Поршень

 Несомненно, поршень является наиболее нагруженной деталью двигателя. Во время работы двигателя на поршень оказываются комбинированные механические и тепловые нагрузки. Разделить их невозможно, поскольку любой материал с повышением температуры меняет свои свойства. Поршень, легко выдерживающий существующие нагрузки при рабочей температуре двигателя, будет разрушен под воздействием не изменившихся механических нагрузок в случае перегрева двигателя.

 Детали шатунно-поршневой группы

 6y5A1EoWToE

1-Первое компрессионное кольцо

2-Второе компрессионное кольцо

3-Маслосъёмное кольцо

 3.1-Верхнее плоское кольцо

 3.2-Расширитель

 3.3-Нижнее плоское кольцо

4-Поршень

5-Поршневой палец

6-Стопорное кольцо поршневого пальца (2 шт)

7-Шатун

8-Болт крышки шатуна

9-Вкладыши подшипника шатуна

10-Крышка шатуна

11-Гайка крышки шатуна

 Поршень

  Во время работы двигателя на поршень оказываются значительные механические нагрузки, постоянно изменяющиеся как по направлению, так и по величине. Даже во время спокойного, равномерного движения автомобиля по обычной загородной дороге коленчатый вал двигателя вращается со скоростью приблизительно 3000 об/мин, следовательно, в течение одной минуты поршень должен разогнаться до высокой скорости, остановиться и опять разогнаться в противоположном направлении 6000 раз в минуту, или 100 раз в секунду. Если принять, что средний ход поршня современного короткоходного двигателя равен 80 мм, за одну минуту поршень пройдёт 480 метров, то есть средняя скорость движения поршня в цилиндре равна 28,8 км/час. Ещё выше эти нагрузки у высокофорсированных двигателей спортивных автомобилей. Если принять, что скорость вращения двигателя спортивного автомобиля 6000 об/мин (на самом деле может быть значительно выше), в этом случае поршень изменит направление своего движения 200 раз в секунду, линейное расстояние, которое поршень пройдёт за час, будет равно 57,8 км, при этом максимальная скорость движения поршня будет равна 120 км/час. То есть в течение одной секунды, поршню необходимо 200 раз на расстоянии всего 40 мм разогнаться до 120 км/час и на таком же расстоянии снизить скорость с 120 км/час до 0. Двигатели многих спортивных автомобилей имеют максимальную скорость вращения коленчатого вала до 12000 об/мин, а двигатели болидов Формулы 1 раскручиваются до 19000 об/мин.

 Можно представить какие большие инерционные нагрузки действуют на поршень, даже если просто предположить что коленчатый вал двигателя вращается от постороннего источника энергии. Но на поршень также оказывается воздействие усилия сжимаемых газов на такте сжатия и особенно полезное воздействие расширяющихся газов на такте рабочего хода. Максимальное давление в камере сгорания высокофорсированного двигателя достигает 80 – 100 атмосфер, давление в камере сгорания обычного автомобиля 55 – 60 атмосфер. И если принять, что диаметр поршня среднего автомобиля равен 92 мм, в момент максимального давления поршень испытывает усилие от 5,3 до 6,6 тонн. Так что можно сказать, что поршень автомобиля, как и другие детали кривошипно-шатунного механизма, испытывает огромные механические нагрузки. Но беда не приходит одна, кроме значительных механических нагрузок, поршень также подвергается воздействию очень высоких температур.

  Откуда появляется тепло, оказывающее воздействие на поршень? Первый, но не основной, источник этот трение. Во время работы двигателя поршень перемещается с большой скоростью, при этом он постоянно трётся о стенки цилиндров. Геометрия кривошипного механизма такова, что часть силы, прикладываемой к поршню, расходуется на прижатие поршня к стенкам цилиндра. И не смотря на качественную обработку поверхностей, как цилиндра, так и поршня, даже при наличии смазки, возникает достаточно большая сила трения. Как известно из школьного курса физики, при этом выделяется большое количество тепла. Но в основном тепло, воздействующее на поршень, появляется при сгорании топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя. Температура сгоревших в цилиндре газов может достигать 2000º - 2500ºС. Под воздействием таких высоких температур разрушаются все конструкционные материалы, из которых изготавливаются детали современных двигателей внутреннего сгорания. Поэтому необходимо отводить тепло от наиболее нагруженных в тепловом режиме деталей двигателя и, разумеется, от поршней. Общее количество тепла, выделенное во время работы двигателя, зависит от количества сгоревшего в цилиндрах двигателя топлива за единицу времени. А этот показатель, в свою очередь зависит от объёма цилиндров и от скорости вращения двигателя. Двигатель превращает в полезную механическую работу только небольшую часть энергии сгоревшего топлива. Некоторая часть тепла выводится из двигателя с горячими отработавшими газами остальноё тепло необходимо рассеять в окружающем пространств.

 Опять вспоминая школьный курс физики можно сказать, что если два тела имеют разную температуру, но тепло от более нагретого тела перемещается к менее нагретому телу, пока температура обоих тел не сравняется. В автомобиле самым холодным телом, способным абсорбировать большое количество тепла, является окружающий воздух, следовательно, необходимо найти способ отвода тепла от нагретых деталей двигателя к окружающему воздуху. Поскольку весь земной шар всё равно не согреешь, можно считать, что окружающая среда способна абсорбировать любое количество тепла. Самая горячая часть поршня это его днище, поскольку оно непосредственно соприкасается с горячими рабочими газами. Далее тепло распространяется от днища поршня в направлении юбки.

hqO jKth4Eo

  Тепло от поршня отводится тремя способами: Основная часть тепла передаётся поршневыми кольцами и юбкой поршня стенкам цилиндра и далее отводится системой охлаждения двигателя. Часть тепла отводится внутренней полостью поршня и через поршневой палец и шатун, а также маслом, циркулирующим в системе смазки двигателя. Часть тепла отводится от поршня холодной топливовоздушной смесью поступающей в цилиндры двигателя.

1. Отвод тепла чрез поршневые кольца и юбку поршня. Ясно, что подвести охлаждающую жидкость, циркулирующую в системе охлаждения к поршню невозможно, поскольку поршень во время работы двигателя перемещается с большой скоростью. Но система охлаждения двигателя интенсивно охлаждает стенки цилиндров двигателя. Поэтому необходимо сконструировать поршень и поршневые кольца так, чтобы он излишнее тепло чрез поршневые кольца и юбку передавал стенкам цилиндра двигателя. Далее исправная система охлаждения двигателя выведет тепло их двигателя и передаст его окружающему автомобиль воздуху. Если это не сделать, то температура поршня превысит максимально допустимую, после чего начнётся разрушение поршня под воздействием механических нагрузок и даже его оплавление под воздействием высокой температуры. Без необходимого отвода тепла поршень, сделанный из алюминиевого сплава расплавится всего через несколько минут работы двигателя.

rSLPlPHi7WE

Отвод тепла от поршня

 Поступление тепла к поршню от рабочих газов, находящихся в цилиндре двигателя

  • Охлаждение поршня поступающей топливовоздушной смесью
  • Отвод тепла поршневыми кольцами (50% - 70%)
  • Отвод тепла юбкой поршня (20% - 30%)
  • Отвод тепла через внутреннюю полость поршня (5% - 10%)
  • Отвод тепла через поршневой палец и шатун
  • Охлаждающая жидкость рубашки охлаждения

 Из общего количества тепла, отводимого от поршня, приблизительно 50% - 60% отводится поршневыми кольцами, это накладывает очень высокие требования к конструкции и точности изготовления поршневых колец. Некоторая часть тепла отводится во внутренне пространство поршня и рассеивается во внутреннем пространстве картера или через поршневой палец передаётся на шатун и тоже рассеивается во внутреннем пространстве картера двигателя.

fSE2Xcg11SA

  1. Отвод тепла от поршня через поршневые кольца
  2. Отвод тепла поршневыми кольцами
  3. Камера сгорания
  4. Стенка цилиндра
  5. Рубашка охлаждения
  6. Поршень
  7. Первое компрессионное кольцо
  8. Второе компрессионное кольцо
  9. Маслосъёмное кольцо

 Поскольку самой горячей частью поршня является его днище, являющейся одной из стенок камеры сгорания, тепло перемещается от верхней части поршня к нижней. При этом из всего количества тепла, отводимого от поршня, приблизительно 45% отводится первым компрессионным кольцом, по причине того, что это кольцо всего ближе расположено к самой горячей части поршня, 20% отводится вторым компрессионным кольцом и только 5% отводится маслосъёмным кольцом. Тепло, переданное поршневыми кольцами и юбкой поршня стенкам цилиндра, отводится системой охлаждения двигателя. Поэтому исправность системы охлаждения оказывает больное воздействие на тепловой режим поршня. Увеличение температуры охлаждающей жидкости системы охлаждения на 5º - 6ºС, увеличивает температуру поршня на 10ºС. При неисправности системы охлаждения первое что разрушается в двигателе это поршень. У поршня или прогорает днище или поршень заклинивается в цилиндре.

2. Отвод тепла при помощи масла системы смазки двигателя Поскольку многие внутренние детали картера двигателя смазываются распылением масла, масляный туман постоянно присутствует в картере двигателя. Соприкасаясь с горячими частями поршня или стенок цилиндра, масло забирает от них тепло и, осаждаясь в масляный поддон, переносит туда тепло. Обычно в таких системах при помощи масла от поршня отводилось не более 5% - 10% тепла. Но в последнее время в высоконагруженных двигателях, особенно в дизельных, масло системы смазки стало широко использоваться для охлаждения деталей, имеющих наибольшую тепловую нагрузку. Масло для охлаждения поршня может подаваться к поршню двумя способами. Первый способ – через специальный масляный канал, просверленный в стержне шатуна. В этом случае в шатуне имеется специальное отверстие, через которое масло разбрызгивается на внутреннюю стенку днища поршня. Второй способ – в нижней части картера устанавливаются масляные форсунки, которые под давлением распыляют масло во внутренней полости поршня, или впрыскивают его в специальный кольцевой охлаждающий канал, расположенный в головке поршня. Для отбора от поршня большего количества тепла масляный канал имеет волнообразную форму.

 В этом случае при помощи масла может от поршня отводиться от 30 до 50% тепла. В результате при разбрызгивании масла на внутреннюю стенку днища поршня удаётся снизит температуру днища поршня на 15 – 20ºС, а при организованной циркуляции масла в поршне, температуру днища поршня можно снизить на 25 – 35ºС. Масло, охлаждающие поршни и другие детали сильно нагревается. При нагреве масло разжижается и теряет свои смазывающие свойства. По этой причине возникает угроза заклинивания коренных и шатунных подшипников коленчатого вала.

 В таком случае система смазки двигателя имеет специальный охладитель масла, теплообменник которого передаёт тепло от масла жидкости, циркулирующей в системе охлаждения двигателя. Далее это тепло при помощи радиатора системы охлаждения рассеивается в окружающем автомобиль воздухе.

x48NFMaRDx0

Охлаждение поршня маслом

 Масляная форсунка, установленная в нижней части гильзы цилиндра, разбрызгивает мало из системы смазки двигателя на внутреннюю сторону днища поршня. Масло отбирает тепло от днища поршня и стекает в масляный поддон двигателя, где происходит его охлаждение.

u3wt7HLn1iM

 Поршень с масляным каналом

 На этих рисунках показан поршень современного дизельного двигателя 2.0 TDI мощностью 103 кВт концерна VOLKSWAGEN. Масляная форсунка впрыскивает масло в охлаждающий канал поршня. По охлаждающему каналу масло проходит через головку поршня, охлаждая его, выходит из охлаждающего канала поршня с другой стороны и стекает в масляный поддон двигателя.

I S5DZFha7g

3. Охлаждение поршня холодной топливовоздушной смесью. Вообще поршень любого двигателя частично охлаждается топливовоздушной смесью. Причем чем богаче смесь, там больше она может забрать энергии от поршня. Но по причинам топливной экономичности и экологии современные двигатели часто работают на обеднённой смеси. Современные электронные системы управления двигателя для избежания детонационного сгорания на некоторых режимах работы двигателя немного переобогащают смесь, за счёт чего несколько снижается температура поршня.

 Конструкция поршня

Z8FcIKviWxk

  1. Днище поршня
  2. Головка поршня
  3. Юбка поршня
  4. Выемка для противовесов коленчатого вала
  5. Отверстие поршневого пальца
  6. Канавка стопорного кольца
  7. Бобышка поршня
  8. Отверстие для отвода масла из канавки маслосъёмного кольца
  9. Отверстие для отвода масла ниже маслосъёмного кольца
  10. Канавка маслосъёмного кольца
  11. Третья перегородка поршневых колец
  12. Канавка второго компрессионного кольца
  13. Вторая перегородка поршневых колец
  14. Канавка первого компрессионного кольца
  15. Верхняя перегородка (жаровой пояс)
  16. Метки направления установки поршня
  17. Метки группы диаметра поршня

Вид поршня современного форсированного двигателя

B9lBL8nOR74

  1. Поршеньфорсированного двигателя
  2. Днище поршня
  3. Выемки клапанов
  4. Вытеснитель
  5. Верхняя перегородка (жаровой пояс)
  6. Канавка верхнего компрессионного кольца
  7. Вторая перегородка
  8. Третья перегородка
  9. Канавка маслосъёмного кольца
  10. Отверстие для отвода масла из канавки компрессионного кольца
  11. Юбка поршня с антифрикционным покрытием
  12. Бобышка отверстия поршневого пальца
  13. Отверстие поршневого пальца
  14. Проточка под стопорное кольцо поршневого пальца
  15. Канавка аккумулирования газов

 На первый взгляд в конструкции поршня нет ничего сложного, поршень очень похож просто на перевёрнутый стакан. Но, учитывая, что к поршню предъявляются очень высокие и часто противоречивые требования, поршень является одной из наиболее трудных в конструировании и изготовлении деталей двигателя. В зависимости от конструкции двигателя, формы его камеры сгорания, расположения клапанов днище, и другие части поршня, могут иметь различную форму.

 Некоторые примеры различных типов поршней

9ybHC86wRZ0

Поршень с вытеснителем и выемками клапанов

Ayric cbE74

 

 Поршень двигателя с непосредственным впрыском топлива автомобиля VOLKSWAGEN с системой управления двигателя FSI FSI

Направление потока смеси

j0NkEK9ok2k

 Очень своеобразную форму имеют поршни двигателей автомобиля VOLKSWAGEN с расположением цилиндров VR и W. У этих двигателей днище поршня в одной плоскости не перпендикулярно оси поршня. Но все остальные детали поршня ось поршневого пальца и канавки поршневых колец строго перпендикулярны оси поршня.

 Порщень RV-образного двигателя

h7T 3L2EyMM

 Ранее отмечалось, во время работы двигателя поршень совершает возвратно поступательные движения с большой средней скоростью и с очень высокими знакопеременными ускорениями, следовательно, для уменьшения сил инерции конструктор должен стремиться сделать поршень, как и все остальные детали, совершающие возвратно-поступательное движение, как можно легче. Способов это сделать всего два, это применение материалов и низким удельным весом, и уменьшения общего количества материала, то есть удаление излишнего материала. Но удаление излишнего материала снижает прочность конструкции, чем деталь массивней, тем легче обеспечить её жесткость и теплоёмкость. Крайне не желательно деформация формы поршня под воздействием механических и температурных нагрузок. Во время работы двигателя поршень контактирует с другими деталями, стенками цилиндра, поршневыми кольцами и поршневым пальцем. Для обеспечения эффективной работы двигателя необходимо обеспечит точные зазоры между всеми этими деталями. Но все эти детали изготавливаются из различных материалов и, соответственно, имеют различные коэффициенты температурного расширения.

 Поршень конструируется так, что после прогрева двигателя до нормальной рабочей температуры все зазоры между движущимися деталями были минимальными и соответствовали расчётным. Вообще наружная форма и размеры поршня должны соответствовать форме цилиндра. При изготовлении стремятся придать отверстию цилиндра строгие геометрические формы. Но, например, неправильная затяжка болтов крепления головки блока цилиндров, может сильно исказить первоначальную форму отверстия цилиндра. Поэтому, при ремонте двигателя всегда строго соблюдайте рекомендованные моменты затяжки всех резьбовых соединений.

 Наружная форма поршня конструируется так, чтобы после прогрева двигателя поршень приобрёл форму строго цилиндра, поэтому при изготовлении поршня в его форму умышленно вносятся некоторые искажения, которые устраняются по мере прогрева двигателя. На холодном двигателе зазор между поршнем и стенками цилиндра увеличен. При прогреве двигателя до нормальной рабочей температуры тепловые зазоры между стенками цилиндра и поршнем уменьшаются и начинают соответствовать норме. Вот почему так важно поддерживать необходимую рабочую температуру двигателя.

 Поршень состоит из трёх основных частей:

Nr2HssS7fck

  1. Днище поршня
  2. Головка поршня
  3. Юбка поршня

 Днище поршня предназначено для восприятия усилия давления газов. Головка поршня обеспечивает герметизацию подвижного соединения поршня и стенок цилиндров за счёт установленных на головку поршня поршневых колец. Для установки поршневых колец в головке поршня делаются специальные канавки. В верхние канавки современных поршней вставляются компрессионные кольца, а нижняя канавка предназначена для установки маслосъёмного кольца. В канавке маслосъёмного кольца делаются сквозные отверстия, через которые излишнее масло отводится во внутреннюю полость поршня.

 Часть поршня, расположенная ниже нижнего кольца называется юбкой поршня. Юбка поршня, иногда её называют тронковая или направляющая часть поршня, предназначена для удержания поршня в правильном направлении и восприятия боковых нагрузок. То есть юбка является направляющим элементом поршня.

 Очень важным параметром поршня является высота головки поршня относительно оси поршневого пальца (4). Иногда различные модификации двигателя имеют различную степень сжатия. В производстве легче всего изменить степень сжатия изменением высоты головки поршня.

 При конструировании двигателя, для уменьшения сил инерции, конструкторы стремятся сделать поршень как можно легче. Но сделать все стенки поршня одинаковой толщины не удастся. Днище поршня, для восприятия больших нагрузок, всегда делается толще, чем стенки юбки. Но и юбка в различных местах имеет различную толщину. В местах бобышек под поршневой палец юбка имеет значительное утолщение, а, учитывая то, что различные части поршня имеют различную температуру, можно предположить, что при нагреве в разных местах поршень расширяется не одинаково. Поскольку во время рабаты двигателя головка поршня имеет более высокую температуру, следовательно, расширяется больше юбки поршня, головка поршня имеет несколько меньший диаметр по сравнению с юбкой поршня.

Поршень - диаметр головки

XitPNThCZbc

 Под воздействием тепловых деформаций поршня, сложенных с боковыми усилиями, действующими на поршень в перпендикулярно оси поршневого пальца, цилиндрический поршень может приобрети овальную форму. Для устранения этого явления поршень изначально делается овальным, но в противоположном направлении, по мере прогрева двигателя поршень, под воздействием боковых сил, приобретает круглую форму. Малая ось овала совпадает с направлением оси поршневого вала, а большая ось овала совпадает с направлением действующих на поршень боковых сил.

                                                                                          ykHU It59vAPhjp2bLmV28

 Но кроме овальности наружная поверхность поршня имеет некоторую конусность. Поршни современного двигателя, кроме овальности, по высоте имеют бочкообразную форму. Поэтому, поршень, кажущийся на первый взгляд простым цилиндром, имеет довольно сложную форму.

 Сложная форма поршня

EakIr9k3K4w

 На этом рисунке даны отклонения диаметра поршня от номинального размера. Зелёная линия показывает отклонения от номинального диаметра на различной высоте поршня со стороны торцов поршневого пальца, а розовая линия показывает отклонение номинального размера со стороны упорных поверхностей поршня. Ширина жёлтой зоны показывает овальность поршня на различной высоте.

 Подбор точной наружной формы поршня очень трудная инженерная задача. В самом начале развития двигателестроения форма поршня подбиралась только опытным способом. Установив опытный поршнь в двигатель, двигатель нагружали различными нагрузками. После проведения необходимых испытаний поршень снимался и в местах, подвергшихся наибольшему износу, удалялась некоторая часть металла, и после этого проводился следующий цикл испытаний. Ели в результате излишне снятого металла поршень разрушался, толщину стенок или форму поршня изменяли и заново производили полный цикл испытаний. В результате продолжительных испытаний добивались наилучшей формы поршня для данного двигателя. По мере накопления опыта точная форма поршня стала определяться расчётным способом. Но даже сейчас, когда специальная компьютерная программа, может прочитать оптимальную форму поршня быстро, с высокой степью точности и с учётом всех, воздействующих на поршень температурных и механических факторов, проводится обязательное испытание поршней под различной нагрузкой. Другим способом терморегулирования поршня, то есть направленное изменение формы поршня под воздействием температуры является вплавление в алюминиевое тело стальных термостабилизирующих пластин. Термостбилизирующие пластины, при полном прогреве поршня, позволяют снизить радиальное расширение поршня приблизительно в два раза по сравнению с поршнем, полностью изготовленным из алюминиевого сплава.

 Термостабилизирующие пластины

ZBPsESo9ui4

 Термостбилизирующие пластины или кольца являются очень эффективным средством управления расширения поршня в необходимом направлении. Правда эти элементы имеют большое ограничение они могут быть вставлены только в литые поршни, но нет возможности установки этих элементов в современные кованные поршни. Как преднамеренные изменения формы поршня, так и вставка в поршень термостабилизирующих стальных пластин предназначены для обеспечения стабильного минимального теплового зазора между поршнем (юбкой поршня) и стеками цилиндра. Обычно тепловой зазор между юбкой поршня и стенками цилиндра автомобильного двигателя лежит в диапазоне 0,0254 – 0,0508 мм.

 Боковые силы, приложенные к поршню

qLnmAiCEpYg

 Во время работы двигателя шатун постоянно, кроме положения поршня в ВМТ и НМТ находится под некоторым углом к оси цилиндра, причем этот угол постоянно изменяется. Поэтому сила, приложенная к поршневому пальцу, раскладывается на две. Одна сила действует в направлении шатуна, а вторая сила действует в направлении перпендикулярном оси цилиндра. Эта сила прижимает поршень к стенке цилиндра. При движении поршня вверх на такте сжатия сжимаемый воздух оказывает сопротивление перемещению поршня. Часть это силы прижимает поршень к правой стенке цилиндра, если смотреть со стороны передней части двигателя. Во время рабочего хода расширяющиеся газы с большой силой давят на поршень. Часть этой силы расходуется на прижатие поршня к левой стенке цилиндра. Не стоит думать, что эти силы незначительны. Боковая сила, прижимающая поршень к стенке цилиндра приблизительно равна 10% - 12% процентов, от силы, действующей в направлении оси цилиндра. Ранее упоминалось, что во время работы двигателя на днище поршня среднего легкового автомобиля действует сила в несколько тонн, следовательно, сила, прижимающая поршень к боковой стенке может быть равна нескольким сотням килограмм. Поскольку сила, действующая на поршень во время рабочего хода в направлении оси цилиндра значительно выше, силы, действующей на поршень во время такта сжатия, поверхность, к которой прижимается поршень, во время такта рабочего хода, называется основной упорной поверхностью.

 Из всего сказанного вытекает, что при прохождении поршнем ВМТ между тактами сжатия и рабочего хода происходит перемещение поршня от вспомогательной упорной поверхности к основной. Поскольку на поршень действуют большие силы, а все процессы в двигателе происходят очень быстро, перемещение поршня происходи в форме удара. Для уменьшения силы удара при перекладке поршня ось поршневого пальца (вернее ось отверстия в бобышках поршня под поршневой палец) смещена в сторону основной упорной поверхности.

 Перекладывание поршня

SQ2ZyxtLcD8

 При движении поршня вверх на такте сжатия, давление сжимаемого воздуха оказываемого на днище поршня преобразуется в силу, направленную перпендикулярно днищу поршня. Поскольку шатун находится под некоторым углом к оси поршня, возникает нормальная сила, прижимающая поршень к вспомогательной упорной поверхности (2). Сила, возникающая в результате воздействия давления, равна произведению давления, умноженного на площадь, на которую действует давление. Поскольку ось поршневого пальца смещена в сторону основной упорной поверхности (1), площадь правой половины поршня стала несколько больше площади левой половины. В результате чего сила, действующая на правую половину поршня, будет больше силы, действующей на левую половину поршня. Поэтому, когда поршень остановится в ВМТ, в результате разности этих сил, нижняя часть поршня переместится к основной упорной поверхности. А как только давление в камере сгорания начнёт увеличиваться, произойдёт полная перекладка поршня к основной упорной поверхности. Это позволяет произвести перекладку поршня без ударных нагрузок. При движении поршня в низ, при изменении угла шатуна к оси цилиндра и возрастания давления в цилиндре поршень оказывает давление на основную упорную поверхность (1).

 Обычно смещение оси поршневого пальцы относительно оси поршня в автомобильных двигателях лежит в диапазоне 1,0 – 2,5 мм. Учитывая имеющиеся смещения оси поршневого пальца, поршень допускается устанавливать только в одном направлении. Неправильна установка поршня приведёт к появлению ударных звуков во время работы двигателя. Обычно на днище поршня имеется метка, указывающая правильное направление установки поршня. Перед ремонтом двигателя тщательно изучите руководство по ремонту.

 Нормальный тепловой зазор между цилиндром и юбкой поршня лежит в диапазоне 0,0254 – 0,0508 мм. Но для каждого двигателя имеется точное значение этого параметра, которое можно найти в технических нормативах. Уменьшенный зазор приведёт к задирам поршня или поршневых колец и даже заклиниванию поршня в цилиндре.

 Измерение диаметра поршня

ad4bBcQF7dY

 При увеличенном зазоре повышается шумность работы двигателя и износ поршня и поршневых колец.

LNZ7MyZfeHU

Измерение диаметра юбки поршня при помощи микрометра.

Yv792we7adw

 

Измерение диаметра поршня Диаметр юбки поршня необходимо проверять в направлении перпендикулярном оси пальца строго на установленной высоте относительно нижнего края юбки. Замерьте диаметр юбки поршня на установленной высоте и запишите результаты измерений.

 Измерение диаметра цилиндра нутромером

FX0 q3QtaIg

 

При помощи нутромера замерьте диаметр цилиндра и запишите результаты измерений. Для определения зазора необходимо из второго полученного результата вычесть результат первого измерения. Измерение зазора при помощи плоского щупа Некоторые производители двигателей предлагают проводить измерение зазора между поршнем и цилиндром при помощи плоского щупа.

Измерение зазора между поршнем и стенками цилиндра

 TxeUqMon60

 На этих двух рисунках показаны различные способы измерения зазора при помощи плоского щупа.

Измерение зазора при помощи щупа 

pVW1M5Uel1I

Материалы, из которых изготовлен поршень

 Поскольку к поршням, как к изделию, предъявляются очень высокие требования, такие же высокие требования предъявляются к материалам, из которых изготавливаются поршни. Можно кратко перечислить требования к этим материалам:

  • Для снижения инерционных нагрузок материал должен иметь как можно меньший удельный вес, но при этом быть достаточно прочным.
  • Иметь низкий коэффициент температурного расширения.
  • Не изменять своих физических свойств (прочности) под воздействием высоких температур.
  • Иметь высокую теплопроводность и теплоёмкость.
  • Иметь низкий коэффициент трения в паре с материалом, из которого изготовлены стенки цилиндров.
  • Иметь высокую сопротивляемость износу.
  • Не изменять своих физических свойств под воздействие нагрузок, вызывающих усталостное разрушение материала.
  • Быть не дорогим, общедоступным и легко поддаваться механической и другим видам

 Алюминий значительно легче чугуна, но поскольку он мягче чугуна, приходится увеличивать толщину стенок поршня, по этой причине вес поршневой группы алюминиевого поршня легче подобной группы с чугунным поршнем всего на 30 – 40%. Алюминий обладает высоким температурным коэффициентом расширения, для устранения влияния которого приходится вплавлять в тело поршня стальные термостабилизирующие пластины и увеличивать зазоры между поршнем и другими элементами в холодном состоянии. Алюминий обладает низким коэффициентом трения в паре алюминий – чугун. Что удовлетворяет, по этому показателю, применение алюминиевых поршней в большинстве двигателей имеющих чугунный блок цилиндров или чугунные гильзы, вплавленные или вставленные в алюминиевый блок цилиндров. Но существуют современные прогрессивные двигатели (в основном немецкие – Фольксваген, Ауди и Мерседес) с алюминиевым блоком цилиндров, не имеющих вплавленных чугунных гильз. У этих двигателей поверхность алюминиевых отверстий цилиндров обрабатываются несколькими различными способами. В результате поверхность стенок цилиндров становится очень твёрдой и приобретает возможность сопротивления износу, даже выше чем у чугунных гильз. Но в паре алюминий – алюминий коэффициент трения очень высокий. В этом случае для уменьшения сил трения проводится железнение опорных поверхностей юбки поршня. В процессе железнения на опорную поверхность юбки поршня гальваническим способом наносится тонкий слой стали.

 Блок цилиндров без гильз

h2tNoVRtrrs

 Поршень с железнением юбки

WN9pv4ZtbTs

 На этих рисунках показано плазменное напыление на рабочую поверхность цилиндров полностью алюминиевого блока цилиндров без применения вставных или вплавленных гильз цилиндров и соответствующий этой поверхности поршень с железнением опорной поверхности юбки поршня. Отсутствие чугунных гильз значительно уменьшает вес блока цилиндров.

 Поршень с антифрикционным покрытием

GcjZO5f5wzY

 Кроме антифрикционного покрытия на этом рисунке отчётливо видна стальная вставка, в которой проточена канавка для установки верхнего компрессионного кольца. Установка подобной вставки значительно увеличивает срок службы поршня.

Алюминиевые сплавы

 Кремнеалюминиевые сплавы, из которых изготавливаются поршни большинства современных автомобильных двигателей, делятся на две группы – эвтектические (содержания кремния 11 – 13%) и заэвтектические (содержания кремния 25 – 26%). Для улучшения термической стойкости и механических свойств в эти сплавы добавляются никель, медь и другие металлы. В эвтектических сплавах свободный кремний отсутствует, поскольку он полностью растворён в алюминии, в заэвтектических сплавах кремний может присутствовать в виде кристаллов, часто видимых на срезе или расколе материала. Поршни массовых автомобилей изготавливаются методом литья в кокиль из эвтектических сплавов, поскольку эти сплавы обладают хорошими литейными свойствами. Поршни дизельных двигателей тяжёлых грузовых автомобилей и других нагруженных двигателей изготавливаются из заэвтектических сплавов. Эти сплавы обладают большей прочностью, но имеют большую стоимость в производстве, поскольку изделия из этих сплавов трудней обрабатываются.

Литые и кованые

 На высоконагруженных форсированных автомобильных двигателях применяются поршни, изготовленные не методом литья, а методом ковки (горячей штамповки). Ковка значительно улучшает структуру материала, поэтому кованые поршни обладают большей прочностью и большей устойчивостью к износу. Но вкованные поршни невозможно установить терморегулирующие стальные пластины.

Структура металла кованного поршня

U9 bqxSJCx4

 Литые поршни не применяются, если обороты двигателя в рабочем режиме превышают 5000 об/мин. Кроме того, кованые поршни имеют лучшую теплопроводность, поэтому температура кованых поршней ниже температуры поршней, изготовленных методом литья.

 Сравнение температуры литого и кованного поршня

8n0Cbce1jbY

Ремонтные размеры и селективная подборка

 Как ранее отмечалось, диаметр поршня должен строго соответствовать диаметру цилиндра с обеспечением необходимого зазора между ними. Но в реальном производстве изготовленные детали всегда несколько отличаются друг от друга. Поэтому во многих отраслях машиностроения, и автомобилестроение в том числе, принята селективная подборка. После изготовления измеряются и по результатам измерений детали делятся на несколько классов или групп, с определённым диапазоном измеряемого размера. То есть каждому классу отверстия цилиндра (обычно класс цилиндра выбит в определённом месте на блоке цилиндров), подбирается поршень такого же класса. Например, на ВАЗе поршни подразделяются на пять классов (A, B, C, D и E), но в запасные части для ремонта двигателей поставляются поршни только трёх классов (А, С и Е). Считается, что этого вполне достаточно для выполнения качественного ремонта.

Группы поршня по диаметру

2 zoAO7IGH0dy9IWbwKqT8

 Таблица и рисунок даны только для примера, поскольку для разных моделей двигателей выпускаются поршни разных номинальных размеров. На рисунке и в таблице упоминаются поршни разного номинального диаметра. Кроме этого выпускаются поршни ремонтного размера, с увеличенным на 0,4 и 0,8 мм диаметром. Не путайте ремонтные размеры, с классами по селективной подборке. Классы селективной подборки отличаются друг от друга на сотые, а, иногда, на тысячные доли миллиметра. А номинальные ремонтные размеры отличаются на несколько десятых долей миллиметра.

 Во время капитального ремонта двигателя с расточкой блока цилиндров под ремонтный размер отверстий цилиндров специалисты ремонтного предприятия точно подгоняют диаметр цилиндра под имеющиеся поршни при хонинговке. Если по причине износа или наличия задиров требуется отремонтировать отверстие одного цилиндра, придётся растачивать все цилиндры. Не допускается применения на одном двигатели поршни разных ремонтных размеров. Диаметр поршня измеряется при помощи микрометра, в направлении, перпендикулярном оси поршневого пальца, на строго установленном расстоянии от низа юбки поршня, указанном в руководстве по ремонту. Все измерения, как диаметра поршня, так и диаметра отверстия цилиндра необходимо проводить при нормальной комнатной температуре – 20º С. Различные производители имеют различные группы или классы поршней по диаметру. Поэтому перед ремонтом двигателя ознакомьтесь с Руководством по ремонту. Кроме селективного подбора поршней по диаметру, поршни также делятся на несколько групп по диаметру отверстия под поршневой палец. Обычно группа поршня определяется цветовой меткой на внутренней поверхности бобышки поршня. Палец поршня имеет соответствующую по цвету метку на торцевой поверхности пальцы.

 Группа поршня по диаметру поршневого пальца

 2JCO8XPyhg

 Каждой группе соответствует установленный диапазон отверстия под поршневой палец, обычно различие между группами не превышает нескольких тысячных миллиметра.

Группа поршня по весу

 Некоторые производители, также делят поршни на несколько групп по весу. Иногда при ремонте двигателя вес поршней уравнивается за счёт снятия металла в установленном месте юбки поршня. Чем меньше различие в весе поршней, тем меньше вибрации двигателя. При замене поршней подбирайте поршни одной весовой группы или, если это указано в Руководстве по ремонту, при помощи удаления металла уравняйте вес поршней.

Данные о размерах поршня и направлении его установки обычно выбиты на днище поршня.

FE LSOFu988

Метки на днище поршня

Маркировка поршня:

  1. Стрелка для ориентирования поршня в цилиндре
  2. Ремонтный размер
  3. Класс поршня по диаметру
  4. Группа отверстия поршневого пальца

И так, поршни одного двигателя делятся по следующим признакам: Класс поршня по диаметру (селективная подборка) Группа отверстия под поршневой палец (селективная подборка) Ремонтный размер Группа по весу поршня

Прочитано 4770 раз

Понравилось?! Не забудь поделиться! ;-)

    

Есть что рассказать? Тогда вам сюда...

--->

Мы в соцсетях