Шатун - Connecting rod

Шатун и поршень от автомобильного двигателя

А шатун, также называемый шатун, является частью поршневой двигатель который соединяет поршень к коленчатый вал. Вместе с заводить, шатун 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 двигатель внутреннего сгорания или на Паровые двигатели.

Происхождение

Схема Роман Лесопилка Иераполиса, самая ранняя из известных машин, сочетающая шатун с заводить.[2]

Самые ранние свидетельства наличия шатуна появились в конце 3 века нашей эры. Роман Лесопилка Иераполиса. Он также появляется в двух частях VI века. Восточно-римский пилорамы раскопан на Эфес соответственно Гераса. В заводить и шатунный механизм этих Римские водяные мельницы преобразовал вращательное движение водяного колеса в линейное движение пильных полотен.[2]

В Ренессанс Италия, самое раннее свидетельство - хотя и неправильно понятого - составного кривошипа и шатуна можно найти в альбомах для рисования Таккола.[3] Звуковое понимание задействованного движения показывает художника 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 эпоха Возрождения Европа становится изобильной; Агостино Рамелли с Разнообразные и искусственные машины одного только 1588 года изображает восемнадцать примеров, число, которое возрастает в Театрум Machinarum Novum от Георг Андреас Бёклер до 45 различных машин.[4]

Шатун в двигателе
Шатун в двигателе Caterpillar

Ранняя документация по проекту произошла где-то между 1174–1206 гг. Артукидское государство (современная Турция), когда изобретатель Аль-Джазари описал машину, которая включала шатун с коленчатым валом для перекачивания воды как часть водоподъемной машины.[5][6]

Паровые двигатели

Луч двигателя со сдвоенными шатунами (почти вертикальными) между горизонтальной балкой и маховиком
Шатун паровоза (между поршнем и задним колесом; виден самый большой шток)

1712 год Атмосферный двигатель Newcomen (первая паровая машина) использовала цепную передачу вместо шатуна, так как поршень создавал силу только в одном направлении.[7] Однако большинство паровых машин после этого двойного действия, поэтому сила создается в обоих направлениях, что приводит к использованию шатуна. В типичной конструкции используется большой блок подшипников скольжения, называемый крейцкопф с шарниром между поршнем и шатуном, расположенным снаружи цилиндра, что требует уплотнения вокруг Шток поршня.[8]

В паровоз, шатуны обычно устанавливаются непосредственно на ведущие колеса. Шатун используется между шатунным штифтом на колесе и крейцкопфом (где он соединяется с Шток поршня ).[9] Эквивалентные шатуны на тепловозах называются «боковые тяги» или «соединительные тяги». На меньших паровозах шатуны обычно имеют прямоугольное сечение,[10] однако иногда использовались стержни морского типа круглого сечения.

На пароходы, шатуны называются шатунами (не путать с оружие шахтера ).

Двигатель внутреннего сгорания

Типовая конструкция шатуна автомобильного двигателя

Шатун для двигателя внутреннего сгорания состоит из «большого конца», «штока» и «малого конца» (или «маленького конца»). Маленький конец прикрепляется к поршневой палец (также называемый «поршневой палец» или «поршневой палец»), который может поворачиваться в поршне. Обычно большой конец подключается к шатун с помощью подшипник скольжения для уменьшения трения; однако некоторые двигатели меньшего размера могут вместо этого использовать подшипник качения, чтобы избежать необходимости в перекачиваемой 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 поршневые кольца.

Шатун может вращаться на обоих концах, так что угол между шатуном и поршнем может изменяться, когда шатун перемещается вверх и вниз и вращается вокруг коленчатый вал.

Материалы

Алюминиевый стержень с модульной головкой и втулкой в ​​опоре (слева), алюминиевый маслосборник с пластинами (в центре), стальной стержень (справа)

В серийных автомобильных двигателях шатуны чаще всего изготавливаются из сталь. В высокопроизводительных приложениях могут использоваться "заготовки" шатунов, которые выточены из цельного металла. заготовка металла, а не быть бросать или кованые.

Другие материалы включают T6-2024 алюминиевый сплав или T651-7075 алюминиевый сплав, которые используются для обеспечения легкости и способности поглощать сильные удары за счет прочности. Титан - более дорогой вариант, позволяющий снизить вес. Чугун может использоваться для более дешевых приложений с низкой производительностью, таких как мотороллеры.

Отказ во время работы

Верхняя половина вышедшего из строя шатуна
Шатун, который сначала вышел из строя из-за усталости, а затем повредился от удара о коленчатый вал

Во время каждого поворота коленчатого вала на шатун часто действуют большие повторяющиеся силы: поперечные силы из-за угла между поршнем и шатунной шейкой, силы сжатия когда поршень движется вниз, и растягивающие силы когда поршень движется вверх.[11] Эти силы пропорциональны квадрату частоты вращения двигателя (об / мин).

Выход из строя шатуна, часто называемый «выбросом шатуна», является одной из самых частых причин катастрофического отказа двигателя в автомобилях.[нужна цитата ] частое продвижение сломанного стержня 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 при ударе поршня о клапан (из-за проблемы с клапанным механизмом), отказ подшипника штока (обычно из-за проблемы со смазкой или неправильной установки шатуна.[13][14][15][16]

Износ цилиндра

Боковое усилие, действующее на поршень через шатун со стороны коленчатый вал может вызвать цилиндры носить в овальной форме. Это значительно снижает производительность двигателя, так как круговой поршневые кольца не могут плотно прилегать к стенкам цилиндра овальной формы.

Величина бокового усилия пропорциональна углу шатуна, поэтому более длинные шатуны уменьшают боковую силу и износ двигателя. Однако максимальная длина шатуна ограничена размером блока двигателя; то длина хода плюс длина шатуна не должна приводить к прохождению поршня за верхнюю часть блока цилиндров.

Штанги Master-and-Slave

Принцип работы радиального двигателя
Хозяин-раб штанги в 1916-1918 гг. Renault 8G Авиационный двигатель V8

Радиальные двигатели обычно используются шатуны типа «ведущий и ведомый», при этом один поршень (самый верхний поршень в анимации) имеет ведущий стержень, непосредственно прикрепленный к коленчатому валу. Остальные поршни прикрепляют крепления своих шатунов к кольцам по краю ведущего штока.

Многорядные двигатели с множеством цилиндров, например Двигатели V12, имеют мало места для многих шатунных шейек на ограниченной длине коленчатого вала. Самое простое решение, которое используется в двигателях большинства дорожных автомобилей, состоит в том, чтобы каждая пара цилиндров имела общий кривошипный журнал, но это уменьшает размер подшипников штока и означает, что совпадающие (т. е. противоположные) цилиндры в разных рядах немного смещены вдоль оси коленчатого вала (что создает качающаяся пара ). 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.

Один из самых сложных примеров шатунов типа «ведущий-ведомый» - 24-цилиндровый. Юнкерс Юмо 222 экспериментальный авиационный двигатель, 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

Вилочные и ножевые стержни

Штанги с вилкой и ножом, также известные как «штанги с разъемным шатуном», использовались на V-образный твин двигатели мотоциклов и V12 авиационные двигатели.[18] Для каждой пары цилиндров шток «вилки» разделен на две части на большом конце, а шток «лезвия» из противоположного цилиндра утончается, чтобы войти в этот зазор в вилке. Такое расположение устраняет качающаяся пара это происходит, 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 проходит 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 скорость поверхности. Однако движение подшипника также становится возвратно-поступательным, а не непрерывным, что является более сложной проблемой для смазки.

Известные двигатели, использующие штанги вилки и лезвия, включают Роллс-Ройс Мерлин Авиационный двигатель V12 и различные Харли-Девидсон Мотоциклетные двигатели V-twin.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Лион, Роберт Л .; Редактор. Паровой Автомобиль Том. 13, № 3. SACA.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (ссылка на сайт)
  2. ^ а б Ритти, Греве и Кессенер 2007, п. 161:

    Из-за открытий 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 написал свою Мозеллу.

  3. ^ а б Уайт-младший, 1962 г., п. 113
  4. ^ Уайт-младший, 1962 г., п. 172
  5. ^ Ахмад и Хасан. «Система кривошипно-шатун в непрерывно вращающейся машине».
  6. ^ Салли Ганчи; Сара Ганчер (2009), Ислам и наука, медицина и технологии, The Rosen Publishing Group, стр.41, ISBN  978-1-4358-5066-8
  7. ^ «Глоссарий паровозов». www.railway-technical.com. Архивировано из оригинал на 2008-01-28. Получено 2016-02-05.
  8. ^ Dempsey, G.D .; Кларк, Д. Киннер (2015). Викторианский паровоз: его конструкция и разработка, 1804–1879 гг.. Барнсли, Англия: Транспортировка ручки и меча. С. 27–28. ISBN  978-1-47382-323-5 - через Google Книги.
  9. ^ Аронс, Э. (1921). Нил, Р. (ред.). Строительство и обслуживание паровозов. Серия технических праймеров Pitman. Лондон: Локомотив Паблишинг Ко. Лтд., Стр. 74–78 - через Google Книги.
  10. ^ Уайт, Джон Х., младший (1979). История американского локомотива: его развитие, 1830-1880 гг.. Нью-Йорк: Dover Publications. п. 185. ISBN  9780486238180 - через книги Google.
  11. ^ «Причины выхода из строя шатуна». www.itstillruns.com. Получено 21 сентября 2019.
  12. ^ "Что значит" бросить жезл "?". Автомобильный разговор. Апрель 1990 г.. Получено 2016-02-05.
  13. ^ Политика конфиденциальности (15 марта 2017 г.). «Предотвращение отказов шатуна». www.enginebuildermag.com. Получено 21 сентября 2019.
  14. ^ «Как устранить поломки шатуна». www.hotrod.com. Получено 21 сентября 2019.
  15. ^ «Вероятная причина большинства отказов стержней». www.arcracing.blogspot.com. 1 июня 1999 г.. Получено 21 сентября 2019.
  16. ^ "Emerson Bearing Extreme Applications". www.emersonbearing.com. Получено 2016-02-05.
  17. ^ [1]
  18. ^ "Драйсдейл Годзилла V-Twin". thekneeslider.com. Получено 26 сентября 2019.