بررسی ساخت و طراحی شاتون

بخشی از فهرست مطالب پروژه بررسی ساخت و طراحی شاتون

فصل اول تعریف شاتون ,عناصر  تشکیل دهنده شاتون
 فصل دوم روشهای ساخت شاتون
 فصل سوم دینامیک  شاتون
۱-روابط سینماتیک شاتون
۲-محاسبه شتاب مرکز جرم شاتون
۳-نیروهای استاتیکی شاتون
۴-نیروهای دینامیکی شاتون
۵-مرکز جرم و جرمهای تعادل در شاتون
فصل چهارم تحلیل شاتون
۱-انتخاب جنس و تولیدشاتون قبل از ماشینکاری
۲-ترسیم شاتون در کامپیوتر
۳-محاسبه نیروی استاتیکی بااستفاده از نرم افزار انسیس
۴-محاسبه اعمال نیروی پیستون به شاتون ومیل لنگ به شاتون
۵-فشارهیدرودینامیک بر شاتون
۶-محاسبه شتاب عمودی مرکز جرم شاتو۶-محاسبه شتاب عمودی مرکز جرم شاتون
۷-بررسی نتایج حاصله
 فصل پنجم
۱- اصلاح در طرح ظاهری شاتون
۲- تغییر جنس شاتون
۳-اصلاح در روش تولید شاتون

پیش گفتار
شاتون به عنوان یکی ازمهمترین قطعه متحرک موتور،در نحوه کارکرد وبازده مکانیکی موتور موثر بوده،اصلاح وبهسازی آن می تواند نقش قابل توجهی در بهبود کارکرد موتور داشته باشد.
در زمینه تحلیل تنش در شاتون تحقیقات بسیاری انجام گرفته است.ذیلا به نمونه ای از کاربرد روش اجزای محدود اشاره شده است.
در سال ۱۹۸۹ میلادی در یک کارخانه ذوب فلزات،شاتون یک موتور ۱۸ سیلندر دیزل دچار شکست شد.موتور مزبور جهت تامین برق کوره های الکتریکی به کار گرفته شده با معاینه شاتون آسیب دیده مشخص شد شکست در اثر خستگی وپیدایش ترک در رزوه های شاتون رخ داده است.رزوه های مزبورجهت بسته شدن پیچ روی شاتون واتصال دو تکه شاتون در سوراخ عبور پیچ ایجاد شده بودند.مدل شاتون تحت بارهای تنش در پای رزوه های یاد شده بوده اند.برای کاهش این تنشها، انحنای پای دندانه ها در مدل کامپیوتری به دو برابر مقدار اولیه افزایش یافته است.با تحلیل مدل اصلاح شده، نتایج بیانگر کاهش قابل توجه در مقدار تنش پای دندانه ها بوده اند.بیشترین مقدار تنش در این ناحیه از ۳۲۰۰ مگاپاسکال به ۱۵۰۰ مگاپاسکال کاهش یافته است در پای رزوه های شاتون اصلاح فوق الذکر به عمل آمده،جنس شاتون نیز به نوعی فولاد با مقاومت بیشتر در برابر خستگی تغییر یافت وآثار مثبت این تغییرات در عمل نیز مشاهده گردید.
در سال ۱۹۸۴ در شرکت تویوتا،آزمایشاتی روی شاتونهای تولید شده به روش متالوژی پودر انجام شده است واستحکام نهایی ۸۵۰ مگاپاسکال برای نمونه ها ثبت با توجه به بارگذاری دینامیک شاتون تحلیل تجربی تنش در این قطعه در گستره وسیع کارکرد موتور مشکل می نماید.با این حال چنین تحلیلهایی نیز انجام گرفته اند.به عنوان نمونه در سال ۱۹۹۶ مدل سه بعدی فتوالاستیک نوعی شاتون تهیه شده،در حالات خاص بارگذاری اندازه تنشها در نقاط خاصی به دست آمده اند.
با توجه به افزایش کاربرد متالوژی پودر برای تولید فولادی با اشکال پیچیده ذیلا به دو نمونه از تحقیقات انجام شده در این زمینه اشاره می شود.
گردیده است.
تحقیقات انجام شده در سال ۱۹۸۹ در شرکت فدرال موگول بیانگر رسیدن به عدد۹۵۰ مگاپاسکال برای استحکام نهایی شاتونهای تولید شده به روش متالوژی پودر می باشند.فولاد مورد استفاده در این آزمایشات حاوی ۶/۰ درصد کربن بوده اند.
در سال ۱۳۷۶ در دانشگاه تربیت مدرس،پایان نامه ای تحت عنوان «بهسازی وطراحی پیستون،شاتون ومیل لنگ موتور ۱۶۰۰» در مقطع کارشناسی ارشد،با هدف اصلاح دستگاه حرکتی موتور ارائه شده است.اصلاحات پیشنهادی در این پروژه شامل تغییر شکل شاتون،تغییر نوع اتصال شاتون وپیستون،و تغییر جنس می باشند.این  اصلاحات باعث کاهش وزن در حدود ۱۱۰ گرم وافزایش استحکام در مقاطع مختلف شاتون می شوند.در این پایان نامه محاسبات به صورت تقریبی در برخی مقاطع خاص وبدون روش اجزای محدود،انجام گرفته است.
در سال ۱۳۷۳ در دانشگاه صنعتی امیرکبیر پایان نامه ای تحت عنوان «بررسی خواص مکانیکی شاتون متالوژی پودر جایگزین شاتون فورج شده» در مقطع کارشناسی ارشد انجام شده است.در این پایان نامه روش متالوژی پودر به جای آهنگری برای تولید شاتون پیکان پیشنهاد شده است.فولاد توصیه شده برای این روش،حاوی مقدار بیشتری کربن،کرم ومولیبدن نسبت به فولاد مورد استفاده در شاتون فعلی می باشد.برای رساندن خواص مکانیکی شاتون متالوژی پودر تا حد خواص مکانیکی شاتون فورج شده،باید عملیات ساچمه زنی پس از فورج پودر انجام گیرد.
یک پایان نامه در دانشگاه تبریز با عنوان «جایگزینی شاتون چدنی به جای شاتون فولادی فورج شده»به صورت عملی برای یک موتور تک سیلندر دیزل،شاتونی چدنی را به روش ریخته گری نمونه سازی کرده اند.این شاتون در مرحله آزمایش روی موتور،نتایج رضایتبخشی از خود نشان داده است.قابل ذکر است که طرح شاتون فوق کاملا مشابه شاتون اولیه موتور وتاکید پروژه عمدتا بر جایگزینی جنس وروش تولید جهت کاستن از هزینه ساخت بوده است.
در پایان نامه حاضر ،مراحل تحلیل دینامیکی شاتون به روش اجزای محدود،شرح داده اند.این روش علاوه بر مسائل سازه ای در مسائل حرارتی،سیالی والکترومغناطیسی نیز کاربرد دارد ونرم افزارهای متعددی برای اجرای این روش ابداع شده اند.نرم افزار انسیس در میان نرم افزارهای مشابه چون الگور،نیسا،نسترن ولوساس دارای برتریهای نسبی است که عبارتند از :امکان انجام تحلیل در حالت دینامیک،برخورداری از گستره وسیع المانهای مختلف وسهولت تهیه در بازار با قیمت مناسب.تحلیل دینامیکی شاتون بوسیله نرم افزار انسیس ودر دو سرعت۱۰۰۰ دور بر دقیقه به عنوان دور آرام و۵۵۰۰ دور بر دقیقه،به عنوان حداکثر دور مجاز موتور،در زوایای خاص لنگ انجام گرفته است.اولین تحلیل در نقطه مرگ بالا،پایان مرحله تراکم وآغاز مرحله انبساط وتحلیل های بعدی هم با فواصل   زاویه لنگ انجام شده اند.یعنی در طول   کار یک سیکل ۳۶ تحلیل انجام گرفته است.
فصل اول تعریف شاتون ,عناصر  تشکیل دهنده شاتون
 فصل دوم روشهای ساخت شاتون
 فصل سوم دینامیک  شاتون
۱-روابط سینماتیک شاتون
۲-محاسبه شتاب مرکز جرم شاتون
۳-نیروهای استاتیکی شاتون
۴-نیروهای دینامیکی شاتون
۵-مرکز جرم و جرمهای تعادل در شاتون
فصل چهارم تحلیل شاتون
۱-انتخاب جنس و تولیدشاتون قبل از ماشینکاری
۲-ترسیم شاتون در کامپیوتر
۳-محاسبه نیروی استاتیکی بااستفاده از نرم افزار انسیس
۴-محاسبه اعمال نیروی پیستون به شاتون ومیل لنگ به شاتون
۵-فشارهیدرودینامیک بر شاتون
۶-محاسبه شتاب عمودی مرکز جرم شاتو۶-محاسبه شتاب عمودی مرکز جرم شاتون
۷-بررسی نتایج حاصله
 فصل پنجم
۱- اصلاح در طرح ظاهری شاتون
۲- تغییر جنس شاتون
۳-اصلاح در روش تولید شاتون
 
فصل اول
۱-تعریف شاتون
۲-عناصر تشکیل دهند? شاتون

۱-تعریف شاتون
شاتون عضوی است که حرکت رفت وبرگشتی پیستون را به حرکت دورانی میل لنگ تبدیل می کند.شاتون در پمپها وکمپرسورهای پیستونی نیز به کار می رود وحرکت دورانی را به حرکت رفت وبرگشتی پیستون جهت مکش وتراکم سیال تبدیل می نماید.
شکل ظاهری شاتونها،بسته به محدوده سرعت کاری موتور یا پمپ ونیز قدرت وگشتاور تولیدی یا مصرفی متغیر است.ولی تمام شاتونها مطابق شکل زیر از سه قسمت شده اند.سر کوچک محل اتصال پیستون با شاتون اصلی سر کوچک،ساق وسر بزرگ تشکیل است ونقطه مرکزی آن،حرکتی رفت وبرگشتی،مشابه حرکت پیستون دارد.

 (1-1)نمونه یک شاتون

اتصال بین پیستون وشاتون،توسط قطعه ای به نام گژن پین یا پین انگشتی برقرار می شود.از آنجایی که حرکت پیستون رفت وبرگشتی وحرکت شاتون،ترکیبی از انتقال ودوران می باشد،اتصال بین این دو عضو باید به صورت لولا باشد،تا شاتون در عین ارتباط با پیستون ،بتواند نسبت به آن دوران کند.
در اتصال تمام شناور،گژن پین نسبت به پیستون ثابت ونسبت به شاتون دارای قابلیت چرخش می باشد.در این طرح یک بوش برنجی به صورت پرسی در سر کوچک شاتون جا زده،برای کاهش اصطحکاک سطح تماس بین بوش وگژن پین،روغن توسط یک سوراخ در سر کوچک شاتون تامین می شود.
در اتصال نیمه شناورگژن پین،در شاتون پرس شده،می تواند نسبت به پیستون دوران نماید.در چنین طرحی نیاز به روغنکاری از شاتون به پیستون منتقل شده،در دو طرف پیستون دو سوراخ برای روغنکاری سطوح اصطحکاکی ایجاد می شود
ساق دو سر بزرگ وکوچک را به هم ارتباط می دهد وبرای کاهش وزن،معمولا دارای ضخامت کمتری نسبت به دو سر شاتون است.تاکنون اشکال مختلفی برای سطح مقطع ساق پیشنهاد شده است،از جمله سطح مقطع مدور،بیضوی و«I» شکل.مورد اخیر بدلیل وزن کمتر واستحکام مطلوب،بیشتر به کار می رود.با کاهش طول ساق شاتون وثابت ماندن نسبت تراکم موتور میزان گشتاور ونیروی تولیدی آن افزایش می یابد.همچنین طول ساق در استحکام ونیز میزان ساییدگی جداره سیلندر در اثر تماس با پیستون موثر است. سر بزرگ محل اتصال شاتون با میل لنگ ومرکز آن،حرکتی دورانی مشابه حرکت میل لنگ دارد.برای جلوگیری از سایش شاتون در سر بزرگ دو یاتاقان که جنس سختی دارند بین شاتون ومیل لنگ قرار می گیرد ودر سطح داخلی سر بزرگ شاتون،دو شیار برای ثابت کردن یاتاقانها ایجاد می شود.سربزرگ شاتون معمولا به صورت دو تکه تولید می شود،این دو قطعه پس از قرار گیری روی میل لنگ بوسیله دو پیچ به هم بست در شاتونهای دو تکه قطعه زیرین سر بزرگ را کپه می ه می شوند نامند.در کپه وشاتون دو سوراخ برای عبور ایجاد می شود
جرم شاتون وتوزیع آن نقش مهمی در کارکرد موتور دارند.به اختصار می توان گفت با افزایش جرم شاتون،اتلاف انرژی در موتور،افزایش وراندمان آن کاهش می یابد.کنترل ارتعاشات وتعادل موتور نیز به توزیع جرم ومحل مرکز شاتون وسایر قطعات متحرک بستگی دارد.باید دقت نمود،تا جرم شاتون ومحل مرکز جرم آن از محدوده مشخصی تجاوز ننماید.در انواع شاتون،دو راه برای تنظیم جرم ومحل مرکز جرم وجود دارد در برخی شاتونها وزنه های تعادل در دو سر شاتون تعبیه می شود.پس از اتمام عملیات ماشینکاری،با کاستن از طول وزنه ها،جرم شاتون ومحل مرکز جرم آن تنظیم می شود ودر محدوده خاصی قرار می گیرد.در عمل هر یک از دو سر شاتون روی یک ترازو قرار می گیرند وبه جای جرم کلی ومحل مرکز جرم،مقدار جرم نشان داده شده توسط دو ترازو،مورد توجه قرار می گیرد
در برخی دیگر از شاتون ها،وزنه های روی دو ترازو قرار می گیرند وبراساس جرم سر کوچک وبزرگ دسته بندی می شوند.تعداداین گروههای وزنی در مواردی به ۱۰۰ گروه نیز می رسد وتمام شاتونهای مورد استفاده در یک موتور ،باید از یک گروه انتخاب شوند.

۲-عناصر تشکیل دهنده شاتون
مهمترین پارامترها در انتخاب جنس شاتون،عبارتند:
۱-استحکام تسلیمحد خستگی
۲-حساسیت به ترک های سطحی
۳-جرم حجمی وقیمت
۴-فولاد به دلیل داشتن استحکام زیاد
۵-قیمت مناسب
ونیز امکان انجام عملیات حرارتی مختلف برای حصول طیف گسترده ای از خواص مکانیکی،معمولترین ماده در تولید شاتون است.عموما از فولادهای کربنی با درصد کربن بین ۲/۰ تا ۴/۰ در تولید شاتون استفاده می شود.در مواردی نیز فولادهایی با عناصر آلیاژی کرم،نیکل یا مولیبدن ویا فولادهای کم کربن با زمینه مارتنزیتی ی به کار می روند.
در جدول زیر خواص مکانیکی چند نوع فولاد مشاهده می شود.با توجه به اینکه در این موتورها،مقادیر زیاد گشتاور در دورهای بالا تولید می شود،استحکام شاتون نیز از اهمیت بسزایی برخوردار است.با توجه به توضیحات فوق،استفاده از آلیاژهای گرانقیمت تیتانیوم در اینگونه موتورها معمول است.آلیاژهای تیتانیوم،با دارا بودن جرم حجمی در حدود نضف فولاد،دارای خواص مکانیکی مشابه با فولاد های آلیاژی مقاوم هستند.در جدول زیر خواص چند نوع از آلیاژهای تیتانیوم ارائه شده است.

 (2-1) خواص میکانیکی چند نوع فولاد

(۳-۱) خواص مکانیکی چند آلیاژ تیتانیوم

فصل دوم

روشهای ساخت شاتون

۱-روشهای فورجینگ
۲-روشهای فورج پودر
تا دو دهه قبل تنها روش شاتونهای فولادی،روش فورجینگ بود.
روش فورج پودر به دلیل داشتن مزایای اقتصادی قسمتی از بازار فروش شاتون موتورهای بنزینی را به خود اختصاص داده است.در مورد موتورهای دیزل،هنوز هم قسمت عمده بازار در اختیار روش فورج سنت در روش فورجینگ ،قالبی از شاتون تهیه می شود.قطعه ای فولادی با ابعاد مناسب پس از رسیدن به دمای خاصی(کمتر از دمای ذوب) در نیمه پایینی قالب قرار می گیرد. نیمه بالایی قالب با ضربه شدیدی توسط یک پرس روی نیمه پایینی که حاوی قطعه فولادی است می نشیند.این ضربه شدید باعث می شود قطعه شکل شاتون را به خود بگیرد.پس از سرد شدن،زوائدی که در محل تماس دو نیمه قالب روی قطعه شده اند،جدا می شوند وبا گذراندن عملیات حرارتی مناسب جهت رفع تنشهای به وجود آمده در قطعه،شاتون آماده ماشینکاری می شود.
در روش فورج پودر که نوعی متالوژی پودر می باشد،پودر همگنی که حاوی مواد مورد نظر برای آلیاژ مناسب به همراه چسب مخصوص در قالب شاتون ریخته شده،قالب به همراه محتویات آن حرارت داده می شود تا ذرات پودر تحت تاثیر چسب وحرارت به هم ملحق شده،قطعه واحدی را تشکیل دهند.این عمل را زینتر کردن با تف جوشی می نامند.قطعه بدست آمده دارای چگالی واستحکام کمتر نسبت به فولاد معمولی است.بنابراین برای تراکم ذرات تشکیل دهنده آن،تا حد چگالی فولاد معمولی،عملیات فورج روی قطعه انجام می گیرد.قطعه به دست آمده در این مرحله دارای چگالی واستحکام نزدیک به شاتون فورج شده است .
مزیت اصلی روش فورج پودر بر فورج سنتی نیاز کمتر به عملیات ماشینکاری است که باعث کاهش مواد،زمان وهزینه صرف شده برای تولید شاتون می شود.
به دلیل سرعت وشتاب زیاد حرکت شاتون،ماشینکاری آن از حساسیت بالایی برخوردار است.قطر داخلی وضخامت سرهای کوچک وبزرگ ،نشیمنگاههای پیچ ومهره وسوراخ عبور پیچ از جمله نقاط حساس در ماشینکاری هستند که علاوه بر تلرانسهای اندازه، تلرانسهای دقیق هندسی نیز باید در آنها رعایت شود.در شکل (۱-۲) قسمت هایی از شاتون که به ماشینکاری نیاز دارند ونیز حدود دقت هر قسمت مشخص شده اند. قبل از ماشینکاری قطر داخلی سر بزرگ شاتون،باید کپه را از شاتون جدا نمود تا بعد از بستن پیچها،ماشینکاری انجام شود.برای جدا کردن کپه ازشاتون،دو روش وجود دارد.در روش اول قطعه از محل مورد نظر بریده می شود،سپس سطوح تماس دو تکه شاتون،بهدقت ماشینکاری می شوند،تا بعد از بسته شدن دوقطعه به یکدیگر،سطوح تماسی کاملی به 
(۱-۲) تلرانس لازم در ماشینکاری در قسمتهای شاتون
دست آیند.اینروش در شاتونهای فورج شده به کار می رود.بسیاری از مراحل عملیات ماشینکاری فوقذکر در شاتونهای متالوژی پودر مستلزم زمان،هزینه ودورریز کمتر مواد است.ذیلا به برخی از این موارد اشاره می شود.                                              
-عدم نیاز به ماشینکاری سطح نشیمنگاههای ومهره پیچ
-عدم نیاز به سوراخکاری سر کوچک(تنها به ماشینکاری سوراخ موجود نیاز است.
-نیاز به براده برداری کمتر در ماشینکاری سطح داخلی سربزرگ.
روش دیگری که در چند سال اخیر تولید شاتون مورد توجه قرار گرفته،زینتر کردن بدون فورج است.این روش نیز نوعی متالوژی پودر می باشد.بنابراین مشابه بخش زینتر کردن فورج پودر است،با این تفاوت که در این روش سعی بر آن است تا حد امکان چگالی واستحکام به فولاد معمولی نزدیک باشد تا بتوان از آن درشرایط سخت کار شاتون بهره گرفت.پس از زینتر کردن،ماشینکاری نسبت به روشهای فورج پودر وفورج سنتی کمتر است.با وجود پیشرفتها ونتایج مثبت به دست آمده در زمینه شاتونهای زینتر شده،به دلیل نیاز به عملیات حرارتی وقابلیت کم ماشینکاری اینگونه شاتونها،هنوز از این روش برای تولید انبوه شاتون بهره گرفته نشده است.در شکل زیرو نمودار مقایسه تولید شاتون تا قبل از ماشینکاری به سه روش فورج سنتی،فورج پودر وزینتر کردن مشاهده می شود.شکل زیر نیز مقایسه هزینه تمام شده برای دو نوع شاتون فورج شده،شاتونهای فورج پودر وزینتر شده را نشان می دهد.یکی از دو نوع شاتون فورج شده بوسیله برش ودیگری با شکستن به دو قطعه تقسیم شده است.

(۲-۲) مقایسه هزینه شاتونای تولید شده به سه روش فورج
۱-فورج
۲-فورج پودر
۳-زینتر کردن
 
(۳-۲) مقایسه هزینه ماشینکاری شاتونهای تولید شده با چهار روش
۱-    فورج وبریدن سر بزرک
۲-    فورج و شکستن سر بزرک
۳-    فورج پودر
۴-    زینتر کردن
 
فصل سوم
دینامیک شاتون
۱-روابط سینماتیک شاتون
۲-محاسبه شتاب مرکز جرم شاتون
۳-نیروهای استاتیکی شاتون
۴-نیروهای دینامیکی شاتون
۵-مرکز جرم و جرمهای تعادل در شاتون

۱-روابط سینماتیک شاتون

در شکل زیر مدل ساده ای از وضعیت قرارگیری وحرکتی پیستون،شاتون ومیل لنگ مشاهده می شود.  زاویه چرخش میل لنگ نسبت به نقطه مرگ بالاست واز  تا   تغییر می کند. زاویه شاتون با خط قائم است وبا تغییر   نیز با دامنه ای کمتر از   نوسان می کند  شعاع لنگ یعنی فاصله محور پین لنگ تا محور اصلی میل لنگ،  فاصله مرکز سر کوچک تا مرکز سر بزرگ و  فاصله مرکز جرم شاتون تا مرکز سر بزرگ است.x نیز فاصله پیستون تا محور میل لنگ می باشد ومتغییر است.
 
(۱-۳) مدل ساده ای از اجزای متحرک

بین  و  رابطه زیر برقرار است:

علامت منفی در رابطه[۱-۳] به دلیل افزایش  و در دو جهت مخالف ظاهر شده است.موضع پیستون نسبت به محور میل لنگ بر حسب  و  عبارتست از:
 
با جایگزینی  از رابطه[۲-۲] داریم:
 
مشتقات اول ودوم رابطه فوق نسبت به زمان روابط سرعت وشتاب حرکت پیستون را به دست می دهند.در روابط زیر ،
t- زمان
– سرعت زاویه ای میل لنگ است که ثابت فرض می شود.
 
 
محاسبه سرعت وشتاب زاویه ای شاتون نیز به سادگی وبا مشتق گیری از  ممکن می باشد.    
]۷-۳[                                          ‌‌        
 
]۸-۳[
۲-محاسبه شتاب مرکز جرم شاتون
برای محاسبه دقیق شتاب مرکز جرم شاتون،باید از روشهای برداری استفاده نمود. شماتیکی از شاتون مشاهده می شود.نقاط  به ترتیب عبارتنداز:مرکز سر کوچک،مرکز جرم ومرکز سر بزرگ شاتون.با داشتن شتاب نقطه P وسرعت وشتاب زاویه ای شاتون،شتاب هر نقطه دیگر از جسم قابل محاسبه است.در رابطه(۹-۳) همه کمیات برداری هستند. شتاب مرکز جرم، شتاب مرکز سر کوچک (شتاب پیستون)  و  سرعت وشتاب زاویه ای  و  سرعت نسبی وشتاب نسبی مرکز جرم نسبت به شاتون است.

با توجه به صلبیت شاتون،محل مرکز جرم ثابت بوده،دو جمله آخر از رابطه فوق حذف می شوند.با جایگذاری از روابط قبل در رابطه [۹-۳] وانجام محاسبات،مولفه های شتاب مرکز جرم در دو راستای افقی وعمودی به دست می آیند وعبارتند از :

۳-نیروهای استاتیکی شاتون
نیروهای استاتیکی نیروهایی هستند که در همه حال به طور ثابت بر شاتون وارد می شوند.این نیروها عبارتند از فشار ناشی از جازدن بوش در سر کوچک وپیش بار لازم برای بستن پیچهای سر بزرگ شاتون.در ابتدا به محاسبه نیروهای استاتیکی می پردازیم.به دلیل وجود بوش در سر کوچک شاتون،فشاری یکنواخت ودائمی بر سطح داخلی این سر اعمال می شود.تداخل کلی بوش و سر کوچک ،به دو عامل بستگی دارد.این دو عامل عبارتند از:اختلاف دمای سوار کردن دو قطعه با دمای کاری واختلاف قطر دو قطعه قبل وبعد از جا زدن .P فشار بین دو قطعه پس از جازدن از رابطهزیر محاسبه می شود.
 
در این رابطه:
–  تداخل کلی
–  شعاع داخلی سر کوچک،
– شعاع خارجی سر کوچک،
– شعاع داخلی بوش
– مدول الاستیسیته وضریب پواسون شاتون
–  و  مدول الاستیسیته وضریب پواسون بوش می باشند.
در محل بستن پیچها نیز بدلیل کشش اولیه پیچ،نیرویی به طور دائمی اعمال می شود.این نیرو از روابط
 
بدست می آید.در این روابط T گشتاور بستن پیچ، قطر متوسط دندانه ها،d قطر خارجی، زاویه پیشروی، نصف  زاویه بین دندانه ها و  و  به ترتیب ضریب اصطحکاک بین پیچ ومهره و سرپیچ با نشیمنگاه آن می باشند.
۴-نیروهای دینامیکی شاتون
مطابق شکل زیر،نیروهاس گسترده (فشار تماسی) در سطوح داخلی دو سر بزرگ وکوچک شاتون از طرف پیستون ومیل لنگ اعمال میشوند.مولفه های افقی وعمودی این نیروها نیز در شکل زیر دیده می شوند عکس العمل نیروهای  و بر پیستون وعکسل العمل نیروهای و  بر میل لنگ وارد می شود.در شکل زیر دیاگرام آزاد پیستون با نیروهای وارده از طرف شاتون،محفظه احتراق وجدار سیلندر مشاهده می شود.
 
(۲-۳)دیاگرام آزاد شاتون
علامت منفی برای نیروهای و  با توجه به آنکه این نیروها قرینه نیروهای وارد بر شاتون هستند،منظور شده است.
فشار گاز درون محفظه احتراق تابعی از زاویه دوران میل لنگ است ودر هر سیکل کاری موتور تکرار می شود.این سیکل کاری موتورهای چهارزمانه   می باشد.شکل (۳-۳) نمونه ای از نمودار فشار گاز بر حسب
 
(۳-۳) دیاگرام آزاد پیستون
زاویه دوران میل لنگ را نشان می دهد.مطابق شکل،فشار درون محفظه احتراق از اواسط مرحله تراکم شروع به افزایش کرده،با جرقه شمع وشروع احتراق در   تا   قبل از نقطه مرگ بالا،افزایش فشار،آهنگی سریعتر می یابد ودر   تا   بعد از نقطه مرگ به بیشترین حد خود می رسد.سپس طی حرکت پیستون رو به پایین،فشار کاهش می یابد وطی مراحل تخلیه،مکش ونیمه اول تراکم،فشار در حدود فشار جو ثابت می ماند.
با توجه به شکل (۳-۳) می توان رابطه تعادل نیروهای وارد بر پیستون را در راستای قائم نوشت. در رابطه زیر
 
A- سطح مقطع پیستون
m- جرم پیستون
a- شتاب پیستون است
علامت نیروی اصطحکاک به جهت حرکت پیستون بستگی دارد.به این ترتیب ، یکی از نیروهای وارد بر شاتون شکل (۳-۳) بدست می آید وبا داشتن سه معادله تعادل در صفحه ،سه نیروی دیگر نیز،براحتی قابل محاسبه اند.در روابط زیر  جرم شاتون و  ممان اینرسی حول محورعمود بر صفحه  گذرنده از مرکز جرم است.  بردارهای یکه در راستای افقی،قائم وعمود بر صفحه هستند.
 
با جایگذاری  بر حسب  در رابطه [۱۹-۳]مقدار  بر حسب  و  بدست می آید که این دو نیرو قبلا محاسبه شده اند.
 
با در دست داشتن مقدار  نیز از رابطه [۱۷-۳] قابل محاسبه است.
اتصال بین شاتون با پیستون ومیل لنگ،اتصالی لغزشی است وروی لایه ای از روغن انجام می شود،از این رو نیروها در دو سر شاتون،دارای توزیع هیدرودینامیک مشاب یتاقانهای لغزشی هستند پارامترهای دخیل در پروفیل فشار عبارتنداز:   
–  لزجت روغن سرعت دورانی یاتاقان
–  میزان بار وارده
–  قطر یاتاقان
–  لقی اعضای داخلی وخارجی یاتاقان د وارد بر یاتاقان عبارتند از: 
 (
      
(۴-۳) نمدارنسبت بار یاتاقان و بیشترین فشار در پروفیل بر حسب s عدد مشخصه یاتاقان
بیشترین مقدار فشار در پروفیل،به  و  بستگی دارد و برای تعیین آن ،نمودار تجربی شکل زیر ارائه شده است.از این نمودار نسبت به بار واحد یاتاقان وبیشترین فشار در پروفیل بار بدست می آید.پس از خواندن مقدار rاز نمودار شکل (۴-۳) می توان
 
بیشترین مقدار فشار در یاتاقان را محاسبه نمود.
۵-مرکز جرم و جرمهای تعادل در شاتون
شتاب قطعات متحرک موتور باعث به وجود آمدن نیروهای اینرسی می شود،این نیروها به جرم وشتاب حرکت پیستون،شاتون ومیل لنگ بستگی دارند.با توجه به مقدار بالا ومتغییر شتاب حرکت این قطعات،مقدار نیروی اینرسیی به طور دائم در حال تغییر است.این نیروها بر بدنه موتور وارد می شوند وباعث لرزش بدنه می گردند.موتور نیز این لرزش را به بدنه خودرو وسرنشینان منتقل می کند.بنابراین،خنثی کردن تمام یا قسمتی از نیروهای اینرسی،کمک شایان توجهی به کارکرد نرم وبی صدای موتور وآسایش سرنشینان خودرو خواهد بود.در شکل زیر دستگاه حرکتی موتور به طور ساده ای نشان داده شده است.
به جای شاتون دو جرم متمرکز قرار گرفته اند،به گونه ای که جرم کلی ثابت بماند ومحل مرکز جرم نیز تغییر نکند.بنابراین بین این دو جرم روابط زیر برقرار است

 
در روابط فوق:  
– به ترتیب جرم کلی،جرم سر کوچک وجرم سر بزرگ
    –  و فواصل مرکز سرهای بزرگ وکوچک از مرکز جرم شاتون می باشد.اثر پیستون نیز به شکل جرم متمرکز     نشان داده شده است.به جای جرم لنگ هم جرمی 
(۵-۳) مدل ساده اتصال پیستون-شاتون-میل لنگ

معاد ل در سر بزرگ شاتون اعمال شده است.این جرم همانیروی اینرسی لنگ را تولید می کند ومقدار آن برابر است با:
 
  جرم لنگ،
  شعاع لنگ
  فاصله مرکز جرم لنگ تا محور میل لنگ است.
مجموع جرمهای پیستون وسر کوچک شاتون،جرم رفتبرگشتی ومجموع جرم سر بزرگ وجرم معادل لنگ،جرم دورانی را تشکیل می دهند.با ضرایب این اجرام در شتاب پیستون وشتاب سربزرگ شاتون،نیروهای اینرسی موتور به دست خواهند آمد.با در نظر گرفتن رابطه تقریبی برای شتاب پیستون،نیروی اینرسی رفت وبرگشتی،عبارت است از:
 
 
(۶-۳) ترتیب  قرارگیری لنگها در یک موتور چهار سیلندر
در رابطه زیر
 
 l فاصله دو سر بزرگ وکوچک شاتون 
  شعاع لنگ است
در این رابطه،جمله اول نیروی اینرسی اولیه وجمله دوم نیروی اینرسی ثانویه می باشد.همانطور که مشاهده می شود،نیروی اینرسی رفت وبرگشتی،ثابت نیست وبه زاویه لنگ بستگی دارد،در صورتی که نیروی اینرسی دورانی ،مقدار ثابتی است وعبارت است از:
 
نیروی اینرسی دورانی هر لنگ توسط یک وزنه تعادل که روی میل لنگ ودر جهت مخالف لنگ نصب می شود،خنثی می گردد.با حذف شدن نیروی اینرسی دورانی،تنها با نیروی اینرسی رفت وبرگشتی سروکار خواهیم داشت.
با توجه به آنکه سیلندر ۴با سیلندر ۱ همفاز وسیلندرهای ۲ و۳،  با سیلندر ۱ اختلاف فاز دارند،می توان مجموع نیروهای اینرسی رفت وبرگشتی موتور را به شکل زیر نوشت.
 مشاهده می شود که در موتور چهار سیلندر،نیروهای اینرسی ثانویه بر خلاف نیروهای اینرسی اولیه به طور خنثی نشده ونامتوازن می مانند..

 
در روابط فوق  فاصله دو سیلندر متوالی است.در مورد گشتاورهای اینرسی نیز همانند نیروهای اینرسی مشاهده می شود که،گشتاور نیروهای ثانویه بر خلاف گشتاور نیروهای اولیه به طور نامتوازن می مانند وموجب لرزش موتور می گردند.
در عمل جرم وزنه های تعادل میل لنگ طوری در نظر گرفته می شود که علاوه بر نیروهای اینرسی دورانیی،قسمتی از نیروهای اینرسی رفت وبرگشتی نیز خنثی شوند.در سالهای اخیر استفاده از میله های موازنه گر در موتورهای چهار سیلندر بزرگ معمول شده است.این میله ها نیروهای اینرسیقرینه نیروهای رفت وبرگشتی تولید می کنند.
یکی از دلایل مهم استفاده از موتورهای شش یا هشت سیلندر آن است که دراین موتورها نیروها وگشتاورهای ثانویه نیز خنثی می شوند وهیچ نیروی اینرسی نامتوازنی در موتور باقی نمی ماند.در نتیجه کارکرد موتور نرمتر وبی صداتر می شود.
 
فصل ۴
تحلیل شاتون
۱-انتخاب جنس و تولیدشاتون قبل از ماشینکاری
۲-ترسیم شاتون در کامپیوتر
۳-محاسبه نیروی استاتیکی با
استفاده از نرم افزار انسیس
۴-محاسبه اعمال نیروی پیستون به
شاتون ومیل لنگ به شاتون
۵-فشارهیدرودینامیک بر شاتون
۶-محاسبه شتاب عمودی مرکز جرم شاتون 
۱- انتخاب جنس و تولیدشاتون قبل ازماشینکاری
اتصال شاتون به پیستون،در موتور از نوع تمام شناور است،یعنی گژن پین نسبت به پیستون ثابت ودر شاتون قابلیت چرخش دارد.
در حال حاضر برای تولید شاتون از دو نوع فولاد استفاده می شود،این دو نوع فولاد،مطابق استاندارد شرکت تراکتورسازی ایران ۰۱۱۷ TF  و۰۷۳۸ TF نامیده می شوند.نزدیکترین معادله های این دو فولاد،مطابق کلید فولاد عبارتنداز:۵ ۳۶ و۴   41 .
در جداول زیر ترکیب شیمیایی وخواص مکانیکی این دو نوع فولاد ذکر شده است

(۱-۴) ترکیب شیمیایی فولادهای مورد استفاده درشاتون پژو ۱۶۰۰

(۲-۴) خواص مکانیکی فولادهای مورد استفاده در شاتون پژو ۱۶۰۰
تولید بعضی شاتون به روش فورج انجام می گیرد.پس از حذف زوایه ناشی از ضربه فورج در محل اتصال دو نیمه قالب،عملیات حرارتی جهت دفع تنشهای پسماند وحصول ساختار مطلوب روی قطعه انجام می گیرد.شکل (۳-۴) قطعه را پس از عملیات فورج نشان می دهد.
 
(۳-۴) شاتون پس ازفورج و قبل از ماشینکاری
مهمترین عملیات ماشینکاری روی شاتون عبارتنداز:
– وماشینکاری دقیق آن برای رسیدن به قطر ایجاد سوراخ در سر کوچک شاتون مطلوب
– بریدن شاتون در محل سر بزرگ وماشینکاری سطوح تماس دو قطعه
– ماشینکاری دقیق قطر داخلی سر بزرگ بعد از بستن دو تکه بوسیله پیچ
– ماشینکاری محل نشستن پیچها ومهره ها
– ایجاد سوراخهای عبور پیچ
– رساندن عرض سر بزرگ به اندازه مطلوب
– رساندن ضخامت سرهای بزرگ وکوچک به اندازه مطلوب
– رس کردن بوش برنجی در سر کوچک شاتون
– ایجاد سوراخ روغنکاری در سر کوچک
– کاستن از طول وزنه های تعادل در دو سر قطعه
 جهت رسیدن به وزن مطلوب (این عملیات ممکن است در چند مرحله انجام گیرد تا نهایتا جرم مناسب حاصل شود.شاتون پس ازاتمام عملییات ماشینکاری مطابق شکل زیر نشان داده می شود.
 
(۴-۴) شاتون ماشینکاری شده(RD)1600
شکل(۴-۴) شاتون ۱۶۰۰ پس از اتممام عملیات ماشینکاری نشان می دهد. شاتونها در ۷ گروه وزنی دسته بندی می شوند.هر شاتون بوسیله یک خال رنگی که نشاندهنده گروه وزنی آن است،علامتگذاری می شود.در مرحله نصب شاتونها روی موتور باید دقت شود تا چهار شاتون هر موتور از یک گروه وزنی انتخاب شوند.
 لازم ذکر است:
طرح وجنس شاتون باید نمونه موجود را تحلیل کرده،استحکام آن را در برابر بارهای وارده در شرایط مختلف کاری بررسی نمود.در پایان نامه حاضر،شاتون اتومبیل پژو ۴۰۵ نیز در برابر بارهای وارده تحلیل شده است.با توجه به پیچیدگی شکل وبارهای وارد بر شاتون،تنها راه عملی برای تحلیل قطعه ومحاسبه تنشها در نقاط مختلف،روش المانهای محدود با استفاده از کامپیوتر می باشد.این تحلیل طی مراحل زیر انجام گرفته است؛
-ایجاد مدل شاتون در کامپیوتر
-اعمال شرایط مختلف مرزی وجسمی بر مدل وحل آن
– بررسی نتایج حاصله
۲- ترسیم شاتون درکامپیوتر
مدل کامپیوتری نیز به ترتیب فوق الذکر ایجاد می شود.به این معنی که بوسیله نرم افزار اتوکد،شاتون فورج شده،عینا وبا تمام ریزه کاریها وظرافتها مدل شده،در مرحله بعد،مدل مطابق نقشه ماشینکاری اصلاح شده تا به شکل نهایی خود برسد.پس از رسیدن شاتون به شکل نهایی،جرم،محل مرکز جرم وممان اینرسی آن با استفاده از نرمافزار اتوکد محاسبه شده اند.با تبدیل فرمت  به  مدل از اتوکد به نرم افزار انسیس منتقل شده تا تحلیلهای لازم روی آن انجام گیرد.مطابق شکل زیر:

(۵-۴) صفحات تقرن شاتون پژو ۱۶۰۰
همانطور که در شکل (۵-۴)مشاهده می شود،دو صفحه XY وYZ،صفحات تقارن شاتون هستند.شاتون نسبت به صفحه YZ ،از لحاظ هندسی متقارن است ولی با دقت در دیاگرام آزاد شاتون در شکل (۳-۲) در می یابیم که این صفحه از لحاظ دینامیکی صفحه تقارن شاتون نیست.اما شاتون نسبت به صفحه XY،علاوه بر تقارن هندسی،دارای تقارن دینامیکی نیز می باشد.زیرا نیروها در دوسوی این صفحه به صورتی کاملا متقارن اعمال می شوند وحرکت شاتون به موازات این صفحه انجام میگیرد.بنابراین مدل کامپیوتری،توسط این صفحه برش خورده،تنها نیمی از مدل به نرم افزار انسیس منتقل شده است.لازمه تقارن کامل شاتون نسبت به صفحه XY آن است که محل برش آن توسط صفحه در جهت محور Z حرکت نکند.این شرط بر مدل انتقال یافته به نرمافزار انسیس اعمال گشته است.
۳-محاسبه نیروی استاتیکی با استفاده از نرم افزار انسیس
برای تحلیل شاتون باید بارهای اعمالی بر قطعه شبیه سازی شده،بر مدل کامپیوتری وارد شوند.هر چه شبیه سازی این نیروها دقیقتر باشد،نتایج حاصل به واقعیت نزدیکتر خواهند بود.عملا مجبوریم در بسیاری موارد از داده های تقریبی استفاده کنیم.
همانطور که فصل قبل متذکر شد،نیروهای وارد بر شاتون به دو دسته استاتیکی ودینامیکی،تقسیم می شوند.در اینجا ابتدا به محاسبه نیروهای استاتیکی وارد بر شاتون پیکان می پردازیم…

بخشی از منابع و مراجع پروژه بررسی ساخت و طراحی شاتون

۱-    بدون ذکر نام .گزارش شرکت ساژم به شرکت تحقیقات ایران خودرو.
۲-    محمد رضا رستمی کار شناسی ارشد .دانشگاه تبریز.مدل نشر آلاینده ها درموتورهای اشتعال جرقه ای.
۳-     بدون ذکر نام نقشه H 61250962.شرکت ایران خودرو.
۴-    مجموعه مقالات سونین کنفرانس سالانه مهندسی مکانیک انجمن مهندسان مکانیک ایران.۱۴الی۱۶اردیبهشت ،دانشگاه صنعتی امیرکبیر جلد دوم،صفحات۶۷۹تا۶۸۸.
۵-    بهینه سازی شکل دسته شاتون توسط روش اجزای محدود به منظور تولید با فرایند آهنگری متالوژی پودر.اردشیر دئلائی. ۱۳۷۴.
۶-    بهسازی و طراحی پیستون،شاتون و میل لنگ موتور پیکان ۱۶۰۰.کارشناسی ارشد.دانشکده فنی و مهندسی،دانشگاه تربیت مدرس.فروزانپور حمید ۱۳۷۶.
۷-    بررسی خواص مکانیکی شاتون متالژی پودر جایگرین شاتون فورج شده.کارشناسی ارشد.دانشکده معدن و متالوژی،دانشگاه صنعتی امیرکبیر.کیوان مسلم.۱۳۷۳
بدون ذکر نام .گزارش شرکت ساژم به شرکت تحقیقات ایران خودرو.