4.2. Поршневые кольца

Поршневые кольца работают в условиях высоких температур и значи-тельных переменных нагрузок. Их основные функции:

герметизация надпоршневого пространства в целях максимально возможного использования тепловой энергии топлива;

отвод избыточной доли теплоты от поршня в стенки цилиндра;

«управление маслом», т. е. рациональное распределение масляного слоя по зеркалу цилиндра и ограничения попадания масла в камеру сгорания.

Выполнение этих функций на современных двигателях обеспечи­вает комплект колец, как правило, состоящий из трех колец: двух ком-прессорных и одного маслосъемного.

Наиболее нагруженным, особенно в тепловом отношении, является первое (верхнее) компрессионное кольцо, температура которого достига- ет 200…250 °С. Обычно оно изготовляется из легированного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, имеющим предел проч-ности 1 100…1 400 МПа. Легирующие добавки хрома, никеля, молибдена и других металлов способствуют повышению термостойкости компрес-сионных колец до 340 °С. Для наиболее высокофорсированных дизелей и бензиновых двигателей применяются верхние компрессионные кольца, изготовленные из высокоуглеродистых сталей с пределом прочности 1 400…1 500 МПа и выше. В целях повышения износостойкости на компрессионные кольца в обязательном порядке наносятся специальные износостойкие покрытия. Чаще всего в качестве такого покрытия используется электролитическое хромирование слоем (0,10…0,15 мм) твердого хрома или еще более тугоплавкого и износостойкого молиб- дена. Распространенное в прошлом пористое хромирование, наносимое на прямую наружную поверхность кольца (рис. 21а), используется редко. Более широкое применение находит твердое хромирование с приданием наружной поверхности специ­ального симметричного или несимметричного бочкообразного профиля (рис. 21б, в).

Рис. 21. Профили верхних компрессионных колец двигателей легковых автомобилей:

а – прямое с фисками и пористым хромированием; б – то же, но с молибденом в канавке на наружной поверхности; в – с симметричной бочкообразной наружной поверхностью; г – с несимметричной бочкообразной наружной поверхностью; д – с закручиванием с помощью угловой фаски; е – с закручиванием с помощью проточки на внутренней поверхности

Второе компрессионное кольцо практически является компрессионно-маслосъемным. Оно работает в более «мягких» условиях по давлению, температуре и смазке. Для его использования применяется серый легирован­ный чугун с пластинчатым графитом как с износостойким покрытием, так и без специального покрытия. Кроме уплотнения надпоршневого простран­ства, второе кольцо обес­печивает «управление мас­лом», снимая его со стенок цилиндра при ходе по­ршня вниз и осуществляя пропуск некоторого количества масла при ходе поршня вверх. Эта функция определяет и специальные «скребковые» профили компрессионно-маслосъемных колец (рис. 22).

Рис. 22. Профили компрессионно-маслосъемных колец: а – простое скребковое; б – скребковое минутное; в – минутное; г – прямого закручивания; д – обратного закручивания

Третье кольцо (маслосъемное) обеспечивает снятие масла с зеркала цилиндра и сброс его в картер через отверстия в канавке кольца. Наиболее важными качествами маслосъемных колец явля­ются хорошая приспособляемость к форме цилиндра и высокое давление на стенки цилиндра, необходимые для эффективного съема масла. Требования к конструкции и материалу маслосъемных колец определяются их функциями и специфическими условиями работы.

На современных двигателях применяются два основных типа колец: а) коробчатые с расширителем в виде эспандерной или спиральной пружины; б) наборные, состоящие из двух дисков и двухфункциональных расширителей (рис. 23). Короб­чатые кольца изготовляются из серого легированного чугуна, спо­собного длительное время работать в паре с чугунной гильзой цилиндра без специальных покрытий, хотя некоторые двигатели имеют маслосъемные кольца с хромированной наружной поверх­ностью. Хромированные коробчатые маслосъемные кольца изготовляются также методом проката из стальной калиброванной ленты.

Рис. 23. Схема наборного маслосъемного кольца с двухфункциональным расширителем: 1, 3 – диски; 2 – двухфункциональный расширитель

Для изготовления элементов наборных колец также использует­ся стальная калиброванная лента. Тонкие диски кольца (0,50…0,63 мм), наружная поверхность которых хромируется, изготовляются из угле-родистой стальной ленты. Двухфункциональные расшири­тели, обеспечивающие удержание дисков в канавке поршня на опре­деленном расстоянии друг от друга и равномерное их прижатие к зеркалу цилиндра, производятся из нержавеющей хромоникелевой стальной ленты. В про-цессе изготовления лента нагартовывается и приобретает пружинные свойства, которые она сохраняет в процессе эксплуатации.

Основными конструктивными параметрами поршневых колец являются отношение диаметра цилиндра к радиальной толщине кольца D/t; отношение разности между величинами зазоров замка кольца в свободном и рабочем состояниях к тол­щине кольца A₀/t, высота кольца а. Значения конструктивных параметров по­ршневых колец бензино­вых двигателей и дизелей представлены в табл. 17.

Пользуясь данными табл. 17, следует учиты­вать, что уменьшение габаритов и массы двигателя осуществляется прежде всего за счет высоты и массы поршня. Так, высота верхнего компрессионного кольца бензиновых двигателей составляет всего 1,2…1,5 мм, а дизелей – 2,5…3,0 мм. Наиболее распространены верхние кольца дизелей высотой 2,0 мм, а при малых диаметрах цилиндра высота первого кольца дизеля может быть 1,75 и даже 1,5 мм.

Средние кольца современных бензиновых двигателей имеют вы­соту 1,50…1,75 мм, а дизелей – 2,0…2,5 мм. Средние кольца, как правило, имеют увеличенную радиальную ширину.

Тенденция к уменьшению высоты поршневых колец характерна и для маслосъемных колец, высота которых за последние 8…10 лет снизилась с 2,8…4,75 до 2,0…2,5 мм у целого ряда двигателей.

Расчет колец включает в себя:

определение среднего давления кольца на стенку цилиндра для обеспечения достаточной герметичности камеры сгорания; при этом не должны резко возрастать потери мощности двигателя на трение колец о стенки цилиндра;

построение эпюры давления кольца по окружности;

определе­ние напряжений изгиба, возникающих в сечении, противо-положном замку, при надевании кольца на поршень и в рабочем состоянии;

установление монтажных зазоров в прямом замке кольца.

Среднее давление (МПа) кольца на стенку цилиндра

, (35)

где Е – модуль упругости материала кольца (для серого чугуна Е = 1·10⁵ МПа, для легированного чугуна Е = 1,2·10⁵ МПа, для стали Е = (2…2,3)·10⁵ МПа); А₀ – разность между величинами зазоров кольца в свободном и рабочем состояниях (см. табл. 17).

Допустимое среднее радиальное давление р_СР (МПа):

для компрессионных колец 0,11…0,37;

для маслосъемных колец 0,2…0,4.

При снижении частоты вращения двигателя и увеличении диаметра цилиндра величина р_СР должна приближаться к нижнему пределу. Для обеспечения хорошей приработки кольца и надежного уплотнения давление кольца на стенку цилиндра у замка должно быть повышенным. Установлено, что это повышение должно составлять для колец бензиновых двигателей примерно (1,4…2,0)·р_СР, а для дизелей – (1,8…2,5)·р_СР. При этом эпюра давления кольца на стенки цилиндра может иметь грушевидную или каплевидную форму (рис. 24, 25). Новое кольцо, изготовленное с заранее заданной эпюрой давления и установленное в цилиндр, не должно иметь просветов между своей наружной поверхностью и зеркалом цилиндра. Значительное повышение давления у замка способствует равномерному износу кольца по окружности.

Давление (МПа) кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности определяется по формуле

р = р_СР · μ_К, (36)

где μ_К – переменный коэффициент, определяемый изготовителем в соответствии с принятой формой эпюры давления кольца на зеркало цилиндра (табл. 18).

Таблица 18. Значения коэффициента μ_К для различных углов ψ

Параметр	Значение
Угол ψ, определяющий положение текущего давления кольца, град	0	30	60	90	120	150	180
Коэффициент μК для бензи-нового двигателя	1,05	1,04	1,02	1,0	1,02	1,27	1,50
Коэффициент μК для дизель-ного двигателя	1,05	1,05	1,14	0,90	0,45	0,67	2,85

Рис. 24. Грушевидная эпюра давления компрессионного кольца бензинового двигателя на зеркало цилиндра	Рис. 25. Каплевидная эпюра давления компрессионного кольца дизеля на стенку цилиндра

Монтажный зазор (мм) в прямом замке поршневого кольца в холод-ном состоянии

, (37)

где Δ´_К – минимально допустимый зазор в замке кольца во время работы двигателя (Δ´_К = 0,06…0,10 мм); α_К и α_Ц – коэффициенты линейного рас-ширения материала кольца и гильзы цилиндра; Т_К, Т_Ц и Т₀ – температуры кольца, стенок цилиндра в рабочем состоянии и начальная температура соответственно, Т₀ = 293 К; при жидкостном охлаждении Т_Ц = 383…388, Т_К = 473…573 К; при воз­душном Т_Ц = 443…463, Т_К = 523…723 К.