Поршень

Наиболее напряженным элементом поршневой группы является поршень (рис. 19), воспринимающий высокие газовые, инерцион­ные и тепловые нагрузки. Его основными функциями являются уплотнение внутрицилиндрового пространства и передача газовых сил давления с наименьшими потерями кривошипно-шатунному механизму. Поршень представляет собой достаточно сложную де­таль как в отношении самой конструкции, так и в отношении технологии и подбора материала при его изготовлении.

Основными тенденциями совершенствования поршней современ­ных двигателей является снижение их массогабаритных параметров, повышение прочности и износостойкости, а также снижение коэф­фициента линейного расширения, что очень важно для получения минимального теплового зазора между поршнем и цилиндром без заклинивания.

Поршни автотракторных двигателей изготавливаются в основ­ном из алюминиевых сплавов и реже из чугуна. В качестве алюми­ниевых сплавов использовались эвтектические сплавы алюминия с кремнием, содержание которого в сплаве не превышало 12…13%. Однако постоянно растущий уровень форсирования двига­телей, особенно двигателей с турбонаддувом и дизелей, требовал перехода на более термопрочные материалы для изготовления по­ршней. В настоящее время новые двигатели имеют поршни, изгото­вленные из заэвтектических сплавов алюминия с кремнием, содер­жание которого достигает 18 и более процентов. Для улучшения физико-механических свойств заэвтектических сплавов применяется Их легирование никелем, магнием, медью, хромом и специальные технологии литья или горячей штамповки.

Рис. 19. Схема поршня

Чугунные поршни по сравнению с алюминиевыми обладают более высокими показателями твердости, износостойкости и жаропрочности, а также одинаковым коэффициентом линейного расшире­ния с материалом гильзы цилиндра. Однако большая плотность чугунного поршня не позволяет его использовать для высокообо­ротных двигателей. В настоящее время все серийно выпускаемые двигатели легковых автомобилей имеют поршни из алюминиевых сплавов.

Дальнейшее совершенствование поршней предусматривает ши­рокое использование для их изготовления композиционных матери­алов. Основу этих материалов составляют легкие и не очень про­чные материалы (например, алюминий), которые «насыщаются» высокопрочными полимерными, керамическими или металлически­ми волокнами. Эти волокна не только жестко связывают молекулы основного материала, но и воспринимают значительную нагрузку как механическую, так и тепловую. Перспективным является ар­мирование элементов поршня керамическими волокнами из оксида алюминия Аl₂О₃ и диоксида кремния SiО₂, что способствует высо­кой термической стабильности поршня.

Основные конструктивные соотношения размеров элементов по­ршня (см. рис. 19) приведены в табл. 16. Величину верхней части поршня h₁ выбирают, исходя из обеспечения одинакового давления опорной поверхности поршня по высоте цилиндра и прочности бобышек, ослабленных отверстиями для пропуска масла. Высота головки поршня h_Г, включающая огневой пояс е, устанавливается исходя из обеспечения нормального температурного режима ее элементов — толщины днища поршня и размещения компрессион­ных и маслосъемного колец. Высота юбки h_Ю определяется вели­чиной необходимого теплового зазора между юбкой поршня и ци­линдром. Чем меньше этот зазор, тем короче можно сделать юбку поршня, снизив ее массу.

При работе двигателя температура потока горящей топливо-воздушной смеси, омывающей днище поршня, сильно меняется от минимальной при пуске и прогреве двигателя до максимальной на режимах наибольших нагрузок. При этом максимальную тем­пературу имеет днище поршня, а минимальную - юбка. Распреде­ление средней температуры при работающем двигателе по высоте поршня показано на рис. 20, а. С учетом такого распределе­ния температуры профиль поршня по высоте выполняется одной из следующих форм: ступенчатой (рис. 20, б), конической или лекальной.

Значительная часть теплового потока от днища и огневого пояса поршня быстро уходит в стенку цилиндра через поршневые кольца и только часть теплоты передается в бобышки, а затем и в юбку поршня. При этом отвод теплоты от бобышек значительно меньше, чем от стенок юбки, которые контактируют со стенками цилиндра. В результате по оси бобышек поршень расширяется значительно больше и становится овальным (рис. 20, в). Оптимальная форма поршня для вновь проектируемого двигателя подбирается в резуль­тате кропотливых и длительных экспериментов.

Наиболее общими конструктивными и технологическими на­правлениями при разработке поршней современных двигателей является:

· уменьшение расстояния от днища поршня до оси бобышек
в целях снижения высоты и массы двигателя;

· уменьшение высоты юбки поршня и снижение веса за счет вырезов в наименее нагруженных местах (Х-образные поршни);

· нанесение на днище и верхнюю канавку поршня износо- и те­рмостойкого покрытия, преобразующего поверхностный слой алю­миния в керамику Аl₂О₃;

· снижение теплового расширения поршня за счет заливки в его тело стальных терморегулирующих вставок;

· покрытие юбки поршня тонким (0, 003…0, 005 мм) слоем олова, свинца или оловянно-свинцового сплава в целях быстрой Приработки, а также уменьшения трения и снижения износа;

· уменьшение внешнего и внутреннего диаметров пальцев;

· переход на плавающие пальцы малой длины с фиксацией шатуна от осевых перемещений в бобышках поршня;

· снижение высоты колец;

· применение специальных конструктивных и технологических Элементов, улучшающих смазку и уменьшающих износ пары: поршень – цилиндр.

Рисунок 20. Изменение температуры по высоте поршня и зазоров между поршнем и зеркалом цилиндра в разных сечениях:

а - изменение температуры по высоте поршня; б - изменение зазоров между поршнем и зерка­лом цилиндра; в - изменение площади поперечного сечения поршня;

— - окружность цилинд­ра; — — — - профиль холодного поршня;

- · - · - - рабочий режим; ········ - перегрев;

А – места заклинивания юбки поршня в цилиндре при перегреве

Таблица 16. Размеры элементов поршня

Название элемента	Бензиновые двигатели	Дизельные двигатели
Толщина днища поршня	(0, 05…0, 09)·D	(0, 12…0, 2)·D
Высота поршня	(0, 8…1, 2)·D	(1, 0…1, 5)·D
Высота огневого (жарового) пояса	(0, 06…0, 09)·D	(0, 11…0, 2)·D
Толщина первой кольцевой перемычки	(0, 03…0, 05)·D	(0, 04…0, 06)·D
Высота верхней части поршня	(0, 45…0, 75)·D	(0, 6…1, 0)·D
Высота юбки поршня	(0, 6…0, 75)·D	(0, 6…0, 7)·D
Внутренний диаметр поршня	D – 2·(s + t)+ Δ t
Толщина стенки головки поршня	(0, 05…0, 1)·D	(0, 05…0, 1)·D
Толщина стенки юбки поршня	1, 5…4, 5	2, 0…5, 0
Радиальная толщина кольца	компрессионного	(0, 035…0, 045)·D	(0, 04…0, 045)·D
маслосъемного	(0, 03…0, 043)·D	(0, 038…0, 043)·D
Радиальный зазор кольца в канавке поршня	компрессионного	0, 7…0, 95	0, 7…0, 95
маслосъемного	0, 9…1, 1	0, 9…1, 1
Высота кольца	1, 5…4, 0	3, 0…5, 0
Разность между величинами зазоров замка кольца в свободном и рабочем состоянии	(2, 5…4)·t	(3, 2…4)·t
Число масляных отверстий в поршне	6…12	6…12
Диаметр масляного канала	(0, 3…0, 5)·a	(0, 3…0, 5)·a
Диаметр бобышки	(0, 3…0, 5)·D	(0, 3…0, 5)·D
Расстояние между торцами бобышек	(0, 3…0, 5)·D	(0, 3…0, 5)·D
Наружный диаметр поршневого пальца	(0, 22…0, 28)·D	(0, 30…0, 38)·D
Внутренний диаметр поршневого пальца	(0, 65…0, 75)·D	(0, 50…0, 70)·D
Длина пальца	закрепленного	(0, 85…0, 9)·D	(0, 85…0, 9)·D
плавающего	(0, 78…0, 88)·D	(0, 80…0, 85)·D
Длина головки шатуна	Закрепленного пальца	(0, 28…0, 32)·D	(0, 28…0, 32)·D
Плавающего пальца	(0, 33…0, 45)·D	(0, 33…0, 45)·D

Поверочный расчет элементов поршня осуществляется без учета переменных нагрузок, величина которых учитывается при установ­лении соответствующих допускаемых напряжений. Рассчитывают днище, стенку головки, верхнюю кольцевую перемычку, опорную поверхность и юбку поршня.

Днище поршня рассчитывается на изгиб от действия максималь­ных газовых усилий р_z.max, как равномерно нагруженная круглая плита, свободно опирающаяся на цилиндр. Для бензиновых двигателей наибольшее давление газов достигается при работе на режиме максимального крутящего момента. Для дизелей максимальное давление газов обычно достигается при работе на режиме мак­симальной мощности.

Напряжение изгиба (МПа) в днище поршня

, (5.20)

где - изгибающий момент, МН·м;

- момент сопротивления изгибу плоского днища, м³;

р_z.max = p_z - максимальное давление сгорания, МПа;

- внут­ренний радиус днища, м.

При отсутствии у днища ребер жесткости допустимые значения напряжений [σ _из] (МПа) лежат в пределах:

· для поршней из алюминиевых сплавов ……… 20…25

· для чугунных поршней ………………………. 40…50

При наличии ребер жесткости [σ _из] возрастают:

· для алюминиевых поршней …………………… до 50…150

· для чугунных …………………………………… 80…200

Кроме напряжений от давления газов в днище поршня возника­ют тепловые напряжения из-за разности температур внутренней и наружной поверхностей. Тепловые напряжения (МПа) охлажда­емых чугунных поршней

, (5.21)

где α = 11·10^-6 - коэффициент линейного расширения чугуна, 1/град;

Е = (1, 0…1, 2)·10⁵ - модуль упругости чугуна, МПа;

q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м²;

δ - толщина днища, см;

λ _теп = 58 - коэффициент теплопроводности чугуна, Вт/(м·К).

Для четырехтактных двигателей приближенно

, (5.22)

где n - частота вращения, мин^-1 (для бензиновых двигателей n = n_M, а для дизелей n = n_N);

р_i - среднее индикаторное давление, МПа (для бензиновых двигателей при n_M, а для дизелей при n_N).

Суммарное напряжение (МПа) в охлаждаемом чугунном днище

, (5.23)

Из уравнения (5.23) следует, что с уменьшением толщины днища поршня тепловые напряжения уменьшаются, а напряжения от газо­вых сил увеличиваются. Допустимые суммарные напряжения в чу­гунных днищах автомобильных и тракторных двигателей находятся в пределах [σ _Σ ] = 150…250 МПа.

Тепловые напряжения охлаждаемых алюминиевых поршней обычно определяются термометрированием при эксперименталь­ных исследованиях. Головка поршня в сечении х - х (см. рис. 15), ослабленная отверстиями для отвода масла, проверяется на сжатие и разрыв.

Напряжение сжатия (МПа)

, (5.24)

где P _z.max = p_z·F_П - максимальная сила давления газов на днище поршня, МН;

F _X-X - площадь сечения х - х, м²:

, (5.25)

где d_K = D - 2(t + Δ t) - диаметр поршня по дну канавок, м²;

F' = [(d_K - d_i)/2]·d_M - площадь продольного диаметрального сечения масляного канала, м².

Допустимые напряжения на сжатие для поршней из алюмини­евых сплавов [σ _сж] = 30…40 МПа, а чугунных - [σ _сж] = 60…80 МПа.

Напряжение разрыва (МПа) в сечении х - х

, (5.26)

Сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс (МН) определяется для режима максимальной частоты вращения при холостом ходе двигателя

, (5.27)

где m_X-X - масса головки поршня с кольцами, расположенная выше сечения х - х (см. рис. 19), определяемая по геометричес­ким размерам или m_X-X = (0, 4…0, 6)·m_П, кг;

m_П - масса поршневой группы, кг;

R - радиус кривошипа, м;

W_X.X.MAX = π ·n_X.X.MAX/30 - макси­мальная угловая скорость холостого хода двигателя, рад/с;

λ = R/L - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Допустимые напряжения на разрыв для поршней из алюмини­евых сплавов [σ _P] = 4…10 МПа, а для чугунных - [σ _P] = 8…20 МПа.

Толщина верхней кольцевой перемычки h_П (см. рис. 15) фор­сированных двигателей с высокой степенью сжатия рассчитывается на срез и изгиб от действия максимальных газовых усилий р_Z.MAX. Перемычка рассчитывается как кольцевая пластина, защемленная до окружности основания канавки диаметром d_K = D - 2·(t + Δ t) и равномерно нагруженная по площади F_К.П = π ·(D² - d_K²) силой Р_K = 0, 9·p_z.max·F_К.П.

Напряжение среза кольцевой перемычки (МПа)

, (5.28)

где D и h_П - диаметр цилиндра и толщина верхней кольцевой перемычки, мм.

Напряжение изгиба кольцевой перемычки

, (5.29)

Сложное напряжение по третьей теории прочности

, (5.30)

Допускаемые напряжения σ _Ʃ (МПа) в верхних кольцевых пере­мычках с учетом значительных температурных нагрузок находятся в пределах:

· для поршней из алюминиевых сплавов 30…40

· для чугунных поршней 60…80

Максимальные удельные давления (МПа) юбки поршня h_Ю и всей высоты Н поршня на стенку цилиндра определяются со­ответственно из уравнений:

, (5.31)

, (5.32)

где N_MAX - наибольшая нормальная сила, действующая на стенку цилиндра при работе двигателя на режиме максимальной мощности и определяемая по данным динамического расчета.

Для современных автомобильных и тракторных двигателей q₁ = 0, 3…1, 0 и q₂ = 0, 2…0, 7 МПа.

В целях предотвращения заклинивания поршней при работе двигателя размеры диаметров головки D_Г и юбки D_Ю поршня опре­деляют, исходя из наличия необходимых монтажных зазоров и между стенками цилиндра и поршня в холодном состоянии. По статистическим данным для алюминиевых поршней с неразрезными юбками = (0, 004…0, 006)·D и = (0, 001…0, 002)·D, а для чугунных поршней = (0, 006…0, 008)·D и = (0, 001…0, 002)·D. Уста­новив и , определяют D_Г = D - и D_Ю = D - .

Правильность установленных размеров D_Г и D_Ю проверяют по формулам

, (5.33)

и

, (5.34)

где и - диаметральные зазоры в горячем состоянии соответ­ственно между стенкой цилиндра и головкой поршня и между стенкой цилиндра и юбкой поршня; мм;

α _Ц и α _П - коэффициенты линейного расширения материалов цилиндра и поршня. Для чугуна α _Ц = α _П = 11·10⁶ 1/К; для алюминиевых сплавов α _Ц = α _П = 22·10⁶ 1/К;

Т_Ц, Т_Г, Т_Ю - соответственно температура стенок цилиндра, голов­ки и юбки поршня в рабочем состоянии. При жидкостном охлажде­нии Т_Ц = 383…388, Т_Г = 473…723 и Т_Ю = 403…473 К, а при воз­душном Т_Ц = 443…463, Т_Г = 573…873 и Т_Ю = 483…613 К;

Т₀ =293 К - начальная температура цилиндра и поршня.

При получении отрицательных значений или (натяг) по­ршень непригоден к работе. В этом случае необходимо увеличить или и соответственно уменьшить D_Г или D_Ю или предусмот­реть разрез юбки поршня. При нормальной работе поршня = (0, 002…0, 0025)·D и = (0, 0005…0, 0015)·D.