Что такое шатуны и зачем они в двигателе

Шатун — это одна из самых нагруженных деталей мотора. И шатуны есть во всех поршневых двигателях, неважно — бензиновых или дизельных. Отличаются шатуны лишь некоторыми особенностями конструкции и, конечно, размером. Назначение шатуна — передавать линейное движение поршня на вращающийся коленвал. Эта статья — про устройство шатуна, материалы, из которых его делают, и возможные проблемы с этой деталью.

Для начала разберём, что такое шатуны. Это детали, соединяющие поршни и коленвал двигателя. По сути, это подвижная металлическая «тяга» или рычаг, передающий усилие от поршня валу и обратно — в зависимости от того, какой такт работы происходит в цилиндре. 

Устройство шатуна на первый взгляд нехитрое. Его можно условно поделить на три части. Верхняя считается поршневой головкой и имеет отверстие для установки пальца, с помощью которого шатун подвижно соединён с поршнем. Нижняя часть называется кривошипной головкой и крепится к коленчатому валу. Средняя же часть шатуна — стержень — соединяет верхнюю и нижнюю головки.

Шатуны могут быть разных форм и размеров в зависимости от типа двигателя, его рабочего объёма и мощности. Например, в дизельных двигателях используются более массивные шатуны, поскольку нагрузка на них выше. В бензиновых двигателях применяют шатуны с меньшим сечением и диаметрами головок, чтобы уменьшить вес агрегата и снизить инертность кривошипно-шатунного механизма на высоких оборотах. 

Теперь — подробнее о том, из чего состоит шатун.

Верхней головкой шатун соединяется с поршнем через поршневой палец. Эта часть детали делается неразъёмной (цельной), а её конструкция бывает двух видов:

1. С фиксированным пальцем. В этом варианте в головку шатуна жёстко запрессовывается стальной цилиндрический палец, а подвижность соединения обеспечивается только за счёт его вращения в отверстиях (бобышках) поршня.
2. С «плавающим» пальцем. В этом случае палец может вращаться и в головке шатуна, а от осевого перемещения его удерживают стопорные кольца в поршне.

Если палец «плавающий», в верхнюю головку запрессовывают биметаллические или бронзовые втулки. И к соединению через масляные каналы подводится смазка для уменьшения трения.

На такте рабочего хода, когда поршень движется вниз, его соединение с шатуном испытывает высокие нагрузки. Для увеличения площади опоры пальца на шатуне верхнюю головку делают шире, чем среднюю часть. 

Стержень — несущая часть шатуна, которая соединяет его верхнюю и нижнюю головки. Главная функция средней части — передать усилие от поршня на коленчатый вал и обратно. 

При проектировании стержня шатуна его стараются сделать максимально прочным и при этом лёгким, поэтому он имеет сложную форму и сечение — чаще всего двутавра (в виде буквы Н) с расширением от верхней головки к нижней. Такой вариант обеспечивает одновременно небольшой вес и достаточную прочность на изгиб в плоскости вращения шатуна. Реже встречаются овальные стержни, но есть и более экзотические формы вроде цилиндра или креста. 

Нижняя головка шатуна отвечает за несколько функций, и у неё есть свои особенности в конструкции. Она вращается на подвижной оси (шейке) коленчатого вала, для чего в неё устанавливают подшипник скольжения в виде пары полукруглых пластин, которые называются шатунными вкладышами. Они делаются из стали с тонким антифрикционным покрытием и смазываются маслом под давлением, которое подаётся через каналы в коленчатом валу. Возвратно-поступательное и одновременно колебательное движение шатуна через нижнюю его головку преобразовывается во вращательное движение коленвала.

Нижняя головка шатуна уже не цельная, а состоит из нескольких деталей. Одна половина головки является частью стрежня, а вторая прикручивается к ней болтами или шпильками и называется крышкой шатуна. Вот из чего состоит шатун двигателя. 

Если кривошипно-шатунный механизм сконструирован с «плавающим» пальцем, для его смазки внутри шатуна ещё делается масляный канал от нижней головки к верхней.

Шатуны для ДВС сейчас делают из разных материалов, включая легированную сталь, чугун, сплавы из алюминия и титана и даже композитные материалы.

Чугун обычно применяют для шатунов бензиновых автомобилей. Он относительно дешёвый, а при изготовлении можно использовать недорогой метод литья. 

У дизельных моторов нагрузки выше, и это предъявляет более серьёзные требования к шатунам. Здесь уже в ход идёт легированная сталь, причём детали штампуются или куются (это более дорогие процессы по сравнению с литьём). 

Шатуны из титановых и алюминиевых сплавов используют в спортивных и просто быстрых автомобилях. Там важен вес, а эти материалы позволяют сократить его до минимума (примерно в 2 раза по сравнению с чугунными).

Для большей точности сопряжения шатуна с крышкой их часто делают «разрывным» методом. Для этого деталь сначала отливают цельной, потом обрабатывают поверхности и отверстия головок, а на финальном этапе разрушают, отламывая крышку от остальной заготовки. Из-за этого при обратном их соединении болтами получается идеально точное отверстие нижней головки.

Теперь, когда понятно, что такое шатун в двигателе, разберём его возможные неисправности. Вообще, шатун — крайне надёжная деталь, которая в обычных условиях без проблем доживает до капремонта двигателя. К этому моменту могут износиться разве что втулки в верхней или вкладыши в нижней частях детали. Как правило, это происходит из-за некачественной смазки: при забитых каналах или просто при использовании дешёвого масла. Об износе подшипников шатуна обычно свидетельствует характерный стук при работе двигателя.

Фатальные деформации и разрушения случаются, главным образом, при гидроударе. Это ситуация, когда в цилиндры попадает вода (например, при проезде брода или глубокой лужи). Поскольку жидкость практически несжимаема, при её критическом объёме движущийся вверх поршень резко «упирается в стену» — и нагрузка оказывается настолько высокой, что шатун гнётся или вовсе ломается. Как правило, заодно пробивая ещё и стенку блока цилиндров. Российские автовладельцы прозвали такую поломку «рукой дружбы». Двигатель после этого ремонту уже не поддаётся.