شاتون

شاتون (connection rod یا con rod) بخشی از یک موتور پیستونی است که پیستون را به میل‌لنگ متصل می‌کند. شاتون به همراه لنگ، حرکت رفت و برگشتی پیستون را به حرکت دورانی میل‌لنگ تبدیل می‌کند. در واقع، شاتون باید بتواند نیروهای فشاری و کششی پیستون را منتقل نموده و در هر دو سر آن دوران کند. اساس شاتون، همان اتصال مکانیکی بوده که در آسیاب‌های آبی از آن برای تبدیل حرکت دورانیِ چرخ آب به حرکت رفت و برگشتی استفاده می‌شده است. مرسوم‌ترین مورد استفاده از شاتون، در موتورهای احتراق داخلی (موتورهای درون سوز) و موتورهای بخار است.

بیشتر بخوانید: شاتون و انواع آن

تاریخچه شاتون

اولین مورد استفاده از شاتون در اواخر قرن سوم پیش از میلاد در ماشین چوب‌بری شهر هیراپولیس روم مشاهده شده است. همچنین از شاتون در دو ماشین چوب‌بری روم شرقی در قرن ششم استفاده شده است که به ترتیب، در اِفِسوس و گراسا بوده است. مکانیزم لنگ و شاتون در این ماشین‌های چوب‌بری در روم، حرکت دورانی چرخ آب را به حرکت خطی تیغه‌های اره تبدیل می‌کرده‌اند.

در دوره رنسانس در ایتالیا نیز اولین مورد استفاده ترکیبی از لنگ و شاتون - که البته مکانیزم مکانیکی آن مشخص نیست - در کتاب‌های رسم تاکولا دیده می‌شود. این نوع حرکت توسط نقاش، پیسانِلو (سال 1455 پیش از میلاد) به تصویر کشیده شده است. در این تصویر یک پیستون و پمپ نشان داده شده است که توسط یک چرخ آبی به حرکت در می‌آیند و با دو لنگ ساده و دو شاتون کار می‌کنند.

در قرن شانزدهم نیز شواهدی از استفاده لنگ و شاتون در نوشتجات فنی و همچنین در کارهای هنری در اروپای دوره رنسانس مشاهده می‌شود و تعداد بسیاری از این موارد دیده می‌شود: صرفاً در کتاب آگوستینو راملی با عنوان ماشین‌های متنوع و ساختگی که در سال 1988 نگارش شده است، 18 مثال در این مورد دیده می‌شود. این تعداد در کتاب جرج آندریاس بوگلر با عنوان صحنه‌ای از ماشین‌های جدید، به 45 ماشین مختلف افزایش یافته است.

یکی از مستندات اولیه در خصوص طراحی نیز در تاریخی بین سال‌های 1174 تا 1206 قبل از میلاد در کشور ارتقیه (ترکیه نوین) به ثبت رسیده است که در آن، یکی از مخترعین به نام الجزاری، یک ماشین را توصیف نموده است که در آن، از یک شاتون و میل‌لنگ برای پمپ‌کردن و بالا آوردن آب استفاده شده است.

طرح ماشین چوب‌بری هیراپولیس روم، اولین ماشینی است که در آن، از اتصال شاتون به میل لنگ استفاده شده است.

شاتون در موتورهای بخار

در سال 1712، در موتور اتمسفری نیوکامن (که اولین موتور بخار بوده است)، از یک درایو زنجیری به جای شاتون استفاده شده است، زیرا در این موتور، پیستون نیرو را فقط در یک جهت تولید می‌کرده است. اما بیشتر موتورهای بخاری که پس از موتور نیوکامن ابداع شده‌اند، در دو طرف عمل می‌کنند. بدلیل تولید نیرو در این موتورها در هر دو جهت، از شاتون استفاده می‌شود. در طراحی نوعی این موتورها، از یک بلوک تکیه‌گاه لغزنده به نام یاتاقان متحرک (یا میله همبر) با یک لولا در بین پیستون و شاتون استفاده می‌شود که در خارج از سیلندر نصب شده است. بدین ترتیب، اطراف شاتون نیز باید آب‌بندی شود.

موتور بازویی‌دار (شاهینی) که در آن، از دو شاتون (تقریباً عمودی) بین بازوی افقی و فلایویل استفاده شده است

در یک لوکوموتیو بخار، لنگ‌ها را معمولا به صورت مستقیم بر روی چرخ‌های متحرک سوار می‌کنند. همچنین از یک شاتون در بین کرنک‌پین بر روی چرخ و یاتاقان متحرک استفاده می‌شود (که به میله پیستون متصل می‌شود). شاتون‌های معادل با یکدیگر در لوکوموتیوها را ‘میله‌های جانبی’ می‌نامند. در لوکوموتیوهای بخار کوچک‌تر، سطح مقطع شاتون‌ها معمولا به صورت مستطیلی است، اما به هر حال معمولا از شاتون‌هایی از نوع موتورهای وسایل دریایی که دارای سطح مقطع دایره‌ای هستند به ندرت استفاده شده است.

در کشتی‌های بخار پره‌ای نیز به شاتون، "میله اتصال (پیتمن)" می‌گویند (که البته نباید آن را با بازوهای پیمن اشتباه گرفت).

شاتون در یک لوکوموتیو بخار (بین پیستون و چرخ عقبی؛ بزرگ‌ترین میله‌ای که دیده می‌شود)

شاتون در موتورهای احتراق داخلی

شاتون در یک موتور احتراق داخلی، از سه بخش "سر بزرگ"، "میله" و "سر کوچک" تشکیل شده است. سر کوچک به گژن‌پین (که به آن، "پین پیستون" یا "انگشتی پیستون" هم گفته می‌شود) متصل می‌شود و می‌تواند در پیستون بچرخد. سر بزرگ را نیز معمولا با استفاده از یک یاتاقان مسطح به کرنک‌پین وصل می‌کنند تا اصطکاک کاهش یابد؛ اما در بعضی از موتورهای کوچک، ممکن است به جای این کار از یک یاتاقان دارای رولر استفاده شود تا دیگر نیاز به سیستم پمپ روانکار وجود نداشته باشد.

معمولا در سر بزرگ شاتون، یک سوراخ به سمت یاتاقان تعبیه می‌شود تا روغن روانکاری بتواند به سمت تراست در دیواره سیلندر رفته و مسیر پیستون‌ها و رینگ‌های پیستون را روانکاری نماید.

پیستون می‌تواند در هر دو سر آن دوران داشته باشد، بنابراین با بالا و پایین رفتن پیستون، زاویه بین شاتون و پیستون تغییر می‌کند و در نهایت، میل‌لنگ دوران می‌نماید.

طراحی نوعی برای یک شاتون در موتور خودرو

جنس شاتون

در موتورهای لوکوموتیو که به صورت انبوه تولید می‌شوند، شاتون‌ها معمولا فولادی هستند. در کاربردهای دارای عملکرد بالا، معمولا از شاتون‌های "بیلتی" استفاده می‌شود. این شاتون‌ها از ورقه جیره‌های فولادی با ماشین‌کاری و نه به صورت ریخته‌گری یا فورج، ساخته می‌شوند.

مواد دیگری که معمولا از آن‌ها استفاده می‌شود، نیز عبارتند از آلیاژ T6-2024 آلومینیوم یا آلیاژ T651-7075 آلومینیوم. از این آلیاژها به خاطر وزن سبک آن‌ها و همچنین قابلیت جذب ضربات سنگین استفاده می‌شود، اما این آلیاژها عمر کمتری نسبت به مواد دیگر دارند. تیتانیوم نیز یکی دیگر از گزینه‌ها است که البته گران است، اما وزن کمی دارد. در مواردی که قرار است ارزان‌تر کار شود و عملکرد زیادی هم انتظار نمی‌رود -مثلاً در اسکوترهای موتور- می‌توان از چدن استفاده نمود.

میله آلومینیومی با سر ماژولار و بوش در پایین (سمت چپ)، میله مخصوص برای چکاندن روغن با ضربه آرام (وسط)، میله فولادی (سمت راست)

خراب شدن شاتون

در هر مرتبه که میل‌لنگ دور می‌زند، میل‌لنگ معمولا در معرض نیروهای بزرگ و تکرارشونده‌ای قرار می‌گیرد: نیروهای برشی ناشی از زاویه بین پیستون و میل‌لنگ، نیروهای فشاری در حین حرکت شاتون به سمت پایین، و نیروهای کششی به واسطه حرکت شاتون به سمت بالا. این نیروها متناسب با مجذور سرعت (RPM) موتور  هستند.

از کار افتادن شاتون که معمولا به آن، "قطع‌شدن میله" هم گفته می‌شود، یکی از اصلی‌ترین دلایل خرابی فاجعه‌بار در خودرو است که در این حالت، میله‌ شکسته شده و مرتبا به سمت میل‌لنگ حرکت می‌کند و بدیت ترتیب، باعث می‌شود تا موتور دیگر قابل تعمیر نباشد. مرسوم‌ترین دلایل مربوط به از کار افتادن میله عبارتند از: از کار افتادن کششی به واسطه سرعت زیاد موتور؛ نیروی ضربه‌ای، زمانی که پیستون (به واسطه‌ی وجود مشکل در سوپاپ) با یکی از شیرها برخورد می‌کند؛ اشکال در یاتاقان میله (معمولا به واسطه مشکل در روانکاری یا عدم نصب صحیح شاتون) به وجود می‌آید.

شاتونی که اساسا به دلیل خستگی از کار افتاده است، سپس به واسطه ضرباتی که به میل‌لنگ خورده است، بیشتر هم آسیب دیده است

خوردگی در سیلندر توسط شاتون

نیروی جانبی که از طریق شاتون به وسیله میل‌لنگ بر روی پیستون اعمال می‌شود، می‌تواند باعث خوردگی در سیلندرها شده و سطح مقطع آن‌ها را به صورت بیضوی در آورد. این امر باعث می‌شود تا عملکرد موتور تا حد زیادی کاهش پیدا کند، زیرا در این حالت، رینگ‌های پیستون دیگر نمی‌توانند دیواره‌های بیضوی شکل‌شده سیلندر را به خوبی آب‌بندی نمایند.

مقدار نیروی جانبی اعمال‌شده، متناسب با زاویه شاتون است و بنابراین، شاتون‌های بلندتر مقدار نیروی جانبی و خوردگی در موتور را کاهش می‌دهند. با این حال، بیشینه طول یک شاتون، به واسطه اندازه‌ی بلوک موتور (بلوک سیلندر) با محدودیت روبرو است؛ مجموع طول حرکت به اضافه طول شاتون نباید بیشتر از مقداری شود که پیستون از بالای بلوک پیستون عبور نماید.

میله‌های اصلی و حمال در موتورها

در موتورهای شعاعی معمولا از شاتون‌های اصلی و حمال استفاده می‌شود. در این موتورها، یکی از پیستون‌ها (بالاترین پیستونی که در انیمیشن نشان داده شده است)، دارای یک میله اصلی است که به صورت مستقیم به میل‌لنگ متصل شده است. در سایر پیستون‌ها نیز با استفاده از پین، شاتون‌ها به رینگ‌های پیرامونِ لبه‌ی میله اصلی وصل شده‌اند.

اصل کاری در یک موتور شعاعی

در موتورهای چنددسته‌ای که تعداد سیلندرها زیاد است -مانند موتورهای V12- فضای موجود برای محورهای شاتون کم بوده و طول میل‌لنگ نیز محدود است. ساده‌ترین راهکار برای این حالت، که در بسیاری از موتورهای خودرو نیز از آن استفاده شده است، این است که هر جفت از سیلندرها دارای یک سرمحور لنگ مشترک باشند. اما این امر باعث می‌شود تا اندازه یاتاقان میله کاهش یابد و این بدان معنا است که سیلندرهای دارای همخوانی (یعنی سیلندرهای مخالف) در گروه‌های مختلف، کمی نسبت به محور میل‌لنگ آفست دارد (و این مسأله منجر به ایجاد لرزش در کوپل می‌شود). یکی دیگر از راهکارهای ممکن برای حل این مسأله، استفاده از میله‌های اصلی و حمال است که هر یک، دارای یک یا چند پین بر روی رینگ هستند. هر یک از این پین‌ها، به سرهای بزرگ میله‌های حمال بر روی سیلندرهای دیگر متصل شده‌اند. یکی از مشکلات این روش، این است که طول حرکت میله حمال، اندکی کمتر از میله اصلی است و این مسأله، منجر به ارتعاش بیشتر در موتور V می‌شود.

یکی از پیچیده‌ترین مثال‌های مربوط به شاتون‌های اصلی و حمال، موتور هواپیمای آزمایشی 24 سیلندر Junkers Jumo 222 است که در زمان جنگ جهانی دوم ساخته شده است. در این موتور، شش گروه سیلندر وجود دارد که در هر گروه، چهار سیلندر تعبیه شده است. در هر "لایه" از این شش سیلندر از یک شاتون اصلی استفاده شده است و در پنج سیلندر دیگر، میله‌های حمال به کار گرفته شده‌اند. تقریبا 300 موتور آزمونی ساخته شده‌اند، اما در نهایت هم این موتور به تولید نرسید.

میله‌های اصلی و حمال در یک موتور هواپیما رنو 8G V8 مربوط به سال‌های 1916-1918

میله‌های چنگالی و تیغه‌ای در موتورها

از میله‌های چنگالی و تیغه‌ای که به آن‌ها "میله‌های تقسیم‌شده در سر بزرگ" نیز گفته می‌شود، در موتوهای دوقلوی-V در موتورسیکلت‌ها و همچنین در موتور هواپیمای V12 استفاده شده است. در این موتورها، در هر جفت از سیلندرها، هر میله “چنگالی”، در سر بزرگ خود به دو بخش تقسیم می‌شود. همچنین میله “تیغه‌ای” نیز نازک می‌شود تا بتواند در این شکاف چنگال جای بگیرد. این نوع طراحی کمک می‌کند تا آن حرکت لرزشی که به واسطه آفستِ جفت سیلندرها در راستای میل‌لنگ به وجود می‌آید، از بین برود.

میله‌های چنگالی و تیغه‌ای

یکی از طرح‌های مرسوم برای یاتاقانی که در سر بزرگ قرار دارد، این است که میله چنگالی، دارای یک غلاف یاتاقان عریض تکی باشد که عرض کلی میله را زیاد کرده و شکاف موجود در مرکز را نیز در بر گیرد. بدین ترتیب، میله تیغه، نه به صورت مستقیم به سمت میل‌لنگ، بلکه به سمت خارج از این غلاف حرکت می‌کند. این امر باعث می‌شود تا میله‌ها (به جای آن‌که نسبت به یکدیگر دوران کنند) به سمت عقب و جلو نوسان نمایند و بدین ترتیب، نیروهایی که بر یاتاقان اعمال می‌شود و همچنین سرعت روی سطح، کم می‌شود. اما در این حالت، یاتاقان به جای آن‌که به صورت پیوسته دوران داشته باشد، به صورت رفت و برگشتی حرکت می‌کند و همین مسئله باعث می‌شود تا روانکاری آن، با مشکل مواجه شود.

از موتور هواپیمای Rolls-Royce Merlin V12 و موتورهای مختلف دوقلوی V هارلی دیویدسون که موتورسیکلت‌‌ها به کار می‌روند، می‌توان به عنوان موتورهایی نام برد که در آن‌ها از میله‌های چنگال و تیغه‌ای استفاده می‌شود.

برای اطلاع از قیمت دقیق لوازم یدکی کیا میتوانید با شماره های درج شده در سایت تماس حاصل فرمایید.