Поршень

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Функционирование поршня

По́ршень — деталь цилиндрической формы, совершающая возвратно-поступательное движение внутри цилиндра и служащая для превращения перепада давления газа, пара или жидкости в механическую работу, или наоборот — возвратно-поступательного движения в изменение давления. В поршневом механизме, в отличие от плунжерного, уплотнение располагается на цилиндрической поверхности поршня, обычно в виде одного или нескольких поршневых колец.

Строение[править | править код]

Поршень (автомобильный)
ПОРШЕНЬ.GIF

Поршень подразделяется на три части, выполняющие различные функции

  • днище
  • уплотняющая часть
  • направляющая часть (юбка)

Для передачи усилия от поршня(или наоборот) может использоваться шток, либо шатун, соединяемый с поршнем посредством пальца. Другие способы передачи усилия используются реже. В некоторых случаях шток может играть роль направляющего устройства, в этом случае юбка не нужна.

Поршень может быть односторонним или двухсторонним. В последнем случае поршень имеет два днища.

Днище[править | править код]

Форма днища зависит от выполняемой поршнем функции. К примеру, в двигателях внутреннего сгорания форма зависит от расположения свечей, форсунок, клапанов, конструкции двигателя и других факторов. При вогнутой форме днища образуется наиболее рациональная камера сгорания, но в ней более интенсивно происходит отложение нагара. При выпуклой форме днища увеличивается прочность поршня, но ухудшается форма камеры сгорания. В некоторых двухтактных двигателях днище поршня выполняется в виде выступа-отражателя для направленного движения продуктов сгорания при продувке. Расстояние от днища поршня до канавки первого компрессионного кольца называют огневым поясом поршня. В зависимости от материала, из которого сделан поршень, огневой пояс имеет минимально допустимую высоту, уменьшение которой может привести к прогару поршня вдоль наружной стенки, а также разрушению посадочного места верхнего компрессионного кольца.

Функции уплотнения, выполняемые поршневой группой, имеют большое значение для нормальной работы поршневых двигателей. О техническом состоянии двигателя судят по уплотняющей способности поршневой группы. Например, в автомобильных двигателях не допускается, чтобы расход масла из-за угара его вследствие избыточного проникновения (подсоса) в камеру сгорания превышал 3% от расхода топлива. При выгорании масла наблюдается повышенная дымность отработавших газов и двигатели снимаются с эксплуатации вне зависимости от удовлетворительности мощностных и других его показателей. [1]

Уплотняющая часть[править | править код]

Днище и уплотняющая часть образуют головку поршня. В уплотняющей части поршня располагаются компрессионные и маслосъёмные кольца. Типичное количество колец на современных двигателях - 3, ранее применялись конструкции с количеством колец 4-6[1]. В некоторых конструкциях поршней из алюминиевых сплавов в его головку залит ободок из коррозионностойкого чугуна (нирезиста), в котором прорезана канавка для верхнего наиболее нагруженного компрессионного кольца. Нирезистовую вставку под верхнее поршневое кольцо имеют, в частности, поршни двигателей, выпускаемых ТМЗ (Тутаевский моторный завод). Благодаря этому значительно увеличивается износостойкость поршня, а также снижается тепловое расширение. Кольцевые каналы для маслосъемных колец выполняются со сквозными отверстиями, через которые масло, снятое с зеркала цилиндра, поступает внутрь поршня и стекает в поддон картера двигателя. Решающее значение для уплотнения поршня имеет качество колец: хорошее прилегание к зеркалу без просветов, чистота обработки по наружному диаметру и высоте, зазор в замке, и покрытие колец износостойкими материалами. Чугунные маслосъёмные кольца эффективнее чем "лапша".

Направляющая часть[править | править код]

Юбка поршня (тронк) является его направляющей частью при движении в цилиндре и имеет два прилива (бобышки) для установки поршневого пальца. Так как масса поршня у приливов оказывается большей, чем в других частях юбки, температурные деформации при нагреве в плоскости бобышек также будут наибольшими. В районе бобышек на поршне обычно формируют литьём или фрезеруют снаружи прямоугольные углубления, называемые условно "холодильниками". На деле, "холодильники" снижают массу поршня благодаря укорочению поршневого пальца. Чтобы сократить тепловой зазор без риска задира, юбку поршня изготовляют овальной: зазор в плоскости качания шатуна минимальный, а по оси поршневого пальца больше на 0,5-1,5 мм. В нижней части юбки также может располагаться маслосъемное кольцо.

Материалы[править | править код]

К материалам, применяемым для изготовления поршней автотракторных двигателей, предъявляются следующие требования:

  • высокая механическая прочность;
  • малая плотность;
  • хорошая теплопроводность;
  • малый коэффициент линейного расширения;
  • высокая коррозионная стойкость;
  • хорошие антифрикционные свойства.

Для изготовления автомобильных поршней применяются серые чугуны и алюминиевые сплавы. В мощных дизелях с большим ресурсом, многотопливных двигателях (включая работающие на растительных маслах) применяют составные поршни - днище и уплотняющая часть из жаропрочной стали, тронк из алюминиевого сплава.

Существуют поршни с покрытием керамикой, из специальных жаропрочных сплавов (двигатели Стирлинга), пластмассы (бытовые насосы, пищевые шприцы) и др.

Чугун[править | править код]

Достоинства
  • Чугун очень дёшев;
  • Поршни из чугуна прочны и износостойки;
  • Благодаря небольшому коэффициенту линейного расширения они могут работать с меньшими зазорами.
Недостатки
  • Большой удельный вес. В связи с этим область применения чугунных поршней ограничивается сравнительно тихоходными двигателями, в которых силы инерции возвратно движущихся масс не превосходят одной шестой от силы давления газов на днище поршня.
  • Низкая теплопроводность, из-за чего нагрев днища у чугунных поршней достигает 350—400 °C. Такой нагрев нежелателен особенно в карбюраторных двигателях, так как он служит причиной возникновения калильного зажигания. Коэффициент наполнения при этом также снижается.

Алюминиевый сплав[править | править код]

Подавляющее большинство современных автомобильных двигателей имеют силуминовые поршни с содержанием кремния 15% и более. Контрафактные поршни часто изготовлялись из обычного алюминия. Ресурс поршней с недостаточным количеством кремния резко снижен, из-за повышенного коэффициента теплового расширения происходит задир ещё на обкатке. Отличить поддельный легко - расширение силуминового поршня при нагреве от 0 до 100 °C составляет 0,1-0,12 мм на 100 мм диаметра юбки. Если измерения дадут 0,22 мм/100 мм диаметра - это чистый алюминий.

Достоинства поршней из алюминиевого сплава:
  • малая масса (как минимум на 30 % меньше по сравнению с чугунными);
  • высокая теплопроводность (в 3-4 раза выше теплопроводности чугуна), обеспечивающая нагрев днища поршня не более 250 °C, что способствует лучшему наполнению цилиндров и позволяет повысить степень сжатия в бензиновых двигателях;
Недостатки силумина:
  • больший коэффициент линейного расширения, чем у чугуна;
  • меньшая твёрдость и износостойкость поршневых канавок;
  • значительное снижение прочности при нагреве (повышение температуры до 300 °C приводит к снижению механической прочности алюминия на 50-55 % против 10 % у чугуна).

Недопустимые для нормальной работы двигателя зазоры между стенками цилиндров и силуминовыми поршнями устраняются конструктивными мероприятиями, основными из которых являются:

  • придание юбке поршня овальной или овально-конусной формы;
  • изоляция тронковой (направляющей) части поршня от наиболее нагретой его части (головки);
  • косой разрез юбки по всей длине, обеспечивающий пружинящие свойства стенок;
  • Т- и П-образные прорези в юбке поршня не на полную её длину в сочетании с её овальностью;
  • компенсационные вставки, ограничивающие тепловое расширение юбки в плоскости качания шатуна.

Применение[править | править код]

Две основные проблемы, решаемые при проектировании моторов:

  1. как избежать повышенного износа поршня,
  2. как избежать прогара поршня.

Обе эти проблемы возникают вследствие желания конструкторов максимально облегчить поршень, поскольку это позволяет улучшить показатели моторов и компрессоров.

См. также[править | править код]

Ссылки[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания. — 1992.