Какие элементы располагаются на поршне и указать их назначение
Перейти к содержимому

Какие элементы располагаются на поршне и указать их назначение

  • автор:

Цилиндр и поршень: что нужно знать об этих деталях и как продлить срок их службы?

В статье подробно рассмотрены ключевые детали автомобильного двигателя – поршень и цилиндр. Уделено внимание их конструкции, функциям, условиям работы, возможным проблемам при эксплуатации и путям их решения.

Цилиндр и поршень – ключевые детали любого двигателя. В замкнутой полости цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) происходит сгорание топливно-воздушной смеси. Газы, образующиеся при этом, воздействуют на поршень – он начинает двигаться и заставляет вращаться коленчатый вал.

Цилиндр и поршень обеспечивают оптимальный режим работы двигателя в любых условиях эксплуатации автомобиля.

Рассмотрим эту пару подробнее: конструкцию, функции, условия работы, возможные проблемы при эксплуатации элементов ЦПГ и пути их решения.

Принцип работы цилиндро-поршневой группы

Современные двигатели внутреннего сгорания оснащены блоками, в которые входят от 1 до 16 цилиндров – чем их больше, тем мощнее силовой агрегат.

Внутренняя часть каждого цилиндра – гильза – является его рабочей поверхностью. Внешняя – рубашка – составляет единое целое с корпусом блока. Рубашка имеет множество каналов, по которым циркулирует охлаждающая жидкость.

Внутри цилиндра находится поршень. В результате давления газов, выделяющихся в процессе сгорания топливно-воздушной смеси, он совершает возвратно-поступательное движения и передает усилия на шатун. Кроме того, поршень выполняет функцию герметизации камеры сгорания и отводит от нее излишки тепла.

Поршень включает следующие конструктивные элементы:

  • Головку (днище)
  • Поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные)
  • Направляющую часть (юбку)

Конструкция поршня

Бензиновые двигатели оснащены достаточно простыми в изготовлении поршнями с плоской головкой. Некоторые модели имеют канавки, способствующие максимальному открытию клапанов. Поршни дизельных двигателей отличаются наличием на днищах выемок – благодаря им воздух, поступающий в цилиндр, лучше перемешивается с топливом.

Кольца, установленные в специальные канавки на поршне, обеспечивают плотность и герметичность его соединения с цилиндром. В двигателях разного типа и предназначения количество и расположение колец могут отличаться.

Чаще всего поршень содержит два компрессионных и одно маслосъемное кольцо.

Компрессионные (уплотняющие) кольца могут иметь трапециевидную, бочкообразную или коническую форму. Они служат для минимизации попадания газов в картер двигателя, а также отведения тепла от головки поршня к стенкам цилиндра.

Верхнее компрессионное кольцо, которое изнашивается быстрее всех, обычно обработано методом пористого хромирования или напылением молибдена. Благодаря этому оно лучше удерживает смазочный материал и меньше повреждается. Остальные уплотняющие кольца для лучшей приработки к цилиндрам покрывают слоем олова.

Поршни и поршневые кольца

С помощью маслосъемного кольца поршень, совершающий возвратно-поступательные движения в гильзе, собирает с ее стенок излишки масла, которые не должны попасть в камеру сгорания. Через дренажные отверстия поршень «забирает» масло внутрь, а затем отводит его в картер двигателя.

Направляющая часть поршня (юбка) обычно имеет конусную или бочкообразную форму – это позволяет компенсировать неравномерное расширение поршня при высоких рабочих температурах. На юбке расположено отверстие с двумя выступами (бобышками) – в нем крепится поршневой палец, служащий для соединения поршня с шатуном.

Палец представляет собой деталь трубчатой формы, которая может либо закрепляться в бобышках поршня или головке шатуна, либо свободно вращаться и в бобышках, и в головке (плавающие пальцы).

Поршень с коленчатым валом соединяется шатуном. Его верхняя головка движется возвратно-поступательно, нижняя вращается вместе с шатунной шейкой коленвала, а стержень совершает сложные колебательные движения. Шатун в процессе работы подвергается высоким нагрузкам – сжатию, изгибу и растяжению – поэтому его производят из прочных, жестких, но в то же время легких (в целях уменьшения сил инерции) материалов.

Шатун

Конструкционные материалы деталей ЦПГ

Сегодня цилиндры и поршни двигателя чаще всего производят из алюминия или стали с различными присадками. Иногда для внешней части блока цилиндров используют алюминий, имеющий небольшой вес, а для гильзы, контактирующей с движущимся поршнем, – более прочную сталь.

В отличие от чугуна, который применялся ранее для изготовления деталей ЦПГ, внедрение алюминия – намного более легкого, но износостойкого материала – стало толчком к появлению мощных и высокооборотистых двигателей.

Современные автомобили, особенно с дизельными двигателями, все чаще оснащаются сборными поршнями из стали. Они имеют меньшую компрессионную высоту, чем алюминиевые, поэтому позволяют использовать удлиненные шатуны. В результате боковые нагрузки в паре «поршень-цилиндр» существенно снижаются.

Поршневые кольца, наиболее подверженные износу и деформациям, производят из специального высокопрочного чугуна с легирующими добавками (молибденом, хромом, вольфрамом, никелем).

Значительные механические и тепловые циклические нагрузки отрицательно сказываются на работоспособности элементов цилиндро-поршневой группы. В то же время от их состояния напрямую зависит стабильная компрессия двигателя, обеспечивающая его уверенный холодный и горячий запуск, мощность, экологичность и другие эксплуатационные показатели.

Именно поэтому для изготовления поршней и других деталей ЦПГ применяются материалы, обладающие высокой механической прочностью, хорошей теплопроводностью, незначительным коэффициентом линейного расширения, отличными антифрикционными и антикоррозионными свойствами.

В целях снижения потерь на трение производители поршней покрывают их боковую поверхность специальными антифрикционными составами на основе твердых смазочных частиц: графита или дисульфида молибдена. Однако со временем заводское покрытие разрушается, поршни снова испытывают высокие нагрузки, под влиянием которых изнашиваются и выходят из строя.

Одним из самых эффективных антифрикционных покрытий поршней является MODENGY Для деталей ДВС.

Состав на основе сразу двух твердых смазок – высокоочищенного дисульфида молибдена и поляризованного графита – применяется для первоначальной обработки юбок поршней или восстановления старого заводского покрытия.

MODENGY Для деталей ДВС имеет практичную аэрозольную упаковку с оптимально настроенными параметрами распыления, поэтому наносится на юбки поршней легко, быстро и равномерно.

На поверхности покрытие создает долговечную сухую защитную пленку, которая снижает износ деталей и препятствует появлению задиров.

MODENGY Для деталей ДВС полимеризуется при комнатной температуре, не требуя дополнительного оборудования.

Для подготовки поверхностей перед нанесением покрытия их необходимо обработать Специальным очистителем-активатором MODENGY. Только в таком случае производитель гарантирует прочное сцепление состава с основой и долгий срок службы готового покрытия. Оба средства входят в Набор для нанесения антифрикционного покрытия на детали ДВС.

Методы охлаждения и смазывания цилиндро-поршневой группы

В каждом цикле работы двигателя сгорает большое количество топливно-воздушной смеси. При этом все детали цилиндро-поршневой группы испытывают экстремальные температурные воздействия, поэтому нуждаются в эффективном охлаждении – воздушном или жидкостном.

Наружная поверхность цилиндров ДВС с воздушным охлаждением покрыта множеством ребер, которые обдувает встречный или искусственно созданный воздухозаборниками воздух.

При водяном охлаждении жидкость, циркулирующая в толще блока, омывает нагретые цилиндры, забирая таким образом излишек тепла. Затем жидкость попадает в радиатор, где охлаждается и вновь подается к цилиндрам.

Второй по важности момент после отвода тепла – система смазки цилиндров. Без нее поршни рано или поздно подвергаются заклиниванию, что может привести к поломке двигателя.

Для того чтобы масляная пленка дольше удерживалась на внутренних поверхностях цилиндров, их подвергают хонингованию, т.е. нанесению специальной микросетки. Стабильность слоя масла гарантирует не только максимально низкое трение в паре «поршень-цилиндр», но и способствует отведению лишнего тепла из ЦПГ.

Хонингование цилиндра

Неисправности ЦПГ и их диагностика

Даже грамотная эксплуатация автомобиля не гарантирует, что со временем не возникнет проблем с его цилиндро-поршневой группой.

О неисправностях деталей ЦПГ свидетельствует увеличение расхода масла, ухудшение пусковых качеств двигателя, снижение его мощности, появление каких-либо посторонних шумов при работе. Эти моменты нельзя игнорировать, так как стоимость ремонта цилиндро-поршневой группы иногда равна стоимости автомобиля в целом.

Под влиянием очень высоких нагрузок и температур:

  • На рабочих поверхностях цилиндров появляются трещины, сколы, пробоины
  • Посадочные места под гильзу деформируются
  • Днища поршней оплавляются и прогорают
  • Поршневые кольца разрушаются, закоксовываются, залегают
  • На теле поршней возникают различные повреждения
  • Зазоры между поршнем и цилиндром сужаются, вследствие чего на юбках появляются задиры
  • Наблюдается общий износ цилиндров и поршней

Перечисленные неисправности цилиндро-поршневой группы неизбежны при перегреве двигателя. Он может возникнуть из-за нарушения герметичности системы охлаждения, отказа термостата или помпы, сбоев в работе вентилятора охлаждения радиатора, поломки самого радиатора или его датчика.

Точно определить состояние цилиндров и поршней можно с помощью специализированной диагностики самой ЦПГ (при полной разборке двигателя) или других автомобильных систем (например, воздушного фильтра).

Измерение компрессии в двигателе

В ходе сервисных работ измеряется компрессия в цилиндрах ДВС, берутся пробы картерного масла и пр. Все это помогает оценить исправность работы цилиндро-поршневой группы.

Ремонт цилиндро-поршневой группы двигателя включает замену маслосъемных и компрессионных колец, установку новых поршней, шатунов, восстановление (расточку) цилиндров.

Степень износа последних определяется с помощью индикаторного нутрометра. Трещины и сколы на стенках устраняются эпоксидными пастами или путем сварки.

Новые поршни – с нужным диаметром и массой – подбирают к гильзам, а поршневые пальцы – к поршням и втулкам верхних головок шатунов. Шатуны предварительно проверяют и при необходимости восстанавливают.

Как продлить ресурс ЦПГ?

Ресурс цилиндро-поршневой группы зависит от типа двигателя, режима его эксплуатации, регулярности обслуживания и многих других факторов. Срок службы ЦПГ отечественных автомобилей, как правило, меньше, чем у иномарок: около 200 тыс. км против 500 тыс.км.

Для того, чтобы детали ЦПГ вырабатывали свой ресурс полностью, рекомендуется:

  • Использовать моторное масло, одобренное автопроизводителем
  • Осуществлять замену масла и охлаждающей жидкости строго по регламенту
  • Следить за температурным режимом работы двигателя, не допускать его перегрева и холодного запуска
  • Регулярно проводить диагностику автомобиля
  • Применять для обслуживания автокомпонентов специальные средства, которые могут защитить их от усиленного износа и максимально продлить срок службы

Присоединяйтесь

Все материалы сайта https://atf.ru/ принадлежат
ООО «НОВЫЕ РЕШЕНИЯ» ИНН 5751054390

© 2004 – 2024 ООО «АТФ». Все авторские права защищены. ООО «АТФ» является зарегистрированной торговой маркой.

Назначение и особенности установки поршневых колец в двигателях СКАУТ

Назначение и особенности установки поршневых колец в двигателях СКАУТ

Поршневые кольца являются немаловажными комплектующими двигателя мини-трактора и мотоблока. Они обеспечивают уплотнение между поршнем и внутренней стенкой гильзы цилиндра по всей поверхности. Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за 4 такта обычно имеют 2 компрессионных и одно маслосъемное кольцо.

  • Компрессионные кольца обеспечивают герметизацию камеры сгорания за счет уплотнения между гильзой цилиндра и поршнем, отводят тепло от поршня к стенкам цилиндра;
  • Маслосъемные кольца отводят лишнее масло, исключая его попадание в камеру сгорания.

Первое компрессионное

Концевой зазор

Первое компрессионное кольцо предотвращает прорыв газов в камере сгорания. В процессе фазы «рабочий ход» за счет большого давления газов, оно прижимается ко дну канавки поршня и стенкам цилиндра, изолируя камеру сгорания. Зазор равняется 0.04-0.08 мм.

Кроме того первое кольцо снижает нагрузку и ограждает второе от воздействия экстремальной температуры сгорания. В целом оно отводит около 50% тепла от поршня к гильзе цилиндра.

Изготавливается из высококачественного чугуна, поэтому может переносить повышенную нагрузку и температуру, которая во время работы двигателя может достигать 180-210C. Для уменьшения трения на внешней стороне кольца используют специализированное покрытие. В мини-тракторах СКАУТ они покрыты хромовым слоем серого матового цвета с особой пористой текстурой. Это помогает удерживать масло для уменьшения уровня трения. По форме — это дуга с концевым зазором, что позволяет обеспечить равную прижимную силу, во время нахождения в цилиндре.

Второе компрессионное

Зазоры

В сравнении с первым кольцом, второе функционирует в лучших условиях, нагреваясь всего до 150-170C. Основные функции — вспомогательное уплотнение и удаление избыточного масла. Зазоры исчисляются 0.03-0.06 мм.

На тракторы СКАУТ кольцо необходимо устанавливать фаской вниз, благодаря чему в процессе прогрева оно выворачивается наружной стороной вниз.

Маслосъемное

Схема отвода масла

Маслосъемное кольцо находится под компрессионными. Главная его задача — удаление лишнего масла со стенок гильзы цилиндра.

Это очень важно, ведь попадание излишков масла в камеру сгорания может вызвать негативные последствия. В процессе функционирования двигателя масло сгорает и образует нагар на стенках клапанов и в камере сгорания. Тем самым увеличивается вероятность перегрева и детонации. Кроме того, из-за повышения температуры страдают и выпускные клапаны.

Для предотвращения подобных неполадок и нужно маслосъемное кольцо. Оно снимает и направляет лишнее масло через дренажные отверстия в картер, оставляя тончайший слой, достаточный для уменьшения трения компрессионных колец.

По конструкции оно отличается от компрессионных тем, что не прижимается к поверхности канавки в поршне и стенкам цилиндра, а имеет расширители. Существует два вида колец: коробчатые и наборные. В двигателях мини-тракторов СКАУТ применяются коробчатые маслосъемные с пружинным расширителем.

Особенности установки

Инструменты для установки

Процедура установки довольно проста, если следовать следующим правилам:

  • Устанавливайте кольца надписями кверху;
  • Располагать концевые зазоры с разных сторон поршня;
  • Используйте специализированный инструмент, чтобы правильно поставить кольца;
  • Если надписи отсутствуют, то замена производится любой стороной.

Палец поршневой: прочная связь поршня и шатуна

В любом поршневом двигателе внутреннего сгорания присутствует деталь, соединяющая поршень с верхней головкой шатуна — поршневой палец. Все о поршневых пальцах, их конструктивных особенностях и способах установки, а также о верном подборе и замене пальцев различных типов подробно рассказано в статье.

Что такое поршневой палец

Палец поршневой (ПП) — компонент поршневой группы ДВС; стальной полый цилиндр, с помощью которого осуществляется шарнирное соединение поршня и шатуна.

В поршневых двигателях внутреннего сгорания передача и преобразование сил, возникающих при сгорании топливно-воздушной смеси в цилиндре, осуществляется поршневой группой и кривошипно-шатунным механизмом. К основным деталям этих систем относятся поршень и шатун, имеющие шарнирное соединение, благодаря которому достигается возможность отклонения оси шатуна от оси поршня при его между верхней и нижней мертвыми точками (ВМТ и НМТ). Реализуется шарнирное соединение поршня и шатуна с помощью простой детали — поршневого пальца.

Поршневой палец решает две ключевые задачи:

  • Выступает в качестве шарнира между поршнем и шатуном;
  • Обеспечивает передачу сил и моментов от шатуна на поршень при запуске двигателя и от поршня на шатун при работе двигателя.

То есть, ПП не просто связывает поршень и шатун в единую систему (в которую также входит коленчатый вал), но и вообще обеспечивает согласованную работу поршневой группы и кривошипно-шатунного механизма двигателя. Поэтому любые неисправности или износ пальца негативно сказываются на работе всего силового агрегата, требуя скорейшего ремонта. Но прежде, чем покупать новые поршневые пальцы, следует разобраться в их конструкции и некоторых особенностях.

Типы, устройство и характеристики поршневых пальцев

Типичная конструкция поршня с шатуном

Все используемые в настоящее время поршневые пальцы имеют принципиально одинаковую конструкцию: в общем случае это полый стальной стержень с относительно тонкими стенками, установленный в бобышках поршня и верхней головке шатуна. На торцах пальца снимаются фаски (наружная и внутренняя), которые обеспечивают простой монтаж детали в поршень или шатун, а также предотвращают повреждение других деталей при случайном контакте с ними.

При этом в пальцах могут выполняться различные вспомогательные элементы:

  • Вывод внутренних стенок в конус от центра наружу с целью облегчения пальца с сохранением его прочности;
  • Внутренние кольцевые пояски в центральной части пальца для его упрочнения;
  • Боковые поперечные отверстия для жесткой фиксации пальца в бобышке поршня.

Поршневые пальцы изготавливаются из мягких конструкционных углеродистых (15, 20, 45 и других) и некоторых легированных (обычно хромистых 20Х, 40Х, 45Х, 20ХНЗА и иных) сталей. Наружная поверхность и небольшой поясок на торце деталей из малоуглеродистых сталей подвергается цементации и закалке на глубину до 1,5 мм до достижения твердости 55-62 HRC (при этом внутренний слой имеет твердость в пределах 22-30 HRC). Детали из среднеуглеродистых сталей обычно закаливаются токами высокой частоты. После термической обработки наружная поверхность ПП подвергается шлифовке. Закалка детали обеспечивает высокую устойчивость ее наружной поверхности к износу, при этом вязкость внутренних слоев стенки сохраняет способность пальца противостоять ударным нагрузкам и вибрациям. Шлифовка поверхности устраняет зоны с опасными напряжениями, которые во время работы двигателя могут привести к появлению задиров, наклепов или даже разрушения деталей.

Как уже указывалось, поршневой палец располагается в поршне и верхней головке шатуна, соединяя эти детали в одну систему. В поршне под данную деталь предусмотрено два расширения с поперечными отверстиями — бобышки. Существует два конструктивных варианта шарнира между поршнем и шатуном:

  • С «плавающим» пальцем;
  • С запрессованным в шатун пальцем.

Наиболее просто реализуется вторая схема: в этом случае ПП запрессовывается в верхнюю (неразъемную) головку шатуна, что предотвращает его осевое смещение, а в бобышках поршня он располагается с некоторым зазором, что обеспечивает возможность проворачивания поршня относительно ПП во время работы силового агрегата на всех режимах. Также зазор обеспечивает смазку трущихся деталей (хотя из-за малого зазора палец и контактирующие с ним поверхности бобышек всегда работают в режиме недостаточной смазки). Такая схема применялась на отечественных автомобилях ВАЗ-2101, 2105, 2108, широко она используется и на современных моделях иностранного производства.

Фиксированный и плавающий поршневые пальцы

Схема с «плавающим» пальцем более сложна, так как она имеет несколько вспомогательных деталей. В такой схеме ПП с малым зазором устанавливается в обе детали — и в бобышки поршня, и в верхнюю головку шатуна, это обеспечивает его свободное проворачивание во время работы двигателя. Для предотвращения осевого смещения пальца используются пружинящие стопорные кольца, располагаемые поперек отверстий в бобышках — они служат упорами для ПП, не допуская его выпадение. Кольца могут изготавливаться из пружинящей проволоки круглого сечения или штамповаться из листового металла. В последнем случае детали имеют прямоугольное сечение, а на обоих концах предусматриваются отверстия под инструмент для удобства установки и извлечения колец.

В некоторых случаях применяются стопорные грибки или заглушки, они изготавливаются из мягкого металла, благодаря чему не повреждают зеркало цилиндра при контакте с ним. Заглушки находят применение в двухтактных двигателях с определенным расположением впускных и выпускных окон, предотвращая нежелательное перетекание газов между ними. Иногда используется фиксация детали с помощью винта, ввернутого в нижнюю часть бобышки и в отверстие у торцевой части ПП.

ПП, независимо от способа его установки, может иметь смещение относительно оси поршня, достигающее полутора и более миллиметров. Такое смещение направлено на снижение динамических нагрузок, которым подвергается поршень, ПП и головка шатуна при прохождении ВМТ и НМТ. Поршень в своем движении к ВМТ и к НМТ прижимается к одной стенке цилиндра, что также приводит и к прижиму ПП к одной стенке отверстий внутри бобышек. Вследствие этого возникают силы, затрудняющие проворачивание ПП в сопряженных деталях, и при прохождении ВМТ и НМТ поворот может случиться скачкообразно — это происходит с ударом, который проявляются характерным стуком. Эти факторы как раз и устраняются установкой ПП в поршне с некоторым смещением оси.

Как правильно подобрать и заменить поршневой палец

Поршневые пальцы различных типов и способы их фиксации в поршне

В процессе работы двигателя, особенно на переменных режимах, пальцы подвергаются значительным нагрузкам, они изнашиваются, могут деформироваться и требуют замены. О необходимости заменить пальцы говорит ухудшение компрессии и снижение динамических характеристик двигателя, что дополнительно проявляется характерным стуком.

Ремонт силового агрегата в этом случае сводится к замене пальцев, а иногда и сопряженных деталей — втулок головки шатуна в системах с «плавающим» ПП, колец и других. Подбор новых пальцев и других деталей производится по ремонтным размерам. Например, для большинства отечественных двигателей предлагаются детали трех ремонтных размеров, отличающихся на 0,004 мм (так, в двигателях ВАЗ часто используются пальцы диаметром 21,970-21,974 мм (1-я категория), 21,974-21,978 мм (2-я категория) и 21,978-21,982 мм (3-я категория)). Это обеспечивает возможность подбора пальцев различных диаметров с учетом увеличения диаметров отверстий в сопряженных деталях вследствие износа и последующей расточки. Расточка всегда выполняется под те же ремонтные размеры, и если износ деталей превышает указанные диапазоны, то и они должны быть заменены.

Как правило, пальцы продаются комплектами (по 2, 4 и больше штук), иногда вместе со стопорными кольцами и другими деталями.

При ремонте поршневой группы с «плавающими» пальцами нет необходимости в применении специального оборудования — монтаж деталей в бобышки и головку шатуна выполняется усилием руки. Если же меняется палец с фиксацией в шатуне, то приходится использовать специальное приспособление для выпрессовки и запрессовки ПП (в простейшем случае это могут быть втулки и стержни, однако профессионалы используют более сложные механизированные приспособления, похожие на тиски).

В некоторых случаях установка «плавающего» ПП в бобышки также производится в натяг, для этого поршень перед монтажом нагревается в воде или иной жидкости до 55-70 °С. Такой монтаж предотвращает стук ПП при запуске и прогреве двигателя, возникающий вследствие разного коэффициента теплового расширения алюминиевых сплавов и стали. Дело в том, что алюминиевый поршень расширяется быстрее, чем стальной палец, поэтому на непрогретом двигателе зазор между деталями увеличивается и появляется стук. При монтаже ПП в натяг зазор возникает только при прогреве мотора, что предотвращает удары деталей и, соответственно, стук.

Следует заметить, что работы по замене поршневых пальцев требуют значительной разборки двигателя, поэтому их лучше выполнять при наличии соответствующего опыта или доверять профессионалам. Только при правильном подборе пальцев и грамотном ремонте поршневая группа будет функционировать надежно и эффективно, обеспечивая высокие рабочие характеристики силового агрегата.

Поршни: конструкция, отличия и применяемость на двигатели Ваз.

Поршневая группа двигателя включает в себя: поршень, поршневые кольца и поршневой палец.

Общая конструкция поршневой группы сложилась еще в период появления первых двигателей внутреннего сгорания. С тех пор ни один из элементов поршневой группы не утратил своего функционального назначения.

Поршень, является наиболее важным элементом любого двигателя внутреннего сгорания.

Именно на эту деталь, выпадает основная нагрузка по преобразованию энергии расширяющихся газов в энергию вращения коленчатого вала. Свойства, которыми должен обладать поршень, трудно совместимы и технически тяжело реализуются.

Требования, которым должна соответствовать эта деталь:

  • температура в камере сгорания может достигать более 2000°С а температура поршня, без риска потери прочности материала, не должна превышать 350°С
  • после сгорания бензино-воздушной смеси, давление в камере сгорания может достигать 80 атмосфер.

При таком давлении, оказываемое на днище усилие, будет составлять свыше 4-х тонн. Толщина стенок и днища поршня должна обеспечивать возможность выдерживать значительные нагрузки. Но любое увеличение массы изделия приводит к увеличению динамических нагрузок на элементы двигателя, что в свою очередь, ведет к усилению конструкции и росту массы двигателя;

  • зазор между поршнем и поверхностью цилиндра должен обеспечивать эффективную смазку и возможность перемещения с минимальными потерями на трение. Но в тоже время зазор должен учитывать тепловое расширение и исключить возможность заклинивания.
  • изготовление должно быть достаточно дешевым и отвечать условиям массового производства.

Очертания поршня за более сто пятидесятилетнюю историю двигателя внутреннего сгорания мало изменились.

В конструкции поршня можно выделить несколько зон, каждая из которых, имеет свое функциональное назначение:

1) Днище поршня – поверхность, обращенная к камере сгорания. Днище, своим профилем, определяет нижнюю поверхность камеры сгорания.

Форма днища зависит от формы камеры сгорания, расположения клапанов, от особенности подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания и объема самой камеры.

Днища разных моделей применяемых на двигателях ВАЗ приведены на рисунке:

Поршни ВАЗ 21213 и ВАЗ 21230 отличаются нанесенной маркировкой. Маркировка наносится на поверхность рядом с отверстием под поршневой палец. На поршне ВАЗ 21213 нанесены цифры -«213», на модели ВАЗ 2123 — «23».

На модели ВАЗ 2108, ВАЗ 21083, ВАЗ 2110 нанесена соответствующая маркировка — «08»,»083″, «10». Поршень 2108 имеет диаметр 76 мм , модели 21083 и 2110 — 82 мм.

Поршни ВАЗ 2112 и ВАЗ 21124, имеют соответствующую маркировку — «12»и «24» и отличаются глубиной выборки под клапана. Модели 21126 и 11194 отличаются диаметром.

2) Если углубления на днище увеличивают объем камеры сгорания, то для уменьшения объема применяют вытеснители. Вытеснителем называют объем металла, который находится выше плоскости днища.

3) «Жаровым поясом» (огневым) называют расстояние от днища до канавки первого поршневого кольца. Чем ближе располагаются поршневые кольца к днищу, тем более высокой тепловой нагрузке они подвергаются, тем больше сокращается их ресурс.

4) Уплотняющий участок — это участок канавок, расположенных на боковой цилиндрической поверхности поршня. Канавки предназначены для установки поршневых колец. Поршневые кольца обеспечивают подвижное уплотнение. На всех моделях для двигателей ВАЗ, выполнены две канавки под компрессионные кольца и одна канавка под маслосъемное кольцо.

В канавке под маслосъемное кольцо есть отверстия, через которые отводится излишек масла во внутреннюю полость поршня. Уплотняющий участок выполняет еще одну очень важную функцию — через установленные поршневые кольца, осуществляется отвод значительной части тепла от поршня к цилиндру.

Если конструкция изделия не будет предусматривать эффективный отвод тепла от днища, то это приведет к его прогоранию.

По расчетам, через компрессионные кольца, передается до 60-70% выделенного тепла. Однако это требует плотного прилегания поршневых колец к цилиндру и к поверхностям канавок.

Для обеспечения работоспособности, торцевой зазор первого компрессионного кольца в канавке должен составлять 0,045-0,070 мм. Для второго компрессионного кольца зазор — 0,035-0,060 мм, для маслосъемного – 0,025-,0050 мм. Между внутренней поверхностью кольца и канавки должен быть радиальный зазор — 0,2-0,3 мм.

5) Головку поршня образуют днище и уплотняющая часть.

Расстояние от оси поршневого пальца до днища, называют компрессионной высотой поршня.

6) «Юбкой», называют нижнюю часть поршня. На этом участке находятся бобышки с отверстиями – место, куда устанавливается поршневой палец. Внешняя поверхность юбки, исполняет роль опорной и направляющей поверхности.

Юбка обеспечивает соосность положения детали к оси цилиндра блока. Кроме того, боковая поверхность юбки участвует в передаче к цилиндру возникающих поперечных усилий.

На поверхность юбки (или на все изделие) могут наноситься защитные покрытия улучающие прирабатываемость и снижающих трение.

Покрытие слоем олова позволяет сгладить неточности профиля и предотвратить наволакивание алюминия на поверхности цилиндра. Могут применяться покрытия, созданные на основе графита и дисульфида молибдена.

Другой способ, снижающий потери на трение – нанесение на юбке канавок специального профиля. Глубина канавок составляет 0,01-0,015 мм. При движении, канавки не только удерживают масло, но и создают гидродинамическую силу, которая препятствует контакту со стенками цилиндра.

Одним из факторов, определяющих геометрию поршня, является необходимость снижения сил трения.

Для этого требуется обеспечение определенной толщины масляного слоя в зазоре между поршнем и стенками цилиндра. Причем маленький зазор повлечет за собой увеличение сил трения и как следствие повышение нагрева деталей и их ускоренный износ, а возможно и заклинивание.

Слишком большой зазор, увеличит шумность двигателя, приведет к росту динамических нагрузок на сопрягаемые детали и будет способствовать их ускоренному износу. Поэтому величина зазора подбирается в соответствии с рекомендациями для конкретного типа двигателя.

В истории применения конструкций поршней для двигателей ВАЗ, просматриваются этапы влияния нескольких европейских конструкторских школ.

На первых моделях двигателей ВАЗ применяется «итальянская» конструкция. Поршни отличаются большой компрессионной высотой, широкой опорной поверхностью юбки. Поверхность изделия покрыта слоем олова.

В разработке последующих конструкций принимают участие немецкие компании. У поршней уменьшается компрессионная высота. На юбке применяется микропрофиль – специальный профиль канавок, для удержания смазки в зоне трения. Поршни моделей ВАЗ 21126 и ВАЗ 11194 получают Т-образный профиль и рассчитаны на установку «тонких» поршневых колец. Так внешне сравнивая модели от 2101 до 21126, можно получить представление об общих тенденциях совершенствования конструкции, основанных на новых научных разработках.

В процессе работы, различные участки поршня нагреваются не равномерно, следовательно, и тепловое расширение будет больше там, где выше температура и больше объем металла. В связи с этим, на уровне днища размер выполняют меньшим, чем диаметр в средней части. Таким образом, в продольном сечении профиль будет коническим. Нижняя часть юбки тоже может иметь меньший диаметр. Это позволяет, при движении вниз, в пространстве между юбкой и цилиндром, создавать масляный клин, который улучшает центрирование в цилиндре.

Для компенсации тепловых деформаций, в поперечном сечении поршень выполнен виде овала. Это связано с тем, что в районе бобышек под поршневой палец сосредоточен значительный объем металла.

При нагреве, в плоскости поршневого пальца, расширение будет осуществляться в большей степени. Овальность и бочкообразность детали в холодном состоянии, позволяет иметь поршень, приближающийся к цилиндрической форме, при работающем двигателе.

Такая форма изделия создает сложности при контроле его диаметра. Фактический диаметр можно определить, только замеряя его в плоскости перпендикулярной оси отверстия под поршневой палец на определенном расстоянии от днища. При этом, для разных моделей это расстояние будет отличаться.

Тепловые нагрузки порождают еще одну проблему. Поршни изготавливают из алюминиевого кремнесодержащего сплава, а для блока цилиндров используют чугун. У этих материалов разная теплопроводность и разный коэффициент теплового расширения.

Это приводит к тому, что в начале работы двигателя, поршень нагревается и увеличивается в диаметре быстрее, чем увеличивается внутренний диаметр цилиндра. При и без того малых зазорах, это может приводить к повышенному износу цилиндров, а в худшем случае, к заклиниванию поршня.

Для решения этой проблемы, во время отливки поршня, в тело заготовки внедряют специальные стальные или чугунные элементы, которые сдерживают резкое изменение диаметра. Для уменьшения теплового расширения и отвода тепла, на некоторых типах двигателя, используются системы подачи масла во внутреннюю полость поршня.

Поршневой палец обеспечивает шарнирное соединение поршня и верхней головки шатуна. Во время работы двигателя, на поршневой палец воздействуют значительные переменные силы. Палец и отверстия под палец должны сопрягаться с минимальным зазором, обеспечивающим смазку.

На двигателях ВАЗ используется два типа шарнирного соединения «поршень-палец-шатун». На поршнях моделей 2101, 21011, 2105, 2108, 21083 – палец устанавливается в верхней головке шатуна по плотной посадке, исключающей его вращение. Отверстие в поршне под поршневой палец выполнено с зазором, обеспечивая свободное вращение.

В дальнейшем от этой схемы отказались и перешли на схему с «плавающим» пальцем. На поршнях моделей 21213, 2110, 2112, 21124, 21126, 11194, 21128 – палец устанавливается с минимальным зазором и в головке шатуна, и в отверстиях поршня. Для исключения осевого смещения пальца, в поршне, в отверстиях под поршневой палец устанавливаются стопорные кольца. Во время работы, у пальца есть возможность проворачиваться, обеспечивая равномерный износ поверхностей.

Для обеспечения надежной смазки пальцев, в бобышках предусмотрены специальные отверстия.

По результатам фактического замера отверстия под поршневой палец, поршням присваивается одна из трех категорий(1-я, 2-я, 3-я). Разница в размерах для категорий составляет — 0,004мм. Номер категории клеймится на днище.

Для обеспечения необходимого зазора, поршневые пальцы, по наружному диаметру подразделяются на три класса. Отличие в размерах составляет — 0,004 мм. Маркировка класса производится краской по торцу пальца: синий цвет — первый класс, зеленый — второй, красный — третий класс. При сборке, поршню первой категории должен подбираться палец первого класса и т.д.

Особенностью работы шатунного механизма, является то, что до достижения верхней мертвой точки, поршень прижат к одной стороне цилиндра, а после прохождения ВМТ – к другой стороне цилиндра. При приближении к верхней мертвой точке, на поршень действует максимальная нагрузка, следовательно растет сила давления на палец. Возрастающие силы трения препятствуют повороту поршня на пальце. При таких условиях поворот может происходит скачкообразно, со стуком о стенку цилиндра.

Для того, чтобы снизить динамические нагрузки и шум, применяют поршни со смещенным отверстием под поршневой палец. Ось отверстия смещена в горизонтальной плоскости от оси поршня. В работающем двигателе это приводит к возникновению момента силы, который облегчает преодоление сил трения.

Такое конструктивное решение позволяет добиться плавности, при смене точек контакта поршня с цилиндром. На такие изделия обязательно наносится метка для правильной ориентации при его установке. Однако, чем больше будет износ цилиндров и юбки, тем в большей степени будет проявляться стук в цилиндре.

Существуют поршни, в которых применяется не только горизонтальное смещение оси пальца, но и вертикальное. Такое смещение ведет к уменьшению компрессионной высоты. Поршни, с дополнительным смещением оси отверстия под палец вверх, применяются для тюнинговой доработки двигателя. В качестве основной характеристики для таких поршней используется величина смещения, указывающая на сколько смещен центр отверстия под палец, по сравнению со стандартным изделием.

На рынке продаж, поршень представлен значительным количеством отечественных и иностранных производителей. Независимо от производителя, они должны соответствовать требованиям, рассчитанным для конкретной модели двигателя. Поршни, входящие в комплект, не должны отличаться по массе более чем на ±2,5 грамм. Это позволит снизить вибрации работающего двигателя. Для розничной сети, в комплекты подбираются поршни одной весовой группы. В случае необходимости можно осуществить подгонку поршня по массе.

Зазор между цилиндром и поверхностью поршня должен соответствовать величине установленной для данной модели двигателя. Поршни номинального размера по своему диаметру относят к одному из пяти классов. Различие между классами составляет 0,01 мм.

Классы маркируются на днище буквами — (А, В, С, D, Е). В качестве запасных частей поставляются поршни классов — А, С, Е. Этих размеров достаточно, чтобы осуществить подбор деталей для любого блока цилиндров и обеспечить необходимый зазор.

Поршни ВАЗ 11194 и ВАЗ 21126 имеют только три класса (A, B, C) с размерным шагом — 0,01 мм.

Кроме номинальных размеров, изготавливаются поршни 2-х ремонтных размеров, с увеличенным наружным диаметром на 0,4 и 0,8 мм. Для распознавания, на днищах ремонтных изделий ставится маркировка: символ «треугольник» соответствует первому ремонтному размеру(с увеличением наружного диаметра на 0,4 мм), символ «квадрат» — увеличение диаметра на 0,8 мм. До 1986 г. ремонтные размеры отличались от современных. Так для двигателя 2101 существовало три ремонтных размера: на 0,2 мм., 0,4 мм., 0,6 мм; для двигателя 21011 два размера: 0,4 мм. и 0,7 мм.

Применяемость моделей поршней на различных двигателях Ваз:

В качестве материала для изготовления поршней применяются сплавы алюминия. Использование кремния в составе сплава, позволило снизить коэффициент теплового расширения и увеличить износостойкость. Сплавы, где содержание кремния может достигать 13%, называют – эвтектическими. Сплавы с более высоким содержанием кремния относят к заэвтектическим сплавам. Повышение процента содержания кремния улучшает теплопроводные характеристики, однако приводит к тому, что при охлаждении в сплаве происходит выделение кремния в виде зерен размером 0.5-1.0 мм. Это приводит к ухудшению литейных и механических свойств. Для улучшения физико-механических свойств, в сплавы вводят легирующие добавки меди, марганца, никеля, хрома.

Существует два основных способа получения заготовки поршня.

Отливка в кокиль – специальную форму, является более распространенным способом. Другой способ — горячая штамповка (ковка). После этапов механической обработки, изделие подвергают термической обработке для повышения твердости, прочности и износостойкости, а также для снятия остаточных напряжений в металле.

Структура кованого металла позволяет повысить прочностные характеристики изделия. Но есть существенные недостатки кованых изделий классической конструкции(с высокой юбкой)– они получаются более тяжелыми. Кроме того, в кованных деталях, невозможно использовать термокомпенсирующие кольца или пластины. Увеличенный объем металла ведет к увеличенной тепловой деформации и необходимости увеличивать зазор между поршнем и цилиндром. И как следствие – повышенный шум, износ цилиндров, расход масла. Применение кованых поршней оправдано в тех случаях, когда большую часть времени двигатель автомобиля эксплуатируется на предельных режимах.

В современном конструировании поршней, наблюдаются следующие тенденции: уменьшение веса, использования «тонких» поршневых колец, уменьшение компрессионной высоты, использование коротких поршневых пальцев, применение защитных покрытий. Все это, нашло свое применение, в конструкции Т-образных поршней. Наименование конструкции обусловлено схожестью профиля детали с буквой «Т». На этих изделиях, юбка уменьшена и по высоте, и по площади направляющей части. В качестве материала для изготовления таких поршней используется заэвтектический сплав, с большим содержанием кремния. Поршни Т-образной конструкции практически всегда изготавливаются горячей штамповкой.

Принятие разработчиками решения о применении той или иной конструкции поршня всегда предшествует расчет и глубокий анализ поведения всех узлов шатунно-поршневой группы. Детали современных двигателей рассчитаны на пределе возможностей конструкции и материалов. В таких расчетах предпочтение отдается конструкциям с минимальной стоимостью обеспечивающих утвержденный ресурс и не более. Поэтому любое отклонение от штатных режимов работы двигателя ведет к сокращению ресурса тех или иных деталей и узлов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *