Лекція 4. Виготовлення поршневих кілець

4.1. Конструктивно-технологічні особливості поршневих кілець

Основним призначенням поршневих кілець є створення ущільнення між поршнем і дзеркалом циліндра для запобігання витоку газів з камери згоряння в картер і проникнення масла в камеру згоряння. Також поршневі кільця відводять тепло від поршня до охолоджуваних стінок циліндрів, охороняючи поршень від перегрівання. Тому поршневі кільця повинні щільно прилягати всією робочою поверхнею до дзеркала циліндра і мати достатню теплопровідність.

У вільному стані кільце має складну форму і його зовнішній розмір перевищує розмір циліндра, для якого воно призначене. Замок у вільному стані дозволяє стиснути кільце, щоб встановити в циліндр. Сили, які виникають при цьому, прагнуть повернути кільце у початкове положення, тому зовнішня поверхня кільця притискається до стінок циліндра. Для запобігання заклинення кілець при їх розширенні від нагрівання між кінцями кільця, вставленого в циліндр, залишається зазор - звичайно 0,2...0,6 мм.

Розрізняють компресійні і маслознімні кільця. Маслознімні кільця служать для відведення надлишків масла, тому що за конструкцією і місцем розташування вони мають незначні газоущільнюючі та тепловідвідні властивості. Компресійні кільця працюють у важчих умовах, особливо - верхнє, яке працює при найвищій температурі, в умовах напівсухого тертя й найбільш піддається впливу гарячих газів. Робочу поверхню верхнього компресійного кільця для підвищення терміну служби і зменшення спрацьовування циліндра покривають хромом

Витікання газу з циліндра можливе через зазори між зовнішньою поверхнею кільця і стінкою циліндра; між торцевою поверхнею кільця і стінкою канавки в поршні; у замку. Оскільки форма замка і розміри зазору не мають особливого впливу на витік газів, то поршневі кільця мають найпростішу форму замка - у вигляді прямого прорізу.

Більше значення має витік газів через зазор між контактними поверхнями „кільце – циліндр” і „кільце - стінки канавки поршня”. Необхідно, щоб пружні сили кільця створювали позитивні радіальні тиски по всьому колу, а значить потрібно створити в кільці підвищений тиск на стінки циліндра в зоні замка й у такий спосіб створити нерівномірну (кореговану) епюру радіальних тисків.

Одержання оптимальної епюри радіальних тисків (як і повного прилягання кільця до стінок циліндра) обумовлюється формою кільця у вільному стані. Тому найважливішою й найскладнішою задачею при виготовленні кілець є створення їх точної форми у вільному стані.

Радіальний тиск кільця на стінки циліндра змінюється пропорційно кубу його радіальної товщини, тому її рівномірність по колу є дуже важливою умовою для забезпечення заданої епюри радіальних тисків. Однак значне підвищення точності радіальної товщини у масовому виробництві пов'язано з певними труднощами.

Діаметр D і радіальна товщина t поршневого кільця впливають і на його термін служби. Чим менше відношення діаметра кільця до його радіальної товщини, тим більший термін служби поршневого кільця. У сучасних двигунів D/t=20. Його подальше зниження обмежується великими напругами, які виникають при стисканні кільця при обробці.

Висота компресійних кілець - 2...3 мм, а висота маслознімних кілець більша – для розміщення масловідвідних прорізів.

Для кращого припрацювання кілець до циліндра їх зовнішня поверхня повинна бути конічною, що досягається утворенням на кільці спеціальної фаски чи канавки.

До поршневих кілець ставлять такі вимоги:

1) високі стійкість до спрацьовування, антифрикційність, однорідність і міцність матеріалу;

2) задана пружність кільця з розподілом радіальних тисків на стінки циліндра по заданій корегованій епюрі;

3) збереження пружних властивостей при високих робочих температурах (тепломіцність);

4) повне прилягання до дзеркала циліндра по всій поверхні;

5) паралельність торцьових площин кільця для щільного прилягання до стінок канавки поршня.

Для виготовлення поршневих кілець сучасних двигунів застосовують високоякісні чавуни, які легують хромом, молібденом, вольфрамом, ванадієм тощо.

Крім чавунних, застосовують і стальні пластинчасті кільця, заготовками для яких служить полірована загартована стальна стрічка (вміст вуглецю – біля 0,7 відсотка) товщиною 0,5...0,8 мм, яку виготовляють у вигляді спіралі і від якої відрізають кільця. Після відрізання виконують термічну фіксацію форми кілець, нагріваючи їх до 215 °С протягом 20...30 хв.

Стальні пластинчасті поршневі кільця виготовляють плоскими (рис.4.1, а) і тарілчастими з кутом 5...6° (рис.4.1, б). Плоскі пластичні кільця застосовують головним чином для маслознімних кілець. У комплект кільця для однієї канавки (рис.4.1, в) входять два плоских пластинчастих кільця ІІ і IV, осьовий І і радіальний ІІІ розширювачі. Тарілчасті кільця застосовуються і як компресійні (рис.4.1, г).

Верхнє поршневе кільце виготовляють з чавуну, адже пластинчасті кільця втрачають пружність при високих температурах.

Перевагою пластинчастих поршневих кілець є гарна припрацьовуваність їхніх бічних робочих поверхонь до зміни форми при зношенні дзеркала циліндрів.

На поверхнях обробленого кільця не повинно бути тріщин, раковин, забруднень й інших дефектів. Пружність кільця, стиснутого гнучкою стрічкою до робочого зазору в замку, повинна бути в межах, заданих кресленням. Залишкова деформація при випробуванні кільця на згинання з напругою 25 кг/мм² допускається не більше 10 відсотків. Твердість за Роквеллом HRB 98...106; різниця твердості в одному кільці не повинна перевищувати чотирьох одиниць.

Точність обробки поршневих кілець характеризується таким:

1) допуск по висоті кільця 0,010...0,012 мм;

2) допуск на радіальну товщину +0,10...0,12 мм;

3) допуск на розмір зазору в замку в стиснутому стані 0,3 мм.

Непаралельність торцевих поверхонь повинна бути в межах відхилень, установлених на розмір висоти кільця.

Шорсткість торців поршневих кілець - Rа=0,32 мкм, зовнішньої поверхні - Rа=1,25 мкм, внутрішньої поверхні - Rz=20 мкм. У хромованих кілець зовнішню поверхню притирають чи хонінгують.