Глава 5 поршневая группа

Поршневая группа включает в себя поршень, поршневые кольца (уплотнительные и маслосъемные), поршневой палец и элементы, ограничивающие его осевые перемещения.

Поршень воспринимает давление газов, развивающееся в цилин­дре при реализации в нем рабочего цикла, и через палец передает усилие на шатун.

Для герметизации внутрицилиндрового пространства конструк­ция поршня совместно с системой компрессионных колец образуют пабиринтное его уплотнение.

Равномерное распределение масла по зеркалу цилиндра и пре­дотвращение попадания избыточного его количества в камеру сго­рания реализуются с помощью маслосъемных колец.

В процессе работы двигателя элементы поршневой группы подвержены воздействию на них интенсивных переменных меха­нических (от газовых и инерционных сил) и тепловых (в резуль­тате циклического изменения температуры рабочего тела) нагру­зок. К особенностям условий работы, влияющих на конструк­цию деталей поршневой группы, следует отнести большие скоро­сти относительного перемещения элементов их трущихся сопряже­ний при высоких удельных давлениях между ними, ударные явле­ния, сопровождающие перемещение («перекладку») поршня в пределах зазора между поршнем и циландром под действием боковой силы N, а также контакт с рабочим телом, содержащим коррозионно активные компоненты и имеющим высокую тем­пературу.

Следует отметить, что механические потери на трение между шементами цилиндропоршневой группы составляют 45...65% от суммарных потерь на трение в ДВС; из них до 50% приходится на долю сопряжения поршневые кольца — зеркало цилиндра.

121

Функциональное назначение и условия работы поршня предоп- ределяют следующие требования к его конструкции:

• формирование заданной конфигурации камеры сгорания;

• надежная герметизация внутрицилиндров ого пространства (утечки рабочего тела в картер не должны превышать 0,5...1% от расхода воздуха);

• предотвращение попадания чрезмерного количества масла в камеру сгорания, расход масла на угар должен быть не более

0. 3...0,6% расхода топлива;

• уменьшение тепловосприимчивости днища и обеспечение эф- фективного теплоотвода от головки поршня в стенки цилиндра;

• достижение минимально возможной конструктивной массы при достаточной прочности и жесткости;

• уменьшение работы трения элементов поршневой группы и обеспечение их высокой износостойкости;

• обеспечение стабильности величин зазоров между элементами поршня и зеркалом цилиндра на различных режимах работы двига- теля.

В конструкции поршня принято выделять (рис. 5.1): головку 1, в функции которой входят формирование камеры сгорания, тепло- отвод основной доли теплоты, воспринимаемой поршнем от рабо- чего тела, и герметизация внутрицилиндрового пространства; юбку 2, задача которой — восприятие динамических нагрузок и обеспече- ние движения поршня в цилиндре без перекосов. Конструкцию головки формируют днище 3, огневой (жаровой) 4 и уплотняющий

5 пояса. Юбка поршня состоит из бо- бышек б и направляющей части.

На рис. 5.2 и 5.3 представлены ти- пичные конструкции поршней автотра- кторных двигателей различного типа.

Конструкция днища поршней опре- деляется типом двигателя, принятым способом смесеобразования и формой камеры сгорания. Поршни с плоским днищем наиболее распространены в ДсИЗ, а также в дизелях с разделен- ными камерами сгорания. Такая конст- рукция обеспечивает наименьшую теп- ловосприимчивосгь днища, а также упрощает технологию изготовления поршня. В ДсИЗ могут использоваться также поршни с выпуклым (с вытесни- телем для обеспечения требуемой сге-

Рис. 5.1. Основные элементы поршня:

1—головка; 2—юбка; 3—днище; 4, 5— огневой (жаровой) и уплот­няющий пояса; б— бобышки

Рис. S.2. Конструкция поршней дизелей:

/ ребра, соединяющие дншце и бобышки поршня; 2—бобышха со скошенным внутренним

торцом; 3— вырез под клапан

пени сжатия) и вогнутым днищем. В дизелях с объемным, присте­ночным и объемно-пристеночным смесеобразованием 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.

Сложная конфигурация поршня, быстро меняющиеся по вели­чине и направлению тепловые потоки, воздействующие на его эле­менты, приводят к большим градиентам температур по его объему

и, как следствие, к значительным переменным по времени локаль­ным термическим напряжениям и деформациям (см. рис. 3.4).

Теплота, воспринимаемая головкой поршня от рабочего тела, отводится в систему охлаждения через отдельные его элементы в следующем соотношении (%): в охлаждаемую стенку цилиндра через компрессионные кольца — 60...70, через юбку поршня —

20. .30, в систему смазки через внутреннюю поверхность днища поршня — 5... 10. Поршень также воспринимает часть теплоты, вы­деляющейся в результате трения между элементами поршневой группы и цилиндра.

Для поршней современных автотракторных двигателей харак­терны следующие эксплуатационные дефекты:

• износ и разрушение поверхностей верхней кольцевой канавки;

• разрушение (прогар) днища поршня;

123

Рис. 5.3. Поршни двигателей с искровым зажиганием:

1— терморегулирующая вставка; 2— Т-образная прорезь; 3— вставка канавки под первое комп­рессионное кольцо; 4~ зона выборки металла для подгонки по массе; 5— поперечная прорезь;

е—дезахсаж

• появление трещин и обгорание кромок камеры сгорания;

• перегрев зоны канавки верхнего компрессионного кольца с по­терей его подвижности;

• интенсивное отложение нагара на элементах головки поршня;

• наволакивание металла и задиры на элементах цилиндропор­шневой группы;

• износ боковых поверхностей юбки;

• образование трещин в бобышках поршня.

Данные дефекты приводят к ухудшению показателей работы двигателя, вплоть до выхода его из строя, и связаны, как правило, с уменьшением мощности, повышением расхода топлива и масла, снижением моторесурса, а также ухудшают экологические харак­теристики ДВС.

124

Высота головки h_T определяет габариты и массу всего поршня, it связи с чем ее выбирают минимально необходимой для нормаль­ного функционирования элементов уплотняющего пояса. Особое ■шимание при этом обращается на тепловое состояние зоны канавки нсрхнего компрессионного кольца и бобышек поршня.

При выборе высоты огневого пояса h стремятся обеспечить рас­положение верхнего компрессионного кольца в пределах охлажда­емой части цилиндра при нахождении поршня в ВМТ. Увеличение А, /(иктуемое необходимостью поддержания температуры верхней ка­навки на уровне ниже температуры коксования масла, приводит к росту температуры днища поршня и, следовательно, к необходи­мости увеличения монтажного зазора между огневым поясом и ци­линдром. Это вызывает рост вредного объема над первым компрес­сионным кольцом, что ухудшает, особенно у дизелей, качество рабочего процесса, повышая концентрацию токсических компонен­тов в отработавших газах.

Высота уплотняющего пояса определяется количеством и тол­щиной компрессионных колец. В современных двигателях для обес­печения эффективного уплотнения их число, как правило, не превы­шает двух (рис. 5.4) и в ряде случаев доводится до одного. Большее количество колец, практически не улучшая герметизацию внутри- цилиндрового пространства (рис. 5.5), помимо увеличения массы и габаритов поршня приводит к существенному возрастанию по­терь на трение. При выборе их числа необходимо иметь в виду также и тот факт, что через компрессионные кольца отводится

Рис. 5.4. Параметры конструктивных элементов поршневой группы

125

Рис. 5.5. Изменение давле­ния в лабиринтном уплот­нении ори различном ко­личестве компрессионных колец

основная доля теплоты, воспринимаемой поршнем. Это обстояте­льство накладывает существенные ограничения на минимизацию их количества и толщины.

В нижней части уплотняющего пояса устанавливается одно мас­лосъемное кольцо. Для ограничения поступления масла в зазор между юбкой и гильзой цилиндра при большой его величине на непрогретом двигателе в нижней части юбки иногда устанавливают второе маслосъемное кольцо.

Высота межкольцевых перемычек h_B принимается практически равной высоте кольца, что обеспечивает их достаточную прочность. Исключение составляет перемычка между первым и вторым комп­рессионными кольцами, которая имеет большую высоту, так как она воспринимает высокие давления газов.

Для отвода в запоршневое пространство излишков масла, сни­маемых маслосъемным кольцом, в днище его канавки для масло* съемных колец высверливают 6... 12 дренажных отверстий диамет­ром 3...5 мм со стороны рабочих поверхностей юбки.

Толщину днища поршня ё назначают исходя из требований обес­печения необходимого теплоотвода от элементов его головки. С увеличением толщины днища снижается термическое сопротив­ление на пути распространения теплового потока, что приводит к выравниванию и снижению температуры элементов головки поршня, улучшению условий работы компрессионных колец. По этой же причине и с целью ограничения значений локальных гради­ентов температур переходы от днища поршня к уплотняющему поясу и бобышкам выполняются массивными, особенно у поршней дизелей.

126

Таблица 5.1

127

Продолжение табл. 5.1

Примечание. Внутренний диаметр поршня мм: dj=D—2(j+/+A/).

2. ЗАЗОРЫ МЕЖДУ ЭЛЕМЕНТАМИ ПОРШНЯ И ЦИЛИНДРОМ

Зазоры между элементами поршня и зеркалом цилиндра при прогретом двигателе являются одним из наиболее важных парамет­ров, влияющих как на работоспособность поршневой группы, так и на потребительские качества двигателя в целом. Наличие зазоров и их величина зависят от уровней механической и тепловой наг- руженности элементов цилиндропоршневой группы, соотношения конструктивных параметров и теплофизических свойств материалов их элементов.

Проблема стабилизации величины зазоров в сопряжении по­ршень — цилиндр для всего многообразия эксплуатационных режи­мов работы осложняется тем, что коэффициент линейного расшире­ния поршней из алюминиевых сплавов в 1,5...2 раза превышает коэффициент линейного расширения стальной или чугунной гильзы цилиндра. Тепловое состояние поршня на различных режимах рабо­ты ДВС существенно варьируется. Его температура изменяется от минимальной при пуске и прогреве холодного двигателя до мак­

128

симальной на режимах наибольших нагрузок. На фоне относитель­но стабильного теплового состояния цилиндра это обстоятельство предопределяет существенные изменения величин зазоров по режи­мам работы ДВС. Стабилизация зазора в сопряжении юбка по­ршня — зеркало цилиндра является одной из ключевых и трудно решаемых проблем конструирования поршней из алюминиевых сплавов.

Уплотняющему поясу головки поршня по его образующей при­дается одна из следующих форм: ступенчатая, коническая, перемен­ная по лекальной кривой. Учитывая характер распределения тем­пературы по высоте уплотняющего пояса (верхняя кромка —

280. .320 °С, нижняя — 120...140 °С), такая его конфигурация позво­ляет при достижении штатного теплового состояния придать голов­ке поршня цилиндрическую форму.

Юбке поршня в современных конструкциях придается бочкооб­разная форма. Это позволяет избежать кромочного удара при перекладках поршней, облегчить условия формирования масля­ного клина в сопряжении юбка поршня — зеркало цилиндра, а так­же учесть особенности ее термической деформации вследствие нера­вномерности распределения температуры по высоте (от 120...140°С в верхней до 95...100°С в нижней зонах). Применение поршней с оптимальной формой его образующей (рис. 5.6) обеспечивает уменьшение (до 20%) их термонагруженности, а также способствует улучшению экологических характеристик и снижению расхода мас­ла на угар.

При нагружении юбки поршня боковой силой N происходит ее овализация, что является следствием неравномерности распределе­ния нагрузки по ее периметру (зона нагрузки ограничена в попереч­ном сечении дугой с углом 80... 100°) (рис. 5.7). Это обстоятельство, а также неравномерность деформации конструкции поршня от дав­ления газов на днище и при тепловом расширении приводят к тому, что рабочая часть юбки приобретает форму овала с большей осью в направлении оси пальца. Для нейтрализации этого явления при изготовлении поршня предусматривается технологическая овализа­ция его юбки с меньшим диаметром по оси поршневого пальца (см. рис. 5.6). В этом случае при штатном тепловом состоянии форма юбки приближается к цилиндрической.

Лимитировать величину тепловой деформации юбки возмож­но за счет ограничения поступающих в нее тепловых потоков от головки поршня с помощью одной или двух симметрично рас­положенных поперечных прорезей по днищу канавки маслосъем­ного кольца (см. рис. 5.3). Однако при этом затрудняется теплоот­вод от элементов головки, а также уменьшается жесткость конст­рукции поршня.

129

Рис. S.6. Профиль поршня по его высоте и по окружности

Термостабилизацию зазора между цилиндром и юбкой по­ршня при изменении режима работы ДВС в ряде конструкций осуществляют вертикальными прорезями, располагаемыми на той ее стороне, которая не прижимается к цилиндру во время рабочего хода поршня (см. рис. 5.3). При этом в холодном состо-

130

Рис. 5.7. Деформации поршня:

а — эпюра давлений на юбку поршня от боковой силы N; б — деформации поршня под действием газовых сил; в — деформации поршня под действием тепловой нагрузки

янии зазор создается достаточно малым, что способствует устра­нению стуков поршня и шума. По мере прогрева двигателя юбка расширяется, но заклинивания поршня при выборке зазора не происходит, так как увеличение диаметра юбки компенсируется уменьшением ширины прорезей.

В поршнях ДсИЗ используют комбинированные П- и Т-образ- ные прорези. Следует заметить, что данные мероприятия значи­тельно снижают механическую прочность конструкции поршня, вследствие чего не применяются в современных форсированных двигателях.

Эффективным средством регулирования теплового расширения юбки является применение специальных терморегулирующих вста­вок, размещаемых в верхней части юбки. Наибольшее распрост­ранение получили конструкции поршней со вставками следующих типов.

• Автотермик. В поршень заливаются две стальные вставки, совместно с литыми стенками связывающие юбку с бобышками (рис. 5.8, а). Две поперечные прорези ме>яду головкой и юбкой обеспечивают снижение температуры юбки, а также ограничивают влияние деформации головки на ее форму. Биметаллическая стенка из-за разности коэффициентов линейного расширения ее слоев при нагреве изгибается в направлении оси пальца и втягивает внутрь рабочий участок юбки, компенсируя при этом увеличение ее диамет­ра за счет линейного расширения.

131

б

Рис. 5.8. Терморегулирующие вставки поршней: а — поперечные вставки типа автотермяк; б — кольцевая вставка тала клероматик

• Автотерматик. Конструктивно аналогичен автотермику, но без поперечных прорезей между головкой и юбкой. Естественно, такая конструкция менее эффективна, но при этом поршень имеет более высокую жесткость и меньшую температуру уплотняющего пояса.

• Клероматик или конформатик. В верхнюю часть юбки зали­вается стальное армирующее кольцо (реже два полукольца) кругло­го или прямоугольного сечения (рис. 5.8, б). Такая конструкция увеличивает жесткость верхней зоны юбки и тем самым ограничива­ет радиальные тепловые деформации не только в плоскости рас­положения колец, но и по всей высоте юбки.

• Диотерматик. В юбку поршня заливаются фигурные вставки, верхние кромки которых доходят до торцевой поверхности канавки маслосъемного кольца.

Для уменьшения работы трения, ускорения процесса приработ­ки, придания юбке поршня хороших антифрикционных и антииз- носных качеств, защиты от коррозии на ее рабочую поверхность наносят различные легкоплавкие покрытия с помощью лужения оловом, свинцевания, фосфатирования, графитизации. Для повы­шения маслоемкости трущегося сопряжения на наружной поверх­ности юбки создают организованный микрорельеф.

В нижней части юбка может иметь прорези для прохода про­тивовесов коленчатого вала.

Для ограничения технологической неуравновешенности ДВС ли­митируется разновесность поршней, величина которой обычно не превышает 0,5...1,0%. Подгонку поршней по массе осуществляют снятием металла со специальных приливов на внутренней поверх­ности юбки.

132

а

6

Рис. 3.9. Противоизносные вставки поршневых канавок: а — типы вставок; б — вставка с составным поршнем

133

Рис. 5.10. Поршни с принудительным охлаждением:

а — струйное охлаждение пнитя поршня; б — Л — полостное охлаждение поршня (б — полость в цельнометаллическом поршне; в — полость, закрытая элементом, формирующим камеру сгорания; г, д — полость, сформированная двумя элементами составного поршня)

135

Рис. 5.11. Варианты соединения составных поршней:

а - центральным болтом; 6 — винтами по периферии; « специальными выступами; г — бол­тами по периферии; 1— верхняя часть составного поршня; 2— крепежный элемент

2

1

1

2 1

1

137

Рис. S.12. Нагрузки и дефор- мации бобышек поршня:

а — деформации и напряжения в бобышках поршня; 6 — профи- лирование поршневого пальца

• профилирование формы наружной поверхности пальца таким образом, чтобы при нагружении она согласовывалась с линией его прогиба на участке контакта с бобышкой (рис. S.12, б). Это позволя­ет повысить несущую способность бобышек поршня на 40%;

• аналогичный эффект может быть получен также соответст­вующим профилированием опорных поверхностей бобышек в зоне внутренних кромок, однако это связано с существенным усложнени­ем технологии изготовления поршня;

• скругление наружных кромок отверстий в бобышках (с фас­ками по упрощенному варианту), что позволяет уменьшить концен­трацию напряжений на 40%;

• расположение в отверстиях для пальца втулок из податливых материалов (алюминиево-медных сплавов, алюминиевой бронзы, порошковых материалов); наличие упругого элемента между паль­цем и бобышкой позволяет повысить их трещиностойкость на

30...50%;

• дробеструйная обработка или раскатка роликом внутренней поверхности отверстий в бобышках, что способствует повышению их усталостной прочности (на 8...20%);

• изготовление заготовок поршней из эвтектического силумина, что повышает на 15...26% трещиностойкость бобышек.

138

С учетом специфики работы поршней к их материалам предъяв- цяются следующие требования: малая плотность, высокая про­чность, низкая склонность к трещинообразованию и усталости, | ермо-, химико- и износостойкость, малая теплопроводность, невы­сокий коэффициент линейного расширения, низкая стоимость мате­риала и технологии изготовления поршня.

Для изготовления поршней автотракторных ДВС в настоящее нремя в основном используют алюминиевые сплавы, реже серый или ковкий чугун, а также композиционные материалы.

Алюминиевые сплавы имеют малую плотность, что позволяет снизить массу поршня, обладают высокой теплопроводностью, позволяющей при прочих равных условиях иметь меньшие тем­пературы элементов поршневой группы. К положительным качест­вам алюминиевых сплавов следует отнести и малые значения коэф­фициента трения в паре с чугунными или стальными гильзами цилиндров.

Однако поршням из алюминиевых сплавов присущ ряд серьез­ных недостатков, основными из которых являются невысокая уста- иостная прочность, резко уменьшающаяся при повышении тем­пературы, высокий коэффициент линейного расширения, меньшая, чем у чугунных поршней, износостойкость, сравнительно большая стоимость.

В настоящее время для изготовления поршней используют ли­тейные и ковочные сплавы алюминия с кремнием — силумины двух видов: доэвтектические с содержанием кремния 11...14% и заэвтек- гические — 17...25%.

Увеличение содержания кремния в сплаве приводит к уменьше­нию коэффициента линейного расширения, к повышению термо- и износостойкости, но при этом ухудшаются его технологические качества и растет стоимость производства.

Для улучшения физико-механических свойств силуминов в них вводят различные легирующие добавки. Добавка в алюминиево­кремниевый сплав до 6% меди приводит к повышению усталостной прочности, увеличивает теплопроводности, улучшает литейные ка­чества и, следовательно, снижает стоимость изготовления. Однако при этом несколько снижается износостойкость поршня. Исполь­зование в качестве легирующих добавок натрия, азота, фосфора увеличивает износостойкость сплава. Легирование никелем, хро­мом, магнием повышает жаропрочность и износостойкость конст­рукции.

Заготовки поршней из алюминиевых сплавов получают путем отливки в кокиль или горячей штамповкой. После механической

139

140

2. ПОРШНЕВОЙ ПАЛЕЦ

Ключевая проблема конструирования поршневого пальца — обеспечение высокой усталостной прочности, жесткости и износо­стойкости при минимальных конструктивной массе и затратах на производство.

В автотракторных двигателях достаточно широко используются пальцы простейшей трубчатой формы (рис. 5.13, а). Однако в ряде конструкций для минимизации массы при сохранении высокой про­чности палец изготовляют в сечении в виде балки, равной прочно­сти на изгиб (рис. 5.13, б — г).

По способу сочленения с верхней головкой шатуна различают поршневые пальцы плавающие и защемленные.

Защемленные пальцы фиксируются в шатуне, что позволяет уве­личить длину опорной поверхности в бобышках поршня и (или) уменьшить диаметр пальца за счет сокращения длины опорного участка в головке шатуна.

Отсутствие зазора между пальцем и шатуном позволяет умень­шить отклонение шатуна в направлении оси коленчатого вала. Однако при применении защемленных пальцев их износ по на-

Рис. 5.13. Конструкция поршневых пальцев: а — трубчатый; б — г — равнопрочный с конической внутренней поверхностью

141

ружной поверхности неравномерен в силу того, что в процессе работы палец не вращается

Как было показано ранее, профилирование наружной поверх­ности пальца производят с учетом возможности уменьшения удель­ных давлений, оказываемых им на бобышки поршня.

Сочетание высоких усталостной прочности пальца и износо­стойкости его наружной поверхности обеспечивается выбором соответствующего материала для его изготовления, а также ис­пользованием термохимических (закалка ТВЧ, цементация), тех­нологических (шлифовка, полирование) методов упрочнения его конструкции.

Пальцы ДсИЗ изготовляют из среднеуглеродистых сталей 45 и 40ХА. Их наружная поверхность закаливается ТВЧ на глубину

0. ..1.5 мм для получения твердости HRC 52...60. Для пальцев дизелей и форсированных ДсИЗ используют легированные стали 15Х, 15ХА, 18Х2Н4МА и 12ХЗА, которые цементируют на глубину 1,0—1,7 мм. Их поверхностная твердость достигает HRC 56...65. Дополнительная цементация пальца и полировка его внутренней поверхности позволяют повысить усталостную прочность на

15. .20%. Поршневые пальцы, изготовляемые из азотируемых ста­лей, после соответствующей термообработки имеют на 35...45% большую усталостную прочность.

3. ПОРШНЕВЫЕ КОЛЬЦА

Конструкции поршневых колец функционально специализирова­ны. Компрессионные кольца являются основным элементом лаби­ринтного уплотнения внутрицилиндрового пространства. Для их нормального функционирования необходимо, чтобы они устанав­ливались в канавки поршня с достаточно большими радиальным и осевым зазорами. Такая конструкция лабиринтного уплотнения обладает насосным действием и принципиально не может ограни­чить поступление масла в цилиндр. Эту функцию выполняют мас­лосъемные кольца, устанавливаемые в канавку с минимальными зазорами, в которых имеются полости для сбора и отвода масла из зазора в запоршневое пространство; на них также возлагаются функции регулирования режима смазки сочленения поршень — ци­линдр.

Конструкции наиболее распространенных в автотракторных двигателях компрессионных колец приведены на рис. 5.14.

• Кольца с прямоугольным поперечным сечением (рис. 5.14, а) просты в изготовлении, имеют большую площадь контакта по рабочей поверхности со стенкой цилиндра, что способствует хоро- 142

а — прямоугольного профиля; 6 — с конической рабочей поверхностью; в — с бочкообразной рабочей поверхностью; г. д — прямоугольного профиля с прямоугольной или скошенной внут­ренней выточкой; е, ж — с поперечным сечением в виде симметричной и несимметричной трапеции; э — скребковые; и — витые стальные; к — с обратным торсионом

шему теплоотводу от головки поршня в систему охлаждения. Одна­ко их недостатком является трудность приработки рабочей поверх­ности к зеркалу цилиндра.

• Кольца с конической рабочей поверхностью («минутные») с уг­лом наклона рабочей поверхности к зеркалу цилиндра 15...30' из-за повышенного давления на рабочей кромке быстро прирабатывают­ся к зеркалу цилиндра, после чего приобретают все качества колец с прямоугольным сечением (рис. 5.14, 6). Однако производство таких колец более сложно.

• Достоинства и недостатки колец прямоугольного и коничес­кого сечений в значительной мере учтены в конструкции скручива­ющихся (торсионных) колец (рис. 5.14, г, д). Такие кольца в свобод­ном состоянии имеют прямоугольное сечеияе с выточками, осла­бляющими верхнюю зону сечения кольца.

В рабочем состоянии такое кольцо «скручивается» за счет боль­шей его деформации в верхней зоне сечения и его рабочая поверх­ность контактирует с зеркалом узкой кромкой, как и в случае «минутного» кольца. Это способствует быстрой его приработке. Однако такие кольца плохо контактируют со стенками канавки, что

143

а — коробчатого типа без расширителя; б — коробчатого типа с витым пружинным расшири­телем; в — два скребковых кольца; г — коробчатого типа с радиальным расширителем; д — с радиальным и осевым расширителем; е — с тангенциальным расширителем

имеется канавка-резервуар для сбора масла, отвод которого в запо- ршневое пространство осуществляется через дренажные отверстия в поршне. Внутреннюю поверхность кольца выполняют в виде полуокружности или V-образной формы. В первом случае пружина быстрее прирабатывается, однако она может закрывать часть пло­щади дренажных окон. Этот тип кольца используют практически на всех автомобильных дизелях и примерно на трети конструкций ДсИЗ. Для повышения долговечности рабочие пояски колец покры­вают электролитическим слоем пористого хрома;

• стальные составные (сборные) хромированные маслосъемные кольца, состоящие из двух кольцевых опорных пластин и расшири­телей (осевого и радиального или тангенциального), используются в основном на ДсИЗ (рис. 5.15, г — е). Наиболее эффективны кольца с тангенциальным расширителем, обеспечивающим оптимальное расположение опорных колец в канавке (рис. 5.15, е). Расширители за счет собственной упругости позволяют повысить давление опор­ного кольца на стенку при минимальной его радиальной толщине. Такое кольцо более гибко и лучше приспосабливается к искажениям формы цилиндра, а удельное давление на стенку цилиндра мало зависит от величины износа его элементов;

• система из двух колец скребкового ти\а (рис. 5.15, в), устанав­ливаемых в одну канавку (верхнее кольцо при этом имеет дренаж­ные прорези), допускает возможность их «независимой» работы, что улучшает функционирование колец при движении поршня с не­которым перекосом.

Качественное выполнение функций системой колец в составе поршневой группы определяется не только высокоэффективными

145

/>,МШ

Рис. 5.16. Эпюры радиальных давлений кольца на зеркало цилиндра по окружности:

1— грушевидная; 2— овальная; 3— среднее радиальное давление

146

О LM

6

а

б

в

г

Рис. 3.17. Форма замка кольца: а — прямоугольная; б — косая; в — ступенчатая; г — со пггифтом для двухтактных двигателей

в быстроходных двигателях. Величина зазора в замке в рабочем состоянии 0,05...0,1 мм.

В качестве материала для поршневых колец в основном применя­ют специальный серый высокопрочный чугун, который обладает стабильными показателями прочности и упругости при рабочей температуре в течение всего срока службы кольца, высокой износо­стойкостью в условиях граничного трения, хорошими антифрикци­онными свойствами, способностью достаточно быстро и эффектив­но прирабатываться к поверхности цилиндра. Легирующие добавки Cr, Ni, Mo, W способствуют повышению его жаропрочности до 340 °С. Наличие значительной части углерода в виде пластинчатого графита приводит к повышению адсорбирующих и смазывающих качеств поршневого кольца, а также снижает его чувствительность к концентраторам напряжений.

Технология изготовления поршневых колец должна обеспечивать такую форму кольца в свободном состоянии, которая создавала бы необходимую эпюру давления в его рабочем состоянии. Современ­ные кольца отливают индивидуально с минимальными припусками на механическую обработку и затем обрабатывают по копиру. После закалки и отпуска в них вырезают замок. Окончательное шлифование поверхностей кольца производят после напыления из­носостойкого материала.

Витые кольца и расширители маслосъемных колец изготовляют из стальной полированной ленты. Для улучшения прирабаты- ваемости, увеличения износостойкости и защиты от коррозии на рабочую поверхность кольца наносят специальные покрытия пористого хрома (см. рис. 5.14). При этом оптимальная твердость рабочей поверхности кольца достигается при толщине слоя хрома до 0,25 мм.

Наиболее современные конструкции — кольца с молибденовым покрытием рабочей поверхности, наносимым наплавкой или напы­лением в плазменной струе. Такое покрытие эффективно предот­вращает «прижоги» благодаря высокой температуре плавления мо­либдена, а получаемая при нанесении его пористая структура повер­хности способствует удержанию масляной пленки. Образующийся при трении оксид молибдена обладает хорошими смазывающими свойствами.

147

148

5. РАСЧЕТ ПОРШНЕВОГО ПАЛЬЦА

В процессе работы под действием инерционных и газовых сил п конструкции пальца возникают напряжения изгиба, среза и овали- ищии.

Конструктивные параметры пальца при его проектировании пер­воначально определяют по статистическим данным (см. табл. 5.1), а затем уточняются по результатам проверочных расчетов.

При определении параметров d_n, /_б и а (рис. 5.18, а) необхо­димо руководствоваться следующими соображениями. У пальца плавающей конструкции износостойкость втулки верхней головки шатуна выше, чем бобышек поршня, а обеспечить хорошие условия се смазывания легче, чем сопряжения палец — бобышки. Поэтому опорную длину втулки исходя из принципа равнопрочности целесо­

Рис. 5.18. Расчетная схема поршневого пальца:

а — основные геометрические соотношения; б — схема нагружения пальца при изгибе; в — коси­нусоидальное распределение нагрузки по поверхности пальца; г — напряжения на внутренней

и наружной поверхностях пальца

149

150

Для пальцев автомобильных ДВС напряжения, вычисленные по этому уравнению, находятся в пределах 80... 120 МПа.

Овализацией пальца называют его деформацию с приобретением формы овала с большим диаметром в поперечном сечении под действием неравномерного распределения сил по его периметру (рис. 5.18, в). Расчетные зависимости для оценки деформаций и на­пряжений от овализации базируются на уравнениях, описывающих напряжения в брусе малой кривизны при косинусоидальном рас­пределении нагрузок по его поверхности.

Максимальное приращение диаметра поршневого пальца при овализации отмечается в средней его части:

где к — поправочный коэффициент, определенный на основании статистической обработки экспериментальных данных: к=\,5 — — 15(а—0,4)³; — модуль упругости материала пальца, МПа.

Величина диаметральной деформации не должна превышать половины диаметрального зазора между пальцем и втулкой верхней головки шатуна и обычно составляет 0,02...0,05 мм.

При овализации на наружной и внутренней поверхностях пальца возникают напряжения, эпюра которых приведена на рис. 5.18, г. Они рассчитываются по эмпирически уточненным уравнениям для определения напряжений в брусе малой кривизны в характерных точках его внешнего (точки 1 и 3 на рис. 5.18) и внутреннего (точки

2. и 4) волокон:

• для наружной поверхности пальца

0,85Р 1+а+о²

X —

О-*⁴)

• для внутренней поверхности пальца

151

152

Компрессионные D/t кольца

i-

100 140 D,мм

г

Рис. S.19. Расчет порпшевого кольца:

а основные геометричесхие соотношения; б — наиболее приемлемые эпюры давлений; в — способы надевания кольца на поршень; г — зависимость конструктивных параметров кольца от

диаметра цилиндра D

• Среднее по периметру значение давления кольца (МПа) на <еркало цилиндра определяется по уравнению для бруса малой кривизны:

0,425 Sq/I

Рсв= Е .

Ъ-fL ф/0(2)/<-1)³

Здесь [1 — коэффициент, учитывающий влияние формы эпюры дав­ления на Рср', для неравномерной эпюры /х»0,2; Е — модуль уп­ругости материала кольца. Для чугуна £=(1,0...1,2)' 10⁵ МПа.

Характерные значения в зависимости от типа кольца и диа­метра цилиндра D приведены на рис. 5.19, г.

• Определяются напряжения изгиба, возникающие в сечении кольца, противоположном замку в рабочем его состоянии:

1,275 SJt

{D/t-X)¹'

153

где т — коэффициент, определяемый способом надевания кольца на поршень (рис. 5.19, в).

Предельные значения напряжения о'_г на Ю...30% больше пре­

дельных величин «г,,** и составляют 400...500 МПа.