Поршневые кольца и пальцы

РЕФЕРАТ

На тему: Кривошипный механизм

 

Кривошипный механизм

Цилиндровая группа

Основой двигателя служит кривошипно-шатунный механизм, на базе которого все агрегаты двигателя соединяются в одно целое. Он состоит из цилиндра с головкой, поршня, шатуна, коленчатого вала, маховика и картера. Кривошипно-шатунный механизм обеспечивает рабочий процесс и преобразование возвратно-поступательного движения (поршня) во вращательное (коленчатого вала).

В верхней части цилиндра двигателя происходит воспламенение и сгорание топлива, оказывающее решающее влияние на теплоиспользование топлива. Характеристикой качества этого процесса является полнота и быстрота сгорания смеси. Эти факторы в большой степени зависят от формы камеры сгорания. Ответственная роль верхней части цилиндра, сложность ее изготовления и наличие в ней ряда деталей (свеча зажигания и клапаны) заставляют выполнять эту часть, называющуюся головкой цилиндра, отдельно и затем плотно пригонять к цилиндру.

Головки цилиндров отличаются формой камеры сгорания и расположением клапанов. Внутреннюю поверхность (зеркало или стенки) цилиндра тщательно обрабатывают для уменьшения трения. С целью охлаждения двигателя цилиндр него головка окружены водяной рубашкой. При нижнем (боковом) расположении клапанов цилиндр имеет с боковой стороны приливы с каналами для впуска смеси и выпуска отработавших газов.

Цилиндры двигателей объединены в общий блок, нижняя часть которого представляет собой картер двигателя.

Как и блоки цилиндров, их головки выполняются также в блоке. Блок головок прикрепляется болтами или шпильками к блоку цилиндров, а между ними помещается уплотняющая прокладка.

 

Объединение цилиндров и картера в один блок значительно повышает жесткость двигателя, снижает его размеры и вес; жесткость препятствует деформациям и улучшает работу двигателя. Особенно компактны блоки V-образлых двигателей (рис. 8).

Для уменьшения износа зеркала цилиндров на всю их длину или только в верхнюю часть, наиболее подверженную действию высоких температур продуктов сгорания, запрессовывают гильзы.

Для лучшего сгорания рабочей смеси форму камеры сгорания стремятся приблизить к полусферической форме, как наиболее рациональной. Наряду с камерой полусферической формы употребляется и камера клиновой формы. Чем более компактна камера сгорания, тем ближе отдельные элементы ее к источнику зажигания электрической искрой, тем быстрее и полнее сгорит смесь.

Современные камеры сгорания выполняют несколько суженными над поршнем, поэтому плоскость головки перекрывает поверхность поршня при малом зазоре между ними (толщина прокладки); такой навес головки над поршнем называется вытеснителем. Вытеснитель улучшает распределение объема сжатой смеси и способствует ее завихрению, что положительно сказывается на процессе сгорания.

Цилиндры располагают преимущественно двумя способами: вертикальным рядом — рядный двигатель — и двумя рядами под углом, чаще всего равным 1,57 рад (90°) — V-образный двигатель.

Двигатели V-образные характеризуются меньшими габаритами по длине и большей жесткостью из-за компактности по сравнению с рядными, а также более удобным и целесообразным распределением смеси (или топлива) по цилиндрам.

В современных двигателях (ГАЗ-53, ЗИЛ-130, ЯМЗ-236) роль цилиндров выполняют отдельные гильзы / (рис.9), отливаемые из серого (двигатели ГАЗ-53, ГАЗ-24, ЗИЛ 130) или легированного (двигатель ЯМЗ-236) чугуна; гильзы устанавливают в блоке 2; пространство 3 между ними заполняется водой, образуя водяную рубашку (гильзы омываются водой и называются мокрыми). Для повышения износоустойчивости в верхние, наиболее напряженные части гильз помещают кислотоупорные антикоррозионные вставки 4.

Блоки цилиндров отливают из чугуна (двигатель ЗИЛ-130), легированного чугуна (двигатели ЯМЗ) или из алюминиевого сплава (двигатели ГАЗ-53, ГАЗ-24); головки — из чугуна (двигатели ЯМЗ) или алюминиевого сплава (двигатели ГАЗ-53, ГАЗ-24, ЗИЛ-130).

Поршни

Поршни автомобильных двигателей работают в тяжелых температурно-нагрузочных условиях; они сильно нагреваются и передают большие усилия, двигаясь с высокими скоростями и ускорениями при шарнирном соединении с верхней головкой шатуна. Вследствие больших давлений газов на поршень, а также больших ускорений и замедлений, вызывающих появление сил инерции, поршни должны быть достаточно прочными и легкими (для снижения сил инерции). Ускорения поршня возникают при выходе его из мертвых точек, замедления — при подходе к мертвым точкам.

Детали поршневой группы изображены на рис. 10. Поршень имеет днище 3 с усиливающими ребрами 4, которые отводят тепло к стенкам 2. В поршне имеются выточки, где расположены пружинящие кольца /, 10 и //, плотно прилегающие к стенкам цилиндра и тем самым препятствующие проходу газов между поршнем и цилиндром; для размещения колец соответствующая часть поршня утолщается. В средней части поршня имеются бобышки 6 с отверстиями для поршневого пальца 5, удерживаемого стопорными кольцами 8; нижняя часть поршня 7, называемая юбкой, служит для направления движения поршня и передачи боковых усилий на стенки цилиндра.

В большинстве случаев днище поршня выполняется плоским. В дизелях с целью получения завихрения и улучшения образования смеси днище 9 поршня делается фасонным, вогнутым (см. рис. 10); такое

 

 

днище является частью камеры сгорания. Периферийный кольцевой выступ днища частично закрывает относительно холодные стенки цилиндра и не позволяет впрыскиваемому топливу попадать на них и осаждаться.

Из-за повышенного давления в цилиндрах дизелей необходимо утолщать его днище и среднюю часть, а также увеличивать длину поршней для поддержания боковых удельных давлений поршня на стенку цилиндра в допустимых пределах.

Так как движущийся поршень непосредственно охлаждаться не может, то он нагревается значительно сильнее, чем охлаждаемый цилиндр, в связи с чем и расширяется больше. Чтобы предупредить заклинивание поршня в цилиндре, необходимо иметь между ними определенный зазор, когда они находятся в холодном состоянии, который уменьшается при прогреве двигателя.

Поршни большинства двигателей для уменьшения веса к улучшения теплоотвода выполняют из алюминиевых и высококремнистых алюминиевых сплавов (для двигателей ЯМЗ), однако эти сплавы обладают повышенным расширением при нагревании, а это требует установления больших зазоров между холодными цилиндром и поршнем во избежание заклинивания поршня в прогретом состоянии.

При средней температуре газов в камере сгорания (около 1000° С) центральная часть днища алюминиевого поршня нагревается до 200 - 250° С. В поршнях из легких сплавов заметно снижается износостойкость и прочность при повышении температуры. Так, при изменении температуры от 150 до 350° С снижается прочность алюминиевых сплавов на 65— 70%.

Наличие большого зазора между поршнем и цилиндром в холодном двигателе вызывает стуки. Для уменьшения зазора в алюминиевых поршнях и предупреждения заклинивания их в горячем состоянии в юбках этих поршней делают продольные прорези, обеспечивающие хорошее прилегание поршней к цилиндрам при различных тепловых состояниях, в поперечном же сечении юбки поршней имеют эллиптическую форму. Поршень тепловым разрезом устанавливается против стенки цилиндра, воспринимающей наименьшие боковые усилия при рабочем ходе. В двигателях с большим числом оборотов коленчатого вала силы инерции могут вызывать большие боковые давления, поэтому поршни с тепловыми разрезами устанавливаются в положение, обратное общепринятому.

Повышенный отвод тепла поршнями из алюминиевых сплавов за счет лучшей теплопроводности позволяет увеличивать степень сжатия, что улучшает использование топлива в двигателе.

В связи с разным нагревом поршня по высоте зазоры между поршнем и цилиндром делаются неодинаковыми: для поршней из алюминиевых сплавов — от 0,02 - 0,08 в верхней и до 0,03 - 0,1 мм в нижней части поршня.

Юбке поршня придается форма овала, большая ось которого располагается в плоскости качания шатуна; при овальной форме образуется одинаковый зазор между поршнем и цилиндром при деформации поршня от боковых сил и нагревания; овальная форма юбки поршня и прорези в нем способствуют устранению стуков поршня в непрогретом двигателе.

Для дополнительного снижения веса поршня нерабочие части его юбки (под торнами поршневого пальца) иногда вырезают. Эти вырезы используют также для прохода коленчатого вала.

Наружную поверхность нижней части поршня гальваническим методом покрывают тонким слоем олова (0,02 - 0,03 мм), который заполняет неровности поверхности, ускоряет приработку новых поршней к зеркалу цилиндра и уменьшает возможность повреждения зеркала цилиндра.

Поршневые кольца и пальцы

Поршневые кольца разделяются на две группы: компрессионные и маслосъемные. К первым относятся два-три верхних кольца, ко вторым — один-два нижних. У поршней карбюраторных двигателей ставят три или четыре кольца, а у дизелей из-за больших давлений в камере сгорания — четыре или пять (двигатель ЯМЗ-236). Если давление газов над поршнем считать за 100%, то после третьего кольца оно снижается до менее 0,1%.

Компрессионные кольца не допускают прорыва газов через зазор между поршнем и цилиндром; маслосъемное кольцо снимает излишки масла со стенок цилиндра, противодействуя попаданию его в камеру сгорания. Кольца имеют обычно прямой разрез, который позволяет кольцу пружинить. Концы колец в свободном состоянии расходятся на несколько миллиметров, поэтому при помещении поршня со сжатыми кольцами в цилиндр достигается плотное прилегание их к цилиндру. В таком состоянии зазор в разрезе равен от 0,2 до 0,4 мм.

В маслосъемных поршневых кольцах имеются радиальные вырезы, а в поршне, против кольцевых канавок, сделаны сверления на уровне расположения вырезов. Масло, собранное со стенок, попадает в отверстия в теле поршня и далее стекает в картер.

 

 

Особенно тщательно выполнена кольцевая группа в двигателе ЗИЛ-130 (рис. 11), состоящая из трех верхних компрессионных колец и одного нижнего маслосъемного. Главное (верхнее) компрессионное кольцо 6 находится в кольце 5, залитом в поршень для упрочнения канавки; нижнее и среднее компрессионные кольца 4, как обычно, находятся непосредственно в теле поршня. Маслосъемное кольцо составлено из двух дисковых колец /, распираемых радиальным 3 и осевым 2 расширителями.

Сочетание крайних колец обеспечивает герметичность объема над поршнем и съем масла со стенок цилиндра.

Расширители поддерживают плотное прилегание колец к цилиндру и поршню даже в случае износа колец и снижения их упругости. Высокая температура верхнего кольца отрицательно сказывается на работе расширителя, и он под это кольцо не ставится. Расширитель способствует снижению расхода масла и прорыву газов, особенно при работе двигателя с большими нагрузками.

Состояние поршневых колец в значительной степени определяет
межремонтные пробеги автомобиля, так как они являются одной из
наиболее подверженных износу деталей. Износ вызывает увеличение
расхода масла, забрасывание свечей маслом, затрудняет пуск дви
гателя, приводит к падению его мощности и к повышению расхода
топлива. Все это заставляет менять кольца с неизбежной разборкой
двигателя.

Для ускорения приработки компрессионных колец к зеркалу цилиндра и уменьшения потерь на трение наружная поверхность колец выполняется конической с углом 0,035-0,05 рад (2-3°). Верхнее компрессионное кольцо выполняют цилиндрическим, чтобы оно не отжималось от цилиндра газами, но с внутренней стороны кольца делают ступенчатую проточку, придающую поперечному сечению его несимметричную форму. Такое устройство вызывает при работе некоторый перекос кольца в канавке с неодинаковым прилеганием его к цилиндру, что дает почти такой же эффект, как и наличие наружной конической поверхности.

Износ поршневых колец получается неравномерным. Больше изнашивается кольцо со стороны, противоположной его стыку, поэтому в современных двигателях все больше применяются кольца с корректированием распределения радиального давления, что повышает продолжительность службы колец. Специальное распределение давления достигается при обточке колец по особому копиру.

Улучшение приработки и уменьшение коррозии колец достигается покрытием их поверхности тонкой пленкой окиси железа (оксидированием), которая заполняет неровности и делает износ в процессе приработки более равномерным. Для снижения износа наружную поверхность верхних колец подвергают пористому хромированию.

Изготовляют поршневые кольца из специального легированного серого чугуна.

Шарнирное соединение поршня с верхней головкой шатуна осуществляется при помощи поршневого пальца, располагающегося своими концами в специальных приливах стенок поршня; средняя часть поршневого пальца охватывается верхней головкой шатуна.

Внутренняя часть поршневого пальца выполняется цилиндрической (см. рис. 10) или коническо-цилиндрической; палец особенно массивен у дизелей.

В большинстве случаев палец свободно проворачивается в поршне и в шатуне (плавающий палец). Во избежание выхода пальца из поршня длина его делается несколько меньше диаметра поршня. Для предотвращения продольных сдвигов пальца в прилавках протачивают выемки около торцов пальца и в них устанавливают стопорные кольца 8 (см. рис. 10).

Для смазки трущихся поверхностей поршневого пальца имеются сверления в верхней головке шатуна и приливах поршня.

Пальцы изготовляют из высококачественной стали с цементацией наружной поверхности; иногда палец закаливается токами высокой частоты.

Шатунная группа

 

Шатун совершает сложное движение: верхняя его головка движется прямолинейно вместе с поршнем, а нижняя вращается вместе с шатунной шейкой коленчатого вала; при помощи шатуна поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Одновременно шатунами от поршня к валу передаются меняющиеся в широких пределах усилия от давления газов и сил инерции. Шатун состоит из двухосновных частей: стержня 6 (рис. 12) с верхней 5 и нижней 9 головками и крышки . Шатун работает в тяжелых условиях, поэтому для обеспечения повышенной прочности шатуна поперечное сечение 2 его стержня выполняется двутавровым, расширяющимся к нижней головке. Для уменьшения трения и износа поршневого пальца в верхней головке шатуна запрессовывается бронзовая втулка 3, для смазки трущихся поверхностей имеются отверстия 4.

Сравнительно ограниченное скольжение верхней головки шатуна по поршневому пальцу (качание) в сочетании с нагревом поршня создает условия, в которых удовлетворительно работают бронзовые втулки. Нижняя головка шатуна имеет полное скольжение по шейке вала, но не подвергается сильному тепловому воздействию как верхняя, поэтому для сокращения трения и износа шейки коленчатого вала нижняя головка заливается менее теплостойким, но более антифрикционным, чем бронза, сплавом. В большинстве двигателей нижние головки шатунов снабжены тонкостенными стальными взаимозаменяемыми вкладышами 10 (см. рис. 12) со слоем антифрикционной заливки; толщина стальной основы тонкостенных вкладышей составляет 1,25 - 4,2 толщина слоя антифрикционной заливки 0,25 - 0,7 мм.

При высоких антифрикционных свойствах сплавы сильно снижают свои механические качества в условиях повышения температуры; так, твердость при нагревании с 15 до 100° С снижается на 60 - 70%. Поэтому при нагрузках около и выше 100 кГ/см² и температурах около и выше 100° С применяется свинцовистая бронза, обеспечивающая высокую износостойкость, но требующая более точной поверхностной обработки подшипника и качественной смазки.

Вкладыши подшипников коленчатых валов для повышения срока службы делаются трехслойными с металлокерамическим подслоем (60% меди, 40% никеля).

Для предотвращения сдвига и проворачивания вкладышей используются отогнутые выступы (см. рис. 12), входящие в выемки нижней головки.

Тонкостенные вкладыши можно быстро заменять при наличии комплекта запасных вкладышей ремонтного размера, что удобно при ремонте.

Крышка прикрепляется к нижней головке болтами 7. Болты воспринимают большие и быстро возникающие растягивающие нагрузки. Для надежного крепления крышки предусмотрены устройства против самоотвертывания болтов: головки выполняются несимметричными, а гайки 8 шплинтуются. Для смазки поршневого пальца иногда в стержне шатуна высверливается канал, по которому масло попадает из нижней в верхнюю головку.

В большинстве случаев нижняя головка шатуна выполняется с прямым разъемом (см. рис. 11), при этом плоскость разреза перпендикулярна продольной оси шатуна (двигатели ГАЗ-53, ЗИЛ-130 и др.), в двигателях ЯМЗ разъем выполнен косым (плоскость разъема не перпендикулярна оси шатуна). Такой разъем облегчает сборку и разборку головки, а также позволяет устанавливать и вынимать шатун через цилиндр.

Шатуны изготовляют штамповкой из углеродистой стали с необработанными наружными поверхностями.