головке шатуна, поршне и стенках цилиндра. Еще одним методом проверки шатуна на деформацию является его раскачка на специальной проверочной плите.
После проведения всех необходимых измерений приступают к ремонту.
Чтобы получить нужную геометрию зазора нижнего шатуна, необходимо убрать небольшое количество металла с поверхности крышки головки. После этого крышка ставится назад и фиксируется при помощи болтов.
Расточка отверстия головки по требуемому размеру производится на расточном или универсальном станке. После операции выполняется хонингование.
Если зазор под поршневой палец увеличен, бронзовая втулка под верхнюю головку меняется, и новая деталь принимает нужный размер.
Очень важно, чтобы отверстия головки и втулки совместились. В этом случае масло не будет попадать на поршневой палец.
Шатунные вкладыши и юбки поршней рекомендуется дополнительно обработать антифрикционным покрытием.
Шатун поршня: конструкция, причины неисправности, ремонт
Шатун поршня обеспечивает передачу энергии от поршня к коленчатому валу. Первое применение таких деталей датируется концом III века н.э. Устройства, похожие на современные шатуны использовались на лесопилках в Малой Азии, принадлежавшей Римской империи. Они служили для преобразования вращательного движения водяного колеса в поступательно для привода пилы. Подобные конструкции были обнаружены при раскопках в Эфесе, которые датируются VI веком н.
э.
Шатун в процессе работы совершает 2 вида движения – круговые, в месте соединения нижней головки с коленвалом, и возвратно-поступательные, в месте соединения верхней головки и поршня. При эксплуатации двигателя на данную деталь постоянно воздействуют высокие нагрузки.
В шатун входят следующие элементы:
- Верхняя головка (поршневая)
- Нижняя головка (кривошипная)
- Силовой стержень
Поршневая головка
Поршневой палец соединяет верхнюю головку с поршнем. Сама головка представляет собой цельную неразборную конструкцию. Палец может быть плавающим и фиксированным.
В первом случае в верхнюю головку пальца впрессовываются бронзовые или биметаллические втулки. Но это относится не ко всем двигателям. Существуют модификации, где этих втулок нет, а сам палец свободно вращается в отверстии головки шатуна благодаря зазору. Для обеспечения работоспособности подобной детали важно обеспечить смазывание поршневого пальца.
Для установки фиксированных пальцев в головке шатуна проделывается отверстие цилиндрической формы, изготовленное с очень высокой точностью. Диаметр этого отверстия меньше, чем диаметр поршневого пальца. Благодаря этому обеспечивается необходимый натяг при соединении двух деталей.
Верхняя головка шатуна имеет форму трапеции. Это позволяет увеличить опорную площадь поверхности при работе поршня и снизить разрушительное воздействие очень высоких нагрузок.
Кривошипная головка
Кривошипная головка служит для соединения шатуна и коленвала. В большинстве шатунов этот элемент разъемный, что обусловлено методом сборки двигателя. Крышка головки фиксируется на шатуне болтами, но в некоторых случаях для этих целей используют штифты или бандажное крепление.
На шатуне можно использовать лишь ту крышку, которая была установлена на заводе. Это обусловлено тем, что она имеет определенный вес и размер, и потому не может быть заменена на другую.
Разъем головки относительно расположения стержня может быть прямым (90° к оси) или косым (под определенным углом к оси). В V-образных ДВС применяется последний вид.
В нижней части шатунной головки находятся подшипники скольжения, схожие с коренными вкладышами коленчатого вала. Для их производства используется стальная лента, с внутренней стороны покрытая антифрикционным материалом, который обладает высокими противоизносными характеристиками. Данный слой работает исключительно при наличии моторного масла, в противном случае он быстро разрушается.
Для подшипников скольжения шатунов, коренных подшипников коленвала, юбок поршней, распределительных валы, втулок пальцев, в дроссельной заслонке подходит антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY Для деталей ДВС.
Данный материал эффективно снижает трение и износ, предотвращает заклинивание поршня в цилиндре и задир поверхностей.
Он не разрушается при длительном воздействии моторного масла, предотвращает движение рывками, работает в режиме масляного голодания.
Благодаря аэрозольной упаковке с выверенными параметрами распыления нанесение покрытия не вызывает затруднений. Полимеризация материала происходит как при комнатной температуре, так и при нагреве.
Силовой стержень
Стержень шатуна имеет двутавровую форму и расширяется от верхней головки к нижней. В дизельных двигателях, в отличие от бензиновых, шатуны более прочные и массивные. В спорткарах для производства этих деталей используется алюминий, что способствует снижению массы автомобиля.
Все шатуны в двигателе должны иметь одинаковую массу. В противном случае при работе ДВС будут сильные вибрации. Это требование распространяется также на обе головки детали. Для выравнивания веса шатунов их взвешивают на очень точных весах.
После этого, выбрав самый легкий шатун, подгоняют массу других деталей под него путем снятия части металла на головках детали и с бобышек на стержне.
Каждый автопроизводитель стремиться снизить затраты на производство и уменьшить вес деталей кривошипно-шатунного механизма. Но, ввиду того, что при работе шатуны испытывают высокие нагрузки, уменьшение их массы может отрицательно отразиться на прочности.
Для бензиновых серийных ДВС при массовом производстве шатунов применяется метод литья из специального чугуна. При такой технологии изготовления обеспечивается идеальный баланс между себестоимостью и прочностью детали.
Шатуны для дизельных силовых агрегатов производятся методом горячей ковки или штамповки из легированной стали, так как использование литья для таких ДВС неуместно. Прочность таких изделий гораздо выше, чем у литых, но их стоимость и производство обходится дороже.
В автомобилях с форсированными ДВС и спорткарах используются шатуны из алюминиевых и титановых сплавов.
Это позволяет повысить мощность двигателя и снизить его вес. Вес таких деталей на 50 % меньше, чем у стальных и чугунных шатунов.
Болты крепления крышки шатунной головки изготавливают из высоколегированной стали. В отличие от обычной углеродистой стали предел текучести такого материала в 2-3 раза выше.
Износ деталей – основная причина выхода из строя шатуна. Ремонт верхней головки производится редко, а срок службы втулки эквивалентен ресурсу всего ДВС. Но существуют явления, при которых шатун может изогнуться или полностью разрушаться. Это происходит вследствие столкновения поршня с головкой блока, гидроудара или попадания в камеру абразивных веществ и посторонних предметов.
Подшипники нижней головки изнашиваются по причине неудовлетворительного смазывания. Об этом свидетельствует удлинение шатунных болтов, изменение цвета частей вкладышей (чернеют) и шатунной головки (становится темно-синей), замятие вкладышей.
В случае, если смазывание обеспечивалось должным образом, причиной поломки служит разрушение или износ самих подшипников.
Причинами поломки шатуна может быть засорение фильтров, недостаточный уровень моторного масла и его несвоевременная замена, потеря маслом рабочих свойств, попадание в цилиндр загрязнений и абразивов.
Ремонт шатунов возможен в следующих случаях:
-
При деформации стержня
-
При износе зазора в верхней головке
-
При износе зазора и поверхности нижней части головки
Ремонтные работы начинаются с тщательного осмотра деталей. В первую очередь производится измерение овала и диаметра, зазоров в верхней и нижней части шатуна. Для этого используется нутрометр. При нормальных показателях замена шатуна не нужна. При деформации стержня отверстия головок непараллельны, в результате чего происходит перекос цилиндра, износ коленвала, головки шатуна, поршня и стенок цилиндра.
Об этом свидетельствует повышение шумности ДВС при работе на высоких оборотах. Существует еще один способ проверки шатуна на деформацию – деталь устанавливается на проверочную плиту и раскачивается.
После осмотра можно производить ремонт. Качество работ напрямую зависит от точности специального оборудования.
Добиться нужного размера зазора нижнего шатуна позволяет снятие некоторого количества металла с поверхности крышки головки. Затем крышку следует установить на штатное место и зафиксировать при помощи болтов.
При расточке отверстия головки нужно учитывать заданный размер детали. Операция выполняется на расточном или универсальном станке. После этого выполняется хонингование.
При увеличенном зазоре под поршневой палец необходимо поменять бронзовую втулку под верхнюю головку. Новая деталь в процессе приработке примет нужный размер.
Следует учитывать, что отверстия втулки и головки должны совместиться, иначе моторное масло, выходящее из поршня, не попадет на поршневой палец.
После расточки следует взвесить шатуны и подогнать их по массе. Для этой процедуры используется самая легкая деталь.
Шатунные вкладыши дополнительно следует обработать антифрикционным покрытием MODENGY Для деталей ДВС.
Возврат к списку
Поршни и шатуны двигателей
Функция поршня состоит в том, чтобы действовать как подвижная заглушка в цилиндре, образуя нижнюю часть камеры сгорания. Между поршнем и стенкой цилиндра имеется газонепроницаемое уплотнение, так что единственный способ расширить горячие газы сгорания — это заставить поршень опуститься. Это тот же принцип, что и у пушечного ядра, но вместо того, чтобы лететь в чей-то любимый пиратский корабль, поршень выталкивается обратно вверх по цилиндру вращающимся коленчатым валом, и цикл повторяется.
Более 60 % трения внутри двигателя возникает из-за движения поршня в сборе, поэтому это основное направление для повышения эффективности двигателей. Поршень все еще находится в стадии разработки и исследований, как мы вскоре увидим более подробно.
При изменении направления движения поршня вверх и вниз возникают огромные силы. Более легкий поршневой узел имеет меньший импульс, поэтому он оказывает меньшее усилие и позволяет использовать двигатели с более высокими оборотами. Это означает, что существует постоянный толчок к уменьшению веса шатуна и поршня.
Поршень соединен с коленчатым валом через шатун , часто сокращается до стержень или шатун . Эти части вместе называются поршень в сборе . Оба конца шатуна могут свободно поворачиваться: часть шатуна, которая соединяется с поршнем, называется маленький конец , а конец, который крепится к коленчатому валу, называется большой конец . Большой конец будет иметь вкладыши подшипников которые минимизируют трение и поддерживают точный масляный зазор с шатунной шейкой на коленчатом валу.
Шатун разделен на две части — с крышка штока используется для зажима вокруг подшипника шатуна и коленчатого вала.
Компоненты сборки поршня
Поршень
Вся мощность в двигателе создается за счет силы, действующей на верхнюю часть поршня. Эта сила определяется как произведение площади поршня на давление газа. Большие поршни и более высокое давление газа обеспечат большую мощность. В целом размер поршня ограничен конструкцией двигателя, но поршень играет жизненно важную роль в поддержании высокого давления газа, создавая газонепроницаемое уплотнение со стенкой цилиндра.
Верхняя поверхность поршня называется корона (также головка или купол ). В серийных двигателях существуют различные формы короны, но обычно она бывает плоской, выпуклой или выпуклой.
[Различные формы коронок]
Почти все современные поршни включают предохранительные клапаны которые обеспечивают зазор вокруг клапанов в верхней части хода поршня.
Головка, являющаяся областью непосредственного контакта с горячими дымовыми газами, сильно нагревается. Именно эта область расширяется больше всего, поэтому от нижней части поршня будет небольшой конус внутрь, чтобы обеспечить больший зазор вокруг этой верхней площадки между головкой и верхним поршневым кольцом.
Хотя нам нужно газонепроницаемое уплотнение, нам также нужно, чтобы поршень плавно двигался по цилиндру с минимальным трением, поэтому поршню требуется некоторое зазор . Типичный поршень имеет зазор 0,1 мм (0,004 дюйма) между собой и стенкой цилиндра, что примерно равно ширине человеческого волоса. Чтобы сохранить этот зазор, поршень должен быть точно обработан, а сплав, из которого он сделан, точно рассчитан с учетом теплового расширения.
Небольшой зазор между поршнем и стенкой цилиндра перекрывается поршневые кольца , которые входят в канавки на поршне в области, известной как поршневой ремень . Промежутки между этими бороздками называются кольцевые земли .
Поршень прикреплен к шатуну короткой полой трубкой, называемой штифт на запястье , или поршневой палец . Этот штифт на запястье несет всю силу горения.
На поршень действуют не только вертикальные силы во время сгорания, но и боковые силы, вызванные постоянно изменяющимся углом наклона шатуна. Из-за этих боковых сил поршень нуждается в гладких поверхностях, чтобы прижиматься к стенке цилиндра и удерживать поршень в вертикальном вертикальном положении. Боковые поверхности поршня называются юбка поршня .
[Полная юбка против юбки-тапочки]
Есть два типа юбок. Самым основным является пышная юбка или сплошная юбка, представляющая собой поршень классической трубчатой формы. Эта конструкция до сих пор используется в двигателях грузовиков и больших коммерческих автомобилей, но уже давно заменена на легковых автомобилях и мотоциклах более легкой конструкцией, известной как скользящий поршень .
У плунжерного поршня срезана часть юбки, оставлены только поверхности, которые опираются на переднюю и заднюю стенки цилиндра.
Это удаление минимизирует вес и уменьшает площадь контакта между поршнем и стенкой цилиндра, тем самым уменьшая трение.
Современные серийные двигатели дополнительно снижают трение между поршнем и стенкой цилиндра за счет использования покрытия поршня с низким коэффициентом трения , похоже на тефлон в сковороде с антипригарным покрытием. Эти покрытия обычно наносят методом трафаретной печати на юбки поршней, например, как показано на рисунке покрытие на основе графита на двигателе Ford Fiesta Ecoboost.
[Поршень Ford]
Когда поршень толкается вниз во время такта сгорания, он оказывает боковое усилие в направлении, противоположном наклонному шатуну. Направление цилиндра, на которое действует эта сила, известно как сторона тяги, и и поршень, и стенка цилиндра будут подвергаться большему износу в этой области.
[Диаграмма тяги]
Поршень сильно нагревается и должен эффективно рассеивать это тепло. Тепло от поршня поступает в три места: в виде лучистого тепла в камеру сгорания, в стенки цилиндра через поршневые кольца и вниз по шатуну.
Кроме того, во многих двигателях поршень охлаждается за счет распыления масла на его нижнюю часть.
Поршневые кольца
Поршневые кольца устанавливаются вокруг поршня, перекрывая небольшой зазор между поршнем и стенкой цилиндра. На поршне обычно три поршневых кольца, и они выполняют разные функции.
Компрессионные кольца
Два верхних кольца называются компрессионные кольца (также известен как прижимные кольца или газовые кольца ) и их основная роль заключается в предотвращении попадания газов через небольшой зазор между поршнем и стенкой цилиндра. Этот проход газа мимо поршня в картер известен как продувка и должно быть сведено к минимуму для поддержания сжатия.
Компрессионные кольца обычно изготавливаются из цельного чугуна и оказывают внешнее давление на стенку цилиндра. Это внешнее давление возникает из-за естественной упругости колец, но на такте сгорания дополняется давлением газа за кольцами, которое более плотно прижимает их к стенке цилиндра.
[Давление газа за компрессионными кольцами]
Важно отметить, что компрессионные кольца не оказывают бокового давления на поршень и не служат для него направляющими. Канавка в поршне будет глубже, чем ширина поршневого кольца, что позволит кольцу двигаться по масляной пленке.
Компрессионные кольца также передают тепло от поршня к стенке цилиндра, где оно рассеивается в охлаждающей жидкости, протекающей через водяные рубашки.
Эти кольца разбиты с небольшим зазором, что позволяет устанавливать и снимать их над поршнем. Ширина этого Зазор поршневых колец будет указан производителем и может быть измерен путем помещения кольца внутрь цилиндра и измерения зазора щупом. На этой иллюстрации зазоры сильно преувеличены, в действительности они будут очень тонкими — 0,2 мм или меньше.
Маслосъемные кольца
Кольцо нижнее на поршень маслосъемное кольцо . Масло постоянно разбрызгивается на стенки цилиндров либо из отверстий в шатунах, либо форсунками, установленными в картере.
Для минимального трения нам нужна тонкая масляная пленка, а функция маслосъемного кольца состоит в том, чтобы удалять излишки масла и оставлять идеальную масляную пленку для скольжения компрессионных колец и юбки поршня.
Нам определенно не нужно масло в камере сгорания: присутствие масла может вызвать плохое сгорание, высокие выбросы, избыточное нагарообразование на клапанах и поршнях и сизый дым — все это плохие новости для плавно работающего двигателя.
Маслосъемное кольцо обычно состоит из двух тонких хромированных скребковых колец с прокладкой между ними, позволяющей удалять масло. Он предназначен для скольжения по маслу при движении вверх и соскребания его при движении вниз. Это известно как сегментированный дизайн. В канавке управления маслом будут просверлены отверстия, позволяющие лишнему маслу легко стекать обратно в картер.
Установка новых поршневых колец
Область стенки цилиндра над верхним компрессионным кольцом не задевается кольцами и меньше изнашивается.
Это может привести к образованию гребня в течение всего срока службы двигателя. Если новые кольца устанавливаются на цилиндр, который не подвергался повторной расточке, то может потребоваться кольцо с удаленной выемкой, известное как обводной выступ, чтобы гарантировать, что новое кольцо не соприкасается с этим гребнем материала.
[Схема смещения колец]
При установке новых колец зазоры должны быть смещены и никогда не должны находиться на одной линии друг с другом, чтобы предотвратить прямой выход газов.
булавка на запястье
Поршень крепится к шатуну через полую трубку из закаленной стали, известную как штифт на запястье или поршневой палец . Этот штифт проходит через малый конец шатуна и позволяет ему поворачиваться на поршне.
Существует два способа крепления штифта на запястье. А полуплавающий В конструкции штифт закреплен в шатуне, но может свободно вращаться в отверстиях в поршне. А полностью плавающий поршневой штифт будет свободно вращаться как в малом конце, так и в поршне, и будет закреплен на месте с помощью стопорных колец или тефлоновых кнопок на концах штифта.
Для полностью плавающего штифта внутри маленького торцевого отверстия предусмотрена сменная втулка.
Поршневой палец может быть немного смещен в сторону, а не точно по центру поршня. Это известно как штифт на запястье со смещением и используется для уменьшения поперечного движения поршня внутри цилиндра. Чрезмерное движение из стороны в сторону известно как стук поршня из-за производимого им стука.
Шатун
шатун передает усилие от поршня к коленчатому валу, он постоянно подвергается растягивающим, сдавливающим и изгибающим силам, так как действует как посредник в этих двухтактных отношениях. Шатун должен быть конструктивно прочным, и не случайно он имеет форму миниатюрной стальной двутавровой балки, похожей на своих больших братьев, поддерживающих небоскребы и мосты. Профиль двутавровой балки обеспечивает максимальную прочность конструкции при минимальных затратах веса, и, как и в случае с поршнем, мы хотим максимально снизить вес шатуна.
Требуемая прочность шатуна означает, что он изготовлен из кованой стали или порошковой стали. Экзотические двигатели могут иметь титановые шатуны. Чугун не используется из-за его веса.
Верхняя часть шатуна, прикрепленная к поршню, называется маленький конец . Он не всегда будет иметь подшипники. От малого конца стержень проходит по профилю в форме двутавровой балки вниз к большой конец который разделен на две части, чтобы он мог поместиться вокруг шейки коленчатого вала. Нижняя часть стержня называется крышка штока и он будет прикреплен либо шпильками, либо болтами к самому стержню.
В настоящее время стержень обычно изготавливается как единое целое, а затем колпачок стержня надрезается и отламывается. Это оставляет неровную поверхность на сопрягаемой поверхности, но придает большую прочность. Крайне важно, чтобы крышки шатунов не перепутались с другими шатунами — они входят в комплект.
Шатунная шейка будет иметь вкладыши подшипника, разделенные на две половины, эти вкладыши подшипника будут изготовлены из того же материала, что и коренные шейки.
Подшипники шатуна смазываются маслом, поступающим под давлением через каналы в коленчатом валу.
Во многих шатунах просверлено отверстие от большого конца вверх через вал к выпускному отверстию где-то по всей длине. Этот канал позволяет маслу проходить вверх по шатуну от большой головки и распыляться на упорную область стенки цилиндра, где трение максимально.
Неисправности
Шлепок поршня
Износ стенки цилиндра или юбки поршня может привести к слишком большим зазорам между поршнем и стенкой цилиндра. Это допускает чрезмерное перемещение поршня из стороны в сторону. Когда поршень меняет направление в верхней и нижней части своего хода, это может привести к его ударам о стенку цилиндра, вызывая шум, известный как стук поршня .
Стук поршня обычно усиливается, когда двигатель холодный, до того, как поршень успел нагреться и расшириться. Его можно вылечить путем механической обработки цилиндра и использования поршня увеличенного размера.
Модификации и обновления
Модернизированные поршни и шатуны
Установка комплекта более прочных и легких шатунов и поршней сделает двигатель более мощным. Это может быть важно для турбонаддува или наддува двигателя. Переход от кованых стержней к титану или порошковой (спекшейся) стали приведет к более прочному двигателю.
Покрытия поршней
Как обсуждалось выше, недавно разработанные двигатели часто имеют антифрикционное покрытие, наносимое на поршни на заводе. Но эти покрытия также доступны на вторичном рынке для снижения трения и увеличения (или уменьшения) теплопередачи.
[Примеры покрытий]
- Покрытия наносятся на юбку для уменьшения трения между ней и стенкой цилиндра.
- может быть нанесено на головку и предназначено для отражения тепла обратно в камеру сгорания и уменьшения его количества, передаваемого поршню.
- Нижняя сторона поршня может иметь нескользящее покрытие, известное как маслоотталкивающее покрытие который отталкивает масло, тем самым уменьшая вес узла и обеспечивая более эффективное охлаждение масла.
Engine Tech 201: нижняя часть | Поршни, шатуны, кривошипы, подшипники и втулки
Говорят, что «надо начинать снизу, если хочешь добраться до вершины». То же самое можно сказать и о создании высокопроизводительного двигателя. Нужно начать наращивать нижний уровень, если они хотят реализовать производительность на высшем уровне. В то время как турбокомпрессоры, нагнетатели, распределительные валы и головки цилиндров с отверстиями привлекают внимание большими показателями мощности, нижняя часть двигателя фактически отвечает за надежную передачу всей мощности. Технологические достижения в области поршней, шатунов, коленчатых валов и втулок, которые редко получают должное признание, являются основной причиной того, что сегодняшние двигатели обеспечивают большую мощность и надежность, чем когда-либо прежде.
Автор Майкл Феррара, фото сотрудников и производителей
DSPORT Выпуск #151
Высокопроизводительный поршень вторичного рынка может повысить производительность шестью различными способами.
Во-первых, кованый поршень может быть изготовлен с различными размерами отверстия для увеличения рабочего объема двигателя. Сколько мощности? Процентное увеличение рабочего объема за счет поршня большего диаметра обеспечит равнопроцентное увеличение крутящего момента и мощности. Во-вторых, поршни послепродажного обслуживания можно заказать с более высокой степенью сжатия, чем у заводского поршня. Более высокая степень сжатия улучшает тепловой КПД двигателя. Это позволяет двигателю производить больше мощности при снижении температуры выхлопных газов. Для большинства применений увеличение степени сжатия на полную точку обычно приводит к увеличению мощности и крутящего момента на четыре процента. В-третьих, кованые поршни вторичного рынка в сочетании с качественным комплектом поршневых колец, как правило, обеспечивают улучшенное кольцевое уплотнение. Это улучшенное кольцевое уплотнение означает, что давление остается в цилиндре, а не уходит в картер. В результате двигатель снова развивает большую мощность и работает более эффективно.
В-четвертых, хорошо спроектированный поршень после продажи высвободит дополнительную мощность за счет уменьшения трения в цилиндре. Во многих случаях в кованых поршнях будут использоваться более тонкие наборы колец и профиль юбки, который значительно уменьшает контакт цилиндра с поршнем. Некоторые производители идут еще дальше и наносят на юбки поршня сухую смазку, чтобы минимизировать трение. В-пятых, более прочный сплав, используемый в кованых поршнях, может выдерживать большее давление наддува в двигателях с наддувом. Повышенное давление наддува в сочетании с правильным количеством топлива и моментом зажигания приведет к увеличению мощности. Наконец, поскольку материал и производственный процесс, используемые для изготовления кованого поршня, превосходят литые поршни, вес поршня часто можно уменьшить. Поршень также может быть спроектирован так, чтобы использовать более короткий поршневой палец для дальнейшего снижения общего веса. Легкий поршень позволяет двигателю работать более комфортно на более высоких оборотах двигателя (об/мин), а также делает его более отзывчивым.
Надлежащие зазоры, такие как зазоры между поршнем и стенкой, между поршнем и платформой, между поршнем и головкой и торцевые зазоры поршневых колец, необходимы для максимальной производительности и надежности. Хонингование цилиндра всегда должно выполняться с помощью динамометрической пластины (также известной как хонинговальная пластина).
В дополнение к шести возможностям повышения выходной мощности, кованый поршень вторичного рынка также может обеспечить шесть способов повышения прочности и надежности. Во-первых, кованые поршни имеют превосходные физические характеристики по сравнению с алюминиевым сплавом, используемым в литых поршнях. Это означает, что вы начинаете с превосходного материала. Во-вторых, кованый поршень вторичного рынка может изменить положение кольцевых канавок, чтобы опустить пакет колец от тепла или увеличить размер контактной площадки кольца, которая подвержена повреждению от детонации. В-третьих, с помощью анализа методом конечных элементов и компьютерного моделирования производитель поршня может изменить конструкцию поршня, чтобы обеспечить максимальное соотношение прочности и веса.
В-четвертых, в том же духе производитель поршня с высокими эксплуатационными характеристиками может увеличить толщину материала в таких критических областях, как днище и бобышка поршня. Еще одним побочным эффектом уменьшения массы поршня является снижение напряжения и повышение надежности. В-пятых, производитель поршней может нанести тепловой барьер на головку поршня, чтобы ограничить передачу тепла через поршень. Наконец, разработчик поршня может использовать поршневые пальцы большего диаметра или с более толстыми стенками, чтобы выдерживать высокие нагрузки и нагрузки, связанные с увеличением потребляемой мощности.
Прилив поршневого пальца подвергается наибольшему напряжению и деформации в поршне.
Шатун является важным связующим звеном между поршнем и коленчатым валом. Вся мощность, вырабатываемая в цилиндре, полезна только в том случае, если ее можно передать коленчатому валу. Заводские шатуны спроектированы таким образом, чтобы выдерживать нагрузки, возникающие при стандартных уровнях мощности и оборотов.
Генерация дополнительной мощности и увеличение оборотов до более высоких, чем заводские, оборотов двигателя создаст большее напряжение и нагрузку, которые заводские инженеры когда-либо предполагали для заводских шатунов. Некоторые двигатели имеют прочные заводские шатуны, в результате чего можно добиться прироста мощности от умеренного до значительного без вреда для двигателя. На других двигателях некоторые заводские шатуны едва справляются со стандартными уровнями мощности и оборотов. Двигатели Honda серии D, как известно, имеют стержни, которые создают окна в блоке, когда на двигателе делается что-либо, выходящее за рамки предельного прироста мощности.
Почти все высокопроизводительные шатуны изготовлены из высокопрочной легированной стали 4340. Шатуны из высокопрочной стали изготавливаются из поковки. Несмотря на простой внешний вид шатуна, его поковка на самом деле выдержит почти в два раза больше операций, чем рабочий поршень. Это одна из причин того, что высококачественные шатуны имеют высокую цену.
Вот пример двутаврового стержня (вверху) и двутаврового стержня (внизу). Обе конструкции могут выполнять свою работу, если они спроектированы правильно.
Если вы ходили по магазинам для стержней, вы, возможно, столкнулись с конструкциями с двутавровой, двутавровой, Х-образной или А-образной балкой. Реальность такова, что любой из этих дизайнов может работать хорошо, если он разработан правильно. Вес шатуна будет варьироваться в зависимости от производителя, типа балки и использования, для которого был разработан стержень. Для одного и того же семейства двигателей производитель может предложить шатун облегченного и стандартного веса. Легкий стержень, как правило, предназначен для приложений с меньшей мощностью, в то время как стандартный или усиленный стержень предназначен для приложений с более высокой мощностью. Качество шатунных болтов имеет решающее значение для определения качества сборки шатуна. Болты с низкими характеристиками ограничат мощность шатуна самой лучшей конструкции.
Доплата за лучшие болты, доступные для определенного набора стержней, всегда является хорошей гарантией.
Болты шатуна чаще всего выходят из строя. Не экономьте и ВСЕГДА затягивайте болты тяг до надлежащего предварительного натяжения. Динамометрический ключ — не единственный инструмент, необходимый для установки предварительного натяга болта тяги.
«Нет замены водоизмещению». Хотя было доказано, что эта фраза совершенно неточна (впрыск закиси азота, более высокие обороты двигателя и системы принудительного впуска оказались идеальной заменой рабочего объема), есть причина, по которой возникла вера. Увеличение рабочего объема двигателя с более длинным ходом коленчатого вала увеличит выходной крутящий момент, а в большинстве случаев и мощность. В приложениях с турбонаддувом преимущество также проявляется в отклике на повышение. Даже небольшое восьмипроцентное увеличение рабочего объема может позволить турбонагнетателю достичь пикового наддува на 500 об/мин раньше.
Так как же добавить рабочий объем двигателю? Есть два способа: расточка и поглаживание. «Расточив» двигатель, вы можете расточить и отточить цилиндры до большего диаметра и оснастить их поршнями и кольцами увеличенного размера. «Погладив» двигатель, вы можете приобрести или собрать комплект ходов, который состоит из коленчатого вала с более длинным ходом, шатунов нужной длины и нестандартных поршней. Для максимального увеличения смещения сверление можно комбинировать с поглаживанием. При увеличении хода необходимо предпринять некоторые другие действия, чтобы правильно расположить поршень в отверстии. Если бы не было предпринято никаких действий и использовался коленчатый вал со строкером, который увеличивал ход поршня на 4 мм, поршень высовывался бы из цилиндра на 2 мм (увеличение хода наполовину). Так как поршень перемещается? Если будет использоваться тот же самый поршень, расстояние от шатуна должно быть удалено. Таким образом, в этом примере потребуются изготовленные на заказ шатуны, которые на 2 мм короче, если используется коленчатый вал со штоком +4 мм.
При изготовлении нестандартного поршня для ударного двигателя может возникнуть возможность переместить поршневой палец выше, чем его исходное положение (это также известно как уменьшение компрессионной высоты поршня). В случае с 2,8-литровым ходовым комплектом HKS для RB26, HKS перемещает поршневой палец на 2 мм выше в поршне. Это позволяет использовать шатуны стандартной длины. Итак, каковы недостатки поглаживания двигателя? Во-первых, это может быть дорого, так как процедура потребует замены коленчатого вала вместе с заменой поршней и/или шатунов. Во-вторых, увеличение хода двигателя снижает максимальные обороты двигателя. Когда Honda обновила силовую установку S2000 с F20C до F22C (с увеличенным на 6 мм ходом), красная черта упала с 9000 об/мин до 8000 об/мин. Снижение потенциала максимальных оборотов происходит из-за того, что дополнительный ход увеличивает скорость поршня в цилиндре.
Следующие формулы обеспечивают быстрый и простой способ определения рабочего объема, если известны диаметр цилиндра и ход поршня.
Калькуляторы упрощенного рабочего объема
4-цилиндровый (см3) = 0,0031414 x ход поршня (мм) x внутренний диаметр (мм) x внутренний диаметр (мм) 6-цилиндровый (см3) = 0,0047123 x ход поршня (мм) x диаметр цилиндра (мм) x диаметр цилиндра (мм) 8-цилиндровый (см3) = 0,0062831 ход поршня (мм) x диаметр цилиндра (мм) x диаметр цилиндра (мм)
Некоторые двигатели никогда не разрабатывались и не производились для обеспечения желаемой мощности. Так обстоит дело с Honda B-серии. Задуманный как безнаддувная, высокоэффективная модель утонченности с высокими оборотами, сообщество производительности хотело, чтобы это был форсированный демон мощностью более 1000 л.с. Невозможно получить эти цифры с заводскими гильзами цилиндров, гильзы послепродажного обслуживания оказались решением проблемы. Эти толстостенные гильзы, изготовленные из высокопрочного чугуна, увеличили мощность многих двигателей, а также позволили увеличить диаметр отверстия во многих областях применения. Когда блок правильно обработан для втулок послепродажного обслуживания, он может сделать, казалось бы, невозможное с точки зрения управления мощностью.
Втулки некоторых конструкций требуют сложной обработки деки. Фрезерный станок с ЧПУ необходим для правильной установки этих втулок.
Как мы узнали в прошлом месяце, качественные подшипники для вторичного рынка являются обязательным условием для сборки любого высокопроизводительного двигателя. Нельзя не упомянуть, что правильная работа машины имеет решающее значение для максимизации выходной мощности и надежности любого «встроенного» нижнего конца. Наличие собственного цеха прецизионной механической обработки в DSPORT и производство многочисленных двигателей мощностью более 1000 лошадиных сил для трека и улицы увеличило знания наших сотрудников в десять раз. Мы с нетерпением ждем возможности поделиться секретами, которые мы раскрываем месяц за месяцем.
Поршень Терминология
Когда вы будете готовы приобрести комплект высокопроизводительных поршней, вы обязательно столкнетесь с незнакомой терминологией.Высота купола
Статическое сжатие поршня напрямую зависит от высоты купола. Чем больше купол, тем выше компрессия двигателя. На поршнях с низкой степенью сжатия тарелка поршня напрямую влияет на степень сжатия. Чем больше тарелка, тем ниже компрессия двигателя.Клапанные карманы или предохранительные клапаны
Чтобы получить надлежащий зазор для клапанов, карманы клапанов выточены в головке поршня. При использовании распределительных валов с более длительным сроком службы и большим подъемом клапанные карманы должны быть вырезаны для получения надлежащего зазора между поршнем и клапаном.Вес поршня
Всякий раз, когда вес поршня может быть уменьшен, нагрузка на шатуны и подшипники также может быть уменьшена.Материал штифта, вес, конструкция и диаметр
Функция поршневого пальца заключается в обеспечении соединения между поршнем и штоком. Штифт является высоконагруженным компонентом. В некоторых случаях могут быть доступны более качественные материалы. Эти материалы обеспечивают хорошую страховку при небольшой стоимости. Штифты большего диаметра будут поддерживать более высокие уровни мощности при той же толщине стенки, в то время как штифты с более толстыми стенками также могут быть доступны для приложения.Смещенные штифты
В некоторых случаях для снижения шума поршня можно использовать смещенное расположение штифтов. Смещенные штифты делают две вещи. Во-первых, это помогает уменьшить стук поршня. Если штифт установлен не по центру, переход от большой тяги к малой будет менее резким. Во-вторых, вместо внезапного бокового смещения от одной стороны стенки цилиндра к другой поршень фактически перекатывается от большой тяги к малой.Покрытия юбки поршня
Ряд компаний послепродажного обслуживания предоставляют услуги по нанесению покрытия на поршни. Кроме того, некоторые производители предлагают поршни, которые уже поставляются с юбками с покрытием. Покрытия юбки предназначены для уменьшения трения между юбкой и цилиндром.Покрытия днища поршня
Некоторые производители поршней иногда предлагают покрытие днища поршня. Металлокерамические покрытия на днище поршня могут обеспечить дополнительный тепловой барьер.Внутреннее фрезерование
Конструкция поковки будет основным фактором, определяющим общий вес поршня. Однако внутреннее фрезерование может удалить ненужный материал из конструкции поршня. Внутреннее фрезерование также можно использовать в качестве метода снятия напряжения при сглаживании дефектов отливки.Отверстие для газа
Вертикальные и горизонтальные газовые порты иногда используются для облегчения кольцевого уплотнения.