§ 3. Поршни, поршневые кольца и пальцы

Поршень устанавливают в цилиндре с небольшим зазором. Он вос- принимает давление расширяющихся газов и передает его через порш- невой палец и шатун на коленчатый вал.

Поршень подвергается действию высоких температур и давлений (в дизелях до 9 МПа) и движется со значительной скоростью (до 15 м/с). Неравномерное движение поршня приводит к возникновению сил инерции, которые у многооборотных двигателей достигают боль- ших значений. В соответствии с условиями работы материал поршня должен обладать высокими механическими качествами и износостой- костью, быть легким, хорошо отводить тепло. Этим требованиям удов- летворяют алюминиевые сплавы АК4, AJI-25, AJI-30 и др.

К недостаткам поршней из алюминиевых сплавов следует отнести большой коэффициент линейного расширения (вследствие чего прихо- дится увеличивать зазор между стенками цилиндра и поршнем) и ухудшение механических качеств с повышением температуры. Для уст- ранения последнего недостатка поршни из алюминиевых сплавов тер- мически обрабатывают.

Поршень (рис. 48) состоит из днища 1, уплотняющей части (го- ловки) 3 и направляющей части (юбки) 4.

Днище делают плоским или сложной фасонной формы. У дизелей днище поршня обычно имеет фасонную форму, которая зависит от спо- соба смесеобразования и расположения клапанов и форсунки. Внутри поршня на его боковых стенках имеется два прилива 8, так называе-

Рис. 48. Поршень, поршневые кольца и палец дизеля А-41:

/ — днище; 2— камера сгорания: 3 — уплотняющая часть (головка): 4 — направляющая часть (юбка); 5 — канал в стержне шатуна; 6 — шатун; 7 — втулка верхней головки шатуна; 5—бобышка; 9 — канавка для мае- лосъемного кольца; 10—поршневой палец; И— стопорное кольцо; 12 — канавка для компрессионного кольца; 13 — компрессионное кольцо; 14 — ыаглосъемное кольцо; 15 — кольцевая канавка.

большим зазором по диаметру меж- ду цилиндром и направляющей ча- стью (юбкой) поршня. Зазор пред- отвращает заедание в цилиндре на- гретого поршня и обеспечивает об- разование масляной пленки между ними. Нагревание поршня по высо- те, а следовательно, и расширение его различные: большее у днища, меньшее в юбке. Поэтому диаметр поршня в головке меньше, чем в юб- ке.

Для получения минимального зазора между юбкой и стенкой ци- линдра в холодном двигателе и уст- ранения заедания поршня при его нагревании юбки поршней из алю- миниевого сплава делают в поперечном сечении овальной формы, ко- нусные по высоте и с разрезами. С этой же целью у поршней двигате- лей Д-37Е, СМД-60, ЗИЛ-130 и некоторых других на наружной повер- хности в зоне расположения бобышек снимают часть металла, делая неглубокие вырезы прямоугольной формы, называемые холодильника- ми 4 (рис. 49,а).

Направляющие части поршней, имеющие разрезы, обладают пру- жинящими свойствами и при различных температурных условиях плотно прилегают к стеикам цилиндров. Формы разрезов бывают раз- личные (рис. 50, а, б): несквозной П-образный (двигатели ГАЗ-52), несквозной Т-образный (двигатели 24Д, ЗМЗ-451¹ и ГАЗ-53).

Поршни с разрезными юбками устанавливаются в цилиндры так, чтобы сторона, ослабленная разрезом, испытывала воздействие мень- шей нормальной силы N (см. рис. 31), то есть разрезом вправо (если смотреть иа двигатель спереди).

Если юбка поршня имеет овальную форму, то меньшая ось овала располагается в плоскости оси поршневого пальца. Нагреваясь, пор- шень сильнее расширяется в этой плоскости за счет большего количе- ства металла, сосредоточенного в бобышках. Поэтому при работе дви- гателя юбка из овальной делается цилиндрической, и зазор между ней и цилиндром в различных радиальных направлениях становится оди- наковым. Разность между большой и малой осями овальной юбки у поршней колеблется в пределах 0,14—0,52 мм.

В тело поршня двигателя ВАЗ-2101 залиты две стальные термо- регулирующие пластины, способствующие равномерному распределе- нию теплоты и увеличивающие механическую прочность поршня.

Высота юбки у поршня выбирается такой, чтобы при передаче им нормальной силы N давление на стенки цилиндра не превышало 0,3 МПа.

Рис. 50. Поршни автомобильных дви- гателей:

а — с несквозной П-образной прорезью (двигатели ГАЗ-52); б —с несквозной Т- образной прорезью (двигатели 24Д, ЗМЗ-451 и ГАЭ-53).

Зазор между цилиндром и направляющей частью поршня, если она имеет овальную форму или разрез, должен быть 0,05—0,10 мм, а если она цилиндрической формы и не имеет разреза, то 0,18—0,30 мм.

Для улучшения приработки поршня с цилиндром трущиеся поверх- ности поршней некоторых двигателей (например, 24Д, ГАЭ-53, ЗИЛ-130) покрывают тонким слоем (0,004—0,006 мм) олова. У двигате- лей 24Д, ГАЭ-53, ЗИЛ-130, А-41, А-01М и ЯМЗ ¹ для прохода противо-

весов коленчатого вала при нижнем положении поршня и облегчения поршня часть его юбки под бобышками удалена.

Чтобы облегчить подбор поршней к цилиндру и поршневых паль- цев по отверстиям в бобышках с необходимым зазором, поршни сорти- руют на размерные группы в пределах допуска по диаметрам юбки и отверстиям в бобышках.

Метки, обозначающие размерные группы, обычно делаются на дни- ще поршня (рис. 48 — буква М, рис. 49, а — буква А). Соответственно сортируются на размерные группы цилиндры и поршневые пальцы. У гильзы цилиндра метка размерной группы делается на верхнем тор- це. С целью облегчения подбора одинаковых по массе поршней обычно на днище ставят еще и метку группы по массе.

У большинства двигателей поршни на днище имеют метки, напри- мер лыски 8 (рис. 49, а), или стрелки (рис. 50,а), указывающие пра- вильное положение поршня в цилиндре.

Поршневые кольца по назначению разделяют на компрессион- ные и маслосъемные. Их изготовляют из легированного чугуна или стали.

Поршневые компрессионные кольца (рис. 51, а) служат для уплот- нения зазора между поршнем и стенкой цилиндра. В результате их ус- тановки предотвращается прорыв воздуха и газов из пространства над поршнем в картер, а также проникновение масла в камеру сгорания. Одновременно компрессионные кольца отводят тепло от головки порш- ня к стенкам цилиндров.

Поршневые маслосъемные кольца (рис. 51,6) предназначены для снятия излишков масла со стенки цилиндра.

Для надежной работы кольца должны плотно, без просветов, приле- гать к зеркалу цилиндра по всей окружности.

Наружный диаметр кольца в свободном состоянии (не вставленно- го в цилиндр) несколько больше внутреннего диаметра цилиндра. В од- ном месте по окружности часть кольца вырезана, вследствие этого кольцо при постановке в цилиндр пружинит и хорошо прилегает к его поверхности.

Небольшое количество газов из надпоршневого пространства про- никает в зазоры между внутренними цилиндрическими поверхностями компрессионных колец и поршневых канавок. При этом давление (рис. 52, а) и скорость газов постепенно уменьшаются. Эти газы тоже прижимают кольца к стенкам цилиндра. Таким образом, компрессион- ные кольца прижаты к стенке цилиндра силами своей упругости и дав- ления газов.

Вырез 3 (рис. 51) в поршневом коль- це называется замком. При постановке кольца в цилиндр в его замке должен быть оставлен зазор в несколько деся- тых миллиметра (0,2—0,8 мм), обеспечи- вающий возможность расширения коль- ца при нагревании. Формы замков порш- невых колец показаны на рисунке 52,6. Наибольшее распространение получило кольцо с прямым замком, так как оно проще и дешевле в изготовлении и соз- дает достаточную герметичность.

В канавках на поршне кольца так- же устанавливают по высоте с неболь- шим зазором (от сотых до нескольких ^Рис- ⁵¹- Поршневые кольца:

десятых долей миллиметра), с тем ЧТО- ^а ~ компрессионное кольцо: б- мас-

г / > лосъемное кольцо: / — канавка масло-

бы трение торцов кольца О стенки канав- съемного кольца: 2 —прорезь масло-

65

КИ не мешало ему свободно Пружинить. точкГв компресс^он^кол^е.^{4 вь}"

5 А. М. Гурмэт, Б. М. Сорок»

ДьПленил! газоВ8камере ц_{ем выше} расположено на порш- не кольцо, тем больше оно нагревает- ся, поэтому величины зазоров в замках и по высоте у верхних поршневых ко- лец больше, чем у нижних.

Компрессионные кольца, сопри- касаясь с рабочей поверхностью ци- линдра, передают ей теплоту, воспри- нимаемую в процессе работы от поршня. Таким образом уменьшается температура верхней, наиболее нагре- той части поршня, непосредственно не прилегающей к стенкам цилиндра.

Если поршневые кольца неплотно прилегают к стенке цилиндра, то га- зы, прорываясь даже через незначи- тельные просветы между стенкой ци- линдра и кольцами, вызывают пере- грев колец. В результате этого масло, находящееся между поршнем и стен- кой цилиндра, окисляется,

Углеродистые вещества (лаковые отложения), образующиеся при этом, заполняют зазоры между стенками канавок поршня и кольцами. Движение колец будет затруднено, и они перестанут свободно перемещаться и пружинить. Это явление носит название пригорания (закоксования) колец и сопровождается потерей двигателем мощности и повышенным расходом масла.

Для обеспечения длительного плотного прилегания поршневых ко- лец по всей окружности к стенке цилиндра кольца изготовляют с не- равномерным радиальным удельным давлением по окружности (рис.53). Наибольшее давление у аамка. Такое распределение радиальных удельных давлений достигается специальной формой отливки кольца и его механической обработкой.

В поперечном сечении компрессионные кольца могут иметь различ- ную форму (рис. 54). По сравнению с кольцом прямоугольного сечения (а) кольцо с конической наружной поверхностью (б) имеет меньшую опорную поверхность, поэтому удельное давление, которое оно оказывает на стенку цилиндра, больше. Это обеспечивает конусному кольцу хоро- ший контакт по всей окружности с зеркалом цилиндра и, следовательно, быструю приработку. Последнее обстоятельство увеличивает срок службы поршневых колец. По мере износа конусного кольца полоса его контакта с зеркалом цилиндра по высоте увеличивается.

Компрессионные кольца двигателей ГАЗ-52, 24Д, ГАЭ-53, ЗИЛ-130, СМД-14, Д-50 и других (рис. 54, в, г) имеют по внутреннему диаметру сверху кольца фаску или выточку. При установке таких колец в цилиндр они деформируются (скручиваются) и прилегают к зеркалу цилиндра нижней кромкой (рабочее состояние). Поэтому скручивающиеся кольца работают подобно конусным и в то же время уменьшают перемещение колец в вертикальном направлении. Поршневые кольца с фасками и выточками ставят на поршни так, чтобы фаски или выточки были на- правлены зверх.

На двигателях А-41, А-01М, СМД-60 и ЯМЗ (рис. 54,(5) установле- ны кольца, имеющие в поперечном сечении форму односторонней трапе- ции с углом наклона 10° в сторону внутреннего диаметра. Такая форма кольца уменьшает возможность зависания в канавках поршня при больших отложениях нагара и улучшает его прилегание к стенке ци- линдра.

Своими концами палец 2 устанавливается в отверстия бобышек порщня 1, а средней частью проходит через отверстие верхней головки шатуна 5. Чтобц палец не касался зеркала цилиндра, он имеет длину, несколько меньшую, чем диаметр поршня, и удерживается от осевых перемещений либо стопорными пружинящими кольцами 3 (рие. 68, а и б), которые вставляютря в канавки обеих бобышек поршня (Д-37Е, СМД-60, А-01М, А-41, ГАЭ-53 и др.), либо (П-23М) алюминиевыми за- глушками 4 (рис. 58,в).

У современных двигателей поршневой палец во время работы сво- бодно поворачивается в бобышках поршня и в верхней головке шатуна, поэтому его называют плавающим.

При сборке в бобышки поршня палец устанавливают с небольшим натягом. Материал поршня (алюминиевые сплавы) имеет больцшй ко- эффициент линейного расширения, чем материал пальца (сталь). При достижении поршнем и пальцем рабочей температуры палец расщиря- етея в меньшей степени, чем отверстие для него в бобышках поршня, и поэтому палец получает возможность поворачиваться в бобышках. Для облегчения установки пальца поршень при сборке нагревают до 85— 150" С и после этого устанавливают в него палец.

В бобышках поршня налец смазывается маслом, снимаемым малоеъемными кольцами и разбрызгиваемым коленчатым валом. У не- которых двигателей для лучшего поступления масла к трущимся поверх- ностям бобышек и пальца в бобышках сделаны сверления,