Для чего нужна втулка верхней головки шатуна
Шатун и все,что нужно о нем знать.
Шатун – это соединительная деталь между коленвалом и поршнем, основное назначение которой является преобразование поступательных движений поршня внутри цилиндра во вращательные движения коленчатого вала, с которого вращение передается на колеса автомобиля через трансмиссию.
Материалы для производства шатунов
Шатуны производятся двумя способами — штамповкой из высокопрочной стали или литьем из чугуна. В дизелях применяются шатуны, изготовленные из легированной стали методом ковки или горячей штамповки.
В некоторых видах бензиновых двигателей устанавливаются шатуны, производимые из порошкообразных металлов методом спекания.
Из-за напряженных условий работы данная деталь КШМ должна отличаться надежностью, долговечностью и износостойкостью.
Особое внимание уделяется не только изготовлению шатунов, но и болтов крепления. Для производства болтов используются легированные виды стали, обладающие высоким коэффициентом текучести, что в несколько раз выше, чем у высокоуглеродистых сталей.
Стержень шатуна
У большинства производителей автомобилей, ориентированных на массовый рынок, стержень шатуна расширяется к его нижней головке и имеет двутавровую форму. У дизельных двигателей шатуны более массивны и прочны, чем у бензиновых двигателей. Некоторые двигатели оснащаются шатунами и других форм, к примеру, в спортивных авто, в которых имеются алюминиевые шатуны. Обычно, стержень шатуна имеет внутренний просверленный канал для подачи масла в верхнюю головку.
Иногда, этот канал также ведёт и к нижней головке, откуда масло разбрызгивается в полости цилиндра и поршня. Все шатуны двигателя должны иметь одинаковый вес, чтобы вибрации от двигателя были минимальными. Кроме того, совпадать должен не только вес всего шатуна, но и вес верхних головок и нижних головок. Для достижения одинакового веса используют очень точные весы, а потом подгоняют вес по самому лёгкому шатуну, аккуратно снимая часть металла с бобышек (металлические наплывы на поверхности шатунов) на головках и на стержне шатуна.
Строение шатуна
Шатун имеет простое устройство, которое состоит из следующих элементов:
Стержень представляет собой составной элемент шатуна, имеющий преимущественно двутавровое сечение. Некоторые модели имеют круглое, крестообразное, Н-образное или прямоугольное сечение шатунного стержня. В стержне присутствует канал, предназначенный для транспортировки масла к подшипнику головки поршня.
поршневая головка — это проушина с цельной структурой, внутри которой расположена втулка. Втулка представляет собой скользящий подшипник, предназначенный для вращения пальца поршня. Материал изготовления втулки: бронза или сталь с оловом или свинцом. Структура поршневой головки зависит от размера поршневого пальца, а также от метода его крепления. Для того, чтобы уменьшить вес шатуна и, как следствие, нагрузку на поршневой палец, на некоторых автомобильных двигателях устанавливают шатуны с поршневой головкой в виде трапеции.
Кривошипная головка — механизм, предназначенный для соединения шатуна и коленчатого вала друг с другом. Большая часть шатунов оснащена разъемной кривошипной головкой, это объясняется способом сборки двигателя внутреннего сгорания. Крышка головки, расположенная в нижней части, прикрепляется болтами к шатуну. Иногда применяют бандажное или штифтовое крепление составных элементов головки. Разъем кривошипной головки бывает двух видов: прямой (расположен под углом 90 градусов относительно оси стержня), косой (под определенным углом к оси). Косой разъем используется для уменьшения размеров двигателя V-образной формы.
Профилированные стыковые поверхности головки обеспечивают препятствие при воздействии поперечных сил. При этом соединение может быть замковым или зубчатым. Самым современным и популярным является соединение, изготовленное методом раскалывания. Оно называется сплит-разъемом.
Внутри кривошипной головки шатуна расположен подшипник, который состоит из двух многослойных вкладышей. Количество слоев может варьироваться от двух до пяти в каждом. Наиболее широко используются вкладыши из двух и трех слоев. Двухслойный вкладыш изготовлен из стали с антифрикционной поверхностью. Трехслойный также состоит из стали, а антифрикционное покрытие разделяется специальной прокладкой.
Снятие и установка шатунно-поршневой группы
Снятие
Отдельно снять шатун с двигателя не получится, это возможно сделать только в сборе с установленным на шатун поршнем в сборе с пальцем и поршневыми кольцами. В некоторых случаях можно снять шатунно-поршневую группу без снятия двигателя с автомобиля. Иногда это выгодно в целях экономии времени, но всё же для обеспечения необходимой для проведения этого ремонта чистоты, без которой качественно выполнить ремонт затруднительно, лучше подобный ремонт выполнять на снятом двигателе. Тем более, что для выполнения этого ремонта всё равно придётся снимать головку блока цилиндров и масляный поддон двигателя. А при снятии головки блока цилиндров всё равно придётся снимать или отсоединять большинство жгутов проводов и вакуумных трубок.
Перед снятием шатунно-поршневой группы, следуя указаниям Руководства по ремонту автомобиля, снимите головку блока цилиндров и масляный поддон двигателя. Как снимать шатунно-поршневую группу обычно подробно описывается в Руководстве по ремонту автомобиля. Тут даются просто некоторые замечания, которые не всегда присутствуют в руководстве.
Перед откручиванием гаек (болтов) крепления крышки шатуна определите место нахождения меток, указывающих в какой цилиндр устанавливается данный шатун с поршнем и направление установки крышки относительно шатуна. Если подобные метки не обнаружены, что бывает крайне редко, нанесите их самостоятельно удобным способом. Несмотря на то, что крышка шатуна крепится всего двумя гайками (болтами), откручивайте гайки постепенно и поочерёдно. При чем при первом ослаблении затяжки гайки гайку допускается повернуть не более чем на ¼ оборота, а лучше меньше. После откручивания гаек снимите крышку шатуна. Примете меры, исключающие падение вкладыша из крышки шатуна. Шатунные болты изготавливаются из очень прочной стали, поэтому для уменьшения вероятности повреждения полированной поверхности шатунной шейки коленчатого вала и поверхности стенок цилиндров на шатунные болты необходимо установить специальные защитные и направляющие приспособления. При отсутствии подобных приспособлений, что бывает чаще всего, наденьте на болты куски шлангов из мягкого материала подходящего диаметра.
Для извлечения поршня из цилиндра установите коленчатый вал так, чтобы ось шатунной шейки совпала с продольной осью цилиндра. Примите меры предосторожности, исключающие падение поршня в сборе с шатуном. Поддерживая поршень снизу, лёгкими ударами деревянной ручки молотка по шатуну или болтам извлеките поршень из отверстия цилиндра.
Укладывайте все снятые детали так, чтобы была возможность установки этих деталей на то место, где они стояли до снятия. Это относится также к гайкам или вкладышам, даже если принято решение о замене вкладышей. По состоянию вкладышей можно определить некоторые неисправности двигателя. Укладывайте снятые детали только на чистую поверхность.
Установка
Проведите тщательный осмотр и необходимую дефектовку всех снятых деталей.
Соедините шатун с поршнем при помощи поршневого пальца и установите на поршень поршневые кольца. Некоторые советы по установке этих деталей даны в соответствующих статьях. Одновременно соберите все шатунно-поршневые группы двигателя.
Ещё раз проверьте, что замки поршневых колец установлены в соответствии с указаниями в Руководстве, а в случае отсутствия таких указаний установите замки соответствии с рекомендациями, данными в главе «Установка поршневых колец».
Обильно смажьте поршень, поршневые кольца и стенки цилиндров чистым моторным маслом. Смажьте внутреннюю поверхность специального приспособления для сжатия поршневых колец
Установите на поршень специальное приспособление и сожмите кольца. Иногда необходимо слегка обстучать приспособление молотком с пластмассовым бойком.
Установите на болты крышки крепления шатуна защитные приспособления или наденьте на болты отрезки шлангов. Осторожно вставьте шатун в отверстие цилиндра. Шатун с поршнем допускается устанавливать только в одном направлении, обычно направление установки указывается специальной меткой на днище поршня. Опустите поршень в цилиндр, пока специальное приспособление не коснётся поверхности блока цилиндров. Прижмите приспособление к поверхности блока цилиндров и нанесите несколько очень лёгких ударов торцом деревянной ручки молотка по всей окружности верхней кромки приспособления. Прижимая приспособление к поверхности блока цилиндров, лёгкими равномерными ударами деревянной ручки молотка, переместите поршень в отверстие цилиндра.
Выровняйте шатун относительно шейки коленчатого вала. Тщательно протрите поверхность шатуна, на которую устанавливается вкладыш подшипника. Убедитесь в идеальной чистоте этой поверхности. Осторожно установите в шатун ранее подобранный для этого цилиндра верхний вкладыш шатунного подшипника. Верхний вкладыш может отличаться от нижнего отсутствием канавки для масла. Верхний или нижний вкладыш определяется для нормального положения двигателя, поскольку при установке подсоединении шатуна на снятом двигателе двигатель, чаще всего находится в перевёрнутом состоянии, верхний вкладыш будет расположен внизу.
Если повторно устанавливаются снятые при разборке вкладыши, их необходимо установить на то место, в котором они находились до снятия. Не наносите масло на постель подшипника или на наружную поверхность вкладыша. Совместите, если имеется, фиксирующий усик вкладыша с соответствующей выемкой в шатуне.
Тщательно протрите внутреннюю поверхность крышки шатуна и наружную поверхность нижнего вкладыша. Не нанося масла на вкладыш и крышку, установите нижний вкладыш в крышку шатуна. Совместите усик крышки с пазом. Нанесите обильный слой чистого моторного масла на шатунную шейку коленчатого вала и на внутренние поверхности обоих вкладышей. Некоторые производители не рекомендуют наносить масло пальцем, а предлагают пользоваться для этого только специальной маслёнкой.
Ещё раз убедитесь, что устанавливаете крышку шатуна именно этого цилиндра и устанавливаете её в правильном направлении. Установите крышку с установленным вкладышем на болты. Прижимая крышку к шатуну, закрутите гайки от руки. Затягивайте гайки в строгом соответствии с указаниями руководства. При этом обязательно используйте динамометрический ключ, и если необходимо специальный транспортир для доворота гайки на установленный угол.
В такой же последовательности установите шатунно-поршневые группы остальных цилиндров. После выполнения этой работы обязательно убедитесь в лёгкости вращения коленчатого вала.
Конструкция шатуна
Шатун двигателя внутреннего сгорания соединяет поршень двигателя с коленчатым валом и во время работы двигателя передаёт все усилия от поршня на коленчатый вал и, наоборот, от коленчатого вала к поршню. При этом шатун совершает достаточно сложное движение. Верхняя головка шатуна совместно с поршнем совершает возвратно-поступательное движение. А нижняя головка шатуна, совместно с шатунной шейкой коленчатого вала совершает круговое движение.
На шатун воздействуют большие знакопеременные и изменяющиеся по величине усилия, вызванные давлением расширяющихся в цилиндре газов и инерцией деталей поршневой группы. Для уменьшения вибрации и повышения максимальных оборотов двигателя, что необходимо для повышения максимальной мощности двигателя, конструкторы стремятся сделать шатун, как и все остальные детали, совершающие возвратно-поступательное движение, как можно легче. Но это стремление вступает в противоречие с необходимостью обеспечения прочности шатуна, работающего под воздействием больших и разнообразных нагрузок. Кроме этого в массовом производстве большое значение имеет себестоимость материалов, из которых изготавливаются шатуны, и стоимость изготовления самого шатуна.
Как и везде в технике, принятие технического решения, это постоянный выбор наиболее приемлемого компромисса для данных условий. Шатун состоит из двух головок и соединяющего их силового стержня. Верхняя головка шатуна (поршневая), меньшего размера, через поршневой палец соединяется с поршнем, а нижняя головка шатуна (кривошипная) соединяется с шатунной шейкой коленчатого вала. Верхняя (поршневая) головка шатуна неразъёмная. Её конструкция зависит от способа крепления поршневого пальца. Если двигатель имеет фиксированный поршневой палец, верхняя головка шатуна имеет цилиндрическое отверстие, изготовленное с высокой точностью и обеспечивающее установленный натяг (0,015 ÷ 0,040 мм) в соединении с поршневым пальцем.
Соединением с натягом, при котором диаметр вала, вставляемого в отверстие несколько больше внутреннего диаметра отверстия. Существует несколько методов сборки таких соединений – запрессовка при помощи пресса, нагрев детали с отверстием или, наоборот, сильное охлаждение вала. Если поршневой палец плавающего типа, в верхнюю головку шатуна запрессовываются бронзовые или биметаллические втулки, изготовленные из стали с залитым во втулку тонким слоем бронзы.
Но существуют двигатели с плавающим пальцем в верхней головке шатуна, в которой отсутствует втулка. В этом случае поршневой палец вращается непосредственно в отверстии верхней головки шатуна. Плавающий поршневой палец устанавливается в верхней головке шатуна с установленным зазором (0,015 ÷ 0,020 мм). Для смазывания плавающего поршневого пальца в верхней головке шатуна может быть сделано отверстие, через которое масло из внутренней полости поршня подаётся к поршневому пальцу. Поскольку нагрузки на нижнюю часть поршневой головки шатуна значительно ниже, чем на верхнюю часть верхняя головка шатуна форсированных двигателей делается в виде трапеции, что увеличивает опорную поверхность пальца во время рабочего хода поршня.
Нижняя (шатунная) головка шатуна разборная. Состоит из верхней части, изготовленной как одно целое с шатуном и крышки нижней головки. Отверстие нижней головки шатуна растачивается на заводе при установленной крышке. Поэтому крышка нижней головки может использоваться только со своим шатуном. Во время ремонта двигателя не допускается замена крышки или установка крышки обратной стороной. Перед разборкой двигателя обязательно ознакомьтесь с видом совместных меток, и с какой стороны коленчатого вала они установлены.
Крышка шатуна соединяется с шатуном при помощи шатунных болтов. Шатунные болты работают под очень большой нагрузкой. Поскольку крышка устанавливается относительно шатуна с высокой точностью, шатунные болты чаще всего являются направляющей деталью, определяющей совместное положение крышки относительно шатуна. Для этого большинство шатунных болтов имеют центрирующие участки, позволяющие точно установить крышку головки относительно шатуна. Шатунные болты чаще всего запрессовываются в шатун, поэтому при замене шатунных болтов для их выпрессовки из шатуна может потребоваться применение пресса. Выпрессовывайте шатунные болты только в случае их необходимой замены. Никогда не заменяйте шатунные болты и гайки шатунных болтов, на болты и гайки непредназначенные для этих целей. Всегда затягивайте гайки шатунных болтов только при помощи динамометрического ключа, даже когда устанавливаете крышку для контрольного замера размеров отверстия нижней головки шатуна. При любом подозрении, что шатунный болт начал вытягиваться, замените болт с гайкой на новые. Стандартная длина болта для каждого двигателя, обычно указывается в заводском руководстве по ремонту. Не пытайтесь исправить повреждённую резьбу болта при помощи плашки. Резьба шатунных болтов изготовляется методом накатки, а не нарезки
.
Различные типы болтов крепления крышки шатуна. На некоторых болтах видны места, предназначенные для центровки крышки шатуна Для правильной установки крышки шатуна центрирование крышки также может осуществляться при помощи направляющих втулок или направляющих штифтов.
В нижнюю головку шатуна вставляются тонкостенные вкладыши подшипников скольжения. По своей конструкции эти вкладыши практически не отличаются от вкладышей коренных подшипников коленчатого вала. Вкладыши подшипника нижней головки шатуна изготавливаются из тонкой стальной ленты, внутренняя поверхность которой залита специальным сплавом, обладающим высокими антифрикционными свойствами и обладающим высоким сопротивлением износу. Для каждого типа двигателя существуют различные типы антифрикционных сплавов, обладающих различными свойствами. Есть сплавы, которые легко притираются, но не обладают достаточной сопротивляемостью ударным нагрузкам, есть сплавы, которые наоборот обладают способностью выдерживать высокие ударные нагрузки, но имеют более низкие другие технические характеристики. По этому при ремонте двигателя необходимо использовать вкладыши подходящие не только по размеру, но и по материалу из которого изготовлены вкладыши. Тонкостенные вкладыши нижней головки шатуна изготавливаются номинального и несколько ремонтных размеров, под шатунную шейку коленчатого вала с уменьшенным, после необходимого ремонта, диаметром. Это позволяет при ремонте двигателя производить перешлифовку изношенных шеек коленчатого вала под следующий ремонтный размер, что удешевляет стоимость ремонта двигателя, поскольку стоимость перешлифовки коленчатого вала, меньше стоимости нового вала.
Вкладыш изготавливается в виде дуги переменного радиуса, в месте замка большего, чем диаметр посадочного отверстия. Кроме того, длина вкладыша обеспечивает небольшой выступ вкладыша над плоскостью разъёма головки шатуна, этим обеспечивается необходимый натяг, предотвращающий проворачивание вкладыша в головке. Вкладыши также имеют установочный усик, вставляемый в канавки выфрезерованные в шатуне и крышке шатуна, которые тоже предназначены для исключения проворачивания вкладыша в нижней головке шатуна. А настоящее время выпускаются двигатели, не имеющие на вкладышах подшипников установочных усиков. В таких двигателях фиксация вкладышей осуществляется только за счёт необходимого натяга в головке шатуна, обеспеченного высокой точностью изготовления деталей.
Антифрикционный материал имеет высокую износостойкость только в условиях работы с достаточной смазкой. Масло в подшипник нижней головки шатуна поступает из отверстия в шатунной шейке коленчатого вала. Некоторые шатуны имеют специальные дренажные отверстия, позволяющие регулировать прохождение масла через подшипник. Это необходимо потому, что масло кроме своей основной функции – смазка трущихся поверхностей, ещё служит для охлаждения этих поверхностей. Всегда необходимо точно выдерживать зазор в подшипнике шатуна. Наиболее точным измерением зазора является метод с применением специальной измерительной пластмассовой проволоки. Измерение зазора в шатунных подшипниках ничем не отличается от измерения зазора в коренных подшипника.
Стержень большинства шатунов массовых двигателей имеет двутавровую форму и расширяется к нижней головке шатуна. Существуют стержни другой формы, особенно у шатунов спортивных двигателей, изготовленных из алюминиевых сплавов. Шатуны дизельных двигателей обычно более массивные и более прочные по сравнению с шатунами бензиновых двигателей.
В некоторых двигателях стержень шатуна имеет внутри просверленный масляный канал для подачи масла к верхней головке шатуна. Иногда в верхней части нижней головки шатуна делается отверстие, из которого масло под давлением разбрызгивается во внутренней полости поршня и цилиндра.
Для уменьшения вибраций двигателя необходимо чтобы все шатуны двигателя имели одинаковый вес, более того должен быть одинаковым не только общий вес каждого шатуна, но и вес каждой верхней и каждой нижней головки шатуна. Для взвешивания каждой головки шатуна применяются точные (электронные) весы со специальным приспособлением (установочной скалкой). Сначала взвешиваются все шатуны двигателя, и результаты взвешивания записываются в специальную таблицу с отдельным указанием веса нижней и верхней головок каждого шатуна. Подгонка веса осуществляется по самому лёгкому шатуну, за счёт аккуратного снятия части металла со специальных наплывов (бобышек), расположенных на верхней головке шатуна и на крышке нижней головки. Иногда наплывы в нижней части шатуна расположены не на крышке нижней головки, а на стержне шатуна чуть выше нижней головки в месте нахождения центра тяжести шатуна.Стрелками отмечены бобышки, с которых снимается часть металла при подгонке веса шатунов одного двигателя.
Материалы, из которых изготавливаются шатуны с целью уменьшения себестоимости производства шатуны массовых двигателей изготавливаются методом литья из специального чугуна, что в полнее обеспечивает требования двигателей работающих на бензине. Шатуны высоконагруженных двигателей, особенно дизельных двигателей с наддувом, изготавливаются методом горячей штамповки (ковки) из специальных легированных сталей. Кованые шатуны прочнее литых, но дороже в изготовлении. Кованый шатун легко отличить от литого по боковому шву. Боковой шов кованого шва широкий, а литого узкий. Шатуны некоторых современных двигателей изготавливаются методом спекания из порошковых металлов, такие шатуны обладают более высокой прочностью. Линия соединения нижней головки такого шатуна с крышкой шатуна имеет неровный колотый разъём, поскольку отделение крышки от шатуна происходи методом разлома. В этом случае обеспечивается наиболее точная установка крышки относительно шатуна.
Для уменьшения веса, что необходимо для обеспечения повышения оборотов двигателя, шатуны двигателей дорогих спортивных автомобилей, где цена материала не имеет большого значения, изготавливаются из алюминиевых или титановых сплавов. Шатун, изготовленный из титановых или алюминиевых сплавов весит меньше чем стальной шатун на 50%. Особенно высокие требования предъявляются к материалам, из которых изготавливаются болты крепления крышки головки шатуна. Обычно они изготавливаются из высоколегированных сталей обладающих очень высоким пределом текучести превышающий этот показатель 2 ÷ 3 раза по сравнению с углеродистыми сталями.
При ремонте некоторых высокофорсированных спортивных двигателей требуется обязательная замена болтов и гаек крепления крышки головки шатуна.Во время ремонта двигателя многие автомеханики практически не контролируют состояние шатуна. Они уверенны, что неисправными могут быть только детали, подвергающиеся износу: поршневые кольца, сами поршни, стенки цилиндров, направляющие втулки клапанов другие трущиеся детали. А в шатуне, особенно с фиксированным поршневым пальцем, непосредственно трущихся деталей нет. Поэтому принимается, что шатун всегда исправен, и шатуны устанавливаются в ремонтируемый двигатель не только без ремонта, но и вообще без проверки их технического состояния.
Довольно часто шатуны имеют деформацию, не допускающую их установку в ремонтируемый двигатель. Даже если двигатель автомобиля не подвергался аварийным неисправностям с последующим ремонтом, шатун может быть деформирован под воздействием штатных нагрузок. Тем более повышается вероятность деформации шатуна, если в результате обрыва ремня привода ГРМ, при котором от удара поршня были погнуты клапаны двигателя, если двигатель подвергся гидроудару, вследствие попадания воды в цилиндры двигателя или произошло прокручивание вкладыша и, соответственно перегрев нижней головки шатуна.
Деформация шатуна может произойти из-за неправильного ремонта, когда при установке фиксированного поршневого пальца, для нагрева верхней головки шатуна использовалась газовая горелка. Отверстие нижней головки шатуна, под воздействием ударных нагрузок, может принять овальную форму при неправильном моменте затяжки болтов крепления крышки головки шатуна или вытягивания болтов крепления крышки. Поэтому проверка геометрии и, в случае необходимости, ремонт или замена шатуна являются обязательными при ремонте двигателя. Сначала необходимо измерить диаметр, овальность и конусность отверстий верхней и нижней головок шатуна. Сделать это можно при помощи универсального нутромера, но в специализированных мастерских для этой цели может применяться специальные точные приспособления
Очень важным показателем геометрии шатуна является параллельность осей отверстий головок шатуна. Деформация стержня шатуна может привести к тому, что оси этих отверстий будут не параллельны. Это приведёт к перекосу поршня в цилиндре и, соответственно, повышенной шумности при работе двигателя, преждевременному износу поршня, стенок цилиндра, опорной поверхности нижней головки шатуна и коленчатого вала, а при сильном перекосе поршневого пальца и к разрушению поршня. Точно проверить параллельность осей отверстий шатуна можно только при помощи специальных приспособлений. К сожалению, такие приспособления часто отсутствуют даже в специализированных мастерских. А для проверки деформации стержня шатуна при помощи поверочной плиты или лекальной линейки требуется определённый опыт, да и эти, не очень удобные мерительные инструменты, бывают не во всех ремонтных предприятиях. Кроме того, на некоторых V-образных двигателях нижняя головка шатуна расположена несимметрично относительно стержня и верхней головки шатуна. И тогда проверить геометрию шатуна при помощи поверочной плиты вообще не удастся. Стержень шатуна может иметь спиральную закрутку или осевой искривление. В любом из этих случаев ось поршневого пальца будет не параллельна оси коленчатого вала, а ось поршня будет не параллельна оси цилиндра. Проверка наличия искривления стержня шатуна