книги из ГПНТБ / Поспелов Д.Р. Конструкция двигателей внутреннего сгорания с воздушным охлаждением

120

При этом снижается аэродинамическое сопротивление ребер и возможность засорения межреберных каналов в процессе экс­ плуатации. Чугунные цилиндры с механически обработанными ребрами применяются на двигателях «Татра».

Стальные цилиндры. Они имеют ряд достоинств: высокую прочность и малую относительную массу, возможность получения малого шага ребер (до 4 мм) ; ребра получают исключительно механической обработкой. Теплопроводность стали ниже, чем теплопроводность чугуна.

Рабочая поверхность стального цилиндра во избежание задиров во время работы двигателя должна иметь необходимую твердость, получаемую путем цементации, хромирования, азоти­ рования или закалки т. в. ч. Поверхность получается после этого гладкой и плохо удерживает масляную пленку, ввиду чего не­ обходима специальная ее обработка для придания ей опреде­ ленной шероховатости. Стальные цилиндры не находят широ­ кого распространения в двигателях общего назначения вследствие их высокой стоимости и необходимости механической обработки ребер. Они применяются на специальных дизелях «Комацу» (Япония) и «Континентал» (США).

Алюминиевые цилиндры. Основное достоинство алюминиево­

сравнительные теплопроводные качества алюминия и некоторых других металлов.

Эта таблица показывает, что по теплопроводности, отнесен­

ной к плотности, алюминий почти в 2 раза лучше серебра и меди.

122

Недостаток алюминия — резкое падение механической проч­ ности с повышением температуры выше 150° С (рис. 69). Во из­ бежание задиров на рабочей поверхности цилиндра при пуске двигателя и работе в условиях низких температур она должна иметь специальное покрытие. Несколько видов последнего схе­ матически изображено на рис. 70.

Рис. 70. Способы покрытия алюминиевой поверхности:

а — «трансплант»; б — твердое хромирование; / — слой хрома; 2 — алюминие­ вая стенка

На рис. 70, а показана алюминиевая стенка с набрызганным на нее слоем стали по способу «трансплант». Трансплант дер­ жится благодаря защемлению и подплавке металла, в результа­ те чего получается частично металлическое соединение. Толщи­ на слоя не более 0,7 мм. Теплопроводность его удовлетворитель­ ная, механическая прочность низкая, но износостойкость слоя определяется видом набрызгиваемого металла.

Более практичным является твердое хромирование рабочей поверхности цилиндра (рис. 70, б). Толщина слоя обычно со­ ставляет 0,1—0,15 мм. Хром имеет высокую твердость, малый коэффициент трения, стоек против абразивного износа и против воздействия кислот, имеющихся в продуктах сгорания. Он об­ ладает хорошей отражательной способностью, что важно для верхней зоны цилиндра, соприкасающейся с газами при сго­ рании.

Алюминиевый сплав применяется для цилиндров мотоцик­ летных и малых стационарных двигателей («Гутброд», «Штиль») и двигателей легковых автомобилей («Порше» и др.). Для цилиндров дизелей применяется как исключение (дизели «Лайкоминг»).

Недостатком этого способа является длительность процесса (6—10 ч) и большой расход электроэнергии. Другой недоста­ ток — неспособность гладкой хромированной поверхности удер­ живать смазочное масло и, как следствие этого, необходимость в специальной абразивной обработке поверхности (нарезке ка­

123

навок) для придания ей способности удерживать масляную пленку.

Биметаллические цилиндры. Среди биметаллических цилинд­ ров практическое значение имеют цилиндры со стальной или чугунной втулкой, на которую залита алюминиевая или медная ребристая рубашка или навиты ребра из этих материалов.

В таких конструкциях сочетают­ ся высокая износостойкость основно­ го материала с высокой теплопро­ водностью материала ребер.

В качестве первого варианта мо­ жно привести цилиндр, изображен­ ный на рис. 71. Решающим условием работоспособности такого цилиндра является качество соединения двух металлов.

В работе [5] сопоставлены рабо­ чие качества ребристых цилиндров из различных материалов, а также различные способы соединения чу­ гунной основы цилиндра с алюмини­ евой ребристой рубашкой. Фотогра­ фии микрошлифов участка стенки цилиндра показаны на рис. 72, а со­ став материалов с указанием их ра­ бочих качеств указан в табл. 12.

На рис. 72, а показана чугунная стенка цилиндра с обычной залив­ кой ее алюминием. Соединение об­ ладает удовлетворительной прочно­ стью при механическом создании шероховатости на сопряженной чу­ гунной поверхности. Однако с повы­

шением температуры стенки прочность соединения значительно нарушается и теплопередача в алюминиевую ребристую рубашку ухудшается. Этот вариант является наименее совершенным из представленных здесь.

На рис. 72, б изображено соединение, полученное по так на­ зываемому способу «альфин». Для получения ребристой ру­ башки применяется как чистый алюминий, так и его сплавы, обладающие более высокой прочностью при хороших литейных качествах.

Заливка алюминия по чугуну производится сразу же после предварительного окунания втулки (гильзы) в расплавленный алюминиевый сплав и нанесения тонкого его слоя (толщиной 0,02—0,03 мм) на внешнюю поверхность втулки. Прочность этого слоя на растяжение (усилие перпендикулярно к слою) равна около 6 кГ/мм2, а прочность на срез 5—6 кГ/мм2.

124

Коэффициент теплопроводности равен около 160 ккал/(м X X ч-град). Жаростойкость слоя выше, чем заливаемого мате­ риала. Этот способ находит применение при изготовлении реб­ ристых цилиндров и нх головок.

На рнс. 72, в показано соединение, полученное по так назы­ ваемому способу ВМІ (Bimetallic-interlock). Чугунная втулка, предназначенная для заливки алюминием, отливается по спе­ циальному центробежному способу, при котором внешняя по­ верхность втулки получается как бы изъязвленной. В язвочки

Рис. 72. Способы соединения чугуна с алюминием:

под давлением около 10 кГ/см2 подается расплавленный алюми­ ний. Получается механическое (на зубчиках) соединение двух металлов. Прочность на растяжение и на срез достигает проч­ ности более слабого из соединяемых материалов. Поверхность теплопередачи увеличивается. Смена температуры, даже час­ тая, не влияет на прочность соединения. Недостаток этого спо­

ляется ранее применяемая в авиационных двигателях конструк­ ция цилиндра, состоящего из стальной гильзы с закатанными в нее ребрами из листового металла (алюминия, меди). После­ довательность операций подготовки цилиндра и закатки ленты указана на рис. 73.

На рис. 74 показана конструкция подобного цилиндра, раз­ работанная в HATH, с ребрами, полученными навивкой алю­ миниевой ленты на чугунную гильзу. В табл. 13 даны показате­ ли этого и серийного цилиндров двигателя Д-37М. Испытания экспериментального цилиндра с шагом ребер 5 мм и толщиной

125

Таблица 12

Сопоставление различных цилиндровых материалов

126

их 1 мм показали, что при меньшем аэродинамическом сопро­ тивлении он обладает повышенной теплоотдачей. Температура его во всех зонах значительно ниже, чем серийного чугунного (рис. 75).

Рис. 73. Последовательность обработки цилиндра и получения ребер:

а — проточка канавки; б — расширение канавки; в — закладка по­ луколец; а — развальцовка межреберных промежутков

Хотя тонкие ребра из листового металла легко погнуть, но также легко и выправить, так как листовой прокат не обладает хрупкостью. Недостаток этой конструкции — в необходимости механической обработки внешней поверхности втулки цилиндра и устройстве канавок для закатывания в них ребер.

Разновидностью биметаллического цилиндра является алю­ миниевый ребристый цилиндр с запрессованной в него чугунной гильзой (дизели «Паксмэн»), Ввиду недостаточной прочности чистого алюминия оребренную втулку изготовляют из алюми­ ниевого сплава, механическая прочность которого значительно

127

выше, а теплопроводность на 15—25% ниже теплопроводности чистого алюминия. Недостатком этой конструкции является наличие сопротивления тепловому потоку из-за неплотности со-

Рис. 75. Температура стенки верхней зоны цилиндра (избыточная над тем­ пературой окружающей среды) дизе­ ля Д-37М в зависимости от его на­ грузки:

1 — чугунный ребристый цилиндр; 2 —

прикосновения деталей и образования окисной пленки на сопри­ касающихся поверхностях. Иногда на чугунную гильзу надева­ ют разрезанную алюминиевую оребренную рубашку и затяги­ вают ее болтами (дизели «Эйхер»).

Исследованиями установлено, что теплоотдача цилиндров, выполненных указанными способами: заливкой обычным спосо­ бом, заливкой по способу «альфин», напрессовкой алюминиевой рубашки и др.— различна.

128

Несмотря на кажущуюся ясность вопроса о материале для ребристых цилиндров, непрерывное форсирование двигателей заставляет каждый раз снова возвращаться к этому вопросу. Это объясняется тем, что в одном случае решающим является получение минимальной массы конструкции, в другом случае — ее минимальной стоимости, в третьем — ее максимальной долго­ вечности и т. д.

Эти условия различны для двигателей разных типов, назна­ чения и степени их форсированное™. Например, для карбюра­ торного двигателя с невысокой сте­ пенью сжатия и малой конструктив­ ной массой целесообразно примене­ ние алюминиевого или биметалличе­ ского (чугун — алюминий) цилинд­ ра. Для дизеля более подходящим будет применение цилиндра из чер­ ных металлов или их комбинации с алюминием, как указано в табл. 12, и т. д.

Таблица 14

Наивыгоднейшая высота ребер в м м треугольного сечения при скорости свободного воздушного потока 17,8 Mjcetc

размеров оребрения цилиндров авиационных двигателей из раз­ ных материалов. В табл. 14 приводятся осредненные значения этих размеров.

Таблица показывает, что при одинаковой толщине алюмини­ евые ребра могут иметь почти в 2, а медные — почти в 3 раза большую высоту, чем стальные (или чугунные) ребра. Это дает