Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания (1037884), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Форма стыка (замок)бывает различной. Наиболее частоприменяют кольца с прямым разрезом или под углом 45°, а в крупных судовых малооборотных двигателях – кольца со ступенчатымзамком.Несмотря на то, что компрессионные кольца частично выполняютфункции маслосъемных колец ирегулируют подачу масла, их конструкция значительно отличаетсяот конструкции маслосъемных колец. На рис. 4.28, а показаны наиболее распространенные типыкомпрессионных колец, применяемых в автомобильных и тракторных двигателях. При умеренномфорсировании применяют кольцапрямоугольной формы (рис.
4.28,4.2. Соотношение размеров колец и их число в двигателеНаименованиеСтационарные судовыеи тепловозные дизелиАвтомобильные и тракторныедвигателиБыстроходные форсированные дизелидизелис принудительнымвоспламенениемдвухтактныечетырехтактныеЧисло компрессионных колец3–52–3232–3Радиальная толщина l кольца1öæ 1ç - ÷Dè 25 35 ø1öæ 1ç - ÷Dè 22 26 ø–1 öæ 1ç ÷Dè 25 32 ø–Высота t компрессионного кольца(0,5 – 1,0)l(2,5 – 3,5) мм(1,20 – 1,75) мм(0,6 – 0,9)l–1–21121Число i маслосъемных колец154Рис. 4.28.
Типы поршневых колец:а – компрессионных; б – маслосъемныха, типы 1, 2) со скругленными торцами (радиус скругления не менее0,3 мм). При значении литровоймощности около 18,5 кВт/л и вышерекомендуется в качестве первого,а иногда и первых двух применятьтрапецеидальные кольца типов 6, 7(рис. 4.28, а), как менее склонных кзакоксовыванию. В остальныхпоршневых канавках целесообразно использовать конические илитак называемые "минутные" компрессионные кольца с углом наклона образующей нагруженной155Рис. 4.29. Схемы поршневых колец крупныхдизелейповерхности 20–40¢. Такие кольцасоздают повышенное давление настенку цилиндра, хорошо прирабатываются.Величина а' (см. рис.
4.28, а, тип8) достигает у компрессионных колец 0,7–0,95 мм, у маслосъемных0,9–1,1 мм. Улучшение уплотнениядостигается применением колецскребкового типа 9, 10 и колец снесимметричным сечением типов4, 5 (рис. 4.28, а), обеспечивающимскручивание колец при работе, чтоуменьшает их склонность к зависанию.У крупных судовых малооборотных двигателей применяются компрессионные кольца с улучшеннойработоспособностью, которая достигается завальцовкой в боковуюрабочую поверхность бронзовыхили алюминиевых кольцевых пластин (рис.
4.29, а). Улучшениюприрабатываемости способствуетнанесение на рабочую поверхностькольцевых рисок (рис. 4.29, б), вкоторых, кроме того, хорошо удерживается масло.Расход масла во многом определяется конструкцией маслосъемныхколец, давлением на стенку цилиндра, наличием на кольцах остройкромки, направленным хонингованием зеркала цилиндра. Маслосъемные кольца (см. рис.
4.28, б) изготавливаются скребковыми 15, коробчатого типа 16, 21, а также состоящими из нескольких элементов(кольца типов 17, 20). Маслосъемные кольца имеют повышенное радиальное давление на стенку цилиндра, для увеличения которогоиспользуются расширители III–IV ввиде многогранных стальных лент(кольцо типа 17, см. рис. 4.28, б)или цилиндрических витых пружин(кольцо типа 21, см. рис. 4.28, б).Общее давление на стенку цилиндра составляет около 1,1–1,5 МПа.Для отвода масла, собирающегося вуглублениях, по периметру кольцафрезеруют прорези высотой (0,3–0,45)t (кольца типа 16, 21, см.рис.
4.28, б). Соответствующую систему отводящих отверстий выполняют и в корпусе поршня. Преимуществом составных колец (кольцатипа 17–20, см. рис. 4.28, б) является хорошее согласование профилярабочей поверхности элементовкольца с деформированной поверхностью стенки цилиндра, что обеспечивает при высоком радиальномдавлении эффективный съем масла.Повышение гибкости кольца позволяет уменьшить нажимное усилиекольца при обеспечении приемлемого расхода масла, сократив потери на трение. Доля потерь масло156съемными кольцами составляет 30–60 % мощности трения всего комплекта колец.Для повышения износостойкости компрессионных и маслосъемных колец применяются специальные покрытия, наносимые на рабочие поверхности, широко применяются пористое хромирование, а также напыление карбидохромомолибденового слоя.
Хром, обладая высокой температурой плавления приограниченном смазывании, менеесклонен к схватыванию с металломцилиндра. При этом бочкообразнаяформа кольца типа 14 (см. рис. 4.28,а) ускоряет приработку. Слой молибдена способствует повышениюпротивозадирных свойств кольца.Для того чтобы не наступал сколхромового покрытия, острые кромки скругляются радиусом 0,3–0,5 мм, а для стабилизации маслосъемных качеств радиус затем сошлифовывают, обеспечивая на образующей острую кромку.
Маслосъемные кольца выполняются подвижными.Наиболее быстрый износ поршневых колец происходит в районезамка. Для повышения срока службы кольца делают с неравномерным давлением по окружности.Формы эпюр давления различны: вчетырехтактных двигателях максимум давления приходится на область замка; в двухтактных двигателях для устранения попадания концов кольца в окна цилиндра применяются эпюры с уменьшеннымдавлением в зоне замка.Материал поршневых колецдолжен обладать достаточной механической прочностью при высокихтемпературах, износостойкостью,малым коэффициентом трения придвижении колец по стенкам цилиндра в условиях высокой температуры и недостатка масла.4.5.
Материалы деталейпоршневой группыМатериал поршня должен обеспечить возможно меньшую егомассу, быть достаточно прочным вдиапазоне рабочих температур,иметь низкий коэффициент линейного расширения, обладать износостойкостью, высокой теплопроводностью, в том числе при повышенных температурах, иметь хорошуюобрабатываемость. Важное значение имеет пластичность материала,а также комплексные характеристики, например, параметр Eaт/l(где Е – модуль упругости; aт – коэффициент линейного расширения; l – коэффициент теплопроводности), от значения которогозависит уровень температурных напряжений. В зависимости от назначения двигателя и типа конструкции поршня могут быть применены различные материалы.Поршни быстроходных двигателей многих типов, прежде всего автомобильных и тракторных, изготовляют из легких сплавов методомотливки в кокиль или штамповкой(в том числе жидкой).
В первом случае применяются эвтектические силумины типа АЛ25 (10–13 % Si) изаэвтектические, содержащие присадки меди, никеля и марганца. Следует отметить, что поршни, отлитыетрадиционным способом, сдерживают дальнейшее форсирование современных двигателей вследствие недостаточной термостойкости, твердости и износостойкости.Для повышения прочности и износостойкости поршней применяютштамповку.
Выполненные методомгорячего деформирования поршнииз алюминиевого сплава АК12Д ссодержанием кремния 13 % имеютвысокую износостойкость кольцевых канавок и меньший на 10–12 %157по сравнению с широко распространенными поршневыми деформируемыми сплавами АК4 и АК41 коэффициент линейного расширения.Однако прочностные свойства сплава АК41 при нормальной температуре выше на 20–25 %.
Следует обратить внимание на предлагающуюся в последние годы многими разработчиками технологию производствапоршней из алюминиевых сплавов спомощью жидкой штамповки, позволяющей увеличить сопротивление усталости, повысить коррозионную стойкость и износостойкость.При сочетании жидкой штамповки супрочнением головки поршня керамическими волокнами отмечаетсяповышение временного сопротивления на 10–15 %.Применениетрадиционныхалюминиевых сплавов для изготовления поршней ограничиваетсяпредельной температурой порядка350 °С.
Поэтому наряду с легкимисплавами для изготовления поршней применяются также различныечугуны и стали. Из легированногосерого и высокопрочного чугуноввыполняются поршни форсированных дизелей умеренной быстроходности. При повышенной по сравнению с алюминиевыми сплавамитемпературе плавления чугуна устраняется обгорание кромок на поверхностях, обращенных к камересгорания.В составных поршнях для изготовления головки применяют жаростойкие стали типа 20Х3МВФ(поршни тепловозных дизелей),20Х25Н20С2, 20Х23Н18 (поршнибыстроходных транспортных дизелей); 15ХМ; 20ХМ (поршни малооборотных двухтактных дизелей). Всоставных поршнях двигателей суменьшенным отводом теплоты встенки были попытки примененияконструкционныхкерамическихматериалов (Si3N4; ZrО2) в качествематериала головки поршня.
Однако низкая пластичность применявшихся конструкционных керамических материалов, повышеннаяхрупкость и трудная обрабатываемость при достаточно высокой цене не позволили пока широко применять керамические материалыпри изготовлении поршней.На применение жаростойких сталей переходят, если максимальнаятемпература в наиболее нагретых зонах поршня превышает 450 °С. Высоколегированные хромоникелевыестали успешно используют для изготовления накладок поршней быстроходных двухтактных дизелей, у которых максимальная температура головки достигает 900 °С. В табл.
4.3приведены некоторые теплофизические и механические характеристики ряда материалов поршней с учетом их зависимости от температуры.В табл. 4.4 приведены некоторые характеристики конструкционных керамических материалов,рассматриваемых в качестве возможных материалов для теплонапряженных элементов двигателей,а также значения некоторых комплексных показателей:R1 – характеризующего уровеньдопустимых градиентов температуры;R2 – характеризующего сопротивляемость термическому удару;R3 – характеризующего напряженность при заливке керамических вставок в металлические детали (в частности, из алюминиевыхсплавов) при разности Daт коэффициентов линейного расширения.Поршневой палец изготовляютиз легированной цементируемойстали.
В малофорсированных двигателях применяют углеродистые стали марок 15 и 20; в форсированных(автомобильных, тракторных, тепловозных) палец выполняют из леги1584.3. Физические и механические свойства материалов поршнейПараметрыЧисловые значенияАлюминиевый сплав АЛ25Температура, °С201002003003700,70,670,640,550,39Коэффициент линейного расширения aт×10 , 1/°С19,019,520,021,0–Коэффициент теплопроводности l, Вт/(м×°С)159,0167,5172,0173,8–Предел прочности sвр, МПа38337131916275Предел текучести sт, МПа31530528614249d, %9,49,18,410,6–201502002503000,720,660,630,590,51Коэффициент линейного расширения aт×10 , 1/°С19,623,124,0––Коэффициент теплопроводности l, Вт/(м×°С)142,4148,6150,7155,0159,0Предел прочности sвр, МПа450400340240170Предел текучести sт, МПа380360300190140d, %13,012,511,06,08,0-5Модуль упругости Е×10 , МПа6Алюминиевый сплав АК41Температура, °С-5Модуль упругости Е×10 , МПа6Сталь 20Х3МВФТемпература, °С20.5Модуль упругости Е 10 , МПа2003004004505006002,07 2,00 1,93 1,86–1,77 1,64Коэффициент линейного расширения aт×10 , 1/°С10,012,3–12,7 13,8Коэффициент теплопроводности l, Вт/(м×°С)38,5 33,1 31,4 30,6–29,7 29,3Предел прочности sвр, МПа890800800740660640500Предел текучести sт, МПа760710710670630620480d, %13,0 12,0 10,09,012,0 11,0 10,06––Серый легированный чугунТемпература, °С202003004005001,421,371,321,271,22Коэффициент линейного расширения aт×10 , 1/°С8,912,213,714,214,4Коэффициент теплопроводности l, Вт/(м×°С)54,748,845,443,0–Предел прочности sвр, МПа310312295315267Предел текучести sт, МПа276258262266215d, %1,31,31,72,02,3Модуль упругости Е×10-5, МПа6159Окончание табл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
