Значення відносних конструктивних параметрів поршня

Для зменшення спрацювання поршня у його бобишки поршня за­кладають бронзові та сталеві втулки, збільшують діаметр пальця та по­кращують його змащення. На сучасних автомобільних двигунах, як пра­вило, застосовують одне оливознімальне кільце. Збільшення числа кі­лець значно підвищує втрати потужності на тертя.

Бокова сила N, що діє на поршень, навантажує тільки частину бо­кової поверхні юбки, яка обмежена у поперечному перерізі дугою з ку­том при вершині β = 80...100° (рис. 8.17). Неробоча частина поверхні юбки (кути φ) під час роботи завдяки нагріву деформується таким чи­ном, що її розміри у напрямку осі пальця зростають; відбувається овалізація поршня. Для того щоб уникнути заїдання поршня внаслідок указа­них деформацій, юбці під час виготовлення поршня надають еліптичну або овальну форму. При цьому більша вісь овалу збігається з напрям­ком дії нормальної сили, а менша - з поздовжньою віссю пальця.

У сучасних карбюраторних двигунах застосовують поршні таких конструкцій:

• монометалеві поршні без прорізів (рис. 8.16, а);

• монометалічні з поперечними 1 та поздовжніми прорізами 2 між ущільнюючим та направляючим поясами для зменшення нагрівання юбки при роботі та підвищення її пружності (рис. 8.16, б, в);

• біметалеві поршні з терморегулюючими вставками з інвару (рис. 8.16, д).

Розрізні поршні, як правило, виготовляються з невеликою товщи­ною юбки, що дозволяє забезпечувати в холодному стані малі зазори між поршнем та циліндром за рахунок її пружності. До того ж для змен­шення жорсткості юбки застосовують поєднання поперечних та поздов­жніх прорізів П- та Т- подібної форми. Звичайно поздовжні прорізи роз­міщують на тій стороні юбки, яка не притискується до дзеркала циліндра при робочому ході поршня.

При підвищенні теплових та механічних навантажень на поршень необхідно збільшувати його міцність, жорсткість та застосовувати авто­матичне теплове регулювання. Для здійснення терморегулювання у на­правляючий пояс поршнів заливають сталеві поперечні пластини З (рис. 8.16 д), за допомогою яких у відливці створюють залишкові напру­ження.

Застосовуються також вставки з інвару (нікелевого сплаву), який містить 36% N_i та 64% F_e. Коефіцієнт лінійного розширення інвару при­близно у 10 разів менший, ніж у алюмінієвих сплавів. При нагріванні по­ршнів із алюмінієвого сплаву стальні або інварні пластини, які мають менший коефіцієнт лінійного розширення, перешкоджують тепловому розширенню направляючого поясу по лінії дії нормальної сили N. За рахунок цього алюмінієві поршні з інварними або сталевими вставками допускають малі монтажні зазори поршень - гільза (0,012...0,024) мм.

Поршні автомобільних дизелів працюють в умовах важчих, ніж по­ршні карбюраторних двигунів. їх, як правило, виготовляють з потовще­ними стінками і розвитою несучою поверхнею за рахунок збільшення довжини юбки. Прорізи на юбках поршнів дизелів не виконуються. У бі­льшості випадків поршні мають по три ущільнювальних кільця і одне оливознімальне. Виготовляються вони литими, переважно із алюмініє­вих сплавів, рідше - із чавуну. Крім того, особливостями таких поршнів є заливка в головку поршня стального пояска із більш стійкого проти спрацювання матеріалу з канавкою під перше компресійне кільце, наяв­ність холодильників, овалізація перерізу юбки, охолодження внутрі­шньої поверхні днища та кільцевої зони 5 оливою

(рис. 8.16, г).

При експлуатації поршнів спостерігаються задирки, заїдання, зруй­нування, прогари, а також зношування та розбивка кільцевих канавок. Задирки спостерігаються як під час приробки поршня, коли площа по­верхні прилягання ще мала, так і при поточній експлуатації. Задирки у цьому разі найчастіше пов'язані з забрудненням масла стружкою, піском та іншим. Недостатня жорсткість поршня, гільзи циліндра та пов'язані з цим збільшені деформації також можуть викликати як задирки, так і за­їдання поршня. Це може призвести до обриву шатуна. Під дією сил тис­ку газів поршень та палець деформуються, як показано на рис. 8.18. Спільна дія указаних деформацій може викликати викришування опор­ної поверхні по внутрішній кромці бобишок. Для запобігання цьому де­фекту необхідно збільшувати жорсткість поршня та пальця, а також вес­ти розробку опори під палець фаскою з кутом до одного градуса на до­вжині 3...4 мм від кромки бобишки.

У чавунних поршнях тріщини частіше з'являються як результат не­правильного виконання оребрення або підвищених термічних напру­жень над розрахунковими. У поршнях для дизелів частіше обгоряють гострі кромки камери згоряння, що виконана в поршні. Причиною прого­ряння поршнів бензинових двигунів є головним чином детонація.

Матеріалом для виготовлення поршнів є алюмінієві сплави з додат­ками міді, кремнію, нікелю, магнію, титану або чавуну. Поршні з алюміні­євих сплавів приблизно у 2,5 рази легші, ніж із чавуну; у 2...4 рази теплопровідніші, за рахунок чого температура таких поршнів нижча. До їх недоліків слід віднести: майже у два рази вищий коефіцієнт лінійного розширення; різке зниження властивостей пов'язане з температурою, наприклад, при 350 °С міцність їх знижується на 65...70%; більшу вар­тість.

При виготовленні поршнів застосовуються різні технологічні засоби, які підвищують якість їх поверхні. Це такі, як лудіння, хромування, ано­дування юбки, а також термообробка, наприклад, штучне старіння.

Поршневі кільця за призначенням розділяються на компресійні (ущільнюючі) та оливознімальні.

Компресійні кільця працюють у важких умовах, особливо перше з них. Тому більшість неполадок у поршневій групі пов'язана з кільцями. У результаті безпосереднього контакту з гарячими газами та жаровим по ясом поршня, а також унаслідок нагрівання від тертя температура пер­шого компресійного кільця значно підвищується. До того ж у цій зоні те­ртя кільця об стінку циліндра має характер, близький до напівсухого, що збільшує спрацювання його та циліндра.

На рис. 8.19 схематично показано, як діє тиск газів на кільця. Гази із надпоршневого простору через зазори проникають за кільце, притиску­ють його до гільзи. Лабіринт, який створюється канавками та кільцями, лише підвищує ущільнювальну дію кілець.

За конструкцією компресійні кільця бувають (рис. 8.20) прямокутно­го перерізу (7), конусні (2, 3), з вибіркою (4, 5), рідше - з бронзовими та олов'яними вставками (11-14) та інші (9-10), висота кілець коливається в межах b = 2...4 мм, а відносна товщина складає

t / D= 1/21...1/25 .

Для прискорення приробки застосовують конусні та бочкоподібні кіль­ця. У кілець з конусною формою кут нахилу твірної виготовляється у межах 15...30^;.

Кільця 4 - 8 з циліндричним або конічним внутрішнім підрізом вна­слідок несиметричності поперечного перерізу при стисненні під час установки скручуються і впираються зовнішньою кромкою у стінку гіль­зи. Такі кільця мають відносно короткі строки приробки. Площа контакту нижньої поверхні кільця з опорною поверхнею канавки при цьому змен­шується, що погіршує відвід теплоти у гільзу.

Для надійного ущільнення бажано, щоб кільце притискувалося до стінки циліндра з рівномірним тиском протягом усього строку роботи. Але при роботі у міру зносу між кільцем та циліндром з'являються про­світи і, передусім, у районі зазору замка. Для збільшення строку роботи кілець їх виготовляють із початковим нерівномірним тиском по колу, а саме з максимальним тиском у зоні замка. Найбільш доцільною для та­кого кільця є грушоподібна епюра радіального тиску, запропонована проф. Б.Я. Гінзбургом (рис. 8.21). При спрацьовуванні кілець тиск у зоні замка зменшується і перерозподіляється на сусідні ділянки. Тому час надійної роботи такого кільця значно зростає.

Оливознімальні кільця призначені для регулювання кількості ма­сла, що знаходиться на боковій поверхні поршня і поступає до компре­сійних кілець, а також для обмеження попадання масла у камеру зго­ряння.

Ефективна робота оливознімальних кілець забезпечується вико­нанням таких умов:

• високим середнім питомим тиском на стінку циліндра внаслідок малої поверхні тертя кільця;

• малими зазорами між торцем кільця та боковими стінками порш­невої канавки;

• наявністю порожнин, у яких збирається та з яких через отвори від­водиться олива, що знімається із стінок циліндра.

Порожнини та отвори робляться у кільцях та поршнях. У тілі порш­ня порожнини розміщені під кільцем, а отвори - під ним і за ним (рис. 8.22).

Конструкції оливознімальних кілець різноманітні (рис. 8.23). Найбільше розповсюдження знайшли шліцьові та багатоелементні сталеві кільця. Для збільшення питомого тиску кільця на гільзу у канавці з тильної сто­рони його інколи встановлюють сталеві розширники у вигляді бага­тогранних стрічок або циліндричних кручених пружин.

Широке розповсюдження знайшли також складені сталеві оливоз­німальні кільця (11); наприклад, чотириелементні із двох кільцевих ста­левих дисків /, //та двох розширників (осьового /// та радіального IV).

Основними дефектами кілець є втрата їх пружності, руйнування та пригоряння. Зниження температури кільцевої зони поршня досягають, наприклад, збільшенням торцевого зазору між кільцем та поршнем, за­стосуванням трапецієвидних та скручених кілець, зниженням рівня тем­ператури в зоні першого компресійного кільця та збільшенням товщини стінок поршня в зоні кілець.

До матеріалів, із яких виготовляються поршневі кільця, висувають­ся такі основні вимоги:

• висока стійкість проти спрацювання в умовах напівсухого тертя;

• високі антифрикційні якості у парі з поверхнею гільзи циліндра;

• стабільні показники механічної міцності та пружності при робочій температурі.

Матеріал для цільних поршневих кілець - перлітні леговані чавуни з добавками хрому, нікелю, молібдена, вольфрама. Але у дизелях, які мають занадто високі значення максимального тиску згоряння, іноді за­стосовуються сталеві кільця з пористим хромуванням робочої поверхні. Пористе хромування поршневих кілець забезпечує високу твердість їх поверхні; мінімальний коефіцієнт тертя, високу стійкість проти спрацю­вання, добре змочування поверхні мастилом.

На практиці застосовується також електролітичне лудіння кілець з метою прискорення їх припрацювання, оксидування, покриття молібде­ном.

Поршневий палець забезпечує шарнірне з'єднання шатуна з по­ршнем. Діаметр поршневого пальця значно впливає на розміри боби-шок, а відповідно і на масу поршня в цілому. Тому треба встановлювати мінімальні розміри, виходячи з припустимих навантажень і овалізації пальця. Навантаження на поршневий палець носить перемінний харак­тер, близький до ударного. Все це призводить до того, що поршневі паль­ці, як правило, роблять при великих напруженнях, а руйнування їх ма­ють характер втоми.

Умови роботи диктують такі основні суперечливі вимоги до порш­невих пальців автомобільних двигунів: мала маса, мінімальні деформа­ції при роботі, достатній опір ударному навантаженню, висока стійкість проти зносу робочої поверхні.

На автомобільних двигунах переважно застосовуються пальці пла­ваючого типу, які фіксуються у поршні тільки в осьовому напрямку; менш поширені пальці, які закріплені у шатуні. Перевагами пальців пла­ваючого типу є рівномірне спрацьовування їх по довжині і по колу, змен­шення абсолютного значення зносу та зручність монтажу. Фіксуються вони, в основному, пружними кільцями та за допомогою заглушок з м'я­кого матеріалу (рис. 8.24).

У свою чергу пальці, закріплені в шатуні, також мають свої перева­ги, незважаючи на нерівномірний знос. Ця конструкція дозволяє скоро­тити опорну довжину у поршневій головці шатуна та зменшити вільний проліт пальця, що знижує напруження вигину; зменшити питоме наван­таження на бобишки поршня шляхом збільшення їх довжини і тим са­мим підвищити надійність їх роботи. Тому такі пальці поруч із плаваю­чими знайшли застосування у автомобільних двигунах (наприклад, у двигунах ВАЗ).

Конструктивні форми пальців різноманітні. Найбільш простими є пальці трубчатої форми з прямими циліндричними поверхнями (рис. 8.25).

Для забезпечення міцності та стійкості проти спрацювання поршне­вих пальців при тяжких умовах їх роботи вони виготовляються переваж­но із легованих, цементуючих або азотуючих сталей із наступною термі­чною обробкою струмом високої частоти. Також застосовуються поліру­вання неробочих поверхонь пальців.