Группа поршня

К деталям группы поршня относят собственно поршень, поршневые кольца — компрессионные и маслосъемные, порш­невой палец, стопорные кольца, заглушки. Эти детали определяют герметичность рабочей полости, потери на трение; их конструкция и техническое состояние решающим образом влияют на эффективные показатели и долговечность двигателя (рис. 5—7).

Поршень (рис. 5) воспринимает давление газов и обеспечивает передачу уси­лий на шатун, герметизирует камеру сгорания, отделяя ее от картера двигателя, отводит теплоту.

Состоит:

- днище;

- юбка;

- канавки под поршневые кольца;

- бобышки под поршневой палец.

В силу множества функций и противоречивости свойств поршень одна из са­мых сложных и наукоемких деталей мотора. Максимальное давление в камере сгорания - до 100 бар. Усилие, с которым поршень толкают газы, достигает 10 тонн. Скорость перемещения изменяется от 0 до 120 км/ч и снова до 0 км/ч 200 раз в секунду. При этом:

- во-первых, поршень, взаимодействуя с продуктами горе­ния топлива, должен сопротивляться высокой температуре, давлению газов и на­дежно уплотнять канал цилиндра.

- во-вторых, представляя собой вместе с цилин­дром и поршневыми

Рис. 5. Поршень и кольца: 1, 12 — выточка под впускной клапан; 2 —канавка под нижнее маслосъемное кольцо; 3 — выточка под стопорное кольцо; 4 — канавка под верхнее масло- съемное кольцо; 5 — канавки под компрессионные кольца; 6—бобышка; 7 — камера сгорания; 8, 9 — дренажные отверстия; 10 — отверстия для подвода масла к пальцу; 11 — поясок для подгонки поршней по массе; 13 — компрессионные и 14 — маслосъемные кольца

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.

Требования:

- должен быть жестким, т. е. не менять свою форму под нагруз­ками;

- иметь низкий коэффициент тем­пературного расширения (теп­ловые нагрузки не должны его деформировавть);

- иметь минимальный вес;

- быть износостойким.

Наиболее часто поршни изго­тавливают из алюминиевых спла­вов, позволяющих снизить массу и в то же время способных противостоять значительным усилиям и рабочим темпе­ратурам (до 350 °С) близким к предельным для данного материала. Из алюминие­вых сплавов используются в основном силумины, то есть сплавы алюминий- кремний с различным содержанием кремния. Кремнийсодержащие сплавы в свою очередь делятся на две группы по содержанию в них кремния. К первым относят сплавы с содержанием кремния до 12%, ко вторым - более 12%. У первых крем­ний в свободном виде, так называемый первичный кремний, отсутствует и весь он растворен в алюминии (АЛ-25, АЛ-30, АК12, Mahle 124). Вторая категория со­держит кремний в свободном виде - в виде кристаллов, которые иногда видны невооруженным глазом на срезе или сломе образца (АЛ-26, АК18, АК21, ВКЖЛС, Mahle 138, Mahle 224). Сплавы с содержанием 18% или 22% кремния применяются в основном для дизелей большого объема.

Поршень в холодном состоянии имеет сложную форму. По высоте он бочко­образный, для устранения последствий температурного расширения стенок порш­ня различной толщины при неравномерном нагреве. В сечении он овальный, так как механические нагрузки заставляют поршень «обвисать» на пальце (как лист бумаги, лежащий на карандаше). Причем в каждом сечении и овальность, и бочкообразность имеют свою величину. Такие поршни при нагреве принимают иде­альную форму.

Ось отверстия под поршневой палец смещена от диаметральной плоскости поршня. Благодаря этому устраняются стуки поршня о стенки цилиндра при пе­реходе его через ВМТ. Однако это требует установки поршня в цилиндр в строго определенном положении.

При монтаже поршни одного комплекта подгоняют по массе во избежание повышенных вибраций, поэтому поршни содержат техно­логический прилив, откуда при необходимости можно снять металл.

В серийном производстве поршни из алюминиевых сплавов отливают. Для снижения величины температурного расширения используются стальные термо­компенсирующие вставки внутри отливки. Для увеличения износостойкости поршней для дизельных двигателей:

- используют чугунную вставку в зоне верхнего кольца;

- армируют поршень керамическими волокнами;

- применяют составные поршни, состоящих из двух частей — уплотняющей и направляющей;

- покрывают тонким слоем свинца, олова и цинка, что препятствует задиру юбки в критических режимах.

Поршневые кольца (рис. 5) обеспечивают необходимое уплотнение цилин­дра и отводят тепло от поршня к его стенкам. Разрезные кольца устанавливаются в канавки на поршне и прижимаются к стенкам цилиндра под действием собст­венной упругости и давления газов. Поршневые кольца являются основным ис­точником трения в ДВС: в силу их функций они должны быть плотно прижаты к стенкам цилиндра.

Качество поршневых колец в значительной степени определяет ресурс деталей цилиндропоршневой группы, влияет на пусковые качества двигателя, его энергетические показатели, расход масла и длительность его служ­бы, дымность отработавших газов. Являясь упругими элементами уплотнения, поршневые кольца обеспечивают герметичность рабочей полости, отвод теплоты от головки поршня, предотвращение попада­ния масла в камеру сгорания двигателя. Один тип кольца не может обеспечить все эти функции должным образом, поэтому применяют два типа колец— компрессионные и маслосъемные. Уплотняющее дей­ствие компрессионного кольца обеспечивается путем создания высо­кого сопротивления перетекающему газу из камеры сгорания в картер в лабиринте: кольцо — торцовые канавки поршня — гильза. Верхнее компрессионное кольцо испытывает довольно высокие давления газов и подвержено действию высоких температур. В результате взаимодей­ствия кольца с торцовыми поверхностями канавок в поршне возника­ют усилия среза в межкольцевых перемычках.

Поршневое кольцо представляет собой криволинейный брус с боль­шим вырезом в свободном состоянии. В рабочем состоянии при установке кольца на поршень и затем поршня в цилиндр этот вырез приобретает меньшую величину и допустимый зазор между торцами кольца составляет 0,5—0,8 мм. Благодаря своим упругим качествам кольцо обес­печивает равномерное давление на стенки гильзы с некоторым увеличением в замке кольца. Замок, или стык кольца, может быть прямым, косым или сту­пенчатым.

Маслосъемные кольца дела­ют цельными или составными. Во втором случае они состоят из двух витых стальных колец и расширителей (эспандеров), обеспечивающих равномерное прилегание кольца к поверх­ности цилиндра.

Изготовляют поршневые кольца из перлитного чугуна, легированного присадками ни­келя, молибдена, вольфрама, хрома, кремния. В ряде случаев используют чугуны с шаровой формой графита. Для повыше­ния стойкости кольца и увеличения сопротивления износу его наружную цилиндрическую поверхность покрывают твердым по­ристым (для удержания смазки) хромом толщиной до 0,1 мм; иногда пористый хром заменяют накатыванием сетки канавок глубиной до 0,3 мм. Современные кольца обеспечивают пробег до 150 тыс. км. Заготовки колец подвергают старению.

Поршневой палец обеспечивает шарнирное соединение шатуна с поршнем (Рис.6.). Представляет собой стальную втулку с полиро­ванной поверхностью.

а б в

Рис.6. Способы крепления поршневого пальца в бобышках поршня: а — стопорными кольцами; б — заглушками (1); в — болтами в верхней головке шатуна

Существует три типа соединения поршневого пальца с шатунной головкой:

- запрессовка пальца в головку шатуна: применяется при массовом производ­стве (дешевый). Но подобное соединение не позволяет пальцу вращаться и при­водит к его увеличенному одностороннему износу. Для надежной фиксации поршневого пальца необходимо увеличение размера шатунной головки;

- подвижное соединение, или «плавающий палец». В шатунную головку за­прессовывается втулка, как правило, бронзовая, внутренний размер которой обес­печивает зазор между ней и пальцем. Такое соединение дороже прессового, но позволяет пальцу вращаться, отчего увеличиваются работающая поверхность и ресурс пальца в 1,7 - 2,0 раза. Трение в этом узле несколько снижается;

- плавающий палец без бронзовой втулки (сопряжение «сталь по стали»). По­зволяет уменьшить размер шатунной головки с зазорным соединением до размера даже меньшего, чем у прессового. В таких случаях специально подбираются ма­териалы пары трения или на палец наносится специальное покрытие.

Осевая фиксация плавающих пальцев и предотвращение их бокового смещения вдоль оси пальца осуществляются с помощью стальных колец, уста­навливаемых в канавки в бобышках поршня по обе стороны с торцов пальца.(Рис. 6.) Иногда используют в этих целях заглушки (пробки) из мяг­кого металла (алюминия).

От поршневого пальца требуются высокая прочность при минимальном износе, высокая стойкость наружной поверхности про­тив истирания. Поршневые пальцы изготовляют из цементируемых углеродистых или легированных сталей 20, 15Х, 15ХН, 12ХНЗА, в некоторых случаях наружную поверхность пальцев азотируют. Чаще всего пальцы подвергают цементации с последующей закалкой и отпуском.