1.2 Поршневі кільця

Поршневі кільця працюють в умовах високих температур і значних змінних навантажень. В якості матеріалів для кілець зазвичай використовують сірий чи легований чавун. Для форсованих двигунів компресійні кільця виготовляють з легованих сталей.

Основними конструктивними параметрами поршневих кілець є (див. табл. 1.1): відношення діаметра циліндра до радіальної товщини кільця D/t; відношення різниці між величинами зазорів замка кільця у вільному і робочому стані до товщини кільця A₀/t; висота кільця a.

Модуль пружності матеріалу кільця: сірого чавуну Е = 1,010⁵ МПа, легованого чавуну Е = 1,210⁵ МПа, сталі Е = (2...2,3)10⁵ МПа.

Середній тиск кільця на стінку циліндра

.

(1.21)

Середній радіальний тиск: для компресійних кілець p_сер = (0,11...0,37) МПа; для оливознімних кілець p_сер = (0,2...0,4) МПа.

При зменшенні частоти обертання колінчатого вала двигуна і збільшенні діаметра циліндра значення p_сер наближається до нижньої границі.

Для забезпечення доброго припрацювання кільця і надійної щільності тиск p кільця на стінку циліндра в різних точках кола повинен змінюватися згідно епюри (рис. 1.4), що побудована за даними, які рекомендовані ДСТУ (табл. 1.2).

Таблиця 1.2 – Залежність зміни параметра _к за сегментами поршневого кільця

Кут сегменту кільця , град	0	30	60	90	120	150	180
Відношення p/ pсер = к	1,05	1,05	1,14	0,90	0,45	0,67	2,85

Рисунок 1.4 – Епюра тиску компресійного кільця двигуна на стінку циліндра.

Тиск кільця на стінку циліндра в різних точках кола

,

де _к — для різних кутів  взято з ДСТУ табл. 1.2.

Результати розрахунку зводять у табл. 1.2 та будують епюру тиску компресійного кільця на стінку циліндра.

Напруження згину кільця в робочому стані

.

(1.22)

Напруження згину при одяганні кільця на поршень

,

(1.23)

де m — коефіцієнт, що залежить від способу одягання кільця. При попередньому розрахунку приймають m = 1,57.

Допустимі напруження при згині кільця [_зг] = 220…450 МПа. Нижня границя відповідає двигунам з великим діаметром циліндра. Напруження _зг2 зазвичай перевищує напруження _зг1 на 10…30 %.

Монтажний зазор в замку поршневого кільця в холодному стані

,

(1.24)

де — мінімально допустимий зазор в замку кільця під час роботи двигуна,  = 0,06...0,10 мм; _к і _ц — коефіцієнти лінійного розширення матеріалів кільця і гільзи циліндра; t_к, t_ц і t₀ — відповідно температура кілець і стінок циліндра в робочому стані і початкова температура t₀ = 15С. При водяному охолодженні приймають: t_ц = 110…115С, t_к = 200…300С, а при повітряному — t_ц = 170…190С, t_к = 250…450С.

1.3 Поршневий палець

Під час роботи двигуна на поршневий палець діють змінні навантаження, що призводять до виникнення напружень згину, зсуву, зминання і овалізації. Відповідно вказаним умовам роботи до матеріалів, що застосовують для виготовлення пальців, висувають вимоги високої міцності і в’язкості. Для виготовлення пальців застосовують цементовані маловуглецеві і леговані сталі: 15Х, 15ХА, для форсованих двигунів 12ХН3А, 18Х2Н4МА.

Основні конструктивні розміри поршневих пальців (рис. 1.5) зазвичай приймають згідно статистичних даних (табл. 1.1) чи за даними прототипів з наступною перевіркою розрахунком.

Розрахунок поршневого пальця складає визначення питомого тиску пальця на втулку верхньої головки хитня і на бобишки, а також напруження від згину, зрізу і овалізації.

Максимальні напруження в пальцях двигуна Отто виникають при роботі в режимі максимального обертового моменту, а в пальцях дизелів — при роботі в номінальному режимі.

Рисунок 1.5 – Конструктивна схема пальця.

Розрахункове навантаження, що діє на поршневий палець

,

(1.25)

де p_z max = p_z — для двигунів Отто найбільший тиск газів в режимі максимального обертового моменту, що наближено дорівнює максимальному тиску згоряння в номінальному режимі без врахування заокруглення індикаторної діаграми; для двигунів Дизеля p_z max = p_z в режимі максимальної (номінальної) потужності; k — коефіцієнт, що враховує масу поршневого пальця (для двигунів Отто k = 0,76...0,86; а для дизелів — k = 0,68...0,81); — сила інерції поршневої групи, для двигунів Отто при , для дизелів , .

Розрахункова схема поршневого пальця показана на рис. 1.6.

Питомий тиск пальця на втулку поршневої головки хитня

,

(1.26)

де d_п — зовнішній діаметр пальця; l_х — довжина опорної поверхні пальця в головці хитня.

Питомий тиск плаваючого пальця на бобишки

,

(1.27)

де l_п — загальна довжина пальця; b — відстань між торцями бобишок; (l_п–b) — довжина опорної поверхні пальця в бобишках.

Для сучасних автомобільних і тракторних двигунів q_х = 20...60 МПа і q_б = 15...50 МПа. Нижні границі стосуються тракторних двигунів.

Рисунок 1.6 – Розрахункова схема поршневого пальця із зазначеними епюрами навантажень та моментів.

Напруження згину в середньому перерізі пальця при умові розподілу навантаження згідно епюри, яка наведена на рис. 1.7,

,

(1.28)

де — відношення внутрішнього діаметра пальця до зовнішнього.

Для автомобільних і тракторних двигунів [_зг] = 100...250 МПа.

Дотичні напруження зрізу в перерізі пальця між бобишками і головкою хитня

.

(1.29)

Для автомобільних і тракторних двигунів [] = 60...250 МПа. Нижні границі притаманні тракторним двигунам, а верхні –пальцям, що виготовлені з легованої сталі.

Внаслідок нерівномірного розподілу сил, що прикладені до пальця, при роботі двигуна відбувається деформація перерізу пальця (овалізація). Напруження, що виникають в цьому випадку, мають різні значення за довжиною і його перерізом (рис. 1.7).

Максимальна овалізація пальця спостерігається у середній частині пальця. Максимальне збільшення горизонтального діаметра пальця при овалізації

,

(1.30)

де Е — модуль пружності матеріалу пальця. Для сталі Е = (2,0...2,3)10⁵ МПа. Значення d_п.max не повинно перевищувати 0,02...0,05 мм.

Рисунок 1.7 – Розподіл навантаження на поршневий палець та епюри напружень, що виникають у ньому.

Напруження, що виникають при овалізації пальця на зовнішній і внутрішній поверхнях (рис. 1.7), визначають для горизонтальної (точки 1 і 2 при  = 0) і вертикальної (точки 3 і 4 при  = 90) площин за наступними формулами: на зовнішній поверхні пальця в горизонтальній площині (точки 1,  = 0):

;

(1.31)

на зовнішній поверхні пальця у вертикальній площині (точки 3,  = 90)

.

(1.32)

на внутрішній поверхні пальця у горизонтальній площині (точки 2,  = 0)

;

(1.33)

на внутрішній поверхні пальця у вертикальній площині (точки 4,  = 90)

.

(1.34)

Найбільше напруження овалізації виникає на внутрішній поверхні пальця в горизонтальній площині. Це напруження не повинно перевищувати 300...350 МПа.