§ 3. Рухомі деталі кшм

§ 3.1. Поршень

Рис.16. Поршень бензинового ДВЗ: 1 — юбка, 2 — головка, 3 — ущільнювальний пояс, 4 — днище, 5 — вогневий пояс, 6 — бобишки

Поршень являє собою металевий стакан, що розташований днищем до головки циліндра. Він сприймає тиск газів при робочому ході і передає силу цього тиску через поршневий палець і шатун на колінчастий вал.

Вимоги до поршневої групи:

• надійна герметизація циліндрового простору;

• попередження попадання надмірної кількості масла у камеру згоряння;

• термостійкість та тепловідведення від днища поршня у стінки циліндра;

• мінімальна конструктивна маса при забезпеченні міцності;

• невеликі втрати на тертя та висока зносостійкість.

У конструкції поршня (рис. 16, 17) виділяють головку та юбку.

Головка включає днище, вогневий пояс та ущільнювальний пояс.

Днища поршнів бувають різними за формою (рис. 18, 19) — плоскими, випуклими, увігнутими, у них можуть бути виконані канавки для запобігання ударів клапанів о поршень (рис. 16,б). У дизелів у головці поршня розташовано камеру згоряння (рис. 17; також див. тему «Т-6», рис. 5). У бензинових ДВЗ у поршні також може бути виконана частина камери згоряння (рис. 18, д-е; рис. 19, б). У вихрокамерних та передкамерних дизелів у днищі розташовано порожнину певної форми (рис. 20) для поширення газів, що витікають з вихрокамери або передкамери. У бензинових ДВЗ з безпосереднім впорскуванням особлива форма днища забезпечує здійснення процесу згоряння (див. тему Т.5).

Головка поршня сприймає найбільше теплове навантаження (рис. 21), тому висоту вогневого (жарового) пояса вибирають за умови розташування верхнього компресійного кільця при положенні поршня у ВМТ у межах тієї частини циліндра, що охолоджується. Подальше збільшення висоти приводить до збільшення шкідливого об’єму між поясом та циліндром. У деяких поршнях вогневий пояс виконують з лабіринтними ущільненнями (рис. 22) для зменшення прориву газів і часткового розвантаження компресійних кілець.

В ущільнювальному поясі виконані канавки для поршневих кілець. Кількість компресійних кілець — 2, рідше 3, маслознімних — 1–2. Для відводу надлишку масла, яке знімають маслознімні кільця, у торцях канавок свердлять 6–12 дренажних отворів. Іноді у головку на місці канавки для верхнього компресійного кільця заливають вставку зі зносостійкого матеріалу — зносостійкого чавуна (нірезисту) або слаболегованої сталі (рис. 16).

Рис.17. Поршень дизельного ДВЗ: 1 – канавка нижнього маслознімного кільця, 2 – проточка під стопорне кільце поршневого пальця, 3 – бобишки, 4 – отвір для змащення поршневого пальця, 5 – канавка верхнього маслознімного кільця, 6 – канавки компресійних кілець, 7 – головка поршня, 8 – камера згоряння, 9 – днище поршня, 10 – отвори для відводу масла, 11 – юбка

Рис. 18. Днища поршнів бензинових ДВЗ

Рис. 19. Типові форми днищ поршнів ДВЗ з примусовим запалюванням: а — з плоским днищем, б — з розміщенням частини камери згоряння у поршні, в — з виштовхувачем простої форми, г — з виштовхувачем складної форми, д — цековки для тарілок клапанів та їх розміщення у днищі

Рис. 20. Типові форми днищ поршнів дизельних ДВЗ: а, б, в — вихрокамерних, г, д — передкамерних

Рис. 21. Розподіл температур у поршні

Рис. 22. Лабіринтні ущільнення у головці поршня (ЗМЗ-406)

Юбка поршня складається з бобишок та напрямної частини.

Бобишки призначені для шарнірного закріплення поршневого пальця. Від них відходять ребра посилення днища (рис. 23). У бобишках сконцентровано найбільшу частину металу поршня, тому вони мають найбільше теплове розширення. Для його регулювання у бобишки можуть заливати сталеві стяжки (вставки) (рис. 23, 24,а, 28,а-б) або кільця. Часто поршні виконують з зовнішніми підрізами бобишок – «холодильниками» (рис. 24,б-г). Для зменшення бічної сили та полегшення виходу поршня з мертвих точок вісь поршневого пальця зміщена відносно осі симетрії поршня на величину дезаксіала поршня е = 1,5–3 мм (рис. 28). Дезаксіал створює плече, завдяки якому поршень перекладається не у момент досягнення мертвої точки, а раніше.

Рис. 23. Поршень у розрізі

а	б
Рис. 24. Поршні зі сталевими стяжками (пластинами) (а), без холодильників (б), з холодильниками (в), з холодильниками та плаваючим пальцем (г): 1 — сталеві стяжки, 2 — контур нагрітого поршня, 3 — контур холодного поршня; 4 — холодильник.

Рис.25. Поршень та противаги колінчастого вала

Напрямна частина призначена для забезпечення поступального руху поршня без заїдань та стуків. Висоту обирають достатньою для обмеження інтенсивності його перекладання при виході із мертвих точок. Конструкція має деякі особливості:

• у нижній частині можуть бути бічні виїмки для проходу противаг колінчастого вала при його обертанні (рис. 25);

• для попередження заклинювання поршня при його нагріванні у циліндрі у верхній частині юбки можуть бути виконано розрізи (рис. 23, 29,в-г). Це дає змогу зменшити зазор між гільзою циліндра і поршнем без заклинювання;

• у деяких конструкціям (BMW) значна частина юбки може бути відсутньою з метою зменшення маси та компенсації теплового розширення — Х-подібні поршні (рис. 26);

• профіль юбки поршня у горизонтальній площині має овальну форму (рис. 27,б). Діаметр поршня в площині, що перпендикулярна осі пальця, роблять більше, ніж у напрямку осі поршневого пальця. При нагріванні поршень розширюється сильніше в напрямку осі поршневого пальця, де в бобишках зосереджена більша маса металу. Тому при нагріванні овальний поршень одержує циліндричну форму;

• профіль поршня у вертикальній площині — бочкоподібний або конусний (рис. 27,а), через те, що у головці сконцентровано більше матеріалу.

Для прискорення припрацювання на зовнішню поверхню юбки наносять легкоплавкий шар (як правило, олова).

Типові конструкції поршнів дизелів та ДВЗ з примусовим запалюванням зображено на рис. 28 та 29.

Рис. 26. Х-подібний поршень

а	б
Рис. 27. Профіль поршня по висоті (а) та окружності (б).

а	б	в
Рис. 28. Поршні дизелів: а — листовий поршень, б, в — штамповані поршні, 1 — ребра жорсткості, 2 — бобишки, 3 — виріз під клапан.

а	б	в	г
Рис. 29. Поршні ДВЗ з примусовим запалюванням: а, б — поршні з поперечним прорізом та терморегуляційною вставкою, в,г — поршні з Т-подібним прорізом, 1 — терморегуляційна вставка, 2 — поперечний проріз, 3 — вставка канавки під верхнє компресійне кільце, 4 — Т-подібний проріз, 5 — зона вибирання металу для припасування маси.

Для примусового охолодження поршнів сучасних ДВЗ (особливо, дизелів з наддувом) використовують струминне обприскування маслом внутрішньої поверхні поршня через форсунки (рис. 30), що нерухомо встановлені у нижній частині циліндра на корпусі ДВЗ, або через канал у шатуні.

Рис. 30. Форсунка охолодження поршнів

Форсунка впорскує масло або на внутрішню поверхню днища поршня (рис. 31, а), або у кільцевий отвір, що виконано усередині днища (рис. 31, б).

а	б
Рис. 31. Варіанти масляного охолодження поршнів: а — впорскуванням масла на днище, б — впорскуванням масла у порожнину охолодження.

Той же отвір іноді дозволяє додатково змащувати поверхню циліндра через канали (рис. 32,б). Іншими засобами змащення дзеркала циліндрів є скидання масла з канавки маслознімного кільця через пази (рис. 32,а).

а	б
Рис. 32. Засоби покращення змащення дзеркал циліндрів: а — скиданням масла з канавки маслознімного кільця, б — через порожнину масляного охолодження; 1 — паз з канавки до холодильника, 2 — паз з холодильника, 3 — пази вздовж отвору пальця для його охолодження.

Зайве масло, що знімається з дзеркала, через канали у виточці маслознімного кільця попадає у внутрішню частину циліндра (рис. 33). Крім того, таким же чином може здійснюватися змащення поршневого пальця у бобишках (рис. 34).

Рис. 33. Канали скидання зайвого масла з дзеркала циліндра

а	б	в	г	д
Рис. 34. Способи змащення поршневих пальців: а — через отвори у бобишках маслом, що стікає з днища, б — через отвори з канавки маслознімного кільця, в — через отвори від холодильника, г — через канали у отворах для пальця, д — через маслозбірну канавку.

Рис.35. Двоелементний поршень (Volvo)

Виготовляють поршні, в основному, з алюмінієвого сплаву. Поршні дизельних двигунів іноді можуть виконуватися з ковкого, сірого чавуна або сталі.

Для виготовлення поршнів використовують два типи силумінів (алюмінієвих сплавів з підвищеним вмістом кремнію) — евтектичні (11–14%) та заевтектичні (17–25%) з додаванням добавок. Поршні виготовляють відливанням у кокіль або штампуванням.

Перевагою чавуна є те, що коефіцієнт лінійного розширення однаковий з матеріалом гільзи, недоліком — велика маса поршнів. Це обмежує його використання.

Сталеві поршні використовують ще рідше — у дизелів з високим наддувом. Іноді для зменшення маси у таких випадках використовують двоелементні поршні (рис. 35), у яких верхня, більш термонавантажена, частина виконана зі сталі, а нижня — з алюмінієвого сплаву. З’єднуються частини між собою поршневим пальцем.