Вы находитесь здесь: Главная > Для новичков. > Поршень двигателя — почти всё о нём.

Поршень двигателя — почти всё о нём.

Поршень двигателя является одной из самых главных деталей и конечно же от материала и качества поршней зависит успешная эксплуатация мотора и его долгий ресурс. В этой статье, больше рассчитанной на новичков, будет описано всё (ну или почти всё), что связано с поршнем, а именно: назначение поршня, его устройство, материалы и технология изготовления поршней и другие нюансы.

Сразу хочу предупредить уважаемых читателей, что если какой то важный нюанс, связанный с поршнями, или с технологией их изготовления, я уже написал более подробно в другой статье, то разумеется мне нет смысла повторяться в этой статье. Я просто напросто буду ставить соответствующую ссылку, перейдя по которой уважаемый читатель при желании сможет перейти на другую более подробную статью и в ней ознакомиться с нужной информацией о поршнях более подробно.

На первый взгляд многим новичкам может показаться, что поршень довольно простая деталь и придумать уже что то более совершенное в его технологии производства, форме и конструкции невозможно. Но на самом деле всё не так просто и не смотря на внешнюю простоту формы, поршни и технологии их изготовления до сих пор совершенствуются, особенно на самых современных (серийных или спортивных) более высоко-оборотистых форсированных двигателях. Но не будем забегать вперёд и начнём от простого к сложному.

Для начала разберём для чего нужен поршень (поршни) в двигателе, как он устроен, какие формы поршней бывают для разных двигателей и далее уже плавно перейдём к технологиям изготовления.

Для чего нужен поршень двигателя.

Поршень, за счёт кривошипно-шатунного механизма (коленвала и шатуна — см. рисунок чуть ниже), перемещаясь возвратно-поступательно в цилиндре двигателя, например перемещаясь вверх — для засасывания в цилиндр и сжатия в камере сгорания рабочей смеси, а так же за счёт расширения сгораемых газов перемещаясь в цилиндре вниз, совершает работу, преобразуя тепловую энергию сгораемого топлива в энергию движения, которая способствует (через трансмиссию) вращению ведущих колёс транспортного средства.

поршень двигателя

Поршень двигателя и силы действующие на него: А — сила, прижимающая поршень к стенкам цилиндра; Б — сила, перемещающая поршень вниз; В — сила передаваемая усилие от поршня к шатуну и наоборот, Г — сила давления сгораемых газов, перемещающая поршень вниз.

 

То есть по сути без поршня в одноцилиндровом двигателе, или без поршней в многоцилиндровом двигателе — невозможно движение транспортного средства, на которое установлен двигатель.

 

Кроме того, как видно из рисунка, на поршень действуют несколько сил, (также на том же рисунке не показаны противоположные силы, давящие на поршень снизу вверх).

 

 

И исходя из того, что на поршень давят и довольно сильно несколько сил, у поршня должны быть некоторые важные свойства, а именно:

  • способность поршня двигателя противостоять огромному давлению газов, расширяющихся в камере сгорания.
  • способность сжать и противостоять большому давлению сжимаемого топлива (особенно на дизелях).
  • способность противостоять прорыву газов между стенками цилиндра и своими стенками.
  • способность передавать огромное давление на шатун, через поршневой палец, без поломок.
  • способность не изнашиваться долгое время от трения о стенки цилиндра.
  • способность не заклиниваться в цилиндре от теплового расширения материала, из которого он изготовлен.
  • поршень двигателя должен иметь способность противостоять высокой температуре сгорания топлива.
  • иметь большую прочность при небольшой массе, чтобы исключить вибрацию и инерционность.

И это далеко не все требования, предъявляемые к поршням, особенно на современных высоко-оборотистых моторах. О полезных свойствах и требованиях современных поршней мы ещё поговорим, а для начала давайте рассмотрим устройство современного поршня.

поршень двигателя

 

Как видно на рисунке, современный поршень можно разделить на несколько частей, каждая из которых имеет важное значение и свои функции. Но ниже будут описаны основные наиболее важные части поршня двигателя и начнём с наиболее важной и ответственной части — с днища поршня.

 

Донышко (днище) поршня двигателя.

Это самая верхняя и наиболее нагруженная поверхность поршня, которая обращена непосредственно к камере сгорания двигателя. И нагружено донышко любого поршня не только большой давящей силой от расширяющихся с огромной скоростью газов, но и высокой температурой сгорания рабочей смеси.

готовый кованый поршеньКроме того, донышко поршня своим профилем определяет нижнюю поверхность самой камеры сгорания и также определяет такой важный параметр, как степень сжатия. Кстати, зависеть форма донышка поршня может от некоторых параметров, например от расположения в камере сгорания свечей, или форсунок, от расположения и величины открытия клапанов, от диаметра тарелок клапанов — на фото слева хорошо видны выемки для тарелок клапанов в донышке поршня, которые исключают встречу клапанов с донышком.

Так же форма и размеры донышка поршня зависят от объёма и формы камеры сгорания двигателя, или от особенностей подачи в нее топливно-воздушной смеси — например на некоторых старых двухтактных двигателях на донышке поршня делали характерный выступ-гребень, играющий роль отражателя и направляющий поток продуктов горения при продувке. Этот выступ показан на рисунке 2 (выступ на донышке также виден на рисунке выше, где показано устройство поршня). Кстати, на рисунке 2 так же показан рабочий процесс древнего двухтактного двигателя и то, как влияет выступ на донышке поршня на наполнение рабочей смесью и на выпуск отработанных газов (то есть на улучшение продувки).

двигатель мотоцикла

Двухтактный двигатель мотоцикла — рабочий процесс

Но на некоторых двигателях (например на некоторых дизелях) на донышке поршня в центре наоборот имеется круглая выемка, благодаря которой увеличивается объем камеры сгорания и соответственно уменьшается степень сжатия.

Но, поскольку выемка небольшого диаметра в центре донышка является не желательной для благоприятного наполнения рабочей смесью (появляются нежелательные завихрения), то на многих двигателях на донышках поршней в центре перестали делать выемки.

А для уменьшения объема камеры сгорания приходится делать так называемые вытеснители, то есть изготавливать донышко с определенным объёмом материала, который располагают немного выше основной плоскости донышка поршня.

Ну и ещё один важный показатель — это толщина донышка поршня. Чем она толще, тем прочнее поршень и тем большую тепловую и силовую нагрузку он сможет выдержать довольно долго. А чем тоньше толщина донышка поршня, тем бóльшая  вероятность прогара, или физического разрушения донышка.

Но с увеличением толщины донышка поршня, соответственно увеличивается и масса поршня, что для форсированных высоко-оборотистых моторов очень нежелательно. И поэтому конструкторы идут на компромисс, то есть «ловят» золотую середину между прочностью и массой, ну и конечно же постоянно стараются усовершенствовать технологии производства поршней для современных моторов (о технологиях позже).

Жаровой пояс поршня.

Как видно на рисунке выше, где показано устройство поршня двигателя, жаровым поясом считается расстояние от донышка поршня до его самого верхнего компрессионного кольца. Следует учесть, что чем меньше расстояние от донышка поршня до верхнего кольца, то есть чем тоньше жаровой пояс, тем более высокую тепловую напряжённость будут испытывать нижние элементы поршня, и тем быстрее они будут изнашиваться.

Поэтому для высоко напряжённых форсированных двигателей желательно делать жаровой пояс потолще, однако это делают не всегда, так как это тоже может увеличить высоту и массу поршня, что для форсированных и высоко-оборотистых двигателей нежелательно. Тут так же как и с толщиной донышка поршня, важно найти золотую середину.

Уплотняющий участок поршня.

Этот участок начинается от нижней части жарового пояса до того места, где заканчивается канавка самого нижнего поршневого кольца. На уплотняющем участке поршня расположены канавки поршневых колец и вставлены сами кольца (компрессионные и масло-съёмные).

Канавки колец не только удерживают поршневые кольца на месте, но ещё и обеспечивают их подвижность (благодаря определённым зазорам между кольцами и канавками), что позволяет поршневым кольцам свободно сжиматься и разжиматься за счёт своей упругости (что очень важно если цилиндр изношен и имеет форму бочки). Это также способствует прижиму поршневых колец к стенкам цилиндра, что исключает прорыв газов и способствует хорошей компрессии, даже если цилиндр немного изношен.

Как видно на рисунке с устройством поршня, в канавке (канавках), предназначенной для маслосъёмного кольца имеются отверстия для обратного стока моторного масла, которое масло-съёмное кольцо (или кольца) снимает со стенок цилиндра, при движении поршня в цилиндре.

Кроме основной функции (не допустить прорыва газов) уплотняющего участка, у него есть ещё одно важное свойство — это отвод (точнее распределение) части тепла от поршня на цилиндр и весь двигатель. Разумеется для эффективного распределения (отвода) тепла и для предотвращения прорыва газов важно, что бы поршневые кольца довольно плотно прилегали к своим канавкам, но особенно к поверхности стенки цилиндра.

Головка поршня двигателя.

Головка поршня представляет из себя общий участок, который включает в себя уже описанные мной выше донышко поршня и его и уплотняющий участок. Чем больше и мощнее головка поршня, тем выше его прочность, лучше отвод тепла и соответственно больше ресурс, но и масса тоже больше, что как было сказано выше, нежелательно для высоко-оборотистых моторов. А снизить массу, без уменьшения ресурса, можно если увеличить прочность поршня путём усовершенствования технологии изготовления, но об этом я подробнее напишу позже.

Кстати, чуть не забыл сказать, что в некоторых конструкциях современных поршней, изготавливаемых из алюминиевых сплавов, в головке поршня делают нирезистовую вставку, то есть в головку поршня заливают ободок из нирезиста (специального прочного и стойкого к коррозии чугуна).

В этом ободке прорезают канавку для самого верхнего и наиболее нагруженного компрессионного поршневого кольца. И хотя благодаря вставке немного увеличивается масса поршня, зато существенно увеличивается его прочность и износостойкость (к примеру нирезистовую вставку имеют наши отечественные Тутаевские поршни, изготовленные на ТМЗ).

Компрессионная высота поршня.

Компрессионная высота — это расстояние в миллиметрах, которое отсчитывается от донышка поршня до оси поршневого пальца (или наоборот). У разных поршней компрессионная высота разная и разумеется чем больше расстояние от оси пальца до донышка, тем она больше, а чем она больше, тем лучше компрессия и меньшая вероятность прорыва газов, но и больше сила трения и нагрев поршня.

На старых тихоходных и мало-оборотистых моторах компрессионная высота поршня была больше, а на современных более высоко-оборотистых двигателях стала меньше. Здесь тоже важно найти золотую середину, которая зависит от форсировки мотора (чем выше обороты, тем меньше должно быть трение и меньшая компрессионная высота).

Юбка поршня двигателя.

Юбкой называют нижнюю часть поршня (её ещё называют направляющей частью). Юбка включает в себя бобышки поршня с отверстиями, в которые вставляется поршневой палец. Внешняя поверхность юбки поршня является направляющей (опорной) поверхностью поршня и эта поверхность также как и поршневые кольца трётся о стенки цилиндра.

Примерно в средней части юбки поршня имеются приливы, в которых имеются отверстия для поршневого пальца. А так как вес материала поршня у приливов тяжелее, чем в других местах юбки, то деформации от воздействия температуры в плоскости бобышек будут больше, чем в других частях поршня.

Поэтому для снижения температурных воздействий (и напряжений) на поршне с двух сторон с поверхности юбки снимают часть материала, примерно на глубину 0,5-1,5 мм и получаются небольшие углубления. Эти углубления, называемые холодильниками, не только способствуют устранению температурных воздействий и деформаций, но ещё и препятствуют образованию задиров, а так же улучшают смазку поршня при движении его в цилиндре.

Следует так же отметить, что юбка поршня имеет форму конуса (в верху у донышка уже, внизу шире), а в плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца имеет форму овала. Эти отклонения от идеальной цилиндрической формы минимальные, то есть имеют всего несколько соток мм (эти величины разные — чем больше диаметр, тем больше отклонения).

Конус нужен для того, что бы поршень расширялся от нагрева равномерно, ведь в верху температура поршня выше, а знпоршень двигателяачит и тепловое расширение больше. А раз у донышка диаметр поршня чуть меньше, чем внизу, то при расширении от нагрева поршень примет форму, близкую к идеальному цилиндру.

Ну а овал предназначен для компенсации быстрого износа на стенках юбки, которые стираются быстрее там где трение выше, а выше оно в плоскости движения шатуна.

Благодаря юбке поршня (точнее её боковой поверхности) обеспечивается нужное и правильное положение оси поршня к оси цилиндра мотора. С помощью боковой поверхности юбки, к цилиндру двигателя передаются поперечные усилия от действия боковой силы А  (см. самый верхний рисунок в тексте, а так же рисунок справа) которая периодически воздействует на поршни и цилиндры, при перекладке поршней во время вращения коленвала (кривошипно-шатунного механизма).

Поршень в цилиндре с перекосомТакже благодаря боковой поверхности юбки осуществляется отвод тепла от поршня к цилиндру (так же как и от поршневых колец). Чем больше боковая поверхность юбки, тем лучше идёт отвод тепла, меньше утечка газов, меньше стук поршня при некотором износе втулки верхней головки шатуна (или при неточной обработке втулки — см. рисунок слева), впрочем как и при трёх компрессионных кольцах, а не двух (об этом я подробнее написал вот тут).

Но при слишком длинной юбке поршня больше его масса, больше трения возникает о стенки цилиндров (на современных поршнях для уменьшения трения и износа стали наносить антифрикционное покрытие на юбку), а лишняя масса и трение очень нежелательны в высоко-оборотистых форсированных современных (или спортивных) моторах и поэтому на таких двигателях юбку постепенно стали делать очень короткой (так называемая миниюбка) и постепенно почти от неё избавились — так и появился Т-образный поршень, показанный на фото справа.

Но и у Т-образных поршней есть недостатки, например у них опять же могут быть проблемы с трением о стенки цилиндра, из-за недостаточной смазываемой поверхности очень короткой юбки (причём на малых оборотах).

поршень двигателя

Более подробно об этих проблемах, а так же в каких случаях Т-образные поршни с мини юбкой нужны в некоторых двигателях, а в каких нет, я написал отдельную подробную статью вот здесь. Там же написано об эволюции формы поршня двигателя — советую почитать. Ну а мы думаю уже разобрались с устройством поршней и плавно переходим к технологиям изготовления поршней, чтобы понять какие поршни, изготовленные разными способами лучше, а какие хуже (менее прочные).

Поршни для двигателей — материалы изготовления.

При выборе материала для изготовления поршней предъявляют строгие требования, а именно:

  • материал поршня должен иметь отличные антифрикционные (антизадирные) свойства.
  • материал поршня двигателя должен иметь довольно высокую механическую прочность.
  • материал поршня должен иметь малую плотность и хорошую теплопроводность.
  • материал поршня должен быть стоек к коррозии.
  • материал поршня должен иметь малый коэффициент линейного расширения и быть по возможности близок или равен коэффициенту расширения материала стенок цилиндра.

Чугун.

Раньше, на заре двигателестроения, ещё со времён самых первых автомобилей, мотоциклов и самолётов (аэропланов), для материала поршней применяли серый чугун (кстати для поршней компрессоров тоже). Конечно же, как и у любого материала, у чугуна имеются как достоинства, так и недостатки.

Из достоинств следует отметить хорошую износостойкость и достаточную прочность. Но наиболее важное достоинство чугунных поршней, устанавливаемых в двигатели с чугунными блоками (или гильзами) — это такой же коэффициент теплового расширения, как и чугунного цилиндра двигателя. А значит тепловые зазоры можно сделать минимальными, то есть гораздо меньше, чем у алюминиевого поршня, работающего в чугунном цилиндре. Это позволяло существенно увеличить компрессию и ресурс поршневой группы.

Ещё один существенный плюс чугунных поршней — это небольшое (всего 10 %) снижение механической прочности при нагреве поршня. У алюминиевого поршня снижение механической прочности при нагреве ощутимо больше, но об этом ниже.

Но с появлением более оборотистых двигателей, при использовании чугунных поршней, на больших оборотах стал выявляться их главный недостаток — довольно большая масса, по сравнению с алюминиевыми поршнями. И постепенно перешли к изготовлению поршней из алюминиевых сплавов, даже в двигателях с чугунным блоком, или гильзой, хоть и пришлось делать алюминиевые поршни с гораздо бóльшими тепловыми зазорами, чтобы исключить клин алюминиевого поршня в чугунном цилиндре.

Кстати, раньше на поршнях некоторых двигателей делали косой разрез юбки, который обеспечивал пружинящие свойства юбки алюминиевого поршня и исключал его заклинивание в чугунном цилиндре — пример такого поршня можно увидеть на двигателе мотоцикла ИЖ-49).

А с появлением современных цилиндров, или блоков цилиндров, полностью выполненных из алюминия, в которых уже нет чугунных гильз (то есть покрытых никасилем или керонайтом) появилась возможность изготавливать алюминиевые поршни тоже с минимальными тепловыми зазорами, ведь тепловое расширение легкосплавного цилиндра стало практически таким же, как и у легкосплавного поршня.

Алюминиевые сплавы. Практически все современные поршни на серийных двигателях сейчас изготавливают из алюминиевых сплавов (кроме пластиковых поршней на дешёвых китайских компрессорах).

У поршней, выполненных из алюминиевых сплавов тоже имеются как достоинства, так и недостатки. Из основных достоинств следует отметить небольшой вес легкосплавного поршня, что очень важно для современных высокооборотистых двигателей. Вес алюминиевого поршня конечно же зависит от состава сплава и от технологии изготовления поршня, ведь кованный поршень весит значительно меньше, чем выполненный из того же сплава методом литья, но о технологиях я напишу чуть позже.

Ещё одно достоинство легкосплавных поршней, о которой мало кто знает — это довольно высокая теплопроводность, которая примерно в 3-4 раза выше, чем теплопроводность серого чугуна. Но почему достоинство, ведь при высокой теплопроводности и тепловое расширение довольно не малое и придётся и придётся и тепловые зазоры делать больше, если конечно цилиндр чугунный (но с современными алюминиевыми цилиндрами это стало не нужно).

А дело в том, что высокая теплопроводность не позволяет нагреваться донышку поршня более чем 250 °C, а это способствует гораздо лучшему наполнению цилиндров двигателей и конечно же позволяет ещё более повысить степень сжатия в бензиновых моторах и тем самым поднять их мощность.

Кстати, чтобы как то усилить отлитые из лёгкого сплава поршни, в их конструкцию инженеры добавляют различные усиливающие элементы — например делают стенки и донышко поршня толще, а бобышки под поршневой палец отливают более массивными. Ну или делают вставки из того же чугуна, я об этом уже писал выше. И конечно же все эти усиления увеличивают массу поршня, и в итоге получается, что более древний и прочный поршень, изготовленный из чугуна, проигрывает в весе легкосплавному поршню совсем чуть чуть, где то процентов на 10 — 15.

И тут любому напрашивается вопрос, а стоит ли овчинка выделки? Стóит, ведь у алюминиевых сплавов есть ещё одно отличное свойство — они раза в три лучше отводят тепло, чем тот же чугун. И это важное свойство незаменимо в современных высоко-оборотистых (форсированных и горячих) двигателях, у которых довольно высокая степень сжатия.

К тому же современные технологии производства кованных поршней (о них чуть позже) существенно повышают прочность и уменьшают вес деталей и уже не требуется усиление таких поршней различными вставками, или более массивными отливками.

К недостаткам поршней, выполненных из алюминиевых сплавов относятся такие как: довольно большой коэффициент линейного расширения алюминиевых сплавов, у которых оно составляет примерно в два раза больше, чем у поршней выполненных из чугуна.

Ещё одним существенным недостатком алюминиевых поршней является довольно большое снижение механической прочности, при повышении температуры поршня. К примеру: если легкосплавный поршень нагреть до трёхсот градусов, то это приведёт к снижению его прочности аж в два раза (примерно на 55 — 50 процентов). А у чугунного поршня при его нагреве прочность снижается ощутимо меньше — всего на 10 — 15%. Хотя современные поршни, выполненные из алюминиевых сплавов методом поковки, а не с помощью литья, при нагреве теряют прочность гораздо меньше.

На многих современных алюминиевых поршнях снижение механической прочности и слишком большое тепловое расширение устраняется более совершенными технологиями производства, которые заменили традиционное литьё (об этом ниже), а так же специальными компенсационными вставками (например упомянутые мной выше — вставки из нирезиста), которые не только увеличивают прочность, но и значительно уменьшают тепловое расширение стенок юбки поршня.

Поршень двигателя — технологии изготовления.

Ни для кого не секрет, что со временем, чтобы увеличить мощность двигателей, постепенно начали повышать степень сжатия и обороты моторов. А чтобы поднять мощность без особого ущерба для ресурса поршней, постепенно совершенствовались технологии их изготовления. Но начнём всё по порядку — с обычных литых поршней.

Поршни изготовленные методом обычного литья.

Эта технология самая простая и древняя, она применяется с самого начала истории авто и двигателестроения, ещё со времён пекованые поршнирвых чугунных поршней.

Технология производства поршней для самых современных двигателей обычным литьём уже почти не применяется. Ведь на выходе получается продукт имеющий изъяны (поры и т.д.) значительно снижающие прочность детали. Да и технология обычного литья в форму (кокиль) довольно древняя, она позаимствована ещё у наших древних предков, которые много веков назад отливали бронзовые топоры.

И залитый в кокиль сплав алюминия повторяет форму кокиля (матрицы), а потом деталь ещё нужно обработать термически и на станках, снимая лишний материал, что отнимает не мало времени (даже на станках с ЧПУ).

Литьё под давлением.

У поршня, изготовленного методом простого литья прочность не высока, из-за пористости детали и постепенно многие фирмы от этого способа отошли и начали отливать поршни под давлением, что значительно улучшило прочность, так как пористость почти отсутствует.

Технология литья под давлением, существенно отличается от технологии обычного литья топоров бронзового века и конечно же на выходе получается более аккуратная и прочная деталь, имеющая несколько лучшую структуру. Кстати, литьём алюминиевых сплавов под давлением в форму (ещё эту технологию называют жидкой штамповкой) отливают не только поршни, но и рамы некоторых современных мотоциклов и автомобилей.

Но всё же и эта технология не идеальна и если даже вы возьмёте в руки отлитый под давлением поршень и рассмотрев его, ничего не обнаружите на его поверхности, но это не значит, что и внутри всё идеально. Ведь в процессе литья, даже под давлением, не исключено появления внутренних пустот и каверн (мельчайших пузырьков), уменьшающих прочность детали.

Но всё же литьё поршней под давлением (жидкая штамповка) существенно лучше обычного литья и эта технология до сих пор применяется на многих заводах при изготовлении поршней, рам, деталей ходовой и других деталей автомобилей и мотоциклов. А кому интересно более подробно почитать о том, как делают жидко-штампованные поршни и о их преимуществах, то читаем о них вот здесь.

Кованные поршни автомобиля (мотоцикла).

наши кованые поршни для отечественных автомобилей

Кованые поршни для отечественных автомобилей.

Эта наиболее прогрессивная на данный момент технология производства современных легкосплавных поршней, которые имеют множество преимуществ перед литыми и которые устанавливают на самые современные высоко-оборотистые моторы, с высокой степенью сжатия. У кованных поршней, изготовленных авторитетными фирмами, практически нет недостатков.

Но мне нет смысла писать о кованных поршнях подробно в этой статье, так как я написал о них две очень подробные статьи, которые каждый желающий сможет почитать, кликнув на ссылки ниже.

Кованные поршни 1

Кованные поршни 2

Вот вроде бы и всё, если что нибудь вспомню ещё о такой важной детали, как поршень двигателя, то обязательно допишу, успехов всем.

 

Если эта статья вам полезна, то пожалуйста поделитесь ей в соц. сетях, нажав кнопки ниже. Спасибо.

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники

Теги:

  • Digg
  • Del.icio.us
  • StumbleUpon
  • Reddit
  • Twitter
  • RSS

Оставить комментарий

Проверка комментариев включена. Прежде чем Ваши комментарии будут опубликованы пройдет какое-то время.