Силы давления газов и силы инерции, действующие на детали кривошипно-шатунного механизма, сжимают, изгибают в продольном и поперечном направлениях и растягивают шатун. Поэтому конструкция и материал шатуна должны обеспечивать его прочность, жесткость и легкость.

Шатуны изготовляют из высококачественных углеродист l х и легированных сталей методом штамповки.

Верхняя головка шатуна, как правило, выполняется цельной, реже разрезной. В процессе работы она ограниченно скользит по поршневому пальцу (качается) и нагревается от поршня. Для уменьшения трения и износа поршневого пальца в верхнюю головку шатуна напрессовывают бронзовую втулку.

Плавающий поршневой палец в верхней головке шатуна смазывается маслом, поступающим или под давлением по каналу в стержне шатуна или разбрызгиванием через сверления (прорези) в головке. На некоторых двигателях верхняя головка шатуна имеет одно-два отверстия или распылитель,’ через которые масло под давлением разбрызгивается на днище поршня и охлаждает его.

Стержень шатуна обычно выполняют двутаврового сечения, расширяющимся к нижней головке. В случае необходимости подачи масла к верхней головке под давлением в стержне шатуна делают масляный канал. Стержень шатуна должен иметь обтекаемую форму и плавные переходы к головкам.

Нижняя головка шатуна у большинства двигателей выполняется разъемной, с плоскостью разъема перпендикулярной продольной оси шатуна. В отдельных случаях для удобства монтажа поршня с шатуном через цилиндр разъем нижней головки шатуна делают косым (30…60° к оси шатуна). Плоскость разъема может быть гладкой или иметь шлицевой замок.

Съемная часть нижней головки шатуна — крышка крепится к шатуну двумя болтами, которые или ввертываются в тело “шатуна, или имеют гайки.

Шатунные болты и их гайки изготовляют из легированной стали и термически обрабатывают.

После надежной затяжки шатунных болтов или их гаек вполне определенным моментом они надежно стопорятся стопорными пластинами или контргайками.

Иногда в нижней головке шатуна делают небольшое сверление, обращенное в сторону распределительного вала. Через него периодически фонтанирует масло, попадая на зеркало цилиндра и детали газораспределительного механизма.

Нижняя головка шатуна в отличие от верхней не подвержена сильному тепловому воздействию, однако имеет полное (круговое) скольжение по шейке коленчатого вала.

Это позволяет применить здесь в качестве материала для подшипников менее теплостойкие, но более антифрикционные сплавы, чем, например, бронза.

В качестве подшипников нижней головки шатуна (шатунных) применяются тонкостенные стальные вкладыши с тонким слоем антифрикционного сплава. Реже применяются шатунные подшипники качения.

Коленчатый вал через шатуны воспринимает усилия от поршней, суммирует их и передает приводимым системам и механизмам двигателя и силовой передаче. Он состоит (рис. 2, б) из коренных (опорных) и шатунных шеек, связанных щеками, носка и хвостовика.

В процессе работы коленчатый вал воспринимает действие сил давления газов, инерционных сил возвратно-поступательно движущихся масс, центробежных сил вращающихся масс, реакций опор, сил сопротивления приводимых механизмов. Коленчатый вал в основном подвергается скручиванию и изгибу. Он должен быть прочным, жестким, с износоустойчивыми шейками, статически и динамически уравновешенным, обтекаемым и не подверженным резонансным изгибным и крутильным колебаниям.

Коленчатые валы изготовляют из углеродистых и легированных сталей, а иногда и — из высококачественного чугуна.

Форма коленчатого вала (взаимное расположение кривошипов) должна обеспечивать равномерное чередование рабочих ходов в цилиндрах по углу поворота коленчатого вала, принятую последовательность работы цилиндров и уравновешенность двигателя.

Взаимное размещение шатунных шеек (кривошипов) на коленчатом валу зависит от углового интервала чередования рабочих тактов, от расположения цилиндров в двигателе (в один или в два ряда; при V-образном расположении цилиндров от угла их развала) и от принятой последовательности чередования рабочих тактов по цилиндрам двигателя.

Что касается интервала чередования рабочих тактов у V-образных двигателей, то среднее его значение также можно определять по вышеприведенным формулам. Фактическое же значение этого интервала может отличаться от среднего в связи с несогласованностью угла развала цилиндров двигателя и угла взаимного расположения кривошипов на коленчатом валу. Так, например, на V-образном четырехтактном дизеле СМД-60 интервал чередования рабочих тактов составляет 90 и 150° (при расчетном среднем значении 120°) в связи с тем, что угол развала цилиндров 90°, а угол расстановки кривошипов 120° (рис. 2, в).

Число цилиндров двигателя определяет количество шатунных шеек (кривошипов). Если к каждой шатунной шейке присоединяется по одному шатуну (при однорядном расположении цилиндров), то количество шатунных шеек равняется числу цилиндров.

При двухрядном V-образном расположении цилиндров к каждой шатунной шейке присоединяются по два независимых друг от друга шатуна (один от цилиндра одного ряда, другой от напротив расположенного цилиндра второго ряда) или сочлененные шатуны (главный и прицепной). В этом случае количество шатунных шеек в два раза меньше количества цилиндров двигателя.

Порядок работы цилиндров двигателя устанавливают таким, чтобы рабочие такты происходили последовательно по возможности не в соседних цилиндрах, а в удаленных один от другого. Это позволяет разгрузить коренные подшипники коленчатого вала от следующих одна за другой ударных нагрузок от рабочих тактов в близлежащих цилиндрах. В V-образных двигателях порядок работы цилиндров должен учитывать не только равномерное распределение рабочих тактов по длине коленчатого вала, но и по рядам цилиндров.

Количество коренных шеек коленчатого вала у дизелей и V-образных карбюраторных двигателей обычно на одну больше, чем шатунных; у карбюраторных двигателей с однорядным расположением цилиндров их, как правило, меньше, чем у одинаковых по количеству цилиндров дизелей.

Одноцилиндровые двигатели имеют две коренные шейки, двухцилиндровые двигатели-две (двигатели небольшой мощности) или три, четырехцилиндровые двигатели — три или пять (карбюраторные двигатели) и пять (дизели), шестицилиндровые двигатели — четыре (карбюраторные однорядные двигатели и двигатели с V-образным расположением цилиндров) и семь (дизели и некоторые карбюраторные двигатели с однорядным расположением цилиндров), восьмицилиндровые двигатели с V-образным расположением цилиндров — пять. Увеличение количества опор повышает жесткость коленчатого вала и картера двигателя, облегчает нагрузку на опорные подшипники, но усложняет устройство вала и картера, а также увеличивает длину двигателя.

На рисунке 2 приведены наиболее распространенные схемы коленчатых валов двигателей, а также последовательность работы цилиндров этих двигателей.

Шатунные и коренные шейки подвергают поверхностной закалке на глубину от 1,5 до 5 мм и обрабатывают с большой точностью (овальность и конусность шеек не должна превышать 0,01 мм).

Шейки коленчатого вала связаны между собой щеками. Массивные продолжения щек — противовесы предназначены для уравновешивания центробежных сил масс, сосредоточенных в шатунных шейках и щеках. Противовесы могут изготовляться заодно со щеками или в виде отдельных деталей, надежно закрепляемых на продолжении щек. Для уменьшения массы шатунных шеек они могут быть полыми. Полости шатунных шеек, связанные с масляными каналами, служат также и для центробежной очистки масла. Уравновешивание коленчатого вала снижает износ коренных шеек и их подшипников, а также улучшает плавность работы двигателя.

Смазка к коренным и шатунным шейкам, а также к подшипникам коленчатого вала подводится по каналам в блок-картере и в коленчатом валу.

Носок коленчатого вала обычно имеет ступенчатую форму. На нем крепятся шестерня привода распределительного вала, шкив приводных ремней, маслоотражатель и сальник. В торец носка ввертывается храповик для прокручивания коленчатого вала с помощью рукоятки.

Хвостовик — задняя часть коленчатого вала. На хвостовике крепится маховик. Для ограничения утечки масла через задний коренной подшипник на хвостовике делают маслосгонную резьбу и кольцевой гребень, а также устанавливают специальный сальник. В торце хвостовика, как правило, делают гнездо для установки переднего подшипника вала муфты сцепления.

Подшипники коленчатого вала, шатунные и коренные, как правило, являются подшипниками скольжения. Подшипники качения применяют в качестве шатунных и коренных подшипников коленчатого вала редко: в одно-, двухцилиндровых двигателях и в двигателях с разъемным коленчатым валом.

Подшипники скольжения коленчатого вала в большинстве случаев представляют собой тонкостенные взаимозаменяемые стальные вкладыши с заливкой слоя антифрикционного сплава. Вкладыши такого подшипника представляют собой два стальных полукольца (рис. 3), на рабочую поверхность которых наносится или слой непосредственно антифрикционного сплава, или металлокерамический подслой (60% меди и 40% никеля), а затем уже слой антифрикционного сплава. Вкладыши изготовляют из стальной ленты толщиной 1…3 мм, толщина слоя антифрикционного сплава составляет 0,1…0,9 мм.

В качестве антифрикционных сплавов применяют баббиты высокооловянистые и на свинцовистой основе, свинцовистые бронзы, сплавы на алюминиевой основе и др.

Баббиты имеют малый коэффициент трения и хорошо смазываются, однако с повышением температуры снижают свои механические свойства и дают значительную усадку. Применяют баббиты во вкладышах карбюраторных двигателей.

Свинцовистые бронзы и алюминиевые сплавы применяют при нагрузках более 10 МПа и при температуре подшипников, превышающей 80 °С. Этими антифрикционными сплавами заливают более нагруженные вкладыши дизелей.

Медно-никелевый подслой трехслойного вкладыша состоит из спеченных порошков меди и никеля. Он упрочняет соединение баббита со стальной лентой и представляет собой прочную основу для более тонкого слоя (0,1 мм) баббита.

Для фиксации в постели вкладыши имеют фиксирующие выступы (усики), которые входят в соответствующие пазы постели и крышки. Вкладыши также имеют отверстия для подвода или отвода смазки и срезы-холодильники у плоскостей разъема для распределения масла по длине шейки.

Перед установкой в постели вкладыши покрывают тонким слоем олова (0,002…0,003 мм), который, с одной стороны, способствует быстрой приработке трущейся поверхности и, с другой, обеспечивает плотное прилегание наружной поверхности к постели и крышке и лучший отвод теплоты от подшипника.

Применение тонкостенных взаимозаменяемых вкладышей весьма эффективно, так как не требует периодических регулировок, а ремонт подшипников сводится к замене вкладышей. Вместе с тем вкладыши работают надежно только при правильной сборке подшипников и достаточной жесткости коленчатого вала, его опор и кривошипных головок шатунов. Наибольшей жесткостью обладают коленчатые валы так называемых короткоходных двигателей (высокооборотные двигатели с уменьшенным ходом поршня, имеющие перекрытие сечений шатунных и коренных шеек).

Маховик представляет собой массивную дисковую деталь. Он предназначен главным образом для обеспечения равномерного вращения коленчатого вала путем аккумулирования кинетической энергии при недогрузке двигателя и отдачи этой энергии для преодоления сил сопротивления при перегрузке двигателя.

При рабочем такте коленчатый вал с маховиком воспринимает усилие от поршня через шатун и раскручивается, накапливая энергию. Последующие подготовительные такты выполняются как за счет энергии рабочих тактов в других цилиндрах двигателя, так и за счет энергии вращающихся деталей (в основном маховика и коленчатого вала). С увеличением количества цилиндров в двигателе, а также частоты рабочих тактов (двухтактные двигатели) потребность в энергии маховика для выполнения подготовительных тактов сокращается.

Кинетическая энергия вращающегося маховика используется также при трогании трактора с места.

Маховик отливают из чугуна. На обод маховика напрессовывают зубчатый венец для соединения с пусковым устройством (электростартером или пусковым двигателем). На поверхность обода или на переднюю торцевую поверхность маховика обычно наносят метки для определения положения поршня в первом цилиндре, момента зажигания или момента подачи топлива.

Маховик крепится к хвостовику коленчатого вала. Если коленчатый вал установлен на разъемных подшипниках скольжения, то маховик имеет фланцевое крепление. В случае применения подшипников качения его монтируют на конусном или шлицевом конце коленчатого вала.

Маховик тщательно балансируется вместе с коленчатым валом.

На задней торцевой поверхности маховика монтируется муфта сцепления, через которую отбирается мощность двигателя.