Поршень

Функціонування поршня

Поршень — деталь циліндричної форми, що здійснює зворотно поступальний рух усередині циліндра, який служить для перетворення зміни тиску газу, пари або рідини в механічну роботу, або навпаки - зворотно-поступального руху в зміну тиску. У поршневому механізмі, на відміну від плунжерного, ущільнення розташовується на циліндричній поверхні поршня, зазвичай у вигляді одного або декількох поршневих кілець.

Функції поршня

Поршень, рухома деталь поршневої машини, що перекриває поперечний переріз її циліндра і рухається вздовж його осі. У двигунах, силових циліндрах, пресах поршень передає зусилля від тиску робочого тіла (газу, пари, рідини)до рухомих деталей. У деяких типах двигунів (наприклад, двотактних двигунах внутрішнього згоряння) поршень виконує також і газорозподільні функції. У насосах і компресорах поршень у процесі зворотно-поступального руху, здійснює засмоктування, стиск і подачу рідини чи газу. У залежності від відношення довжини поршня до діаметру і його конструкції розрізняють тронковий, дисковий і скальчатий поршень:

• тронковий поршень, довжина якого трохи перевищує діаметр, має голівку з днищем і рівцями для поршневих кілець та спрямовуючу спідницю;
• висоту дискового поршня визначає лише розмір ущільнювального пристрою, а напрямним елементом служить шток, на якому встановлений поршень;
• скальчатий поршень (плунжер) виконують зазвичай з гладкою поверхнею, довжина його у декілька разів перевершує діаметр.

Визначення поршневої машини

Поршнева машина, пристрій, в якому основні функції з перетворення енергії робочого тіла виконує поршень. При його русі разом зі зміною обсягу камери, яку він утворює з циліндрів поршневими м., змінюються параметри (тиск, температура і ін) робочого тіла. При роботі Поршнева м. енергія робочого тіла може знижуватися (двигун) або підвищуватися (насос, компресор і т.п.). Впуск і випуск робочого тіла в циліндр Поршнева машина регулюються розподільчим пристроєм (див. газорозподілу, паророзподіл) за допомогою клапанів, золотників або самого поршня (див. Двотактний двигун).

Будова

Поршень

Поршень складається з трьох частин, які виконують різні функції

• дно
• ущільнювальна частина
• напрямна частина

Дно і ущільнююча частина утворюють голівку поршня. Для передачі зусилля від поршня (або навпаки) може використовуватися шток або шатун, який з'єднується з поршнем за допомогою пальця. Інші способи передачі зусилля використовуються рідше. У деяких випадках шток може грати роль направляючого пристрою.

Поршень може бути одностороннім або двостороннім. В останньому випадку поршень має два дна.

Дно

Форма дна залежить від функції, що покладена на поршень. Наприклад, у двигунах внутрішнього згорання форма залежить від розташування свічок, форсунок, клапанів, конструкції двигуна та інших факторів. При угнутій поверхні дна утворюється найраціональніша форма камери згорання, але в ній інтенсивніше відбувається відкладання нагару. При опуклій формі дна збільшується міцність поршня, але погіршується форма камери згорання. У деяких двотактних двигунах дно поршня виконується в вигляді виступу-відбивача для спрямування руху продуктів згорання при продувці. Відстань від дна поршня до рівця першого компресійного кільця називають вогневим поясом поршня. Залежно від матеріалу, з якого зроблений поршень, вогневий пояс має мінімально допустиму висоту, подальше зменшення якої може привести до прогорання поршня уздовж зовнішньої стінки, а також руйнування посадкового місця верхнього компресійного кільця.

Ущільнююча частина

Функції ущільнення, що виконуються поршневою групою, мають велике значення для нормальної роботи поршневих двигунів. Про технічний стан двигуна судять по ущільнюючій здатності поршневої групи. Наприклад, в автомобільних двигунах не допускається, щоб втрата оливи внаслідок надлишкового проникнення (підсмоктування) в камеру згоряння перевищував 3% від витрати палива. При згоранні оливи спостерігається підвищена димність відпрацьованих газів та двигуни знімаються з експлуатації незалежно від значення показників потужності та інших характеристик.

В ущільнюючій частині поршня розташовуються компресійні і маслознімні кільця. У деяких конструкціях поршнів з алюмінієвих сплавів у його голівку залитий ободок з корозійностійкого чавуну (нірезіста), в якому прорізано рівець для верхнього найнавантаженішого компресійного кільця. Завдяки цьому значно збільшується зносостійкість поршня. Кільцеві канали для маслознімних кілець виконуються з наскрізними отворами, через які олива, знята з дзеркала циліндра, поступає всередину поршня і стікає в піддон картера двигуна.

Направляюча частина

Направляюча частина (тронка) служить для спрямування руху поршня в циліндрі і має два приливи (бобишки) для встановлення поршневого пальця. Оскільки маса поршня у приливах виявляється більшою, ніж в інших частинах направляючої частини, температурні деформації при нагріванні в площині бобишок також будуть найбільшими. Для зниження температурних напружень поршня з двох сторін, де розташовані бобишки, з поверхні направляючої частини, видаляють метал на глибину 0,5-1,5 мм. Ці поглиблення, покращують змащування поршня в циліндрі і перешкоджають утворенню задирів від температурних деформацій, називаються «холодильниками». У нижній частині направляючої частини також може розташовуватися маслознімне кільце.

Класифікація поршнів

Поршні для дизельних двигунів

Поршні для дизельних двигунів виконуються товстостінними, високими, з масивним дном і бобишками. Вони повинні зберігати працездатність при високих тисках в циліндрі і помірних швидкостях обертання валу двигуна. Для підвищення ресурсу по канавках для компресійних кілець в поршень може бути залита вставка зі спеціального чавуну (нірезіста), в якій і нарізається одна або дві канавки. Камери згоряння, виконані в дні поршня, мають різну форму. Ресурс країв камери згоряння можна підвищити, нанісши на неї теплозахисне покриття і ввівши масляне охолоджування. Елліпсність направляючої частини відносно діаметру незначна. Направляюча частина поршня може мати антифрикційне покриття.

Поршні для бензинових двигунів

Поршні для бензинових двигунів представляють клас легких тонкостінних поршнів, здатних зберігати працездатність при високих швидкостях обертання валу двигуна і помірних тисках в циліндрі. До особливостей конструкції можна віднести зсув пальцевого отвору щодо осі поршня у бік проти обертання для зменшення шуму. На напрвляючій частині поршня можуть бути нанесені пріработочне покриття або мікропрофіль. Легкі поршні для спортивних двигунів не мають зміщення пальцевого отвору щодо осі циліндра.

Поршні тепловозної і суднової тематики

Тепловозні поршні відносяться до групи дизельних поршнів. Всі вони мають відкриту камеру згорання. Поршень Д67 мм (Ø310 мм) виконаний масляним охолодженням головки за допомогою залитого в товщину поршня змійовика із сталевої трубки.

Поршні для компресорів

Компресорні поршні характеризуються відносно малими навантаженнями, у зв'язку з чим виконуються тонкостінними не тільки по направляючій частині, але й по дну. Як правило, компресорні поршні циліндричні.

Конструктивні особливості поршня

Поршень двигуна

Подробиці, пов'язані з конструктивними елементами поршнів, дозволяють глибше зрозуміти складність завдань, що стоять перед виробниками. Головка поршня - це його верхня частина, яка включає дно і зону канавок під поршневі кільця. Разом з головкою циліндра дно поршня утворює камеру згоряння. Камера згорання може бути виконана і в голівці. На дно діють тиск газів і тепло від згоряння палива. Головка поршня повинна:

• забезпечувати хороше утворення суміші і повноту згоряння палива;
• зберігати міцність при високій температурі;
• забезпечувати відведення тепла від днища;
• передавати зусилля на поршневий палець і шатун через бобишки;
• забезпечувати заданий ресурс по зносу канавок під поршневі кільця.

У дизельних двигунах з безпосереднім упорскуванням камера згоряння, як правило, виконується в поршні і має великий вплив на процеси сумішоутворення і горіння. У дизельних двигунах з передкамерним упорскуванням і бензинових двигунах дно поршня плоске або має невеликі вибірки.

Головка алюмінієвих поршнів може бути анодирована (нанесено захисне окисне покриття). У дизельних двигунах камера згорання може бути зміцнена шляхом армування металокерамічним волокном в процесі лиття під тиском.

Канавки під поршневі кільця розташовуються на бічній поверхні головки поршня. Зазвичай їх три: дві під компресійні і одна під масло'ємні кільця. Поршневі кільця утворюють ущільнення між поршнем і стінкою циліндра, не допускаючи прориву гарячих газів в картер і масла в камеру згоряння. Перемички між канавками (особливо між першою і другою для компресійних кілець) піддаються високим механічним і тепловим навантаженням - 50-60% тепла відводиться в циліндр через компресійні кільця. Нерівномірне нагрівання і теплове розширення головки може призвести до порушення форми канавок. Це негативно впливає на витрату масла і викликає знос стінки циліндра і самої канавки. Для усунення цього явища кільцеві канавки виконуються під невеликим кутом так, щоб зовнішні крайки були вищими за внутрішні. Це перешкоджає появі небажаного нахилу поперечного перерізу канавки вниз на робочих режимах.

До канавок верхніх компресійних кілець пред'являються особливо жорсткі вимоги, особливо в дизельних двигунах з високим ступенем стиснення. Для зміцнення ці канавки часто армуються спеціальними вставками, виготовленими з нірезіста (легований нікелем чавун), або зона канавки зміцнюється шляхом плазмового переплаву з присадкою легуючих компонентів. Ці заходи підвищують зносостійкість і знижують шум в дизельному двигуні. Є найбільш поширені типи вставок з паралельними сторонами і вставки з конусоподібними сторонами. Існують нірезістові вставки з одною канавкою або, в деяких високофорсованих дизельних двигунах, з двома канавками під компресійні кільця. Іноді до нижньої торцевої поверхні канавки першого компресійного кільця прикріплюється смужка з нержавіючої сталі, що виконує ту ж функцію, що і нірезістова вставка.

Через поршневий палець в процесі роботи передаються значні змінні зусилля і теплові потоки. Тому поверхні пальцевих отворів в поршні повинні бути оброблені з високою точністю, при цьому шорсткість поверхні може досягати 0,1 мкм. Для зниження напружень на крайках бобшків і в пальці з внутрішньої сторони отворів іноді виконується конус з невеликим кутом (менш 1 градуса). Важливим конструктивним прийомом для зниження шуму, що виникає при перекладці поршня поблизу верхньої мертвої точки, є зміщення пальцевого отвору від осі поршня в напрямку того боку направляючої частини поршня, яка сприймає бічну силу при робочому ході. У цьому випадку на поршень обов'язково наноситься мітка для правильної установки в двигун.

Матеріали

До матеріалів, що застосовуються для виготовлення поршнів автотракторних двигунів, пред'являються наступні вимоги:

• висока механічна міцність;
• мала щільність;
• хороша теплопровідність;
• малий коефіцієнт лінійного розширення;
• висока корозійна стійкість;
• хороші антифрикційні властивості.

Для двигунів автомобільного типу поршні виготовляють в основному з алюмінієвих сплавів і чавуну. Застосовуються також чавун, сталь і магнієві сплави.

Чавун

З легованого сірого і високоміцного чавунів типів СЧ 24-СЧ 45 і ВЧ 45-5 виготовляють поршні форсованих тепловозних і середньооборотних двигунів.

Переваги:

• Поршні з чавуну міцні і зносостійкі.
• Завдяки невеликому коефіцієнту лінійного розширення вони можуть працювати з відносно малими зазорами, забезпечуючи хороше ущільнення циліндра.

Недоліки:

• Чавун має досить велику питому вагу. У зв'язку з цим область застосування чавунних поршнів обмежується порівняно з тихохідними двигунами, в яких сили інерції зворотньо рухомих мас не перевершують однієї шостої від сили тиску газів на дно поршня.
• Чавун має низьку теплопровідність, тому нагрів дна у чавунних поршнів досягає 350-400 ° C. Такий нагрів небажаний особливо в карбюраторних двигунах, так як він служить причиною виникнення детонації.

Алюмінієві сплави

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 опру елементів поршня, що в поєднанні з хорошою теплопровідністю, властивої даними матеріалами, дозволяє зменшувати теплонапружності деталей поршневої групи. До позитивних якостей алюмінієвих сплавів слід віднести малі значення коефіцієнта тертя в парі з чавунними або сталевими гільзами.

Переваги:

• Мала маса (як мінімум на 30% менше в порівнянні з чавунними).
• Висока теплопровідність (в 3-4 рази вище теплопровідності чавуну), що забезпечує

нагрів дна поршня не більше 250 ° C і сприяє кращому наповненню циліндрів, дозволяє підвищити ступінь стиснення в бензинових двигунах.

• Хороші антифрикційні властивості.

Для виготовлення поршня використовують такі марки алюмінієвих сплавів:КС740,КС741,АК18,ЖЛС,АК10М2Н.

Недоліки:

Недоліками алюмінієвих поршневих сплавів є: великий коефіцієнт лінійного розширення (приблизно в 2 рази більший, ніж у чавуну), значне зменшення механічної міцності при нагріванні (нагрівання до температури 300 ° С знижує їх міцність на 50-55% проти 10% у чавуну) і порівняно мала зносостійкість. Однак сучасні методи виробництва і конструкції алюмінієвих поршнів дозволяють використовувати алюмінієві сплави для поршнів будь-яких швидкохідних автомобільних двигунів.

Магнієві сплави

Втратили практичну цінність і поршні з магнієвих сплавів, основу яких становить магній, сплавлений з 5-10% алюмінію. Такі сплави відрізняються малою питомою вагою (1,8 г/см³, або 1,8*10³ Н/м³), але не мають потрібної міцності.

Недоліки

Так як поршень є основною частиною двигуна, то його рух створює дисбаланс.Цей дисбаланс зазвичай проявляється у вигляді вібрації.Тертя між стінками циліндра та поршневими кільцями в кінцевому підсумку призводить до зносу, зниження ефективної роботи механізму.

Звук, вироблений поршневою машиною, може бути нестерпним і в результаті багато поршневих машин залежать від важкого устаткування шумового придушення, щоб зменшити гудіння і гучність.

Посилання

• Поршневая группа: Поршень
• ООО"ТДМК"
• Як виготовляють поршні