Какие бывают шатуны для велосипеда и как они крепятся

Двигателист

Конструкция

Шатуные механизмы V-образных двигателей

Среди шатунных механизмов для V-образных двигателей выделяют: шатунные механизмы с прицепным шатуном, срядом стоящими шатунами ,и с центральным и вильчатым шатуном. Расмотрим их подробнее.

Шатунный механизм с рядом стоящими шатунами

шатунный механизм с рядом стоящими шатунами

Шатунный механизм с прицепным шатуном

шатунный механизм с прицепным шатуном

Индикаторный процесс в главном и прицепном шатунах разняться из-за разной кинематики шатунно-поршневой группы(ШПГ). Из-за разной кинематики степени сжатия прицепного и главного цилиндров разняться — обычно стараются сделать так чтобы в прицепном цилиндре степень сжатия была меньше чем в главном (например двигатель Д49), но есть и обратные примеры (известный танковый дизель В-2). Следовательно и мощность снимаемая с главных и прицепных шатунов разнятся. Кинематика (а следовательно индикаторный процесс в цилиндре) прицепного шатуна приближается к кинематике главного шатуна при уменьшении радиуса прицепа, но из-за конструктивных соображений это сложно сделать, так необходимо обеспечить прочность и жесткость соединения пальца прицепа и прицепной проушины. Главным преимуществом этой схемы является компактность — ширина кривошипной головки главного шатуна меньше чем ширина 2-х кривошипных головок при рядом стоящих шатунах, отсюда и  длина шатунной шейки получается меньшей и сама она испытывает меньшие нагрузки. Отсюда следует и то что двигатель получается короче.
На отметить и то что жесткость кривошипной головки шатуна получается в таких двигателях высокой, что положительно сказывается на работе соединения шатун — коленчатый вал.

Шатунный механизм с центральным и вильчатым шатуном

шатунный механизм с центральным и вильчатым шатуном

Этот механизм одно время предполагалось использовать на среднеоборотных дизелях ввиду его компактности как альтернатива механизму с прицепным шатуном и срядом стоящими шатунами, но дальше опытных разработок это дело не пошло. Он обеспечивает одинаковую кинематику движения поршней правого и левого рядов цилиндров. По сравнению с рядом стоящими шатунами обеспечивается меньший продольный размер двигателя. Этот механизм имеет очень существенный недостаток — низкую жесткость кривошипной головки. Он также сложен в изготовлении (вильчатый шатун).

+: 1) лучшая возможность организации работы шатунного подшипника

2) отсутствие напряженного прицепного соединения при сохранении габаритных преимуществ прицепной конструкции.

-: 1) трудности с решением проблемы прочности нижней головки

2) ажурность вильчатой конструкции и ее напряженность требуют высококачественных сталей и высокого уровня технологий.

Сборка шатунно-поршневой группы

Для сборки шатуна с поршнем нужно подобрать поршневой палец к втулкам верхней головки шатуна и бобышкам поршня. Для соединения с шатуном поршень нагревают в масле или в электронагревательном приборе до температуры 55 °С. При этом палец в отверстие бобышки нагретого поршня должен входить плавно от усилия большого пальца правой руки. В таком соединении после охлаждения поршня появляется необходимый натяг 0,0025 …0,0075 мм.

Затем нужно сверить порядковые номера поршней и шатунов. Шатун закрепляют в тисках, устанавливают поршень, их соединение фиксируют пальцем. Поршень при сборке с шатуном должен быть установлен так, чтобы метка на днище поршня была направлена к передней части двигателя. Бобышка, выштампованная на шатуне для левой группы цилиндров, также должна быть направлена к передней части двигателя, т.е. в одну сторону с меткой на поршне. Для правой группы цилиндров при сборке поршня с шатуном бобышка шатуна должна быть направлена к задней части двигателя, а метка на днище поршня — к передней части.

После соединения и проверки шатунно-поршневой группы следует закрепить стопорными кольцами палец в бобышках поршня, затем тщательно протереть подобранные по канавкам и подогнанные к цилиндрам поршневые кольца и установить их на поршни с помощью специального приспособления. Поршни в сборе с шатуном необходимо проверить по массе. Детали комплекта, установленного на одном двигателе, не должны отличаться по массе более чем на 12 г, т.е. шатуны должны соответствовать по массе одной группе. Для установки поршней с шатунами в цилиндры блока нужно выполнить следующие операции:

• повернуть блок двигателя, установить его на стенде вертикально, передней частью вверх;
• последовательно, один за другим брать поршни с шатунами в сборе;
• тщательно протереть салфеткой постель под вкладыши в нижней головке шатуна;
• отвернуть гайки и снять крышку шатуна;
• установить шатун с поршнем.

При этом рекомендуется надеть на шатунные болты специальные колпачки из латуни или меди, предохраняющие зеркало гильзы цилиндров от повреждений.

Затем необходимо проверить и продуть отверстие в нижней головке шатуна, служащее для разбрызгивания масла на стенки цилиндра, вставить вкладыши в шатун и в крышку, протереть салфеткой верхние вкладыши шатуна и поршень, установить на поршень кольца, располагая внутреннюю выточку вверх, развести стыки компрессионных колец по окружности поршня примерно на 120°. После установки развести стыки компрессионных колец на 180°.

Далее следует протереть салфеткой гильзы цилиндров блока и шатунную шейку, смазать чистым маслом, применяемым для двигателя, поверхность шатунного вкладыша, поршня, поршневых колец и гильз цилиндров, вставить поршень с шатуном в цилиндр, направив метку на днище поршня к передней части двигателя с помощью специального приспособления, довести подшипники шатуна до шейки коленчатого вала, продвигая поршень по цилиндру с помощью деревянной оправки, смазать маслом шейку вала и подтянуть нижнюю головку к ней, снять предохранительные наконечники с шатунных болтов и поставить на место нижнюю крышку шатуна, закрепив ее шатунными гайками.

Перед окончанием сборки нужно проверить суммарный осевой зазор между торцами шатунов и шатунной шейки коленчатого вала с помощью щупа и окончательно затянуть болты шатунных подшипников динамометрическим ключом. После затяжки каждой пары шатунных подшипников следует проворачивать коленчатый вал. Момент прокручивания вала при правильно подобранных радиальных зазорах в подшипниках должен быть не более 100 Нм. Аналогичные операции нужно провести при установке в цилиндры остальных поршней с шатунами.

Условия работы и требования к шатуну

Шатун в современных быстроходных двигателях миллиарды раз воспринимает переменные напряжения (это число зависит от быстроходности и ресурса ДВС). К нему предъявляются требования:

• достаточная усталостная прочность во избежание разрушения;
• жёсткость для исключения потери устойчивости стержня при сжатии (учитывая возможные разовые перегрузки при авариях);
• минимальная масса, для снижения динамических нагрузок на шейки коленвала и уменьшения массы противовесов, а также и маховика;
• технологичность и простота конструкции, определяемые также возможностями станочной обработки;
• минимальные издержки на материал, обеспечивающие однако 90% прокаливаемость сечения (либо отказ от закалки, если это невозможно на крупногабаритных двигателях).

Неисправности КШМ

К признакам неисправности КШМ относятся: появление посторонних стуков и шумов, падение мощности двигателя, повышенный расход масла, перерасход топлива, появление дыма в отработанных газах.

Стуки и шумы в двигателе возникают в результате износа его основных деталей и появления между сопряженными деталями увеличенных зазоров. При износе поршня и цилиндра, а также при увеличении зазора между ними возникает звонкий металлический стук, хорошо прослушиваемый при работе холодного двигателя. Резкий металлический стук на всех режимах работы двигателя свидетельствует об увеличении зазора между поршневым пальцем и втулкой верхней головки шатуна. Усиление стука при резком увеличении числа оборотов коленчатого вала свидетельствует об износе вкладышей коренных или шатунных подшипников, причем стук более глухого тона указывает на износ вкладышей коренных подшипников. При большом износе вкладышей возможно резкое падение давление масла. В этом случае эксплуатировать двигатель нельзя.

Падение мощности двигателя возникает при износе или залегании в канавках поршневых колец, износе поршней и цилиндров, а также плохой затяжке головки цилиндров. Эти неисправности вызывают падение компрессии в цилиндре. Компрессию проверяют при помощи компрессометра на теплом двигателе. Для этого выкручивают все свечи, и на место одной из них устанавливают наконечник компрессометра. При полностью открытом дросселе прокручивают двигатель стартером в течение 2-3 секунд. Таким образом последовательно проверяют все цилиндры. Величина компрессии должна быть в пределах, указанных в технических данных двигателя. Разница в компрессии между отдельными цилиндрами не должна превышать 1 кГ/см2.

Повышенный расход масла, перерасход топлива, появление дыма в отработанных газах (при нормальном уровне масла в картере) обычно появляются при залегании поршневых колец или износе колец и цилиндров. Залегание кольца можно устранить без разборки двигателя, залив в цилиндр через отверстие для свечи зажигания специальную жидкость.

Отложение нагара на днищах поршней и камер сгорания снижает теплопроводность, что вызывает перегрев двигателя, падение мощности и повышение расхода топлива.

Трещины в стенках рубашки охлаждения блока и головки блока цилиндров могут появиться в результате замерзания охлаждающей жидкости, заполнения системы охлаждения горячего двигателя холодной охлаждающей жидкостью или в результате перегрева двигателя. Через трещины в блоке цилиндров охлаждающая жидкость может попадать в цилиндры. При этом цвет выхлопных газов становится белым.

Q фактор

На велосипеде для повышения эффективности педалирования нужно учитывать расстояние между плоскостями, в которых вращаются концы шатунов, то есть Q-фактор. Проверено на стенде, что при правильно выбранном Q-факторе человек развивает на 4% больше мощности, чем при поставленных с наклоном ногах.

Так устроено природой, что коленные суставы человека не могут нести длительные нагрузки, если ноги не находятся близко друг к другу. Наибольшее давление ногой можно сделать, когда вектор прикладываемой силы находится точно под углом 90 градусов к поверхности.

С появлением внедорожных велосипедов, чтобы вставить широкую покрышку, пришлось раздвигать перья заднего треугольника рамы. С уменьшением свободного зазора понадобилось сделать шатун для педали изогнутым, иначе он бы бил по раме. Поэтому на всех горных велосипедах Q-фактор завышен.

От природы или по другим причинам ноги у людей разные: искривленные в коленях или прямые, суженные у таза или выгнутые в стороны. Например, у женщин кости таза от рождения шире, чем у мужчин. Учесть анатомическую неповторимость каждого при массовом производстве велосипедов невозможно, а для профессиональных спортсменов подобрать индивидуально Q-фактор вполне реально.

Устройство КШМ

Поршень

Поршень имеет вид цилиндра, изготовленного из сплавов алюминия. Основная функция этой детали заключается в превращении в механическую работу изменение давления газа, или наоборот, – нагнетание давления за счет возвратно-поступательного движения.

Поршень представляет собой сложенные воедино днище, головку и юбку, которые выполняют совершенно разные функции. Днище поршня плоской, вогнутой или выпуклой формы содержит в себе камеру сгорания. Головка имеет нарезанные канавки, где размещаются поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные). Компрессионные кольца исключают прорыв газов в картер двигателя, а поршневые маслосъемные кольца способствуют удалению излишков масла на внутренних стенках цилиндра. В юбке расположены две бобышки, обеспечивающие размещение соединяющего поршень с шатуном поршневого пальца.

Шатун

Изготовленный штамповкой или кованый стальной (реже – титановый) шатун имеет шарнирные соединения. Основная роль шатуна состоит в передаче поршневого усилия к коленчатому валу. Конструкция шатуна предполагает наличие верхней и нижней головки, а также стержня с двутавровым сечением. В верхней головке и бобышках находится вращающийся («плавающий») поршневой палец, а нижняя головка – разборная, позволяющая, тем самым, обеспечить тесное соединение с шейкой вала. Современная технология контролируемого раскалывания нижней головки позволяет обеспечить высокую точность соединения ее частей.

Коленчатый вал

Изготовленный из стали или чугуна высокой прочности коленчатый вал состоит из шатунных и коренных шеек, соединенных щеками и вращающихся в подшипниках скольжения. Щеки создают противовес шатунным шейкам. Основная функция коленчатого вала состоит в восприятии усилия от шатуна для преобразования его в крутящий момент. Внутри щек и шеек вала предусмотрены отверстия для подачи под давлением масла системой смазки двигателя.

Маховик

Маховик устанавливается на конце коленчатого вала. На сегодняшний день находят широкое применение двухмассовые маховики, имеющие вид двух, упруго соединенных между собой, дисков. Зубчатый венец маховика принимает непосредственное участие в запуске двигателя через стартер.

Блок и головка блока цилиндров

Блок цилиндров и головка блока цилиндров отливаются из чугуна (реже – сплавов алюминия). В блоке цилиндров предусмотрены рубашки охлаждения, постели для подшипников коленчатого и распределительного валов, а также точки крепления приборов и узлов. Сам цилиндр выполняет функцию направляющей для поршней. Головка блока цилиндра располагает в себе камеру сгорания, впускные-выпускные каналы, специальные резьбовые отверстия для свечей системы зажигания, втулки и запрессованные седла. Герметичность соединения блока цилиндров с головкой обеспечены прокладкой. Кроме того, головка цилиндра закрыта штампованной крышкой, а между ними, как правило, устанавливается прокладка из маслостойкой резины.

В целом, поршень, гильза цилиндров и шатун формируют цилиндр или цилиндропоршневую группу кривошипно-шатунного механизма. Современные двигатели могут иметь до 16 и более цилиндров.

Типы шатунов

1. Односоставные — монолитная конструкция, объединяющая вал и два шатуна. По сути это согнутый в разные стороны под прямыми углами толстый металлический пруток. Такая система шатунов применялась на первых велосипедах. В настоящее время её можно увидеть на BMX и детских велосипедах.

Такая цельная деталь имеет лишний вес, зато очень проста и надёжна

2. Двухсоставные — это не только объединенные цельно правый шатун и ведущие звёздочки, а также намертво приваренный к ним вал каретки. В этом случае лишь левый рычаг является отдельной деталью, которая фиксируется на свободном конце вала.

До недавнего времени такой способ сборки шатунов в велосипеде считался устаревшим, пока в 2004 году на заводах Shimano не возродили двухсоставную конструкцию, усовершенствовав её картриджной кареткой с подшипниками большого диаметра. Другие производители деталей для велосипедов поддержали идею возрождения системы двухсоставных шатунов.

Двухсоставные шатуны отдельно от картриджной каретки

3. Трёхсоставные — самая популярная конструкция на сегодняшний день, у которой возможно заменить ведущие звездочки отдельно от правого рычага. Разбирается в ней всё: шатуны для педалей и сами топталки, отдельно вал каретки и передние звёздочки по одной.

Трёхсоставные шатуны: разобранные и в сборе

Блок цилиндров

Жесткость цилиндров обеспечивается главным образом выполнением всех цилиндров двигателя в виде одной общей отливки, называемой блоком цилиндров.

Конструкция блока цилиндров во многом зависит от принятого вида охлаждения — жидкостного или воздушного. При жидкостном охлаждении цилиндры снабжаются рубашками охлаждения, т.е. полым пространством, в котором непрерывно циркулирует охлаждающая жидкость вокруг сильно нагревающихся мест цилиндра: верхней части зеркала цилиндра, поверхности камеры сгорания, мест установки выпускных клапанов. При воздушном охлаждении наружные поверхности цилиндров, чтобы увеличить поверхность их охлаждения, снабжаются сильно развитыми ребрами.

Способы крепления на валу каретки

1. Клиновидный штифт — многим знакомая деталь у старых велосипедов, сейчас встречается разве что на детских двухколёсниках.

2. Квадратный торец вала — это традиционный способ крепления, при котором оба шатуна фиксируются на скошенных незаметным клином плоскостях квадратного сечения. Подтяжка на клине происходит при помощи винта или гайки, которые вкручиваются в концы вала. Места соединения всегда закрываются пластмассовым пыльником.

Этот тип крепления применяется на старых или недорогих велосипедах: шатуны к квадратному профилю вала притянуты гайкой
Такой тип крепления можно заметить на оборудовании Shimano Deore, Alivio, Acera велосипедов средней ценовой категории: шатуны затянуты болтом с головкой под шестигранник на 8
Часто встречается и такой способ крепления, отличающийся от предыдущего тем, что болт, который вворачивается в торец вала, сделан под накидной ключ на 15

3. Шестигранный торец вала — также делается со скосом для заклинивания надеваемого шатуна.

4. Шлицевое соединение — это стандарт OctaLink: вал каретки сделан со сквозным отверстием по оси, но имеет увеличенный диаметр; торцы вала круглой формы с восьмью выступами; шатуны притягиваются большим полым болтом под шестигранник на 10; снаружи соединение закрывается пыльником. Традиционный съёмник для разборки этого соединения применить не получится, ведь ему не во что будет упереться.

Крепление шатунов по стандарту OctaLink на дорогом горном велосипеде, в частности у оборудования Shimano Deore LX/XT и XTR

Устройство шатуна

В случае применения вкладышей, последние удерживаются от проворота своими «усами», попадающими в паз головки. Крышки подшипников в любых моделях двигателей нельзя путать между собой.

На циклическую прочность шатуна влияет радиус перехода, угол заделки верхней головки шатуна, а также качество поверхности всей детали. Для создания сжимающих напряжений шатуны часто подвергают дробеструйной обработке (после объёмной закалки и отпуска), авиационные обычно полировали.

В качестве материала применяют обычно легированную (40Г, 45Г2, 40ХН, 12ХН3А, 18ХНВА, 18Х2Н4А,…) или углеродистую сталь достаточной прокаливаемости: чем больше толщина сечения, тем более легированную сталь приходится применять. Для малоразмерных автомобильных двигателей обычным является применение селектированной по углероду закалённой стали; в тихоходных механизмах шатуны имеют большие сечения, и для увеличения 90 % прокаливаемости возрастающее количество легирующих элементов недопустимо увеличивает их стоимость. Поэтому шатуны судовых ДВС изготавливают из нормализованной углеродистой стали типа Ст5 (Сталь 30, 35, 40). В автомобилях ВАЗ применяют сталь 40 селект. Хромоникелевые типа 12ХН3А применяют при необходимости цементации (получения высокой твёрдости) внутреннего диаметра головок, работающих с роликовыми подшипниками.

Алюминиевые шатуны встречаются в пусковых двигателях, что позволяет обходиться им без вставных вкладышей, штампованные титановые шатуны применяют на быстроходных гоночных моторах.

Шатуны в одном двигателе подбирают по массе. Причём желательно подгонять отдельно массы верхней и нижней головки, используя для подпиливания оставленные приливы на крышке и верхней головке. Однако некоторые механики предпочитают более лёгкий путь — при ремонте взвесить новые шатуны и поршни, выстроить по весу одни по возрастанию, а вторые по убыванию, потом соединить. Так масса поршневого комплекта легко и просто получается почти одинаковой.

Нижний подшипник шатуна в большинстве случаев разъёмный (может быть неразъёмным только при сборном коленвале), поэтому крышка соединяется с шатуном болтами (шпильками), реже штифтами. Шатунные болты изготовляют из качественных легированных сталей, подвергают закалке с отпуском, причём принимаются все меры по повышению усталостной прочности — плавный переход от резьбы, чистая обработка поверхности, поверхностное упрочнение. Это же относится и к шатунной гайке. Ввиду этого, шатунный болт не подлежит стандартизации, и всегда уникален.

Шатунные болты (шпильки) должны гарантировать нераскрытие стыка кривошипной головки, при этом болт испытывает переменное напряжение, зависящее от соотношения жёсткости болта и крышки. Чем меньше жёсткость болта (выше длина, меньше сечение), тем пульсации напряжений растяжения в нём ниже. Как только произойдёт раскрытие стыка, пульсация напряжений возрастает в несколько раз, и болты обрывает очень быстро.

Кривошипная (мотылёвая) головка имеет установленные вкладыши, фиксирующиеся от проворачивания «усами», вставленными в пазы головки. В случае подшипника из баббита (применяются высокопрочные оловянно-свинцовые баббиты типа Б83), между половинками шатуна устанавливают пакет металлических прокладок, и по мере износа баббита их снимают при обслуживании судового дизеля. Если же шатун имеет подшипники качения, то они могут быть насыпными (иглы), либо иметь обойму для роликов (современное решение). Обычные вкладаши изготовлены из сталеалюминиевой ленты (антифрикционный алюминиевый сплав, обычно содержит также олово), либо свинцовистой бронзы (имеет более высокое допустимое контактное давление).

Разрушение шатуна при гидроударе.

Верхняя головка шатуна в большинстве случаев имеет свёртную бронзовую втулку с отверстием для смазки. После запрессовки втулку разворачивают в размер пальца, обеспечивая нужную чистоту поверхности. Поскольку скорость вращения поршневого пальца невелика, долговечность узла во многих случаях обеспечивается при небольшом диаметре пальца и смазки разбрызгиванием.

Нестандартные конструкции

1. Роторная система RS4X

Стандартно шатуны на велосипеде закрепляются по одной прямой линии. При этом нога велогонщика оказывается чрезмерно согнутой в колене у верхней мертвой точки. Неудивительно, что коленные суставы периодически испытывают стресс.

Кроме того, подмечено, что при вращении педалей случается такая ситуация, при которой велосипедист не может передать целиком свою силу к заднему колесу. Мертвая зона наблюдается, когда шатуны оказываются в горизонтальном положении к земле. Естественно, из-за этого снижается коэффициент полезного действия.

В роторной системе RS4X радикально решаются перечисленные проблемы. При смещении от прямой занижается верхняя мертвая точка и исключается провал момента силы в течение всего цикла вращения педалей, что обеспечивает увеличение коэффициента полезного действия.

Одно из последних новшеств — роторная система, в которой шатуны устанавливаются не прямо, а со сдвигом в несколько градусов

Практика показывает, что новая схема установки обеспечивает фактический прирост мощности в 16% на трековом велосипеде. Из-за отсутствия резкого перепада нагрузки уменьшается риск возникновения боли в коленном суставе, а также растяжения сухожилий.

2. Шатуны для велосипеда с эллиптическими звездами

Эксперимент со звездочками нестандартной формы начался ещё в конце XIX века. Уже тогда знали о существовании проблемной мертвой зоны.

Впервые массовый выпуск овальных звезд под брендом Biopace открыла компания Shimano в 1983 году. Тогда в мире велоспорта было много споров о необходимости нововведения, но со временем они отпали, поскольку профессиональным велосипедистам новинка не понравилась. Термин Biopace прижился, и так называют случаи неравномерного вращения педалей. В настоящее время выпускается два экземпляра овальных звезд Osymetric и Q-rings специально для гоночных велосипедов.

Овальность допускается в 30%, если её величина ниже 7%, то такие звездочки можно использовать даже на велосипедах без натяжителя цепи с фиксированной передачей

Овальные звезды позволяют легче преодолевать провал в горизонтальном положении педалей. Передаточное отношение в этой точке повышается, чтобы соответствовать сниженному усилию на педали. Как результат, крутятся педали более плавно. Однако чудес не бывает, и при подъеме в горку придется попотеть, ведь из ничего ничто не получается.

О том, как снимать шатуны с велосипеда, — в полезном видеоролике:

Кривошипная головка шатуна

—
ширина
h_кг

h_кг=
D-(1,0…2,0)
мм=83-2=81 мм;

—
расстояние
между центрами шатунных болтов
С

С=65,95
мм;

—
диаметр
отверстия под вкладышиD_шп

D_шп=d_шш+(2…6)
мм= 53,95+3=56,95 мм.

—
диаметр
шатунной шейки

Оценка
работоспособности элементов шатуна и
корректировка его конструктивных
параметров производится по запасам
прочности при повторно-переменном
нагружении его поршневой головки и
стержня.

Расчётным
режимом является режим номинальной
мощности –
,.

Оценка
работоспособности поршневой головки
шатуна и корректировка его конструктивных
параметров производится по запасам
прочности при повторно-переменном её
нагружении.

Расчёт
коэффициента запаса прочности поршневой
головки шатуна производится для наиболее
нагруженной точки её наружной поверхности
в сечении её перехода проушины в стержень
шатуна :

—
напряжения
от технологического и теплового натяга
втулки:

МПа,

где
– удельное давление втулки на головку,

=
37,446 МПа,

=0,3
— коэффициент Пуассона,

Е_ш
= (1,87…2,16) 
105
= 2 
105,
Е_вт
= (1,03…1,18) 
105
= 1,05
10 5
МПа
– модуль Юнга, соответственно, для
материалов шатуна и втулки,

(0,05…0,1)∙10-3
= 0,07 мм – технологический натяг при
запрессовке втулки ,

мм
– тепловой натяг,

100…120K
= 110К – разность температур поршневой
головки на расчётном режиме и на
непрогретом двигателе,

α_вт
= 1810-6,
α_ш
= 11 
10-6
K-1
– коэффициенты линейного расширения,
соответственно, материалов втулки и
шатуна

—
максимальные растягивающие
и сжимающиенапряжения в цикле нагружения головки
в точкеА
расчётного сечения:

,
МПа.

–толщина
стенки головки

м

–средний
радиус головки

м

Коэффициент,
учитывающий долю действующих усилий
растяжения-сжатия, воспринимаемых
непосредственно головкой :

мм

При
определении напряжений
величины
моментаи
нормальной силыв расчётном сечении рассчитываются по
уравнениям кривого бруса малой кривизны:

Н

Аналогичные
параметры при определении напряжений
:

=

Максимальные
и минимальные напряжения в цикле
нагружения поршневой головки шатуна

МПа

МПа

Определение
коэффициента запаса прочности

МПа

МПа

Для
стали 40Х

_-1
= 400 МПа,_т
=750 МПа,_σ
= 0

Определение
зоны диаграммы усталостной прочности,
в которой расположен цикл нагружения:

А

Здесь-
1,67
– совокупный фактор концентрации
напряжений в расчётном сечении поршневых
головок шатунов .

Характерные
величины запасов прочности поршневых
головок шатуна для двигателей аналогичной
конструкции находятся в пределах
2,5…5,0.

Стержень
шатуна

Оценка
напряжённого состояния стержня шатуна
проводится по запасу прочности при его
повторно-переменном нагружении силой
S.
Расчёт производится с учётом напряжений
продольного изгиба при центральном
сжатии для его среднего сечения
.
равноотстоящего от центров верхней и
нижней головок, так как это сечение
является наиболее нагруженным.

Экстремальные
напряжения нагрузочного цикла:

МПа;

МПа;

–максимальная
величина силы растягивающей стержень
шатуна

=

МН

–максимальная
величина силы сжимающей стержень шатуна

=

МН

f_ср–
площадь среднего сечения стержня;

K
– коэффициент, учитывающий увеличение
напряженного состояния стержня от его
продольного изгиба при сжатии;K
=1,1…1,15 = 1,13

МПа

МПа

Выбор
зоны диаграммы усталостной прочности,
в которой расположен цикл:

А

1,67…2,5
= 1,9

Характерные
для автотракторных двигателей запасы
прочности стержня шатуна находятся в
пределах 2…3.