|
در یک موتور با پیستون رفت و برگشتی، شاتون پیستون را به میللنگ متصل میکند.
شاتون میتواند حول هر دو سوراخ بزرگ و کوچک گردش کند، بنابراین زاویهاش با بالا
و پایین رفتن پیستون و گردش میللنگ تغییر میکند. انتهای بالای شاتون با سوراخ
کوچکتر برای قرارگیری پین پیستون، انتهای کوچک نامیده میشود. انتهای پایینی که به
میللنگ متصل میشود، انتهای بزرگ خوانده میشود. انتهای بزرگ شاتون پوسته یاتاقان
را حول میللنگ نگه میدارد و همچنین یک سوراخ سر سوزنی به ژورنال یاتاقان میللنگ
دارد که از آنجا روغن روانکاری به بدنه سیلندر پاشیده میشود. شکست شاتون که
میتواند با افزایش دمای زیاد و یا نقص تولید اتفاق بیافتد، آناً سبب میشود،
موتور به یک آهن قراضه تبدیل شود. این موضوع یکی از عوامل رایج سوختگی موتور در
وسایل نقلیه است.
تمام شاتونهایی که در موتورهای احتراق داخلی کار میکنند در معرض نیروهای سیکلی با
دور بالا هستند که وجود تلورانسهای دقیق برای قطعاتی که با هم جفت میشوند، مانند
میللنگ، شاتون و پین پیستون را الزامی میسازد. تا قبل از پیدایش فولادهای قابل
ترک خوردن، تمام کپههای شاتون اره و جداگانه ماشینکاری میشدند تا امکان
قرارگیری یاتاقان در فضای میان شاتون و میللنگ فراهم شود. هزینه ارهکاری و
ماشینکاری کپه برای رسیدن به تلورانسهای لازم یک قسمت مهم هزینههای ماشینکاری
شاتون را تشکیل میداد. همچنین بخشی که در اثر ارهکاری از بین میرفت باید در
طراحی شاتون در نظر گرفته میشد. یک کپه قابل ترک خوردن مزیت هزینه کمتر برای
جداسازی کپه از دسته را فراهم میکند. علاوه بر این کپه و دستهای که با ترک خوردن
از هم جدا شده باشند، بهتر و دقیقتر با هم جفت میشوند و تلورانسهای قطر داخلی
شاتون بزرگ دقیقتر حفظ میشود که در نتیجه شکل سوراخ بزرگ به دایره شبیهتر است.
روش سنتی جدا کردن کپه از دسته شامل بیست مرحله بود که در روش شکست تعداد مراحل به
ده کاهش پیدا کرده است که همه مراحل فرآیندهای اساسی ماشینکاری، سوراخکاری و
برقوزنی هستند. تولید شاتون یک فرآیند با حجم بالا، حساس به قیمت و با الزامات
سختگیرانه راندمان، طراحی و دوام است. بهبود فرآیندها و یا مواد اولیه که به کاهش
هزینه منجر میشوند، در نهایت به صرفهجوییهای قابل توجهی منتهی میشوند. در
آمریکای شمالی هر سال 100 میلیون عدد شاتون تولید میشود.
رقابت فشرده در بازارهای جهانی خودرو به تکامل قطعات با کارایی بالا که باید به
صورت اقتصادی طراحی و تولید شوند، کمک کرده است. بیشتر تکنولوژیهای فرآیندی برای
تولید انبوه شاتون آهنگری و متالورژی-پودر بسته هستند. متالورژی-پودر فرآیندی است
که در آن پودرها فشرده شده، پخته شده و آهنگری میشوند تا چگالی آنها به میزان
لازم افزایش یابد. با وجود قیمت بالاتر پودر فلزات، بسیاری از تولیدکنندگان خودرو
در آمریکای شمالی ترجیح دادهاند از روش متالورژی پودر به جای آهنگری برای تولید
شاتون استفاده کنند. یک دلیل اصلی برای این تغییر، هزینههای مرتبط با عملیات
ماشینکاری برای جداسازی دسته و کپه و لزوم ایجاد سطوح منطبق بین آنها است.
شاتونهای متالورژی پودر به این فرآیند ماشینکاری اضافی نیاز ندارند. هر چند
اخیراً توسعه C-70 یا فولاد میکروآلیاژی به اصطلاح "قابل ترک خوردن" نیاز به این
فرآیند اضافی ماشینکاری را حذف نموده است که هزینههای ماشینکازی را کاهش داده
است.
هدف این تحقیق ارزیابی و مقایسه رفتار خستگی یک شاتون آهنگری شده معمولی و
شاتونهای تولید شده به روش متالورژی پودر است.شاتونهای متالورژی پودری 570 گرمی
از یک موتور مینی ون 2.4 لیتری با شاتونهای 455 گرمی از یک ماشین متوسط با موتور
2.3 لیتری انتخاب شدهاند. آزمایشهایی بر روی قطعات آزمایشی با اندازه کوچک انجام
شدند تا خواص مکانیکی و خستگی فولاد آهنگری شده و فولاد متالورژی پودر شده ارزیابی
و با هم مقایسه شود. آزمایشهای خستگی قطعه همچنین برای ارزیابی و مقایسه دو نوع
شاتون بر روی آنها انجام شد. آنالیز المان محدود الاستیک نیز برای پیشبینی
تنشها، تمرکز تنشها و نقاط احتمالی شکست انجام شد. آنگاه روش S-N در آنالیز
خستگی برای پیشبینی عمر خستگی به کار گرفته شد و نتایج آن با نتایج بدست آمده از
آزمایش مقایسه شدند.
|