Поршневая группа

Поршневую группу кривошипно-шатунного механизма образует поршень в сборе с комплектом компрессионных и маслосъемных колец, поршневым пальцем и деталями его крепления. Ее назначение заключается в том, чтобы во время рабочего хода воспринимать давление газов и через шатун передавать усилие на коленчатый вал, осуществлять другие вспомогательные такты, а также уплотнять надпоршневую полость цилиндра для предотвращения прорыва газов в картер и проникновения в него моторного масла.

Поршень имеет днище, уплотняющую и направляющую (юбку) части. Днище и уплотняющая часть составляют головку поршня. Днище поршня вместе с головкой цилиндра ограничивают объем камеры сгорания. В головке поршня проточены канавки для колец. При работе двигателя на поршень действуют большие механические и тепловые нагрузки от давления горячих газов.

Конструкция поршня должна обеспечивать такой зазор между поршнем и цилиндром, который исключал бы стуки поршня после запуска двигателя и заклинивание его в результате теплового расширения при работе двигателя под нагрузкой.

На юбке поршня делают разрезы, придают ему овальную форму в поперечном сечении и коническую - по высоте, производят заделку в поршень специальных компенсационных пластин из металла с малым коэффициентом теплового расширения. Например, в поршнях некоторых двигателей с зажиганием от искры юбку выполняют с косым разрезом, что делает ее более упругой и позволяет устанавливать поршень с минимальным зазором, не опасаясь заклинивания.

При шлифовании поршню придают овальную форму (большая ось овала должна быть перпендикулярна оси поршневого пальца), чтобы под действием боковых усилий и нагрева юбка поршня в рабочем состоянии принимала цилиндрическую форму.

Так как температура головки поршня примерно на 100-150°С выше, чем нижней части юбки, то наружный диаметр юбки делают больше, чем диаметр головки.

Большую опасность представляет собой перегрев поршня из-за недостаточного его охлаждения. При перегреве прогорает днище поршня, происходит задир рабочей поверхности цилиндра, залегание колец и даже заклинивание поршня. Иногда для улучшения охлаждения поршня на его внутреннюю поверхность направляют струю масла.

Рисунок 3 - Детали поршневой группы: 1 - поршень, 2 - поршневой палец, 3 - стопорные кольца, 4, 5 - компрессионные кольца, 6 - маслосъемное кольцо.

Конструкции поршней с различной формой днища представлена на рисунке

Рисунок 4 - Конструкции поршней с различной формой днища (а—з) и их элементов: 1 — бобышка; 2 — стенка поршня; 3 — ребро; 4 — днище поршня; 5 — канавки для компрессионных колец; 6 — дренажное отверстие для отвода масла

Днища поршней могут быть плоскими (см. а), выпуклыми, вогнутыми и фигурными (рис. б—з). Их форма зависит от типа двигателя и камеры сгорания, принятого способа смесеобразования и технологии изготовления поршней. Самой простой и технологичной является плоская форма. В дизелях применяются поршни с вогнутыми и фигурными днищами (см. рис. е—з).

Поршень дизеля КамАЗ-740 отлит из высококремнистого алюминиевого сплава (иногда поршни покрывают слоем олова для улучшения прирабатываемости) со вставкой из специального чугуна под верхнее компрессионное кольцо. Юбка поршня в поперечном сечении овальная, причем большая ось овала перпендикулярна оси поршневого пальца. По высоте поршень имеет коническую форму: в верхней части меньший диаметр, чем в нижней. На юбку поршня нанесено коллоидно-графитовое покрытие для улучшения приработки и предохранения от задиров. Кроме того, в бобышки поршня залиты стальные терморегулирующие пластины. Все это выполнено для компенсации неравномерности тепловой деформации поршня при работе в цилиндрах двигателя, возникающей изза неравномерного распределения массы металла внутри юбки поршня. В бобышках поршня имеются отверстия для прохода масла к поршневому пальцу. В головке поршня расположена тороидальная камера сгорания, а сбоку от нее в днище — две; выемки для предотвращения касания его с клапанами. Под бобышками в нижней части юбки сделаны выемки для прохода противовесов коленчатого вала в НМТ.

В связи со сложной формой наружной поверхности поршня измерять его диаметр необходимо в плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца и на расстоянии 52,4 мм от днища поршня. В запасные части поставляются поршни классов А, С, Е. Этих классов достаточно для подбора поршня к любому цилиндру, так как поршни и цилиндры разбиты на классы с некоторым перекрытием размеров. Например, к цилиндрам классов В и D) может подойти поршень класса С. Кроме того, при ремонте двигателей поршни обычно заменяются у изношенных цилиндров, поэтому к незначительно изношенному цилиндру, имевшему класс В, может подойти поршень класса С.

Главное при подборе поршня обеспечение необходимого монтажного зазора между поршнем и цилиндром (0,05-0,07 мм). По диаметру отверстия под поршневой палец поршни подразделяются через 0,064 мм на три категории, обозначаемые цифрами 1, 2, 3. Класс поршня (буква) и категория отверстия под поршневой палец (цифра) клеймятся на днище поршня. Поршни по массе в одном и том же двигателе подобраны с максимально допустимым отклонением +2,5 г.

С шатуном поршень соединен пальцем 2 плавающего типа, стопорные кольца 3 вставляются в канавки, проточенные в бобышках, кольца ограничивают осевое смещение пальца в поршне.

Поршневой палец стальной, цементированный, трубчатого сечения, запрессован в верхнюю головку шатуна с натягом и свободно вращается в бобышках поршня. Поршневые пальцы, как и отверстия в бобышках поршня, по наружному диаметру подразделяются на три категории через 0,004мм.

Категория пальца маркируется на его торце соответствующим цветом: синим первая категория, зеленым вторая, красным третья. Собираемые палец и поршень должны принадлежать к одной категории.

Отверстие под поршневой палец смещено от оси симметрии на 2 мм в правую сторону двигателя. Это уменьшает возможность появления стука поршня при переходе через в.м.т. Для правильной установки поршня в цилиндр около отверстия под поршневой палец имеется метка "П". Поршень должен устанавливаться в цилиндр так, чтобы метка была обращена в сторону передней части двигателя. Поршни, как и цилиндры, по наружному диаметру подразделяются на пять классов через 0,01 мм, обозначаемые буквами А, В, С, D, Е. Им соответствуют следующие диаметры цилиндров, в мм: А 78,94-78,95; В 78,95-78,96; С 78,96-78,97; D 78,97-78,98; Е 78,98-78,99.

На поршне выполнены канавки для двух компрессионных 4, 5 и одного маслосъемного 6 кольца. Компрессионные кольца уплотняют поршень в гильзе цилиндров и предотвращают прорыв газов через зазор между юбкой поршня и стенкой гильзы. Маслосъемные кольца снимают излишки масла со стенок гильз и не допускают попадания его в камеры сгорания.

Поршневые кольца изготовлены из чугуна. Иногда маслосъемные кольца делают из стали. Для установки на поршень кольца имеют разрез, называемый замком.

После установки в цилиндр зазор в замке должен быть в пределах 0,3-0,5 мм, чтобы кольцо не заклинивало при нагревании. Замки на поршне должны располагаться на равных расстояниях друг от друга по окружности, что уменьшает прорыв газов из цилиндра.

Компрессионные кольца и особенно первое (верхнее) из них работают в тяжелых условиях. Из-за соприкосновения с горячими газами и большой работы трения, производимой первым кольцом, оно сильно нагревается (до 225-275°С), что осложняет его смазку и вызывает увеличенный износ как самого кольца, так и верхнего пояса цилиндра.

Для повышения износостойкости поверхность верхнего компрессионного кольца подвергают пористому хромированию. Остальные кольца для ускорения приработки покрывают тонким слоем олова или молибдена (двигатель КамАЗ-740).

Поршневые кольца разрезные, в свободном состоянии их диаметр несколько больше диаметра цилиндра. Поэтому в цилиндре кольцо плотно прижимается к его стенкам. В канавках поршня кольца образуют лабиринт с малыми зазорами, в котором газы, прорывающиеся из надпоршневого пространства, с одной стороны, теряют давление и скорость, а с другой — прижимают кольца к стенке цилиндра.

Рисунок 5 - Поршневые кольца: а - внешний вид, б - расположение колец на поршне (двигателя ЗИЛ-130), в - составное маслосъемное кольцо; 1 - компрессионное кольцо, 2 - маслосъемное кольцо, 3 - плоские стальные диски, 4 - осевой расширитель, 5 - радиальный расширитель.

Компрессионные кольца имеют разную форму поперечного сечения. Компрессионное кольцо 1 с прямоугольным сечением (а) прилегает к цилиндру по всей наружной поверхности. Для увеличения удельного давления кольца на зеркало цилиндра и более быстрой приработки наружной поверхности кольцу придается коническая форма или делается на верхней внутренней кромке кольца 1 специальная выточка (6).

Маслосъемные кольца также имеют различную форму: коническую, скребковую, пластинчатую с осевым и радиальным расширителями (в). При движении вверх маслосъемное кольцо как бы «всплывает» в масляном слое, а при движении вниз острая кромка кольца соскабливает масло.

Маслосъемное кольцо отличается от компрессионных сквозными прорезями для прохода масла. В канавке поршня для маслосъемного кольца сверлят один или два ряда отверстий для отвода масла внутрь поршня.

Маслосъемное кольцо двигателей ЗМЗ и ЗИЛ состоит из двух стальных кольцевых дисков, осевого 4 и радиального 5 расширителей. Вследствие быстрой прирабатываемости и упругости стальные маслосъемные кольца хорошо прилегают к гильзе цилиндра.

Шатун.

Шатун соединяет поршень с кривошипом коленчатого вала и, преобразуя возвратно-поступательное движение поршневой группы во вращательное движение коленчатого вала, совершает сложное движение, подвергаясь при этом действию знакопеременных ударных нагрузок. В двигателе шатун подвергается воздействию значительных переменных нагрузок, изменяющихся от растяжения к сжатию. Поэтому он должен быть прочным, жестким и легким. Шатуны изготавливаются из стали литьем или горячей штамповкой. На спортивных автомобилях могут устанавливаться шатуны из титанового сплава. Шатун состоит из трех конструктивных элементов: стержня 2, верхней (поршневой) головки 1 и нижней (кривошипной) головки 3. Стержень шатуна обычно имеет двутавровое сечение. В верхнюю головку для уменьшения трения запрессовывают бронзовую втулку 6 с отверстием для подвода масла к трущимся поверхностям. Нижнюю головку шатуна для обеспечения возможности сборки с коленчатым валом выполняют разъемной. У бензиновых двигателей разъем головки обычно расположен под углом 90° к оси шатуна. У дизелей нижняя головка шатуна 7, как правило, имеет косой разъем. Крышка 4 нижней головки крепится к шатуну двумя шатунными болтами, точно подогнанными к отверстиям в шатуне и крышке для обеспечения высокой точности сборки. Чтобы крепление не ослабло, гайки болтов стопорят шплинтами, стопорными шайбами или контргайками. Отверстие в нижней головке растачивают в сборе с крышкой, поэтому крышки шатунов не могут быть взаимозаменяемыми.

Конструкция шатуна различается в зависимости от типа двигателя и его компоновочной схемы (рисунок 6). Длина шатуна во многом определяет высоту двигателя. Шатун условно разделяется на три части: стержень, поршневую и кривошипную головки.

Рисунок 6 - Детали шатунной группы: 1 — верхняя головка шатуна; 2 — стержень; 3 — нижняя головка шатуна; 4 — крышка нижней головки; 5 — вкладыши; 6 — втулка; 7 — шатун дизеля; S — основной шатун сочлененного шатунного узла

Стержень шатуна имеет, как правило, двутавровое сечение. Встречаются шатуны с круглым, прямоугольным, крестообразным, Н-образным сечением стержня. Для подачи масла к подшипнику поршневой головки в стержне шатуна выполнен канал.

Поршневая головка представляет собой цельную проушину, в которую с натягом установлена втулка – подшипник скольжения для вращения поршневого пальца. Втулка изготавливается бронзовой или биметаллической (сталь со свинцом, оловом). Устройство поршневой головки определяется размером поршневого пальца и способом его крепления. Для снижения массы шатуна и уменьшения нагрузки на поршневой палец на некоторых двигателях используются шатуны с трапециевидной формой поршневой головки.

Кривошипная головка обеспечивает соединение шатуна с коленчатым валом. На большинстве двигателей кривошипная головка выполняется разъемной, что обусловлено технологией сборки ДВС. Нижняя часть головки (крышка) соединяется с шатуном с помощью болтов. Реже используется штифтовое или бандажное соединение частей кривошипной головки. Разъем может быть прямым (перпендикулярный оси стержня) или косым (под углом к оси стержня). Косой разъем применяется, в основном, на V-образных двигателях и позволяет сделать блок двигателя более компактным.

Для противодействия поперечным силам стыковые поверхности кривошипной головки выполняются профилированными. Различают зубчатое, замковое (прямоугольные выступы) соединение. Самым популярным в настоящее время является соединение частей головки, полученное способом контролированного раскалывания, т.н. сплит-разъем. Разлом обеспечивает высокую точность стыковки частей.

Толщина кривошипной головки определяет длину блока цилиндров. Особенно это актуально для V- и W-образных двигателей. К примеру, толщина нижней головки шатуна двигателя W12 от Audi составляет всего 13 мм.

Для уменьшения трения в соединении шатуна с коленчатым валом и облегчения ремонта двигателя в кривошипной головке размещается шатунный подшипник, состоящий из двух вкладышей 5, залитых антифрикционным сплавом. Вкладыши изготавливаются многослойными – двух, трех, четырех и даже пятислойными. Самые ходовые двух и трехслойные вкладыши. Двухслойный вкладыш представляет собой стальную основу, на которую нанесено антифрикционное покрытие. В трехслойном вкладыше стальную основу и антифрикционный слой разделяет изоляционная прокладка.

Внутренняя поверхность вкладышей точно подогнана к шейкам коленчатого вала. Для фиксации вкладышей относительно головки они имеют отогнутые усики, входящие в соответствующие пазы головки. Подвод масла к трущимся поверхностям обеспечивают кольцевые проточки и отверстия во вкладышах.

Для обеспечения хорошей уравновешенности деталей кривошипно-шатунного механизма шатунные группы одного двигателя (как и поршневые) должны иметь одинаковую массу с соответствующим ее распределением между верхней и нижней головками шатуна.

В V-образных двигателях иногда используются сочлененные шатунные узлы, состоящие из спаренных шатунов. Основной шатун 8, имеющий обычную конструкцию, соединен с поршнем одного ряда. Вспомогательный прицепной шатун, соединенный верхней головкой с поршнем другого ряда, нижней головкой шарнирно крепится с помощью пальца к нижней головке основного шатуна.

Вкладыш, установленный в шатуне, нагружен больше, чем вкладыш, расположенный в крышке шатуна. На вкладыши, расположенные в шатунах, через поршни и шатуны воздействует давление газов (при сгорании топлива в цилиндрах) и поэтому эти вкладыши изнашиваются больше. Вкладыши, расположенные в крышках шатунов, меньше нагружены и практически изнашиваются незначительно.