поршень двигуна

До атегорія:

Пристрій і робота двигуна

поршень двигуна

Поршень являє собою металевий стакан, встановлений в циліндрі з деяким зазором. При робочому ході поршень днищем сприймає тиск газів, а при інших ходах здійснює допоміжні такти. Верхня посилена частина поршня, що сприймає тиск газів, називається головкою, а нижня напрямна частина - спідницею. Припливи в стінках спідниці, службовці для установки поршневого пальця, Називаються бобишками.

Поршні карбюраторних двигунів виготовляють з алюмінієвих сплавів. Алюмінієві поршні володіють малою вагою, внаслідок чого зменшуються сили інерції, а отже, і навантаження на деталі двигуна при його роботі. Крім того, алюмінієві поршні, так само як і алюмінієві головки, мають кращу теплопровідність, тому вони менше нагріваються при роботі і сприяють зниженню температури робочої суміші.

В результаті цього можна підвищити ступінь стиснення двигуна, не побоюючись, що виникне детонационное згоряння палива.

З метою підвищення зносостійкості поршнів для їх виготовлення в останні роки стали застосовувати висококремністие алюмінієві сплави з великим вмістом кремнію (до 20-25%). Поршні з алюмінієвих сплавів виготовляють литтям в металеві форми. Для зняття внутрішніх напружень в матеріалі литі заготовки поршнів піддають тривалому відпалу, а потім піддають механічній обробці.

У карбюраторних двигунах головка поршня має плоске днище і товсті стінки з внутрішніми ребрами, що підвищують її міцність і забезпечують хороше відведення тепла. У голівці на бічній зовнішній поверхні є канавки для установки поршневих кілець. У верхній частині головки поршня у двигунів деяких типів (ГАЗ) роблять глибоку вузьку канавку, що зменшує передачу тепла від днища до верхнього компресійного кільця, що працює в особливо несприятливих умовах, щоб усунути небезпеку його пригорання. У деяких двигунах (ЗІЛ) в головку при заливці поршня закладається чавунна кільцева вставка, в якій проточується канавка для верхнього компресійного кільця. Такий захід підвищує довговічність поршня.

Для поліпшення підробітки поршнів в циліндрах і для зменшення зносу на спідницю 2 поршня наносять спеціальні покриття. Зазвичай, що труться спідниці лудять - покривають дуже тонким шаром олова (товщиною 0,004-0,006 мм). У середній частині спідниці роблять припливи-бобишки 3 з отворами для установки поршневого пальця.

Для того щоб при нагріванні поршень міг розширюватися без заїдання в циліндрі, поршень встановлюють з зазором між стінкою циліндра і спідницею. Алюміній розширюється при нагріванні значно більше, ніж чавун. Щоб в холодному двигуні зазор між поршнем і циліндром ні надмірно великим, що може викликати стуки поршня і витік газів з циліндра, в алюмінієвих порушених застосовують пружні розрізні спідниці. При бічному розрізі по всій довжині спідниця кілька пружинить, і поршень вставляється в циліндр холодного двигуна щільно, з малим зазором. При нагріванні поршня розріз дає можливість спідниці розширитися без заїдання поршня в циліндрі. Застосовують також поршні з частковим, непрямим розрізом Т- або П-подібної форми, що підвищує жорсткість спідниці.

Для зменшення бічного зазору перетин спідниці роблять не круглої форми, а овальної. Величина овальності (різниця осей овалу) спідниці дорівнює приблизно 0,15-0,29 мм. Поршень встановлюють в циліндрі холодного двигуна з мінімальним зазором по великій осі овалу спідниці, що розташовується в площині гойдання шатуна, де діють бічні сили, що притискають поршень до стінок циліндра. При нагріванні поршня спідниця може розширюватися в напрямку малої осі овалу, де між спідницею і циліндром є великий зазор. Поршні по довжині виготовляють ступінчастими або конусними, так як зазор вгорі між стінкою циліндра і головкою поршня повинен бути більше, ніж внизу, внаслідок більшого нагрівання головки. Величина зазору між спідницею поршня і циліндром для двигунів різних марок коливається в межах 0,012-0,08 мм.

Мал. 1. Конструкція поршня

Щоб при нагріванні поршні менше розширювалися, а також для підвищення їх міцності, в поршні двигунів деяких марок при литві закладають пластинки зі спеціальної малорасшіряющейся стали. Для зменшення ваги у деяких поршнів вирізують неробочу частину спідниці. Ці вирізи служать також для проходу противаг при обертанні колінчастого вала у короткоходних двигунів.

Для забезпечення кращого врівноваження двигуна поршні до кожного двигуну підбирають рівного ваги. З цією метою на днище поршня, крім вказівки групи за розміром, вибивають відповідну мітку ваговій групи. Різниця у вазі поршнів, що підбираються для одного двигуна, не повинна перевищувати 6-8 м

При складанні поршні зазвичай встановлюють розрізом на ліву сторону двигуна, так як під час роботи до цієї стороні поршень притискається з меншою силою. Для зручності складання на днище поршня в цьому випадку роблять спеціальну позначку, яка повинна бути звернена до передньої частини двигуна.

Мал. 2. Типи поршнів

У дизелях застосовують поршні зі спеціального чавуну (двотактні дизелі ЯАЗ) або з висококремниста алюмінієвого сплаву (чотиритактні дизелі ЯМЗ) з нерозрізний спідницею, що має велику жорсткість. Так як в дизелях бічна сила, що притискає поршень до стінки циліндра, досягає значної величини, то для отримання нормального питомої тиску між циліндром і поршнем спідницю роблять більшої довжини, Днище поршня, що сприймає значний тиск газів, роблять більш міцним з посиленням його внутрішньої сторони великою кількістю ребер. Для забезпечення гарного сумішоутворення при безпосередньому уприскуванні палива в днище поршня розташовується камера згоряння спеціальної форми.

До атегорія: - Пристрій і робота двигуна

У конструкції поршня прийнято виділяти такі елементи (рис. 5.1):

головку 1 і спідницю 2. Головка включає днище З, вогневої (жарової) 4 і ущільнює 5 пояса. Спідниця поршня складається з бобишек б і спрямовуючої частини.

На рис. 5.2 і 5.3 представлені найбільш типові в даний час Конструкції поршнів автотракторних двигунів різного типу.

Складна конфігурація поршня, швидко мінливі за величиною і напрямком теплові потоки, що впливають на його елементи, призводять до нерівномірного розподілу температур за його обсягом і, як наслідок, до значних змінним за часом локальним термічним напруженням і деформацій (рис. 5.4).

Теплота, що підводиться до поршня через його головку, контактує з робочому тілом в циліндрі двигуна, відводиться в систему охолодження через окремі його елементи в наступному співвідношенні,%: в охлаждаемую стінку циліндра через компресійні кільця - 60 ... 70, через спідницю поршня - 20 ... 30, в систему змащення через внутрішню поверхню днища поршня - 5 ... 10. Поршень також сприймає частину теплоти, що виділяється в результаті тертя циліндра і поршневої групи.

КОНСТРУКТИВНІ ПАРАМЕТРИ ОСНОВНИХ

ЕЛЕМЕНТІВ ПОРШНЯ

При проектуванні поршня використовуються статистичні дані за конструктивними параметрами його елементів, віднесених до діаметру циліндра 1) (рис. 5.5, табл. 5.1).

Висота поршня Н визначається в основному висотою головки h При малій Н істотно зростає вплив на характер руху поршня недотримання при виробництві та експлуатації зазорів, що допускаються між його елементами і дзеркалом циліндра, що може інтенсифікувати процеси перекладин, порушення газо- і маслоуплотненія, підвищені знос стінок канавок компресійних кілець.

Висота головки поршня визначає його габарити і масу, в зв'язку з чим її вибирають мінімально необхідної для забезпечення нормального температурного режиму її елементів. Особлива увага при цьому звертається на температуру в зоні канавки верхнього компресійного кільця і \u200b\u200bв бобишках поршня.

МАТЕРІАЛИ І ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ПОРШНІВ

Для виготовлення поршнів автотракторних ДВС в даний час в основному використовують алюмінієві сплави, рідше сірий або ковкий чавун, а також композиційні матеріали.

алюмінієві сплави мають малу щільність, що дозволяє знизити масу поршня і, отже, зменшити інерційні навантаження на елементи циліндропоршневої групи і КШМ. При цьому спрощується також проблема зменшення термічного зі спротиву елементів поршня, що в поєднанні з хорошою теплопровідністю, властивої даними матеріалами, дозволяє зменшувати теплонапряженность деталей поршневої групи. До позитивних якостей алюмінієвих сплавів слід віднести малі значення коефіцієнта тертя в парі з чавунними або сталевими гільзами.

Однак поршням з алюмінієвих сплавів властивий ряд серйозних недоліків, основними з яких є невисока втомна міцність, зменшується при підвищенні температури, високий коефіцієнт лінійного розширення, менша, ніж у чавунних поршнів, зносостійкість, порівняно велика вартість.

В даний час при виготовленні поршнів використовують два види силумінів: евтектичних з вмістом кремнію 11 ... 14% і заевтектичних - 17 ... 25%.

Збільшення вмісту Si в сплаві призводить до зменшення коефіцієнта лінійного розширення, до підвищення термо- і зносостійкості, але при цьому погіршуються його ливарні якості і зростає вартість виробництва.

Для поліпшення фізико-механічних властивостей силуминов в них вводять різні легуючі добавки. добавка в алюмінієво-кремнієвий сплав до 6% міді призводить до підвищення втомної міцності, покращує теплопровідність, забезпечує гарні ливарні якості і, отже, меншу вартість виготовлення. Однак при цьому дещо знижується зносостійкість поршня. Використання в якості легуючих добавок натрію, азоту, фосфору збільшує зносостійкість сплаву. Легування нікелем, хромом, магнієм підвищує жароміцність і твердість конструкції.

Заготовки поршнів з алюмінієвих сплавів отримують шляхом виливки в кокіль або гарячим штампуванням. Після механічної обробки вони піддаються термічній обробці для підвищення твердості, міцності і зносостійкості, а також для попередження викривлення при експлуатації. Ковані поршні поки використовуються рідше, ніж литі.

чавун в якості матеріалу для поршнів в порівнянні з алюмінієвим сплавом володіє наступними позитивними властивостями: більш високими твердістю і зносостійкість, жароміцність, однаковим коефіцієнтом лінійного розширення з матеріалом гільзи. Останнє дозволяє істотно зменшити і стабілізувати по режимам роботи зазори в зчленуванні спідниця поршня - циліндр. Однак велика щільність не дозволяє використовувати його широко для поршнів високооборотних автомобільних двигунів. Даний недолік може бути частково знівелював включенням в структуру чавуну кулястого графіту, що дозволяє відливати елементи поршня істотно меншої товщини. Як випливає зі сказаного вище, ні силуміну, ні чавун в повній мірі не є оптимальними матеріалами для виготовлення поршнів.

У зв'язку з цим в даний час ведеться активна робота по використанню для поршнів керамічних матеріалів , Які найкращим чином відповідають вимогам, що пред'являються до матеріалів поршневий групи. Це мала щільність при високій міцності, термо-, хіміко і зносостійкості, низьку теплопровідність і необхідному значенні коефіцієнта лінійного розширення.

Один з практичних способів використання кераміки полягає у виготовленні деталей поршня з метало або полімерокомпозіціонних матеріалів. Матрицею (основою) першого типу матеріалів є алюміній або магній, а в якості наповнювача використовують керамічні та металеві порошки або тягла пористих матеріалів. Основу полімерокомпозіціонних матеріалів складають полімерні матеріали з наповнювачем з волокон вуглецю, скла, порошків металів або кераміки. Вони володіють малою щільністю, високими антифрикційними властивостями і застосовуються для елементів з невеликими тепловими навантаженнями, наприклад для виготовлення спідниці поршня.

Перспективним є армування елементів поршня керамічними волокнами з оксиду алюмінію та діоксиду кремнію.

Основними проблемами, що стримують широке використання кераміки для виготовлення поршнів автотракторних двигунів, є крихкість, низька міцність на вигин, схильність до утворення тріщин і втоми, а також висока вартість.

Матеріал поршня повинен бути можливо малої щільності, мати низький коефіцієнт лінійного розширення, володіти зносостійкістю, високою теплопровідністю, в тому числі при підвищених температурах, мати гарну оброблюваність. При цьому важливими є комплексні характеристики матеріалу, а не тільки окремі його властивості. Так, рівень термічних напружень залежить від величини Еt і т.д. Залежно від призначення двигуна і типу конструкції поршня можуть бути застосовані різні матеріали. Поршні двигунів багатьох типів, насамперед автомобільних і тракторних, виготовляють з легких сплавів литтям в кокіль або штампуванням. У першому випадку застосовуються евтектичних силуміну типу 4Л25 (11-13% Si) і заевтектичних. містять присадки міді, нікелю, магнію і марганцю. Поршні штампують із сплавів АК4 і АК4-1, що відрізняються високими властивостями міцності при підвищених температур.

Незважаючи на те, що маса поршнів з алюмінієвого сплаву менше маси поршнів з чавуну, останній також застосовується для виготовлення поршнів швидкохідних двигунів. З легованого сірого і високоміцного чавунів типів СЧ 24-СЧ 45 і ВЧ 45-5 виготовляють поршні форсованих тепловозних і середньооборотних двигунів. При підвищеній в порівнянні з алюмінієвими сплавами температурі плавлення чавуну усувається обгорання крайок на поверхнях, звернених до камери згоряння.

У складених порушених для виготовлення головки застосовують жаростійкі сталі типу 2ОХЗМВФ. На виготовлення зі сталі переходять, якщо максимальна температура в найбільш нагрітих зонах поршня перевищує орієнтовно 450С. У ряді випадків (накладки поршнів двотактних двигунів) застосовують високолеговані жароміцні стали. У табл. 11 наведені деякі теплофізичні і механічні характеристики ряду матеріалів поршнів з урахуванням залежності їх від температури.

Алюмінієві поршні відливають з металевим стержнем. Литниковая система 4 розташована в площині роз'єму. Внутрішню порожнину виливки утворює металевий стрижень. На рис. 92 показаний металевий стрижень з трьох частин.

Алюмінієві поршні, відлиті в кокіль, проходять термічну обробку до механічної обробки.

Алюмінієві поршні встановлюють в циліндри зі значно більшим зазором, ніж чавунні. Це пояснюється тим, що, алюмінієві сплави при нагріванні розширюються більше, ніж чавун. При роботі в нагрітому стані зазор між поршнем і циліндром повинен бути певної величини, щоб надійно утримувати плівку масла.

Алюмінієві поршні відрізняються меншою вагою і коефіцієнтом тертя, але поступаються чавуну по зносостійкості. Всі поршні піддають старінню.

Алюмінієві поршні виготовляються штампованими, пресованими а литими. Для авіаційних двигунів найбільшого поширення мають штамповані і пресовані поршні.

Алюмінієві поршні відрізняються меншою вагою н коефіцієнтом тертя, але поступаються чавуну по зносостійкості. Всі поршні піддають старінню.

Алюмінієві поршні і головка блоку циліндрів краще відводять тепло, ніж чавунні, тому умови для виникнення детонації в двигунах з алюмінієвими поршнями і головкою блоку циліндрів менш сприятливі.

В алюмінієві поршні пальці встановлюють з натягом, тому перед складанням поршень нагрівають до 70 - 75 в гарячій воді. Палець при цьому повинен легко входити в отвори бобишек.

Як відомо, алюмінієві поршні мають високий коефіцієнт лінійного розширення. Нагрівання поршня на 10 викликає зміна його діаметра на 12 мк.

З, /, 150 - 200 С - алюмінієві поршні, / г 250 - 450 С, ю 180 - 240 С - чавунні поршні; при повітряному охолодженні величини г я tIO можна приймати приблизно на 30 - 40% більше, ніж при водяному охолодженні.

Зниження ваги поршня дозволяє зменшити інерційні сили поступально рухомих мас. Слід, однак, відзначити, що незважаючи на значну різницю в питомих вагах алюмінієвих сплавів і чавуну алюмінієві поршні лише на 25 - 30% легше чавунних поршнів такого ж діаметру. Це пояснюється тим, що для забезпечення міцності і жорсткості алюмінієві поршні виконують з більш товстими, ніж у чавунних поршнів, днищами, бічними стінками і ребрами.

Підгонку по вазі зазвичай виробляють розточування внутрішнього паска спідниці поршня, а у полегшених конструкцій поршнів - видаленням металу з нижньої площини і припливів у бобишек під палець (алюмінієві поршні), а також розточування спеціального припливу на внутрішній стороні спідниці поршня, нижче бобишек під палець.

Застосування алюмінієвих сплавів для виготовлення поршнів дало можливість знизити вагу двигуна і питома витрата палива на одиницю потужності.

Історія застосування жароміцних сплавів алюмінію веде свій початок від появи в 1907-1908 рр. перших литих поршнів для гоночних автомобілів із сплавів алюмінію з цинком.

Сучасні алюмінієві сплави, як правило, технологічні, мають відносно високу міцність і пластичність. У таблиці 10.1 наведено хімічний склад, а в таблиці 10.2 фізико-механічні властивості деяких поршневих сплавів при нормальній і підвищеній температурі.

Як видно з таблиці 10.1, поршневі сплави відрізняються досить складним хімічним складом, тому що для підвищення жароміцності їх зазвичай легують міддю, марганцем, нікелем, хромом, кобальтом та іншими елементами. Тому доцільно розглянути вплив легуючих елементів на структуру та властивості поршневих сплавів.

В даний час поршні вітчизняних автомобільних і тракторних двигунів в більшості своїй виготовляють з алюмінієвих сплавів типу АЛ 25 і АЛ 26. Ці сплави відносяться до евтектичних типу - в рівновазі знаходяться твердий розчин кремнію в алюмінії і твердий розчин алюмінію в кремнії.

Мікроструктура подвійних силуминов типу Al-Si складається з двох фаз: a-твердого розчину кремнію в

алюмінії і твердого розчину алюмінію в кремнії, який знаходиться в вигляді окремих частинок або в подвійній евтектиці. Твердий розчин на основі алюмінію являє собою порівняно м'яку (НЦ ■ \u003d 23-34 Н / мм2) і пластичну фазу, а твердий розчин кремнію характеризується високою твердістю (Цц \u003d 800-1000 Н / мм2) і крихкістю. Таким чином, функцію упрочняющей фази в подвійних силумінах виконує кремній.

В даний час не існує загальної моделі, яка давала б можливість повністю пояснити збільшення міцності силуминов при підвищенні концентрації кремнію. Відносно литих сплавів вважають, що в першу чергу це пов'язано зі збільшенням відносного обсягу евтектичних колоній, механічні характеристики яких суттєво перевищують аналогічні властивості первинних кристалів а АІ. Стосовно до евтектичним колоніям автори роботи використовували модель дислокационного зміцнення двофазних сплавів, що пояснює підвищення міцності гальмуванням дислокацій поблизу включень другої фази. Автори робіт відзначають, що зміна вмісту кремнію в межах 10-14% істотно не впливає на властивості сплаву.

В даний час спостерігається тенденція застосовувати для важко навантажених форсованих двигунів силуміни з високим вмістом кремнію.

Як уже згадувалося, для того, щоб підвищити

Таблиця 10.1. - Хімічний склад деяких алюмінієвих поршневих сплавів

властивості		Марка сплаву
міцності,
Твердість НВ, кгс / мм2
Тривала міцність, МПа
Отностельно подовження 85,%
Питома вага у, кг / м3
відносна зносостійкість
Коеф. лінійного расш. а, 1 / КхЮ "6

властивості міцності поршневих сплавів і зробити їх сприйнятливими до упрочняющей термообробці, використовують додаткове легування міддю і магнієм. Зміна змісту міді в межах 0,5-4,5% мало відбивається на міцності сплаву при кімнатній температурі, але підвищення вмісту міді сприяє підвищенню тривалої міцності при температурі 570 К.

Це пояснюється тим, що мідь при високому вмісті підвищує міжатомних зв'язків твердого розчину, що містить марганець, магній та інші аналогічні елементи.

Крім того, при розпаді твердого розчину складного за складом сплаву утворюються дисперсні частинки фази T (AlJAn2Cu), які сприяють створенню мікрогетерогенності всередині зерен твердого розчину, що ускладнює їх деформацію. Надлишкова мідь бере участь в утворенні никельсодержащая фази, яка кристалізується в розгалуженої формі, її частки, розташовуючись по межі зерен твердого розчину, блокують їх і тим самим забезпечують значне підвищення жароміцності сплаву. Медяністие сплави, що містять 5-11% Si і 3-5% Сі, можуть значно упрочняться в результаті загартування і старіння. Згідно, найбільший ефект зміцнення мають сплави, що містять приблизно 4% Сі. З діаграми срстоянія Al-Si-Cu слід, що система не має потрійних соіедіненій, а фази aAl, Si, Cu ^ Al утворюють потрійну евтектику з температурою плавлення 1053 К. Фаза Cu ^ l, що з'являється при надмірному вмісті міді, сприяє охрупчіванію сплаву, зниження корозійної стійкості і підвищення схильності до об'ємним змін ( «зростання» поршнів).

Для того, щоб підвищити міцнісні властивості поршневих сплавів, використовують легування магнієм. Однак введення магнію підвищує міцність сплаву при кімнатній температурі, але мало позначається на жароміцності З усіх легуючих елементів магній має найбільший вплив на ефект термічної обробки. Приріст міцності властивостей в результаті термічної обробки спостерігається при вмісті в сплаві вже 0,2% Mg2Si. Зі збільшенням кількості Mg ^ Si підвищується твердість, тимчасовий опір і межа плинності, а відносне подовження зменшується. Максимальний ефект від термічної обробки досягається при вмісті в сплаві близько 2% фази Afg-Ді, що відповідає приблизно 1% Mg.

Введення нікелю мало змінює механічні властивості поршневих сплавів при кімнатній температурі, але помітно підвищує їх жароміцність. Це пояснюється тим, що введення нікелю забезпечує зміцнення кордонів зерен a-твердого розчину стійкими никельсодержащая фазами.

З проведеного аналізу можна зробити висновок, що властивості багатокомпонентних алюмінієвих сплавів визначаються їх хімічним складом, проте вибір оптимального складу утруднений через неясність взаємодії компонентів в потрійних і складніших системах сплаву. Слід лише зазначити, що більшість дослідників сходяться на думці про позитивний вплив на службові властивості таких компонентів, як нікель, мідь, кремній, титан.

Таким чином, при розробці матеріалів для зміцнення наплавленням необхідно вибирати таку технологію і електродний матеріал, які дозволили б регулювати хімічний склад наплавленого металу в широкому діапазоні з метою забезпечення підвищеної працездатності поршня. При цьому необхідно враховувати досить суперечливі вимоги до наплавленого металу, що зводяться, в основному, до наступного.

Зміцнюючих матеріал поршня в зоні верхньої канавки (в порівнянні з основним сплавом поршня) повинен мати при підвищених температурах більш високу твердість (для зниження абразивного зношування) і жароміцність (для зменшення пластичної деформації).

Крім того, він повинен володіти зниженим коефіцієнтом термічного розширення, так як циліндри двигунів сталеві, коефіцієнт термічного розширення яких в два рази менше, ніж у алюмінію, підвищеною теплопровідністю, що забезпечує швидке відведення тепла від камери згоряння двигуна.

Необхідно забезпечити стабільну структуру матеріалу поршня в зоні верхньої канавки поршня, так як структурні зміни можуть привести до об'ємного зміни поршня і заклинювання його.

Виходячи з аналізу умов роботи поршнів сучасних важко навантажених дизельних двигунів, слід, що наплавляється повинен мати досить високу антіфрікционность і зносостійкість, високу теплопровідність, гарну корозійну стійкість, мінімальну схильність до незворотних змін розмірів при підвищених температурах, мала питома вага і хорошу оброблюваність.