2.2.6.2 Конструктивные особенности поршней.
Днище – является частью головки, в функции которого входит формирование камеры сгорания и отвод основной доли теплоты, воспринимаемой поршнем от рабочего тела.
Конструкция днища поршней определяется типом двигателя и формой камеры сгорания. Поршни с плоским днищем или с небольшой цилиндрической выемкой наиболее распространены в карбюраторных двигателях. Такая конструкция упрощает технологию изготовления поршня. В последних конструкциях карбюраторных двигателей получили распространение поршни с отлитой на торце головки камерой сгорания специальной формы (рисунок 57).
2
1
Рисунок 57. Конструкция головки поршней ВАЗ-2108, 21083, 2110:
1- камера сгорания; 2-занижения под клапаны.
В двухтактных карбюраторных двигателях для образования оптимальной формы камеры сгорания и улучшения продувки цилиндров поршни делают с выпуклыми, вогнутыми или фасонными днищами.
В дизельных двигателях, чаще всего, камера сгорания располагается в головке поршня. Ее геометрические параметры строго согласуются с расположением форсунки, количеством и распределением по объему камеры факелов распыляемого топлива, а объем определяется принятой степенью сжатия. Примеры конструкций головок поршней дизельных двигателей приведены на рисунке 58.
Занижение
под клапан
Рисунок 58. Конструкции головок поршней дизельных двигателей.
2.2.6.3 Профиль наружной поверхности.
Зазоры между элементами поршня и зеркалом цилиндра при прогретом двигателе являются одним из наиболее важных параметров работоспособности деталей поршневой группы. Проблема стабилизации величины зазоров в сопряжении поршень – цилиндр осложняется тем, что коэффициент линейного расширения поршней из алюминиевых сплавов в 1,5…2 раза превышает этот показатель для чугунных гильз цилиндров. Тепловое состояние поршня на различных режимах работы ДВС существенно варьируется. Его температура изменяется от минимальной при пуске и прогреве холодного двигателя до максимальной на режимах наибольших нагрузок. На фоне относительно стабильного теплового состояния цилиндра это обстоятельство предопределяет существенные изменения величин зазоров при различных режимах работы. Стабилизация зазора в сопряжении юбка поршня – зеркало цилиндра является одной из трудно решаемых технических проблем.
Головке поршня по его образующей (продольное сечение) придается одна из следующих форм: ступенчатая, коническая, бочкообразная. Учитывая характер распределения температуры по высоте головки, такая ее конфигурация позволяет при достижении штатного теплового состояния придать ей цилиндрическую форму.
Юбке поршня в продольном сечении придается бочкообразная форма. Это позволяет избежать кромочного удара торца юбки при перекладке поршней и учесть особенности ее термической деформации вследствие неравномерности распределения температуры по высоте.
В процессе работы двигателя на юбку поршня действует боковая сила в направлении перпендикулярном оси пальца и происходит ее овализация, что является следствием неравномерности распределения нагрузки по ее периметру (зона нагрузки – дуга с углом 80…100°). Это обстоятельство, а также неравномерность деформации поршня от давления газов на днище и при тепловом расширении приводят к тому, что рабочая часть юбки приобретает форму овала с большой осью в направлении оси пальца. Для нейтрализации этого явления юбка поршня в поперечном сечении выполняется овальной формы с малым диаметром по оси поршневого пальца. В этом случае при штатном тепловом состоянии форма юбки приближается к цилиндрической (см. рисунок 59).
Рисунок 59. Продольный и поперечный профили поршня.
В таблице 18 приведены значения величин овальности поршней (на диаметр) и допуски на их выполнение.
Таблица 18. Овальность поршней
|
Зона поршня |
Величина овальности, мм |
Допуск на овальность, мм |
|
Юбка |
0,122 ÷ 0,65 |
0,02 ÷ 0,08 |
|
Головка |
0,03 ÷ 0,32 |
0,03 ÷ 0,06 |
Наиболее простые по форме поперечного сечения – поршни с одним значением овальности на юбке, наиболее сложные с несколькими значениями овальности – на юбке до 16, на головке до 4 значений.
Параметры профиля поперечного сечения обычно задаются через 10° в диаметральном или радиусном выражении, их допуски колеблются в зависимости от расположения сечения: наименьшие рядом с большой осью овала, наибольшие рядом с малой осью овала. Величина наименьшего допуска на профиль – 0,004 мм.
Наибольшая бочкообразность (на диаметр) – 0,2 для юбок и 0,7 для головок. Наименьший допуск на бочкообразность задается рядом с сечением наибольшего диаметра и равен 0,004 мм.
Для повышения точности соединения с гильзой, поршни карбюраторных и некоторых дизельных двигателей после окончательной обработки сортируют по размерным группам. Например, поршни ВАЗ выполняются с допуском 0,05 мм с разбивкой на 5 групп. Поршни большинства дизельных двигателей выполняются без разбивки на группы с допуском от 0,014 до 0,03 мм.
Для уменьшения величины тепловой деформации юбки за счет ограничения поступающих в нее тепловых потоков от головки, в некоторых конструкциях поршней выполняются одна или две симметрично расположенные поперечные прорези в зоне канавки под маслосъемное кольцо (рисунок 44а). Однако, при этом затрудняется теплоотвод от головки, а также уменьшается жесткость конструкции поршня.
Термостабилизация зазора между цилиндром и юбкой поршня в ряде конструкций осуществляют вертикальными прорезями, расположенными на той ее стороне, которая не прижимается к цилиндру (рисунок 60а). При этом в холодном состоянии зазор создается достаточно малым, что способствует устранения стуков поршня и шума. По мере прогрева двигателя юбка расширяется , но заклинивания поршня при выборе зазора не происходит, так как увеличение диаметра юбки компенсируется уменьшением ширины прорезей. Однако, это техническое решение снижает механическую прочность конструкции поршня, вследствие чего не применяется в современных форсированных двигателях.
Эффективным средством регулирования теплового расширения юбки является применение специальных терморегулирующих вставок, размещаемых в верхней части юбки (рисунок 60б).
1
3
а) б) Рисунок 60. Примеры конструкции поршней: 1- поперечная прорезь;
2 - продольная прорезь; 3 - терморегулирующая вставка; 4 – зона
выборки для подгонки по массе;