Шатунная шейка: назначение, виды, принцип работы

Шатунная шейка является одним из важнейших элементов коленчатого вала, от которого зависит работоспособность всего двигателя. Давайте разберемся, для чего она нужна и как устроена.

Назначение шатунной шейки

Шатунная шейка коленвала предназначена для соединения с шатуном - деталью, преобразующей возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленвала.

Коленчатый вал воспринимает крутящий момент, имеющий переменное значение, а следовательно, работает на скручивание и должен иметь достаточный запас прочности по усталостному напряжению на сдвиг.

От прочности и износостойкости шатунной шейки зависит ресурс всего двигателя в целом. Шейка испытывает высокие циклические нагрузки и должна иметь запас прочности, чтобы выдерживать многократные циклы сжатия без разрушения.

Основные виды шатунных шеек

По материалу шатунные шейки коленвалов делятся на:

• Стальные
• Чугунные

Стальные шейки, как правило, применяются в более нагруженных и форсированных двигателях. Они обладают повышенной прочностью и позволяют наносить износостойкое покрытие методами химико-термической обработки.

Чугунные шейки используются в менее нагруженных моторах, например в легковых автомобилях. Они дешевле в производстве, но уступают стальным по прочностным характеристикам.

По способу изготовления различают шатунные шейки, полученные методами ковки, штамповки или литья. Кованые шейки обладают наилучшими характеристиками, но требуют более дорогого производства.

По конструкции бывают цельные или составные (разборные) шатунные шейки. Цельные шейки чаще применяются в легковых двигателях, составные - в крупных судовых и стационарных моторах.

Размер шатунной шейки

Диаметр шатунной шейки коленвала выбирается из условия обеспечения допустимых контактных напряжений в соединении с подшипником скольжения или качения, а также запаса на перешлифовку:

Дш = (Pmax * Кз) / [π * (пдоп * L)]

где Дш - диаметр шатунной шейки, Pmax - максимальная нагрузка, Кз - коэффициент запаса, пдоп - допустимое удельное давление, L - длина шейки.

Стандартные заводские размеры шатунных шеек подбираются таким образом, чтобы обеспечить запас на перешлифовку в пределах нескольких ремонтных размеров. Это позволяет увеличить ресурс двигателя при капитальных ремонтах.

Правила затяжки шатунных шеек

Правильная затяжка шатунных и коренных шеек коленвала является важной операцией при сборке двигателя, влияющей на его работоспособность и ресурс.

Последовательность затяжки

Существует определенная последовательность затяжки крепежа шатунных и коренных шеек:

1. Предварительная затяжка крепежа шатунных шеек с моментом 30-50% от окончательного
2. Окончательная затяжка крепежа шатунных шеек с рабочим моментом
3. Предварительная затяжка крепежа коренных шеек с моментом 30-50% от окончательного
4. Окончательная затяжка крепежа коренных шеек с рабочим моментом

Такая последовательность позволяет обеспечить равномерное распределение нагрузки и избежать перекосов при работе двигателя.

Моменты затяжки

Рабочие моменты затяжки выбираются в соответствии с инструкцией по эксплуатации двигателя. Как правило, для шатунных шеек момент составляет 150-300 Нм, для коренных - 250-400 Нм.

Превышение рекомендованных моментов затяжки приводит к деформации шеек и ускоренному износу, а недостаточная затяжка - к нарушению герметичности и прорыву газов.

Неисправности шатунных шеек

В процессе эксплуатации двигателя могут возникать такие дефекты шатунных шеек:

Задиры и царапины

Задиры и царапины на поверхности шатунных шеек возникают из-за недостаточной смазки трущихся поверхностей. Это приводит к местному перегреву и схватыванию металлов.

Коробление шеек

Коробление шатунных шеек происходит обычно из-за перекоса вкладышей вследствие неправильной сборки двигателя или нарушения режимов его обкатки.

Трещины на шейках

Усталостные трещины на шатунных шейках - следствие циклических перегрузок, превышения допустимых оборотов или износа шеек.

Поломка шеек

Поломка шатунных шеек может произойти при резком повышении оборотов из-за потери устойчивости вращающихся масс, а также при превышении крутящего момента выше допустимого значения.

Смятие и выкрашивание металла

Данные дефекты возникают при работе шатунных шеек с повышенными удельными давлениями вследствие неправильной сборки, недостаточной смазки или износа.

Ремонт шатунных шеек

При возникновении дефектов шатунных шеек возможно проведение их ремонта без замены всего коленвала.

Шлифовка шеек

Небольшие задиры и коробление устраняют шлифовкой шатунных шеек с переходом на ремонтный размер. Количество таких ремонтных размеров ограничено величиной припуска на шейке.

Восстановление изношенных поверхностей

При значительном износе применяют методы упрочнения поверхности - наплавку, напыление, электроискровое легирование. Это позволяет восстановить шейки без изменения размеров.

Устранение трещин

Небольшие трещины устраняют путем их рассверливания с нарезанием резьбы и установкой болта повышенной прочности.

Замена изношенных шеек

При значительных разрушениях шатунных шеек производится их замена с установкой новых, преимущественно методом запрессовки.

Профилактика неисправностей шатунных шеек

Для предотвращения преждевременного износа и разрушения шатунных шеек рекомендуется:

Выбор качественного моторного масла

Применение высококачественных моторных масел с присадками улучшает смазку и уменьшает износ трущихся поверхностей шатунных шеек.

Соблюдение режимов обкатки двигателя

Плавный прогрев и постепенное увеличение нагрузки в процессе обкатки снижает вероятность возникновения дефектов шатунных шеек.

Регулярное техническое обслуживание

Своевременная замена масла, фильтров и регулировка зазоров двигателя продлевает ресурс шатунных шеек коленвала.

Контроль давления масла

Поддержание нормального давления в системе смазки не допускает возникновения задиров из-за недостаточной смазки.

Соблюдение режимов эксплуатации двигателя

Эксплуатация двигателя в соответствии с рекомендациями предприятия-изготовителя снижает интенсивность изнашивания всех пар трения, включая шатунные шейки.

История создания шатунных шеек

Первые шатунные шейки появились вместе с изобретением паровых машин и двигателей внутреннего сгорания.

Шатунные шейки паровых машин

В паровых машинах применялись чугунные литые шатунные и коренные шейки. Их изготовление было достаточно примитивным, поэтому ресурс таких деталей был невысок.

Шейки двигателей внутреннего сгорания

С развитием моторостроения стали применять более совершенные и прочные конструкции шеек из стали. Были разработаны различные способы их упрочнения и модернизации.

Современные технологии

В настоящее время применяют высокотехнологичные методы изготовления, упрочнения и восстановления шатунных шеек с использованием новейших материалов и покрытий.