1. Конструкція поршневої групи.

2. Конструкція шатунної групи.

1 Конструкція поршневої групи

Поршень забезпечує передачу зусиль на шатун, герметизує камеру згоряння та відводить тепло в систему охолодження. Вимоги до поршнів суперечливі. Поршні мають бути легкими для зменшення сил інерції і в той же час достатньо міцними. Так як вони працюють в умовах високих температур та перемінних за значенням і напрямком сил тиску газів і сил інерції, які за характером близькі до ударних.

Поршні мають форму перевернутої склянки і конструктивно складаються з головки і юбки. Крім того, за функціональними ознаками можна виділити:

- жаровий пояс - відстань від торця днища поршня до канавки під перше компресійне кільце;

- ущільнюючий пояс, який охоплює зону поршневих кілець і забезпечує герметизацію камери згоряння;

- направляючий пояс по довжині юбки, який забезпечує положення поршня, співвісне до осі циліндра;

- бобишки або вузол з'єднання поршня з шатуном.

Верхня площина поршня - днище може бути плоским, випуклим або ввігнутим. В дизелів з нерозділеними камерами згоряння форма днища поршня наближається до форми факела розпилюваного палива. Бокова сила N, що діє на поршень, навантажує тільки частину бокової поверхні юбки з кутом при вершині β > 80 ... 100°. Неробоча частина юбки під час роботи завдяки нагріву деформується таким чином, що її розміри в напрямку осі пальця зростають.

Для того, щоб уникнути заїдання поршня в циліндрі його юбці надають в поперечному перерізі еліптичну або овальну форму.

У бензинових двигунах можуть застосовуватись поршні таких конструкцій:

• монометалеві поршні без прорізів;

• монометалеві поршні з поперечними та повздовжніми прорізами П - подібної або Τ - подібної форми на юбці для зменшення нагрівання юбки при роботі та підвищення її пружності;

• біметалеві поршні з терморегулючими (інварними) вставками в направляючому поясі; інвар - нікелевий сплав з 36% Ni та 64% Fe. При нагріванні поршнів стальні або інварні пластини, які мають менший коефіцієнт лінійного розширення (в 10 раз) перешкоджають тепловому розширенню направляючого пояса. За рахунок цього такі поршні допускають менші монтажні зазори.

Поршні дизелів працюють в більш важких умовах, їх виготовляють з потовщеними стінками, прорізи на юбці не роблять.

На поршень двигуна діють високі температури (1000…2500 ⁰С), тиск (до 9 МПа) та швидкості, що досягають 15 м/с. Матеріали для виготовлення поршнів - алюмінієві сплави з додатками міді, кремнію, нікелю, магнію, титану. (АЛ-1; АК-2; АК-4). Для покращення механічних властивостей поршні піддають термічній обробці.

Поршень складається із днища 1 (рис.14.1) ущільнювальної частини (головки) 3 та направляючої частини (юбки) 4. У днищі поршня розміщена частина камери згоряння (двигун з роздільною камерою згоряння) або вся камера (двигуни з нероздільною камерою). Камери згоряння розташовані в днищі поршня бувають напівсферичні (сферичні) та тороїдальні. На ущільнювальній і направляючій частинах поршня виконано канавки для компресійних і маслозємних поршневих кілець. На бокових стінках поршня виготовлено бобишки з отворами та канавками для встановлення поршневого пальця і стопорних кілець для його фіксації.

Рисунок 14.1 - Поршень, поршневі кільця і палець

1 – днище; 2 – камера згоряння; 3 – головка; 4 – юбка; 5 – канал в стержні шатуна; 6 – шатун; 7 – втулка верхньої головки шатуна; 8 – бобика; 9 – канавка для маслоз`ємного кільця; 10 – поршневий палець; 11 – штопорне кільце; 12 – канавка для компресійного кільця; 13 – компресійне кільце; 14 – масло знімне кільце; 15 – кільцева канавка; 16 – отвір для стікання масла

Для нормальної роботи двигуна між поршнем і циліндром повинен бути мінімальний зазор 0,1...0,3 мм. Але при цьому повинен забезпечуватись вільний хід поршня у циліндрі і наявність масляної плівки між ними для зменшення тертя і кращого ущільнення.

Щоб усунути заклинювання поршня в циліндрі при роботі двигуна, поршень виконують конусним по висоті, еліптичного перерізу, з нерівномірним розподілом маси металу в стінках. Діаметр днища поршня при цьому менший діаметра юбки.

Юбки поршнів різних двигунів бувають циліндричними, конусними, овальними, конусоовальними. Зазор між циліндром і направляючою частиною поршня, якщо вона має овальну форму чи розріз, повинен бути 0,05…0,10 мм, а якщо вона циліндричної форми і немає розрізу, то 0,18… 0,30 мм.

Поршні комплектують за масою, зовнішнім діаметром юбки і діаметром отвору під поршневий палець. Позначення розмірної і масової групи наносять на днище поршня. Різниця маси поршнів в одному комплекті не повинна перевищувати 7 г (СМД-60) і 10 г (СМД-18Н).

Рисунок 14.2 - Форми камер згоряння

а – карбюраторних двигунів; б – дизелів: I – циліндрична; II – напівсферична; III – клинова; IV – зміщена (Г- подібна); V і VI - нероздільна; VII і VIII – роздільні; 1 – клапан; 2 – свічка запалювання; 3 – насос-форсунка; 4 – камера згоряння; 5 – форсунка; 6 – передкамера; 7 – основна камера; 8 – вихрова камера

Поршневі кільця по призначенню поділяють на компресійні (ущільню вальні), які встановлюють по 3-4, і маслоз’ємні - по 1 або 2.

Поршневі компресійні кільця служать для ущільнення зазору між поршнем і стінкою циліндра. В результаті їх встановлення попереджується прорив повітря чи газів з простору над поршнем в картер двигуна, а також проникнення масла в камеру згоряння. Одночасно компресійні кільця відводять тепло від головки поршня до стінок циліндрів. Компресійні кільця притискаються до стінки циліндра силами своєї пружності і тиску газів. Виготовляють їх із легованого чавуну або сталі.

В иріз в поршневому кільці називається замком. Замки мають різну форму: пряму, косу (30-40 °) ступінчасту або фасонну. Найбільше поширення отримали кільця із прямими замками.

Рисунок 14.3 – Замки поршневих кілець

а – прямий, б,в – косий, г – фасонний.

Щоб зменшити проривання газів через замки (величина яких на встановлених в гільзу кільцях 0,2...0.8 мм), кільця вста новлюють так, щоб замки не перебували в одній площині, а залеж но від числа кілець - під кутом 90... 120°. Компресійне кільце працює надійно, якщо воно щільно прилягає до дзеркала циліндра. Для забезпечення щільного прилягання кільця виготовляють з різною формою поперечного перерізу (рис.14.4). Якщо прийняти тиск в камері згоряння за 100% то зверху перше кільце сприймає (гасить) 76% тиску, друге -20%, третє – 7,6%.

Рисунок 14.4 - Форми поперечних січень поршневих компресійних кілець

а - прямокутне; б –конусне; в – з фаскою із внутрішньої сторони; г – з виточкою на внутрішній стороні; д – одностороння трапеція; е – кільце з виточкою по зовнішній стороні

Маслоз’ємні кільця знімають зайве масло із дзеркала циліндра й відводять його в картер через отвори в кільцях та масловідвідні канали в канавках поршня (рис.5). Масло яке залишається маслозємні кільця рівномірно розподіляють по дзеркалу. Як правило на поршень встановлюють одне або два кільця. За конструктивним виконанням вони бувають циліндричні з проточками та отворами для відведення масла, з пружним розширювачем, скребкового типу, яких в канавку поршня вкладається два. Збірні маслоз’ємні кільця з пружними розширювачами (рис.14.5 в) краще знімають масло зі стінок циліндра.

Рисунок 14.5 - Маслоз’ємні поршневі кільця

а – схема роботи маслоз’ємних кілець при русі поршня вниз; б – схема роботи маслоз’ємних кілець при русі поршня вверх; в – збірне маслоз’ємне кільце: 1 – масло відвідний канал; 2 – поршень; 3 – циліндр; 4 – прорізь в кільці; 5 – канал в поршні; 6 – плоскі стальні кільця; 7 – осьовий розширювач; 8 – радіальний розширювач.

Вони складаються з двох стальних дискових кілець 6 між якими встановлюють розширювачі – осьовий 7 і радіальний 8. Радіальний розширювач виготовлений із стальної пластини, яка завдяки своїй пружності збільшує тиск кілець на дзеркало. Маслоз’ємні кільця виготовляють як із чавуну, так і сталі.

Поршневі пальці. Поршневий палець під час роботи зазнає дії ви­соких механічних навантажень, змінних за величиною і напрямком. Під дією ударних навантажень у поршневому пальці виникають на­пруги згинання, стиснення і зрізу. Крім того, палець спрацьовується по зовнішній робочій поверхні.

Отже, поршневий палець повинен бути міцним, оскільки він пере­дає великі зусилля на шатун; жорстким, щоб прогинання його не дося­гало значної величини, бо це призводить до швидкого спрацювання опорних поверхонь; легким, оскільки він бере участь у зворотно­поступальному русі поршня і велика маса його збільшуватиме сили інерції поступально рухомих мас.

Конструкція поршневого пальця залежить від типу з'єднання пальця з поршнем і шатуном. За видом з'єднань пальця з шатуном і поршнем розрізняють два основні способи кріплення пальця:

• палець нерухомо закріплений в головці шатуна і може повертатися в бобишках поршня;

• палець вільно повертається в головці шатуна і в бобишках поршня (плаваючий палець), але з поршня не висовується.

Палець, закріплений у головці шатуна, затягують болтом, який потім шплінтують. Верхня, головка шатуна при такому способі кріплення на спрацювання не впливає; тому її довжину зменшують, а це веде до зменшення маси шатуна і скорочення розрахункової дов­жини пальця, а отже, його прогинання. Збільшення опорної поверхні бобишок за рахунок зменшення довжини головки, пов'язані із змен­шенням відстані між опорами пальця, визначають порівняно малий сту­пінь спрацювання тертьової поверхні пальця.

Плаваючий палець не закріплений ні в поршні, ні в шатуні, а вільно повертається як в бобишках поршня, так і у верхній головці шатуна. Внаслідок цього плаваючий палець спрацьовується менше, причому рівномірно по всій зовнішній поверхні, що є основною перевагою цієї конструкції порівняно з описаною вище. Плаваючий палець зручний при монтажі; для нього менш можливе заїдання.

Рисунок 14.6 – Конструктивні форми поршневих пальців

а,б,в,г – плаваючі пальці; д – палець зафіксовано у верхній головці шатуна

Обмежують осьове переміщення плаваючого пальця пружинними кільцями, встановленими в проточках бобишок поршня, або заглушками з м'якого металу (алюмінію чи латуні).

Пружинні замки виконують у вигляді кілець круглого або прямо­кутного перерізу.

Найбільш простими у виготовленні є пальці з циліндричною поверхнею. Для змен­шення ваги внутрішні поверхні пальців роблять конічними.

Матеріал для виготовлення пальців повинен мати високу міцність і в'язкість. Ці вимоги задовольняють сталі 20, 15Х, 15ХА, 15ХМА, 20Г та ін. Пальці для форсованих двигунів (наприклад, Д-12А) виконують з високолегованих сталей І2Х2Н4А, 12XH3A і 18ХНМА.

Для одержання твёрдого зносостійкого поверхневого шару та досить міцної і в'яз­кої, серцевини поршневі паль­ці цементують на глибину 0,8—1,7 мм з подальшим за­гартуванням та відпуском.

Для пальців карбюраторних двигунів використовують сталі 45, 45ХА. Зовнішню поверхню та­ких пальців загартовують за допомогою струмів високої частоти на глибину 1—1,5 мм. Після термообробки твердість зовнішньої цилінд­ричної поверхні пальця повинна становити HRC = 55 — 65.

Для підвищення втомної міцності зовнішню циліндричну поверхню пальця шліфують і полірують. Чистота обробки поверхні повинна відповідати приблизно 10-му класу.

За величиною зовнішнього діаметра пальці поділяють на розмірні групи, які позначаються на внутрішній поверхні пальців. При складанні розмірні групи пальців і поршнів повинні співпадати. Відсутність маркування свідчить про єдину розмірну групу.