3.2 Поршневі кільця

Поршневі кільця працюють в умовах високих температур і значних змінних навантажень. В якості матеріалів для кілець зазвичай використовують сірий чи легований чавун. Для форсованих двигунів компресійні кільця виготовляють з легованих сталей.

Основними конструктивними параметрами поршневих кілець є (див. табл. 3.1): відношення діаметра циліндра до радіальної товщини кільця D/t; відношення різниці між величинами зазорів замка кільця у вільному і робочому стані до товщини кільця A₀/t; висота кільця a.

Розрахунок кілець полягає:

а) у визначенні середнього тиску кільця на стінку циліндра, який повинен забезпечити достатню герметичність камери згоряння і не повинно збільшувати втрати потужності двигуна на тертя кілець до стінки циліндра;

б) у побудові епюри тиску кільця по колу;

в) у визначенні напружень згину, що виникають у перерізі, який протилежний замку, під час одягання кільця на поршень та у робочому стані;

г) у встановленні монтажних зазорів у прямому замку кільця.

Середній тиск кільця на стінку циліндра

.

(3.11)

де Е – модуль пружності матеріалу кільця: для сірого чавуну Е = 1,010⁵ МПа, для легованого чавуну Е = 1,210⁵ МПа, для сталі Е = (2...2,3)10⁵ МПа.

Середній радіальний тиск: для компресійних кілець p_сер = (0,11...0,37) МПа; для оливознімних кілець p_сер = (0,2...0,4) МПа.

У разі зменшення частоти обертання колінчатого вала двигуна і збільшенні діаметра циліндра значення p_сер наближається до нижньої границі.

Для забезпечення доброго припрацювання кільця і надійної щільності тиск p кільця на стінку циліндра в різних точках кола повинен змінюватися згідно епюри (рис. 3.4), що побудована за даними, які рекомендовані ДСТУ (табл. 3.2).

Таблиця 3.2

Залежність зміни параметра _к за сегментами поршневого кільця

Кут сегменту кільця , град	0	30	60	90	120	150	180
Відношення p/ pсер = к	1,05	1,05	1,14	0,90	0,45	0,67	2,85

Рис. 3.4. Епюра тиску компресійного кільця двигуна на стінку циліндра

Тиск кільця на стінку циліндра в різних точках кола

,

де _к – для різних кутів  взято з ДСТУ табл. 3.2.

Напруження згину кільця в робочому стані

.

(3.12)

Напруження згину під час одягання кільця на поршень

,

(3.13)

де m – коефіцієнт, що залежить від способу одягання кільця. Під час попереднього розрахунку приймають m = 1,57.

Допустимі напруження у разі згину кільця [_зг] = 220…450 МПа. Нижня границя відповідає двигунам з великим діаметром циліндра. Напруження _зг2 зазвичай перевищує напруження _зг1 на 10…30 %.

Монтажний зазор в замку поршневого кільця в холодному стані

,

(3.14)

де – мінімально допустимий зазор в замку кільця під час роботи двигуна,  = 0,06...0,10 мм; _к і _ц – коефіцієнти лінійного розширення матеріалів кільця і гільзи циліндра; t_к, t_ц і t₀ – відповідно температура кілець і стінок циліндра в робочому стані і початкова температура t₀ = 15С. У разі водяного охолодження приймають: t_ц = 110…115С, t_к = 200…300С, а у разі повітряного– t_ц = 170…190С, t_к = 250…450С.