Шатунно-поршневая группа

Поршень. Поршень предназначен для воспринятия силы давления газов при рабочем ходе и для производства вспомогательных тактов — впуска, сжатия и выпуска отработавших газов. Условия работы поршня характеризуются большими механическими и теп­ловыми нагрузками, а именно высокими значениями температуры (до 2500 °С), давления до 10 МПа (100 кгс/см²) и скоростей (ско­рость движения поршня достигает 15...20 м/с). Неравномерное дви­жение поршня, когда в средней части длины цилиндра он движет­ся с максимальной скоростью, а к мертвым точкам замедляет дви­жение и останавливается, приводит к возникновению существен­ных сил инерции. Трение поршня о зеркало цилиндра вызывает механический износ, а воздействие на него при рабочем ходе вы­соких температур приводит к эрозионному и коррозионному из­носу. Поэтому материал поршня должен обладать:

• высокой механической прочностью и устойчивостью при ра­боте в условиях высоких температур;

• высокими антифрикционными свойствами;

• отличной теплопроводностью;

• низким коэффициентом линейного расширения;

• коррозионной стойкостью.

Наиболее подходящими металлами для удовлетворения таким условиям работы являются алюминиевые сплавы АК-4, АЛ-4, -25, -30 и др.

К недостаткам поршней из алюминиевых сплавов можно отне­сти большой коэффициент линейного расширения и ухудшение механических качеств с увеличением температуры. Для устране­ния этих недостатков поршни подвергаются термической обра­ботке — искусственному старению.

Основными частями поршня 1 являются головка с днищем 10 и направляющая часть боковой стенки поршня, именуемая юбкой 13. На внутренней части головки поршня имеются ребра жесткости 8. Для соединения поршня с шатуном служат бобышки 3 с кольцевыми канавками 2 для установки стопорных колец пор­шневого пальца. В головке поршня выполнены кольцевые канавки для установки компрессионных 6 и маслосъемного 4 колец. Для верхнего компрессионного кольца в головку поршня залива­ется чугунная вставка 11, в которой и прорезана канавка для верх­него компрессионного кольца. В канавке для маслосъемного кольца сделаны сквозные сверления внутрь поршня — дренажные кана­лы 5, по которым излишки масла, снятые со стенок цилиндра, стекают внутрь поршня, а затем в поддон картера двигателя.

Подбор поршней к цилиндрам производят в холодном состоя­нии. Между поршнем и цилиндром оставляют зазор, который пред­отвращает заедание поршня при нагреве и обеспечивает образова­ние масляной пленки. Нагревание поршня по высоте происходит неодинаково. Больше нагревается верхняя часть поршня. Отсюда и неодинаковая по высоте величина зазора между поршнем и ци­линдром. Наибольший зазор будет между головкой поршня и ци­линдром. К нижнему концу юбки этот зазор уменьшается.

Чтобы получить минимальный зазор между юбкой поршня и цилиндром в холодном двигателе и устранить заедание поршня при нагреве, юбки поршней из алюминиевого сплава в попереч­ном сечении делают овальной формы (овальность юбки в преде­лах 0,18... 0,80 мм), а поршни — конусными по высоте. Поршни некоторых двигателей имеют юбки с разрезами. Если юбка порш­ня овальная, то меньшая ось овала проходит вдоль оси поршнево­го пальца. При нагреве наибольшее расширение происходит именно в этой плоскости из-за большого количества металла, сосредото­ченного в бобышках, и юбка приобретает цилиндрическую форму.

В некоторых моделях двигателей в тело поршня заливаются стальные терморегулирующие пластинки, способствующие равно­мерному распределению теплоты и увеличивающие механическую прочность.

Высота юбки поршня зависит от допустимого давления на ци­линдр, которое не должно превышать 0,3 МПа (3 кгс/см²). Для улучшения приработки поршни иногда покрывают тонким слоем олова (0,004...0,006 мм).

Для правильной установки поршней в цилиндр на них в обяза­тельном порядке наносятся метки. Такие же метки наносят и для правильного соединения поршня с шатуном.

В момент прохода поршня через ВМТ изменяется направление действия боковой силы, и поршень перемещается от одной стенки цилиндра к другой. У быстроходных двигателей и при коротких шатунах эта сила значительна, и перекладка сопровождается сту­ками, особенно при холодном двигателе. Избежать стуков при пе­рекладке поршня можно путем смещения оси поршневого пальца на 1,4... 1,6 мм в сторону действия максимальной боковой силы. В результате этого смещения начальная перекладка поршня про­исходит за 3...4" до ВМТ, когда давление в цилиндрах еще не так велико. Поршень как бы поворачивается вокруг пальца и его дви­жение несколько тормозится трением в канавках поршневых ко­лец, что приводит к более плавной перекладке и снижению уров­ня стуков.

Направляющие (юбки) поршней дизелей также выполняются в виде конуса овального сечения. Кроме того, в головках поршней дизелей выполняются камеры сгорания.

Поршневые кольца. В кольцевых канавках головок поршней ус­танавливаются поршневые кольца. На большинстве двигателей ста­вят два компрессионных и одно маслосъемное кольцо.

Компрессионные кольца служат для уплотнения поршня в ци­линдре при его возвратно-поступательном движении, отвода теп­лоты от головки поршня к цилиндрам и предотвращения прорыва газов из камер сгорания в картер двигателя.

Кольца изготавливаются из чугуна или стали путем копирного растачивания для придания им необходимой формы. В свободном состоянии наружный диаметр колец больше, чем внутренний ди­аметр цилиндра, поэтому вставляемое в цилиндр кольцо плотно прижимается к нему. Стык концов кольца называется замком. Для компенсации теплового расширения при нагреве колец во время рабочего хода в замке должен оставаться зазор в пределах 0,20...0,80 мм. При установке колец в канавки поршня замки долж­ны располагаться под углом 180°. Высота компрессионных колец меньше высоты канавок в головке поршня на 0,04...0,09 мм. Ве­личина зазора различна для всех колец. Наибольшие зазоры будут у верхнего кольца, нагревающегося особенно сильно. Чем ниже расположены кольца, тем меньше у них зазоры. Форма замков у большинства моделей двигателей прямая, так как такой замок лег­че изготовить. Количество компрессионных колец зависит от обо­ротистости двигателя. Чем оборотистее двигатель, тем меньше вре­мени остается на прорыв газов в картер, а следовательно, нужно меньше компрессионных колец.

Небольшое количество газов из камер сгорания всегда прони­кает в картер между внутренними цилиндрическими поверхностя­ми колец и поршневых канавок, способствуя прижатию колец к зеркалу цилиндров. Таким образом, компрессионные кольца при­жимаются к цилиндрам силой упругости и давления газов. Если поршневое кольцо неплотно прижато к зеркалу цилиндров, то уве­личивается прорыв газов, что приводит к перегреву колец. В ре­зультате перегрева масло, находящееся между кольцом и зеркалом цилиндра, окисляется. Образующиеся при этом углеродистые ве­щества (лаковые отложения) заполняют зазоры между стенками канавок поршня и кольцами. Движение колец в канавках затруд­няется, они перестают свободно перемещаться и пружинить. Это явление называется пригоранием (закоксовыванием) колец и со­провождается уменьшением компрессии в цилиндре, потерей мощ­ности двигателя и повышением расхода масла.

Для обеспечения плотного прилегания к стенке цилиндра кольца изготавливают с неравномерным радиальным удельным давлени­ем по окружности, что достигается специальной формой отливки кольца и его механической обработкой.

В поперечном сечении компрессионные кольца могут иметь различную форму в частности прямоугольную или коническую. Кольцо конического сечения имеет меньшую опорную поверхность, поэтому удельное давление на стенку цилиндра будет большим. Это улучшает контакт кольца с зеркалом цилиндра и обеспечивает быструю приработку, что увеличивает их долговечность.

Для увеличения срока службы верхнее поршневое кольцо хро­мируется. Толщина хрома на рабочей поверхности кольца составля­ет 0,10...0,15 мм, при этом наружный слой хрома толщиной 0,03...0,06 мм — пористый. Хромирование верхнего компрессион­ного кольца улучшает условия смазывания и увеличивает срок служ­бы. На нижние компрессионные кольца методом электролитичес­кого осаждения наносится слой олова толщиной 0,01...0,1 мм, что обеспечивает быструю приработку к цилиндру и повышает срок служ­бы колец и цилиндра. В настоящее время от пористого хромирова­ния переходят к напылению молибдена на наружную поверхность.

Маслосъемные кольца. Внутренняя рабочая поверхность цилин­дров обильно смазывается. Излишки масла могут проникать в верх­нюю часть цилиндра и в камеру сгорания, где они частично сгора­ют, частично окисляются. Все это приводит к перерасходу масла, отложению нагара на днищах поршней, головках клапанов, стен­ках камер сгорания, появлению взрывного сгорания рабочей сме­си и калильному зажиганию.

Проникновению масла в камеры сгорания способствует насос­ное действие компрессионных колец. Когда поршень движется от ВМТ к НМТ, кольца под действием трения о зеркало цилиндров и сил инерции прижаты к верхним стенкам кольцевых канавок, и зазоры под ними, а также в глубине канавок заполняются маслом. Когда поршень доходит до НМТ и начинает движение вверх, кольца прижимаются к нижним стенкам кольцевых канавок и выдавлива­ют масло через радиальный зазор в пространство над кольцами. Такой процесс повторяется при каждом движении поршня от вер­хней мертвой точки к нижней, и наоборот, и масло нагнетается в камеру сгорания.

Для уменьшения количества перекачиваемого в камеру сгора­ния масла необходимо снимать с зеркала цилиндров излишки масла. Для этого устанавливают маслосъемные кольца, изготавливаемые из чугуна или стали.

Чугунные маслосъемные кольца имеют по наружной окружнос­ти кольцевую проточку, уменьшающую опорную поверхность коль­ца, вследствие чего увеличивается удельное давление. Дно канавок по всей окружности имеет прорези.

Стальные маслосъемные кольца могут быть четырех- или трех­элементными. Четырехэлементное маслосъемное кольцо состоит из двух стальных кольцевых дисков 14, осевого расширителя 16 и радиального расширителя 15.

Трехэлементное маслосъемное кольцо состоит из двух сталь­ных кольцевых дисков и одного стального двухфункционального расширителя. Стальные кольцевые диски покрыты хромом на тол­щину 0,080...0,130 мм. При установке колец необходимо обра­щать внимание на метку для правильного расположения их в ка­навках поршня. Кроме того, при установке поршня в блок ци­линдров двигателя плоские кольцевые диски 14 нужно устанав­ливать так, чтобы их замки располагались под углом 180° друг к другу и под углом 90° к замкам компрессионных колец. Замки осевого и радиального расширителей должны быть расположены под углом 90°.

Примеры установки поршневых колец в двигателях различных ав­томобилей. На поршнях двигателя автомобиля ЗИЛ-433100 уста­навливают по два компрессионных и одному маслосъемному кольцу. Верхнее компрессионное кольцо изготавливается из высокопроч­ного чугуна, трапецеидального симметричного сечения с бочкооб­разной рабочей поверхностью. Нижнее компрессионное кольцо — из серого легированного чугуна, рабочая поверхность имеет ко­нусность. Маслосъемное кольцо — из серого легированного чугу­на коробчатого симметричного сечения с витым пружинным рас­ширителем. Рабочая поверхность всех колец покрыта хромом.

Поршень двигателя ЗИЛ-5301 имеет три компрессионных коль­ца. Верхнее изготовлено из высокопрочного чугуна, хромирован­ное, в сечении имеет форму равнобокой трапеции, что позволяет устанавливать его в канавку любой стороной. Второе и третье ком­прессионные кольца — конусные. Для правильной установки в канавку кольца имеют на торце около замка обозначение «Верх». Маслосъемное кольцо — коробчатого сечения со спиральным сталь­ным расширителем.'

Двигатель автомобиля ГАЗ-3307 имеет на каждом поршне по два компрессионных кольца и одному маслосъемному. Маслосъем­ное кольцо — стальное, состоит из двух плоских стальных хроми­рованных дисков, осевого и радиального расширителей.

Двигатели ВАЗ-2110, -2111 и -2112 имеют верхнее компресси­онное кольцо с хромированной бочкообразной наружной поверх­ностью, нижнее компрессионное кольцо скребкового типа. Мас­лосъемное кольцо чугунное с хромированными рабочими поверх­ностями и с разжимной стальной витой пружиной. В канавки пор­шня кольца устанавливаются с учетом установочных меток.

Двигатель автомобиля «Волга» ГАЗ-31029 на каждом поршне имеет по два компрессионных кольца. Верхнее компрессионное кольцо покрыто хромом, нижнее — слоем олова. Маслосъемное

кольцо — стальное, состоящее из четырех элементов. Рабочая по­верхность стальных дисков хромирована.

Двигатели ВАЗ-1111 и -11113 имеют на поршнях по три кольца. Верхнее компрессионное кольцо с бочкообразной наружной по­верхностью имеет наружное хромирование. Нижнее компресси­онное кольцо скребкового типа. Маслосъемное кольцо изготовле­но из чугуна. Рабочие кромки покрыты хромом. Под кольцо под­ложена стальная разжимная витая пружина. На кольцах ремонт­ных размеров ставятся цифры «40» или «80», что соответствует уве­личению наружного диаметра на 0,4 или 0,8 мм.

Поршни двигателя автомобиля ИЖ-2126 имеют по три кольца. Все кольца изготовлены из чугуна. Два из них компрессионные, третье — маслосъемное.

Поршни двигателей автомобилей «ГАЗель» имеют два комп­рессионных кольца. Верхнее отлито из высокопрочного, обладаю­щего высокой упругостью, чугуна. Рабочая кромка имеет хромо­вое покрытие. Нижнее компрессионное кольцо отлито из серого чугуна, для лучшей приработки наружная цилиндрическая поверх­ность покрыта слоем олова толщиной 0,006...0,012 мм. Некоторые кольца могут иметь на всей поверхности фосфатное покрытие. На внутренней цилиндрической поверхности нижнего компрессион­ного кольца имеется выточка. Этой выточкой кольцо должно быть направлено вверх, в сторону днища поршня. Благодаря этой вы­точке новые кольца, установленные в цилиндр, несколько выво­рачиваются и прижимаются к зеркалу цилиндра только кромкой, что ускоряет и улучшает приработку колец к зеркалу цилиндра. Нарушение этого правила вызывает резкое увеличение расхода масла и дымление двигателя. Верхнее компрессионное кольцо выточки не имеет. Маслосъемное кольцо сборное, четырех- или трехэлементное. Рабочая цилиндрическая поверхность кольцевых дисков покрыта слоем хрома толщиной 0,080...0,130 мм.

На двигателях ЗМЗ-4061 и -4063 устанавливаются трехэлемент­ные маслосъемные кольца. В днищах поршней этих двигателей имеются цековки (углубления) для предотвращения ударов о днища поршня головок клапанов при нарушении фаз газораспределения. В днищах поршней двигателей ЗМЗ-4061 выполнены углубления для увеличения объема камер сгорания. Такие же углубления име­ются и на головках поршней двигателей автобусов ПАЗ-3205.