Конструкция и прочностной расчет поршня

Наиболее общими конструктивными и технологическими направлениями при разработке поршней являются: уменьшение расстояния от днища поршня до оси бобышек в целях снижения высоты и массы двигателя; уменьшение высоты юбки поршня и снижение веса за счет вырезов в наименее нагруженных местах; нанесение на днище и верхнюю канавку поршня износо- и термостойкого покрытия; снижение теплового расширения поршня за счет заливки в его тело стальных терморегулирующих вставок;

покрытие юбки тонким (0,003-0,005мм) слоем олова, свинца в целях быстрой приработки, а также уменьшения трения и снижения износа; уменьшение внешнего и внутреннего диаметров пальцев; снижение высоты колец.

Поршень работает в очень тяжелых условиях. Он воспринимает следующие нагрузки:

1) силы давления газов и силы инерции, носящие характер, близкий к ударному;

2) тепловые нагрузки, которые возникают в результате соприкосновения днища поршня с горячими газами;

3) тепловые нагрузки от трения боковой поверхности поршня о стенки цилиндра;

4) боковое усилие, действующее на его боковую поверхность со стороны цилиндра.

Основные требования, предъявляемые к поршню, определяются его назначением и условиями работы. Он должен: обеспечить герметичность внутрицилиндрового пространства; иметь необходимую прочность и жесткость при возможно меньшем весе; воспринимать как можно меньше тепла и как можно лучше его отдавать; обеспечить отсутствие во время работы стуков, перекосов и чрезмерных деформаций; обеспечить достаточную стойкость против износа и возможно меньшие потери на трение; возможно меньшее проникновение масла из картера в цилиндр.

Основными элементами поршня являются: верхняя часть или головка поршня; нижняя часть или юбка поршня; бобышки.

Головка, в свою очередь, состоит из: днища поршня; боковой цилиндрической части, в которой проточены канавки для колец, а также имеются различные прорези и сверления; детали внутреннего оребрения.

Форма днища поршня определяется, в первую очередь, формой камеры сгорания, связанной со способом смесеобразования, расположением клапанов в головке, а в двухтактных двигателях - системой газораспределения.

В карбюраторных двигателях наибольшее распространение получили головки с плоскими днищами, как более удобные в технологическом отношении и воспринимающих наименьшее количество тепла. Кроме того днища могут быть: вогнутыми; выпуклыми; фасонными, которые применяют главным образом в дизелях и двухтактных двигателях.

Форма корпуса поршня и его основные размеры определяются, в первую очередь, условиями отвода воспринимаемого им тепла. Основными типами поршней из алюминиевых сплавов наибольшего распространения являются цельно-алюминиевые с разрезными юбками и облегченные. Поршни могут быть охлаждаемыми и неохлаждаемыми. При конструировании необходимо стремится к тому, чтобы поршень имел простую цилиндрическую форму. Переход от днища к стенкам необходимо осуществлять с большими радиусами закругления для получения равномерной тепловой нагрузки в сечениях головки поршня. Профили боковой поверхности поршня могут быть выполнены в виде цилиндрической или конической формы, или бочкообразной. В поперечном разрезе поршень, как правило, имеет форму эллипса, большая ось которого лежит в плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца.

Рассчитывают: днище поршня на изгиб от действия максимальных газовых усилий; напряжение среза, изгиба кольцевой перемычки; напряжение сжатия, разрыва в сечении х-х; удельное давление поршня на стенку цилиндра