Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания (1037884), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Основы конструированияпоршнейПоршневая группа (ПГ) двигателей с тронковым КШМ включаетпоршень, поршневые кольца ипоршневой палец. В двигателях скрейцкопфом в ПГ входит шток, неподвижно присоединенный к поршню. Поршень воспринимает давление горячих газов в рабочем цилиндре двигателя и передает усилие отэтого давления через поршневой палец и шатун на шатунную шейку коленчатого вала, где в результате создается крутящий момент. Крутящиймомент, снимаемый с коленчатоговала, в зависимости от назначениядвигателя передается трансмиссииавтомобиля, трактора, на винт судна,самолета, ротору электрогенератораи др.
Поршень является наиболеехарактерной деталью ДВС, непосредственно реализующей его термодинамический цикл.Кроме давления горячих газов,превышающего часто 10–15 МПа,на поршень действуют тепловые нагрузки, связанные с отводом в поршень при работе двигателя значительного количества теплоты от горячих газов и выделяющейся в результате трения при движении элементов поршневой группы. В быстроходных двигателях заметной величины достигают инерционные нагрузки, вызываемые возвратнопоступательным характером движенияпоршня с переменным по величинеи направлению ускорением. Привысоком уровне перечисленных нагрузок поршни современных двигателей должны надежно функционировать наряду с другими элементами двигателя в пределах заданногодостаточно продолжительного срокаслужбы.
Причем не допускается появление усталостных или термоусталостных трещин, а также значительных износов канавок поршневых колец, боковой поверхности корпусапоршня, отверстия под поршневойпалец. Поэтому поршни современных двигателей изготовляются из качественных материалов (главнымобразом металлов) с достаточно высокими механическими, теплофизическими и технологическими характеристиками.Поршни быстроходных двигателей, в первую очередь автомобильных, мотоциклетных, авиационных,тракторных и некоторых других типов должны иметь меньшую массу иизготавливаться, как правило, изалюминиевых сплавов, обладающихдостаточно высокими прочностными свойствами и износостойкостью.Однако при росте среднего эффективного давления при использованиигазотурбинного наддува, особенно вдвигателях больших размеров, жаропрочность алюминиевых сплавовчасто оказывается недостаточной.Несмотря на применение специальной системы охлаждения поршня(главным образом, с помощью масла), температуру в отдельных местахднища поршня не удается удержатьна приемлемом для алюминиевыхсплавов уровне.
В таком случае длявсего поршня или его наиболее нагретой части (головки) используютсяболее жаропрочные материалы: чугуны, легированные стали. В последнее время возрос интерес к нетрадиционным материалам: конструкционной керамике, композитам, ин129Рис. 4.1. Геометрические соотношения элементов поршня из алюминиевого сплава автомобильного дизеля (в долях диаметра цилиндра D):1 – кромка камеры сгорания; 2 – наружная кромка; 3 – вставка; 4 – зона бобышкитерметаллидам, превосходящим понекоторым показателям применяемые обычно металлические сплавы.На рис. 4.1 приведена типичнаяконструкция поршня, широкоприменяемая в различных вариантах в автомобильных и тракторныхдизелях. Там же даны геометрические соотношения для элементовпоршня известной по производствупоршней фирмы Mahle.Поршень можно условно разделить на три пояса в направленииоси цилиндра:• верхний (жаровой) длиной Н0,соответствующий головке поршняи занимающий место от верхнейкромки днища до первого поршневого кольца;• уплотнительный (место расположения поршневых колец) длиной Н1;• опорный длиной Н2, соответствующий юбке поршня и местурасположения поршневого пальцав тронковых двигателях.От значения длины указанныхпоясов поршня зависят его осевойразмер, масса, силы инерции и многие важные показатели работы двигателя.
Так, приближение верхнегокомпрессионного кольца к кромкеднища поршня уменьшает вредный(мертвый) объем и способствуетулучшению экономических и экологических показателей двигателя. Однако в данном случае условия работы поршневых колец становятся более тяжелыми. Сокращение длиныуплотнительного и опорного поясовведет к уменьшению высоты поршня и двигателя в целом. Но при чрезмерном уменьшении перемычек между кольцевыми канавками их прочность может оказаться недостаточной. Сокращение длины опорногопояса может ухудшить условия работы сопряжения юбки поршня с цилиндром, в том числе повыситьудельные нагрузки, уровень вибрации, привести к увеличению расходасмазочного масла.
Кроме длиныопорного пояса, т.е. длины юбки,важна и форма ее поверхности. Цилиндрическая форма юбки поршня,особенно в случае поршня из алюминиевого сплава, не является благоприятной для работы сопряженияпоршеньцилиндр.Поршни современных двигателейвыполняются с различными профилями боковой поверхности: ступенчатыми, состоящими из нескольких сопряженных конусов (отклонения от прямолинейной образующей,равные сотым долей миллиметров),криволинейными, в частности, сбочкообразным профилем.130Поршни с бочкообразной формой боковой поверхности имеютряд преимуществ:• возможность уменьшения радиального зазора в направляющемпоясе;• снижение интенсивности ударов поршня о стенку цилиндра приперекладках, что уменьшает опасность кавитации на охлаждаемойповерхности цилиндра и уровеньшума при работе двигателя.В плоскости, перпендикулярной оси цилиндра, оптимальнаяформа юбки поршня отличаетсяот круглой, она выполняется с некоторой эллиптичностью.
Большая ось эллипса направлена перпендикулярно поршневому пальцу, что компенсирует при работедвигателя повышенное расширение поршня вдоль поршневогопальца от нагрева и давления газов на днище.Для уменьшения утечек газа изцилиндра в картер в верхних канавках уплотнительного поясапоршня устанавливаются компрессионные кольца.
Для удаления лишнего смазочного материала с боковой поверхности цилиндра с целью воспрепятствоватьпопаданию смазочного масла вкамеру сгорания после компрессионных колец устанавливаютсямаслосъемные кольца. Число компрессионных и маслосъемных колец, а также расположение последних зависит от типа и назначения двигателя. Так, в современных быстроходных двигателях,например автомобильных, обычноприменяют поршни с двумя компрессионными и одним маслосъемным кольцом.
Поршневыекольца, будучи разрезными, находятся при положении поршня вцилиндре в сжатом состоянии,обеспечивая, благодаря силам упругости и дополнительному поджатию газами, уплотнение междурабочими поверхностями колец истенкой цилиндра.В идеальном случае утечка газовиз надпоршневого пространства вкартер происходит только черезкольцевой замок – зазор, образующийся при разрезании кольца ижестко лимитированный при рабочем положении кольца в цилиндредвигателя.
Зазор, равный около0,15 мм, всегда должен сохраняться, в противном случае при нагревании кольцо может быть заклинено в цилиндре. В канавках кольцаустанавливаются с небольшим зазором в направлении оси цилиндра, что обеспечивает необходимуюподвижность кольца при работедвигателя. Потеря подвижностикольца в канавке приводит к потере его уплотняющей способности.Часто такое опасное явление связано с чрезмерным ростом температуры поршня в зоне расположенияколец, что в свою очередь ведет кизменению свойств смазочного материала с образованием лаков исмол, приводящим к "зависанию"колец. Чрезмерная подвижностьколец в осевом направлении такженежелательна, так как связана сувеличением износа канавок, особенно канавки верхнего компрессионного кольца, что приводит кповышенному уровню вибрациикольца в канавке и, в конечномсчете, к его поломке. Для быстроходных двигателей осевой зазоркольца в канавке составляет около0,025–0,070 мм. Для предотвращения изнашивания канавок материал поршня должен обладать достаточной твердостью в рабочем диапазоне температур.В зависимости от типа двигателя, уровня форсирования и требуемого срока службы применяются131Рис.
4.2. Некоторые типы камер сгорания в поршнях дизелей:а – полусферическая; б – типа ЯМЗ; в – с острой кромкой (типа ЦНИДИ); г – сферическая(типа МАН); д – типа ДЕЙТЦ; е – типа ДАЙМЛЕРБЕНЦ; ж –типа ГЕССЕЛЬМАНразличные средства для обеспечения работоспособности зоны кольцевых канавок поршня. В настоящее время считается, что цельнолитой поршень из алюминиевогосплава целесообразно применятьна двигателях с принудительнымвоспламенением и малофорсированных дизелях. В форсированныхдизелях устанавливаются поршни сзалитой вставкой 3 (см. рис. 4.1)под первое, а иногда под первое ивторое верхние компрессионныекольца. Вставку выполняют из легированной стали, а также из аустенитного чугуна, что существенноповышает износостойкость кольцевых канавок.Для надежного соединениявставки с корпусом поршня онадолжна самофиксироваться притепловом расширении.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
