Шатуны современных двигателей изготовляют из сталей 40, 45, 45Г2, а для двигателей с высоким значением р_z — из сталей 18ХНМА, 18ХНВА и 40ХНМА с высокими пределами прочности и текучести.

Конструкция шатунов разнообразна. Придавая шатуну ту или иную форму, стремятся при наименьшем весе сохранить необходимую прочность при знакопеременной нагрузке. Наиболее распространена форма шатуна, показанная на рис. 38.

В зависимости от способа закрепления пальца шатуны изготовляют с неразрезной верхней головкой для скользящей посадки пальца и с разрезной головкой, когда в ней закрепляют палец. В такой головке палец удерживается от скольжения стяжным болтом за счет уменьшения диаметра отверстия для пальца (рис. 39). Для уменьшения сил трения в неразрезные головки запрессовывают втулки, изготовляемые из алюминиево-железистой бронзы Бр. АЖ9-4 твердостью НВ 110 или оловянно-цинковой Бр. ОЦ10-2 твердостью НВ 80—90, бронзы Бр. ОЦС4-4-2.5 твердостью НВ 65—75, а также оловянно-фосфористой бронзы твердостью НВ 90—120.

Стержень шатуна чаще всего выполняют двутаврового сечения, для упрочнения поверхность стержня обрабатывают дробью, нормализуют, закаливают, отпускают и иногда полируют.

Нижние головки шатуна чаще всего изготовляют разъемными. Плоскость разъема делают под различным углом по отношению к плоскости, проходящей через ось симметрии шатуна (рис.40).

Нижнюю половину головки соединяют с верхней болтами или штифтами: 2÷4 болта на один шатун. Болты изготовляют

 

Рис. 38. Шатун автотракторного двигателя

 

из сталей 35Х, 40Х, 35ХМА, 37ХНЗА, 45Х, 4ХН. При больших напряжениях затяжки применяют стали 18ХНВА, 20ХНЗА, 40ХНМА.

В нижнюю головку шатуна помещают вкладыш с рабочей поверхностью, выполненной из антифрикционного материала. В настоящее время для отечественных автомобильных двигателей в качестве антифрикционного материала применяют сплав

С0С6-6 (5—6% олова, 5—6% сурьмы, остальное — свинец) баббит, АСМ, Бр.СЗ0.

В быстроходных дизелях в качестве антифрикционного материала применяют свинцовую бронзу Бр.СЗ0 (30% свинца) твердостью НВ 30 или АСМ. Толщина слоя антифрикционного материала 0,3÷0,7 мм.

 

 

Рис. 39. Различные формы верхних головок шатунов автотракторных

двигателей

 

Вкладыши делают тонкостенными двух- и трехслойными. Основой вкладыша служит стальная лента с омедненной поверхностью толщиной 1—1,5 мм. Омедненная поверхность защищает стальную ленту от коррозии и обеспечивает прочное припаивание антифрикционного материала. В тракторных двигателях применяют вкладыши с антифрикционным покрытием из сплава алюминий-сурьма-магний (АСМ) твердостью НВ 28—31,5.

Верхняя головка шатуна разрывается силой инерции и сжимается силой

, (56)

где — масса поршневой группы (поршень с кольцами и пальцем); R — радиус кривошипа.

Кроме напряжений от силы растяжения и сжатия в головке возникают напряжения от запрессованной в нее втулки и приращение напряжения в связи с изменением температуры.

Температурный натяг (мм)

, (57)

где d — внутренний диаметр головки шатуна; ≈ 100—120°С — температура нагрева шатуна и втулки; = 1,8·10^—5— коэффициент линейного расширения  материала втулки, 1/град; = 1,0·10^—5 — коэффициент линейного расширения материала шатуна, 1/град.

От суммарного натяга на поверхности головки возникает давление (МПа)

, (58)

где — наружный диаметр головки; = 0,3 — коэффициент Пуассона; — внутренний диаметр втулки; — внутренний диаметр головки

Рис. 40. Нижние головки шатунов:

а — с плоскостью разъема и углом наклона к горизонтали >0°; б — с разъемов в горизонтальной плоскости и фиксацией крышки болтами; в — фиксация крышки с разъемом в разных плоскостях; д — нижние головки шатунов V-образного двигателя с расположением головок на одной оси; е — нижняя головка шатуна V-образного двигателя с основным и прицепным шатунами головки; Е_вт, Е_ш — модули упругости материала втулки и шатуна; (бронза), (сталь). Напряжение (МПа), возникающее на наружной поверхности головки.

(59)

Напряжение на внутренней поверхности головки

(60)

и достигают .

 

Разрывается верхняя шатунная головка силой инерции без учета сил от давления газов в картере и разрежения в цилиндре.

Радиальное давление в головке шатуна принимают равномерно распределенным по полуокруж-ности

,

где

Напряжения подсчитывают по уравнениям кривого бруса малой кривизны. Принимают, что брус защемлен в местах перехода проушины в стержень, который не деформируется.

На участке от до (рис.41) изгибающий момент () и нормальная сила (Н) соответственно

; (61)

. (62)

Для участка до угла заделки , максимальное значение которого ,

; (63)

, (64)

где момент и сила соответственно

; (65)

. (66)

В эти выражения подставляют в градусах.

 

После нахождения момента и нормальной силы для данного сечения головки шатуна определяют напряжения от растяжения в наружном слое:

, (67)

во внутреннем слое:

, (68)

 

где а_ш — длина головки шатуна; h — толщина стенки головки; К — коэффициент, учитывающий наличие запрессованной с натягом втулки:

(69)

где Е_ш ,Е_вт,— модуль упругости материала шатуна и втулки;

F_вт, F_ш — площади сечений головки шатуна и втулки.

Максимальные напряжения во внешнем слое находят в местах заделки. Для уменьшения напряжений рекомендуется . принимать не более 90°, тогда

(70)

При определении напряжений в верхней головке шатуна от сжимающих сил предполагают, что распределение нагрузки на нижнюю часть головки косинусоидальное (Н):

(71)

Расчетная схема такая же, как при определении напряжений от разрывающих сил.

Изгибающие моменты и нормальные силы .соответственно для нагруженного участка:

; (72)

.(73)

Угол фзад в выражение подставляют в радианах.

Значения N₀ и М₀ находят из графика (рис. 42).

Наибольшие напряжения от сжимающей силы возникают в местах перехода головки в стержень. Минимальный запас прочности получается в наружном слое в месте перехода головки в стержень.

Максимальные и минимальные напряжения цикла:

.

61



Запас прочности

, (74)

где s_-1p — предел выносливости для симметричного цикла при растяжении; для углеродистой стали s_-1p =180÷250 МПа, для легированных сталей s_-1p = 340÷380 МПа; s_p.н — напряжение от силы растяжения в наружном слое; — напряжение на внешней поверхности головки шатуна от запрессовки в нее втулки с натягом; s_сж.н — напряжение от силы сжатия в наружном слое; = 0,7÷1,0 — коэффициент, учитывающий влияние чистоты обработки на предел усталости; = 1 соответствует полированной поверхности, при расчетах принимают = 0,9 для деталей, механически чисто обработанных; a_s = 0,2 — коэффициент, зависящий от характеристики материала.

Для поршневых головок запас прочности n_s = = 2,5÷5,0.

Стержень шатуна при работе растягивается силой инерции и сжимается силой от давления газов.

Сила (Н), сжимающая стержень шатуна,

,

где F_пор — площадь поршня; р_z — максимальное давление газов в цилиндре.

Сила инерции (Н), растягивающая стержень шатуна,

,

где m_{пор гр}. — масса поршня, пальца, комплекта колец, кг; т_ш — масса части шатуна, находящаяся над расчетным сечением, кг.

При расчете определяют условное напряжение, учитывающее сжатие и продольный изгиб в среднем сечении стержня шатуна, в плоскости качания по формуле Ренкина:

(75)

и в плоскости, перпендикулярной плоскости качания,

(76)

где s_в — предел выносливости материала шатуна; l_ш , l₁ — длины элементов шатуна (рис. 38); J_x, J_У — моменты инерции расчетного сечения стержня относительно осей х и у; f_ш.ср — площадь расчетного сечения шатуна.

Значения

Напряжения s_x и s_y достигают 160÷400 МПа; для шатунов, изготовленных из легированных сталей, — 200÷400 МПа.

Напряжение растяжения

(77)

Так как значения s_x , s_y и s_ср переменны по величине и знаку, то амплитуда и среднее напряжение цикла будут

 

 

При определении напряжений s_а и s_ср напряжение s_р подставляют со знаком минус.

Запасы прочности стержня шатуна п_х и п_у определяют по формуле

. (78)

Для шатунов автомобильных двигателей запас прочности n = 2÷2,5, для тракторных n = 2,5÷3,0.

В коротких шатунах, по данным исследований, напряжения от продольного изгиба малы, поэтому напряжения от сил, сжимающих шатун,

. (79)

В этом случае напряжение по сравнению с суммарным окажется на 10—15% меньше, чем подсчитанное по (75) и (76).

Расчет нижней головки шатуна, в связи с тем что ее делают разъемной, сводится к расчету нижней отъемной крышки и болтов.

Нижняя крышка изгибается под действием силы инерции

(80)

где m_пор.гр — масса поршневой группы; т_ш — масса части шатуна, совершающая возвратно-поступательное движение; т_ш.вр — масса части шатуна, совершающая вращательное движение; т_кр — масса отъемной крышки; R — радиус кривошипа; ω — угловая скорость коленчатого вала.

Давление на крышку от силы подчиняется косинусоидальному закону

(81)

Приближенная расчетная формула для определения напряжения в материале крышки

, (82)

У современных автомобильных двигателей вкладыши шатунных подшипников делаются тонкостенными и отношение J_вк /J_кр становится настолько малым, что практически можно для определения напряжения воспользоваться формулой

. (83)

Здесь J_вк — момент инерции вкладыша; J_кр — момент инерции крышки; с — расстояние между осями шатунных болтов; W_σ — момент сопротивления изгибу крышки: W_σ=bh²/6 (b — ширина подшипника; h — толщина крышки подшипника); — площадь сечения крышки с вкладышем; F_вк — площадь сечения вкладыша.

Допускаемые напряжения для крышки шатуна σ = 100÷300 МПа.

Шатунные болты растягиваются силой предварительной затяжки и переменной силой инерции . Плотность стыка обеспечивается условием , где Р_пр—сила предварительной затяжки; — сила инерции, приходящаяся на один болт; z — число болтов.

Расчетная сила, растягивающая болт,

, (84)

где Р_пр = 2÷3 — сила предварительной затяжки по опытным данным; χ=0,15÷0,25— коэффициент нагрузки от сил инерции:

; (85)

К_ш — податливость стягиваемых частей шатуна:

; (86)

К_б — податливость шатунного болта:

, (87)

l — длина стягиваемых частей, равная длине болта; Е_ш, Е_б— модули упругости материала болта и шатуна; F_{б min,} F_ш — сечение болта и стягиваемых частей шатуна.

Запас прочности по минимальному сечению стержня болта или по внутреннему диаметру резьбы

, (88)

где — амплитуда напряжений; — среднее значение напряжения; К_σ — коэффициент концентрации напряжений; для болтов с метрической резьбой, изготовленных из сталей 20, 30, принимают К_σ =3÷4; для болтов, изготовленных из улучшенных сталей 38Х, 40Х, 40ХН и др., К_σ = 5÷6; e_σ= 0,9— коэффициент, учитывающий масштабные и технологические факторы; a_σ =

=0,2 — коэффициент, зависящий от характеристики материала.

Минимальные и максимальные напряжения в болтах:

Запас прочности шатунных болтов должен быть не менее 2.