Рухомі деталі КШМ
Поршень (7.12) 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. 7.16, 7.17) виділяють головку та юбку.
Рисунок 7.16. Поршень бензинового ДВЗ:
1 – юбка, 2 – головка, 3 – ущільнювальний
пояс, 4 – днище, 5 – вогневий пояс, 6 – бобишки
Рисунок 7.17. 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
Головка включає днище, вогневий пояс та ущільнювальний пояс.
Днища поршнів бувають різними за формою (рис. 7.18, 7.19) – плоскими, випуклими,
увігнутими, у них можуть бути виконані канавки для запобігання ударів клапанів о поршень
(рис. 7.16,б). У дизелів у головці поршня розташовано камеру згоряння (рис. 7.17; також див.
тему „ДВЗ-6”, рис. 6.5). У бензинових ДВЗ у поршні також може бути виконана частина камери
згоряння (рис. 7.18,д-е; рис. 7.19,б). У вихрокамерних та передкамерних дизелів у днищі
розташовано порожнину певної форми (рис. 7.20) для поширення газів, що витікають з
вихрокамери або передкамери. У бензинових ДВЗ з безпосереднім впорскуванням особлива
форма днища забезпечує здійснення процесу згоряння (див. тему „ДВЗ-5”).
Головка поршня сприймає найбільше теплове навантаження (рис. 7.21), 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. 7.22) для
зменшення прориву газів і часткового розвантаження компресійних кілець.
В ущільнювальному поясі виконані канавки для поршневих кілець. Кількість
компресійних кілець – 2, рідше 3, маслознімних – 1ч2. Для відводу надлишку масла, яке
знімають маслознімні кільця, у торцях канавок свердлять 6ч12 дренажних отворів. Іноді у
головку на місці канавки для верхнього компресійного кільця заливають вставку зі зносостійкого
матеріалу – зносостійкого чавуна (нірезисту) або слаболегованої сталі (рис. 7.16).
Рисунок 7.18. Днища поршнів бензинових ДВЗ
Рисунок 7.19. 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
Рисунок 7.20. Типові форми днищ поршнів дизельних ДВЗ:
а, б, в – вихрокамерних, г, д – передкамерних
Рисунок 7.21. Розподіл температур у поршні
Рисунок 7.22. 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. 7.23). У бобишках сконцентровано найбільшу частину металу
поршня, тому вони мають найбільше теплове розширення. Для його регулювання у бобишки
можуть заливати сталеві стяжки (вставки) (рис. 7.23, 7.24,а, 7.28,а-б) або кільця. Часто поршні
виконують з зовнішніми підрізами бобишок – „холодильниками” (рис. 7.24,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 = 1,5ч3 мм (рис. 7.28). Дезаксіал
створює плече, завдяки якому поршень перекладається не у момент досягнення мертвої точки, а
раніше.
Рисунок 7.23. Поршень у розрізі
Рисунок 7.24. 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
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. 7.25);
- для попередження заклинювання поршня при його нагріванні у циліндрі у верхній
частині юбки можуть бути виконано розрізи (рис. 7.23, 7.29,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. 7.26);
- профіль юбки поршня у горизонтальній площині має овальну форму (рис. 7.27,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. 7.27,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. 7.28 та 7.29.
Рисунок 7.25. Поршень та противаги колінчастого вала
Рисунок 7.26. Х-подібний поршень
Рисунок 7.27. Профіль поршня по висоті (а) та окружності (б)
Рисунок 7.28. Поршні дизелів:
а – листовий поршень, б, в – штамповані поршні, 1 – ребра жорсткості, 2 – бобишки, 3 –
виріз під клапан
Рисунок 7.29. 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. 7.30), що нерухомо встановлені у нижній частині циліндра на корпусі ДВЗ, або
через канал у шатуні.
Рисунок 7.30. Форсунка охолодження поршнів
Форсунка впорскує масло або на внутрішню поверхню днища поршня (рис.7.31, а), або у
кільцевий отвір, що виконано усередині днища (рис.7.31, б).
Той же отвір іноді дозволяє додатково змащувати поверхню циліндра через канали (рис.
7.32,б). Іншими засобами змащення дзеркала циліндрів є скидання масла з канавки
маслознімного кільця через пази (рис. 7.32,а).
Зайве масло, що знімається з дзеркала, через канали у виточці маслознімного кільця
попадає у внутрішню частину циліндра (рис. 7.33). Крім того, таким же чином може
здійснюватися змащення поршневого пальця у бобишках (рис. 7.34).
Рисунок 7.31. Варіанти масляного охолодження поршнів:
а – впорскуванням масла на днище, б – впорскуванням масла у порожнину охолодження
Рисунок 7.32. 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
Рисунок 7.33. Канали скидання зайвого масла з дзеркала циліндра
Рисунок 7.34. 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
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 (11ч14%) та заевтектичні (17ч25%) 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. 7.35), у яких
верхня, більш термонавантажена, частина виконана зі сталі, а нижня – з алюмінієвого сплаву.
З’єднуються частини між собою поршневим пальцем.
Рисунок 7.35. Двоелементний поршень (Volvo)