Группа поршневая это


Категория:

   Устройство автомобиля

Публикация:

   Поршневая группа

Читать далее:

   Шатуны

Поршневая группа

Поршень. Давление газов во время рабочего хода воспринимает поршень и передает его через палец и шатун коленчатому валу. В цилиндре поршень движется неравномерно; в крайних положениях (в в. м. т. и в н. м. т.) его скорость равна нулю, а около середины хода она достигает максимального значения. В результате этого возникают большие силы инерции, на величину которых влияет масса поршня и угловая скорость коленчатого вала. Кроме механических нагрузок, поршень подвергается действию высоких температур в период сгорания топлива и расширения образовавшихся газов. Он нагревается также вследствие трения его боковой поверхности о стенки цилиндра.

На автомобильных двигателях чаще устанавливают поршни, изготовленные из алюминиевого сплава, так как они достаточно прочные, легкие, имеют высокую теплопроводность и хорошие антифрикционные свойства. Для повышения прочности, надежности и сохранения постоянства размеров и формы поршни из алюминиевого сплава подвергают термической обработке — старению.

Поршень состоит из трех основных частей: днища, головки и юбки. На внешней поверхности головки поршня и юбке проточены канавки для установки компрессионных колец и маслосъемных колец. Верхнюю часть поршня называют уплотнительным поясом, так как размещенные здесь поршневые кольца предотвращают прорыв газов через зазоры между поршнем и цилиндром. Число колец, устанавливаемых на поршне, зависит от типа двигателя и частоты вращения коленчатого вала. По окружности канавок, в которых размещены маслосъемные кольца, просверлены сквозные отверстия для отвода масла в картер двигателя. Юбка является направляющей поршня при движении его в цилиндре и передает боковую силу от шатуна стенкам цилиндра. На внутренней стороне юбки имеется два массивных прилива, называемых бобышками. Они соединяются ребрами с днищем, увеличивая прочность поршня. В бобышках сделаны отверстия для установки пальца и проточены кольцевые канавки для стопорных колец. В карбюраторных двигателях применяют поршни с плоским днищем, получившие широкое распространение из-за простоты изготовления и меньшего нагрева при работе.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Для увеличения прочности и улучшения отвода тепла днище поршня дизеля изготовляют массивным и усиливают ребрами с внутренней стороны. Обычно поршни дизелей имеют фигурные днища. Это улучшает процесс смесеобразования и позволяет придать камере сгорания необходимую форму.

При нагреве поршень расширяется больше, чем цилиндр, охлаждаемый жидкостью, поэтому возникает опасность заклинивания поршня. Чтобы избежать этого и обеспечить нормальную работу двигателя, диаметр поршня должен быть меньше диаметра цилиндра, т. е. между поршнем и цилиндром необходим диаметральный зазор. Применяют поршни, у которых диаметр юбки больше диаметра головки, т. е. поршень имеет форму усеченного конуса. Юбку делают разрезной, что повышает упругость (устраняет опасность заклинивания), придают ей овальную форму (большая ось овала должна быть перпендикулярна оси поршневого пальца) и т. д.

Поршни имеют разрезную юбку овального сечения (двигатели автомобилей ГАЗ-24 «Волга», ГАЗ-бЗА и др.). Во время работы двигателя поршень нагревается и юбка несколько деформируется в направлении оси поршневого пальца. Форма юбки приближается к цилиндрической, и зазор между поршнем и цилиндром становится минимальным. Вырезы на юбке уменьшают массу поршня. Поршни двигателя автомобиля ЗИЛ-130 имеют поперечные прорези под головкой; на юбке поршня выполнен Т-образный разрез. Иногда применяют поршни с усиленной юбкой — без вертикального разреза.

Рис. 1. Щатунно-поршневая группа: а — дизелей ЯМЗ; бив — двигателей автомобилей ГАЭ-53А, где даны поршни в сборе с шатуном, устанавливаемые соответственно в первый, второй, третий и четвертый цилиндры левого блока и в пятый, шестой седьмой и восьмой цилиндры правого блока; 1 — стопорное кольцо; 2 — поршневой палец; 3 — маслосъемные кольца; 4 — компрессионные кольца; 5 — камера сгорания в днище поршня; 6 — днище поршня; 7 — головка поршня; 8 — юбка; 9 — поршень; 10 — распылитель масла (форсунка); 11 — шатун; 12 — вкладыши; 13 — замковая шайба; 14 — длинный бмт; 15 — короткий болт; 16 — крышка шатуна; 17 — втулка в головке шатуна; 18 — надпись на поршне; 19 — номер на шатуне; 20 — метка на крышке шатуна; 21 — шатунный болт

Если на юбках поршней имеются разрезы, то их устанавливают в двигателе так, чтобы боковое давление при рабочем ходе испытывала та часть поршня, где нет разреза. При переходе поршня через в. м. т. он перемещается от одной стенки цилиндра к другой, что сопровождается стуками. Чтобы устранить эти стуки, ось отверстия под палец смещают в сторону (на 1,5— 2,0 мм) максимального бокового давления. Для улучшения приработки поршней к цилиндрам и устранения возможных задиров поршни покрывают тонким слоем олова. Юбки поршней дизелей ЯМЗ и автомобилей КамАЗ-5320 не имеют разреза, но они также выполнены в виде конуса овального сечения. Диаметр поршней дизелей ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238 равен 130 мм, дизеля автомобиля КамАЗ-5320 равен 120 мм и двигателя автомобиля ЗИЛ-130 равен 100 мм. Для правильной установки в цилиндры и точного соединения с шатунами на поршнях и шатунах есть соответствующие метки.

Поршневые кольца. Надеваемые на поршень поршневые кольца создают плотное, подвижное соединение между поршнем и цилиндром. Кольца бывают компрессионные и маслосъемные; первые обеспечивают необходимую компрессию (сжатие) благодаря уменьшению количества газов, прорывающихся из камеры сгорания в картер, и отводят тепло от головки поршня к стенкам цилиндра; вторые — препятствуют проникновению масла из картера в камеру сгорания.

Кольца изготовляют из специального легированного чугуна или стали. Разрез кольца, называемый замком, может быть прямой, косой или ступенчатый. Получили распространение кольца с прямым замком, как наиболее простым и дешевым в изготовлении. В свободном состоянии диаметр поршневого кольца больше внутреннего диаметра цилиндра. Поэтому кольцо, поставленное в канавку поршня и введенное в сжатом состоянии в цилиндр, разжимаясь, плотно прилегает к внутренней поверхности цилиндра. Зазор в замке кольца позволяет ему расширяться при нагревании.

Рис. 28. Поршневые кольца: а — поперечные сечения компрессионных колец и их положения в рабочем состоянии; б — составное маслосъемное кольцо; в — головка поршня двигателя автомобиля ЗИЛ-130 с поршневыми кольцами; г — схема насосного действия компрессионных колец; д — схема работы маслосъемных колец; I — кольцо прямоугольного сечения; II — кольцо с конической наружной поверхностью; III — кольцо с фаской на внутренней стороне; IV — кольцо с выточкой на внутренней стороне; 1 — дискообразные кольца; 2 — осевой расширитель; 3 — радиальный расширитель; 4 — замок кольца; 5 — компрессионные кольца; 6 — поршень; 7 — отверстие в канавке маслосъемного кольца; 8 — цилиндр; 9 — маслосъемное кольцо; 10 — прорези в кольце; 11 — отверстие в поршне; сплошными стрелками показано направление движения поршня, а штриховыми — масла

Различные поперечные сечения компрессионных колец приведены на рис. 2, а. Кольцо с конической наружной поверхностью (схема II) соприкасается с цилиндром не всей боковой поверхностью, а лишь небольшой кромкой и оказывает на стенки цилиндра значительное давление. Такое кольцо скорее прирабатывается к цилиндру, лучше уплотняет соединение поршень — цилиндр. Особенностью колец с фаской (схема III) или выточкой (схема IV) является то обстоятельство, что надетые на поршень и введенные в цилиндр они скручиваются к центру. Такие кольца прилегают к зеркалу цилиндра острой кромкой и работают так же, как и конические, но обеспечивают большую герметичность подвижного соединения в результате лучшего контакта с торцовыми поверхностями поршневой канавки. Поршневые кольца с фасками и выточками ставят на поршень так, чтобы фаски или выточки были направлены вверх, в сторону головки блока.

Первое компрессионное кольцо работает в условиях высокой температуры, больших давлений и изнашивается быстрее других. Для повышения износостойкости первого компрессионного кольца его наружную цилиндрическую поверхность подвергают пористому хромированию. Собирающееся в порах хрома масло несколько улучшает условия работы кольца. Со временем заводы предполагают отказаться от хромирования колец и перейти к напыливанию их наружной поверхности молибденом. При хромировании верхнего кольца увеличивается долговечность остальных поршневых колец, которые покрывают слоем олова для лучшей приработки их к цилиндрам. Два верхних (двигатель автомобиля ЗИЛ-130) компрессионных кольца хромированы. Первое компрессионное кольцо дизеля автомобиля КамАЭ-5320 хромировано и установлено в чугунное кольцо, залитое в поршень из алюминиевого сплава, а второе покрыто слоем молибдена.

Проникновение масла в камеру сгорания очень нежелательно, так как приводит к интенсивному нагарообразованию и ухудшению работы двигателя. Масло в камеру сгорания может проникать в результате разности давлений в картере и цилиндре при такте впуска и вследствие насосного действия поршневых колец. При движении поршня (рис. 2, г) вниз кольца прижимаются к верхним кромкам канавок и масло заполняет зазор между нижними торцами колец и канавками. Когда поршень движется вверх, кольца прижимаются к нижним кромкам канавок и масло выдавливается вверх.

Маслосъемные кольца (обычно не более двух) устанавливают на поршне ниже компрессионных колец; по конструкции они отличаются от компрессионных колец тем, что на их наружной поверхности имеются кольцевые канавки и сквозные прорези или отверстия для прохода масла. На поршнях применяют и составные (рис. 2, б) маслосъемные кольца (ГАЗ-24 «Волга», ГАЗ-53А, ЗИЛ-130 и др.). Такое кольцо состоит из двух плоских стальных дискообразных колец и двух расширителей: осевого, разжимающего кольца, и радиального, прижимающего дискообразные кольца к зеркалу цилиндра. Составное кольцо оказывает большое давление на стенки цилиндра и лучше очищает его от излишков масла. Устанавливая на поршень поршневые кольца, необходимо следить за тем, чтобы замки соседних колец были смещены на некоторый угол (90—180°) один относительно другого, а не расположены на одной прямой.

Поршневые пальцы. Поршень с верхней головкой шатуна соединяет поршневой палец. Он должен быть прочным, легким и износостойким, так как во время работы подвергается трению и большим механическим нагрузкам, переменным по величине и направлению. Пальцы изготовляют из высококачественной стали в виде пустотелых трубок. Для повышения надежности наружную поверхность пальца цементируют или закаливают, а затем шлифуют и полируют. В бобышках поршня палец укреплен стопорными кольцами, удерживающими его от осевого смещения. Такой палец называют плавающим, так как он при работе двигателя может повертываться в верхней головке шатуна и бобышках поршня. Плавающие поршневые пальцы равномернее изнашиваются и поэтому долговечнее.

У работающего двигателя поршень из алюминиевого сплава расширяется больше, чем стальной палец, поэтому возможен его стук в бобышках поршня. Для устранения этого явления поршень перед сборкой с шатуном нагревают до 70—80 °С, а затем в поршень и шатун вставляют палец. Когда поршень остынет, палец в бобышках окажется закрепленным неподвижно, а верхняя головка шатуна будет иметь угловое смещение относительно неподвижного пальца. При работе двигателя поршень нагревается и палец получает возможность повертываться вокруг своей оси. Применяют пальцы, запрессованные в верхние головки шатунов (двигатели автомобилей «Жигули»). Такие пальцы могут повертываться только в бобышках поршня.

Поршневая группа любого двигателя состоит из поршня, поршневых колец, поршневого пальца. В зависимости от особенностей конструкции она включает дополнительно детали фиксации пальца от осевых перемещений и детали системы охлаждения поршня.

Поршень

Поршень — важнейшая и одна из наиболее напряженных деталей двигателя. Он является одной из деталей, образующих камеру сгорания двигателя, обеспечивает ее герметичность, передает силу давления газов шатуну; в двухтактных двигателях поршень выполняет также функции распределительного устройства, управляя открытием впускных и выпускных окон в цилиндре.

Поршень имеет головку с днищем, юбку, канавки для поршневых колец и бобышки для установки поршневого пальца. На поршень действуют высокие механические (давление газов, силы инерции) и тепловые нагрузки. Боковая поверхность поршня подвержена износу при движении по поверхности цилиндра. В результате трения поршневых колец и боковой поверхности о стенку цилиндра поршень нагревается дополнительно. Ввиду высоких температур поверхности днища поршня понижаются допустимые напряжения его материала, что может в исключительных случаях привести к образованию трещин. Перегрев зоны расположения поршневых колец нарушает их нормальную работу и ведет к увеличению расхода топлива, масла и износа канавок, а также другим неприятным последствиям.

Поршень устанавливают в цилиндре двигателя с зазором, однако перегрев поршня может вызвать задиры на боковой поверхности и даже заклинивание поршня в цилиндре. Для уменьшения сил инерции, возникающих вследствие возвратно-посту-пательного движения поршня, его масса должна быть по возможности меньше, что достигается в первую очередь применением алюминиевых сплавов для изготовления поршней. Однако в форсированных по величине среднего эффективного давления двигателях, когда прочность алюминиевых сплавов оказывается недостаточной, применяют чугунные, стальные и часто составные конструкции поршней.

По конструкции поршни значительно различаются в зависимости от типа и назначения двигателя, на котором они применяются. Поршни двигателей с принудительным воспламенением, в частности карбюраторных, отличаются минимальной толщиной стенок, что при использовании в качестве материалов исключительно легких сплавов обеспечивает легкость конструкции. Поршни таких двигателей имеют, как правило, плоское днище.

Для уменьшения зазора между поршнем и цилиндром и устранения при этом опасности заклинивания юбку поршней карбюраторных двигателей часто делают разрезной. Она имеет в поперечном сечении овальную форму, большая ось перпендикулярна оси поршневого пальца, установленного в бобышках 3. При работе двигателя поршень, нагреваясь, расширяется так, что форма юбки приближается к цилиндрической.

Поршни автомобильных и тракторных дизелей более массивны, что связано с большими механическими и тепловыми нагрузками, действующими в дизелях. Форма днища может быть различной и зависит от принятого типа камеры сгорания.

На рис. 1, б показан поршень автомобильного дизеля с полуразделенной камерой (штриховой прямой показан применяемый вариант камеры). Юбки поршней дизелей выполняют также овальной формы и часто профилируют по высоте. В отличие от поршней карбюраторных двигателей поршни дизелей не имеют разрезов.

Рис. 1. Поршни: а — автомобильного двигателя с принудительным воспламенением; б — автомобильного дизеля с полураздельной камерой; в — четырехтактного тепловозного дизеля; г — судового дизеля с клапанно-щелевой схемой газообмена; д— охлаждаемый с подводом жидкости при помощи телескопического механизма; 1 — днище; 2 — юбка; 3 — бобышка; 4 — вставка; 5 — корпус; 6 — головка; 7 — канал; 8 — трубка; 9 — шпилька; 10 — кольцевой паз для выемки поршня; 11 — телескопический механизм

Для снижения температур головки поршня и зоны первого компрессионного кольца внутренняя поверхность днища может охлаждаться струей масла, направляемой снизу через шатун или, что более эффективно, через специальную неподвижную форсунку, установленную в картере. Такой способ подачи масла целесообразен в двигателях с повышенной (ориентировочно и>2000 об/мин) частотой вращения коленчатого вала.

Для повышения срока службы поршни из легких сплавов многих двигателей имеют залитую вставку под первое компрессионное кольцо. Иногда вставку выполняют под два верхних кольца из прочного износостойкого материала, что обеспечивает стабильность размеров поршневых канавок в эксплуатации.

Поршни тепловозных и среднеоборотных двигателей работают в очень тяжелых условиях в связи с высоким форсированием двигателей по среднему эффективному давлению и повышенными по сравнению с автомобильными двигателями размерами поршней. Поэтому часто применяют составные конструкции поршней с масляным охлаждением (рис. 1, в). В этом случае корпус поршня (тронк) выполняют из алюминиевого сплава (иногда из чугуна), а теплонапряженную головку из легированной стали. Обе детали соединяют шпильками, установленными в головке. Поршень охлаждается маслом, подаваемым через шатун в центральную часть полости охлаждения, из которой масло перетекает по каналам к краю головки, а затем по трубке 8 сливается в картер.

Стальные (иногда чугунные) поршни крейцкопфных малооборотных двухтактных дизелей отличаются повышенной толщиной стенок. На рис. 1, г представлен поршень судового дизеля с клапанно-ще-левой схемой газообмена.

Поршни современных малооборотных двигателей характеризуются высокой тепловой напряженностью и поэтому для обеспечения долговечной работы всегда охлаждаются. Для подвода охлаждающей жидкости к поршню в крейцкопфных двигателях используют телескопический механизм (рис. 1, д). При этом в последние годы в этих двигателях наряду с масляным все шире применяют водяное охлаждение поршней, что увеличивает количество отводимой теплоты от головки поршня и существенно понижает ее температуру. В конструкции крейцкопфных двигателей предусматриваются меры, благодаря которым масляная полость защищена от попадания в нее охлаждающей воды. Поршни тронковых двигателей охлаждаются только маслом.

Поршневые кольца

Поршневые кольца уплотняют полость камеры сгорания, препятствуя проникновению продуктов сгорания в полость картера и масла в камеру сгорания, что необходимо для уменьшения расхода масла на угар. В соответствии с этим кольца делят на компрессионные (верхние) и маслосъемные (нижние). Для осуществления монтажа на поршень кольца делают разрезными с прямым или косым разрезом. Через кольца от поршня во втулку цилиндра отводится значительное количество теплоты.

Рис. 2. Комплект поршневых колец автомобильного двигателя

На рис. 2 представлен комплект поршневых колец автомобильного двигателя с принудительным зажиганием: два верхних кольца являются компрессионными, а нижние — маслосъемным. Дизели имеют большее число колец, поскольку давление газа в цилиндре у них выше.

Компрессионные кольца работают в тяжелых условиях, определяемых высокой температурой, большими скоростями изменения давления газа и ускорениями при движении колец. При этом необходима длительная работоспособность кольцевого уплотнения.

Уплотнение осуществляется благодаря прижатию кольца к стенке цилиндра силами упругости кольца и давления газов. В момент вспышки при положении поршня в ВМТ давление в канавке первого кольца близко к давлению в цилиндре, а в канавке второго кольца составляет лишь около 50% этой величины. Давление за последним кольцом существенно меньше, оно соизмеримо с давлением в картере двигателя. Ввиду значительного давления колец на стенки цилиндра большая часть работы трения в двигателе (до 50%, а иногда 60%) приходится на кольца, поэтому прижимать кольца чрезмерно большим усилием нельзя. Температура поршня в зоне расположения колец не должна превышать 200…220 °С по условиям сохранения технических свойств масла.

По конструкции компрессионные кольца различаются формой поперечного сечения и геометрией их рабочей поверхности. На рис. 4, а представлены некоторые из применяемых в настоящее время типов компрессионных колец. С повышением уровня форсирования хорошо зарекомендовали себя трапециевидные кольца, которые менее склонны к закоксовыванию по сравнению с прямоугольными кольцами. Для повышения износостойкости рабочую поверхность кольца покрывают слоем хрома, поверх которого иногда наносят дополнительный тонкий слой молибдена — износостойкое покрытие.

Маслосъемные кольца служат для удаления лишнего смазочного материала с рабочей поверхности втулки цилиндра и препятствуют, таким образом, попаданию масла в камеру сгорания. Для нормальной работы сопряжения кольцо — цилиндр достаточная толщина слоя смазочного материала составляет сотые доли миллиметра. Избыток масла выжимается в камеру сгорания, что приводит к нагарообразованию, закоксовыванию верхних поршневых колец и перерасходу масла. Существует несколько объяснений путей проникновения масла в камеру сгорания. Одно из них связывает процесс переноса масла по стенкам поршня и цилиндра с насосным эффектом, создаваемым компрессионными кольцами и заключающимся в выдавливании масла через радиальный зазор между цилиндром и перемычками кольцевых канавок при перемещении колец в канавках.

Маслосъемные кольца (рис. 4, б) выполняют скребковыми, коробчатого типа и, а также составными (из нескольких элементов). Для отвода снятого с цилиндра масла в стенке поршня просверливают радиальные (иногда наклонные) отверстия.

Рис. 3. Схема уплотиительиого действия компрессионных колец

Основным материалом для изготовления колец служит серый перлитный чугун с легирующими добавками. Верхние кольца форсированных двигателей иногда делают стальными.

В тронковом кривошипно-шатунном механизме поршень соединен с верхней поршневой головкой шатуна с помощью пальца, расположенного в расточках бобышек поршня. Палец воспринимает переменные по величине механические нагрузки от сил давления газа на поршень и инерционных сил. Вследствие трения палец подвержен износу, что обусловливает необходимость тщательной обработки его наружной поверхности и придания поверхностному слою металла высокой твердости путем термообработки. Пальцы выполняют из стали.

Рис. 4. Типы поршневых колец: а — компрессионные; б — маслосъемные; 1 — прямоугольное; 2 — трапециевидное; 3 — с износостойким покрытием; 4 — скребковое; 5 и 7 — коробчатого типа; 6 — составное

Рис. 5. Поршневые пальцы плавающего типа

В настоящее время наибольшее распространение получили конструкции с плавающим пальцем; при этом возможно свободное проворачивание последнего как в головке шатуна, так и в бобышках поршня, что способствует более равномерному износу пальца. От осевого перемещения палец фиксируется пружинными стопорными кольцами или специальными ограничителями из мягкого металла — грибками. Применяется и фиксирование пальца в головке шатуна или в бобышках поршня. Последнее используется в конструкциях поршня с подводом масла на охлаждение головки поршня через полость поршневого пальца.

Поршневая группа вместе со стенками цилиндра и поверхностью камеры сгорания образует пространство, в котором происходят рабочие процессы двигателя. Группа должна обеспечивать герметичность этого пространства, хороший отвод тепла от него к стенкам цилиндра, возможно меньшие потери на трение и препятствовать проникновению масла из картера в камеру сгорания.

Поршень служит для восприятия усилия от давления расширяющихся газов и передачи его через шатун на коленчатый вал.

Рис. 6. Формы камер сгорания карбюраторных двигателей

В двухтактных двигателях поршень выполняет также функции золотника механизма газораспределения.

При работе двигателя поршень движется с большой скоростью 35 м/с, находится под воздействием высоких давлений (4,5 МПа) и температур (до 2500 °С), что предъявляет к нему повышенные требования в отношении прочности и жесткости. Поршень должен также обладать малой массой, хорошей теплопроводностью и износостойкостью. Для быстроходных двигателей, работающих под большими нагрузками, наиболее полно отвечают этим требованиям поршни, изготовленные из алюминиевых сплавов с повышенным содержанием кремния. Поршни тихоходных двигателей изготовляются из серого и ковкого чугуна. Все поршни подвергаются термической обработке (закалке и старению или только старению). В целях сокращения периода приработки сопряжения поршень — стенка цилиндра боковую поверхность поршня покрывают легкоплавкими металлами (оловом) с толщиной покрытия 0,005.

Рис. 7. Формы днища поршня

Поршень состоит из головки с днищем, канавок для поршневых колец, направляющей части и бобышек. Днище поршня может быть различной формы, зависящей от конструкции камеры сгорания и расположения клапанов, а в двухтактных двигателях — и от системы газораспределения. Вогнутое днище создает форму камеры сгорания с наилучшими условиями горения рабочей смеси, однако при этом увеличивается поверхность, омываемая горячими газами, и возрастает возможность образования нагара. Кроме того, вогнутое днище имеет меньшую по сравнению с плоским прочность, его обработка при изготовлении поршня затруднена. Выпуклое днище имеет повышенную прочность, позволяющую снизить массу поршня, однако при этом ухудшаются условия сгорания рабочей смеси и повышается нагрев днища. Плоское днище просто в изготовлении и обеспечивает наименьший нагрев во время работы двигателя. Такая форма днища наиболее распространена в карбюраторных двигателях. У дизелей днище поршня имеет сложную геометрическую форму, зависящую от степени сжатия, способа смесеобразования, расположения форсунок и других факторов.

Головка поршня, включающая в себя часть боковой поверхности, где расположены канавки для поршневых колец, служит для обеспечения герметичности камеры сгорания и отвода тепла, воспринимаемого днищем.

Направляющая часть поршня (юбка) включает в себя часть боковой поверхности поршня от нижней кромки канавки под последнее поршневое кольцо до конца поршня. Юбка служит для направления движения поршня в цилиндре и передачи бокового давления на зеркало цилиндра. Длина направляющей части зависит от величины бокового давления и выбирается такой, чтобы получить допустимые удельные давления. Юбка поршня должна обеспечивать наименьшие зазоры между поршнем и стенкой цилиндра как в нагретом, так и в холодном состоянии последнего. Для предотвращения возникновения стуков и перекосов поршня в непрогре-том двигателе и заедания поршня во время работы поршни из легких сплавов выполняют с разрезом П- или Т-образной формы или придают направляющей части поршня овальную форму, при этом размер вдоль оси пальца делается на 0,15—0,30 мм меньше размера в перпендикулярном направлении. У некоторых поршней юбка имеет косой разрез, который придает ей пружинящие свойства и позволяет уменьшить зазор между поршнем и цилиндром. Для уменьшения передачи теплоты от головки поршня к юбке между ними прорезается горизонтальная канавка. Для повышения прочности поршней из легких сплавов и уменьшения их расширения при нагреве в них заделывают специальные инварные или стальные вставки.

Поршневые кольца служат для предотвращения прорыва газов из камеры сгорания в картер двигателя, для отвода тепла от головки поршня к стенкам цилиндра и предотвращения попадания масла в камеру сгорания из картера двигателя. Количество поршневых колец зависит от величины давления газов в цилиндре и быстроходности двигателя. Наименьшее число колец (2-г 4-4) бывает у высокооборотных карбюраторных двигателей, наибольшее (до 7) — у малооборотных мощных двухтактных двигателей. Поршневые кольца подразделяются на компрессионные (га-зоуплотнительные) А и маслосъемные Б. Компрессионные кольца предназначены для создания уплотнения полости цилиндра путем плотного прилегания к стенкам цилиндра и к стенкам канавок в поршне. Такое прилегание обеспечивается их упругостью, а также давлением газов, проникающих за кольца.

Рис. 8. Поршневые кольца: А — компрессионное; Б — маслосъемное; 1 — канавка; 2 — прорезь; 3 — замок; 4 — выточка

Рис. 9. Форма сечения компрессионных и маслосъемных колец

Конструкция компрессионных колец должна обеспечивать необходимое уплотнение, уменьшение напряжения смятия на торцах колец, наименьший износ, она определяется формой поперечного сечения колец и формой замка. Компрессионные кольца имеют различное сечение. Кольца прямоугольного сечения просты в изготовлении, но период их приработки весьма длителен. При применении колец с трапецеидальным сечением предотвращается возможность их застревания в канавках и пригорания. Фасонная форма сечения позволяет кольцу при сжатии скручиваться и принимать коническую форму, в результате чего его боковая поверхность касается зеркала цилиндра узкой кромкой, что ускоряет приработку кольца и уменьшает расход масла. Маслосъемные кольца предназначены для регулирования подачи масла на боковую поверхность поршня и к компрессионным кольцам, снятия со стенок цилиндра излишков масла и направления его в картер двигателя. Наиболее распространены конические и пластинчатые кольца.

Замок (вырез в поршневом кольце) по форме может быть прямым, косым и ступенчатым.

Рис. 10. Замки поршневых колец

Рис. 11. Маслосъемное кольцо

Наибольшее распространение получили кольца с прямым замком, который наиболее прост в изготовлении.

На ряде двигателей (ЗИЛ, ЯМЗ) получили распространение составные маслосъемные кольца, состоящие из двух стальных кольцевых дисков и двух расширителей — осевого и радиального.

Поршневые кольца изготовляются из стали и легированных чу-гунов с присадками хрома, никеля, меди, вольфрама, молибдена. Рабочие поверхности колец покрываются пористым хромом или подвергаются электролитическому лужению, оксидированию, фосфатироваиию, что повышает износостойкость и антикоррозийность, а также ускоряет приработку поверхностей.

Рис. 12. Способы крепления поршневых пальцев

Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с шатуном. Поршневой палец работает в условиях знакопеременной ударной нагрузки при высокой температуре и неблагоприятных условиях жидкостного трения, поэтому должен обладать высокой прочностью, малой массой, повышенной износостойкостью рабочей поверхности, хорошей сопротивляемостью ударной нагрузке. Материалом для поршневых пальцев служат углеродистые или легированные стали, которые подвергаются термической обработке. Наружная поверхность пальцев шлифуется и полируется.

Яоршневой палец изготовляется в виде полого цилиндра. Конструкция поршневого пальца зависит от типа его сопряжения с бобышками поршня и верхней головкой шатуна. По этому признаку различают поршневые пальцы: закрепленные в головке шатуна и вращающиеся в бобышках поршня, закрепленные в бобышках поршня и вращающиеся в головке шатуна; свободно вращающиеся как в головке шатуна, так и в бобышках поршня — плавающие пальцы. Наибольшее распространение получили плавающие пальцы, так как они незначительно и равномерно изнашиваются по длине и по окружности, удобны при монтаже.

Для предотвращения осевого перемещения поршневого пальца плавающего типа применяют пружинные кольца или заглушки.

Рекламные предложения:
Читать далее: Шатуны

Категория: - Устройство автомобиля

Главная → Справочник → Статьи → Форум

stroy-technics.ru

Поршневая группа: поршень — DRIVE2

Поршневую группу образует поршень в сборе с комплектом уплотняющих колец, поршневым пальцем и деталями его крепления. Назначение поршневой группы состоит в том, чтобы:

1) воспринимать давления газов и через шатун передавать эти давления на коленчатый вал двигателя;

2) уплотнять надпоршневую полость цилиндра как от прорыва газов в картер, так и от излишнего проникновения в нее смазочного масла.

Функции уплотнения, выполняемые поршневой группой, имеют большое значение для нормальной работы поршневых двигателей. О техническом состоянии двигателя судят по уплотняющей способности поршневой группы. Например, в автомобильных двигателях не допускается, чтобы расход масла из-за угара его вследствие избыточного проникновения (подсоса) в камеру сгорания превышал 3% от расхода топлива. При выгорании масла наблюдается повышенная дымность отработавших газов и двигатели снимаются с эксплуатации вне зависимости от удовлетворительности мощностных и других его показателей.

Поршневая группа работает в сложных температурных условиях с циклическими резко изменяющимися нагрузками при ограниченной смазке и недостаточном теплоотводе вследствие трудностей охлаждения. Поэтому детали поршневой группы имеют наиболее высокую тепловую напряженность, что обязательно учитывается при выборе их конструкции и материала. Элементы поршневой группы обычно разрабатывают с учетом назначения и типа двигателей (стационарные, транспортные, форсированные, двухтактные двигатели, дизели и т. д.), но общее их устройство в двигателях тронкового типа остается сходным.

Поршни. Поршень состоит из двух основных частей: головки I и направляющей части II (рис. 1, а).

Направляющую (тронковую) часть обычно называют юбкой поршня. С внутренней стороны она имеет приливы — бобышки 8, в которых просверливают отверстие 9 для поршневого пальца. Для фиксации пальца в отверстиях 9 протачивают канавки 10, в которых размещают детали, запирающие палец. Нижнюю кромку юбки часто используют в качестве технологической базы при механической обработке поршня. С этой целью она снабжается иногда точно растачиваемым буртиком 6. С внутреннего торца 5 буртика снимают металл при подгонке поршня по весу в случаях, если вес поршня после обработки превышает норму, принятую для данного двигателя. В зоне выхода отверстий под поршневой палец на внешних стенках юбки 11 делают местные углубления 4, вследствие чего стенки этих зон не соприкасаются со стенками цилиндра и не трутся о них, образуя так называемые холодильники.

Юбка служит не только направляющей частью поршня, ее стенки воспринимают также силы бокового давления N6, что увеличивает силу их трения о стенки цилиндра и повышает нагрев поршня и цилиндра.

Для обеспечения свободного перемещения поршня в цилиндре прогретого и нагруженного двигателя между направляющей его частью (юбкой) и стенками цилиндра предусматривают зазор. Величина этого зазора определяется из условий линейного расширения материала поршня и цилиндра при нормальном тепловом состоянии двигателя. Перегрев поршня опасен, так как приводит к захватыванию и даже к аварийному заклиниванию его в цилиндре. Опыт свидетельствует, что излишне большие зазоры между поршнем и стенками цилиндра тоже не желательны, поскольку это ухудшает уплотняющие свойства поршневой группы и вызывает стуки поршня о стенки цилиндра. Работа автомобильного двигателя со стуками поршней не допускается.

Головка поршня имеет днище 1 и несет уплотняющие поршневые кольца, которые размещают на боковых ее стенках 11 в канавках 2, разделяемых друг от друга перемычками 12. Нижняя канавка снабжается дренажными отверстиями 3, через которые со стенок цилиндра отводят смазочное масло с тем, чтобы предотвратить его проникновение (подсос) в камеру сгорания. Диаметр дренажных отверстий составляет примерно 2,5—3 мм. При меньшем размере они быстро загрязняются и выходят из строя. Поршни изготовляют с несколькими рядами дренажных отверстий, располагая их под поршневыми кольцами, а также рядом с ними на специально проточенных поясках (лысках).

Днище головки поршня является одной из стенок камеры сгорания и воспринимает поэтому большие давления газов, омывается открытым пламенем и раскаленными до температуры 1500—2500°С газами. Для увеличения прочности днища и повышения общей жесткости головки ее боковые стенки 11 снабжают массивными ребрами 13, связывающими стенки и днище с бобышками 8. Ореб-ряют иногда и днище, но чаще всего оно выполняется гладким, с переменным сечением, постепенно утолщающимся к периферии, как показано на рис. 1, а. При таком сечении улучшается тепло-отвод от днища и уменьшается температура его нагрева.

Высокий нагрев днища вообще нежелателен, так как это ухудшает весовое наполнение цилиндров и приводит к снижению мощности двигателя из-за повышенного подогрева свежего заряда от соприкосновения с чрезмерно горячей поверхностью днища. В карбюраторных двигателях возможны при этом преждевременные вспышки и появление разрушительного детонационного сгорания.

Днища поршней в двигателях автомобильного, тракторного и мотоциклетного классов изготовляются плоскими, выпуклыми, вогнутыми и фигурными (см. рис. 1, а, г—к). Форма их выбирается с учетом типа двигателя, камеры сгорания, принятого смесеобразования и технологии изготовления поршней.

Самой простой и технологически целесообразной является плоская форма днища (см. рис. 1, а). Такая форма находит применение в различных двигателях и особенно широко используется в автомобильных и тракторных двигателях, в которых камера сгорания, или основной ее объем, располагается в головке цилиндра. Плоские днища имеют относительно малую поверхность соприкосновения с раскаленными газами, что положительно сказывается на их тепловой напряженности.

Сравнительно несложную геометрическую форму имеют также выпуклые и вогнутые днища (см. рис. 1, г, д). Выпуклая форма придает днищу большую жесткость и уменьшает возможное нагаро-образование (масло, проникающее в камеру сгорания, с выпуклого днища легко стекает, но выпуклое днище всегда бывает более горячим, чем плоское). Вогнутая форма днищ облегчает общую компоновку сферических камер сгорания, но создает благоприятные условия для повышенного нагарообразования. Масло, проникающее в камеру сгорания, накапливается здесь в наиболее горячей центральной зоне днища. Поэтому в четырехтактных двигателях выпуклые и особенно вогнутые днища находят ограниченное применение. Однако в двухтактных двигателях с контурно-щелевой, продувкой, где выпуклые и вогнутые формы днищ облегчают организацию продувки цилиндров, они широко используются. В двухтактных двигателях используются также и фигурные днища с козырьками-отражателями или дефлекторами (см. рис. 1, г), обеспечивающими заданное направление потоку горючей смеси при продувке цилиндров.

Фигурные днища с различного рода вытеснителями (см. рис. 1, ж) применяют и в четырехтактных карбюраторных двигателях. При необходимости днища с вытеснителями легко позволяют видоизменять или уменьшать камеру сгорания. С этой целью применяют иногда и выпуклые днища, как, например, в двигателе МЗМА-412. В последнее время для автомобильных карбюраторных двигателей стали применять фигурные днища, позволяющие полностью или частично размещать камеру сгорания в головке поршня (см. рис 1, з). Карбюраторные двигатели с камерой сгорания в поршне обладают хорошими показателями и являются перспективными.

Поршни автомобильных и тракторных дизелей в зависимости от принятого смесеобразования строят как с плоскими, так и с фигурными днищами. Часто днищу придают форму (см. рис. 1, и), соответствующую форме факелов топлива, распыли-ваемого через многодырчатую форсунку, расположенную в центре камеры сгорания. Широко распространены фигурные днища, форма которых предопределяется принятой для дизеля камерой сгорания с частичным или полным размещением ее в головке поршня. На рис. 1, к в качестве примера показана камера сгорания ЦНИДИ (Центральный научно-исследовательский дизельный институт, г. Ленинград), обеспечивающая работу двигателя с хорошими показателями.

Головка поршня по сравнению с юбкой в любом случае имеет более высокую рабочую температуру, а следовательно, и больше, чем юбка, увеличивается в размерах. Поэтому диаметр ее Dr всегда делают меньше диаметра юбки Dю. У поршней автомобильных двигателей эта разница составляет в среднем 0,5 мм. Боковым стенкам головки придают форму цилиндра или усеченного конуса с малым основанием у днища или же выполняют их ступенчатыми. Размеры при этом выбирают так, чтобы стенки головки в горячем состоянии на режиме максимальной мощности двигателя не соприкасались со стенками цилиндра. Тем не менее головку считают уплотняющей частью поршня, имея в виду, что стенки ее вместе с поршневыми кольцами, как будет показано ниже, образуют уплотняющий лабиринт. В некоторых конструкциях на стенках головки делают проточку 14, изменяющую направление теплового потока у верхнего поршневого кольца.

На днище поршня иногда делают технологическое центровочное отверстие 15, для размещения которого при отсутствии оребрения предусматривают специальный прилив. Если центровка днища не предусмотрена конструкцией, то поршень при обработке на станках крепят с использованием отверстий 9 в бобышках. Базовой поверхностью в обоих случаях является точно обработанный буртик 6 или просто поясок 18, растачиваемый непосредственно в стенках 7 юбки (см. рис. 1, б). Для этих же целей бобышки часто снабжаются приливами 16 и технологическими отверстиями 19 (см. рис. 1, в). При отсутствии буртика 6 подгонка поршней по весу осуществляется за счет снятия металла с торцов 17 приливов 16 на бобышках.

Поршневая группа совершает возвратно-поступательное движение, вследствие чего подвергается воздействию сил инерции. Опытами и расчетами установлено, что максимальная величина сил инерции на больших скоростных режимах работы составляет значительную долю от газовых сил.

Таким образом, на поршень действует комплекс различных силовых и тепловых нагрузок в условиях, неблагоприятных для смазки и охлаждения. Являясь базовой деталью поршневой группы и наиболее напряженным элементом кривошипно-шатунного механизма, поршень должен обладать высокой прочностью, теплопроводностью, износостойкостью и при этом иметь наименьший вес. С учетом этого и выбирают конструкцию и материал поршней.

Для двигателей автомобильного типа поршни изготовляют в основном из алюминиевых сплавов и чугуна. Применяются также чугун, сталь и магниевые сплавы.

Поршни из чугуна прочны и износостойки. Благодаря небольшому коэффициенту линейного расширения чугуна они могут работать с относительно малыми зазорами, обеспечивая хорошее уплотнение цилиндра даже в двигателях, имеющих большую тепловую напряженность (двухтактные и др.). Однако чугун имеет довольно большой удельный вес (7,3 г/см3, или 7,3-10^3 н/м3), что приводит к переутяжелению изготовленных из него поршней. В связи с этим область применения чугунных поршней ограничивается сравнительно тихоходными двигателями, где силы инерции возвратно движущихся масс не превосходят одной шестой от силы давления газа на днище поршня. Чугун имеет еще и низкую теплопроводность, поэтому нагрев днища у чугунных поршней достигает 350÷400°С. Такой нагрев нежелателен особенно в карбюраторных двигателях, поскольку это служит причиной возникновения детонации.

Указанные недостатки чугунных поршней в определенной мере присущи и стальным поршням. Однако стенки стальных поршней значительно тоньше стенок чугунных поршней, но сложность отливки удорожает их производство. Стальные поршни не получили распространения в автомобилестроении.

Потеряли практическую ценность и поршни из магниевых сплавов, основу которых составляет магнии, сплавленный с 5—10% алюминия. Такие сплавы отличаются малым удельным весом (1,8 г/см3, или 1,8-10^3 н/м3), но не обладают нужной прочностью.

Подавляющее большинство быстроходных карбюраторных двигателей и дизелей автомобильного типа снабжается поршнями, изготовленными из алюминиевых сплавов. Основу их составляет алюминий, сплавленный с медью (6—12%) или кремнием (до 23%). В зависимости от марки алюминиевые поршневые сплавы содержат в небольших (1,0—2,5%) количествах никель, железо, магний, а иногда до 0,5% титана. Особенно широко применяют теперь силумины — алюминиевые сплавы, содержащие примерно 13% кремния. Внедряются сплавы с 20 — 22% кремния.

Большим достоинством алюминиевых поршневых сплавов является то, что они примерно в 2,6 раза легче чугуна, обладают в 3—4 раза большей теплопроводностью и хорошими антифрикционными свойствами. Благодаря этому вес изготовленных из этих сплавов гак называемых алюминиевых поршней, как минимум, на 30% бывает легче чугунных, хотя стенки их по соображениям прочности делаются толще последних. Нагрев днища алюминиевых поршней обычно не превышает 250°С, что способствует лучшему наполнению цилиндров и в карбюраторных двигателях позволяет несколько увеличивать степень сжатия при работе на данном сорте топлива. Поэтому мощностные и экономические показатели двигателей при переходе на алюминиевые поршни улучшаются. Появляется возможность форсирования двигателей с целью повышения их мощности путем увеличения числа оборотов коленчатого вала.

Недостатками алюминиевых поршневых сплавов являются: большой коэффициент линейного расширения (примерно в 2 раза больший, чем у чугуна), значительное уменьшение механической прочности при нагреве (нагрев до температуры 300°С снижает их прочность на 50—55% против 10% у чугуна) и сравнительно малая износостойкость. Однако современные методы производства и конструкции алюминиевых поршней позволяют использовать алюминиевые сплавы для поршней любых быстроходных автомобильных двигателей.

Необходимое повышение механической прочности и износостойкости поршней из алюминиевых сплавов в зависимости от состава последних в определенной мере достигается путем одно- или многоступенчатой термической обработки. Например, в течение 12— 14 часов поршни выдерживают в нагревательной печи при температуре 175—200°С (близкой к рабочей). После завершения такого искусственного старения твердость поршней с 80 единиц по Бринеллю повышается до НВ 110—120 и резко увеличивается их долговечность.

Недопустимые для нормальной работы поршневой группы большие зазоры между стенками цилиндра и юбкой алюминиевого поршня, обусловливаемые высоким коэффициентом линейного расширения алюминиевых сплавов, устраняются применением рациональной конструкции для элементов поршня. Опыт показывает, что правильно спроектированные алюминиевые поршни могут работать с очень малыми зазорами, не вызывая стука даже в холодном состоянии. Достигается это с помощью компенсационных прорезей или вставок, которыми снабжают стенки юбки, приданием юбке овальной или овально-конусной формы, путем изолирования рабочей (направляющей) ее зоны от более горячей части поршня головки и принудительным охлаждением последней.

В практике автомобилестроения часто применяют сразу несколько дополняющих друг друга мероприятий. Основными из них являются:

1) разрез юбки по всей ее длине (рис. 2, а). Такой разрез, как правило, делают косым так, что верхний и нижний участки его перекрываются. Косой разрез не оставляет следа на стенках цилиндра и позволяет разрезанным стенкам юбки при их нагреве сходиться (сближаться) за счет уменьшения ширины прорези, обеспечивая тем самым свободное перемещение горячего поршня в цилиндре. Чтобы увеличить пружинящие свойства разрезанных стенок и уменьшить температуру их нагрева, юбка в этой зоне отделяется от головки широкой горизонтальной прорезью, которая обычно проходит по канавке нижнего поршневого кольца, как показано на рис. 2, а. Горизонтальная прорезь в данном случае является одновременно изолирующей, защищающей юбку от теплового потока, идущего со стороны более горячей головки, и дренажной, позволяющей отводить масло со стенок цилиндра.

Юбка с разрезом на всю ее длину выполняется цилиндрической а ширину прорези выбирают так, чтобы полностью исключалась возможность захватывания горячего поршня в цилиндре. Рассмотренный метод несколько снижает жесткость поршня и пригоден только для карбюраторных двигателей. Он используется в известном отечественном двигателе ЗИЛ-120, где тепловые зазоры между поршнем и цилиндром составляют 0,08—0,10 мм.

Поршни с полностью разрезанной юбкой устанавливаются в цилиндр так, чтобы разрезанная сторона юбки не нагружалась боковыми силами при рабочем ходе;

2) разрез юбки не на полную ее длину, а в виде Т- и П-образных прорезей (рис. 2, б, в). Такие прорези сочетаются с овальной формой юбки. Величина овала составляет 0,3—0,5 мм, причем большая ось его располагается перпендикулярно к оси поршневого пальца как показано на рис. 2. Вследствие этого юбка соприкасается со стенками цилиндра только в плоскости качания шатуна узкими полосками и при нагреве может свободно расширяться в обе стороны по оси поршневого пальца, увеличивая зону своего контакта с цилиндром.

В поршнях с Т- и П-образными разрезами изолирующие горизонтальные прорези между юбкой и головкой делают с обеих сторон бобышек, поэтому тепловой поток от головки направляется непосредственно на бобышки и не оказывает интенсивного влияния на нагрев стенок юбки в зоне их контакта с цилиндром. Эти виды прорезей придают юбке пружинящие свойства, облегчая этим деформацию ее стенок. Чтобы не допустить появление трещин на концах прорезей в связи с деформацией стенок, их засверливают, как показано на рис. 2.

Поршни с овальной, частично разрезанной юбкой обладают достаточной прочностью и обеспечивают удовлетворительную работу поршневой группы автомобильных двигателей с очень малыми тепловыми зазорами, составляющими в среднем 0,02—0,03 мм. Часто юбке таких поршней придают не только овальную, но и конусную форму, располагая большой диаметр усеченного конуса по нижней кромке юбки. Величина конусности составляет примерно 0,05 мм;

3) компенсационные вставки, ограничивающие тепловое расширение юбки в плоскости качания шатуна (рис. 2, г, д, е). Вставки применяются различной конструкции, но чаще всего они представляют собой пластины инварные или стальные, связывающие стенки юбки с бобышками поршня. Чтобы уменьшить при этом температуру нагрева юбки, последняя с двух сторон бобышек отделяется от головки поперечными изолирующими прорезями.

Инварные вставки, содержащие около 35% никеля, имеют весьма низкий коэффициент линейного расширения (в 10—11 раз меньший, чем у алюминиевых поршневых сплавов). С их помощью зазор между юбкой поршня и стенками цилиндра практически удается сохранять неизменным как в холодном, так и прогретом состоянии двигателя. Поршни с ииварными вставками обычно имеют развитые- холодильники и свободно расширяются только в направлениях оси поршневого пальца (см. рис. 2, д), не изменяя рассматриваемого зазора.

В настоящее время широко применяют более дешевые вставки из нелегированной стали, которые заливаются в бобышки так, что вместе с тонким слоем основного алюминиевого сплава поршня они образуют биметаллические пары (см. рис. 2, г). Вследствие разности коэффициентов линейного расширения стали и алюминиевого сплава при нагреве таких стенок они деформируются и придают юбке овальную форму, изгибаясь наружу в разные стороны по оси поршневого пальца, т. е. в сторону развитых холодильников. Такие поршни называются «автотермик». Они обладают хорошими эксплуатационными качествами, имеют повышенную прочность и жесткость, поэтому могут использоваться даже в дизелях.

Компенсационные вставки обеспечивают удовлетворительна ю работу поршневой группы с зазорами менее 0,02 мм. Иногда компенсационные вставки выполняются также в виде различных стальных колец, которые заливаются в верхнюю часть юбки, как показано на рис. 2, е.

Чтобы исключить ошибки при установке поршня в цилиндр, на одной из его бобышек отливают метку-надпись «назад», т. е. эта бобышка должна быть расположена со стороны маховика двигателя. Иногда для этой цели используется стрелка-указатель.

Цилиндрическая головка поршня с плоским днищем снабжена тремя канавками под поршневые кольца, причем в нижней канавке сделаны дренажные отверстия, а поперечные изолирующие прорези размещены под этой поршневой канавкой. Юбку поршня изготовляют с овальностью 0,36 мм и конусностью в пределах 0,013— 0,038 мм. По цилиндрам поршни подбираются с зазором 0,012— 0,024 мм.

Правильность подбора зазора проверяется ленточным щупом с размерами 0,05 X 13 мм, который устанавливают под углом 90° к оси поршневого пальца (при снятых поршневых кольцах).

Поршни дизелей работают с большей, чем в карбюраторных двигателях, механической и тепловой напряженностью, поэтому им придают форму, обеспечивающую возможно высокую прочность и жесткость. Они изготовляются сравнительно толстостенными литыми или штампованными (Штампованные или кованые поршни из легких сплавов бывают прочнее соответствующих литых и предпочтительно применяются в форсированных дизелях) со сплошной юбкой, т. е. с юбкой, не имеющей разрезов, прерывающих тепловые потоки и облегчающих деформацию стенок. Вследствие этого юбка всегда имеет повышенную температуру нагрева, что вынуждает устанавливать поршни в цилиндры с довольно большими зазорами. Для уменьшения этих зазоров юбку выполняют овальной или овально-конусной конструкции. В отдельных случаях днище и стенки головки поршня для уменьшения их нагрева дополнительно охлаждают струйкой масла, которое через форсунку, расположенную в головке шатуна, подастся на внутренние стенки головки.

Следовательно, поршни из легких сплавов с перазрезной (сплошной) юбкой, хотя и обладают повышенной прочностью и жесткостью, но обеспечивают удовлетворительную работу поршневой группы с зазорами, в 5—10 раз превышающими зазоры, которые в сопоставимых условиях допускаются для овально-конусных юбок с компенсационными прорезями и вставками.

www.drive2.ru

Поршневая группа: комплектация и устройство

Поршневая группа – это поршень и группа уплотняющих колец. Так же в неё входит поршневой палец и детали крепления. Стоит рассмотреть назначение данного механизма.

За счет него воспринимается давление газа и передается через шатун на коленвал. Так же благодаря такому механизму, как поршневая группа, уплотняется надпоршневая полость цилиндра. Таким образом он будет защищен от излишнего попадания в картер смазочного масла и газов. Данная функция имеет огромное значение для хорошей работы двигателя. О том, в каком техническом состоянии он находится, судят по уплотняющей способности. К примеру, в машинных двигателях не допускается, чтобы расход масла составлял больше, чем три процента от расхода горючего.

Поршневая группа свою работу осуществляет еще и в тяжелых климатических условиях. Именно поэтому детали данного механизма обладают высокой тепловой напряженностью, а это учитывается, когда для них выбирается материал и конструкция. Их элементы обычно производители разрабатывают, учитывая тип двигателей и назначение (транспортные, стационарные, дизельные, формированные и т.д.). Однако общее устройство все равно остается прежним. Итак, следует рассмотреть, из чего же комплектуется поршневая группа.

Тронковая часть (направляющая) еще называется поршневой юбкой. Она изнутри имеет приливы, в них просверлены отверстия для поршневого пальца. Нижняя кромка юбки используется часто как технологическая база при обработке поршня. Она для этого снабжена растачиваемым буртиком. Кроме того, стенки юбки еще воспринимают силы бокового давления, а это увеличивает их трение о цилиндровые стенки и повышает нагрев цилиндра и поршня.

Поршневая головка несет поршневые кольца и имеет днище. Нижняя канавка имеет дренажные отверстия, через них отходит смазочное масло, чтобы оно не попало случайно в камеру сгорания. Её днище – это одна из камерных стенок. Она воспринимает значительное давление газов. Само днище может быть плоским, вогнутым, выпуклым или фигурным. Опять-таки, его форма выбирается при учете типа двигателя, а также камеры сгорания.

Нельзя не упомянуть про такой механизм, как цилиндро-поршневая группа. Главные дефекты блоков цилиндра – это трещины, сколы и износ. Эти неисправности устанавливаются после тщательного осмотра, опрессовки и обмера цилиндра. При этом процессе на блок нужно установить головку или же чугунную плиту (обязательна резиновая прокладка). Вообще, данная группа отличается жаростойкой сталью и масляным охлаждением, которое осуществляется за счет циркуляционной общей системы смазки главного дизеля. Если обеспечить хороший уход механизму и качественное масло, то можно легко увеличить срок работы поршней и цилиндров.

И еще один механизм – шатунно-поршневая группа. Поршень – литой и алюминиевый. Наружная поверхность обладает весьма сложной формой. Поршневой палец – полый и стальной, он свободно вращается во втулке шатуна и поршневых бобышках. А кольца поршня выполнены из чугуна. И, конечно же, шатун – кованый и стальной. В его верхней головке имеется втулка из смеси стали и бронзы, что положительно отражается на работе всей группы.

fb.ru

Шатунно-поршневая группа

Шатунно-поршневая группа является одной из наиболее ответственных частей двигателя внутреннего сгорания, поскольку именно на нее приходятся максимальные нагрузки в процессе эксплуатации. При работе двигателя поршни движутся с большой скоростью и ускорением, при этом нагреваются до высоких температур. Они выполняются из легких и прочных материалов, при этом большое значение имеет точность изготовления всех элементов поршневой группы.

Из чего состоит поршневая группа

В конструкцию поршневой группы входят следующие элементы:

  • Поршень
  • Поршневой палец
  • Шатун
  • Компрессионные кольца
  • Маслосъемное кольцо
  • Втулка верхней головки
  • Вкладыши

Поршни двигателя 4 обычно изготавливаются из алюминиевого сплава. некоторые автопроизводители на поршне протачивают небольшие углубления, чтоб исключить удар поршня о клапан. На поверхности поршня проточены три канавки: две для компрессионных колец 1 и одна для маслосъемного кольца 2. Компрессионные кольца обеспечивают плотный контакт поршня с цилиндром, препятствующий прохождению через зазор толкающих его газов, а маслосъемное кольцо убирает со стенок цилиндра излишки масла, сбрасывая их в картер.

Поршень подвижно соединен с шатуном 8 через поршневой палец 5, который фиксируется с обеих сторон при помощи стопорных колец 6. Для уменьшения трения между шатуном и пальцем используется алюминиевая втулка 3. В ней есть отверстие, обеспечивающее попадание масла в зазор между двумя соприкасающимися поверхностями. Нижняя часть шатуна разборная и состоит из двух частей, которые соединяются между собой болтами. Между шейкой коленчатого вала и шатуном имеются вкладыши 7. В коленчатом вале предусмотрены специальные каналы, по которым под давлением подается масло в зазор между валом и вкладышем, обеспечивая хорошее скольжение вкладышей.

Особенности конструкции

Как известно из школьного курса физики, при нагревании тела расширяются. Если говорить о поршне двигателя, то здесь ситуация осложняется тем, что его верхняя часть, контактирующая с раскаленными газами, нагревается намного сильнее, чем нижняя, охлаждаемая маслом из картера. Для того чтобы при рабочей температуре добиться необходимого зазора, поршень имеет коническую форму — его диаметр в верхней части чуть меньше, чем у основания. Компрессионные кольца также отличаются. Верхнее кольцо, расположенное ближе к камере сгорания и испытывающее большую нагрузку, покрывается слоем твердого металла, например хрома, что обеспечивает высокую прочность и износостойкость. Нижнее кольцо имеет слой более мягкого металла, например олова. Это обеспечивает быструю приработку к поверхности цилиндра в процессе обкатки двигателя и гарантирует плотное прилегание, удерживая газы, прошедшие через более твердое верхнее кольцо.

Износ поршневой группы обычно сопровождается следующими признаками:

  • снижение мощности двигателя
  • увеличение расхода топлива
  • уменьшение компрессии в цилиндрах
  • появление посторонних шумов и вибраций

Для того чтобы продлить срок эксплуатации поршней двигателя вашего автомобиля, используйте только качественные горюче-смазочные материалы и постоянно следите за уровнем и давлением масла. Это позволит избежать преждевременного капитального ремонта и связанных с ним финансовых затрат.

koreashop.ru

Маркировка на поршнях двигателя - где находится и что означает

Маркировка поршней позволяет судить не только об их геометрических размерах, но и материале изготовления, технологии производства, допустимом монтажном зазоре, товарном знаке производителя, направлении установки и многом другом. В связи с тем, что в продаже встречаются поршни как отечественного, так и импортного производства, то автовладельцы порой сталкиваются с проблемой расшифровки тех или иных обозначений. В данном материале собран максимум информации, позволяющий получить сведения об маркировке на поршне и разобраться что значат цифры, буквы и стрелки.

Картинка интерактивна. При наведении появляется информация о расшифровке

Обсуждения вопроса о том, что означает маркировка на поршнях стоит начать с того, какую вообще информацию производитель наносит на изделие.

Содержание:

  1. Размер поршня. В некоторых случаях в маркировке на днище поршня можно найти цифры, означающие его размер, выраженный в сотых долях миллиметра. Пример — 83.93. Эта информация означает, что диаметр не превышает указанного значения с учетом допуска (группы допуска обсудим чуть ниже, у разных марок машин они отличаются). Замер производится при температуре +20°С.
  2. Монтажный зазор. Другое его название — температурный (поскольку может изменяться вместе с изменением температурного режима в двигателе). Имеет обозначение — Sp. Приводится в дробных числах, означающих миллиметры. Например, обозначение маркировки на поршне SP0.03 говорит о том, что зазор в данном случае должен быть 0,03 мм с учетом поля допуска.
  3. Товарный знак. Или эмблема. Производители таким образом не только идентифицируют себя, но и дают информацию мастерам о том, чьей документацией (товарными каталогами) необходимо пользоваться при подборе нового поршня.
  4. Направление установки. Эта информация дает ответ на вопрос — на что указывает стрелка на поршне? Она «говорит» о том, каким образом должен быть смонтирован поршень, в частности, стрелка нарисована по направлению движения автомобиля вперед. На машинах, у которых двигатель расположен сзади вместо стрелки зачастую изображают символический коленчатый вал с маховиком.
  5. Номер отливки. Это цифры и буквы, схематически указывающие на геометрические размеры поршня. Обычно такие обозначения можно встретить на европейских машинах, для которых элементы поршневой группы изготавливают такие компании как MAHLE, Kolbenschmidt, AE, Nural и прочие. Справедливости ради стоит отметить, что отливку в настоящее время используют все реже. Однако если нужно идентифицировать поршень по этой информации, то для этого необходимо воспользоваться бумажным или электронным каталогом конкретного производителя.

Кроме этих обозначений также существуют и другие, и они могут отличаться у разных производителей.

Где расположена маркировка поршня

Многих автолюбителей интересует ответ на вопрос, где находится маркировка поршней. Это зависит от двух обстоятельств — стандартов конкретного производителя и той или иной информации о поршне. Так, основные сведения печатаются на его нижней части («лицевой» стороне), на ступице в районе отверстия под поршневой палец, на весовой бобышке.

Маркировка поршней ВАЗ

По статистике, маркировкой ремонтных поршней чаще всего интересуются владельцы или мастера по ремонту двигателей автомобилей ВАЗ. Далее приведем информацию по различным поршням.

ВАЗ 2110

Для примера возьмем двигатель автомобиля ВАЗ-2110. Чаще всего в данной модели используются поршни с маркировкой 1004015. Изделие производится непосредственно на ОАО «АвтоВАЗ». Краткая техническая информация:

  • номинальный диаметр поршня — 82,0 мм;
  • диаметр поршня после первого ремонта — 82,4 мм;
  • диаметр поршня после второго ремонта — 82,8 мм;
  • высота поршня — 65,9;
  • компрессионная высота — 37,9 мм;
  • рекомендованный зазор в цилиндре — 0,025…0,045 мм.

Непосредственно на корпусе поршня может быть нанесена дополнительная информация. Например:

  • «21» и «10» в районе отверстия под палец — обозначение модели изделия (другие варианты — «213» обозначает двигатель ВАЗ 21213, а к примеру, «23» — ВАЗ 2123);
  • «ВАЗ» на юбке с внутренней стороны — обозначение производителя;
  • буквы и цифры на юбке с внутренней стороны — специфическое обозначение литейного оборудования (расшифровать его можно с помощью документации производителя, но в большинстве случаев эта информация бесполезна);
  • «АЛ34» на юбке с внутренней стороны — обозначение литейного сплава.

Основные маркировочные символы, наносимые на днище поршня:

  • Стрелка — это маркер ориентации, указывающий направление в сторону привода распределительного вала. На так называемых «классических» моделях ВАЗ иногда вместо стрелки можно встретить букву «П», что означает «перед». Аналогично, тот край, где изображена буква, нужно направлять в сторону движения машины.
  • Один из следующих символов — A, B, C, D, E. Это маркеры класса диаметра, показывающие отклонение в значении по наружному диаметру. Далее приведена таблица с конкретными значениями.
  • Маркеры группы массы поршня. «Г» — нормальная масса, «+» — увеличенная на 5 грамм масса, «-» — уменьшенная на 5 грамм масса.
  • Одна из цифр — 1, 2, 3. Это маркер класса отверстия поршневого пальца, определяет отклонение по диаметру отверстия под поршневой палец. В дополнение к этому имеется цветовое обозначение данного параметра. Так, краска наносится на внутреннюю сторону днища. Синий цвет — 1 класс, зеленый цвет — 2 класс, красный цвет — 3 класс. Далее приведена дополнительная информация.

Для ремонтных поршней ВАЗ также существуют два отдельных обозначения:

  • треугольник — первый ремонт (диаметр увеличен на 0,4 мм от номинального размера);
  • квадрат — второй ремонт (диаметр увеличен на 0,8 мм от номинального размера).

Для машин других марок ремонтные поршни обычно увеличены на 0,2 мм, 0,4 мм и 0,6 мм, но без разбивки по классам.

Обратите внимание, что для различных марок машин (в том числе для разных двигателей) значение отличия ремонтных поршней нужно смотреть в справочной информации.

ВАЗ 21083

Другим популярным «ВАЗовским» поршнем является 21083-1004015. Он также производится на ОАО АвтоВАЗ. Его технические размеры и параметры:

  • номинальный диаметр — 82 мм;
  • диаметр после первого ремонта — 82,4 мм;
  • диаметр после второго ремонта — 82,8 мм;
  • диаметр поршневого пальца — 22 мм.

Он имеет аналогичные обозначения, что и ВАЗ 2110-1004015. Остановимся немного подробнее на классе поршня по наружному диаметру и классе отверстия под поршневой палец. Соответствующая информация сведена в таблицы.

Наружный диаметр:

Класс поршня по наружному диаметруABCDE
Диаметр поршня 82,0 (мм)81,965-81,97581,975-81,98581,985-81,99581,995-82,00582,005-82,015
Диаметр поршня 82,4 (мм)82,365-82,37582,375-82,38582,385-82,39582,395-82,40582,405-82,415
Диаметр поршня 82,8 (мм)82,765-82,77582,775-82,78582,785-82,79582,795-82,80582,805-82,815

Интересно, что модели поршней ВАЗ 11194 и ВАЗ 21126 выпускаются только в трех классах — A, B и C. При этом размер шага соответствует 0,01 мм.

Таблица соответствия моделей поршня и моделей двигателя (марки) автомобилей ВАЗ.

Модель двигателя ВАЗ21012101121052121321232108210832110211221124211262112811194
Модель поршня
2101
21011
2103
2104
2105
2106
21073
2121
21213
21214
2123
2130
2108
21081
21083
2110
2111
21114
11183
2112
21124
21126
21128
11194

Отверстия под поршневой палец:

Класс отверстия под поршневой палец123
Диаметр отверстия под поршневой палец(мм)21,982-21,98621,986-21,99021,990-21,994

Маркировка поршней ЗМЗ

Другая категория автовладельцев, интересующихся маркировкой поршней, имеет в своем распоряжении моторы марки ЗМЗ. Они устанавливаются на автомобили ГАЗ — Волга, Газель, Соболь и другие. Рассмотрим обозначения, имеющиеся на их корпусах.

Обозначение «406» означает, что поршень предназначен для установки в двигатель ЗМЗ-406. На днище поршня выбито два обозначения. По букве, нанесенной краской, на новом блоке поршень подбирается к цилиндру. При ремонте с расточкой цилиндров требуемые зазоры выполняются в процессе расточки и хонингования под заранее приобретенные поршни с нужным размером.

Римская цифра на поршне указывает на нужную группу поршневого пальца. Диаметры отверстий в бобышках поршня, головке шатуна, а также наружные диаметры поршневого пальца делятся на четыре группы, помеченные краской: I — белая, II — зеленая, III — желтая, IV — красная. На пальцах номер группы также обозначен краской на внутренней поверхности или на торцах. Он должен совпадать с группой, указанной на поршне.

Непосредственно на шатуне номер группы аналогично должен отмечаться краской. При этом упомянутый номер должен или совпадать или находиться рядом с номером группы пальца. Такой подбор обеспечивает ситуацию, когда смазанный палец с небольшим усилием перемещается в головке шатуна, однако не выпадает из него. В отличие от поршней ВАЗ, где направление указывается стрелкой, на поршнях ЗМЗ производитель прямо пишет слово «ПЕРЕД» или просто ставит букву «П». При сборке выступ на нижней головке шатуна должен совпадать с этой надписью (быть на той же стороне).

Существует пять групп, с шагом, равным 0,012 мм, которые обозначаются буквами А, Б, В, Г, Д. Эти размерные группы выбираются по наружному диаметру юбки. Они соответствуют:

  • А — 91,988…92,000 мм;
  • Б — 92,000…92,012 мм;
  • В — 92,012…92,024 мм;
  • Г — 92,024…92,036 мм;
  • Д — 92,036…92,048 мм.

Значение группы поршня клеймится на его днище. Так, существуют четыре размерные группы, которые маркируются краской на бобышках поршня:

  • 1 — белая (22,0000…21,9975 мм);
  • 2 — зеленая (21,9975…21,9950 мм);
  • 3 — желтая (21,9950…21,9925 мм);
  • 4 — красная (21,9925…21,9900 мм).

Метки группы отверстия под палец могут также быть нанесены на днище поршня римскими цифрами, при этом каждой цифре соответствует свой цвет (I — белый, II — зеленый, III — желтый, IV — красный). Размерные группы подобранных поршней и поршневых пальцев должны совпадать.

Двигатель ЗМЗ-405 устанавливается на автомобиль ГАЗ-3302 «Газель Бизнес» и ГАЗ-2752 «Соболь». Расчетный зазор между юбкой поршня и цилиндром (для новых деталей) должен быть равен 0,024…0,048 мм. Он определяется как разность размеров минимального диаметра цилиндра и максимального диаметра юбки поршня. Существует пять групп, с шагом, равным 0,012 мм, которые обозначаются буквами А, Б, В, Г, Д. Эти размерные группы выбираются по наружному диаметру юбки. Они соответствуют:

  • А — 95,488…95,500 мм;
  • Б — 95,500…95,512 мм;
  • В — 95,512…95,524 мм;
  • Г — 95,524…95,536 мм;
  • Д — 95,536…95,548 мм.

Значение группы поршня клеймится на его днище. Так, существуют четыре размерные группы, которые маркируются краской на бобышках поршня:

  • 1 — белая (22,0000…21,9975 мм);
  • 2 — зеленая (21,9975…21,9950 мм);
  • 3 — желтая (21,9950…21,9925 мм);
  • 4 — красная (21,9925…21,9900 мм).

Таким образом, если на поршне двигателя ГАЗ стоит, например, буква В, то это означает, что двигатель дважды подвергался капитальному ремонту.

В ЗМЗ 409 почти все размеры те же, что и в ЗМЗ 405, за исключением выемки (лужа), она глубже, чем в 405. Делается это для компенсации степени сжатия, размер h увеличивается на поршнях 409. Также компрессионная высота у 409 равна 34 мм, а у 405 — 38мм.

Приведем аналогичную информацию для двигателя марки ЗМЗ 402.

  • А — 91,988…92,000 мм;
  • Б — 92,000…92,012 мм;
  • В — 92,012…92,024 мм;
  • Г — 92,024…92,036 мм;
  • Д — 92,036…92,048 мм.

Размерные группы:

Надпись «Селективный подбор» на поршнях

  • 1 — белая; 25,0000…24,9975 мм;
  • 2 — зеленая; 24,9975…24,9950 мм;
  • 3 — желтая; 24,9950…24,9925 мм;
  • 4 — красная; 24,9925…24,9900 мм.

Обратите внимание, что с октября 2005 года на поршнях 53, 523, 524 (устанавливаются в том числе на многие модели двигателей ЗМЗ), на их днище устанавливается печать «Селективный подбор». Такие поршни изготавливаются по более прогрессивной технологии, о которой отдельно написано в технической документации к ним.

Марка поршня ЗМЗНанесенное обозначениеКуда нанесено обозначениеМетод нанесения надписи
53-1004015-22; 523.1004015; 524.1004015; (410.1004014).Товарный знак ЗМЗНа ступице в районе отверстия под поршневой палецЛитье
Обозначение модели поршняНа ступице в районе отверстия под поршневой палецЛитье
«Перед»На ступице в районе отверстия под поршневой палецЛитье
Маркировка диаметра поршня А, Б, В, Г, Д.На днище поршняТравление
Клеймо БТКНа днище поршняКраской
Маркировка диаметра под палец (белый, зеленый, желтый)На весовой бобышкеКраской

Аналогичная информация поршня 406.1004015:

Марка поршня ЗМЗНанесенное обозначениеКуда нанесено обозначениеМетод нанесения надписи
406.1004015; 405.1004015; 4061.1004015; 409.1004015.Товарный знак ЗМЗНа ступице в районе отверстия под поршневой палецЛитье
«Перед»
Модель «406, 405, 4061,409» (406- АР; 406-БР)
Маркировка диаметра поршня А, Б, В, Г, ДНа днище поршняУдарный
Маркировка диаметра под палец (белый, зеленый, желтый, красный)На весовой бобышкеКраской
Материал изготовления «АК12ММгН»В районе отверстия под поршневой палецЛитье
Клеймо БТКНа днище поршняТравлением

Маркировка поршней «Тойота»

У поршней на двигателях «Тойота» также имеются свои обозначения и размеры. Например, на популярной машине Land Cruiser поршни обозначаются английскими буквами A, B и C, а также числами от 1 до 3. Соответственно, буквы означают размер отверстия под поршневой палец, а цифры — размер диаметра поршня в районе «юбки». Ремонтный поршень имеет +0,5 мм по сравнению к стандартному по диаметру. То есть, у ремонтных меняются лишь обозначения букв.

Обратите внимание, что при покупке бывшего в употреблении поршня необходимо замерить тепловой зазор между юбкой поршня и стенкой цилиндра. Он должен находиться в пределах 0,04…0,06 мм. В противном случае необходимо проводить дополнительную диагностику двигателя и при необходимости выполнять ремонт.

Поршни завода «Мотордеталь»

На многих отечественных и импортных машинах используются ремонтные поршни, изготовленные на производственных мощностях костромского производителя поршневых групп «Мотордеталь-Кострома». Данное предприятие выпускает поршни с диаметром от 76 до 150 мм. На сегодняшний день производятся такие типы поршней:

  • цельнолитой;
  • с терморегулирующей вставкой;
  • с вставкой под верхнее компрессионное кольцо;
  • с каналом масляного охлаждения.

Поршни, выпущенные под указанной торговой маркой, имеют собственные обозначения. При этом информация (маркировка) может быть нанесена двумя способами — лазером и микроударом. Для начала рассмотрим на конкретных примерах маркировку, сделанную при помощи лазерной гравировки:

  • EAL — соответствие техническому регламенту таможенного союза;
  • Сделано в России — прямое указание страны-производителя;
  • 1 — группа по массе;
  • h2 — группа по диаметру;
  • 20-0305А-1 — номер изделия;
  • К1 (в кружочке) — знак отдела технического контроля (ОТК);
  • 15.05.2016 — прямое указание на дату производства поршня;
  • Sp 0,2 — зазор между поршнем и цилиндром (температурный).

Теперь рассмотрим обозначения, нанесенные при помощи так называемого микроудара, на конкретных примерах:

  • 95,5 — общий размер по диаметру;
  • В — группа по диаметру;
  • III — группа по диаметру пальца;
  • К (в кружочке) — знак ОТК (контроля качества);
  • 26.04.2017 — прямое указание даты производства поршня.

Здесь же стоит отметить, что для производства разных поршней используются различные же алюминиевые сплавы с легирующими добавками. Однако эта информация не указывается прямо на корпусе поршня, но записывается в его технической документации.

Не нашли ответ на свой вопрос?

Спрашивайте в комментариях. Ответим обязательно!

etlib.ru

Поршневая группа. [Часть I] — DRIVE2

Одна из самых таинственных и, несомненно, значимых деталей автомобильного двигателя – его величество поршень. Действительно, он занимает центральное место в процессе преобразования химической энергии топлива сначала в тепловую, а затем в механическую. И в прямом, и в переносном смысле. И от того, насколько хорошо он справляется с возложенными на него обязанностями, в значительной степени зависят характеристики мотора. Его эффективность и, что более важно, надежность . Особенно когда мы говорим о спортивном применении или модификации автомобиля в тюнинговом ателье. Вопрос о применении специальных поршней в случае повышения мощности всегда встает перед конструктором. В силу множества функций и противоречивости свойств поршень превращается в одну из самых сложных и наукоемких деталей мотора. Такое привилегированное положение подтверждается тем, что редкие автомобилестроительные компании проектируют и изготавливают их самостоятельно для своих моторов. Чаще всего они пользуются услугами фирм, которые специализируются в этой области.

Многообразие форм и размеров поршней является одной из причин, почему столь много тайн, секретов и небылиц распространяется вокруг этого причудливой формы куска металла. А так как это еще и технологически сложно, практически неисполнимо в условиях стандартного машиностроительного производства, то проблема подгонки, т. е. соответствия поршня требованиям модифицированного мотора, становится камнем преткновения для многих тюнинговых компаний и спортивных конюшен. Кроме того, штучное производство столь сложных изделий финансово обременительно. В этой ситуации часто интуитивные представления тюнера о том, что «улучшенный» двигатель должен иметь «улучшенные» поршни, приводит к тому, что сначала двигатель оснащается чем-то доступным, а потом такое решение находит свое наукообразное обоснование.

Так давайте попробуем разобраться, какие требования предъявляются к поршням и что от чего зависит. Во-первых, поршень, перемещаясь в цилиндре, позволяет расширяться сжатым газам, продукту горения топлива, и совершать механическую работу. Следовательно, он должен сопротивляться высокой температуре, давлению газов и надежно уплотнять канал цилиндра. Во-вторых, представляя собой вместе с цилиндром и поршневыми кольцами линейный подшипник скольжения, он должен наилучшим образом отвечать требованиям пары трения с целью минимизировать механические потери и, как следствие, износ. В-третьих, испытывая нагрузки со стороны камеры сгорания и реакцию от шатуна, он должен выдерживать механическое воздействие. В-четвертых, совершая возвратно-поступательное движение с высокой скоростью, должен как можно меньше нагружать кривошипно-шатунный механизм инерционными силами.

Таким образом, все проблемы этой важной детали двигателя можно разделить на две большие группы. Первая – это тепловые процессы. Вторая, значительно более многообразная – механические. Обе группы взаимовлияющие, но в этот раз мы остановимся на тепловых.

Итак, топливо, сгорая в надпоршневом пространстве, выделяет огромное количество тепла в каждом цикле работы двигателя. Температура сгоревших газов достигает 2000 градусов. Только часть своей энергии они передадут движущимся деталям мотора, все остальное в виде тепла нагреет двигатель, а то, что останется, вместе с отработанными газами улетит в трубу. Из курса общей физики известно, что если два тела передают друг другу тепло, то передача тепла будет происходить до тех пор, пока их температуры не уравняются. Следовательно, если мы не будем охлаждать поршень, он через некоторое время расплавится. Это принципиально важный момент для понимания условий работы поршневой группы. А особенно важно, если мотор форсируется. Всегда, когда мы заставляем мотор увеличить мощность, пропорционально увеличивается количество тепла, генерируемое в камере сгорания в единицу времени. Конечно, расплавленные поршни мы видим чрезвычайно редко, однако в любых их проблемах всегда незримо присутствует температура. Примерно так же, как в любом дорожно-транспортном происшествии – скорость. Виноват, конечно, водитель, но… Если бы автомобили не двигались, никто бы не пострадал. Дело в том, что с ростом температуры механические характеристики всех материалов ухудшаются. Поэтому нагрузка, которая при 100 градусах Цельсия вызывает упругую деформацию материала, при 300 градусах деформирует изделие, а при 450 разрушит его. Поэтому мы должны или принимать меры по предотвращению роста температуры поршня, или использовать материалы, способные выдержать рабочие нагрузки при высоких температурах. Чаще всего и то и другое. Однако в любом случае конструкция поршня должна быть такова, чтобы в нужных местах было необходимое количество металла, способное противостоять разрушению.

Еще раз повторим известный из курса общей физики факт, что тепловой поток направлен от более нагретых тел к менее нагретым. Тогда мы сможем увидеть распределение температур по поршню во время его работы и определить важные конструктивные моменты, влияющие на его температуру, т. е. понять, за счет чего он охлаждается. Нам известно, что наиболее нагретым является рабочее тело, или, другими словами, газы в камере сгорания. Совершенно понятно, что, в конце концов, тепло будет передано окружающему автомобиль воздуху – самому холодному и в то же время при определенном допущении бесконечно теплоемкому. Воздух, омывая радиатор и корпус двигателя, студит охлаждающую жидкость, блок цилиндров и корпус головки. Нам осталось найти мостик, по которому поршень отдает свое тепло в блок и антифриз. Есть для этого четыре пути. Они совершенно разные по своему вкладу, однако все заслуживают упоминания, так как в зависимости от конструктивных особенностей двигателя имеют большее или меньшее значение.

Итак, первый путь, обеспечивающий наибольший поток, – это поршневые кольца. Причем первое кольцо играет главную роль, как расположенное ближе к днищу. Это также наиболее короткий путь к охлаждающей жидкости через стенку цилиндра.

Кольца одновременно прижаты и к поршневым канавкам, и к стенке цилиндра. Они обеспечивают более 50% теплового потока. Второй путь менее очевиден, однако трудно его недооценить. Вторая охлаждающая жидкость в двигателе – масло. Имея непосредственный доступ к наиболее нагретым местам мотора и несмотря на небольшой объем и слабую циркуляцию, масляный туман уносит с собой и отдает в поддон картера значительную часть тепла именно от самых горячих точек. В случае применения масляных форсунок, направляющих струю на внутреннюю поверхность днища поршня, доля масла в теплообмене может достигать 30 – 40%. Понятно, что, нагружая масло в большей степени функцией теплоносителя, мы должны позаботиться о том, чтобы его остудить. Иначе перегретое масло может потерять свои свойства и стать причиной выхода из строя подшипников. Также, чем выше температура масла, тем меньше тепла оно способно перенести через себя. Третий путь – через массивные бобышки в палец, затем в шатун, а оттуда в масло. Он менее интересен, так как на пути есть существенные тепловые сопротивления в виде зазоров и стальных деталей, имеющих значительную протяженность и низкий коэффициент теплопроводности. И четвертый путь – совсем не в масло или охлаждающую жидкость. Часть тепла отбирает на свой нагрев свежая топливовоздушная смесь, поступившая в цилиндр в такте впуска. Количество свежей смеси, а следовательно, и количество тепла, которое она отберет, зависит от режима работы и степени открытия дросселя. Надо заметить, что тепло, полученное при сгорании, также пропорционально заряду. Поэтому этот путь охлаждения носит, во-первых, импульсный характер, во-вторых, отличается скоротечностью, в-третьих, пропорционален последующему нагреву и, в-четвертых, высокоэффективен благодаря тому, что тепло отбирается с той стороны, с которой поршень нагревается. Здесь следует упомянуть о стандартном приеме, который используется при настройке спортивных моторов. Дело в том, что теплоемкость смеси сильно зависит от ее состава. Чем больше топлива в ней содержится, тем больше тепла будет потрачено на его испарение. Очень часто, чтобы нормализовать работу мотора, нужно чуть-чуть, всего на 5 – 10 градусов, понизить внутреннюю температуру. Это достигается легким забогащением смеси, чуть богаче, чем необходимо. На процесс горения это никак не сказывается, а температура падает. Исчезает калильное зажигание, отодвигается порог детонации. Всегда лучше чуть богаче, чем беднее. Моторы, работающие, например, на метаноле, значительно менее требовательны к системе охлаждения из-за втрое большей теплоты парообразования, чем у бензина.

Таким образом, в силу большей значимости следует уделить более пристальное внимание передаче тепла через поршневые кольца . Совершенно понятно, что если этот путь мы по тем или иным причинам перекроем, то маловероятно, что двигатель выдержит сколько-нибудь длительные форсированные режимы. Температура вырастет, материал поршня «поплывет», и двигатель разрушится . Тут я хочу упомянуть такую, на первый взгляд, совершенно не относящуюся к процессу теплообмена характеристику, как компрессия. О компрессии знает каждый человек, хоть раз сталкивавшийся с покупкой подержанного автомобиля. Это наиболее популярный параметр, который хочет знать каждый владелец автомобиля, заботящийся о двигателе своей машины. Компрессия косвенно показывает степень неплотности поршневой группы. С точки зрения теплопередачи это очень важный параметр. Давайте представим себе, что кольцо не прилегает по всей своей длине к стенке цилиндра. Тогда сгоревшие газы, прорываясь в щель, создадут барьер, препятствующий передаче тепла от поршня через кольцо в стенку цилиндра. Это почти то же самое, как если бы мы закрыли часть радиатора и лишили его возможности охлаждаться воздухом. Еще более страшная картина, если кольцо не имеет тесного контакта с канавкой. В тех местах, где газы имеют возможность протекать мимо кольца через канавку, участок поршня лишается принципиальной возможности охлаждаться и, даже более того, оказывается в «тепловом мешке». Как результат – прогар и выкрашивание части огневого пояса, прилегающей к месту утечки. Именно поэтому всегда уделяется так много внимания геометрии цилиндра, кольца и износу канавки. И не ухудшение энергетики здесь главная причина. Ведь небольшое количество газов, прорывающихся в картер, несет в себе слишком малую энергию, чтобы повлиять на потерю давления в такте рабочего хода и, как следствие, на потерю момента двигателем. Тем более, когда мы говорим о высокооборотном моторе. Гораздо больший вред даже небольшая неплотность наносит двигателю в смысле локальных тепловых перегрузок, потери жесткости и надежности. Вот еще почему не живут долго двигатели, восстановленные методом замены колец или перегильзовкой блока под старые, отжившие свой век «номинальные» поршни. Вот почему первым у спортивного мотора разрушается цилиндр, имеющий меньшую компрессию.

Тут, вероятно, необходимо коснуться вопроса, который всегда обсуждается при изготовлении специальных поршней для спортивных или тюнинговых приложений. Сколько колец будет у нового поршня? Два? Три? Какой толщины должны быть кольца? С точки зрения механики, чем меньше колец, тем лучше. Чем они уже, тем меньше потери в поршневой группе. Однако при уменьшении их количества и высоты мы неизбежно ухудшаем условия охлаждения поршня, увеличивая тепловое сопротивление днище – кольцо – стенка цилиндра. Поэтому выбор конструкции – всегда компромисс. И чем быстроходней мотор, тем жестче становятся рамки. Скоротечность процессов диктует меньшие требования к уплотнению. Растущие со скоростью механические потери необходимо уменьшать, иначе все, что преобразовали в механическую мощность, не донесем до колес. Однако и количество тепла в единицу времени вырабатываем пропорционально больше, мостик для охлаждения требуется как можно шире. Вот и нужно одновременно чтобы кольца были и узкие, и широкие. И нужно их два для быстроходности и три для эффективного охлаждения поршня. Разрешение этой задачи – суть компетентность конструктора. А результаты его работы – в сбалансированности двигателя. В настоящее время инженерами, работающими в мощных производственных компаниях и научных центрах, накоплен огромный эмпирический материал и на его основе созданы расчетные методы, позволяющие с большой точностью предсказать поле температур и характеристики конкретного изделия. Большинству тюнинговых компаний и спортивных конюшен они недоступны. Автору, к сожалению, тоже. Эта статья намеренно не содержит конкретных значений многих величин, которые позволили бы некоторым читателям взяться за калькуляторы. Тепловые расчеты на пальцах – бесперспективное занятие. Ее задача – показать ту сторону процессов, происходящих в двигателе, которая всегда подразумевается, но никогда всерьез не рассматривается. Я хотел только проявить качественные связи и объяснить важность и необходимость в своей работе учитывать влияние его величества тепла.

www.drive2.ru

Мат.часть Поршневая группа Поршни — DRIVE2

Поршневая группа состоит из поршня, поршневых колец, поршневого пальца и деталей крепления пальца.

Поршни бензиновых двигателей отливаются из алюминиевого сплава в коккиль (металлическую форму) под давлением. Форма днища поршня определяется типом камеры сгорания. Для уменьшения теплопепередачи в поршень, уменьшения массы и простоты обработки днище должно быть плоским. Однако существует много причин, требующих изменения днища поршня. С точки зрения протекания процесса сгорания оптимальной является компактная камера сгорания с выемкой в днище поршня под свечой зажигания. Иногда в днище поршня приходится делать выемки в зоне расположения тарелок клапанов, чтобы предотвратить их контакт с поршнем в зоне верхней мертвой точки, когда клапаны находятся в приоткрытом положении. При этом приходится учитывать изменения размеров поршня и клапанов в следствии их нагрева. На форму днища поршня могут влиять и требования унификации. Например поршни выполняются с выемки под клапана, чтобы удовлетворить потребности установок различных головок блока устанавливаемых на этот мотор, хотя к некоторым головкам выемки не нужны. Изменяя только форму днища поршня можно выпускать различные модификации двигателей с различными степенями сжатия под разные бензины.

Поршни имеют высокий градиент перепада температур между днищем и юбкой. Поэтому цилиндрическая поверхность поршня в холодном состоянии имеет сложную форму и должна приобретать идеальную цилиндрическую форму при прогреве двигателя до рабочих температур. Обычно верхний пояс в зоне до первого компрессионного кольца имеет наибольшую температуру и соответственно наименьший диаметр, обеспечивающий зазор в холодном состоянии до 0.1 — 0.3 мм. Наличие этого зазора и объема находящегося в нем приводит к вялому сгоранию и повышенному выбросу углеводородов. В зоне верхнего пояса иногда делается проточка для снижения температуры в зоне верхнего компрессионного кольца.

Следующие пояса выполняются с постепенно уменьшающимся зазором. На юбках поршней старых двигателей иногда делался разрез, что нередко повышало вероятность поломки поршней. Поршни современных двигателей выполняются с конической или бочкообразной поверхностью юбки с учетом распределения температур по высоте поршня. Основная нагрузка приходится на поверхность юбки поршня перпендикулярно оси пальца. Поэтому в поперечном сечении юбка поршня делается овальной формы, а в зоне бобышек поршневого пальца (называемой холодильниками) зазор увеличивается, что предотвращает задир при перегреве поршня.

Для облегчения поршня, улучшения смазки и предотвращения задира в юбке выполняются отверстия (круглые, ромбовидные и другой формы). Однако это усложняет производство, уменьшает ресурс, поэтому такие поршни применяются для двигателей спортивных автомобилей.

В зоне верхней мертвой точки происходит так называемая перекладка поршня, то есть до верхней мертвой точки под действием давления газов он прижимается к одной части цилиндра, а после верхней мертвой точки к другой противоположной части. При большом зазоре и холодном двигателе появляется стук поршня, головка поршня перемещается относительно поршневых колец, при перекладке, что приводит к увеличению износа поршневых колец и торцов их канавок в поршне. Для уменьшения этого эффекта ось пальца смещается относительно оси цилиндра или ось цилиндра смещается относительно оси коленчатого вала (дезаксаж или дезаксиал) Для уменьшения зазора в верхней части поршня и, следовательно для уменьшения выбросов СН, а также уменьшения шума от перекладки и износа канавок и самих колец, при отливке поршня в коккиль закладываются жаропрочные вставки в зоне верхнего поршневого кольца. В некоторых конструкциях в зоне бобышек поршневого пальца в коккиль устанавливаются кольца или стальные пластины, предотвращающие его задиры. К числу оригинальных решений относится конструкция поршня у которого на поршневом пальце на отдельных бобышках сидят раздельные головка и юбка. Это позволяет уменьшить зазор в зоне юбки, снизить влияние перекладки поршня

www.drive2.ru


Смотрите также