Шатун не только воспринимает от поршня силу давления газов при рабочем ходе и передаёт её коленчатому валу, но и перемещает поршень при вспомогательных процессах. Шатун совершает сложное плоскопараллельное движение: движется вдоль цилиндра возвратно-поступательно, а также качается относительно оси поршневого пальца. Воспринятая поршнем сила давления газов сжимает шатун в процессе рабочего хода и в конце такта сжатия, в то время как инерционные нагрузки стремятся оторвать поршень от коленчатого вала и растягивают его. Помимо этого, знакопеременное качательное движение формирует силу инерции, которая изгибает шатун в плоскости его качания.
Конструктивное исполнение шатуна и применяемые для его изготовления материалы должны обеспечивать максимальную жёсткость при минимальных массогабаритных характеристиках. К основным элементам шатуна относятся: поршневая (верхняя) головка (2) [рис. 1], стержень (5) шатуна, кривошипная (нижняя) головка (6).
Рис. 1. Шатун с поршнем. Дизельный двигатель Д-240.
1) – Отверстие в верхней головке шатуна;
2) – Верхняя головка шатуна;
3) – Поршневой палец;
4) – Втулка;
5) – Стержень шатуна;
6) – Нижняя головка шатуна;
7) – Вкладыши;
8) – Крышка нижней головки шатуна;
9) – Гайка;
10) – Стопорная шайба;
11) – Болт.
Конструкция верхней головки шатуна определяется не только габаритами поршневого пальца, который соединяет шатун с поршнем, но и способом крепления данного пальца в поршне. Широкое распространение в автомобильных и тракторных двигателях нашли неразъёмные верхние головки с плавающими поршневыми пальцами. В поршневые головки запрессовываются (с некоторым натягом) бронзовые либо биметаллические втулки. Отличные результаты даёт использование биметаллических втулок из стальной трубы либо полосы с плакированным слоем (толщина 0,3-0,5 мм) бронзы БрОФ 6,5-0,15.
Верхняя головка шатуна имеет длину меньше на 2-4 мм, чем расстояние между торцами бобышек поршня, за счёт чего исключается возможность трения головки шатуна о бобышки поршня. Расположенное в верхней головке шатуна, а также в его втулке отверстие (1) предназначено для подвода к поверхности поршневого пальца масла. Данные отверстия для смазывания поршневых пальцев предусмотрены в шатунах двигателей ЗМЗ-53, ЗИЛ-130 и прочих.
Сечение стержней шатунов автомобильных и тракторных двигателей – двутавровое. С целью обеспечения равнопрочности шатуна (4) по длине прочность сечения увеличивается от верхней головки к нижней [рис. 2]. Как правило, стержень шатуна симметричен относительно продольной оси кривошипной (нижней) головки (двигатели Д-240, А-01, ЗИЛ-130, А-41, Д-144). В отдельных случаях он смещён по отношению к кривошипной головке, за счёт чего обеспечивается уменьшение расстояния между осями цилиндров, а также длины двигателя (при двухпролётных валах). Асимметричные стержни шатунов применяются в двигателях СМД-60, ЗМЗ-53, ЯМЗ.
Рис. 2. Кривошипно-шатунный механизм дизельного двигателя СМД.
1) – Шкив коленчатого вала;
2) – Шестерня привода масляного насоса;
3) – Коленчатый вал;
4) – Шатун;
5) – Втулка верхней головки шатуна;
6) – Поршень;
7) – Стопорное кольцо;
8) – Поршневой палец;
9) – Расширитель;
10) – Поршневое маслосъёмное кольцо;
11) – Поршневые компрессионные кольца;
12) – Вкладыши коренных подшипников;
13) – Упорные полукольца;
14) – Маховик коленчатого вала;
15) – Гайка;
16) – Фланец крепления маховика;
17) – Маслоотражатель;
18) – Шестерня привода газораспределения;
19) – Масляная полость шатунной шейки;
20) – Шатунный болт;
21) – Крышка нижней головки шатуна;
22) – Вкладыш шатунного подшипника;
23) – Противовес;
24) – Маслоотражатель.
В стержнях шатунов дизельных двигателей (А-41, Д-144, А-01М, СМД-60, ЯМЗ) выполнен канал (5) [рис. 3, а)] для подвода смазки от нижней головки шатуна непосредственно к поршневому пальцу. Поступающее по сверлению в стержне шатуна масло (применительно к двигателям Д-160 и Д-144) также используется для охлаждения днища поршня.
Рис. 3. Поршень двигателя внутреннего сгорания.
а) – Поршень дизельного двигателя А-41;
1) – Днище поршня;
2) – Камера сгорания;
3) – Уплотняющая часть поршня;
4) – Юбка (направляющая часть) поршня;
5) – Канал в стержне шатуна;
6) – Шатун;
7) – Втулка верхней головки шатуна;
8) – Бобышка поршня;
9) – Канавка для маслосъёмного кольца;
10) – Поршневой палец;
11) – Стопорное кольцо;
12) – Канавки для компрессионных колец;
13) – Кольцевая канавка;
14) – Отверстие для стока масла;
б) – Головки поршней;
1) – Д-21А1, Д-144;
2) – А-41, СМД-60, А-01, двигателей семейства КамАЗ и ЯМЗ;
3) – Д-160, Д-240;
в) – Поршень бензинового двигателя ЗМЗ-53.
Кривошипная (нижняя) головка шатуна является его наиболее сложным конструктивным элементом. Помимо высокой жёсткости для надёжной работы шатунных вкладышей она также должна иметь минимальные массогабаритные характеристики (для снижения инерционных сил), плавные переходы (чтобы избежать концентрации напряжений) и обеспечивать возможность монтажа/демонтажа шатуна через цилиндр двигателя. Широкое распространение получили шатуны, имеющие кривошипную головку с прямым плоским разъёмом под прямым углом (90 градусов) к главной оси шатуна [рис. 4, а)]. Данные шатуны устанавливаются в двигатели ЗМЗ-54, КамАЗ, ЗИЛ-130, Д-240 и прочие.
Рис. 4. Конструктивные схемы нижних головок шатунов.
а) – Головка шатуна с прямым плоским разъёмом;
б) – Головка шатуна с косым разъёмом;
в) – Головка шатуна с фиксацией крышки треугольными шлицами;
г) – Головка шатуна с фиксацией крышки призонными штифтами;
д) – Схема для определения распрямления вкладыша;
е) – Схема для определения выступания вкладыша;
Dn – Диаметр постели;
2uo – Суммарное распрямление;
Т – Сжимающая сила;
Δh – Выступание;
R – Нагрузка на торец вкладыша;
ж) – Шатунный вкладыш:
1) – Плоскость разъёма;
2) – Внутренняя поверхность вкладыша;
3) – Наружная цилиндрическая поверхность вкладыша;
4) – Торец вкладыша;
5) – Фиксирующий ус;
6) – Основа вкладыша;
7) – Промежуточный технологический слой;
8) – Скос;
9) – Антифрикционное покрытие;
10) – Смазочное отверстие;
S – Толщина вкладыша;
f – Глубина скоса;
k – Высота скоса;
α – Угол расположения смазочного отверстия.
В нижней головке шатунов бензиновых двигателей ЗМЗ-53 и ЗИЛ-130 имеется небольшое отверстие, которое отвечает за периодическое фонтанирование масла, подводимого к шатунному подшипнику. Данное масло смазывает не только зеркало цилиндра, но и кулачки распределительного вала, а также толкатели.
В некоторых двигателях, имеющих увеличенные размеры шатунной шейки, кривошипные головки выполняются с косым разъёмом с целью удобства демонтажа. Плоскость разъёма располагается под углом 55 градусов к главной оси шатуна. В данном случае стыковые поверхности [рис. 4, б) и в)] изготавливают не только плоскими (дизельный двигатель СМД-60), но и шлицевыми (дизельные двигатели А-01, ЯМЗ, А-41).
Шатуны современных двигателей выполняются из углеродистых либо легированных сталей посредством горячей штамповки с дальнейшей механической обработкой рабочих поверхностей. Чтобы достичь высоких прочностных характеристик шатуны подвергаются термообработке (нормализация, закалка, отпуск). Также широкое применение в обработке поверхностей шатунов нашла дробеструйная обработка, цель которой – повышение усталостной прочности.
Кривошипная головка шатуна изготавливается разъёмной для возможности соединения её с коленчатым валом. Съёмная часть данной головки называется крышкой и выполняется из того же материала, что и сам шатун. Верхняя часть кривошипной головки и крышка обрабатываются совместно, вследствие чего перестановка крышки с одного шатуна на другой запрещена. Поверхности обеих половин кривошипной головки шатуна имеют одинаковые номера либо метки спаренности, используя которые производят соединение крышки с шатуном и шатуна с поршнем соответствующего цилиндра.