Автомобиль / Силовая установка / Двигатель внутреннего сгорания / Механическая часть двигателя / Кривошипно-шатунный механизм / Шатун

Шатун

Автор материала: Олег Тимошенко

Шатун - это деталь кривошипно-шатунного механизма, которая соединяет поршень с коленчатым валом и преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращение вала. Шатун передает всю силу давления газов, поэтому работает под большими переменными нагрузками растяжения, сжатия и изгиба.

Шатун состоит из верхней (малой) головки с втулкой или отверстием под поршневой палец, стержня двутаврового сечения и нижней (большой) головки с крышкой, которую крепят болтами шатуна. В нижней головке устанавливают шатунные вкладыши, которые работают на шейке коленчатого вала.

Главное правило TESMA: шатун и его крышка - парная деталь. Крышки не меняют местами, болты шатуна часто одноразовые, а момент и угол затяжки берут только из документации производителя двигателя.

Конструктивные варианты

Шатуны с прямым и косым разъемом нижней головки - косой разъем позволяет вынимать шатун через цилиндр при большой шейке.
Разъем ломанием (cracked) - крышку отламывают от шатуна, и их поверхности уникальны; такая пара не терпит перестановки.
Втулка малой головки - бронзовая втулка под плавающий палец или отверстие под палец с натягом.
Материалы - кованая сталь, порошковая сталь, в спортивных двигателях титан или алюминиевые сплавы.

Неисправности шатуна

износ шатунных вкладышей и проворот вкладыша при масляном голодании;
износ втулки малой головки - стук при перекладке поршня;
деформация (изгиб, скручивание) после гидроудара или детонации;
овальность отверстия нижней головки после проворота вкладыша;
обрыв шатуна - катастрофическое разрушение двигателя, часто с пробоем блока.

Симптомы

стук в двигателе, растущий с оборотами и нагрузкой;
падение давления масла, особенно на прогретом двигателе;
металлическая стружка в масле и на фильтре;
после гидроудара - снижение компрессии в цилиндре из-за погнутого шатуна.

Диагностика и дефектовка

Прослушивание двигателя и диагностика шумов двигателя: шатунный стук обычно меняется при отключении цилиндра.
Измерение давления масла манометром.
Осмотр масла и фильтра на наличие стружки.
После разборки - измерение отверстий головок, проверка на изгиб и скручивание на специальном стенде, осмотр вкладышей.
Проверка масляного зазора по документации производителя.

Замена и подбор

Шатун подбирают по коду двигателя, OE-номеру и весовой группе: во многих двигателях шатуны одного комплекта имеют ограниченный разброс массы. После проворота вкладыша решение о восстановлении или замене шатуна принимает моторист по результатам измерений. При ремонте обычно заменяют вкладыши и болты шатуна; см. также Замена вкладышей коленчатого вала.

Когда эксплуатацию лучше прекратить

При появлении глухого металлического стука, нарастающего с оборотами, и падении давления масла двигатель нужно заглушить. Продолжение движения может закончиться обрывом шатуна и разрушением блока цилиндров.

Какие нагрузки воспринимает шатун

Во время рабочего хода шатун сжимается силой давления газов, в конце такта выпуска и в начале впуска - растягивается инерционными силами поршня. Одновременно стержень качается, а нижняя головка вращается вместе с шейкой коленчатого вала. Поэтому шатун должен выдерживать миллионы циклов переменных нагрузок без усталостных трещин, а нижняя головка - сохранять геометрию, чтобы вкладыши имели равномерный масляный зазор.

Причины повреждения шатуна

масляное голодание и проворот шатунного вкладыша - самая частая причина;
гидроудар - попадание воды или охлаждающей жидкости в цилиндр;
детонация и избыточное давление сгорания;
превышение допустимых оборотов;
повторное использование одноразовых болтов или неправильный момент затяжки;
перестановка крышек шатунов или неправильная ориентация;
обрыв ремня ГРМ на двигателе, где клапан встречается с поршнем.

Как отличить шатунный стук от других шумов

Шатунный стук - глухой, частота пропорциональна оборотам, усиливается под нагрузкой и при резком сбросе газа, меняется при отключении цилиндра.
Коренной стук - ниже по тону, сильнее, часто слышен при пуске и под нагрузкой, мало зависит от отключения одного цилиндра.
Стук поршневого пальца - звонче, двойной, слышен на холостом ходу при резком изменении оборотов.
Клапанный механизм - цоканье с частотой вдвое ниже оборотов коленчатого вала, в верхней части двигателя.
Детонация - металлический звон под нагрузкой, исчезает при уменьшении нагрузки.

Расширенная дефектовка шатуна

Осмотрите шатун на следы перегрева (синий цвет), трещины, задиры в нижней головке.
Соберите шатун с крышкой, затяните болты моментом производителя и измерьте отверстие нижней головки в нескольких плоскостях.
Измерьте отверстие верхней головки или втулки и зазор с пальцем.
Проверьте параллельность осей головок (изгиб) и скручивание на приспособлении.
Сравните массу шатунов комплекта.
Проверьте состояние посадочных поверхностей крышки и фиксирующих элементов.
Оцените соседние детали: шейки коленчатого вала, поршень, цилиндр.

Практические случаи

Жалоба: глухой стук на прогретом двигателе, низкое давление масла на холостом. Проверка: при отключении 3-го цилиндра стук слабел, в фильтре - бронзовая стружка. Вывод: проворот шатунного вкладыша; ремонт со шлифовкой шейки и проверкой шатуна.
Жалоба: после проезда через глубокую лужу двигатель заглох и больше нормально не крутится стартером. Проверка: вода в цилиндре, компрессия в одном цилиндре низкая. Вывод: гидроудар, погнутый шатун.
Жалоба: стук после капитального ремонта. Проверка: крышки двух шатунов переставлены местами. Вывод: повторная разборка, замена вкладышей и проверка геометрии.

Типичные ошибки

перестановка крышек шатунов;
повторное использование болтов, затянутых с углом;
затяжка без смазки резьбы, если производитель ее предусматривает;
установка шатуна другой весовой группы;
неправильная ориентация шатуна относительно поршня;
отсутствие проверки на изгиб после гидроудара;
замена вкладышей без проверки отверстия нижней головки;
игнорирование причины масляного голодания;
пуск двигателя после сборки без предварительного заполнения системы смазки маслом.

Шатунные болты и крышки

Крышка шатуна обрабатывается вместе с шатуном, поэтому крышки нельзя менять местами между шатунами и переворачивать. Современные шатуны часто имеют колотый (crack) разъем: крышку отделяют ломанием, и неровная поверхность излома точно фиксирует ее положение. Такой шатун нельзя шлифовать по плоскости разъема. Болты шатуна часто рассчитаны на затяжку за пределом упругости (момент плюс угол) и являются одноразовыми. Повторное использование таких болтов или затяжка без угла - одна из причин обрыва шатуна.

Подбор шатунов по массе

Шатуны в одном двигателе должны быть одинаковыми по массе в пределах допуска производителя, иначе растет вибрация. Производитель часто маркирует массовые группы на шатуне. При замене одного шатуна подбирают деталь той же группы или доводят массу комплекта. То же касается поршней с пальцами.

Последствия обрыва шатуна

Обрыв шатуна на ходу обычно пробивает стенку блока, повреждает коленчатый вал, поршень и головку блока. В большинстве случаев ремонт обходится дороже контрактного двигателя. Поэтому стук нижней части двигателя, падение давления масла и металлическая пыль в масле - причины немедленно остановить эксплуатацию и провести диагностику шумов.

Профилактика

масло с допуском производителя и своевременная замена;
контроль давления масла при появлении стука;
избегание гидроудара - не преодолевать глубокие лужи на скорости;
устранение детонации и перегрева;
правильные моменты и новые болты при любом ремонте шатунно-поршневой группы.

Назначение шатуна

Шатун преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Верхняя головка через поршневой палец соединена с поршнем, нижняя - через вкладыши с шатунной шейкой вала. Стержень шатуна преимущественно двутаврового сечения - так достигается высокая жесткость при малой массе. На шатун действуют сжатие от давления газов, растяжение от сил инерции на высоких оборотах и изгиб от качания.

Материалы и технологии изготовления

Технология	Особенности
кованый стальной	высокая прочность, традиционно для серийных и спортивных двигателей
порошковая металлургия (спеченный)	точная масса без дополнительной обработки, колотый разъем
чугунный	в части массовых двигателей, меньшая стоимость
титановый, алюминиевый	спортивные двигатели, особые требования к ресурсу

Шатун и гидроудар

Жидкость (вода, охлаждающая жидкость, топливо) в цилиндре не сжимается. Если поршень на такте сжатия упирается в жидкость, вся сила передается на шатун, и он гнется. Погнутый шатун уменьшает степень сжатия в цилиндре (сниженная компрессия при целых кольцах и клапанах), меняет нагрузку на вкладыши и поршень, со временем может сломаться. Поэтому после гидроудара обязательна проверка компрессии всех цилиндров, а при подозрении - разборка и измерение шатунов.

Проверка геометрии шатуна

параллельность осей верхней и нижней головок - на специальном приспособлении;
скручивание - на том же приспособлении в другой плоскости;
межосевое расстояние - сравнением с другими шатунами комплекта;
овальность нижней головки с затянутой крышкой - нутромером.

Шатуны в турбированных и дизельных двигателях

Нагрузки на шатун определяются давлением сгорания и инерционными силами. В турбированных бензиновых и дизельных двигателях давление в цилиндре значительно выше, чем в атмосферных бензиновых, поэтому шатуны работают на пределе возможностей материала. Это влияет на конструкцию, материал и типичные причины отказов.

Тип двигателя	Особенность нагрузки	Что важно при ремонте
атмосферный бензиновый	преобладают инерционные силы на высоких оборотах	масса шатунов, состояние болтов, геометрия
турбированный бензиновый	высокое давление при низких оборотах, риск детонации и преждевременного воспламенения	проверка на изгиб после детонации, качество топлива и свечей
дизельный	очень высокое давление сгорания, большие ударные нагрузки	состояние верхней головки и вкладышей, проверка на скручивание
форсированный после изменения программы	давление и момент выше расчетных	оценка запаса прочности, контроль детонации

В современных турбированных бензиновых двигателях отдельной угрозой является преждевременное воспламенение на низких оборотах. Это внезапное неконтролируемое воспламенение смеси до искры, которое создает очень резкий пик давления. Один такой эпизод может согнуть шатун или разрушить перемычку поршня. Риск растет при использовании масла без современного допуска и топлива низкого качества.

В дизелях шатуны часто имеют ступенчатую или трапециевидную верхнюю головку, чтобы увеличить площадь опоры пальца. Ремонт такой головки требует точного оборудования, и во многих случаях проще заменить шатун.

После любой замены шатунов в таких двигателях важно соблюдать подбор по массе и использовать новые болты. Ошибка, которая в атмосферном двигателе даст лишь вибрацию, в турбированном может привести к обрыву.

Поэтому при жалобах на стук после детонации, гидроудара или резкой нагрузки шатуны проверяют даже тогда, когда внешне двигатель работает нормально.

Ремонт верхней головки шатуна: замена втулки

Верхняя головка шатуна соединяется с поршневым пальцем. В большинстве двигателей с плавающим пальцем в нее запрессована бронзовая втулка, которая постепенно изнашивается. Увеличенный зазор в этом соединении дает характерный звонкий стук и ускоряет износ пальца и поршня.

Когда замена втулки целесообразна

зазор между пальцем и втулкой превышает допуск производителя;
на втулке есть задиры, следы перегрева или проворачивания;
отверстие для смазки втулки забито или смещено;
сам шатун не имеет изгиба и скручивания, а нижняя головка в норме.

Порядок работ такой: старую втулку выпрессовывают, проверяют отверстие в шатуне на овальность, запрессовывают новую втулку верхней головки шатуна с правильным натягом, совмещают смазочные отверстия и растачивают или развертывают втулку под размер пальца. После обработки проверяют параллельность осей верхней и нижней головок.

Ошибки при этой операции имеют серьезные последствия. Несовпадение смазочного отверстия лишает палец смазки, недостаточный натяг дает проворачивание втулки, а перекос при расточке создает нагрузку на кромки поршня и кольца.

Если оборудования для точной обработки нет, а шатун имеет небольшую стоимость, рациональнее заменить его новым. При этом соблюдают подбор по массе с остальными шатунами.

В двигателях с запрессованным пальцем втулки нет, и износ отверстия в головке означает замену шатуна.

После замены втулки полезно проверить массу шатуна: запрессованная новая втулка и обработка могут немного изменить ее. Если разница с другими шатунами выходит за допуск производителя, массу выравнивают в предусмотренных для этого местах. Также проверяют, чтобы палец входил в новую втулку с легким равномерным усилием без заеданий по всей длине.

Шатун: что можно проверить самостоятельно, а что - на сервисе

Шатун скрыт глубоко в двигателе, и его состояние можно точно оценить только при разборке. Однако ранние признаки проблем владелец может заметить сам. Своевременная реакция на них часто позволяет ограничиться заменой вкладышей вместо капитального ремонта.

Действие	Владелец	Сервис
контроль уровня масла и своевременная замена	да	да
реакция на лампу давления масла	да, немедленная остановка	да
фиксация стука: на холодном или горячем, под нагрузкой или без	да	да
запись звука на смартфон	да	да
измерение давления масла манометром	нет	да
прослушивание стетоскопом и отключение цилиндров	нет	да
разборка и дефектовка	нет	да

Самое важное правило для владельца - не продолжать движение при появлении глухого стука снизу двигателя, особенно если он усиливается под нагрузкой или сопровождается миганием лампы давления масла. Шатунный стук может за короткое время перейти в обрыв шатуна с повреждением блока.

Полезно записать звук на нескольких оборотах и указать, когда он появляется. Сервис сравнит эти данные с результатами измерения давления масла манометром и прослушивания. Подробнее о распознавании шумов - на странице стук в двигателе.

Регулярная замена масла с правильным допуском и контроль его уровня - самый дешевый способ продлить ресурс шатунов и вкладышей.

Если стук появился после замены масла, проверяют, правильная ли вязкость залита и не установлен ли неправильный фильтр. Слишком жидкое масло или фильтр без нужного клапана могут снизить давление и спровоцировать шум вкладышей. Эти обстоятельства стоит сообщить сервису сразу.

Частые вопросы

Можно ли заменить один шатун?

Можно, если новый шатун соответствует весовой группе и спецификации. Иначе возможен дисбаланс и вибрация.

Можно ли повторно использовать болты шатуна?

Только если производитель это разрешает. Болты, затягиваемые с углом, обычно одноразовые.

Можно ли восстановить шатун после проворота вкладыша?

Иногда отверстие нижней головки восстанавливают обработкой в специализированной мастерской, если это допускает производитель. Чаще шатун заменяют.

Можно ли ездить со стуком шатуна?

Нет. Шатунный стук быстро прогрессирует и может закончиться обрывом шатуна и разрушением двигателя.

Можно ли выпрямить погнутый шатун?

Не рекомендуется: выпрямленный шатун имеет остаточные напряжения и может сломаться. Погнутый шатун заменяют.

Связанные страницы базы знаний TESMA

Смежные детали

Что еще почитать по этой теме

Товарные группы TESMA

Вывод

Шатун передает силу давления газов от поршня на коленчатый вал и работает под наибольшими нагрузками в двигателе. Его состояние оценивают по шуму, давлению масла и измерениям после разборки.

Правило TESMA: крышки шатунов не меняют местами, а болты и моменты затяжки - только по документации производителя.