Поршневые пальцы.

П

Рис. 3.16. Основные типы поршневых пальцев:

а — палец с цилиндрическим отверстием и относительно тонкими стенками для среднефорсированных двигателей; б — короткий палец с толстыми стенками для высокофорсированных двигателей; в — палец "равного сопротиления изгибу" с коническим отверстием; г — палец с увеличенной жесткостью в среднем сечении (применяется, в основном, при неподвижной посадке в отверстии шатуна; д — палец для дизеля с толстыми стенками

оршень с верхней головкой шатуна соединяет поршневой палец. Он должен быть прочным, легким и износостойким, так как во время работы подвергается трению и большим механическим нагрузкам, переменным по величине и направлению. Пальцы изготовляют из углеродистой и малоуглеродистой стали в виде пустотелых трубок.

Поршневой палец является весьма ответственной деталью двигателя, передающей нагрузки от поршня к шатуну. Па­лец обычно работает в паре с мягкими материалами - алюминием (поршень) и бронзой (втулка верхней головки шатуна). Вследствие этого рабочая поверхность пальца должна иметь высокую твердость. С другой стороны, палец работает в условиях высоких циклических нагрузок, что требует применения вязких материалов, обладающих высокой усталостной прочностью. Эти требованиям удовлетворяют легированные никелем и хромом стали с низким содержанием углерода, наружная поверхность которых цементирована или азотирована при сохранении вязкой основы (сердцевины), с последующей закалкой токами высокой частоты на глубину 1-1,4мм. Пальцы из высокоруглеродистой стали закаливают на глубину 1-1,5мм.

Наружная поверхность пальца из условия обеспечения вы­сокого ресурса должна быть обработана с весьма высокой точ­ностью (овальность и конусность не более 2-3 мкм) и иметь ше­роховатость не более 0,2 мкм, что достигается суперфинишной обработкой. Внутренняя поверхность из условия повышения ус­талостной прочности не должна иметь шероховатость более 5-10 мкм. Следы грубой обработки (риски, царапины и т.д.) являются крайне нежелательными концентраторами напряжений.

Большинство бензиновых двигателей имеют поршневые пальцы диаметром 20-23 мм с цилиндрическим внутренним отверстием. Пальцы диаметром 17-19 мм имеют двигатели малого рабочего объёма (до 1600-1700 см³), в том числе многие японские двигатели. Пальцы диаметром более 23 мм на современных бензиновых двигателях применяются редко.

Во время работы двигателя палец испытывает большие изгибающие нагрузки. Изгиб пальца приводит к его овализации, т.е., чем больше деформация изгиба, тем более овальным становится поперечное сечение пальца. Явление овализации нежелательно с точки зрения износа пальца и со­прягаемых деталей. Поэтому в современных высокофорсированных двигателях имеется тенденция увеличения толщины стенок пальцев и уменьшения их длины. Особенно эффективно здесь использование способа фиксации шатуна от осевого перемещения в бобышках поршня. В бобышках поршня палец укреплен стопорными кольцами, удерживающими его от осевого смещения. Такой палец называют плавающим, так как он при работе двигателя может повертываться в верхней головке шатуна и бобышках поршня. Плавающие поршневые пальцы 2 (см, рис. 3.6.) равномернее изнашиваются и поэтому долговечнее. Перегрев работающего двигателя поршень из алюминиевого сплава расширяется больше, чем стальной палец, поэтому возможен его стук в бобышках поршня.

Для устранения этого явления поршень перед сборкой с шатуном нагревают до 70 - 80°С а затем в поршень и шатун вставляют палец. Когда поршень остынет, палец в бобышках окажется закрепленным неподвижно, а верхняя головка шатуна будет иметь угловое смещение относительно неподвижного пальца. При работе двигателя поршень нагревается, и палец получает возможность поворачиваться вокруг своей оси. Применяют пальцы, запрессованные в верхние головки шатунов (двигатели автомобилей «Жигули»). Такие пальцы могут повертываться только в бобышках поршня.

Повышение прочности пальца за счет увеличения толщи­ны его стенок при прочих равных условиях приводит к возра­станию его массы и, соответственно, инерционных нагрузок на другие детали двигателя (шатун, коленчатый вал и т.д.). Поэтому нередко встречаются конструкции пальцев с нецилинд­рическим отверстием (рис. 3.16), в том числе с коническим, или с усилением сечения в центре. Недостатком таких конст­рукций является их более высокая стоимость.

Поршневые пальцы дизелей легковых автомобилей вследствие значительно более высоких нагрузок обычно имеют диаметры в пределах 24-30 мм. Увеличение диаметра пальца позволяет в этом случае сохранить невысокий уровень удельных нагрузок на поверхности. В то же время пальцы дизельных двигателей имеют примерно в 1,5-2 раза более толстые стенки для обеспечения их жесткости и прочности.

По наружному диаметру пальцы подразделяются на три класса. Класс маркируется краской на торце пальца: синяя метка - первый, зелёная - второй, а красная - третий класс.

Поршневой палец фиксируется от осевого перемещения или запрессовкой его в шатун, или стопорными кольцами (плавающее соединение пальца с поршнем).

Зазор между пальцем и отверстием в бобышках для конструкции с запресованным в шатун пальцем составляет 0,008-0,012 мм. Меньший зазор опасен "прихватом" пальца на холодном двигателе, особенно в условиях низких температур при резком увеличении частоты вращения. Суть явления заключена в очень быстром местном разогреве от трения поверхности отверстия бобышки без прогрева всего материала. При этом размер отверстия не увеличивается, а уменьшается, и палец заклинивает в отверстии с наволакиванием алюминия на стальную поверхность пальца.

О

Рис. 3.17. Фиксация поршневого пальца от осевого перемещения:

а — схема; б — паз для демонтажа кольца; в — основные типы колец

пасность заклинивания при холодном запуске сохраняется многие десятки тысяч километров, т.к. износ пальца и поверхности отверстия в бобышках поршня мал. Следует отметить, что минимально допустимый зазор зависит от мате­риала поршня и диаметра пальца. Использование заэвтектических сплавов при изготовлении поршня и малые диаметры пальца позволяют уменьшить минимальный зазор в отверстиях бобышек до 0,005-0,008 мм.

У большинства двигателей, особенно с плавающими пальцами, пара "стальной палец - отверстие алюминиевого поршня" обеспечивает достаточно высокую долговечность соединения. Однако на последних моделях дизелей (VOLKSWA-GEN) появились конструкции поршней с тонкостенными, бронзовыми втулками, запрессованными в бобышки поршня. Такое решение существенно увеличивает износостойкость деталей и ресурс двигателя в целом.

П

Рис. 3.18. Способы смазки поршневых пальцев в бобышках поршня:

а — через отверстия бобышках маслом, стекающим с днища; б — через от­верстия из канавки маслосъемного кольца; в — через отверстия от холо­дильника; г — через пазы в отверстиях для пальца; д — с помощью масло-сборной канавки в отверстии для пальца

лавающие пальцы фиксируются в бобышках пружинными стопорными кольцами, устанавливаемыми в канавки (рис. 3.17). Наиболее часто применяются простые стопорные кольца круглого сечения толщиной 1,2-1,6 мм (вариант а). Для них требуется небольшой паз от наружной поверхности поршня до канавки, иначе кольцо не снять. Редко используются стопор­ные кольца с "усами" (вариант б) для облегчения монтажа и демонтажа, а кольца с проушинами применяются в основном на дизелях.

Смазка пальца осуществляется различными способами (рис. 3.18). Часто для этого используются сквозные вертикальные отверстия в бобышках, через которые масло подается из подпоршневого пространства (вариант а). Встречаются конструкции с подачей масла из маслосъёмной канавки (вариант б) и с наружной поверхности поршня около бобышек (вариант в), а также с использованием маслосборной канавки (вариант д). Однако сейчас всё более широкое распространение находит способ смазки с помощью продольных пазов на поверхности отверстия под палец (вариант г). Пальцы, за­прессованные в шатун, всегда смазываются одним из пере­численных способов. Для плавающих пальцев на поршнях не­которых двигателей какие-либо смазочные отверстия или канавки могут отсутствовать.