Автомобіль / Силова установка / Двигун внутрішнього згоряння / Механічна частина двигуна / Кривошипно-шатунний механізм / Шатун

Шатун

Автор матеріалу: Олег Тимошенко

Шатун - це деталь кривошипно-шатунного механізму, яка з'єднує поршень з колінчастим валом і перетворює зворотно-поступальний рух поршня на обертання вала. Шатун передає всю силу тиску газів, тому працює під великими змінними навантаженнями розтягування, стиснення і згину.

Шатун складається з верхньої (малої) головки з втулкою або отвором під поршневий палець, стрижня двотаврового перерізу і нижньої (великої) головки з кришкою, яку кріплять болтами шатуна. У нижній головці встановлюють шатунні вкладиші, які працюють на шийці колінчастого вала.

Головне правило TESMA: шатун і його кришка - парна деталь. Кришки не міняють місцями, болти шатуна часто одноразові, а момент і кут затягування беруть лише з документації виробника двигуна.

Конструктивні варіанти

Шатуни з прямим і косим роз'ємом нижньої головки - косий роз'єм дозволяє виймати шатун через циліндр при великій шийці.
Роз'єм ламанням (cracked) - кришку відламують від шатуна, і їх поверхні унікальні; така пара не терпить перестановки.
Втулка малої головки - бронзова втулка під плаваючий палець або отвір під палець із натягом.
Матеріали - кована сталь, порошкова сталь, у спортивних двигунах титан або алюмінієві сплави.

Несправності шатуна

знос шатунних вкладишів і проворот вкладиша при масляному голодуванні;
знос втулки малої головки - стук на перекладці поршня;
деформація (вигин, скручування) після гідроудару або детонації;
овальність отвору нижньої головки після проворота вкладиша;
обрив шатуна - катастрофічне руйнування двигуна, часто з пробоєм блока.

Симптоми

стук у двигуні, що зростає з обертами і навантаженням;
падіння тиску оливи, особливо на прогрітому двигуні;
металева стружка в оливі і на фільтрі;
після гідроудару - зниження компресії в циліндрі через вигнутий шатун.

Діагностика і дефектування

Прослуховування двигуна і діагностика шумів двигуна: шатунний стук зазвичай змінюється при відключенні циліндра.
Вимірювання тиску масла манометром.
Огляд оливи і фільтра на наявність стружки.
Після розбирання - вимірювання отворів головок, перевірка на вигин і скручування на спеціальному стенді, огляд вкладишів.
Перевірка масляного зазору за документацією виробника.

Заміна і підбір

Шатун підбирають за кодом двигуна, OE-номером і масовою групою: у багатьох двигунах шатуни одного комплекту мають обмежений розкид маси. Після проворота вкладиша рішення про відновлення або заміну шатуна приймає моторист за результатами вимірювань. Під час ремонту зазвичай замінюють вкладиші і болти шатуна; див. також Заміна вкладишів колінчастого вала.

Коли експлуатацію краще припинити

При появі глухого металевого стуку, що наростає з обертами, і падінні тиску оливи двигун треба заглушити. Продовження руху може закінчитися обривом шатуна і руйнуванням блока циліндрів.

Які навантаження сприймає шатун

Під час робочого ходу шатун стискається силою тиску газів, у кінці такту випуску і на початку впуску - розтягується інерційними силами поршня. Одночасно стрижень гойдається, а нижня головка обертається разом із шийкою колінчастого вала. Тому шатун має витримувати мільйони циклів змінних навантажень без втомних тріщин, а нижня головка - зберігати геометрію, щоб вкладиші мали рівномірний масляний зазор.

Причини пошкодження шатуна

масляне голодування і проворот шатунного вкладиша - найчастіша причина;
гідроудар - потрапляння води або охолоджувальної рідини в циліндр;
детонація і надмірний тиск згоряння;
перевищення допустимих обертів;
повторне використання одноразових болтів або неправильний момент затягування;
перестановка кришок шатунів або неправильна орієнтація;
обрив ременя ГРМ на двигуні, де клапан зустрічається з поршнем.

Як відрізнити шатунний стук від інших шумів

Шатунний стук - глухий, частота пропорційна обертам, посилюється під навантаженням і при різкому відпусканні газу, змінюється при відключенні циліндра.
Корінний стук - нижчий за тоном, сильніший, часто чутний при пуску і під навантаженням, мало залежить від відключення одного циліндра.
Стук поршневого пальця - дзвінкіший, подвійний, чутний на холостому ходу при різкій зміні обертів.
Клапанний механізм - цокання з частотою вдвічі нижчою за оберти колінчастого вала, у верхній частині двигуна.
Детонація - металевий дзвін під навантаженням, зникає при зменшенні навантаження.

Розширене дефектування шатуна

Огляньте шатун на сліди перегріву (синє забарвлення), тріщини, задири в нижній головці.
Зберіть шатун із кришкою, затягніть болти моментом виробника і виміряйте отвір нижньої головки в кількох площинах.
Виміряйте отвір верхньої головки або втулки і зазор із пальцем.
Перевірте паралельність осей головок (вигин) і скручування на пристрої.
Порівняйте масу шатунів комплекту.
Перевірте стан посадкових поверхонь кришки і фіксуючих елементів.
Оцініть сусідні деталі: шийки колінчастого вала, поршень, циліндр.

Практичні випадки

Скарга: глухий стук на прогрітому двигуні, низький тиск оливи на холостому. Перевірка: при відключенні 3-го циліндра стук слабшав, у фільтрі - бронзова стружка. Висновок: проворот шатунного вкладиша; ремонт із шліфуванням шийки і перевіркою шатуна.
Скарга: після проїзду через глибоку калюжу двигун заглух і більше не крутиться стартером нормально. Перевірка: вода в циліндрі, компресія в одному циліндрі низька. Висновок: гідроудар, вигнутий шатун.
Скарга: стук після капітального ремонту. Перевірка: кришки двох шатунів переставлені місцями. Висновок: повторне розбирання, заміна вкладишів і перевірка геометрії.

Типові помилки

перестановка кришок шатунів;
повторне використання болтів, затягнутих із кутом;
затягування без змащення різьби, якщо виробник його передбачає;
установлення шатуна іншої масової групи;
неправильна орієнтація шатуна відносно поршня;
відсутність перевірки на вигин після гідроудару;
заміна вкладишів без перевірки отвору нижньої головки;
ігнорування причини масляного голодування;
пуск двигуна після складання без попереднього заповнення системи змащення оливою.

Шатунні болти і кришки

Кришка шатуна обробляється разом із шатуном, тому кришки не можна міняти місцями між шатунами і перевертати. Сучасні шатуни часто мають колотий (crack) роз'єм: кришку відокремлюють ламанням, і нерівна поверхня злому точно фіксує її положення. Такий шатун не можна шліфувати по площині роз'єму. Болти шатуна часто розраховані на затягування за межею пружності (момент плюс кут) і є одноразовими. Повторне використання таких болтів або затягування без кута - одна з причин обриву шатуна.

Підбір шатунів за масою

Шатуни в одному двигуні мають бути однакові за масою в межах допуску виробника, інакше зростає вібрація. Виробник часто маркує масові групи на шатуні. При заміні одного шатуна підбирають деталь тієї самої групи або доводять масу комплекту. Те саме стосується поршнів з пальцями.

Наслідки обриву шатуна

Обрив шатуна на ходу зазвичай пробиває стінку блоку, пошкоджує колінчастий вал, поршень і головку блоку. У більшості випадків ремонт обходиться дорожче за контрактний двигун. Тому стук нижньої частини двигуна, падіння тиску масла і металевий пил у маслі - причини негайно зупинити експлуатацію і провести діагностику шумів.

Профілактика

масло з допуском виробника і своєчасна заміна;
контроль тиску масла при появі стуку;
уникнення гідроудару - не долати глибокі калюжі на швидкості;
усунення детонації і перегріву;
правильні моменти і нові болти при будь-якому ремонті шатунно-поршневої групи.

Призначення шатуна

Шатун перетворює зворотно-поступальний рух поршня на обертальний рух колінчастого вала. Верхня головка через поршневий палець з'єднана з поршнем, нижня - через вкладиші з шатунною шийкою вала. Стрижень шатуна переважно двотаврового перерізу - так досягається висока жорсткість при малій масі. На шатун діють стискання від тиску газів, розтягування від сил інерції на високих обертах і згинання від гойдання.

Матеріали і технології виготовлення

Технологія	Особливості
кований сталевий	висока міцність, традиційно для серійних і спортивних двигунів
порошкова металургія (спечений)	точна маса без додаткової обробки, колотий роз'єм
чавунний	у частині масових двигунів, менша вартість
титановий, алюмінієвий	спортивні двигуни, особливі вимоги до ресурсу

Шатун і гідроудар

Рідина (вода, охолоджувальна рідина, паливо) у циліндрі не стискається. Якщо поршень на такті стискання впирається в рідину, вся сила передається на шатун, і він гнеться. Погнутий шатун зменшує ступінь стискання в циліндрі (знижена компресія при цілих кільцях і клапанах), змінює навантаження на вкладиші і поршень, з часом може зламатися. Тому після гідроудару обов'язкова перевірка компресії всіх циліндрів, а при підозрі - розбирання і вимірювання шатунів.

Перевірка геометрії шатуна

паралельність осей верхньої і нижньої головок - на спеціальному пристрої;
скручування - на тому самому пристрої в іншій площині;
міжосьова відстань - порівнянням з іншими шатунами комплекту;
овальність нижньої головки з затягнутою кришкою - нутроміром.

Шатуни в турбованих і дизельних двигунах

Навантаження на шатун визначаються тиском згоряння і інерційними силами. У турбованих бензинових і дизельних двигунах тиск у циліндрі значно вищий, ніж в атмосферних бензинових, тому шатуни працюють на межі можливостей матеріалу. Це впливає на конструкцію, матеріал і типові причини відмов.

Тип двигуна	Особливість навантаження	Що важливо при ремонті
атмосферний бензиновий	переважають інерційні сили на високих обертах	маса шатунів, стан болтів, геометрія
турбований бензиновий	високий тиск при низьких обертах, ризик детонації і передзапалювання	перевірка на вигин після детонації, якість палива і свічок
дизельний	дуже високий тиск згоряння, великі ударні навантаження	стан верхньої головки і вкладишів, перевірка на скручування
форсований після зміни програми	тиск і момент вищі за розрахункові	оцінка запасу міцності, контроль детонації

У сучасних турбованих бензинових двигунах окремою загрозою є передзапалювання на низьких обертах. Це раптове неконтрольоване займання суміші до іскри, яке створює дуже різкий пік тиску. Один такий епізод може вигнути шатун або зруйнувати перемичку поршня. Ризик зростає при використанні оливи без сучасного допуску і палива низької якості.

У дизелях шатуни часто мають ступінчасту або трапецієподібну верхню головку, щоб збільшити площу опори пальця. Ремонт такої головки вимагає точного обладнання, і в багатьох випадках простіше замінити шатун.

Після будь-якої заміни шатунів у таких двигунах важливо дотримуватися підбору за масою і використовувати нові болти. Помилка, яка в атмосферному двигуні дасть лише вібрацію, у турбованому може призвести до обриву.

Тому при скаргах на стук після детонації, гідроудару або різкого навантаження шатуни перевіряють навіть тоді, коли зовні двигун працює нормально.

Ремонт верхньої головки шатуна: заміна втулки

Верхня головка шатуна з'єднується з поршневим пальцем. У більшості двигунів з плаваючим пальцем у неї запресована бронзова втулка, яка поступово зношується. Збільшений зазор у цьому з'єднанні дає характерний дзвінкий стук і прискорює знос пальця і поршня.

Коли заміна втулки доцільна

зазор між пальцем і втулкою перевищує допуск виробника;
на втулці є задири, сліди перегріву або провертання;
отвір для змащення втулки забитий або зміщений;
сам шатун не має вигину і скручування, а нижня головка в нормі.

Порядок робіт такий: стару втулку випресовують, перевіряють отвір у шатуні на овальність, запресовують нову втулку верхньої головки шатуна з правильним натягом, суміщають мастильні отвори і розточують або розвертають втулку під розмір пальця. Після обробки перевіряють паралельність осей верхньої і нижньої головок.

Помилки при цій операції мають серйозні наслідки. Неспівпадіння мастильного отвору позбавляє палець змащення, недостатній натяг дає провертання втулки, а перекіс при розточуванні створює навантаження на кромки поршня і кільця.

Якщо обладнання для точної обробки немає, а шатун має невелику вартість, раціональніше замінити його новим. При цьому дотримуються підбору за масою з рештою шатунів.

У двигунах із запресованим пальцем втулки немає, і знос отвору в головці означає заміну шатуна.

Після заміни втулки корисно перевірити масу шатуна: запресована нова втулка і обробка можуть трохи змінити її. Якщо різниця з іншими шатунами виходить за допуск виробника, масу вирівнюють у передбачених для цього місцях. Також перевіряють, щоб палець входив у нову втулку з легким рівномірним зусиллям без заїдань по всій довжині.

Шатун: що можна перевірити самостійно, а що - на сервісі

Шатун прихований глибоко в двигуні, і його стан можна точно оцінити лише при розбиранні. Проте ранні ознаки проблем власник може помітити сам. Своєчасна реакція на них часто дозволяє обмежитися заміною вкладишів замість капітального ремонту.

Дія	Власник	Сервіс
контроль рівня оливи і своєчасна заміна	так	так
реакція на лампу тиску оливи	так, негайна зупинка	так
фіксація стуку: на холодному чи гарячому, під навантаженням чи без	так	так
запис звуку на смартфон	так	так
вимірювання тиску оливи манометром	ні	так
прослуховування стетоскопом і відключення циліндрів	ні	так
розбирання і дефектування	ні	так

Найважливіше правило для власника - не продовжувати рух при появі глухого стуку знизу двигуна, особливо якщо він посилюється під навантаженням або супроводжується миготінням лампи тиску оливи. Шатунний стук може за короткий час перейти в обрив шатуна з пошкодженням блока.

Корисно записати звук на кількох обертах і зазначити, коли він з'являється. Сервіс порівняє ці дані з результатами вимірювання тиску оливи манометром і прослуховування. Детальніше про розпізнавання шумів - на сторінці стук у двигуні.

Регулярна заміна оливи з правильним допуском і контроль її рівня - найдешевший спосіб продовжити ресурс шатунів і вкладишів.

Якщо стук з'явився після заміни оливи, перевіряють, чи правильна в'язкість залита і чи не встановлено неправильний фільтр. Занадто рідка олива або фільтр без потрібного клапана можуть знизити тиск і спровокувати шум вкладишів. Ці обставини варто повідомити сервісу одразу.

Часті питання

Чи можна замінити один шатун?

Можна, якщо новий шатун відповідає масовій групі і специфікації. Інакше можливий дисбаланс і вібрація.

Чи можна повторно використовувати болти шатуна?

Лише якщо виробник це дозволяє. Болти, що затягуються з кутом, зазвичай одноразові.

Чи можна відновити шатун після проворота вкладиша?

Іноді отвір нижньої головки відновлюють обробкою в спеціалізованій майстерні, якщо це допускає виробник. Частіше шатун замінюють.

Чи можна їздити зі стуком шатуна?

Ні. Шатунний стук швидко прогресує і може закінчитися обривом шатуна та руйнуванням двигуна.

Чи можна випрямити погнутий шатун?

Не рекомендується: випрямлений шатун має залишкові напруження і може зламатися. Погнутий шатун замінюють.

Пов'язані сторінки бази знань TESMA

Суміжні деталі

Що ще почитати на цю тему

Товарні групи TESMA

Висновок

Шатун передає силу тиску газів від поршня на колінчастий вал і працює під найбільшими навантаженнями в двигуні. Його стан оцінюють за шумом, тиском оливи і вимірюваннями після розбирання.

Правило TESMA: кришки шатунів не міняють місцями, а болти і моменти затягування - лише за документацією виробника.