Обзор конструкций поршней
При работе двигателя на поршень действуют переменные по величине и направлению осевые силы давления газов и инерции, а также нормальные силы, прижимающие поршень к стенке цилиндра. В результате неравномерного нагревания поршня в радиальных направлениях и по его высоте позникают дополнительные внутренние термические напряжения. Кроме того, отдельные зоны поршня нагружаются местными силами: межкольцевые перемычки силами давления газов, передающимися через торцовые плоскости компрессионных колец при разности давлений газов над кольцом и под ним, а также силами инерции масс поршневых колец; верхняя и нижняя торцовые кромки силами от ударов, возникающих в результате перекидывания поршня в цилиндре при изменении направления его движения в в. м. т. В биметаллических поршнях с залитыми стальными пластинами направляющий пояс дополнительно нагружается силами упругости этих пластин.
Из-за сложной формы поршня и неизбежного неравномерного распределения металла его жесткость в различных радиальных направлениях неодинакова. В связи с этим проектирование и расчет поршня представляет собой сложную задачу, так как неизвестны точные температуры и перепады их между отдельными точками поршня.
На рис. 254 показано распределение температур в поршнях дизеля и карбюраторного двигателя с жидкостным охлаждением. Днище является наиболее термически нагруженной частью поршня. С увеличением диаметра цилиндра температура днища повышается, так как возрастает путь отвода теплоты к стенкам цилиндра, а также отношение поверхности днища, воспринимающей теплоту, к поверхности, через которую она отводится в стенки цилиндра.
Воспринимаемая днищем теплота передается через кольца и направляющий пояс поршня стенкам охлаждаемой гильзы, циркулирующим газовым потокам, маслу со стороны внутрикартерного пространства, а также излучается. В быстроходных двигателях через компрессионные кольца отводится 5060% теплоты.
Конструкция поршня (рис. 255) и его размеры определяются механическими и термическими нагрузками, формой и расположением камеры сгорания, числом колец, наличием укрепляющих ребер, толщиной днища поршня, диаметром пальца, расположением первого со
стороны камеры сгорания кольца и т. п. При проектировании поршня используются статистические конструктивные параметры, отнесенные к диаметру D цилиндра или к высоте Н поршня (рис. 255 и табл. 33).
На рис. 256 и 257 показаны типичные конструкции поршней дизелей и карбюраторных двигателей.
Высота поршня определяется числом компрессионных и масло-съемных колец, высотой жарового пояса h над первым компрессионным кольцом и диаметром пальца.
, большей высоты межкольцевых перемычек и направляющего пояса. Если поршни короткие, то в момент изменения направления боковых сил в в. м. т. наблюдается при малых отношениях HID перекидывание поршней, сопровождающееся стуками и повышенным износом.
По высоте жарового пояса над первым компрессионным кольцом наблюдается падение температур (см. рис. 254), что свидетельствует об интенсивном отводе теплоты. От температуры этого пояса и первого компрессионного кольца зависят предельно допустимые энергетические показатели двигателей. При использовании обычных масел температура в зоне первого компрессионного кольца не должна превышать 200° С. В случае применения присадок допускается повышение температуры до 230° С. Повышение температур сверх указанных сопровождается недопустимым отложением нагара на поверхности уплотняющего пояса и в канавках, зависанием колец,
разработкой канавок, разрушением и выгоранием межкольцевых перемычек.
Температуру в зоне расположения компрессионных колец в поршнях дизелей можно понизить с помощью следующих мероприятий:
2) уменьшения зазоров между жаровым поясом и гильзой и, следовательно, проходной площади для газов к первому кольцу. Чтобы предотвратить заедание поршня при малых зазорах, жаровой пояс и одну-две перемычки между кольцами (рис. 256, а) делают с лабиринтными канавками;
3) увеличения толщины переходов от днища к бобышкам под палец к направляющему поясу (рис. 256, ав, е) для интенсивного отвода теплоты от горячего днища и более равномерного распределения теплоты по всему объему металла;
4) заливки стальных поясов (альфин-процесс) с канавками для одного или двух компрессионных колец (рис. 256, г ). Стыковая поверхность стальных поясов с алюминиевым сплавом при этом является тепловым дросселем и препятствует подводу тепла к кольцам.
(до 0,06 D) и большую среднюю температуру газов за цикл, у карбюраторных двигателей температура уплотняющего пояса и колец ниже, чем у дизелей, что определяется характером процесса сгорания бензовоздушной
меси и меньшими давлениями газов в момент сгорания. У поршней карбюраторных двигателей уплотняющий пояс иногда отделяют от направляющего двумя поперечными симметрично расположенными прорезями 1 (рис. 257), которые препятствуют отводу теплоты от днища в направляющий пояс. Обе части поршня соединены между собой только в зоне бобышек. В этом случае теплота от днища передается стенкам цилиндра в основном через компрессионные кольца.
Рис. 256. Поршни дизелей:
а вше монометаллические; г армированные стальными кольцами; д с охлаждением маслом
Уменьшение количества теплоты, подводимой к направляющему поясу, позволяет сократить зазоры между направляющей частью и гильзой, но температура днища поршня при этом повышается. При наличии поперечных прорезей уменьшается жесткость поршня. В случае высокого давления сгорания, как например, в дизелях, разрезные поршни не применяют.
Толщину днища поршня выбирают исходя из величины максимальных давлений сгорания, получения необходимой жесткости поршня и интенсивного отвода от него теплоты. Переходы от днища к уплотняющему поясу и бобышкам должны быть массивными (см. рис. 256 и 257, а и б), особенно у поршней дизелей.
Днище поршня в зоне бобышек укрепляют сплошными приливами (см. поз. 4 на рис. 256, а и б и 2 на рис. 257, а) или расходящимися ребрами (см. поз. 1 на рис. 256, а и 4 на рис. 257, б), не выходящими за бобышки по их длине. Приливы или ребра увеличивают жесткость поршня и препятствуют его овализации в момент, когда нормальные силы достигают максимальных значений. Днище поршня с внутренней стороны в центральной части обычно делают гладким, без укрепляющих ребер (см. рис. 256, а, б, е и 257, ав). Теплота со стороны внутренней поверхности отводится воздухом и маслом. Наличие ребер, как показала практика, не улучшает теплоотвода от днища.
Кроме того, ребра, как правило, снижают усталостную прочность поршня вследствие возникновения концентраций напряжений (рис. 258, а) между ними.
перемычек обычно уменьшают.
в среднем составляет примерно 21,5.
В канавках для маслосъемных шлицованных колец сверлят 612 дренажных отверстий для отвода масла внутрь поршня (см. рис. 256, б). В некоторых поршнях сверлят два пояса отверстий (см. рис. 256, а): в самой канавке и непосредственно под ней для отвода масла, снимаемого нижней кромкой кольца и собирающегося в цилиндрической или конической В (см. рис. 256, а и е) проточке, расположенной непосредственно под кольцом. Диаметр отверстий для отвода масла примерно равен высоте канавки для масляного кольца. При установке маслосъемных колец скребкового типа дренажные отверстия располагают обычно в поясе ниже кольца (см. рис. 256, ё).
у дизелей меньше (в среднем 0,66), чем у карбюраторных двигателей (в среднем 0,72), что объясняется большим числом компрессионных колец и более широким жаровым поясом у дизелей.
У поршней дизелей нижнюю кромку иногда подрезают в виде скребка 2 (см. рис. 256, б) для снятия масла со стенок гильзы. В ко-роткоходных двигателях в нижней части направляющего пояса делают вырезы 3 для прохода противовесов коленчатого вала.
При неправильном положении оси пальца происходит перекашивание поршня в в. м. т., которое вызывает увеличение расхода масла, повышение шума при работе и навигационную эрозию наружных поверхностей гильз из-за высокочастотной вибрации их стенок. Для борьбы с этими явлениями следует по возможности уменьшить зазоры между гильзой и направляющим поясом.
У наружных и внутренних кромок отверстий под палец (при его изгибе) возникают значительные концентрации напряжений, которые могут вызвать усталостные разрушения. Для уменьшения концентрации напряжений наружные кромки делают с коническими подрезами, скруглениями и фасками (рис. 258, б). При скруглении наружной кромки концентрация напряжений снижается на 40%. У внутренних кромок отверстий под палец также часто снимают фаски (см. рис. 256, а и б), однако при этом усложняется обработка поршня.
Конструктивные размеры поршней с малой массой, применяемых в быстроходных дизелях, отличаются от размеров поршней дизелей грузовых автомобилей (см. рис. 256, е).
Часть поршня, расположенная над отверстием под палец, выполняется массивной. Для выравнивания давления и улучшения условий смазки во время такта расширения и впуска верхняя и нижняя опорные поверхности пальца в бобышках имеют неодинаковую длину (см. рис. 256, е).
X10″6 1 /°С. От разницы коэффициентов линейного расширения материалов поршня и гильзы и разности их температур зависит величина зазора между ними.
Величина зазора между поршнем и гильзой влияет на расход масла, уровень и спектр щумов, утечки газов из цилиндров в картер, износ поверхностей (гильзы, поршня, колец) и теплоотвод от поршня.
Тепловые деформации поршня в радиальных направлениях складываются с деформациями, вызываемыми овализацией поршня при нагрузке его нормальными силами. Вследствие этого поперечное сечение поршня делают овальными так, чтобы большая ось овала совпадала с направлением действия нормальной силы, а малая с продольной осью пальца. Поршень сужен по высоте в направлении днища и имеет овальные поперечные сечения.
Для повышения долговечности поршневой группы зазор между несущей поверхностью поршня и гильзой в нагретом двигателе должен быть по возможности малым и одинаковым по высоте поршня.
Неодинаковая жесткость уплотняющего пояса в различных радиальных направлениях в сочетании с неравномерностью температурного поля по окружности и высоте поршня может быть использована для его терморегулирования с целью установления минимально необходимых зазоров между поршнем и гильзой в рабочем состоянии.
В настоящее время в карбюраторных двигателях применяют поршни из алюминиевых сплавов следующих конструкций:
1) монометаллические с поперечными прорезями 1 (см. рис. 257, б и е) между уплотняющим и направляющим поясами;
2) биметаллические с поперечными прорезями 1 (рис. 259, а) и углублениями 3 в воне бобышек, перекрытыми стальными пластинами 2;
3) биметаллические терморегулируемые с поперечными прорезями и с жестким неразрезанным направляющим поясом (см. рис. 257, а и 259, б);
4) биметаллические терморегулируемые без поперечных и продольных прорезей с цилиндрическими вставками 5 и 4 (рис. 259, е и г).
5) монометаллические без прорезей (см. 257, д).
Поршни из алюминиевых сплавов с одной или двумя симметрично расположенными поперечными прорезями (см. рис. 257, в, г) устанавливают в холодном состоянии с малыми зазорами по всей высоте направляющего пояса, так как расширение при нагревании компенсируется уменьшением ширины продольных прорезей. Ниже приведены зазоры (в %) в этих поршнях при холодном состоянии двигателя, отнесенные к диаметру цилиндра (обозначения см. рис. 255):
По мере повышения тепловых и механических нагрузок на поршень необходимо увеличивать его прочность, жесткость и применять
автоматическое тепловое регулирование. Для осуществления терморегулирования в направляющий пояс поршней с поперечными прорезями и без них в зоне бобышек заливают стальные поперечные пластины 3 (рис. 257, а), с помощью которых в отливке создаются остаточные напряжения. При нагревании поршней из алюминиевого сплава стальные пластины (имеющие меньший коэффициент линейного напряжения) препятствуют тепловому расширению направляющего пояса по линии действия нормальной силы.
В терморегулируемых поршнях тепловое расширение должно сцениваться общим коэффициентом линейного расширения, зависящим не только от расширения материала поршня, но также и от остаточных напряжений и жесткости залитых стальных пластин.
т. е. примерно в 1,31,9 раза меньше, чем у алюминиевого сплава. В подобных конструкциях направляющую часть выполняют без продольных прорезей. Поверхность контакта поршня с гильзой при этом возрастает, что позволяет уменьшать монтажные зазоры между ними, так как эти детали при нагревании изменяются незначительно. При неразрезном направляющем поясе повышается точность изготовления поршня даже при относительно сложных профилях.
Биметаллические терморегулируемые поршни с поперечными прорезями изготовляют двух видов: 1) бобышки под палец соединены с днищем и нижней частью направляющего пояса широкими ребрами, а продольные стальные пластины 2 перекрывают между ними окна (рис. 259, е); 2) направляющий пояс сплошной и стальные пластины полностью залиты. В последнем случае можно получить больший терморегулирующий эффект, так как пластина связана с большей массой металла поршня (рис. 259, г ).
Максимальный эффект терморегулирования достигается при заливке в зоне бобышек широких перфорированных пластин (рис. 259, б) Измерения тепловых деформаций по высоте поршня показали, что число, площадь и форма отверстий в пластинах значительно влияют на форму направляющего пояса.
Терморегулирование достигается не только путем заливки двух отдельных поперечных пластин в зоне бобышек (рис. 260, а), но также и путем заливки стальных колец прямоугольного поперечного сечения (рис. 260, б) непосредственно над бобышками. При этом используют цельные, с разрывом, зубчатые кольца (для увеличения поверхности контакта и лучшего закрепления), а также полукольца.
у этих поршней небольшое. В зонах передачи нормальных сил в плоскости качания шатуна вставка 4 имеет упругий выступ. Вставка полностью залита в зонах бобышек поршня и выступов. В результате отсутствия попе-
речных прорезей между уплотняющей и направляющей частями повышаются структурная жесткость и теплоотвод от днища.
Как показали исследования, при нагревании стальные кольца препятствуют радиальным тепловым деформациям не только в плоскости их расположения, но и по всей высоте направляющего пояса.
Величину тепловых деформаций регулируют, подбирая толщину стенки направляющего пояса поршня и стальных пластин. Отношение толщины стенки и пластины обычно составляет 2 : 1 (толщина стенки 23 мм , пластины 1 1,5 мм ). В некоторых поршнях стальные пластины заливают неполностью (см. рис. 259, а, б и г), что связано с трудностью их фиксации при отливке. Одновременно регулирование формы и подбор размеров поршня производятся при переменной толщине основного материала.
В карбюраторных двигателях с жидкостным охлаждением при установке терморегулируемых поршней относительные диаметральные зазоры в холодном состоянии двигателя имеют следующие значения в % (см. рис. 255):
В дизелях применяют моно- и биметаллические неразрезные поршни. В биметаллические поршни заливают кольцевые пластины с прямоугольным поперечным сечением.
кВт/м 2 , являющейся основным критерием теплонапряженности поршней, может возникнуть необходимость применения принудительного их охлаждения путем опрыскивания внутренней поверхности днища маслом или организованной его циркуляции. В этом случае масло подводится непосредственно от коленчатого вала по каналу в стержне шатуна к распылителю с калиброванным отверстием, расположенному в поршневой головке шатуна, или распыли-вается через неподвижные форсунки, закрепленные в нижней части гильзы. Для повышения охлаждающего эффекта в литых поршнях устраивают ловушки (см. рис. 256, д), в которых масло взбалтывается. При организованном охлаждении масло подводится через шатун и палец под днище поршня, который в этом случае изготовляют с отлитыми лабиринтными каналами или составным (рис. 261, а и б).
При опрыскивании температура днища поршня снижается на 4520° С, а в конструкциях со взбалтыванием масла на 2530° С.
В цельнолитых поршнях при принудительном конвекционном охлаждении масло подводится к уплотняющему поясу в кольцевую полость (рис. 261, а). Соляные стержни каналов и полостей поршней изготавливают из водорастворимых солей и после отливки вымывают.
Составные теплона-пряженные поршни с направляющей частью из алюминиевого сплава и уплотняющей из чугуна скреплены болтами (рис. 261, б) или имеют днище с резьбой. Масса составных поршней на 30% больше, чем монометаллических из алюминиевого сплава. При организованном охлаждении расход масла, подводимого под давлением через шатун и палец, составляет 1,53 л/(Вт-ч). При охлаждении путем опрыскивания расход масла увеличивается до 5-6 л/(Вт-ч).
объема, и масло взбалтывается. Скорость
подачи масла должна быть не ниже 5 м/с, что соответствует турбулентному потоку и высокому коэффициенту теплоотдачи от металла к маслу. Температура в зоне первого компрессионного кольца при организованном охлаждении снижается на 90100° С.
На рис. 262 представлена диаграмма областей применения поршней различных конструкций в зависимости от частоты вращения для различных средних эффективных давлений.
нем эффективном давлении;
5) 1 Па среднего эффективного давления на 1011° С при постоянной частоте вращения.
Непостоянство температур как по высоте, так и в радиальных направлениях поршня вызвало необходимость изменения его профиля по высоте в различных поперечных сечениях.
При нагревании поршня его форма в конечном виде должна соответствовать форме гильзы, а зазоры между поршнем и гильзой во всех точках должны быть наименьшими. Тем самым будет обеспечиваться сохранность масляного слоя, снижаться температура межкольцевых перемычек и колец, уменьшаться утечки газов из цилиндра и повышаться эффективность работы маслссъемных колец.
Поршни изготавливаются с различными профилями по высоте: коническим, ступенчатым, сферическим, бочкообразным или по копир-ной кривой. При этом по высоте меняется также овальность поперечных сечений (см. кривые // и //// для однометаллического поршня из алюминиевого сплава (на рис. 263). Наибольшую овальность имеют сечения в зоне отверстия под поршневый палец и непосредственно над ним.
Профиль поршня и овальность его сечений подбирают эмпирическим путем для каждой вновь создаваемой конструкции, так как величина зазоров одновременно зависит от начальных деформаций гильзы, возникающих при сборке двигателя, и от последующего ее теплового расширения.
Несущую поверхность поршня проверяют на условное давление, которое подсчитывают по формуле
максимальной силы, действующей по оси
МПа. Величина его не оказывает заметного влияния на износы цилиндро-поршневой группы.
Источник
