Поршневая группа (поршень, поршневые кольца, поршневой палец)

По́ршень — деталь цилиндрической формы, совершающая возвратно-поступательное движение внутри цилиндра и служащая для превращения изменения давления газа, пара или жидкости в механическую работу, или наоборот — возвратно-поступательного движения в изменение давления. В поршневом механизме, в отличие от плунжерного, уплотнение располагается на цилиндрической поверхности поршня, обычно в виде одного или нескольких поршневых колец.

Поршень подразделяется на три части, выполняющие различные функции

· днище

· уплотняющая часть

· направляющая часть (юбка)

Для передачи усилия от поршня (или наоборот) может использоваться шток, либо кривошип, который соединяется с поршнем с помощью пальца. Другие способы передачи усилия используются реже. В некоторых случаях шток может играть роль направляющего устройства, в этом случае юбка не нужна.

Поршень может быть односторонним или двухсторонним. В последнем случае поршень имеет два днища.

Днище Форма днища зависит от выполняемой поршнем функции. К примеру, в двигателях внутреннего сгорания форма зависит от расположения свечей, форсунок, клапанов, конструкции двигателя и других факторов. При вогнутой форме днища образуется наиболее рациональная камера сгорания, но в ней более интенсивно происходит отложениенагара. При выпуклой форме днища увеличивается прочность поршня, но ухудшается форма камеры сгорания. В некоторых двухтактных двигателях днище поршня выполняется в виде выступа-отражателя для направленного движения продуктов сгорания при продувке. Расстояние от днища поршня до канавки первого компрессионного кольца называют огневым поясом поршня. В зависимости от материала, из которого сделан поршень, огневой пояс имеет минимально допустимую высоту, уменьшение которой может привести к прогару поршня вдоль наружной стенки, а также разрушению посадочного места верхнего компрессионного кольца.

Функции уплотнения, выполняемые поршневой группой, имеют большое значение для нормальной работы поршневых двигателей. О техническом состоянии двигателя судят по уплотняющей способности поршневой группы. Например, в автомобильных двигателях не допускается, чтобы расход масла из-за угара его вследствие избыточного проникновения (подсоса) в камеру сгорания превышал 3% от расхода топлива. При выгорании масла наблюдается повышенная дымность отработавших газов и двигатели снимаются с эксплуатации вне зависимости от удовлетворительности мощностных и других его показателей. [1]

Уплотняющая часть Днище и уплотняющая часть образуют головку поршня. В уплотняющей части поршня располагаются компрессионные и маслосъёмные кольца. В некоторых конструкциях поршней из алюминиевых сплавов в его головку залит ободок из коррозионностойкого чугуна (нирезиста), в котором прорезана канавка для верхнего наиболее нагруженного компрессионного кольца. Нирезистовую вставку под верхнее поршневое кольцо имеют, в частности, поршни двигателей, выпускаемых ТМЗ (Тутаевский моторный завод). Благодаря этому значительно увеличивается износостойкость поршня. Кольцевые каналы для маслосъемных колец выполняются со сквозными отверстиями, через которые масло, снятое с зеркала цилиндра, поступает внутрь поршня и стекает в поддон картера двигателя.

Направляющая часть Юбка поршня (тронк) является его направляющей частью при движении в цилиндре и имеет два прилива (бобышки) для установки поршневого пальца. Так как масса поршня у приливов оказывается большей, чем в других частях юбки, температурные деформации при нагреве в плоскости бобышек также будут наибольшими. Для снижения температурных напряжений поршня с двух сторон, где расположены бобышки, с поверхности юбки, удаляют металл на глубину 0,5-1,5 мм. Эти углубления, улучшающие смазывание поршня в цилиндре и препятствующие образованию задиров от температурных деформаций, называются «холодильниками». В нижней части юбки также может располагаться маслосъемное кольцо.

К материалам, применяемым для изготовления поршней автотракторных двигателей, предъявляются следующие требования:

высокая механическая прочность; малая плотность; хорошая теплопроводность; малый коэффициент линейного расширения; высокая коррозионная стойкость; хорошие антифрикционные свойства.

Для изготовления поршней применяются серые чугуны и алюминиевые сплавы.

Чугун Достоинства

· Поршни из чугуна прочны и износостойки.

· Благодаря небольшому коэффициенту линейного расширения они могут работать с относительно малыми зазорами, обеспечивая хорошее уплотнение цилиндра.

Недостатки

· Чугун имеет довольно большой удельный вес. В связи с этим область применения чугунных поршней ограничивается сравнительно тихоходными двигателями, в которых силы инерции возвратно движущихся масс не превосходят одной шестой от силы давления газов на днище поршня.

· Чугун имеет низкую теплопроводность, поэтому нагрев днища у чугунных поршней достигает 350—400 °C. Такой нагрев нежелателен особенно в карбюраторных двигателях, так как он служит причиной возникновения калильного зажигания.

Алюминий Подавляющее большинство современных автомобильных двигателей имеют алюминиевые поршни.

Достоинства

Достоинства алюминиевых поршней:

· малая масса (как минимум на 30 % меньше по сравнению с чугунными);

· высокая теплопроводность (в 3-4 раза выше теплопроводности чугуна), обеспечивающая нагрев днища поршня не более 250 °C, что способствует лучшему наполнению цилиндров и позволяет повысить степень сжатия в бензиновых двигателях;

· хорошие антифрикционные свойства.

Недостатки

Недостатками алюминиевых поршней являются:

· большой коэффициент линейного расширения (примерно в 2 раза больше, чем у чугуна),

· значительное снижение механической прочности при нагреве (повышение температуры до 300 °C приводит к снижению механической прочности алюминия на 50-55 % против 10 % у чугуна).

Недопустимые для нормальной работы двигателя зазоры между стенками цилиндров и алюминиевыми поршнями устраняются конструктивными мероприятиями, основными из которых являются:

· придание юбке поршня овальной или овально-конусной формы;

· изоляция тронковой (направляющей) части поршня от наиболее нагретой его части (головки);

· косой разрез юбки по всей длине, обеспечивающий пружинящие свойства стенок;

· Т- и П-образные прорези в юбке поршня не на полную её длину в сочетании с её овальностью;

· компенсационные вставки, ограничивающие тепловое расширение юбки в плоскости качания шатуна.

Поршневы́е ко́льца — это незамкнутые кольца, которые с небольшим зазором (до нескольких сотых долей миллиметра) посажены в канавках на внешних поверхностях поршней в поршневых двигателях, таких какдвигатели внутреннего сгорания или паровые двигатели.

Функции поршневых колец

1. уплотнение (герметизацию) камеры сгорания (или камеры расширения). Компрессионные кольца повышают компрессию, с изношенными, поломанными или залёгшими кольцами двигатель потеряет мощность или вообще не запустится.

2. улучшение теплопередачи через стенку цилиндра, отводят лишнее тепло от поршня, не допуская перегрева.

3. уменьшение расхода моторного масла (во всех четырёхтактных двигателях и в дизельных двухтактных двигателях)

Замок Стык (носит название замок) между концами поршневого кольца сжимается до нескольких сотых долей миллиметра, когда поршень установлен в цилиндре. Замок бывает прямой или косой (у четырёхтактных двигателей).

Кольца в канавках разворачивают таким образом, чтобы угол между замками был равным, если три кольца — тогда разворачивают на 120°, если два — то на 180°. Таким образом получается лабиринт, уменьшающий прорыв газов.

Компрессионные кольца[править | править вики-текст]

Основной функцией компрессионных (верхних) колец является герметизация камеры сгорания.

Более трёх компрессионных колец на поршень обычно не устанавливают, так как степень уплотнения поршня увеличивается незначительно, а потери на трение заметно возрастают.

На двухтактных бензиновых двигателях устанавливают, как правило, только два компрессионных кольца. Кольцо в замке соответствует форме и расположению стопорного штифта (предохраняет от проворачивания и повышает компрессию, устанавливается только на двухтактных бензиновых двигателях).

Обычно поперечное сечение компрессионного поршневого кольца имеет прямоугольную форму. Край кольца имеет либо цилиндрические профиль (верхнее уплотнительное кольцо), либо фаску, либо сужающуюся по натуральному логарифму форму (второе уплотнительное кольцо). При работе кольца несколько скручиваются благодаря зазору в канавке, что облегчает их приработку.