2. Конструкция элементов поршневой группы.

Поршневая группа включает поршень, поршневые кольца (ком­прессионные и маслосъемные), поршневой палец и элементы, ограничивающие его осевые перемещения (для пальца плаваю­щего типа).

Поршень обеспечивает необходимую для эффективной органи­зации рабочего процесса форму камеры сгорания. Его днище вос­принимает давление газов, развивающееся в надпоршневом про­странстве при реализации в нем рабочего цикла, и через палец передает усилие на шатун.

В конструкции поршня принято выделять следующие элементы (рис. 10.3): головку 2 и юбку 1. Головка включает днище 4, огневой (жаровой) 5 и уплотняющий 3 пояса. Юбка поршня состоит из бобышек 6 и направляющей части.

На рис. 10.4 и 10.5 представле­ны наиболее типичные в настоящее время конструкции поршней дизелей и двигателей с искровым зажиганием.

Сложная конфигурация поршня, быстро меняющиеся по зна­чению и направлению тепловые потоки, воздействующие на его элементы, приводят к неравномерному распределению темпера­тур по объему поршня, к значительным переменным по времени местным термическим напряжениям и деформациям.

Теплота, подводимая к поршню через его головку, отводится в охлаждаемую стенку цилиндра через компрессионные кольца(60... 70%), через юбку поршня (20...30%), в сис­тему смазывания через внутреннюю поверхность днища поршня (5... 10%). Поршень также восприни­мает часть теплоты, выде­ляющейся в результате тре­ния цилиндра и поршне­вой группы.

Рис. 10.3. Основные элементы поршня: 1 – юбка; 2 – головка; 3 – уплотняющий пояс; 4 – днище; 5 – огневой пояс; 6 – бобышки.

в

Рис. 10.4. Поршни дизелей: а – листовой поршень; б и в – штамповые поршни; 1 – ребра, соединяющие днище и бобышки поршня; 2 – бобышка со скошенным внутренним торцом; 3 – вырез.

г

Рис. 10.5. Поршни двигателей с искро­вым зажиганием: а и б — поршни с поперечной прорезью и терморегулируюшей вставкой; в и г— пор­шни с Т-образной прорезью; 1 — терморегулирующая вставка; 2 — поперечная прорезь; 3 — вставка канавки под первое компрессионное кольцо; 4 — Т-образная прорезь; 5 — зона выборки металла для подгонки по массе; е — дезаксаж поршня

Для изготовления поршней автомобильных двигателей в основ­ном используют алюминиевые сплавы, реже серый или ковкий чугун, а также композиционные материалы.

Алюминиевые сплавы имеют малую плотность, что обеспечива­ет небольшую массу поршня и, следовательно, низкие инерци­онные нагрузки на детали КШМ. Хорошая теплопроводность при­меняемых материалов позволяет уменьшать теплонапряженность деталей поршневой группы. Низкие значения коэффициента тре­ния в паре с чугунными или стальными гильзами обеспечивают меньшие внутренние потери. Однако у данных материалов есть серьезные недостатки: невысокая усталостная прочность, умень­шающаяся при повышении температуры, большой коэффициент линейного расширения, недостаточная износостойкость, сравни­тельно высокая стоимость.

При изготовлении поршней используют два вида силуминов — алюминиевых сплавов с повышенным содержанием кремния: эв­тектические (11... 14%) и заэвтектические (17...25%). Увеличение содержания кремния в сплаве уменьшает коэффициент линейного расширения, повышает термо- и износостойкость, но ухудшает его литейные качества и увеличивает стоимость производства.

Для улучшения свойств силуминов в них вводят различные ле­гирующие добавки: натрий, азот, фосфор повышают износостой­кость сплава, а никель, хром, магний повышают жаропрочность и твердость конструкции. Добавка до 6 % меди повышает усталост­ную прочность и теплопроводность, улучшает литейные качества и снижает стоимость изготовления, но несколько снижается из­носостойкость поршня.

Поршневые компрессионные кольца, кроме основной функции, обеспечи­вают отвод значительной доли теплоты от поршня в стенки ци­линдра. Конструкции наиболее распространенных в автотракторных двигателях компрессионных колец приведены на рис. 10.6.

Кольца с прямоугольным поперечным сечением (рис. 10.6, а) про­сты в изготовлении, имеют большую площадь контакта по рабо­чей поверхности со стенкой цилиндра, что способствует хороше­му теплоотводу от головки поршня в систему охлаждения. Однако их недостатком является трудность приработки рабочей поверх­ности к зеркалу цилиндра.

Кольца с конической рабочей поверхностью («минутные») имеют угол наклона рабочей поверхности к зеркалу цилиндра 15...30' (рис. 10.6, б). Благодаря повышенному давлению на рабочей (ниж­ней) кромке они быстро прирабатываются, после чего приобре­тают все качества колец с прямоугольным сечением. Однако про­изводство таких колец более сложное.

Достоинства прямоугольного и конического сечений в значи­тельной мере объединены в конструкции скручивающихся (тор­сионных) колец (рис. 10.6, г, д, к). В рабочем состоянии такое кольцо скручивается за счет большей его деформации в верхней зоне се­чения, и его рабочая поверхность контактирует с зеркалом ци­линдра под углом, работая как «минутное» кольцо.

Это способ­ствует быстрой его приработке. Однако такие кольца плохо кон­тактируют со стенками канавки, что затрудняет теплообмен через них между головкой поршня и стенкой цилиндра.

Рис. 10.6. Основные конструктивные решения компрессионных поршне­вых колец (поперечное сечение): а — прямоугольное; б — коническое («минутное»); в — бочкообразное; г и д — прямоугольное с внутренней выточкой; е и ж — трапециевидное (симметричное и несимметричное); з — скребковое; и — стальное витое, к — торсионное с обратным закручиванием

Бочкообразная рабочая поверхность кольца (рис. 10.6, в) (сим­метричная или асимметричная) обеспечивает оптимальное рас­пределение масла по ходу поршня, исключает кромочный кон­такт кольца с цилиндром и, следовательно, разрыв масляной плен­ки при перекладке поршня. Такое кольцо быстро и хорошо прира­батывается к зеркалу цилиндра.

Кольца с поперечным сечением в виде односторонней или дву­сторонней трапеции (рис. 10.6, е, ж) и с прямоугольной или боч­кообразной рабочей поверхностью хорошо противостоят пригоранию даже при повышенных температурах в зоне канавки. Осе­вое и радиальное движения поршня при перекладке приводят к изменению зазора между торцовыми поверхностями кольца и ка­навки поршня, что вызывает разрушение нагара в нем. Кольца с односторонней трапецией из-за их несимметричности обладают всеми свойствами торсионных колец.

Конический скос в виде проточек нижней части рабочей поверх­ности у скребковых колец (рис. 10.6, з) приводит к уменьшению ее площади и, следовательно, к увеличению радиального давления кольца на зеркало цилиндра. Такое кольцо, оставаясь компресси­онным, может частично выполнять функцию маслосъемного.

Нижнее компрессионное кольцо иногда выполняют торсион­ным (рис. 10.6, к) с обратным закручиванием вследствие располо­жения ослабляющей проточки в нижней части сечения и одно­временного наклона рабочей поверхности. При скручивании его в рабочем положении обеспечивается контакт с цилиндром по ниж­ней кромке. По функциональным качествам оно близко к скреб­ковому кольцу.

Лабиринтное уплотнение компрессионных колец обладает насос­ным действием, т.е. способствует перекачке масла из зазора в ка­меру сгорания.

Маслосъемные кольца регулируют режим смазывания. Их кон­струкция должна обеспечивать хороший съем со стенок излишков масла, а также распределение его по зеркалу цилиндра в виде пленки постоянной толщины.

Чугунные монолитные кольца с витым цилиндрическим пружин­ным расширителем браслетного типа (рис. 10.7, б) характеризуют­ся высокой гибкостью и обеспечивают равномерное распределе­ние давления по высоте кольца. Внутреннюю поверхность кольца выполняют в виде полуокружности или V-образной формы. В пер­вом случае пружина быстрее прирабатывается, однако она может закрывать часть площади дренажных окон. Этот тип кольца ис­пользуют практически на всех автомобильных дизелях и пример­но на трети конструкций двигателей с искровым зажиганием.

Система из двух колец скребкового типа (рис. 10.7, в) устанав­ливаемых в одну канавку (верхнее кольцо при этом имеет дренаж­ные прорези), характеризуется независимой работой колец, что улучшает их функционирование при движении поршня с некото­рым перекосом.

Стальные составные (сборные) хромированные маслосъемные кольца (рис. 10.7, д, е) имеют две кольцевые опорные пластины и расширители (осевой и радиальный или тангенциальный) и ис­пользуются в основном на двигателях с искровым зажиганием.

Расширители за счет собственной упругости позволяют повысить дав­ление кольца на стенку при минимальной его радиальной толщине.

Рис. 10.7. Основные конструктивные решения маслосъемных колец: а — коробчатого типа без расширителя; б — коробчатого типа с витым пружин­ным расширителем; в — два скребковых кольца; г — коробчатого типа с ради­альным расширителем; д — с радиальным и осевым расширителем; е — с тан­генциальным расширителем

Качественное выполнение функций поршневой группой дос­тигается не только конструкцией отдельных колец, но и правиль­ным сочетанием их в комплекте. Например, если верхнее компрес­сионное кольцо имеет прямоугольное сечение с бочкообразной рабочей поверхностью, то нижнее должно быть скребковым, тор­сионным или «минутным».

У высокофорсированных дизелей сложно обеспечить темпера­туру в зоне канавки первого компрессионного кольца ниже тем­пературы коксования масла. Поэтому в качестве первого компрес­сионного используют кольцо с двусторонней трапецией (до 75 % всех моделей), а нижнее — прямоугольного сечения (до 40 %), скребкового (до 35 %) или в виде двусторонней трапеции (до 25 %).

Материалом для поршневых колец в основном служит спе­циальный серый высокопроч­ный чугун, который обладает высокими стабильными показа­телями прочности и упругости при рабочей температуре в те­чение всего срока службы коль­ца, высокой износостойкостью в условиях граничного трения, хорошими антифрикционными свойствами, способностью до­статочно быстро и эффективно прирабатываться к поверхности цилиндра. Легирующие добавки Сr, Ni, Мо, W способствуют повышению термостойкости колец.