Поршень – 2
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.
В результате вес этих компонентов намного выше, чем у двигателей с искровым зажиганием. Следует также помнить, что поверхность, подверженная воздействию газов сгорания, довольно обширна, что приводит к значительному поглощению тепла. Тот факт, что эти «пики» достигаются с большой скоростью, ничего не делает, но затрудняет ситуацию для поршней. В дополнение к совершенно другой форме, в отношении этих компонентов вы сразу замечаете другое отличие по сравнению с бензиновыми двигателями: штырь имеет гораздо больший диаметр и оснащен стенами значительной толщины; поэтому его вес очень заметен.
Измерение диаметра поршня
При увеличенном зазоре повышается шумность работы двигателя и износ поршня и поршневых колец.
Увеличенный зазаор межу поршнем и стенками цилиндра
Определение зазора при помощи измерения диаметра поршня и отверстия цилиндра
Измерение диаметра юбки поршня при помощи микрометра.
Кованные алюминиевые поршни
Сравнение стального поршня с алюминиевым поршнем для высокоэффективного турбодизеля. В последние годы нагрузки внутри поршневых стержней становятся все более высокими, что в определенный момент потребовало использования бронзовых кустов. Фактически, алюминиевый сплав больше не соответствовал ситуации.
Высокие пики высокого давления, которые следуют друг за другом непрерывно и с большой скоростью, могут вызвать реальное ударное действие поршней поршня по сегментам. По этой причине кольцевая вставка из никелированного аустенитного чугуна, которая была включена во время литья, обычно используется на первом карьере в течение многих лет. Альтернативой, менее используемой, является использование множества коротких волокон керамического материала в рассматриваемой области; в этом случае, чтобы включить их в легкий сплав поршня, необходимо, чтобы последний был выполнен не с обычной литой оболочкой, а с использованием технологии литья под названием литье под давлением, которое обеспечивает медленное и «тихое» заполнение формы металлом жидкости и последующего использования высокого давления, которое поддерживается на протяжении фазы затвердевания.
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
При помощи нутромера замерьте диаметр цилиндра и запишите результаты измерений. Для определения зазора необходимо из второго полученного результата вычесть результат первого измерения.
В некоторых случаях напряжения таковы, что некоторые производители этих компонентов начали использовать сталь вместо алюминиевых сплавов. Сильное увеличение удельной мощности, которое в последнее время повлияло на турбодизель, увеличило тепловую нагрузку до такой степени, что обычные струи масла, посылаемые специальными форсунками для закрытия нижней части неба, уже недостаточны для обеспечения достаточного охлаждения поршней, Уже несколько лет, когда давление нагнетания начинает становиться действительно значительным, поршни снабжены кольцевым каналом, который применяется на высоте прорезей для сегментов, в которых циркулирует масло.
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
Измерение зазора при помощи щупа
На этих двух рисунках показаны различные способы измерения зазора при помощи плоского щупа.
Для его реализации в литейном цехе используются ядра в растворимой соли, которые расплавляются после затвердевания металла. Благодаря этим каналам можно вычесть большое количество тепла и, следовательно, добиться значительного снижения температуры поршня. Это привело к тому, что некоторые производители разработали решения для укрепления этой области. Поршни дизельных двигателей со значительным давлением наддува оснащены кольцевым каналом для масла, с помощью которого удаляется большое количество тепла.
Иногда бронзовые компасы также используются в поршневых портах. Однако в некоторых случаях напряжения такие, что некоторые производители этих компонентов начали использовать сталь вместо алюминиевых сплавов. В течение нескольких лет несколько производителей промышленных автомобилей переключились на поршни, изготовленные из этого материала, которые теперь также начинают использоваться в автомобильном поле. Как известно, сталь имеет значительно более высокую плотность, чем алюминиевые сплавы. Поэтому вес новых поршней должен быть значительно выше, если размеры остаются неизменными.
Измерение зазора при помощи щупа с динамометром
В старых учебниках указывается, что при таком способе измерения зазора, щуп мерной пластиной установленной толщины и ширины должен перемещаться под воздействия строго регламентированного усилия, измеряемого пружинным динамометром.
Материалы, из которых изготовлен поршень
Сталь, однако, имеет прочность на растяжение и модуль упругости намного выше, что позволяет использовать стены со значительно меньшей толщиной; если к этому добавляется значительно более низкая высота сжатия, вес поршней аналогичен, а иногда даже немного ниже, чем у тех же компонентов в алюминиевом сплаве.
Более низкий коэффициент теплового расширения позволяет уменьшить зазор сборки в стволе. Теплопроводность стали значительно ниже, чем у алюминиевых сплавов, и, следовательно, для вычитания большого количества тепла из верхней части поршня необходимо, чтобы больший объем масла проходил через единицу времени внутри кольцевой канализации, В любом случае температуры края камеры сгорания и щелей для сегментов выше; это не создает проблем для материала, но это может сделать жизнь смазки значительно сложнее!
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 обработки, например литью, в процессе производства.
К сожалению, материалов, в полной мере соответствующих этим противоречивым требованиям в природе просто не существует.
Литые и кованые
На стальных поршнях применяются подходящие поверхностные покрытия, и использование кустов не требуется. Процесс производства, который обычно выполняется, предусматривает создание двух частей ковки, которые затем соединяются фрикционной сваркой. Поршни дизельных двигателей большой мощности должны выдерживать очень высокие давления горения и огромные тепловые нагрузки.
Форма камеры сгорания, состав и количество смеси и момент зажигания должны выбираться так, чтобы топливно-воздушная смесь горела контролируемым образом. При работе на полной нагрузке алюминиевого сплава, из которого поршень нагревается выше 300 ° С Это тепло принимается двумя способами: с помощью кольца, окруженной водяной рубашкой стенки цилиндра и двигателя распыляется на внутренней стороне головки поршня.
Поршни массовых автомобильных двигателей внутреннего сгорания изготавливались только из двух материалов – чугуна и алюминия, вернее силуминовых сплавов, состоящих из алюминия и кремния.
Чугун имеет много положительных качеств, от твёрдый, выдерживает высокие температуры, по сравнению с силуминовыми сплавами. Имеет высокую сопротивляемость износу и низкий коэффициент трения в паре чугун – чугун, из которого сделаны блоки цилиндров или вставные гильзы блока цилиндров. Коэффициент температурного расширения чугунного поршня значительно ниже подобного показателя алюминиевого поршня.
Сбивание сгонки, то есть неконтролируемый процесс горения смеси, не начинается с искры, но начинается автоматически. В результате температура и давление в камере сгорания сильно возрастают. Это может привести к повреждению двигателя. Это явление может возникать, когда коэффициент сжатия, момент зажигания или топливо выбраны неправильно. В результате стука, края алюминиевого поршня или средней части дна тают.
Однако, с другой стороны, производители используют максимально возможную степень сжатия. Речь идет об увеличении мощности и сокращении расхода топлива. Довольно часто используются датчики детонации, которые при необходимости регулируют момент зажигания. Чтобы получить относительно короткий путь пламени, две большие свечи зажигания часто используются в одном или двух цилиндровых двигателях, чтобы обеспечить полное сгорание смеси.
Но он также имеет и недостатки. Чугун имеет низкую теплопроводность, поэтому температура днища чугунного поршня выше температуры днища аналогичного алюминиевого поршня. Можно подумать это не страшно, поскольку чугун легко способен выдержать более высокие температуры. Но это только на первый взгляд, повышения удельной литровой мощности и эффективности работы двигателя конструкторы стараются поднять степень сжатия. А более горячий чугунный поршень не позволяет это сделать, поскольку в двигателях с внешним смесеобразованием (бензиновые двигатели) появляется детонационное зажигание. Но основным недостатком чугуна является его высокая плотность. Для повышения максимальной мощности и эффективности двигателя конструкторы стараются увеличить скорость вращения двигателя, но вес тяжелых чугунных поршней не позволяет это сделать. Поэтому все современные автомобильные двигатели, как бензиновые, так и дизельные, имеют алюминиевые поршни.
Использование всей смеси в камере сгорания может поддерживать так называемую соковыжималка. Это объем чаще всего в форме кольца, расположенного по периметру камеры сгорания. Поршень, приближаясь к голове, выдавливает остальную смесь из смеси в центр камеры сгорания, чтобы ее можно было сжечь. Настроены двигатели высота экструдер может быть настолько мала, что на самых высоких скоростях, поршень может легко ударить головку, которая, конечно, является вредным. В спорте этот элемент игнорируется.
Кроме того, особенно когда двигатель полностью загружен, смесь наполнения ракеля останавливает поршень, приближающийся к голове. В гоночных двигателях расстояние между поршнем и головкой составляет от 0, 2 до 0, 3 мм. В серийном производстве такая точность может быть достигнута только благодаря компьютеризированной обработке камеры сгорания и поршня. При горении создается давление 100 бар, которое действует на поверхность поршней с диаметром.
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.
Это означает, что поршни, штифты и шатуны нагружены более чем 5 т давления. Максимальное давление создается примерно на 15 ° после превышения верхней мертвой точки. К этим силам должны добавляться силы инерции, которым подвергаются поршни и шатуны. Это достаточная причина для работы над изготовлением самых легких поршней. Особенно, что вращающиеся массы не только поглощают энергию, но и вызывают довольно сильные вибрации.
Сечение цилиндра отлично круглое. Чтобы уменьшить трение, гильзы цилиндров покрыты слоем никеля и карбида кремния, толщиной несколько сотых миллиметра. Чугунные цилиндры в мотоциклетных двигателях редко встречаются в настоящее время. В результате уменьшаются потери тепла на стенках цилиндров, которые поглощают часть энергии, снижают эффективность двигателя и увеличивают расход топлива. Кольца поршня имеют решающее значение для герметичности, особенно в диапазоне низких и средних скоростей. Раньше это было сделано из чугуна, сегодня это в основном два очень тонких стальных кольца с минимальным предварительным напряжением.
Блок цилиндров без гильз
Поршень с железнением юбки
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.
Небольшая поверхность контакта обеспечивает отличную герметичность. Благодаря этому, несмотря на высокие давления в камере сгорания, только около 1% выхлопных газов попадают в картер. В нижней канавке поршня имеется масляное кольцо. В современных двигателях часто используются два скребковых кольца толщиной 0, 4 мм. Они разделены пружиной ремня, которая через небольшие отверстия выгружает избыточное масло из стенок цилиндра во внутреннюю часть поршня и, таким образом, входит в картер.
Для того, чтобы выдерживать экстремальные давления и очень высокие температуры, современные высокоэффективные двигатели имеют поршни с короткими куртками. Для того, чтобы поршень принял форму цилиндра при нагревании, в «холодном» состоянии он овальный и бочкообразный. Короткие поршневые пальто обеспечивают низкое трение при хорошем управлении и, таким образом, обеспечивают бесшумную работу двигателя в механических условиях.
Отсутствие чугунных гильз значительно уменьшает вес блока цилиндров.
Поршень с антифрикционным покрытием
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.
Следует помнить, что короткие и узкие поршневые покрытия должны выдерживать значительные нагрузки, поскольку наклонный шатун прижимает их к стенкам цилиндров с мощной боковой силой. Он принимает значение от 15 до 25% рабочего давления. Поршни в двигателе внутреннего сгорания имеют много разных особенностей. Они могут работать без каких-либо повреждений или другого повреждения.
Из-за того, что температура рабочего поршня не одинакова по всей его длине, его диаметр не изменяется во всех местах его ведущей части вровень. Кроме того, эта температура не является одинаковой по всему периметру поршня на том же расстоянии от его дна. Поэтому поршни почти не имеют элементов с формой идеального цилиндра. Как правило, их кольцевая часть и сама дно имеют диаметр, немного меньший, чем диаметр юбки поршня в нижней части. Это связано с тем, что поршень имеет форму усеченного конуса, установленного на нижней цилиндрической части.
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.
Кроме того, вертикальная проекция многих поршней является овальной по всей высоте поршня. Таким образом, получается идеальное совпадение поршня с формой внутренней части гильзы цилиндра, которая в новом состоянии всегда идеально круглая. Поршни с описанными формами, постепенно прогреваясь, приобретают форму почти идеальных рулонов, и это означает, что их можно максимально приблизить к форме цилиндров. В некоторых поршнях используются специальные корректирующие вставки из материалов с различным коэффициентом теплового расширения, чем материал поршня.
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
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
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.
Группа поршня по диаметру
Группы поршня по диаметру
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
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.
Поршень
В двухтактном движке поршень играет роль золотника. Движения его не равномерные. Материал, из которого изготавливают поршень - это дюралевый сплав либо легированный чугун, который употребляется в низко-оборотных движках.
Требования к поршням:
- Маленькое значение коэффициента линейного расширения
- Малый износ
- При нагреве малозначительное понижение прочности
- Низкая цена
Устройство поршня
Особенности геометрии поршня в том, что поперечник головки меньше поперечника юбки, а юбка имеет конусно - эллиптическую, либо эллиптическую форму.
Особенности конструкций частей поршня:
Днище снутри имеет ребра жесткости. Форма днища для М - 412 плоская либо выпуклая, для дизеля выпуклая, а для двухтактных дизелей — с козырьком.
Головка поршня может иметь вставки из чугуна. В головке могут быть отверстия для масло-съемных колец. Бывает, в высшей части головки делают канавку, чтоб сделать лучше тепло-отвод от днища к верхнему кольцу.
Юбка поршня. Для уменьшения вероятности заклинивания поршня, на юбке делаются вертикальные разрезы, не считая ДВС с малым поперечником. Величина эллиптичности юбки 0,15- 0,29 мм, а величина конусности 0,02 - 0,04 мм.
Бобышки
Если глядеть со стороны радиатора, бобышки выполнены со смещением на лево. Снутри бобышки делается отверстие с канавками для стопорных колец.
Установка поршня в цилиндр: поршни должны быть равного веса, разрез на юбке поршня ставится по левую сторону АТС.
Поршневые кольца
Число поршневых колец находится в зависимости от типа ДВС и от угловой скорости коленчатого вала. Поперечник кольца больше поперечника поршня, но кольцо устанавливается в поршне, благодаря упругим свойствам и зазору в замке, который должен составлять 0,15 - 0,55 мм.
Для увеличения износостойкости колец производится хромировка либо обработка молибденом. Также многообещающим является изготовка колец в виде литой пружины из стали, либо в виде набора колец из стали.
Поршневые кольца обеспечивают шарнирное соединение поршня. Конструкция поршневых пальцев - это полая трубка, которая делается из стали.
При осевом смещении пальцы стопорятся кольцами. Из-за различия температурного расширения поршня и пальцев, вероятен стук в движке, т.к. появляется зазор. Потому, чтоб это избежать, нужно поршень подогреть до 70- 80 градусов перед запрессовкой.
Масло-съемные кольца
Масло в цилиндр попадает из-за разности давлений в цилиндре и картере в момент впуска. Масло-съемные кольца изготавливают из чугуна и стали.
Конструкция:
- круговой расширитель,
- осевой расширитель
- два кольца.
Достоинства составных колец в приспособленности к искаженной форме цилиндра при износе. При установке масло-съемное кольцо обязано иметь зазор меж кольцом и наковкой по высоте < 0.08 мм, встык 0,2 — 0,5 мм, а замки примыкающих колец должны быть сдвинуты на угол 180 градусов.
Шатун
Шатун соединяет поршень с коленчатым валом. Состоит шатун из верхней и нижней головки, и стержня. Разъем нижней шатунной головки именуется крышкой. Крышки с различных шатунов не взаимозаменяемы.
Коленчатый вал
Коленчатый вал служит для передачи усилия от поршня к коробки. Главные элементы коленчатого вала - это шатунные, коренные шеи, противовесы и щеки.
Полно-опорным именуют коленчатый вал , у которого коренные шеи есть меж каждыми шатунными шеями. В задней части коленчатого вала ставится фланец крепления маховика, а в фронтальной выделяют носок.
Щеками именуются места перехода от коренной шеи к шее шатунной.
Противовесы на коленчатом вале устанавливают для улучшения динамических свойств.
Снутри шатунной шеи находится полость для чистки масла. У многих движков на носке коленчатого вала выполнена резьба для установки храповика. Шестерня привода распределительного вала устанавливается на фронтальном конце коленчатого вала.
Маховик
Маховик служит для накапливания энергии, которая нужна для совершения вспомогательных тактов и для уравновешивания работы ДВС. Маховик крепится к задней части коленчатого вала в определенном положении. Для пуска мотора от электростартера, на маховике производится зубчатый венец. Также маховик является частью механизма сцепления.