Поршневые кольца. Назначение поршня — воспринимать давление газов в ци­линдре и передавать работу газовых сил через шатун на ко­ленчатый вал

Поршни

Назначение поршня — воспринимать давление газов в ци­линдре и передавать работу газовых сил через шатун на ко­ленчатый вал.

Поршень с кольцами является подвижной непроницаемой перегородкой, отделяющей полость цилиндра от полости кар­тера. Он работает в трудных условиях, подвергаясь воздей­ствию высоких температур при ограниченных возможностях охлаждения, а также испытывая значительные нагрузки от дей­ствия газовых и инерционных сил.

Исходя из указанных условий работы и сил, действующих на поршень, к нему предъявляют следующие требования:

1. Надежная герметичность. Нельзя допускать утечки газов из полости цилиндра и попадания и нее масла из картера.

2. Малый вес, что особенно важно для двигателей с боль­шим числом оборотов как средство уменьшения сил инерции поступательно движущихся масс.

3. Достаточная прочность и жесткость при температурах, соответствующих рабочим температурам поршня (примерно350° С).

4. Хорошая теплопроводность, обеспечивающая интенсивный отвод тепла в стенки цилиндра.

5. Хорошие антифрикционные свойства с целью уменьшения мощности, затрачиваемой на трение.

Наиболее полно всем этим требованиям удовлетворяют поршни, изготовленные из алюминиевых сплавов.

Наибольшее распространение получили кованые поршни, механические качества которых более высоки по сравнению с литыми и потому их можно изготовить менее массивными, а следовательно, и более легкими.

Конструктивно в поршне отличают следующие элементы: днище поршня, верхний пояс и нижний пояс, или юбка, поршня.

Днище — наиболее нагруженная часть поршня как механи­ческими, так и термическими нагрузками (Рис.3.31), поэтому для повышения жесткости и увеличения поверхности охлажде­ния днища часто снабжают ребрами.

По своей форме днище поршня может быть плоским, вогнутым и выпуклым (Рис. 3.32). При одинаковой толщине плоские днища наиболее просты в производстве, выпуклые — более прочны и жестки. Наиболее часто переход от одной формы днище к другой делается с целью изменения степени сжатия при неизменных размерах других деталей кривошипно-шатунного механизма.

Верхним поясом поршня называют боковую поверх­ность, примыкающую к днищу. В верхнем поясе расположены поршневые кольца.

Надежность работы поршня во многом зависит от точности боковых зазоров между поршневыми кольцами и их канавками. Если зазор мал, то возможно защемление кольца в канавке; увеличенный зазор приводит к резкому повышению расхода масла вследствие возрастания эффекта насосного действия колец.

Величина зазоров берется в пределах 0,1—0.2 мм для уплотнительных колец и 0,05—0.20—для маслосбрасывающих.

Рис. 3.31. Распределение температур в поршне при работе двигателя на максимальной мощности

Рис.3.32 Формы днищ поршня

В нижнем поясе поршня расположены бобышки и в не­которых конструкциях — одно или два маслосбрасывающих кольца.

Высоту нижнего пояса желательно по возможности умень­шить, что выгодно для уменьшения веса и потерь на трение. Но чрезмерное уменьшение высоты нижнего пояса увеличивает удельное давление на стенку, получающееся в результате дей­ствия силы бокового давления. Поэтому высота нижнего пояса подбирается так, чтобы удельное давление не превышало 6—10 м/см². С целью облегчения поршня в нижнем поясе со стороны бобышек делают выемки или даже вырезы.

Учитывая, что коэффициент линейного расширения алюми­ниевого поршни почти в два раза больше коэффициента линей­ного расширения стальной гильзы, диаметральные зазоры в хо­лодном состоянии поршня подбирают так, чтобы допустить свободное расширение поршня при его нагреве. Так как рабо­чая температуря верхнего пояса значительно выше температуры нижнего, то и диаметральный зазор его в холодном состоянии должен быть большим. С этой целью поршни делаются кони­ческими или ступенчатыми, что облегчает их изготовление.

Увеличение зазоров между поршнем и гильзой не попускается, так как под действием переменных по направлению сил N та­кой поршень работает со стуком.

В процессах сгорания, расширения и выпуска газов днище поршня поглощает значительное количество тепла. Поэтому интенсивный теплоотвод от днища является одним из основных требований, обусловливающих надежность работы поршня.

Теплоотдача от поршня осуществляется главным образом через поршневые кольца, плотно прижатые к стенке гильзы, через стенки поршня и путем конвекции тепла в воздух и масло, находящееся в картере. На Рис. 3.33 и 3.31 представлены типич­ные схемы теплопередачи и значения температур поршня у звездообразных двигателей. У двигателей жидкостного охла­ждения температуры поршней на 30—50°С ниже, чем у двига­телей воздушного охлаждения.

Рис. 3.33. Схема поглощения и отвода тепла в поршне

в такте расширения (сплошные линии—теплопоглощение,

пунктир — теплоотвод)

При работе поршня он деформируется под действием силы бокового давления (Рис. 3.34, а), силы давления вспышки (Рис. 3.34,б) и вследствие нагрева (Рис. 3.34, в), Дня сохранения круглой формы поршня при его работе поршни некоторых моторов делают овальными. Большую ось овала располагают перпендикулярно к оси поршневого пальца. Разница между большой и меньшей осями овала обычно не превышает 0,1—0,4 мм.

Опальная форма поршней уменьшает также трение в части поршня, не воспринимающей нагрузок от боковых сил.

Рис.3.34 Деформация поршня: а - под действием силы N;

б - под действием сил давления; в – при нагреве;

Назначение поршневых колец — создать уплотнение между зеркалом цилиндра и поршнем, препятствующее утечке газов из камеры сгорания и прониканию в нее масла.

К поршневым кольцам предъявляют следующие требования:

1) высокая упругость, обеспечивающая хорошее прилегание кольца к зеркалу цилиндра;

2) хорошие антифрикционные свойства с целью уменьшения трения и износа колец и гильзы цилиндра;

3) стойкость против воздействия высоких температур.

Единственным материалом, сочетающим в себе все эти свой­ства, является серый чугун, который и применяется для изго­товления поршневых колец.

По своему назначению кольца делятся на:

— уплотнительные, предохраняющие от прорыва га­зов;

— маслосборные, очищающие масло со стенок цилиндра при движении поршня от ВМТ к НМТ.

Удельное давление кольца на стенку гильзы равно 0,6—6,8 кг/см² и не зависит от его высоты. Поэтому высоту кольца берут возможно меньшей (обычно 2—3 мм) с целью умень­шения инерционных сил, под действием которых могут обло­маться тонкие буртики кольцевых канавок.

Кольца прижимаются к стенкам гильзы не только силами упругости, но и давлением газов, проникающих через зазоры в поршневой канавке и действующих на тыльную поверхность колен (Рис.3.35, а).

Уплотнительная способность колец основана на принципе дросселирования газа при его последовательном перетекании через зазоры колец из одной полости в другую (Рис. 3.35,б). В результате этого понижается перепад между давлением в по­лости над нижним кольцом и давлением в картере, что умень­шает утечку газов.

Рис. 3.35. Уплотнительная способность колец:

а — действие газов на тыльную поверхность колец; б — дросселирующее действие колец;

В наиболее трудных условиях работает первое уплотнительное кольцо, находящееся под непосредственным воздействием горячих газов. При перегреве кольца его упругость и механическая прочность резко понижаются (Рис. 3.36), и оно выходит из строя.

Уплотнительные кольца делаются прямоугольного сечения или же с конусом примерно в 2° с целью лучшей притирки кольца к гильзе. Для лучшего сбрасывания масла со стенок гильзы такие кольца устанавливаются большим основанием к нижнему поясу.

У верхнего кольца скос обычно не делают, так как вслед­ствие значительной разности давления (10 кг/см²) между на­ружной и тыльной сторонами кольца оно могло бы оказаться отжатым от стенки цилиндра (Рис. 3.37).

В свободном состоянии диаметр колец больше диаметра цилиндра, поэтому при посадке кольца в цилиндр оно сжи­мается, за счет упругих деформаций стремится расшириться и, таким образом, прижимается к стенкам цилиндра.

Рис. 3.36. Упругость поршневых Рис.3.37. Действие давления

колец в зависимости вспышки на кольцо с конической от температуры рабо­чей поверхностью

Стык колец, называемый замком (Рис. 3.38), делается обычно под углом 45°, что несколько затрудняет прорыв газов. Как показывают опыты, более сложная форма замка существен­ного улучшения в работу кольца не вносит, а изготовление колец сильно усложняется. Поэтому такие замки применяются редко.

Рис. 3.38. Конструктивные формы замков поршневых колец

При производстве колец предусматривается некоторый зазор в стыке для возможности удлинения кольца при его нагреве. Для уменьшения утечки газов замки колеи, монти­руемых на одном поршне, располагают в наибольшем удалении друг от друга.

Маслосборные кольца имеют следующие особенности:

а) Высота кольца делается больше, а поверхность кольца, прилегающая к гильзе — меньше, чем у уплотнительных. Это осуществляется либо проточкой кольцевой канавки (Рис. 3.39,в),либо снятием фаски (Рис. 3.39, а). Таким путем увеличивают удель­ное давление кольца, и очистка стенок гильзы от масла оказы­вается более совершенной.

б) Для уменьшения насосного действия кольца зазоры в канавках маслосбрасывающих колец делают минимальными, кроме того, в канавке сделано большое число отверстий для прохода масла, счищаемого кольцами со стенок цилиндра.

Рис. 3.39. Типы маслосборных колец

В некоторых моторах в одной канавке устанавливают два маслосборных кольца типа, показанного на Рис. 3.39, б. Такие кольца работают независимо друг от друга. Счистка масла производится острой кромкой, проточенной в кольце; для про­хода масла внутрь поршня в основании колец сделаны выемки.

Такая конструкция кольца упрощает их изготовление, кроме того, путем установки замков обоих колец под углом 180° друг к другу достигается более равномерное давление на стенку гильзы.

Обычно на поршень устанавливают два маслосборных кольца, располагая их непосредственно за уплотнительными. В некото­рых случаях одно из колец устанавливают ниже оси поршневого пальца, что уменьшает расход масла, предотвращая излиш­нее его попадание в камеру сгорания. Но благодаря уменьшению количества масла, попадающего на смазку поршня, ухудшаются условия его работы, особенно при большие значениях силы N.