Основными элементами шатуна являются: верхняя (или поршневая) головка/с запрессованной втулкой, в которой перемещается палец; стержень, соединяющий верхнюю головку с нижней (или кривошипной) головкой. С помощью нижней головки и ее крышки шатун соединен с шатунной шейкой коленчатого вала.

Верхнюю головку шатуна делают обычно неразъемной цилиндрической формы. В нее запрессовывают бронзовую втулку; в некоторых конструкциях применяют игольчатые подшипники. Для более рационального распределения нагрузки между бобышками поршня и шатуном верхняя головка часто имеет коническую форму сечения в плоскости оси отверстия под палец, для смазывания которого предусмотрены отверстия 8. Верхнюю головку помимо круглой делают и овальной формы.

Стержень шатуна испытывает осевую и поперечную нагрузки и имеет обычно двутавровое поперечное сечение, хорошо работающее на изгиб в плоскости качания шатуна. Во многих случаях для подачи масла к подшипнику верхней (поршневой) головки шатуна и поршню в теле шатуна на всю длину стержня просверливают канал. В этом случае предусматривается утолщение стенки, соединяющей полки двутавра. Возможны и другие формы сечения стержня (в частности, круглая с отверстием).

Нижнюю головку шатуна делают разъемной; ее габариты должны позволять вынимать поршень с шатуном, как правило, через цилиндр, что определяется условиями сборки двигателя. После установки поршня с шатуном в двигатель к нижней головке крепят ее крышку с помощью шатунных болтов и гаек. По конструкции нижние (кривошипные) головки шатунов отличаются большим разнообразием. Наиболее проста показанная на рис. 1, а плоскосимметричная конструкция. Стремление увеличить диаметр коренных шеек коленчатого вала при форсировании двигателей приводит к уменьшению толщины нижней головки в месте разъема. В связи с этим, а также для обеспечения возможности выемки шатуна через цилиндр широкое распространение получили шатуны с косым разъемом нижней головки (рис. 1, б), у которых стык по условиям прочности расположен под углом 42…50° к оси стержня шатуна. Для восприятия срезывающих сил в плоскости стыка применяют зубчатое (шлицевое) соединение с заданной плотностью прилегания.

В большинстве современных двигателей внутреннего сгорания применяют подшипники скольжения (рис. 2), выполненные в виде разрезных стальных вкладышей, залитых по поверхности, обращенной к шейке коленчатого вала, слоем антифрикционного материала (баббитом, свинцовистой бронзой, сплавом на основе алюминия, кадмия и др.).

В автомобильных и тракторных двигателях применяют тонкостенные вкладыши, устанавливаемые с натягом в расточку нижней головки шатуна (в случае коренных подшипников коленчатого вала — в расточку коренных опор). От осевого смещения и проворачивания под действием сил трения вкладыши удерживаются усиками, входящими в пазы.

В многорядных и звездообразных двигателях применяют шатуны прицепного типа (рис. 3). В этом случае к главному шатуну шарнирно с помощью проушин и пальцев присоединяют соответствующее число (в зависимости от числа рядов цилиндров двигателя) прицепных шатунов. Шатун прицепного типа проще главного по конструкции. Смещение относительно шатунной шейки вала оси сочленения главного и прицепного шатунов делает кинематику поршней боковых цилиндров несколько отличной от кинематики поршня главного цилиндра (обычно в этом случае требуется обеспечение равенства степеней сжатия по всем цилиндрам).

Наибольшим разнообразием отличаются шатуны V-образных двигателей. Компактность двигателя по длине при обеспечении рациональных размеров вдоль образующей подшипников коленчатого вала обеспечивается применением конструкции с шатуном прицепного типа. На рис. 4 показан вариант соединения нижней крышки с кривошипной головкой главного шатуна шпильками-штифтами, работающими на срез. В головку шатуна прицепного типа вставлена втулка, образующая вместе с закрепленным в главном шатуне пальцем подшипник скольжения. Иногда для повышения несущей способности подшипника шатуна осуществляют жесткое соединение шатуна прицепного типа с пальцем, обеспечивая подвижность последнего в проушинах кривошипной головки главного шатуна.

Идентичность кинематики поршней обоих рядов цилиндров V-образного двигателя обеспечивается применением центрально-сочлененных шатунов. Недостатком такой конструкции является относительно низкая жесткость кривошипных головок. Раздвоенная головка вильчатого шатуна сложна по форме, а ее элементы подвержены повышенным изгибным нагрузкам. Вильчатые шатуны отличаются расположением полок стержня по отношению к головкам.

В отличие от тронковых двигателей шатуны крейцкопфных двигателей имеют разъемные верхнюю (крейцкопфную) и нижнюю, называемую в судовых дизелях мотылевой, головки.

На рис. 5 представлена конструкция шатуна и крейцкопфа с двусторонним и односторонним ползунами. Верхняя головка шатуна имеет вильчатую форму и соединена через поперечину с ползуном, опоры которого (башмаки), покрытые слоем баббита, перемещаются по специальным направляющим. Смазывание ползунов осуществляется через поперечины. Ползуны и поперечины изготовляют из стали, при этом на поперечины идет более качественная, легированная сталь.

Стержни шатунов крейцкопфных двигателей стальные, точеные, круглого сечения. Для регулирования степени сжатия двигателя между стержнем шатуна и его отъемной нижней (мотылевой) головкой ставят прокладки.

Для соединения разъемных головок шатунов всех типов в подавляющем большинстве случаев применяют шатунные болты.

Сила предварительной затяжки болтов должна обеспечить плотность стыка при длительной работе соединения. Шатунные болты изготовляют из высококачественных сталей и тщательно обрабатывают.

Коленчатый вал

Коленчатый вал является наиболее напряженной деталью, трудоемкой в изготовлении. При работе вал нагружается переменными силами и моментами, подвержен крутильным, изгибным и продольным колебаниям, которые при неблагоприятных условиях (резонансные и близкие к ним режимы работы) могут существенно увеличить напряжения в вале от основных газовых и инерционных усилий. Шейки вала под действием трения подвержены износу. Поэтому коленчатый вал должен обладать высокой прочностью, жесткостью и износостойкостью.

Основным элементом коленчатого вала является колено, состоящее из коренной, шатунной шеек и щек. Последние могут быть выполнены как одно целое с противовесами для уравновешивания моментов, центробежных и инерционных сил; часто противовесы выполняют отдельно и крепят к щекам болтами. Современные двигатели имеют, как правило, полноопорные коленчатые валы. Число и взаимное расположение колен зависят от числа цилиндров, их расположения и тактности двигателя.

При этом важны равномерность вспышек по цилиндрам двигателя, а также уравновешенность сил и моментов инерции. Так, вал V-образного восьмицилиндрового четырехтактного автомобильного дизеля (рис. 6) имеет крестообразную форму, что при угле развала цилиндров 90° обеспечивает равномерное чередование вспышек.

На переднем конце вала располагают шкив привода вентилятора и генератора, зубчатое колесо привода масляного насоса, масляный отражатель. Часто на переднем конце вала, совершающем наибольшие по амплитуде отклонения при крутильных колебаниях, устанавливают специальные гасители колебаний. Они поглощают энергию колебаний, подводимую к валу двигателя извне, благодаря трению между элементами гасителя и тем самым уменьшают амплитуду колебаний. На рис. 7 показаны различные конструкции гасителей колебаний.

В настоящее время наиболее широко применяют гасители колебаний жидкостного трения, у которых равномерно вращающийся при работе двигателя маховик помещен в герметичный корпус, заполненный кремнийорганической жидкостью (силиконом). При колебаниях стенки корпуса перемещаются относительно равномерно вращающегося маховика, вовлекая в движение слои силикона и совершая работу трения.

Уменьшить опасность крутильных колебаний можно также созданием инерционных реактивных моментов в определенном сечении вала. Для этого в соответствующем месте устанавливают гасители колебаний маятникового или упругомассового типа.

Передний конец коленчатого вала уплотняют резиновым сальником, располагая его в специальной крышке. Уплотнение заднего конца коленчатого вала осуществляется также с помощью маслоотражателя и сальника; иногда применяют маслосгонную резьбу по направлению, обратному вращению вала. Вал вращается в коренных подшипниках, состоящих из двух тонкостенных стальных разрезных вкладышей, залитых, как и шатунные вкладыши, антифрикционным сплавом. Вкладыши устанавливают в расточках картера и в специальных подвесках, соединенных с картером шпильками. От осевых перемещений, возникающих вследствие применения косозубых шестерен, усилий в сцеплении и т. д. вал удерживается кольцами вкладыша, поверхность которых, обращенная к опорному поясу щеки коленчатого вала, покрыта антифрикционным сплавом.

Место положения упорного подшипника по длине вала может быть различным и зависит от компоновки двигателя. Подшипники вала смазываются под давлением; при этом смазочный материал подводится к коренным опорам, а затем по масляным полостям в коленах подается на шатунные шейки. Специальные грязезащитные полости в шейках коленчатого вала служат для улавливания частиц металла, нагара и других механических примесей и тем самым улучшают условия работы подшипников.

В тепловозных и среднеоборотных судовых двигателях применяются также цельные коленчатые валы. В крупных малооборотных судовых дизелях вследствие чрезвычайно больших габаритов и массы применяют составные коленчатые валы, состоящие из отдельных шеек, и отлитых из стали щек, соединенных между собой запрессовкой с натягом.

Иногда шатунную шейку и щеки отливают как одно целое, и вал в этом случае называют полусоставным.

Коленчатые валы изготовляют ковкой и штамповкой из стали, а также литьем из специального высокопрочного чугуна. При получении литых валов существенно сокращаются затраты на механическую обработку при обеспечении рациональных геометрических форм элементов вала, но литые валы уступают по прочности штампованным.