конструкция, функции, причины износа и способы его предотвращения
В процессе работы поршни испытывают экстремально высокие давления, нагрузки и температуры. Выдержать такие условия им помогают особопрочные конструкционные материалы и специальные антифрикционные покрытия.
Поршень двигателя – один из основных составных элементов цилиндро-поршневой группы. Двигаясь внутри цилиндра возвратно-поступательно, он воспринимает давление активно расширяющихся и сильно разогретых газов, образующихся при сгорании топливно-воздушной смеси, и передает ее на шатун.
Экстремальные условия эксплуатации поршней – высокие давления, инерционные нагрузки и температуры – требуют использования для их изготовления материалов с особыми параметрами:
- Высокой механической прочностью
- Хорошей теплопроводностью
- Малой плотностью
- Незначительным коэффициентом линейного расширения
- Антифрикционными свойствами
- Коррозионной устойчивостью
Такими свойствами обладают специальные алюминиевые сплавы, отличающиеся прочностью, термостойкостью и легкостью. Реже в изготовлении поршней используются серые чугуны и сплавы стали.
Поршни могут быть литыми или коваными. Первые производят путем литья под давлением, вторые – методом штамповки из алюминиевого сплава с небольшим добавлением кремния (около 15 %), что значительно увеличивает их прочность и снижает степень расширения материала в диапазоне рабочих температур.
Устройство поршня ДВС
Стандартный поршень автомобильного двигателя состоит из трех основных частей: днища, поршневых колец и направляющей (юбки).
Рассмотрим каждый компонент подробнее.
Днище поршня
Форма днища зависит от типа двигателя, особенностей камеры сгорания и многих других факторов. Поршень может иметь плоское, вогнутое или выпуклое днище.
Детали с плоским днищем наиболее просты в производстве, используются как в бензиновых, так и дизельных двигателях вихрекамерного и предкамерного типа.
Поршни с вогнутым днищем свойственны для дизельных двигателей. Они обеспечивает более эффективную работу камеры сгорания, однако способствуют большему образованию отложений при сгорании топлива.
Выпуклая форма днища улучшает производительность поршня, но при этом снижает эффективность процесса сгорания топливной смеси в камере.
Днище поршня принимает на себя основную термонагрузку, в связи с чем имеет самую большую, по сравнению с другими деталями, толщину: 7-9 мм в обычных ДВС, 11 мм – в турбомоторах, 10-16 мм – в дизельных двигателях.
Существуют также автомобили, в которых установлены поршни с толщиной днища меньше стандартной – например, в некоторых моделях Honda она составляет 5,5-6 мм.
Днища некоторых поршней в целях увеличения прочности, снижения вероятности перегрева и прогорания подвергаются твердому анодированию: на верхний слой алюминия накладывается керамическое покрытие толщиной 8-12 мкм.
Уплотняющая часть
К уплотняющей части поршня относятся поршневые кольца, установленные в специальных канавках. В большинстве современных двигателей используется три кольца – одно маслосъемное и два компрессионных.
Маслосъемные кольца, как следует из названия, предназначены для удаления излишков масла со стенок цилиндра и предотвращения их попадания в камеру сгорания. Для этих целей служат сквозные отверстия, расположенные по периметру кольца.
Сквозь них масло поступает внутрь поршня, а затем отводится в поддон картера двигателя.
Компрессионные кольца предотвращают попадание отработавших газов из камеры сгорания в картер. По форме они могут быть трапециевидными, коническими или бочкообразными. Некоторые виды колец оснащены пружинным расширителем.
Наибольшие нагрузки воспринимает первое (верхнее) компрессионное кольцо, поэтому для увеличения ресурса данной детали ее канавку укрепляют при помощи стальной вставки.
Диаметр уплотняющей части поршня меньше диаметра его направляющей части. Это связано с неодинаковым нагревом этих зон – в районе колец он больше. Минимальный диаметр жарового пояса позволяет избежать задиров и заклинивания колец в канавках.
Качество колец имеет огромное значение для уплотнения поршня. В этом отношении чугунные маслосъемные кольца намного надежнее составных, так как при их установке возникает меньше ошибок.
Направляющая часть
Направляющая (тронковую) часть поршня называют юбкой. С внутренней стороны она имеет бобышки, в которых находится отверстие под поршневой палец.
Нижняя кромка юбки предназначена для расточки и подгонки поршня. На ней имеется специальный буртик, с внутренней стороны которого в процессе механической обработки снимается часть металла.
В местах отверстий под поршневой палец с наружной части юбки вырезаются специальные углубления, вследствие чего стенки этих зон не взаимодействуют со стенками цилиндра, образуя так называемые холодильники.
Чтобы обеспечить свободное перемещение поршня в цилиндре, между юбкой и стенками гильзы предусмотрен зазор. Его величина зависит от линейного расширения металла поршня и цилиндра при нормальной работе ДВС. При слишком маленьком зазоре возникает перегрев, грозящий образованием задиров на поверхностях и заклиниванием поршня в цилиндре. Большой зазор также не рекомендован, так как поршень при этом не выполняет своих уплотняющих свойств.
Многие автопроизводители еще на этапе производства поршней наносят на юбки специальные антифрикционные покрытия. Это позволяет защитить их поверхности от преждевременного износа и облегчить приработку.
В последнее время большую популярность не только в промышленности, но в частном использовании приобрело антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY Для деталей ДВС. Оно предназначено не только для поршней, но и для других деталей двигателя: коренных подшипников коленчатого вала, втулок пальцев, распредвалов, дроссельной заслонки.
Данное покрытие эффективно снижает износ и трение, предотвращает скачкообразное движение сопряженных поверхностей, появление на них задиров и заклинивание поршня в цилиндре.
Средство устойчиво к длительному воздействию моторного масла, сохраняет работоспособность двигателя в режиме масляного голодания.
Полимеризация покрытия MODENGY Для деталей ДВС возможна как при комнатной температуре, так и при нагреве.
Удобная аэрозольная упаковка с тщательно настроенными параметрами распыления упрощает процесс нанесения состава.
Перед использованием покрытия производитель рекомендует провести предварительную подготовку деталей Специальным очистителем-активатором MODENGY. Это гарантирует отличную адгезию материала и его долговременную работу.
MODENGY Для деталей ДВС и Специальный очиститель-активатор MODENGY доступны в одном наборе. Поэтапное использование этих средств не требует особых навыков и дополнительного оборудования.
Причины износа поршней
При ежедневной эксплуатации транспортного средства двигатель работает стабильно лишь до определенного момента. Поршни, как и любые другие элементы ДВС, подвержены износу и возникновению неисправностей.
О некорректной работе поршневой группы свидетельствуют:
- Повышенный расход моторного масла и топлива
- Выделение из выхлопной трубы синего дыма
- Нестабильная работа ДВС на холостых оборотах (вибрация рычага КПП)
- Снижение мощности двигателя и т.д.
- Нагар на свечах зажигания
При демонтаже ЦПГ могут наблюдаться проблемы, требующие срочного решения и определения причин.
Так, задиры на днище поршня возникают вследствие его перегрева, к которому, в свою очередь, могли привести нарушения процесса сгорания топливно-воздушной смеси, деформация или засорение масляной форсунки, установка поршней неправильного размера и параметров, неисправности в системе охлаждения.
Следы от ударов на днище свидетельствуют о слишком большом выступе детали, неправильной посадке клапана, отложениях масляного нагара, неподходящем уплотнении ГБЦ и др. проблемах.
К появлению трещин на днище приводят недостаточная компрессия в цилиндрах, плохое охлаждение поршня, неисправность впрыскивающей форсунки.
Поршневые кольца могут повреждаться вследствие неправильной установки поршней. В таких случаях кольца подвергаются вибрации и сильному износу в области канавок.
Радиальный износ поршня возникает вследствие избыточного количества топлива в камере сгорания: из-за сбоев в приготовлении смеси, нарушения процесса сгорания, недостаточного давления сжатия, неправильного размера выступа поршня.
Осевой износ происходит в результате загрязнения поршня продуктами износа, образующимися во время приработки ДВС.
Повреждения юбки поршня могут возникать по многим причинам. Например, вследствие ассиметричного пятна контакта, которое вызвано скручиванием и/или деформацией шатуна, большим люфтом шатунного подшипника.
Задиры, расположенные под углом, образуются из-за слишком тесной посадки поршней, ошибок при монтаже шатуна горячим прессованием, недостаточной смазки при первом пуске двигателя.
Поверхности юбки подвергаются усиленному трению из-за переобогащения топливно-воздушной смеси, ее недостаточного сжатия, неисправности пускового устройства холодного двигателя, перебоев в зажигании и т.д.
Основной причиной выхода из строя гильз является кавитация, вызванная недостаточным охлаждением, применением неподходящей ОЖ, неправильной или неточной посадкой гильз цилиндров, а также использованием неподходящих уплотнительных колец с круглым сечением.
Блестящие места в верхней части цилиндра – не что иное как масляный нагар. Он возникает вследствие неисправности некоторых деталей и проникновения масла вместе с газами во всасывающий тракт.
Возникновение вышеописанных проблем, особенно в комплексе, требует серьезного внимания и безотлагательных действий. Промедление в таких случаях грозит дорогостоящим ремонтом или полной заменой двигателя.
Шатун поршня: назначение, конструкция, основные неисправности
Рассмотрим конструкционные особенности шатуна поршня, из чего его изготавливают, а также основные неисправности и способы их профилактики.
Конструкция шатуна
Шатун поршня передает энергию от поршня к коленчатому валу. При этом он совершает два вида движения: круговое и возвратно-поступательное. Первое происходит в месте соединения нижней головки с коленвалом, а второе – где поршень соединен с верхней головкой. Вследствие такой конструкции шатун постоянно испытывает высокие нагрузки во время работы.
Шатун состоит из следующих элементов:
Поршневая головка
Поршневая (верхняя) головка представляет собой цельную неразборную конструкцию, а ее соединение с поршнем обеспечивает поршневой палец. Он может быть плавающим или фиксированным.
В первом случае в верхнюю головку помещаются бронзовые или биметаллические втулки. Но существуют модификации ДВС, где этих втулок нет, поэтому палец благодаря зазору свободно двигается в отверстии головки шатуна. Для того, чтобы данная деталь нормально функционировала, ей требуется достаточное количество смазки.
Фиксированные пальцы вставляются в цилиндрическое отверстие. Оно изготовлено с высокой точностью, а его диаметр меньше, чем у поршневого пальца. Благодаря этому обеспечивается необходимый уровень натяга.
Ввиду того, что на верхнюю головку действуют очень высокие нагрузки она имеет трапециевидную форму, благодаря чему увеличивается опорная поверхность при работе поршня.
Кривошипная головка
Кривошипная (нижняя) головка соединяет коленчатый вал и шатун. Многие шатуны обладают разъемной кривошипной головкой, что зависит от метода сборки двигателя. Крышку головки с шатуном соединяют болты, штифты или бандажное крепление.
На каждый шатун можно установить только ту крышку, которой он оснащался с завода, так как она обладает определенным весом и размером. При ремонте данную деталь заменить нельзя.
По расположению стержня головка может быть прямой или косой. Последняя характерна для V-образных двигателей и используется для уменьшения размеров силового агрегата.
В нижней части шатунной головке располагаются подшипники скольжения, схожие с коренными вкладышами коленчатого вала. Их изготавливают из стальной ленты, которая изнутри обработана антифрикционным материалом с высокими износостойкими характеристиками. Особенностью этого слоя является то, что он работает только в присутствии моторного масла. В режиме «сухого трения» он очень быстро истирается.
Подобное покрытие может наноситься как на заводе-изготовителе, так и в домашних условиях при замене некоторых компонентов двигателя. Например, для таких задач подойдет антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY Для деталей ДВС.
Помимо подшипников скольжения его можно использовать для юбок поршней, коренных подшипников коленвала, втулок пальцев, распредвалов и дроссельных заслонок.
MODENGY Для деталей ДВС обладает следующими преимуществами:
- Имеет широкий диапазон рабочих температур: от -70 до +260 °C
-
Повышает КПД двигателя
-
Снижает трение и износ
-
Защищает от задира в режиме масляного голодания и при холодном пуске двигателя
-
Снижает расход топлива
-
Уменьшает шум
-
Отверждается при комнатной температуре
Совместно с покрытием рекомендуется использовать очиститель-активатор той же марки. Он не только убирает разнородные загрязнения с поверхностей, но и образует пленку, улучшающую адгезию покрытия с основанием.
Силовой стержень
Силовой стержень многих шатунов имеет двутавровую форму и расширяется от верхней головки к нижней. В дизельных двигателях используются более прочные и массивные детали по сравнению с теми, что используются в бензиновых агрегатах. В спорткарах устанавливают шатуны, изготовленные из алюминия. Благодаря такому решению снижается масса автомобиля.
Особенностью шатунов является то, что все они должны иметь одинаковый вес. В противном случае усилятся вибрации при работе силового агрегата. Это относится не только к шатуну, но и к но и обеим головкам детали.
Чтобы сделать их массу одинаковой для начала изделия взвешиваются на очень точных весах, а затем масса деталей подгоняется по самому легкому шатуну. Для этого с бобышек на головках детали и стержне снимают часть металла.
Из чего изготавливают шатуны?
Каждый производитель должен решить две задачи: уменьшить вес деталей КШМ и снизить производственные затраты. Но ввиду того, что на шатуны в процессе работы действуют высокие нагрузки, уменьшение их массы может пагубно отразиться на прочности изделий.
При массовом производстве шатуны изготавливают из специального чугуна методом литься. Это позволяет создать практически идеальное соотношение между прочностью и стоимостью детали. Такой метод подходит при производстве бензиновых двигателей.
В дизельных ДВС детали испытывают более высокие нагрузки, поэтому для производства поршней метод литья неуместен. Шатуны для агрегатов, работающих на тяжелом топливе изготавливают методом горячей ковки или горячей штамповки из легированной стали. Получаемые детали гораздо более прочные, чем литые, но их производство более затратное.
В двигателях мощных автомобилей и спорткаров используются шатуны из титановых и алюминиевых сплавов. Это позволяет снизить вес ДВС и увеличить его оборотистость. Вес алюминиевых и титановых шатунов на 50 % меньше, чем у стальных и чугунных.
Большое значение играет конструкционный материал, из которого изготовлены болты крепления крышки шатунной головки. Их производят из высоколегированной стали, предел текучести которой в 2-3 раза больше, чем у обычной углеродистой.
Почему шатуны выходят из строя?
Основной причиной выхода из строя шатунов является износ деталей. Верхняя головка редко подвергаются ремонту, а рабочий ресурс втулки нередко оказывается равен ресурсу самого двигателя.
Нарушение формы или разрушение шатуна может произойти вследствие гидроудара, попадания внутрь двигателя абразивных веществ и посторонних предметов, соударения головки блока и поршня.
Выходу из строя также подвержены подшипники нижней головки вследствие недостаточного смазывания. Определить такую неисправность можно посредством замятия вкладышей, удлинения шатунных болтов, темно-синего окраса шатунной головки и темных вкладышей. Но, если смазывание было достаточным, то причиной поломки может быть разрушение или износ самих подшипников.
К причинам выхода из строя шатуна также относится недостаточный уровень масла в двигателе, засорение масляного фильтра, несвоевременная замена масла в ДВС, загрязнение цилиндра абразивами и посторонними предметами, потеря маслом характеристик.
Ремонт шатунов
Шатуны ремонтируются в тех случаях, когда:
-
Деформирован стержень
-
Изношен зазор в верхней головке цилиндра
-
Изношена поверхность и зазор в нижней части головки
Перед началом работ деталь тщательно осматривается, измеряется ее овал и диаметр, зазоры в верхней и нижней части шатуна при помощи нутрометра.
Если все показатели в норме, то замена шатуна не понадобится. При деформации стержня отверстия головок непараллельны, что приводит к перекосу цилиндра. Об этом свидетельствует повышенная шумность ДВС при работе на холостом ходу, а также происходит износ коленвала, головки шатуна, поршня и стенок цилиндра. Еще одним методом проверки шатуна на деформацию является раскачка детали, установленной на специальной проверочной плите.
После всех измерений можно приступать к ремонту. Его качество зависит от хорошего спецоборудования.
Чтобы получить нужную геометрию зазора нижнего шатуна необходимо убрать небольшое количество металла с поверхности крышки головки. После этого крышка ставится назад и фиксируется при помощи болтов.
Расточка отверстия головки производится исходя из требуемого размера. Для этих целей используют расточный или универсальный станок. После этой операции выполняется хонингование.
Если зазор под поршневой палец увеличен, нужно заменить бронзовую втулку под верхнюю головку. Новая деталь примет нужный размер. Очень важно, чтобы отверстия головки и втулки совместились, так как масло, которое выходит из поршня, не попадет на поршневой палец.
Шатунные вкладыши рекомендуется дополнительно обработать антифрикционным покрытием.
Устройство Автомобиля — Билет№14(часть1)
1. Назначение, устройство поршня, поршневых колец, поршнего пальца, шатуна, коленчатого вала.
Поршень воспринимает давление газов в цилиндре во время рабочего хода и выполняет вспомогательные такты (впуск, сжатие и выпуск).
УСТРОЙСТВО ПОРШНЯ 1. Днище 2. Юбка 3. Бобышки 4. Проточки под кольца 5. Отверстия для отвода масла от маслосъёмного кольца 6. Отверстие под поршневой палец 7. Тепловая прорезь (на некоторых поршнях) 8. Камера сгорания (если она выполнена в поршне) 9. Метки размерной группы 10. Метка направления (для установки поршня) |
Поршневые кольца двигателя предназначены для предотвращения утечки газа через тепловой зазор, который должен быть оставлен между цилиндром и поршнем для обеспечения свободного хода.
Поршневой палец служит для шарнирного, подвижного, соединения поршня с шатуном.
Он выполнен в виде пустотелого цилиндра.
Шатун предназначен для передачи усилия от поршня к коленчатому валу, при основном такте (рабочий ход), и для передачи усилия от коленчатого вала поршню при вспомогательных тактах.
1. Верхняя головка шатуна 2. Нижняя головка шатуна 3. Шейка шатуна 4. Подшипник скольжения (втулка) 5. Болты 6. Крышка шатуна В верхнюю головку стального шатуна запрессовывается бронзовая втулка — подшипник скольжения (4). В верхней точке шатуна имеется отверстие, по которому подается смазка, для смазки пары палец — шатун. В некоторых мощных дизелях смазка пальца происходит через канал в шейке, который соединяет смазывающую полость нижней головки шатуна с верхней. Шейка шатуна (3) имеет двутавровое сечение, благодаря которому снижается масса шатуна без уменьшения прочности шейки. Нижняя головка разъемная для установки шатуна на коленчатый вал. Устанавливается шатун на колечатый вал через подшипники скольжения вкладыши. На некоторых двигателях через подшипники качения. |
Коленчатый вал предназначен для передачи усилия от шатуна на трансмиссию, преобразования сложного движения шатуна во вращательное. А также обеспечивает движение поршней во вспомогательных тактах. Устройство:
1. Коренные шейки
2. Шатунные шейки
3. Противовесы
4. Щечки
5. Хвостовик
6. Фланец (для установки маховика)
7. Каналы для подвода масла
8. Грязевые камеры
9. Полукольца
Коренные шейки крепится к картеру двигателя, они являются опорными. На шатунные шейки устанавливаются шатуны. Для устранения дисбаланса от вращения неуравновешенных масс шатуна и шатунных шеек с противоположной стороны установлены противовесы. Через каналы к шейкам подается масло из системы смазки. Грязевые камеры (8) улавливают продукты износа, за счет центробежных сил. Полукольца (9) фиксируют коленчатый вал от осевых перемещений. Щечки соединяют коренные и шатунные шейки. На хвостовик (5) устанавливают шестерни шкивы для привода различных механизмов и систем
2. Устройство и работа привода сцепления, его регулировка.
Сцепление предназначено для кратковременного отсоединения двигателя от трансмиссии и плавного их соединения при переключении передач, а также предохранения элементов трансмиссии от перегрузок. Сцепление автомобиля располагается между двигателем и коробкой передач
Однодисковое сцепление имеет следующее устройство:
· маховик;
· картер сцепления;
· нажимной диск;
· ведомый диск;
· диафрагменная пружина;
· подшипник выключения сцепления;
· муфта выключения;
· вилка сцепления.
Маховик устанавливается на коленчатом вале двигателя. Он выполняет роль ведущего диска. На современных автомобилях применяется, как правило двухмассовый маховик.
В картере сцепления размещаются конструктивные элементы сцепления. Картер сцепления крепиться болтами к двигателю
Нажимной диск (обиходное название — корзина сцепления) прижимает ведомый диск к маховику и при необходимости освобождает его от давления. Он оснащен диафрагменной пружиной.
Диафрагменная пружина представляет собой металлические упругие лепестки, закрепленные по окружности нажимного диска.
Ведомый диск располагается между маховиком и нажимным диском. Ступица ведомого диска соединяется шлицами с первичным валом коробки передач и может перемещаться по ним. На ведомом диске с двух сторон установлены фрикционные накладки. Для обеспечения плавности включения сцепления в ступице ведомого диска размещены демпферные пружины.
Подшипник выключения сцепления (обиходное название выжимной подшипник) воздействует на лепестки диафрагменной пружины. Подшипник располагается на муфте выключения.
Перемещение муфты с подшипником обеспечивает вилка сцепления
Принцип работы сцепления
Однодисковое сухое сцепление постоянно включено.
При нажатии на педаль сцепления привод сцепления перемещает вилку сцепления, которая воздействует на подшипник сцепления. Подшипник нажимает на лепестки диафрагменной пружины нажимного диска. Лепестки диафрагменной пружины отводят нажимной диск от ведомого диска. Передача крутящего момента от двигателя к коробке передач прекращается.
При отпускании педали сцепления диафрагменная пружина приводит нажимной диск в контакт с ведомым диском и через него в контакт с маховиком. Крутящий момент за счет сил трения передается от двигателя к коробке передач.
Поршни двигателя: устройство, назначение, размеры
Несмотря на растущую популярность электромобилей, двигатель внутреннего сгорания все же является основным видом автомобильного двигателя. Данный агрегат имеет аббревиатуру ДВС, и представляет собой тепловую машину, что преобразует энергию сгорания топлива в механическую работу. Основная составляющая ДВС – это кривошипно-шатунный механизм. Он включает в себя коленчатый вал, вкладыши, шатуны, а также поршни. О последних мы сегодня и поговорим.
Характеристика
Что это за элемент? Поршень – основная составляющая кривошипно-шатунного механизма, которая выполняет сразу несколько функций:
- Воспринимает давление газов.
- Передает усилия на шатун.
- Герметизирует камеру сгорания.
- Отводит тепло при сгорании топлива.
Таким образом, благодаря поршню реализуется термодинамический процесс двигателя.
Материал
Стоит отметить, что данный элемент подвергается экстремальным нагрузкам, и работает под высоким давлением и температурой. Ввиду этого используются особые материалы для изготовления поршней двигателя. Чтобы элемент не плавился от высоких температур и не деформировался от ударных толчков, его изготавливают из алюминиевого сплава. В редких случаях поршни двигателя делают из стали. Изготавливается данный элемент двумя методами – путем штампования (кованые поршни) или литья под давлением. Последний способ применяется в 90 процентах случаев.
Устройство
Конструкция поршня двигателя предполагает наличие взаимосвязанных элементов. К ним относятся:
- головка;
- поршневой палец;
- бобышки;
- стопорные кольца;
- поршневая головка шатуна;
- стальная вставка;
- юбка поршня;
- компрессионные и маслосъемные кольца.
Форма
Поршень являет собой цельный элемент, условно разделенный на две части. Это юбка и днище (головка) поршня. Форма и конструкция его повторяет саму камеру сгорания. Также отметим, что на бензиновых двигателях поршень имеет практически плоскую поверхность головки. В редких случаях на днище могут присутствовать канавки для полного открытия клапанов (это так называемые безвтыковые поршни). Зачастую такие применяются на ВАЗах («Приора», «Калина», «Гранта» и так далее). На большинстве бензиновых иномарок днище поршня имеет абсолютно ровную поверхность.
Если говорить о дизельных двигателях, здесь конструкция немного иная. В таких моторах используются поршни с камерой сгорания определенной формы. Благодаря ей обеспечивается лучшее смесеобразования (за счет хорошего завихрения). На таких поршнях форма днища не бывает плоской.
Но вне зависимости от того, дизельный это или бензиновый мотор, на поршне всегда есть канавки для установки колец. Сама юбка имеет конусо- или бочкообразную форму. Это сделано для того, чтобы компенсировать расширение поршня при нагреве. Отметим, что на поверхность юбки дополнительно наносится слой графита или дисульфида молибдена. Эти компоненты выполняют роль антифрикционного материала. Также в юбке есть отверстия для крепления поршневого пальца. Их еще называют бобышками.
Охлаждение
Ранее мы сказали, что поршень цилиндра двигателя подвергается экстремальным нагрузкам. В частности, днище и юбка терпят высокие температурные нагрузки. Чтобы материал не перегревался, обеспечивается масляное охлаждение. Это может быть:
- Масляный туман в цилиндре.
- Циркуляция смазки по змеевику головки поршня.
- Разбрызгивание масла через форсунку, канал в районе колец или специальное отверстие в шатуне.
Разбрызгивается жидкость под давлением. Оно может достигать четырех атмосфер, в зависимости от оборотов двигателя. Таким образом, моторное масло выполняет не только функцию смазывания, но и теплоотвода.
Кольца
На поршни данные элементы устанавливаются всегда. Их главная задача – обеспечить плотное соединение между поршнем и стенками камеры сгорания двигателя. Кольца изготавливаются из особых марок чугуна. Стоит отметить, что данные элементы являются основным источником трения в силовой установке. Потери могут достигать до 25 процентов от всех механических нагрузок в ДВС.
Расположение колец и их число может быть разным. Но в 90 процентах случаев используется такая схема: два компрессионных и одно маслосъемное кольцо. Первые служат для исключения прорыва газов из камеры в картер мотора при воспламенении смеси и рабочем такте двигателя. Первое компрессионное кольцо имеет трапециевидную форму. Второе – коническую с небольшим подрезом. В маслосъемных же имеется пружинный расширитель и дренажные отверстия.
Отметим, что на дизельных двигателях устанавливается металлическая вставка, что способствует реализации максимальной степени сжатия.
И если компрессионное кольцо служит, чтобы препятствовать прорыву газов, то маслосъемное обеспечивает удаление масла с поверхности стенок цилиндров ДВС. Это исключает попадание смазки в камеру сгорания. Но на автомобилях с большим пробегом кольца не обеспечивают такого уплотнения, и часть смазки просачивается в камеру. Как результат – повышение расхода масла и характерный сизый дым из выхлопной трубы.
Крепление
Как соединяется поршень двигателя с шатуном? Крепится он при помощи стального пальца трубчатой формы. Обычно на современных ДВС используется плавающий палец. Он может проворачиваться в поршневой головке и бобышках при работе двигателя, а чтобы исключить смещение, элемент фиксируется с двух сторон стопорными кольцами.
Жесткое крепление концов пальца применяется очень редко. Конструкция, включающая в себя поршень, палец и кольца, имеет название «поршневая группа». В свою очередь, она является составной частью кривошипа.
Поршни ВАЗ-2110: технические характеристики
Напоследок приведем данные о поршнях автомобиля ВАЗ десятого семейства. Эти элементы имеют плоскую поверхность днища и изготавливаются из алюминия. Нормальный диаметр составляет 82 миллиметра. Ремонтный размер – на 0,4 миллиметра выше. Отметим, что таких размеров два. Второй ремонтный имеет диаметр в 82,8 миллиметра. Размер жарового пояса – 7,5 миллиметров. Диаметр поршневого пальца – 22 миллиметра. Объем выборок в поршне – 11,8 кубических сантиметров. Компрессионная высота – 37,9 миллиметра.
Итак, мы выяснили, что такое поршень, как он устроен, из чего изготавливается.
Назначение: устройство деталей шатунно-поршневой группы
Поршень
В двухтактном двигателе поршень играет роль золотника. Движения его не равномерные. Материал, из которого изготавливают поршень – это алюминиевый сплав или легированный чугун, который используется в низко-оборотных двигателях.
Требования к поршням:
- Малое значение коэффициента линейного расширения
- При нагреве незначительное снижение прочности
- Невысокая стоимость
Устройство поршня
Особенности геометрии поршня в том, что диаметр головки меньше диаметра юбки, а юбка имеет конусно – эллиптическую, или эллиптическую форму.
Особенности конструкций элементов поршня:
Днище внутри имеет ребра жесткости. Форма днища для М – 412 плоская или 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 верхней части головки делают канавку, чтобы улучшить тепло-отвод от днища к верхнему кольцу.
Юбка поршня. Для уменьшения вероятности заклинивания поршня, на юбке делаются вертикальные разрезы, кроме ДВС с малым диаметром. Величина эллиптичности юбки 0,15- 0,29 мм, а величина конусности 0,02 – 0,04 мм.
Бобышки
Если смотреть со стороны радиатора, бобышки выполнены со смещением влево. Внутри 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 зависит от типа ДВС и от угловой скорости коленчатого вала. Диаметр кольца больше диаметра поршня, но кольцо устанавливается в поршне, благодаря упругим свойствам и зазору в замке, который должен составлять 0,15 – 0,55 мм.
Для повышения износостойкости колец выполняется хромировка или обработка молибденом. Также перспективным является изготовление колец в виде литой пружины из стали, или 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 разницы температурного расширения поршня и пальцев, возможен стук в двигателе, т.к. возникает зазор. Поэтому, чтобы это избежать, необходимо поршень нагреть 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:
- радиальный расширитель,
- осевой расширитель
Преимущества составных колец в приспособленности к искаженной форме цилиндра при износе. При установке масло-съемное кольцо должно иметь зазор между кольцом и наковкой по высоте < 0.08 мм, встык 0,2 — 0,5 мм, а замки соседних колец должны быть смещены на угол 180 градусов.
Шатун
Шатун соединяет поршень с коленчатым валом. Состоит шатун из верхней и нижней головки, и стержня. Разъем нижней шатунной головки называется крышкой. Крышки с разных шатунов не взаимозаменяемы.
Коленчатый вал
Коленчатый вал служит для передачи усилия от поршня к трансмиссии. Основные элементы коленчатого вала – это шатунные, коренные шейки, противовесы и щеки.
Полно-опорным называют коленчатый вал, у которого коренные шейки есть между каждыми шатунными шейками. В задней части коленчатого вала ставится фланец крепления маховика, а в передней выделяют носок.
Щеками называются места перехода от коренной шейки к шейке шатунной.
Противовесы на коленчатом вале устанавливают для улучшения динамических качеств.
Внутри шатунной шейки находится полость для очистки масла. У многих двигателей на носке коленчатого вала выполнена резьба для установки храповика. Шестерня привода распределительного вала устанавливается на переднем конце коленчатого вала.
Маховик
Маховик служит для накапливания энергии, которая необходима для совершения вспомогательных тактов и для уравновешивания работы ДВС. Маховик крепится к задней части коленчатого вала в определенном положении. Для запуска двигателя от электростартера, на маховике выполняется зубчатый венец. А также маховик является частью механизма сцепления.
Устройство кривошипно-шатунного механизма
Основной задачей двигателей внутреннего сгорания, использующиеся на всевозможной технике, является преобразование энергии, которая выделяется при сжигании определенных веществ, в случае с ДВС – это топливо на основе нефтепродуктов или спиртов и воздуха, необходимого для горения.
Преобразование энергии производится в механическое действие – вращение вала. Далее уже это вращение передается дальше, для выполнения полезного действия.
Однако реализация всего этого процесса не такая уж и простая. Нужно организовать правильно преобразование выделяемой энергии, обеспечить подачу топлива в камеры, где производиться сжигание топливной смеси для выделения энергии, отвод продуктов горения. И это не считая того, что тепло, выделяемое при сгорании нужно куда-то отводить, нужно убрать трение между подвижными элементами. В общем, процесс преобразования энергии сложен.
Поэтому ДВС – устройство довольно сложное, состоящее из значительного количества механизмов, выполняющих определенные функции. Что же касается преобразования энергии, то выполняет его механизм, называющийся кривошипно-шатунным. В целом, все остальные составные части силовой установки лишь обеспечивают условия для преобразования и обеспечивают максимально возможный выход КПД.
Принцип действия кривошипно-шатунного механизма
Основная же задача лежит на этом механизме, ведь он преобразовывает возвратно-поступательное перемещение поршня во вращение коленчатого вала, того вала, от движения которого и производится полезное действие.
Устройство КШМ
Чтобы было более понятно, в двигателе есть цилиндро-поршневая группа, состоящая из гильз и поршней. Сверху гильза закрыта головкой, а внутри ее помещен поршень. Закрытая полость гильзы и является пространством, где производится сгорание топливной смеси.
При сгорании объем горючей смеси значительно возрастает, а поскольку стенки гильзы и головка являются неподвижными, то увеличение объема воздействует на единственный подвижный элемент этой схемы – поршень. То есть поршень воспринимает на себя давление газов, выделенных при сгорании, и от этого смещается вниз. Это и является первой ступенью преобразования – сгорание привело к движению поршня, то есть химический процесс перешел в механический.
И вот далее уже в действие вступает кривошипно-шатунный механизм. Поршень связан с кривошипом вала посредством шатуна. Данное соединение является жестким, но подвижным. Сам поршень закреплен на шатуне посредством пальца, что позволяет легко шатуну менять положение относительно поршня.
Шатун же своей нижней частью охватывает шейку кривошипа, которая имеет цилиндрическую форму. Это позволяет менять угол между поршнем и шатуном, а также шатуном и кривошипом вала, но при этом смещаться шатун вбок не может. Относительно поршня он только меняет угол, а на шейке кривошипа он вращается.
Поскольку соединение жесткое, то расстояние между шейкой кривошипа и самим поршнем не изменяется. Но кривошип имеет П-образную форму, поэтому относительно оси коленвала, на которой размещен этот кривошип, расстояние между поршнем и самим валом меняется.
За счет применения кривошипов и удалось организовать преобразование перемещения поршня во вращение вала.
Но это схема взаимодействия только цилиндро-поршневой группы с кривошипно-шатунным механизмом.
На деле же все значительно сложнее, ведь имеются взаимодействия между элементами этих составляющих, причем механические, а это значит, что в местах контакта этих элементов будет возникать трение, которое нужно по максимуму снизить. Также следует учитывать, что один кривошип неспособен взаимодействовать с большим количеством шатунов, а ведь двигатели создаются и с большим количеством цилиндров – до 16. При этом нужно же и обеспечить передачу вращательного движения дальше. Поэтому рассмотрим, из чего состоит цилиндро-поршневая группа (ЦПГ) и кривошипно-шатунный механизм (КШМ).
Начнем с ЦПГ. Основными в ней являются гильзы и поршни. Сюда же входят и кольца с пальцами.
Гильза
Съёмная гильза
Гильзы существуют двух типов – сделанные непосредственно в блоке и являющиеся их частью, и съемные. Что касается выполненных в блоке, то представляют они собой цилиндрические углубления в нем нужной высоты и диаметра.
Съемные же имеют тоже цилиндрическую форму, но с торцов они открыты. Зачастую для надежной посадки в свое посадочное место в блоке, в верхней части ее имеется небольшой отлив, обеспечивающий это. В нижней же части для плотности используются резиновые кольца, установленные в проточные канавки на гильзе.
Внутренняя поверхность гильзы называется зеркалом, потому что она имеет высокую степень обработки, чтобы обеспечить минимально возможное трение между поршнем и зеркалом.
В двухтактных двигателях в гильзе проделываются на определенном уровне несколько отверстий, которые называются окнами. В классической схеме ДВС используется три окна – для впуска, выпуска и перепуска топливной смеси и отработанных продуктов. В оппозитных же установках типа ОРОС, которые тоже являются двухтактными, надобности в перепускном окне нет.
Поршень
Поршень принимает на себя энергию, выделяемую при сгорании, и за счет своего перемещения преобразовывает ее в механическое действие. Состоит он из днища, юбки и бобышек для установки пальца.
Устройство поршня
Именно днищем поршень и воспринимает энергию. Поверхность днища в бензиновых моторах изначально была ровной, позже на ней стали делать углубления для клапанов, предотвращающих столкновение последних с поршнями.
В дизельных же моторах, где смесеобразование происходит непосредственно в цилиндре, и составляющие смеси туда подаются по отдельности, в днищах поршня выполнена камера сгорания – углубления особой формы, обеспечивающие более лучшее смешивание компонентов смеси.
Отличие дизельного двигателя от бензиновогоВ инжекторных бензиновых двигателях тоже стали применять камеры сгорания, поскольку в них тоже составные части смеси подаются по отдельности.
Юбка является лишь его направляющей в гильзе. При этом нижняя часть ее имеет особую форму, чтобы исключить возможность соприкосновения юбки с шатуном.
Чтобы исключить просачивание продуктов горения в подпоршневое пространство используются поршневые кольца. Они подразделяются на компрессионные и маслосъемные.
В задачу компрессионных входит исключение появления зазора между поршнем и зеркалом, тем самым сохраняется давление в надпоршневом пространстве, которое тоже участвует в процессе.
Если бы компрессионных колец не было, трение между разными металлами, из которых изготавливаются поршень и гильза было бы очень высоким, при этом износ поршня происходил бы очень быстро.
В двухтактных двигателях маслосъемные кольца не применяются, поскольку смазка зеркала производиться маслом, которое добавляется в топливо.
В четырехтактных смазка производится отдельной системой, поэтому чтобы исключить перерасход масла используются маслосъемные кольца, снимающие излишки его с зеркала, и сбрасывая в поддон. Все кольца размещаются в канавках, проделанных в поршне.
Бобышки – отверстия в поршне, куда вставляется палец. Имеют отливы с внутренней части поршня для увеличения жесткости конструкции.
Палец представляет собой трубку значительной толщины с высокоточной обработкой внешней поверхности. Часто, чтобы палец не вышел за пределы поршня во время работы и не повредил зеркало гильзы, он стопориться кольцами, размещающимися в канавках, проделанных в бобышках.
Это конструкция ЦПГ. Теперь рассмотрим устройство кривошипно-шатунного механизма.
Шатун
Итак, состоит он из шатуна, коленчатого вала, посадочных мест этого вала в блоке и крышек крепления, вкладышей, втулки, полуколец.
Шатун – это стержень с отверстием в верхней части под поршневой палец. Нижняя часть его сделана в виде полукольца, которым он садится на шейку кривошипа, вокруг шейки он фиксируется крышкой, внутренняя поверхность ее тоже выполнена в виде полукольца, вместе с шатуном они и формируют жесткое, но подвижное соединение с шейкой – шатун может вращаться вокруг ее. Соединяется шатун со своей крышкой посредством болтовых соединений.
Чтобы снизить трение между пальцем и отверстием шатуна применяется медная или латунная втулка.
По всей длине внутри шатун имеет отверстие, через которое масло подается для смазки соединения шатуна и пальца.
Коленчатый вал
Перейдем к коленчатому валу. Он имеет достаточно сложную форму. Осью его выступают коренные шейки, посредством которых он соединен с блоком цилиндров. Для обеспечения жесткого соединения, но опять же подвижного, в блоке посадочные места вала выполнены в виде полуколец, второй частью этих полуколец выступают крышки, которыми вал поджимается к блоку. Крышки к с блоком соединены болтами.
Коленвал 4-х цилиндрового двигателя
Коренные шейки вала соединены с щеками, которые являются одной из составных частей кривошипа. В верхней части этих щек располагается шатунная шейка.
Количество коренных и шатунных шеек зависит от количества цилиндров, а также их компоновки. В рядных и V-образных двигателях на вал передаются очень большие нагрузки, поэтому должно быть обеспечено крепление вала к блоку, способное правильно распределять эту нагрузку.
Для этого на один кривошип вала должно приходиться две коренные шейки. Но поскольку кривошип размещен между двух шеек, то одна из них будет играть роль опорной и для другого кривошипа. Из этого следует, что у рядного 4-цилиндрового двигателя на валу имеется 4 кривошипа и 5 коренных шеек.
У V-образных двигателей ситуация несколько иная. В них цилиндры расположены в два ряда под определенным углом. Поэтому один кривошип взаимодействует с двумя шатунами. Поэтому у 8-цилиндрового двигателя используется только 4 кривошипа, и опять же 5 коренных шеек.
Уменьшение трения между шатунами и шейками, а также блоком с коренными шейками достигается благодаря использованию вкладышей – подшипников трения, которые помещаются между шейкой и шатуном или блоком с крышкой.
Смазка шеек вала производится под давлением. Для подачи масла применяются каналы, проделанные в шатунных и коренных шейках, их крышках, а также вкладышах.
В процессе работы возникают силы, которые пытаются сместить коленчатый вал в продольном направлении. Чтобы исключить это используются опорные полукольца.
В дизельных двигателях для компенсации нагрузок используются противовесы, которые прикрепляются к щекам кривошипов.
Маховик
С одной из сторон вала сделан фланец, к которому прикрепляется маховик, выполняющий несколько функций одновременно. Именно от маховика передается вращение. Он имеет значительный вес и габариты, что облегчает вращение коленчатому валу после того, как маховик раскрутится. Чтобы запустить двигатель нужно создать значительное усилие, поэтому по окружности на маховик нанесены зубья, которые называются венцом маховика. Посредством этого венца стартер раскручивает коленчатый вал при запуске силовой установки. Именно к маховику присоединяются механизмы, которые и используют вращение вала на выполнение полезного действия. У автомобиля это трансмиссия, обеспечивающая передачу вращения на колёса.
Чтобы исключить осевые биения, коленчатый вал и маховик должны быть хорошо отбалансированы.
Другой конец коленчатого вала, противоположный фланцу маховика используется зачастую для привода остальных механизмом и систем мотора: к примеру, там может размещаться шестерня привода масляного насоса, посадочное место для приводного шкива.
Это основная схема коленчатого вала. Особо нового пока ничего не придумано. Все новые разработки направлены пока только на снижение потерь мощности в результате трения между элементами ЦПГ и КШМ.
Также стараются снизить нагрузку на коленчатый вал путем изменения углов положения кривошипов относительно друг друга, но особо значительных результатов пока нет.
Поршневая группа: комплектация и устройство
Поршневая группа – это поршень и группа уплотняющих колец. Так же в неё входит поршневой палец и детали крепления. Стоит рассмотреть назначение данного механизма.
За счет него воспринимается давление газа и передается через шатун на коленвал. Так же благодаря такому механизму, как поршневая группа, уплотняется надпоршневая полость цилиндра. Таким образом он будет защищен от излишнего попадания в картер смазочного масла и газов. Данная функция имеет огромное значение для хорошей работы двигателя. О том, в каком техническом состоянии он находится, судят по уплотняющей способности. К примеру, в машинных двигателях не допускается, чтобы расход масла составлял больше, чем три процента от расхода горючего.Поршневая группа свою работу осуществляет еще и в тяжелых климатических условиях. Именно поэтому детали данного механизма обладают высокой тепловой напряженностью, а это учитывается, когда для них выбирается материал и конструкция. Их элементы обычно производители разрабатывают, учитывая тип двигателей и назначение (транспортные, стационарные, дизельные, формированные и т.д.). Однако общее устройство все равно остается прежним. Итак, следует рассмотреть, из чего же комплектуется поршневая группа.
Тронковая часть (направляющая) еще называется поршневой юбкой. Она изнутри имеет приливы, в них просверлены отверстия для поршневого пальца. Нижняя кромка юбки используется часто как технологическая база при обработке поршня. Она для этого снабжена растачиваемым буртиком. Кроме того, стенки юбки еще воспринимают силы бокового давления, а это увеличивает их трение о цилиндровые стенки и повышает нагрев цилиндра и поршня.Поршневая головка несет поршневые кольца и имеет днище. Нижняя канавка имеет дренажные отверстия, через них отходит смазочное масло, чтобы оно не попало случайно в камеру сгорания. Её днище – это одна из камерных стенок. Она воспринимает значительное давление газов. Само днище может быть плоским, вогнутым, выпуклым или фигурным. Опять-таки, его форма выбирается при учете типа двигателя, а также камеры сгорания.
Нельзя не упомянуть про такой механизм, как цилиндро-поршневая группа. Главные дефекты блоков цилиндра – это трещины, сколы и износ. Эти неисправности устанавливаются после тщательного осмотра, опрессовки и обмера цилиндра. При этом процессе на блок нужно установить головку или же чугунную плиту (обязательна резиновая прокладка). Вообще, данная группа отличается жаростойкой сталью и масляным охлаждением, которое осуществляется за счет циркуляционной общей системы смазки главного дизеля. Если обеспечить хороший уход механизму и качественное масло, то можно легко увеличить срок работы поршней и цилиндров.
И еще один механизм – шатунно-поршневая группа. Поршень – литой и алюминиевый. Наружная поверхность обладает весьма сложной формой. Поршневой палец – полый и стальной, он свободно вращается во втулке шатуна и поршневых бобышках. А кольца поршня выполнены из чугуна. И, конечно же, шатун – кованый и стальной. В его верхней головке имеется втулка из смеси стали и бронзы, что положительно отражается на работе всей группы.