Поршневую группу кривошипно-шатунного механизма образует поршень в сборе с комплектом компрессионных и маслосъемных колец, поршневым пальцем и деталями его крепления. Ее назначение заключается в том, чтобы во время рабочего хода воспринимать давление газов и через шатун передавать усилие на коленчатый вал, осуществлять другие вспомогательные такты, а также уплотнять надпоршневую полость цилиндра для предотвращения прорыва газов в картер и проникновения в него моторного масла.
Поршень имеет днище, уплотняющую и направляющую (юбку) части. Днище и уплотняющая часть составляют головку поршня. Днище поршня вместе с головкой цилиндра ограничивают объем камеры сгорания. В головке поршня проточены канавки для колец. При работе двигателя на поршень действуют большие механические и тепловые нагрузки от давления горячих газов.
Конструкция поршня должна обеспечивать такой зазор между поршнем и цилиндром, который исключал бы стуки поршня после запуска двигателя и заклинивание его в результате теплового расширения при работе двигателя под нагрузкой.
На юбке поршня делают разрезы, придают ему овальную форму в поперечном сечении и коническую – по высоте, производят заделку в поршень специальных компенсационных пластин из металла с малым коэффициентом теплового расширения. Например, в поршнях некоторых двигателей с зажиганием от искры юбку выполняют с косым разрезом, что делает ее более упругой и позволяет устанавливать поршень с минимальным зазором, не опасаясь заклинивания.
При шлифовании поршню придают овальную форму (большая ось овала должна быть перпендикулярна оси поршневого пальца), чтобы под действием боковых усилий и нагрева юбка поршня в рабочем состоянии принимала цилиндрическую форму.
Так как температура головки поршня примерно на 100-150°С выше, чем нижней части юбки, то наружный диаметр юбки делают больше, чем диаметр головки.
Большую опасность представляет собой перегрев поршня из-за недостаточного его охлаждения. При перегреве прогорает днище поршня, происходит задир рабочей поверхности цилиндра, залегание колец и даже заклинивание поршня. Иногда для улучшения охлаждения поршня на его внутреннюю поверхность направляют струю масла.
Рисунок 3 – Детали поршневой группы: 1 – поршень, 2 – поршневой палец, 3 – стопорные кольца, 4, 5 – компрессионные кольца, 6 – маслосъемное кольцо.
Конструкции поршней с различной формой днища представлена на рисунке
Рисунок 4 – Конструкции поршней с различной формой днища (а—з) и их элементов: 1 — бобышка; 2 — стенка поршня; 3 — ребро; 4 — днище поршня; 5 — канавки для компрессионных колец; 6 — дренажное отверстие для отвода масла
Днища поршней могут быть плоскими (см. а), выпуклыми, вогнутыми и фигурными (рис. б—з). Их форма зависит от типа двигателя и камеры сгорания, принятого способа смесеобразования и технологии изготовления поршней. Самой простой и технологичной является плоская форма. В дизелях применяются поршни с вогнутыми и фигурными днищами (см. рис. е—з).
Поршень дизеля КамАЗ-740 отлит из высококремнистого алюминиевого сплава (иногда поршни покрывают слоем олова для улучшения прирабатываемости) со вставкой из специального чугуна под верхнее компрессионное кольцо. Юбка поршня в поперечном сечении овальная, причем большая ось овала перпендикулярна оси поршневого пальца. По высоте поршень имеет коническую форму: в верхней части меньший диаметр, чем в нижней. На юбку поршня нанесено коллоидно-графитовое покрытие для улучшения приработки и предохранения от задиров. Кроме того, в бобышки поршня залиты стальные терморегулирующие пластины. Все это выполнено для компенсации неравномерности тепловой деформации поршня при работе в цилиндрах двигателя, возникающей изза неравномерного распределения массы металла внутри юбки поршня. В бобышках поршня имеются отверстия для прохода масла к поршневому пальцу. В головке поршня расположена тороидальная камера сгорания, а сбоку от нее в днище — две; выемки для предотвращения касания его с клапанами. Под бобышками в нижней части юбки сделаны выемки для прохода противовесов коленчатого вала в НМТ.
В связи со сложной формой наружной поверхности поршня измерять его диаметр необходимо в плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца и на расстоянии 52,4 мм от днища поршня. В запасные части поставляются поршни классов А, С, Е. Этих классов достаточно для подбора поршня к любому цилиндру, так как поршни и цилиндры разбиты на классы с некоторым перекрытием размеров. Например, к цилиндрам классов В и D) может подойти поршень класса С. Кроме того, при ремонте двигателей поршни обычно заменяются у изношенных цилиндров, поэтому к незначительно изношенному цилиндру, имевшему класс В, может подойти поршень класса С.
Главное при подборе поршня обеспечение необходимого монтажного зазора между поршнем и цилиндром (0,05-0,07 мм). По диаметру отверстия под поршневой палец поршни подразделяются через 0,064 мм на три категории, обозначаемые цифрами 1, 2, 3. Класс поршня (буква) и категория отверстия под поршневой палец (цифра) клеймятся на днище поршня. Поршни по массе в одном и том же двигателе подобраны с максимально допустимым отклонением +2,5 г.
С шатуном поршень соединен пальцем 2 плавающего типа, стопорные кольца 3 вставляются в канавки, проточенные в бобышках, кольца ограничивают осевое смещение пальца в поршне.
Поршневой палец стальной, цементированный, трубчатого сечения, запрессован в верхнюю головку шатуна с натягом и свободно вращается в бобышках поршня. Поршневые пальцы, как и отверстия в бобышках поршня, по наружному диаметру подразделяются на три категории через 0,004мм.
Категория пальца маркируется на его торце соответствующим цветом: синим первая категория, зеленым вторая, красным третья. Собираемые палец и поршень должны принадлежать к одной категории.
Отверстие под поршневой палец смещено от оси симметрии на 2 мм в правую сторону двигателя. Это уменьшает возможность появления стука поршня при переходе через в.м.т. Для правильной установки поршня в цилиндр около отверстия под поршневой палец имеется метка "П". Поршень должен устанавливаться в цилиндр так, чтобы метка была обращена в сторону передней части двигателя. Поршни, как и цилиндры, по наружному диаметру подразделяются на пять классов через 0,01 мм, обозначаемые буквами А, В, С, D, Е. Им соответствуют следующие диаметры цилиндров, в мм: А 78,94-78,95; В 78,95-78,96; С 78,96-78,97; D 78,97-78,98; Е 78,98-78,99.
На поршне выполнены канавки для двух компрессионных 4, 5 и одного маслосъемного 6 кольца. Компрессионные кольца уплотняют поршень в гильзе цилиндров и предотвращают прорыв газов через зазор между юбкой поршня и стенкой гильзы. Маслосъемные кольца снимают излишки масла со стенок гильз и не допускают попадания его в камеры сгорания.
Поршневые кольца изготовлены из чугуна. Иногда маслосъемные кольца делают из стали. Для установки на поршень кольца имеют разрез, называемый замком.
После установки в цилиндр зазор в замке должен быть в пределах 0,3-0,5 мм, чтобы кольцо не заклинивало при нагревании. Замки на поршне должны располагаться на равных расстояниях друг от друга по окружности, что уменьшает прорыв газов из цилиндра.
Компрессионные кольца и особенно первое (верхнее) из них работают в тяжелых условиях. Из-за соприкосновения с горячими газами и большой работы трения, производимой первым кольцом, оно сильно нагревается (до 225-275°С), что осложняет его смазку и вызывает увеличенный износ как самого кольца, так и верхнего пояса цилиндра.
Для повышения износостойкости поверхность верхнего компрессионного кольца подвергают пористому хромированию. Остальные кольца для ускорения приработки покрывают тонким слоем олова или молибдена (двигатель КамАЗ-740).
Поршневые кольца разрезные, в свободном состоянии их диаметр несколько больше диаметра цилиндра. Поэтому в цилиндре кольцо плотно прижимается к его стенкам. В канавках поршня кольца образуют лабиринт с малыми зазорами, в котором газы, прорывающиеся из надпоршневого пространства, с одной стороны, теряют давление и скорость, а с другой — прижимают кольца к стенке цилиндра.
Рисунок 5 – Поршневые кольца: а – внешний вид, б – расположение колец на поршне (двигателя ЗИЛ-130), в – составное маслосъемное кольцо; 1 – компрессионное кольцо, 2 – маслосъемное кольцо, 3 – плоские стальные диски, 4 – осевой расширитель, 5 – радиальный расширитель.
Компрессионные кольца имеют разную форму поперечного сечения. Компрессионное кольцо 1 с прямоугольным сечением (а) прилегает к цилиндру по всей наружной поверхности. Для увеличения удельного давления кольца на зеркало цилиндра и более быстрой приработки наружной поверхности кольцу придается коническая форма или делается на верхней внутренней кромке кольца 1 специальная выточка (6).
Маслосъемные кольца также имеют различную форму: коническую, скребковую, пластинчатую с осевым и радиальным расширителями (в). При движении вверх маслосъемное кольцо как бы «всплывает» в масляном слое, а при движении вниз острая кромка кольца соскабливает масло.
Маслосъемное кольцо отличается от компрессионных сквозными прорезями для прохода масла. В канавке поршня для маслосъемного кольца сверлят один или два ряда отверстий для отвода масла внутрь поршня.
Маслосъемное кольцо двигателей ЗМЗ и ЗИЛ состоит из двух стальных кольцевых дисков, осевого 4 и радиального 5 расширителей. Вследствие быстрой прирабатываемости и упругости стальные маслосъемные кольца хорошо прилегают к гильзе цилиндра.
Шатун.
Шатун соединяет поршень с кривошипом коленчатого вала и, преобразуя возвратно-поступательное движение поршневой группы во вращательное движение коленчатого вала, совершает сложное движение, подвергаясь при этом действию знакопеременных ударных нагрузок. В двигателе шатун подвергается воздействию значительных переменных нагрузок, изменяющихся от растяжения к сжатию. Поэтому он должен быть прочным, жестким и легким. Шатуны изготавливаются из стали литьем или горячей штамповкой. На спортивных автомобилях могут устанавливаться шатуны из титанового сплава. Шатун состоит из трех конструктивных элементов: стержня 2, верхней (поршневой) головки 1 и нижней (кривошипной) головки 3. Стержень шатуна обычно имеет двутавровое сечение. В верхнюю головку для уменьшения трения запрессовывают бронзовую втулку 6 с отверстием для подвода масла к трущимся поверхностям. Нижнюю головку шатуна для обеспечения возможности сборки с коленчатым валом выполняют разъемной. У бензиновых двигателей разъем головки обычно расположен под углом 90° к оси шатуна. У дизелей нижняя головка шатуна 7, как правило, имеет косой разъем. Крышка 4 нижней головки крепится к шатуну двумя шатунными болтами, точно подогнанными к отверстиям в шатуне и крышке для обеспечения высокой точности сборки. Чтобы крепление не ослабло, гайки болтов стопорят шплинтами, стопорными шайбами или контргайками. Отверстие в нижней головке растачивают в сборе с крышкой, поэтому крышки шатунов не могут быть взаимозаменяемыми.
Конструкция шатуна различается в зависимости от типа двигателя и его компоновочной схемы (рисунок 6). Длина шатуна во многом определяет высоту двигателя. Шатун условно разделяется на три части: стержень, поршневую и кривошипную головки.
Рисунок 6 – Детали шатунной группы: 1 — верхняя головка шатуна; 2 — стержень; 3 — нижняя головка шатуна; 4 — крышка нижней головки; 5 — вкладыши; 6 — втулка; 7 — шатун дизеля; S — основной шатун сочлененного шатунного узла
Стержень шатуна имеет, как правило, двутавровое сечение. Встречаются шатуны с круглым, прямоугольным, крестообразным, Н-образным сечением стержня. Для подачи масла к подшипнику поршневой головки в стержне шатуна выполнен канал.
Поршневая головка представляет собой цельную проушину, в которую с натягом установлена втулка – подшипник скольжения для вращения поршневого пальца. Втулка изготавливается бронзовой или биметаллической (сталь со свинцом, оловом). Устройство поршневой головки определяется размером поршневого пальца и способом его крепления. Для снижения массы шатуна и уменьшения нагрузки на поршневой палец на некоторых двигателях используются шатуны с трапециевидной формой поршневой головки.
Кривошипная головка обеспечивает соединение шатуна с коленчатым валом. На большинстве двигателей кривошипная головка выполняется разъемной, что обусловлено технологией сборки ДВС. Нижняя часть головки (крышка) соединяется с шатуном с помощью болтов. Реже используется штифтовое или бандажное соединение частей кривошипной головки. Разъем может быть прямым (перпендикулярный оси стержня) или косым (под углом к оси стержня). Косой разъем применяется, в основном, на V-образных двигателях и позволяет сделать блок двигателя более компактным.
Для противодействия поперечным силам стыковые поверхности кривошипной головки выполняются профилированными. Различают зубчатое, замковое (прямоугольные выступы) соединение. Самым популярным в настоящее время является соединение частей головки, полученное способом контролированного раскалывания, т.н. сплит-разъем. Разлом обеспечивает высокую точность стыковки частей.
Толщина кривошипной головки определяет длину блока цилиндров. Особенно это актуально для V- и W-образных двигателей. К примеру, толщина нижней головки шатуна двигателя W12 от Audi составляет всего 13 мм.
Для уменьшения трения в соединении шатуна с коленчатым валом и облегчения ремонта двигателя в кривошипной головке размещается шатунный подшипник, состоящий из двух вкладышей 5, залитых антифрикционным сплавом. Вкладыши изготавливаются многослойными – двух, трех, четырех и даже пятислойными. Самые ходовые двух и трехслойные вкладыши. Двухслойный вкладыш представляет собой стальную основу, на которую нанесено антифрикционное покрытие. В трехслойном вкладыше стальную основу и антифрикционный слой разделяет изоляционная прокладка.
Внутренняя поверхность вкладышей точно подогнана к шейкам коленчатого вала. Для фиксации вкладышей относительно головки они имеют отогнутые усики, входящие в соответствующие пазы головки. Подвод масла к трущимся поверхностям обеспечивают кольцевые проточки и отверстия во вкладышах.
Для обеспечения хорошей уравновешенности деталей кривошипно-шатунного механизма шатунные группы одного двигателя (как и поршневые) должны иметь одинаковую массу с соответствующим ее распределением между верхней и нижней головками шатуна.
В V-образных двигателях иногда используются сочлененные шатунные узлы, состоящие из спаренных шатунов. Основной шатун 8, имеющий обычную конструкцию, соединен с поршнем одного ряда. Вспомогательный прицепной шатун, соединенный верхней головкой с поршнем другого ряда, нижней головкой шарнирно крепится с помощью пальца к нижней головке основного шатуна.
Вкладыш, установленный в шатуне, нагружен больше, чем вкладыш, расположенный в крышке шатуна. На вкладыши, расположенные в шатунах, через поршни и шатуны воздействует давление газов (при сгорании топлива в цилиндрах) и поэтому эти вкладыши изнашиваются больше. Вкладыши, расположенные в крышках шатунов, меньше нагружены и практически изнашиваются незначительно.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Поршневая группа – это поршень и группа уплотняющих колец. Так же в неё входит поршневой палец и детали крепления. Стоит рассмотреть назначение данного механизма.
Поршневая группа свою работу осуществляет еще и в тяжелых климатических условиях. Именно поэтому детали данного механизма обладают высокой тепловой напряженностью, а это учитывается, когда для них выбирается материал и конструкция. Их элементы обычно производители разрабатывают, учитывая тип двигателей и назначение (транспортные, стационарные, дизельные, формированные и т.д.). Однако общее устройство все равно остается прежним. Итак, следует рассмотреть, из чего же комплектуется поршневая группа.
Поршневая головка несет поршневые кольца и имеет днище. Нижняя канавка имеет дренажные отверстия, через них отходит смазочное масло, чтобы оно не попало случайно в камеру сгорания. Её днище – это одна из камерных стенок. Она воспринимает значительное давление газов. Само днище может быть плоским, вогнутым, выпуклым или фигурным. Опять-таки, его форма выбирается при учете типа двигателя, а также камеры сгорания.
Нельзя не упомянуть про такой механизм, как цилиндро-поршневая группа. Главные дефекты блоков цилиндра – это трещины, сколы и износ. Эти неисправности устанавливаются после тщательного осмотра, опрессовки и обмера цилиндра. При этом процессе на блок нужно установить головку или же чугунную плиту (обязательна резиновая прокладка). Вообще, данная группа отличается жаростойкой сталью и масляным охлаждением, которое осуществляется за счет циркуляционной общей системы смазки главного дизеля. Если обеспечить хороший уход механизму и качественное масло, то можно легко увеличить срок работы поршней и цилиндров.
Особенности устройства
Основные размеры шатунно-поршневой группы
Поршень – алюминиевый литой. При изготовлении строго выдерживается масса поршней. Поэтому при сборке двигателя подбирать поршни одной группы по массе не требуется. По наружному диаметру поршни разбиты на пять классов (А, В, С, D, Е) через 0,01 мм. Наружная поверхность поршня имеет сложную форму. По высоте она бочкообразная, а в поперечном сечении – овальная. Поэтому измерять диаметр поршня необходимо только в плоскости, перпендикулярной поршневому пальцу, на расстоянии 55 мм от днища поршня. По диаметру отверстия под поршневой палец поршни подразделяются на три класса (1, 2, 3) через 0,004 мм. Классы диаметров поршня и отверстия под поршневой палец клеймятся на днище поршня (см. Маркировка поршня и шатуна).
Маркировка поршня и шатуна: 1 – стрелка для ориентирования поршня в цилиндре; 2 – ремонтный размер; 3 – класс поршня; 4 – класс отверстия для поршневого пальца; 5 – класс шатуна по отверстию для поршневого пальца; 6 – номер цилиндра.
Поршни ремонтных размеров изготавливаются с увеличенным на 0,4 и 0,8 мм наружным диаметром. На днищах этих поршней ставится маркировка в виде треугольника или квадрата. Треугольник соответствует увеличению наружного диаметра на 0,4 мм, а квадрат – на 0,8 мм. Стрелка на днище поршня показывает, как правильно ориентировать поршень при его установке в цилиндр. Она должна быть направлена в сторону привода распределительного вала.
Поршневой палец – стальной, полый, плавающего типа, т.е. свободно вращается в бобышках поршня и втулке шатуна. Палец фиксируется в поршне двумя стальными стопорными кольцами. По наружному диаметру пальцы подразделяются на три класса через 0,004 мм. Класс маркируется краской на торце пальца: синяя метка – первый, зеленая – второй, а красная – третий класс.
Поршневые кольца – изготовлены из чугуна. Верхнее компрессионное кольцо – с хромированной бочкообразной наружной поверхностью. Нижнее компрессионное кольцо скребкового типа. Маслосъемное кольцо – с хромированными рабочими кромками и с разжимной витой пружиной (расширителем). На кольцах ремонтных размеров ставится цифровая маркировка «40» или «80», что соответствует увеличению наружного диаметра на 0,4 или 0,8 мм.
Шатун – стальной, кованый. Шатун обрабатывается вместе с крышкой и поэтому они в отдельности не взаимозаменяемы. Чтобы при сборке не перепутать крышки и шатуны, на них клеймится номер 6 (см. Маркировка поршня и шатуна) цилиндра, в который они устанавливаются. При сборке цифры на шатуне и крышке должны находиться с одной стороны
В верхнюю головку шатуна запрессована сталебронзовая втулка. По диаметру отверстия этой втулки шатуны подразделяются на три класса через 0,004 мм (так же, как и поршни). Номер 5 класса клеймится на верхней головке шатуна. По массе верхней и нижней головок шатуны подразделяются на классы (см. Классы шатунов по массе верхней и нижней головок), маркируемые краской на стержне шатуна. На двигатель должны устанавливаться шатуны одного класса по массе. Подгонять массу шатунов можно удалением металла с бобышек на головках до минимальных размеров 16,5 и 35,5 мм (см. Места, на которых допускается удалять металл, при подгонке массы верхней и нижней головок шатуна). Места, на которых допускается удалять металл, при подгонке массы верхней и нижней головок шатуна.
Классы шатунов по массе верхней и нижней головок
| Класс | Верхней | Нижней |
| 519+3 | А | белый |
| 525+3 | В | голубой |
| 531+3 | С | красный |
| 519+3 | D | черный |
| 525+3 | E | фиолетовый |
| 531+3 | F | зеленый |
| 519+3 | G | желтый |
| 525+3 | Н | коричневый |
| 531+3 | I | оранжевый |
Подбор поршня к цилиндру
Расчетный минимальный зазор между поршнем и цилиндром (для новых деталей) равен 0,025–0,045 мм. Он определяется как разность минимального размера цилиндра и максимального размера поршня и обеспечивается установкой поршней того же класса, что и цилиндры. Максимально допустимый зазор (при износе деталей) – 0,15 мм. Если у двигателя, бывшего в эксплуатации, зазор превышает 0,15 мм, то необходимо заново подобрать поршни к цилиндрам, чтобы зазор был возможно ближе к расчетному. В запасные части поставляются поршни классов А, С, Е. Этих классов достаточно для подбора поршня к любому цилиндру при ремонте двигателя, так как поршни и цилиндры разбиты на классы с небольшим перекрытием размеров. Например, к цилиндрам классов В и D может подойти поршень класса С.
