Освітні послуги ХНТУСГ імені Петра Василенка сертифіковано на відповідність вимогам Міжнародного стандарту системи управління якістю ISO 9001:2008
Середа, 22.11.2017, 12:18
НАВЧАЛЬНО-НАУКОВИЙ ІНСТИТУТ
МЕХАНОТРОНІКИ І СИСТЕМ МЕНЕДЖМЕНТУ
Головна Реєстрація Вхід  
Вітаю Вас, Гість · RSS
Меню

ДІЯЛЬНІСТЬ


Наші друзі

ХНТУСГ

ХНТУСГ

ННІ ТС

ННІ ЕКТ

ННІ БМ

ННІ ПХВ

Партнери

УПЭК

ЛКМЗ

Епіцентр

 ЕЛЕКТРОННИЙ ПІДРУЧНИК - КШМ - Поршнева група

Поршнева група

До поршневої групи Належать: поршень, поршневий палець і поршневі кільця (див.рис.4.1). Ці деталі працюють в умовах високих тиску й температур, за великих швидкостей руху й складності застосування рідкого масла, що певним чином впливає на їхні конструктивні форми.

Поршні. Поршень сприймає навантаження від тиску газів і сил інерції, а також теплові навантаження в результаті контакту днища з гарячими газами. Під впливом високих температур поршень сильно нагрівається, внаслідок чого знижується його міцність і погіршуються умови мащення, а в карбюраторних двигунах, крім того, підвищується можливість виникнення детонації. Відповідно до цього конструкція поршня, матеріал, з якого він виготовлений, повинні забезпечувати високі механічні властивості та зносостійкість. Поршень повинен бути достатньо легким і добре відводити теплоту.

В автотракторному двигунобудуванні поршні виробляють литтям із сплавів на мідноалюмінієвій та кремнеалюмінієвій основі (АЛ1, АЛ10В, АЛ-25, В300 та ін.) з наступною механічною обробкою. Алюмінієві сплави, що деформуються, АК-2, АК-4, Д20 дають змогу отримувати заготовки поршнів куванням і штампуванням.

Загальний вигляд поршня наведений на рис. 4.11. Поршень складається з днища А (головки), ущільнювального пояса Б і напрямного пояса (юбки) В. На внутрішньому боці юбки виконані два припливи - бобишки Г, в отвір яких встановлюють поршневий палець. Для збільшення жорсткості поршня на його внутрішній поверхні виконані ребра.

Днище поршня утворює з головкою циліндрів камеру згоряння, тому форма днища залежить від способу утворення суміші. На рис.4.12,б зображені найпоширеніші типи камер згоряння, розміщені в поршнях дизелів, які мають безпосереднє об'ємне або об'ємно-плівкове утворення суміші. Форма цих камер згоряння забезпечує завихрення свіжого заряду, який стискається, і покращує умови утворення паливоповітряній суміші. Форма камери згоряння та її розміщення відносно осі поршня залежить від розміщення форсунки і клапанів. Для підвищення термостійкості кромку (а іноді й усю поверхню камери) армують жароміцним матеріалом.

альтернативное название картинки

Рис. 4.11. Поршні:

а - дизельних двигунів; б - карбюраторних двигунів; 1 - канавки для компресійних кілець; 2 - канавки для маслознімних кілець; 3 - камера згоряння в поршні; 4 - масло знімна кромка; 5 - термокомпенсаційні прорізи; А - головка; Б - ущільнювальний пояс; В - напрямний пояс; Г - бобишка; Д - холодильник

Поршні двигунів із зовнішнім утворенням суміші (карбюраторні двигуни) мають плоске або сферичне днище.

Одним з дефектів поршнів, які часто трапляються, є перегрівання днища, що зумовлює погіршення його механічних властивостей. Вплив сил тиску газів у сукупності з означеним перегріванням може спричинити появу дрібних тріщин, що призводять до руйнування (прогоряння) поршня.

альтернативное название картинки

Рис. 4.12. Типи камер згоряння, розміщені в головці поршня:

а - ЦНИДНИ; б – НАТИ; в – ЯМЗ; г – Deutz

На ущільнювальному поясі поршня розміщені канавки для поршневих кілець. Ця частина поршня передає стінкам циліндра до 80% теплоти, яку сприймає днище. Тому її конструкція  певним чином впливає на теплову напруженість днища і поршневих кілець. Працездатність поршня з алюмінієвого сплаву забезпечується за температур днища не більш як 350оС, а в зоні першої канавки (для верхнього компресійного кільця) - 200... 220оС.

альтернативное название картинки

Рис. 4.13. Ущільнений поршень:

1 - зносостійка вставка; 2 - терморегулювальна вставка

Зниженню температури в зоні першої канавки сприяє збільшення висоти жарового пояса (рис.4.13). Однак цей захід призводить до збільшення загальної висоти поршня, а отже, його маси, що для швидкохідних двигунів небажано. В деяких конструкціях поршнів над першою канавкою в межах товщини днища робиться кільцева виточка. Ця виточка є тепловим екраном на шляху теплоти від днища до кільця. Найефективнішим  способом  підвищення  надійності  роботи  поршня слід вважати заливку вставки 1 для верхнього кільця, контактна поверхня якої також є тепловим бар'єром (див.рис.4.12). Цю вставку виконують із аустенітної або марганцевистої сталі, а також з жароміцних чавунів, що сприяє істотному підвищенню зносостійкості кільцевих канавок. На двигунах типу СМД-60 канавка під верхнє компресійне кільце зміцнена механохімічним шляхом (плазмовим переплавом з легуванням). Кількість канавок під кільця залежно від рівня форсування робочого циклу та швидкохідності двигуна становить від 2 до 4. Верхні канавки 1 (див.рис. 4.11) призначені для компресійних кілець, нижні 2 - для маслознімних.

Напрямний пояс (юбка) розміщується нижче від поршневих кілець і призначений для рівномірного розподілу нормальної сили по стінках циліндра в напрямку руху поршня. Зазор між юбкою поршня і стінками циліндра повинен забезпечувати навіть у разі значних теплових деформацій вільне пересування поршня. Збільшення зазору зменшує тертя в циліндро-поршневому з'єднанні, але призводить до збільшення витрат масла, стуків та зносу поршня через його поперечне переміщення в мертвих точках під впливом нормальної сили. В мертвих точках вектор сил змінює напрям, внаслідок чого відбувається "перекладка" поршня з однієї бічної поверхні циліндра на іншу. Ці поверхні циліндра називаються робочими. Чим вища швидкохідність двигуна, тим зазор повинен бути меншим. У дизелях величина зазору між юбкою і стінкою циліндра становить 0,18...0,24 мм, а в карбюраторних двигунах - 0,08...0,10 мм. Надійна робота поршнів карбюраторних двигунів при настільки малому зазорі забезпечується виконанням на бічній поверхні юбки прорізів 5 шириною 1,5…1,7 мм Т-подібної (або П-подібної) форми (рис. 4.11, б), що зменшує підведення теплоти до напрямного пояса і знижує можливість прояву небажаних наслідків, пов'язаних з температурними деформаціями. Прорізи 5 зменшують жорсткість поршня. Тому в разі підвищених вимог до міцності поршня і малої величини зазору надійність конструкції досягається застосуванням стальних пластин-вставок 2 (див.рис.4.13), залитих у напрямному поясі. Ці вставки мають менший порівняно з матеріалом поршня коефіцієнт лінійного розширення, що дає змогу зменшити розширення поршня під час роботи двигуна.

альтернативное название картинки

Рис. 4.14. Схема подачі масла на поршень:

1 – болт; 2 – проріз у поршні; 3 – трубка; 4 – блок-картер; 5 – поршень; 6 – гільза циліндра; 7 – шатун

У форсованих двигунах допустимий рівень температури поршня інколи забезпечується примусовою подачею масла в його внутрішню порожнину. Так, на деяких дизелях типу СМД-60 в розточки під опорами розподільного вала встановлені маслопідвідні трубки 3 (рис.4.14), з'єднані з головною масляною магістраллю двигуна. Виходячи з трубок, масло омиває днище поршня, охолоджуючи його. На юбках поршнів, які мають масляне охолодження, виконані прорізи 2 для проходження маслопідвідної трубки.  При цьому додатково досягається і поліпшення умов мащення з'єднання шатуна з поршневим пальцем.

Оскільки днище поршня має вищу температуру, ніж інші частини, профіль бічної поверхні поршня виконують у вигляді циліндричних або конічних східців із збільшенням розміру від днища до юбки. В деяких випадках поверхню юбки виконують бочкоподібною.

У результаті дії температурних деформацій поперечний переріз юбки поршня набуває овальної форми із збільшенням розміру вздовж осі поршневого пальця (рис.4.15,а). У тій самій площині деформацію спричинює й дія сили (рис.4.15,б). Для усунення можливості заїдання поршня в циліндрі внаслідок означених деформацій поршню під час механічної обробки надають еліптичної (овальної) форми з більшою віссю еліпса в площині, перпендикулярній до осі поршневого пальця або організують так звані "холодильники" Д (див.рис.4.11,а), тобто вилучають частину матеріалу із зовнішнього боку корпусу біля поршневого пальця).

альтернативное название картинки

Рис. 4.15. Деформація поршня під дією:

а - нагріву; б - сили тиску газів

Практично в усіх карбюраторних двигунах і в деяких дизелях (типу СМД-60) для зменшення нормального зусилля на стінку циліндра на робочому ході вісь поршневого пальця на 1,5...2,5 мм зміщується відносно осі циліндра (див.рис.4.3,б). Для складання циліндро-поршневої групи на днище поршнів, що мають означені зміщення, наносять позначки у вигляді стрілки, що вказує правильне положення поршня в циліндрі. За величиною зовнішнього діаметра юбки поршні, як і циліндри, сортують по розмірних групах. Позначку розмірної групи, як і інші позначки, наносять на днище поршня (рис.4.16). Під час складання слід стежити, щоб група поршня відповідала групі циліндра.

альтернативное название картинки

Рис. 4.16. Розміщення позначок на поршні шатуна:

1 - місце таврування маси шатуна; 2 - місце таврування групи поршня за масою; 3 - місце таврування розмірної групи поршня; 4 - місце таврування знаку ОТК; 5 - позначка для визначення положення шатунно-поршневої групи на дизелі; 6 - місце таврування комплектності шатуна з кришкою

Поршні також сортують на розмірні групи за діаметром отвору під поршневий палець і маркують фарбою на бобишках поршня.

З метою забезпечення зрівноваженості маси поршнів багатоциліндрового двигуна повинні бути однакові. Різниця в масі поршнів в одному комплекті допускається не більш як 4...6 грам. Юбка іноді закінчується місцевим потовщенням 4 (маслознімна кромка), яке можна частково знімати механічним способом, що полегшує підганяння поршнів за масою.

Поршневі кільця. Поршневі кільця містяться в канавках ущільнювального поясу поршня і за своїм призначенням поділяються на компресійні та маслознімні.

Компресійні кільця встановлюють у верхніх канавках поршня. Вони призначені для ущільнення з'єднання поршня з циліндром. Їх наявність повинна запобігати витікання газів з надпоршневого об'єму в картер, а також проникненню масла в циліндр двигуна. Водночас компресійні кільця відводять теплоту від ущільнювального поясу поршня в стінки циліндра.

Маслознімні кільця призначені для видалення надлишків масла зі стінки циліндра. Створюючи разом з компресійними кільцями гідродинамічний режим мащення, тобто підтримуючи необхідну товщину масляної плівки на стінці циліндра, маслознімні кільця сприяють зменшенню спрацьованості деталей циліндро-поршневої групи.

Кільце являє собою деталь, зовнішній діаметр якої у вільному стані (до розміщення його в циліндрі) більший від внутрішнього діаметра циліндра (рис.4.17,а). Для установлення кілець у канавки поршня їх виконують розрізними. Розріз кільця А називається замком. При розміщенні кільця в циліндрі зазор у замку повинен становить 0,4...0,8 мм. Це забезпечує можливість розширення кільця під час нагрівання і збереження його пружності. За формою замки можуть бути прямими, косими або ступінчастими (рис.4.17,б). В автотракторних двигунах частіше застосовують кільця з прямим замком.

альтернативное название картинки

Рис. 4.17. Поршневе кільце:

а - схема: 1 - у вільному стані; 2 - в робочому положенні; А - зазор у замку; б - форми замків: 1 - пряма; 2 - коса; 3 - ступінчаста

Поршневі кільця повинні мати високу пружність за достатньої механічної міцності, зносостійкості, малого коефіцієнта тертя в умовах високих температур і недостатнього мащення. Деякою мірою цим вимогам відповідають чавуни дрібнокристалічної структури (перлітні чавуни). У зв'язку з цим компресійні кільця і маслознімні кільця коробчатого типу виробляють з чавуну, а маслознімні складені - із сталі.

Для надійної роботи кільця повинні щільно прилягати до дзеркала циліндра і бічних стінок канавок у поршні. В разі порушення суцільного контакту в цих з'єднаннях спостерігається прорив газів, що призводить до перегрівання кілець і втрати ними пружності, а надлишок масла, що потрапляє в канавки поршня, - до закоксування та залягання кілець, їх поломок. Надлишки масла на стінках циліндра призводять до того, що воно, потрапляючи в робочий об'єм циліндра, частково згоряє, а частково окиснюється, утворює нагар на деталях, що обмежують камеру згоряння. Це призводить до підвищених витрат масла та перегрівання двигуна.

альтернативное название картинки

Рис. 4.18. Насосна дія кілець:

а - поршень рухається вниз; б - поршень рухається вгору

Потраплянню масла в надпоршневу порожнину значною мірою сприяє так звана насосна дія кілець (рис.4.18). Коли поршень рухається вниз, кільця притискаються до верхніх стінок канавок, і зазори між кільцями й канавками заповнюються маслом. Під час ходу поршня вгору кільця притискаються до нижніх стінок канавок і вичавлюють масло в бік днища поршня. Цей процес періодично повторюється, і масло нагнітається в надпоршневий об'єм. У міру спрацьованості зазори між  кільцем і  канавкою збільшуються, насосна дія кілець посилюється витрата масла зростає.

Уникнути цього шкідливого явища намагаються конструктивними прийомами (вибором матеріалу і раціональної форми робочих поверхонь кілець, зміцненням ущільнювального поясу поршня тощо) та дотриманням певних правил складання кілець.

Кільця встановлюють у канавках з невеликим (0,02...0,08 мм) зазором по висоті, і їхні замки розміщуються на однаковій відстані один від одного і не в площині осі поршневого пальця. Наприклад, за наявності трьох кілець їхні замки повинні розміститися по колу під кутом 120о, чотирьох кілець - під кутом 90о.

Ущільнювальна дія кілець забезпечується як технологічними прийомами під час виготовлення (задана епюра радіального тиску з максимумом у зоні замка), так і за рахунок надання їх робочим поверхням певних конструктивних форм (рис.4.19).

Верхнє компресійне кільце (перше від днища поршня) зазвичай має прямокутний переріз (див.рис.4.19,а), більша опорна поверхня якого забезпечує інтенсивне відведення теплоти від днища поршня в стінки циліндра. Високий тиск циліндрових газів  р на тильний бік кільця щільнопритискає його до циліндра. Зовнішні кромки кілець закруглені для запобігання руйнуванню масляної плівки.

У нижніх канавках поршня широке застосовують компресійні кільця з конічною робочою поверхнею (див.рис.4.19,б). Величина відхилення твірної кільця від стінки циліндра становить 30...50', внаслідок чого вони дістали назву кілець "мінутного" типу. Гострі нижні кромки конусних кілець у початковий період роботи перебувають під високим питомим тиском і тому швидко приробляються до стінок циліндра. В міру прироблення площа контакту твірної таких кілець все збільшується і врешті досягає висоти всього кільця, на яку і розраховується його питомий тиск у період експлуатації.

альтернативное название картинки

Рис. 4.19. Типи поршневих кілець:

а, б, в, г - компресійні кільця; д – маслознімне кільце коробчатого типу; е – масло знімне кільце складеного типу; 1, 4 – кільцеві сегменти; 2 – осьовий розширювач; 3 – радіальний розширювач

Технологія виготовлення конусних кілець досить складна, тому поряд з ними часто застосовують кільця, "які скручуються", вони мають прямокутний переріз з фаскою або виточкою (Рис. 4.19, в). При розміщенні такого кільця в циліндрі під впливом деформації стиску воно трохи закручується, набуваючи конусності, аналогічно кільцю "мінутного" типу.

Складаючи кільця "що скручується" слід встановлювати канавки з фаскою або виточкою в бік днища поршня.

Під час роботи трапецеїдального кільця (див.рис.4.19, г) з'являється бічна сила, напрямок дії якої змінюється зі зміною положення поршня відносно мертвих точок. Ця сила зумовлює постійне радіальне переміщення кільця в канавці і безперервну зміну зазору між торцем кільця та бічною стінкою канавки, що запобігає закоксовуванню та заляганню кільця. В деяких двигунах (типу СМД, ЯМЗ) трапецеїдальні кільця застосовують, як верхні компресійні кільця.

Прискорення прироблення компресійних кілець, підвищення їх надійності досягається деякими конструктивними прийомами (рис. 4.20).

альтернативное название картинки

Рис. 4.20. Типи поршневих кілець (продовження):

а, б, в, г - компресійні (а - з підвищеним питомим тиском; б - зі вставкою; в - бочкоподібні; г - параболічні); д - маслознімні скребкового типу

На зовнішній поверхні кілець іноді виконують кільцеві канавки глибиною 0,3...0,5 мм зі вставками з бронзи або олова (див.рис.4.20,а). До збільшення питомого тиску призводить зменшення висоти частини кільця з боку стінки циліндра (див.рис.4.20,б).

Створення сферичної бочкоподібної (див.рис.4.20,в) або параболічної (г) робочої поверхні кілець дає позитивний ефект у разі  перекосу  кільця  відносно циліндра. При цьому  контакт з дзеркалом циліндра здійснюється по безперервній лінії, а клиноподібність з'єднання забезпечує поліпшені умови мащення.

Збільшення терміну роботи кілець досягається використанням переваг зносостійких покрить з низьким коефіцієнтом тертя.

Робочу поверхню верхнього компресійного кільця хромують. Товщина шару хрому становить 0,10...0,20 мм. Покриття має пористу структуру, що забезпечує утримання масла і поліпшення умов тертя кільця об стінки циліндра. У багатьох двигунах робочу поверхню кілець покривають оловом завтовшки до 0,1 мм. У високофорсованих двигунах використовують багатошарові покриття, в яких чергування шарів йде від більш твердого на поверхні кільця до м'якого шару на зовнішній поверхні. Це забезпечує швидке прироблення й тривалу зносостійкість з'єднання. Як покриття з підвищеною зносостійкістю використовують молібденові, молібденові в комбінації з хромом та ін.

Із збільшенням числа компресійних кілець герметичність з'єднання циліндр-поршень підвищується, але зростають втрати на тертя. Раціональним числом кілець є: для карбюраторних двигунів 2...3, а для дизелів, у яких тиск газів у циліндрі більший, - 3...4.

Маслознімні кільця (рис. 4.18, д, е) встановлюють на поршні нижче від компресійних. Вони повинні забезпечувати надійне відведення в картер надлишків масла і підтримувати тривку масляну плівку на стінці циліндра (при витратах масла на угар в межах 0,8...1,5 г/(кВт×год)). Необхідна дія маслознімних кілець досягається за рахунок їх конструкції, кількості та розміщення на поршні.

Чавунні маслознімні кільця коробчатого типу 2 (див.рис.4.19, д) мають на циліндричній робочій поверхні кільцеву проточку з довгастими щілинами (рідше - з круглими отворами), крізь які масло відводиться по радіальних каналам поршня в картер.

Інколи в канавку поршня встановлюють два тонких кільця скребкового типу (див.рис.4.20,д). Їх дія порівняно з кільцями коробчатого типу ефективніш, оскільки кожний окремий скребок краще прилаштовується до нерівностей циліндра.

Складені маслознімні кільця являють собою два стальних кільцевих сегменти 1, 4 завтовшки менш як 1 мм (див.рис.4.19, е) з осьовим 2 і радіальним 3 пружинними розширювачами. Осьовий розширювач, розміщений між сегментами, притискає їх до бічних канавок поршня. Радіальний розширювач притискає сегменти до стінок циліндра. Іноді використовують один розширювач - тангенціального типу. Складені кільця характеризуються кращою пристосовністю, що зумовлюється незалежністю положення сегментів один відносно одного та їх високою пружністю. Завдяки рівномірному тиску на стінку циліндра сегменти забезпечують рівномірну товщину масляної плівки.

Для підвищення зносостійкості робочі поверхні маслознімних кілець хромують, а сегменти складених кілець хромують як з внутрішнього, так і з зовнішнього боку.

Як правило двигуни обладнують одним маслознімним кільцем, рідко - двома. Друге маслознімне кільце зазвичай розташовується нижче від поршневого пальця - на юбці поршня (деякі дизелі типу СМД-14). Таке розміщення кільця трохи погіршує умови мащення поршня, але практично виключає його перекіс відносно осі циліндра.

Поршневий палець. Поршневий палець 2 призначений для шарнірного з'єднання поршня з шатуном і передавання зусиль від поршня до шатуна (рис.4.21). Поршневий палець повинен бути міцним, жорстким, зносостійким і достатньо легким. Тому поршневі пальці виготовляють з легованої маловуглецевої сталі у вигляді товстостінної втулки, довжина якої трохи менша за діаметр циліндра.

альтернативное название картинки

Рис. 4.21. Поршневі пальці:

а - форми перерізу пальців; б, в - способи кріплення пальця в поршні; 1 - поршень; 2 - палець; - шатун; 4 - стопорне кільце; 5 - заглушка

Для більшої жорсткості внутрішній отвір пальця роблять змінного перерізу, а для збільшення зносостійкості зовнішню поверхню пальця на глибину 1,0...1,5 мм цементують або загартовують струмом високої частоти. Зовнішній діаметр пальця ретельно шліфують і полірують. За величиною зовнішнього діаметра пальці, як і отвір у бобишках поршня, поділяють на розмірні групи і на внутрішній поверхні люблять кольорову позначку. Комплектувати пальці і поршні слід однієї розмірної групи.

Підвищення жорсткості поршневого пальця призводить не лише до збільшення його міцності і надійності, й забезпечує надійність роботи всього вузла поршень - палець - шатун. Одним із конструктивних співвідношень, що характеризують жорсткість поршневого пальця та його опірність овалізації, є відношення внутрішнього діаметра до зовнішнього. Статистичний  аналіз поршневих пальців автотракторних двигунів свідчить, що це відношення лежить у межах від 0,398 до 0,636 при середньому значенні 0,500.

За способом з'єднання з шатуном поршневі пальці можуть бути плаваючими і закріпленими в головці шатуна. Плаваючий палець вставляють в отвір втулки поршневої головки шатуна із зазором 0,01...0,03 мм, а в бобишки поршня - з невеликим натягом. Під час роботи двигуна внаслідок різниці коефіцієнтів лінійного розширення матеріалів поршня і пальця між ними з'являється зазор, і палець має можливість провертатися в бобишках поршня. Цим забезпечується рівномірна спрацьованість опорної поверхні пальця і поршня.

Осьову фіксацію плаваючого пальця здійснюють за допомогою стопорних кілець 4 або грибоподібних заглушок 5 (див.рис.4.21). Використання кілець полегшує конструкцію вузла, однак вони перешкоджають потраплянню масла на робочу поверхню з боку торця пальця. Установлення заглушок усуває цей недолік і до того ж сприяє підвищенню радіальної жорсткості пальця, хоча конструкція вузла при цьому ускладнюється.

Другий спосіб з'єднання характеризується тим, що поршневий палець зафіксований у поршневій головці шатуна гарячою посадкою, що забезпечує потрібний натяг. У бобишках поршня палець встановлюють щільно, практично без зазору.

У більшості двигунів поршневий палець змащується самопливом крізь отвір, виконаний зверху в поршневий головці шатуна (див.рис.4.21,в). У форсованих двигунах (дизелі типу СМД-60, ЯМЗ) масло для мащення з'єднання подається примусово через канал, виконаний у стержні шатуна (див.рис.4.21,б).

ННІ МСМ © Сайт управляється системою uCoz 2017
Приєднуйтесь!
   

Пошук


Міжнародні зв'язки 
  • Партнери
  • Навчання
  • Стажування


Наукові видання 

.
кластер "Агротехніка"


.
Case Education


.
День механіка


Адреса
Україна, м. Харків,
пр. Московський, 45,
тел.: (057) 732-86-40,

Статистика

Онлайн всього: 1
Гостей: 1
Користувачів: 0