Поршневые кольца

Поршневые кольца работают в условиях высоких температур и значительных переменных нагрузок, выполняя три основные фун­кции:

· герметизации надпоршневого пространства в целях максима­льно возможного использования тепловой энергии топлива;

· отвода избыточной доли теплоты от поршня в стенки цилин­дра;

· «управление маслом», т. е. рационального распределения ма­сляного слоя по зеркалу цилиндра и ограничения попадания масла в камеру сгорания.

Выполнение этих функций на современных двигателях обеспечи­вает комплект колец, как правило, состоящий из трех колец: двух компрессорных и одного маслосьемного.

Наиболее нагруженным, особенно в тепловом отношении, явля­ется первое (верхнее) компрессионное кольцо, температура которо­го достигает 200…250 °С. Обычно оно изготовляется из легирован­ного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, имеющим предел прочности 1100…1400 МПа, легирующие добавки хрома, никеля, молибдена и других металлов способствуют повышению термостойкости компрессионных колец до 340 °С. Тем не менее для наиболее высокофорсированных дизелей и бензиновых двигателей применяются верхние компрессионные кольца, изготовленные из высокоуглеродистых сталей с пределом прочности 1400…1500 МПа и выше. В целях повышения износостойкости на компрессион­ные кольца в обязательном порядке наносятся специальные износо­стойкие покрытия. Чаще всего в качестве такого покрытия исполь­зуется электролитическое хромирование слоем (0, 10…0, 15 мм) твердого хрома, или слоем еще более тугоплавкого и износостойкого молибдена. Известное в прошлом пористое хромирование, наносимое на прямую наружную поверхность кольца (рис. 17, а), используется редко. Более широкое распространение сейчас находит твердое хромирование с приданием наружной поверхности специ­ального симметричного или несимметричного бочкообразного про­филя (рис. 17, б и в).

Рис. 17. Профили верхних компрессионных колец двигателей легковых автомобилей:

а - прямое с фисками и пористым хромированием; б - то же, но с молибденом в канавке на наружной поверхности; в - с симметричной бочкообразной наружной поверхностью; г - с несимметричной бо­чкообразной наружной поверхностью; д - с закру­чиванием с помощью угловой фаски; е - с закручи­ванием с помощью проточки на внутренней поверх­ности

Второе компрессионное кольцо практически является компрессионно-маслосъемным. Оно работает в более «мягких» условиях по давлению, температуре и смазке, чем первое ком­прессионное кольцо. Для его использования приме­няется серый легирован­ный чугун с пластинчатым графитом как с износо­стойким покрытием, так и без специальных покры­тий. Кроме уплотнения надпоршневого простран­ства второе кольцо обес­печивает «управление мас­лом», снимая его со стенок цилиндра при ходе по­ршня вниз и осуществляя пропуск некоторого количества масла при ходе поршня вверх. Эта функция определяет и специальные «скребковые» профили компрессионно-маслосъемных колец (рис. 18).

Рис. 18. Профили компрессионно-маслосъемных колец:

а - простое скребковое; б - скребковое минутное; в - минутное;

г - прямого закручивания; д - об­ратного закручивания

Третье кольцо - маслосъемное - обеспечивает съем масла с зеркала цилиндра и сброс его в картер через отверстия в канавке кольца. Наиболее важными качествами маслосъемных колец явля­ются хорошая приспособляемость к форме цилиндра и высокое давление на стенки цилиндра, необходимые для эффективного съема масла. Специфические условия работы и функций маслосъем­ных колец определяют и соответствующие требования к их конст­рукции и материалу.

На современных двигателях применяются два основных типа колец: а) коробчатые кольца с расширителем в виде эспандерной или спиральной пружины; б) наборные кольца, состоящие из двух дисков и двухфункциональных расширителей (рис. 19). Короб­чатые кольца изготовляются из серого легированного чугуна, спо­собного длительное время работать в паре с чугунной гильзой цилиндра без специальных покрытий, хотя некоторые двигатели имеют маслосъемные кольца с хромированной наружной поверх­ностью. Изготовляются хромированные коробчатые маслосъемные кольца и методом проката из стальной калиброванной ленты.

Рис. 19. Схема наборного маслосъемного кольца с двухфункциональным расширителем: 1 - дис­ки; 2 - двухфункциональный рас­ширитель

Для изготовления элементов наборных колец также использует­ся стальная калиброванная лента. Тонкие диски кольца (0, 50…0, 63 мм) изготовляются из углеродистой стальной ленты, наружная поверхность которых хромируется. Двухфункциональные расшири­тели, обеспечивающие удержание дисков в канавке поршня на опре­деленном расстоянии друг от друга и равномерное их прижатие к зеркалу цилиндра, изготовляются из нержавеющей хромоникелевой стальной ленты. В процессе изготовления лента нагартовывается и приобретает пружинные свойства, которые она практически не теряет в процессе эксплуатации.

Основными конструктивными параметрами поршневых колец являются: отношение диаметра цилиндра к радиальной толщине кольца D/t; отношение разности между величинами зазоров замка кольца в свободном и ра­бочем состояниях к тол­щине кольца A₀/t, высота кольца а. Значения конст­руктивных параметров по­ршневых колец бензино­вых двигателей и дизелей представлены в табл. 12.

Пользуясь данными табл. 12, следует учиты­вать, что современную те­нденцию уменьшения габаритов и массы двигателя осуществляют, прежде всего, за счет высоты и массы поршня. У со­временных двигателей высота ко­лец значительно уменьшена. Так высота верхнего компрессионно­го кольца бензиновых двигателей составляет всего 1, 2…1, 5 мм, а дизелей - 2, 5…3, 0 мм. На­иболее распространены верхние кольца дизелей высотой 2, 0 мм а при малых диаметрах цилиндра высота первого кольца дизеля мо­жет быть 1, 75 мм и даже 1, 5 мм.

Средние кольца современных бензиновых двигателей имеют вы­соту 1, 50…1, 75 мм, а дизелей - 2, 0…2, 5 мм. Средние кольца, как правило, имеют увеличенную радиальную ширину.

Тенденция уменьшения высоты поршневых колец касается и вы­соты маслосъемных колец. За последние 8…10 лет высота колец снизилась с 2, 8…4, 75 мм до 2, 0…2, 5 мм у целого ряда двигателей выпуска последних лет.

Расчет колец заключается:

· в определении среднего давления кольца на стенку цилиндра, которое должно обеспечивать достаточ­ную герметичность камеры сгорания и не должно резко увеличивать потери мощности двигателя на трение колец о стенки цилиндра;

· в построении эпюры давления кольца по окружности;

· в определе­нии напряжений изгиба, возникающих в сечении, противоположном замку, при надевании кольца на поршень и в рабочем состоянии;

· в установлении монтажных зазоров в прямом замке кольца.

Среднее давление (МПа) кольца на стенку цилиндра

, (5.35)

где Е - модуль упругости материала кольца (для серого чугуна Е = 1·10⁵ МПа, для легированного чугуна Е = 1, 2·10⁵ МПа, для стали Е = (2…2, 3)·10⁵ МПа);

А₀ - разность между величинами зазо­ров кольца в свободном и рабочем состояниях (см. табл. 12.1).

Допустимое среднее радиальное давление р_СР (МПа):

· для компрессионных колец …………….. 0, 11…0, 37

· для маслосьемных колец ……………….. 0, 2…0, 4

При снижении частоты вращения двигателя и увеличении диаме­тра цилиндра величина р_СР должна иметь значение ближе к нижнему пределу. Для обеспечения хорошей приработки кольца и надежного уплотнения давление р кольца на стенку цилиндра у замка должно быть повышенным. Практикой установлено, что это повышение должно составлять для колец бензиновых двигателей пример, но (1, 4…2, 0)·р_СР, а для дизелей - (1, 8…2, 5)·р_СР. При этом эпюра давления кольца на стенки цилиндра может иметь грушевидную или каплевидную форму (рис. 20 и 21). Новое кольцо, изготовленное с заранее заданной эпюрой давления и установленное в цилиндр, не должно иметь просветов между своей наружной поверхностью и зеркалом цилиндра. Значительное повышение давления у замка способствует равномерному износу кольца по окружности.

Напряжения изгиба кольца (МПа), возникающие в сечении коль­ца, противоположном замку:

- в рабочем состоянии

, (5.36)

- при надевании его на поршень

, (5.37)

где m - коэффициент, зависящий от способа надевания кольца (при расчете принимается m = 1, 57). Допустимые напряжения при изгибе кольца [σ _Ю] = 220…450 МПа. Нижний предел относится к двига­телям с большим диаметром цилиндра. Обычно σ _из1 > σ _из2 на 10…30%.

Рис. 20. Грушевидная эпюра давления компрессионного кольца бензинового двигателя на зеркало цилиндра	Рис. 21. Каплевидная эпюра давления компрессионного кольца дизеля на стенку цилиндра

Монтажный зазор (мм) в прямом замке поршневого кольца в холодном состоянии

, (5.38)

где Δ ´ _К - минимально допустимый зазор в замке кольца во время работы двигателя (Δ ´ _К = 0, 06…0, 10 мм);

α _К и α _Ц - коэффициенты линейного расширения материала кольца и гильзы цилиндра;

Т_К, Т_Ц и Т₀ - соответственно температура кольца, стенок цилиндра в рабочем состоянии и начальная температура Т₀ = 293 К; при жидкостном охлаждении Т_Ц = 383…388, Т_К = 473…573 К; при воз­душном Т_Ц = 443…463, Т_К = 523…723 К