Поршневая группа

07/02/2012 в 17:02

Поршень, являющийся одной из самых напряженных деталей двигателя, в особенности двухтактного, выполняет следующие функции:

воспринимает давление газов и передает его на поршневой палец, шатун и коленчатый вал; обеспечивает герметичность камеры сгорания; воспринимает усилие, действующее на боковую поверхность поршня у тронковых двигателей; управляет открытием и закрытием окон в двухтактных двигателях с щелевым распределением. Кроме нагрузки от давления газов и инерционных сил поршень воспринимает также значительные тепловые напряжения в результате соприкосновения днища с горячими газами. Днище поршня сильно нагревается, что значительно снижает его прочность; условия смазки ухудшаются. Корпус поршня нагревается также вследствие трения его боковой поверхности о зеркало цилиндра.

Поршни бывают цельной отливки и с отъемной головкой. Отъемные головки применяют в двигателях с диаметром поршня более 400 мм. В некоторых случаях головки поршней охлаждают жидкостью (маслом).
Поршневая группа двигателя тронкового типа цельной отливки по-, казана на рис. 20. В конструкции поршня различают направляющую часть - тронк 2 и верхнюю часть - головку 4 поршня. Головка состоит из днища 5 и уплотняющей части 7.

Поршневая группа

Рис. 20. Поршневая группа двигателя тронкового типа: 1, 3 и 8 - маслосъемное, поршневое и пружинное кольца, 2 - тронк (юбка). 1 и 5-головка и днище поршня, 6 - поршневой палец, 7 - уплотняющая часть. 9 - бобышка

На уплотняющей части расположены канавки для поршневых колец 3. Уплотняющей частью поршня обычно называют поверхность от верхней кромки верхнего кольца до нижней кромки нижнего кольца. Эта часть поршня передает стенкам цилиндра около 80% тепла, воспринятого днищем во время работы двигателя.

Днище поршня, образующее вместе с головкой цилиндра камеру сгорания, воспринимает давление газов. Форма днища зависит от способа смесеобразования и расположения клапанов в головке. Тронк (юбка) 2 поршня расположен ниже поршневых колец и служит для направления поршня при движении. В тронке расположены бобышки У, в которых имеются отверстия под поршневой палец 6.

Форма поршня и его размеры зависят от условий отвода воспринимаемого им тепла. Длина поршня, определяемая допустимым давлением на стенки цилиндра, которое не должно превышать 0,6-0,8 МПа, обычно составляет 1,3-1,6 диаметра цилиндра.

Для предотвращения задиров и заклинивания поршня в гильзе между ним и ее рабочей поверхностью должен быть зазор, но не слишком большой, иначе кольца будут перегреваться и ухудшится уплотнение поршня. При работе двигателя поршень нагревается неодинаково по длине: температура поршня увеличивается в направлении днища. Поэтому зазор между уплотняющей частью поршня и стенками цилиндра выполняют большим, чем в направляющей части.

Зазоры между круглыми поршнями и гильзами цилиндров на 100 мм диаметра составляют: для алюминиевых поршней в уплотняющей части поршня -0,7-0,9, в направляющей - 0,22-0,35 мм; для чугунных поршней соответственно 0,4-0,6 и 0,1-0,15 мм. При овальных поршнях зазоры бывают меньше.

Для предупреждения стуков и перекосов поршня из алюминиевого сплава у непрогретого двигателя на поршне делают компенсационные прорези или вставки, которыми снабжают стенки юбки, самой юбке придают овальную или овально-конусную форму, уплотняющую часть поршня изолируют от юбки, а также принудительно охлаждают головку поршня.

У некоторых автомобильных двигателей разрез юбки выполняют по всей ее длине косым так, чтобы верхний и нижний участки его перекрывались. Косой разрез не оставляет следа на зеркале цилиндра и позволяет при нагревании разрезанным стенкам юбки сходиться, обеспечивая тем самым свободное перемещение нагретого поршня п цилиндре. У поршней с разрезом юбки на всю длину юбки выполняют цилиндрической формы Разрез юбки чаще делают не на полную ее длину, а в виде Т- и П-прорези на отрезке длины Такие прорези применяют на юбках овальной формы.

Компенсационные вставки уменьшают тепловое расширение юбки и представляют собой инварные или стальные пластины, связывающие юбку с бобышками поршня. Инварные вставки содержат около 35% никеля и расширяются примерно в 10 раз меньше, чем алюминиевые сплавы. Поршни с ннварнымн вставками расширяются меньше, чем чугунные.

У современных автомобильных двигателей поршень имеет юбку без разрезов с залитыми в ее стенку инварными или стальными компенсационными вставками.

Материалами для изготовления поршней служат чугун и алюминиевые сплавы. Наиболее часто применяют чугун марки СЧ 24-44, а также легированные чугуны с присадками ванадия, меди, титана, хрома. Чугун обладает более высокой прочностью и износостойкостью, чем алюминиевые сплавы, а также меньшим коэффициентом линейного расширения, что позволяет уменьшить зазоры между поршнем и рабочей поверхностью гильз.

Из алюминиевых сплавов при изготовлении поршней применяют АК4 и др. Поршни из этих сплавов значительно легче, чем из чугуна, и имеют примерно в 3 раза большую теплопроводность. Мощность двигателя при этом несколько повышается, так как температура поршня понижается, нагрузка деталей силами инерции и трение между поршнем и гильзой уменьшаются. Недостатками поршней из алюминиевых сплавов являются большее их расширение при нагревании и высокая стоимость. В последнее время проводят опыты по тепловой изоляции поршней керамическим покрытием днища со стороны камеры сгорания.

Поршневые кольца, устанавливаемые в канавках на поршне, делятся по назначению на компрессионные (уплотнительные) и мас-лосъемные (маслосбрасывающие).

Компрессионные кольца служат для уплотнения под-движного сопряжения поршень - цилиндр. Кольца, прижимаясь к смазанному маслом зеркалу цилиндров действием сил упругости и давлением газов со стороны поршневых канавок, создают лабиринт - сложный путь с препятствиями в местах прохода газов из надпоршневого пространства цилиндра в картер. Проход по этому лабиринту газов сопровождается потерей ими скорости движения и давления. Если, например, давление под первым кольцом близко к давлению газов в цилиндре, то под последним оно почти равно давлению в картере.

Количество устанавливаемых компрессионных колец (2-7) зависит от величины давления газов, а также от быстроходности двигателя. У быстроходных двигателей обычно ставят 4 кольца. При увеличении их числа значительно понижается температура головки поршня и колец. У тихоходных мощных двигателей с наддувом устанавливают 5-7 компрессионных колец.

В канавках поршня кольца установлены с небольшим зазором. При увеличении зазора повышается расход смазочного масла, так как кольца, перемещаясь в канавках вверх и вниз, перекачивают масло в цилиндр. Это явление называется насосным действием колец (рис. 21).

При движении поршня вниз компрессионные кольца силами инерции прижимаются к верхним торцам поршневых канавок и масло со стенок цилиндра поступает в нижние торцевые зазоры. При движении поршня вверх компрессионные кольца перемещаются в канавках и прижимаются к нижним торцам поршневых канавок, выдавливая смазочное масло через радиальный зазор колец в верхний торцевой зазор и затем в пространство над кольцами.

Маслосъемные кольца снимают излишки масла с зеркала цилиндра и отводят его через отверстия в стенках поршня в картер двигателя, что уменьшает поступление масла в камеру сгорания. Схема действия маслосъемного кольца показана на рис. 22. При движении поршня 1 вверх масло, отжимая кольцо 2, заполняет надкольцевой и радиальный зазоры. При движении поршня вниз часть масла вместе с маслом, снимаемым со стенки цилиндра 4, отводится через отверстие Зв картер двигателя. Обычно маслосъемные кольца (от 1 доЗ) помещают выше поршневого пальца и в нижней части поршня, иногда в одной канавке устанавливают по два кольца.

Поршневые кольца работают в тяжелых условиях: вместе с поршнем совершают возвратно-поступательное движение при высокой нагрузке, большой скорости скольжения и значительной температуре. Удельное давление газов на верхнее кольцо в период сгорания в 40- 0 раз превосходит давление кольца на цилиндр в результате собственной упругости кольца. Поэтому верхнее поршневое кольцо изнашивается особенно быстро. Значительные удельные давления и скорости скольжения требуют большой затраты работы на преодоление возникающего трения. Работа трения поршневых колец составляет около половины всех механических потерь в двигателе.

Поршневая группа

Рис. 21. Насосное действие компрессионных колец

Поршневая группа

Рис. 22. Схема действия масло-съемного кольца: а - при движении поршня вверх, б - при движение поршня вниз; 1 - поршень, 2 - маслосъемное кольцо, 3 - отверстие дли сливе масла, 4 - цилиндр

Поршневые кольца нагреваются при соприкосновении с горячими газами и нагретыми стенками поршня, а также вследствие трения о стенки цилиндра. Температура верхнего кольца достигает 350-400° С, средняя температура остальных колец 200-250* С, при этом температура стенок цилиндра и слоя масла на нем - 100-120° С.

Поршневые кольца имеют разрез, называемый замком. В свободном состоянии наружный размер кольца больше диаметра гильзы цилиндра. Чтобы установить кольцо в цилиндре, его необходимо сжать. В рабочем (сжатом) состоянии в замке остается небольшой зазор, который позволяет кольцу расшириться при нагревании.

Поршневая группа

Рис. 23. Замки поршневых колец: а -прямые б - косые, в - ступенчатые; I - компрессионные кольца. II - маслосъемные кольца

Кольца, установленные в цилиндр, пружинят и плотно прилегают к его стенке. В случае неплотного прилегания газы проходят через просветы между стенкой цилиндра и кольцами. При этом кольца перегреваются и в результате образования нагара и смолистых отложений на них перестают пружинить, т. е. выполнять евое назначение.

Для уменьшения утечки газов через зазоры в замках кольца при установке в канавки поршня располагают таким образом, чтобы замки находились под определенным углом один относительно другого. На рис. 23 показаны формы замков компрессионных и маслосъемных колец. В быстроходных двигателях применяют замки прямой и косой формы (рис. 23, а, б), так как разница в величине утечки газов для замков различной формы незначительна, в тихоходных двигателях - ступенчатой (рис. 23, в).

Поршневые кольца имеют самые разнообразные сечения. На рис. 24 показаны некоторые типы компрессионных и маслосъемных колец. Чаще всего изготовляют наиболее простые плоские кольца прямоугольного сечения (рис. 24, а), которые, однако, из-за широкой контактной поверхности плохо прирабатываются к зеркалу цилиндра.

Поршневая группа

Рис. 24. Типы поршневых колец: а-г - компрессионные (плоские, торсионные, трапецеидальные, конические), д и е - маслосъемные (коробчатые, скребковые двойные)

Торсионные кольца (рис. 24, б) имеют проточку на внутренней стороне. При установке в цилиндр двигателя они несколько закручиваются, в результате чего наружная поверхность принимает форму конуса. Эти кольца также называют скрученными. Торсионны? кольца хорошо прирабатываются к цилиндрам и лучше приспосабливаются к неровностям зеркала, поскольку соприкасаются с ним только узким пояском.

Трапецеидальные кольца (рис. 24, в) имеют непараллельные боковые поверхности, сложны в производстве, в процессе износа зазоры у боковых поверхностей их быстро увеличиваются. Однако эти кольца хорошо сохраняют свою подвижность в канавке поршня в холодном состоянии, не склонны к закоксовыванию и залеганию в поршневых канавках. Кроме того, под действием сил давления газа на боковые наклонные поверхности трапецеидальные кольца прижимаются с большей силой к стенкам цилиндра, что особенно важно при эксплуатации по мере износа колец.

Конические кольца (рис. 24, г) имеют наружную сторону, выполненную в виде усеченного конуса. Такая конструкция позволяет кольцам быстро прирабатываться к цилиндрам. Во время движения конического кольца вверх скапливающееся в коническом кармане смазочное масло будет улучшать смазку зеркала цилиндра, а при движении вниз контактный поясок кольца будет счищать масло со стенок цилиндра. Это снизит возможность проникновения картер-ного масла в камеру сгорания двигателя.

В последнее время на автомобильных двигателях используют стальные витые компрессионные кольца тарельчатой формы, изготовляемые из стальной ленты толщиной 0,5-0,7 мм, которая навивается на ребро в специальном приспособлении в виде непрерывной спирали, разрезаемой потом на отдельные кольца. В каждую поршневую канавку устанавливают по 3-4 таких кольца. Витые стальные кольца устанавливают чаще всего в нерасточенные цилиндры вместо изношенных чугунных колец при ремонте двигателя. Иногда их ставят и на новые двигатели. Однако эти кольца не применяют в качестве первого компрессионного кольца, поскольку они не обеспечивают отвод тепла от головки поршня. Срок службы цилиндров и поршней при наличии стальных колец увеличивается почти вдвое.

Коробчатые маслосъемные кольца (рис. 24, д) имеют прямоугольную конструкцию с канавкой по наружной стороне кольца. Кольцо соприкасается с зеркалом цилиндра только двумя узкими кромками, в результате чего удельное давление колец на стенки увеличивается и происходит эффективное соскабливание смазочного масла со стенок цилиндра во время движения поршня. Соскабливаемое масло отводится далее через дренажные прорези, равномерно расположенные по окружности кольца.

Скребковые двойные маслосъемные кольца (рис. 24, в) имеют две остроугольные соскабливающие кромки, проточку и дренажные вырезы. Скребковые двойные кольца лучше, чем коробчатые, приспосабливаются к стенкам цилиндра и действуют более эффективно.

В настоящее время на автомобильных двигателях часто применяют составные масляные кольца, которые обычно состоят из двух пластинчатых стальных колец, осевого и радиального расширителей. Осевой расширитель прижимает стальные пластинчатые кольца к поршневым канавкам в направлении оси движения поршня, а радиальный - к стенкам цилиндра.

Поршневые кольца изготовляют из специального чугуна с повышенным содержанием фосфора, легированного хромом, никелем и другими элементами. Одно или два верхних кольца (считая от днища) покрывают пористым хромом (0,12-0,2 мм). Хромирование колец способствует лучшей их приработке и увеличивает срок службы колец и гильз цилиндров, так как в порах хромированной поверхности накапливается смазочное масло, которое разносится по поверхности зеркала цилиндра. Износ колец снижается в 2-3 раза, а работающих с ними гильз цилиндроз - в 1,5-2 раза.

Поршневые пальцы служат для шарнирного соединения поршня с шатуном и имеют самые разнообразные конструктивные формы. Для уменьшения массы пальцы, как правило, выполняют полыми. На рис. 25, а показана наиболее простая трубчатая форма пальца, а на рис. 25, б, в -пальцы с коническими трубчатыми поверхностями.

Поршневые пальцы изготовляют из углеродистых цементируемых и азотируемых сталей, а также из высокоуглеродистых сталей, подвергаемых индукционной закалке токами высокой частоты. Глубина цементированного слоя наружной цилиндрической поверхности пальца составляет 0,8-2,0 мм, а глубина закаленного слоя поверхности пальца - 1,1 - 1,8 мм.

При азотировании наружной поверхности пальца глубина стоя азо-тяции должна быть не менее 0,35 мм. Пальцы имеют твердую сопротивляющуюся износу поверхность и мягкую вязкую сердцевину, что предотвращает их поломку. Наружную поверхность пальца тщательно шлифуют и полируют.

В отдельных случаях для повышения прочности пальца проводят термохимическую обработку его и полируют как наружную, так и внутреннюю поверхности. Двусторонняя цементация повышает прочность пальца на 15-20%, а двустороннее азотирование - на 35-45%.

Поршневая группа

Рис. 25. Конструкции поршневых пальцев: а - трубчатая, б, в -с коническими трубчатыми поверхностями

Для предохранения пальца от осевых перемещений пользуются различными способами. У некоторых двигателей применяют стопорные болты, которые входят в выточки на пальце и не дают ему перемещаться в поршне. Однако в такой конструкции обязательно предусматривается возможность свободного удлинения пальца при нагревании во время работы двигателя.

В настоящее время широко распространен плавающий тип пальца. Плавающий палец не закрепляют ни в бобышках поршня, ни в верхней головке шатуна. От осевых перемещений палец удерживают стопорные пружинные кольца 8 (см. рис. 20), которые установлены в канавках, проточенных в отверстиях бобышек поршня. Плавающий палец может проворачиваться в бобышках, вследствие чего изнашивается более равномерно.

В поршневой группе, показанной на рис. 26, палец от осевых перемещений удерживается заглушками 6, изготовленными обычно из алюминиевого или магниевого сплава для улучшения отвода тепла. Заглушки, стянутые стяжным болтом 5 с гайкой 9, предохраняют зеркало цилиндра от задира пальцем 4 и попадания на поверхность зеркала масла. Гайку стяжного болта закрепляют шплинтом.

Поршневая группа

Рис. 26. Поршневая группа с шатуном в сборе: 1- поршень, 2 и 3- хромированные я нехромирооанные компрессионные кольца, 4 - палец поршня, о - стяжной болт, 6 - заглушка, 7 - маслосъемные кольца, 8-отверстия для стока масла, 9 - гайка, 10 - шатун

Еще по теме

  • Корректоры подачи топлива и автоматические муфты опережения впрыска
    Для лучшего использования двигателя внутреннего сгорания необходимо, чтобы крутящий момент при полной подаче топлива увеличивался при снижении частоты вращения коленчатого вала. Количество воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, увеличивается при снижении частоты вращения коленчатого вала благодаря лучшему наполнению цилиндров. Следовательно, необходимо обеспечить соответствующее увеличение - корректирование цикловой подачи топлива. Для этой[..]
  • Работа и проверка технического состояния
    Обслуживание двигателей внутреннего сгорания во время работы производится в соответствии с заводскими инструкциями, в которык отражены особенности данного двигателя. Обслуживание дизеля заключается в наблюдении за протеканием рабочего цикла в его цилиндрах, работой систем и устройств, температурой основных трущихся пар, стуками и шумами. После пуска двигателя тщательно осматривают все его части[..]
  • Дизели СМД
    Дизели СМД представляют собой четырехтактные о вихрекамерным смесеобразованием четырехцилиндровые двигатели водяного охлаждения, которые применяют на передвижных электростанциях и на многих других установках и машинах. На рис. 171, а показан общий вид дизельного двигателя СМД-14, остов которого образуют блок-картер 10, головка 2 цилиндров, картер 9 маховика и картер 16 распределительных шестерен.[..]