Соединительный стержень , называемый также шатуном , является частью поршневого двигателя , который соединяет поршень с коленчатым валом . Шатун вместе с кривошипом преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращение коленчатого вала. Шатун необходим для передачи сжимающих и растягивающих усилий от поршня и вращается с обоих концов.
Предшественником шатуна является механическая связь, используемая водяными мельницами для преобразования вращательного движения водяного колеса в возвратно-поступательное движение. [1]
Чаще всего шатуны используются в двигателях внутреннего сгорания или паровых двигателях .
Истоки [ править ]
Самые ранние свидетельства наличия шатуна относятся к римской лесопилке Хиераполиса в конце 3 века нашей эры . Он также появляется в двух восточно-римских лесопильных заводах VI века, раскопанных в Эфесе, соответственно, в Герасе . Кривошипный механизм и соединительный стержень из этих римских мельниц превращает вращательное движение водяного колеса в линейное перемещение пильных дисков. [2]
В Италии эпохи Возрождения самые ранние свидетельства - хотя и неправильно понятые с механической точки зрения - составного кривошипа и шатуна можно найти в альбомах для рисования Такколы . [3] Звуковое представление о задействованном движении показывает художник Пизанелло (ум. 1455), который показал поршневой насос, приводимый в движение водяным колесом и управляемый двумя простыми кривошипами и двумя шатунами. [3]
К 16 веку свидетельства кривошипов и шатунов в технологических трактатах и произведениях искусства Европы эпохи Возрождения становятся многочисленными; Одна только книга Агостино Рамелли « Разнообразные и искусственные машины» 1588 года содержит восемнадцать примеров, число которых в « Театрум Machinarum Novum » Георга Андреаса Бёклера возрастает до 45 различных машин. [4]
Ранняя документация по конструкции произошла где-то между 1174–1206 годами нашей эры в штате Артукид (современная Турция), когда изобретатель Аль-Джазари описал машину, которая включала шатун с коленчатым валом для перекачивания воды как части водоподъемной машины. [5] [6]
Паровые двигатели [ править ]
В атмосферном двигателе Ньюкомена 1712 года (первом паровом двигателе) вместо шатуна использовалась цепная передача, поскольку поршень создавал силу только в одном направлении. [7] Однако большинство паровых двигателей после этого имеют двойное действие , поэтому сила создается в обоих направлениях, что приводит к использованию шатуна. В типичной конструкции используется большой блок подшипников скольжения, называемый крейцкопфом, с шарниром между поршнем и шатуном, расположенным снаружи цилиндра, что требует уплотнения вокруг штока поршня . [8]
В паровозе кривошипы обычно устанавливаются непосредственно на ведущие колеса . Шатун используется между кривошипным штифтом на колесе и крейцкопфом (где он соединяется со штоком поршня ). [9] Эквивалентные шатуны на тепловозах называются «боковые тяги» или «соединительные тяги». На небольших паровозах шатуны обычно имеют прямоугольное сечение [10], однако иногда используются стержни морского типа с круглым сечением.
На гребных пароходах шатуны называются «шатуны» (не путать с рычагами шатуна ).
Двигатели внутреннего сгорания [ править ]
Шатун для двигателя внутреннего сгорания состоит из «большого конца», «штока» и «малого конца» (или «маленького конца»). Маленький конец прикрепляется к поршневому пальцу (также называемому «поршневой палец» или «запястье»), который может поворачиваться в поршне. Обычно шатун соединяется с шатунной шейкой с помощью подшипника скольжения для уменьшения трения; однако некоторые двигатели меньшего размера могут вместо этого использовать подшипник качения , чтобы избежать необходимости в насосной системе смазки.
Обычно в подшипнике на большом конце шатуна просверливается точечное отверстие, так что смазочное масло разбрызгивается на упорную сторону стенки цилиндра для смазывания хода поршней и поршневых колец .
Шатун может вращаться на обоих концах, так что угол между шатуном и поршнем может изменяться, когда шатун перемещается вверх и вниз и вращается вокруг коленчатого вала .
Материалы [ править ]
В массовых автомобильных двигателях шатуны чаще всего изготавливаются из стали . В высокопроизводительных приложениях могут использоваться "заготовки" шатунов, которые вырабатываются из цельной металлической заготовки , а не отливаются или кованы.
Другие материалы включают T6- 2024 алюминиевый сплав или T651- 7075 из алюминиевого сплава , которые используются для легкости и способности поглощать большое влияние за счет долговечности. Титан - более дорогой вариант, который снижает вес. Чугун можно использовать для более дешевых приложений с более низкими характеристиками, таких как мотороллеры.
Сбой во время работы [ править ]
Во время каждого вращения коленчатого вала на шатун часто действуют большие и повторяющиеся силы: силы сдвига из-за угла между поршнем и шатунной шейкой, силы сжатия, когда поршень движется вниз, и силы растяжения, когда поршень движется вверх. [11] Эти силы пропорциональны квадрату частоты вращения двигателя (об / мин).
Отказ шатуна, часто называемый «выбросом шатуна», является одной из наиболее распространенных причин катастрофического отказа двигателя в автомобилях, [ цитата требуется ] часто приводит к тому, что сломанный стержень проходит через боковую часть картера, что приводит к неисправности двигателя. [12] Распространенными причинами выхода из строя шатуна являются разрушение при растяжении из-за высоких оборотов двигателя, сила удара, когда поршень ударяет по клапану (из-за проблемы с клапанным механизмом), выход из строя подшипника штока (обычно из-за проблемы со смазкой или неправильной установки шатун. [13] [14] [15] [16]
Износ цилиндра [ править ]
Боковое усилие, прилагаемое коленчатым валом к поршню через шатун, может привести к изнашиванию цилиндров до овальной формы. Это значительно снижает производительность двигателя, поскольку круглые поршневые кольца не могут должным образом плотно прилегать к стенкам цилиндра овальной формы.
Величина бокового усилия пропорциональна углу шатуна, поэтому более длинные шатуны уменьшают величину бокового усилия и износ двигателя. Однако максимальная длина шатуна ограничена размером блока двигателя; длина хода плюс длина соединительного стержня не должна приводить к поршню бегущего мимо верхней части блока цилиндров.
Штанги Master-and-Slave [ править ]
В радиальных двигателях обычно используются шатуны типа «ведущий и ведомый», при этом один поршень (самый верхний поршень на анимации) имеет ведущий стержень, непосредственно прикрепленный к коленчатому валу. Остальные поршни прикрепляют крепления своих шатунов к кольцам по краю ведущего штока.
Многорядные двигатели с большим количеством цилиндров, такие как двигатели V12 , имеют мало места для многих шатунных шейек на ограниченной длине коленчатого вала. Самое простое решение, которое используется в большинстве двигателей дорожных автомобилей, состоит в том, чтобы каждая пара цилиндров имела общую шейку кривошипа , но это уменьшает размер подшипников штока и означает, что совпадающие (т. Е. Противоположные) цилиндры в разных рядах слегка смещены. вдоль оси коленчатого вала (что создает качающуюся пару). Другое решение состоит в использовании соединительных стержней типа "ведущий-ведомый", где ведущий стержень также включает в себя один или несколько кольцевых штифтов, которые соединены с большими концами ведомых стержней на других цилиндрах. Недостатком штоков «главный-подчиненный» является то, что ход подчиненных поршней будет немного длиннее, чем ход главного поршня, что увеличивает вибрацию в V-образных двигателях.
Одним из самых сложных примеров шатунов типа «ведущий-ведомый» является 24-цилиндровый экспериментальный авиационный двигатель Junkers Jumo 222 , разработанный для Второй мировой войны. Этот двигатель состоял из шести рядов цилиндров, по четыре цилиндра в каждом. В каждом «слое» из шести цилиндров использовался один главный шатун, а в остальных пяти цилиндрах - подчиненные. [17] Было построено около 300 испытательных двигателей, однако двигатель не был запущен в производство.
Вилочные стержни [ править ]
Штанги с вилкой и лезвиями, также известные как «штанги с раздельными головками», использовались в двигателях мотоциклов V-twin и авиационных двигателях V12 . [18] Для каждой пары цилиндров шток «вилки» разделен на две части на большом конце, а шток «лезвия» из противоположного цилиндра утончается, чтобы поместиться в этот зазор в вилке. Эта конструкция устраняет качающуюся пару, которая возникает, когда пары цилиндров смещены вдоль коленчатого вала.
Обычная конструкция подшипника шатуна состоит в том, что шток вилки имеет одну широкую опорную втулку, охватывающую всю ширину штока, включая центральный зазор. При этом стержень лопасти движется не непосредственно по шатунной шейке, а по внешней стороне этой втулки. Это заставляет два стержня колебаться вперед и назад (вместо вращения относительно друг друга), что снижает силы, действующие на подшипник, и поверхностную скорость. Однако движение подшипника также становится возвратно-поступательным, а не непрерывным, что является более сложной проблемой для смазки.
Известные двигатели, в которых используются штанги вилки и лезвия, включают авиационный двигатель Rolls-Royce Merlin V12 и различные мотоциклетные двигатели Harley Davidson V-twin.
См. Также [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы по теме шатунов . |
- Компоненты паровоза
Ссылки [ править ]
- ^ Лион, Роберт Л .; Редактор. Steam Automobile Vol. 13, № 3 . SACA.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
- ^ a b Ritti, Grewe & Kessener 2007 , стр. 161 :
Из-за находок в Эфесе и Герасе изобретение кривошипа и шатуна пришлось перенести с 13-го на 6-й век; теперь рельеф Иераполя переносит его еще на три столетия назад, что подтверждает, что каменные пилорамы с водяной тягой действительно использовались, когда Авзоний писал свою «Мозеллу».
- ^ а б Уайт-младший, 1962 г. , стр. 113
- Перейти ↑ White Jr. 1962 , p. 172
- ^ Ахмад Y Хасан . «Система кривошипно-шатун в непрерывно вращающейся машине» .
- ^ Салли Ганчи; Сара Ганчер (2009 г.), Ислам и наука, медицина и технологии , издательство The Rosen Publishing Group, стр. 41 , ISBN 978-1-4358-5066-8
- ^ «Глоссарий паровозов» . www.railway-technical.com . Архивировано из оригинала на 2008-01-28 . Проверено 5 февраля 2016 .
- ^ Демпси, GD; Кларк, Д. Киннер (2015). Викторианский паровоз: его дизайн и развитие 1804-1879 . Барнсли, Англия: Транспортировка ручки и меча. С. 27–28. ISBN 978-1-47382-323-5 - через Google Книги.
- ^ Аронс, EL (1921). Нил, RE (ред.). Строительство и обслуживание паровозов . Серия технических праймеров Pitman. Лондон: Локомотив Паблишинг Ко. Лтд., Стр. 74–78 - через Google Книги.
- ^ Уайт, Джон Х. младший (1979). История американского локомотива: его развитие, 1830-1880 гг . Нью-Йорк: Dover Publications. п. 185. ISBN 9780486238180 - через книги Google.
- ^ "Причины выхода из строя шатуна" . www.itstillruns.com . Проверено 21 сентября 2019 года .
- ^ "Что значит" бросить жезл "?" . Автомобильный разговор . Апрель 1990 . Проверено 5 февраля 2016 .
- ^ Политика конфиденциальности (15 марта 2017 г.). «Предотвращение отказов шатуна» . www.enginebuildermag.com . Проверено 21 сентября 2019 года .
- ^ «Как устранить поломки шатуна» . www.hotrod.com . Проверено 21 сентября 2019 года .
- ^ «Вероятная причина большинства отказов стержней» . www.arcracing.blogspot.com . 1 июня 1999 . Проверено 21 сентября 2019 года .
- ^ "Экстремальные приложения подшипников Emerson" . www.emersonbearing.com . Проверено 5 февраля 2016 .
- ^ [1]
- ^ "Драйсдейл Годзилла V-Twin" . thekneeslider.com . Проверено 26 сентября 2019 года .
