Прорези на юбке поршня предназначены для чего
Что такое юбка поршня?
Юбка поршня – это самая нижняя часть поршня, не допускающая его раскачивания внутри цилиндра.
Обычно, на юбку поршня наносятся небольшие насечки или специальное покрытие, предназначенные для подачи масла на стенки цилиндра для их смазки. В мощных двигателях, с высокими эксплуатационными характеристиками, юбка поршня может покрываться специальным химическим составом, обеспечивающим дополнительную защиту стенок цилиндра, предотвращая скорое появление царапин на их поверхности.
В двигателе внутреннего сгорания поршни герметично запираются внутри цилиндра при помощи поршневых колец. Во время движения поршня вниз и вверх, кольца контактируют со стенками цилиндра и сохраняют его расположение чётко по центру цилиндра. В самой верхней и нижней точке своего движения поршень меняет направление движения, и в этот момент появляются раскачивающие его силы. В этот момент и вступает в работу юбка поршня, сохраняя его положение для повторения рабочего цикла.
В зависимости от окружности вращения коленчатого вала и длины шатуна, для юбки поршня может представлять опасность её контакт с коленчатым валом в самой нижней точке движения поршня. Это особенно актуально для мощных, форсированных двигателей. В таких двигателях данная проблема решается изменением хода поршня большей окружностью вращения коленчатого вала и длиной шатуна. Изменяется и расположение поршневого пальца, соединяющего поршень с шатуном.
В форсированном двигателе блоку цилиндров необходимо наличие контроллеров в нижней части каждого цилиндра, не позволяющих коленчатому валу и шатуну контактировать с блоком. Нижняя часть юбки поршня должна иметь соответствующий зазор, препятствующий её контакту с шатуном при его вращении вокруг коленчатого вала. Выставляя зазор между юбкой и шатуном, очень важно соблюсти его постоянство по всем сторонам юбки. Это обеспечит сохранение балансировки шатунно-поршневой группы. Несоблюдение данного условия приводит к разбалансировке компонентов, что может стать причиной катастрофических последствий для двигателя.
Одним из признаков эксплуатации двигателя при низком уровне масла является наличие царапин и задиров на юбке поршня. При недостатке масла в двигателе, поршень, двигаясь вверх и вниз внутри цилиндра, царапает свою юбку о стенки цилиндра, оставляя на ней задиры. В таких случаях, для удаления со стенок поршня царапин, оставленных юбкой поршня, приходится менять поршни и растачивать цилиндры.
Устройство автомобилей
Подвижные детали КШМ
Поршневая группа
Поршневая группа образует подвижную стенку рабочего объема цилиндра. Именно перемещение этой «стенки», т. е. поршня, является показателем работы, выполненной сгоревшими и расширяющимися газами.
Поршневая группа кривошипно-шатунного механизма включает в себя поршень, поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные), поршневой палец и фиксирующие его детали. Иногда поршневую группу рассматривают вместе с цилиндром, и называют цилиндропоршневой группой.
Поршень
Требования, предъявляемые к конструкции поршня
Поршень воспринимает силу давления газов и передает ее через поршневой палец шатуну. При этом он совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение.
Условия, в которых работает поршень:
Возвратно-поступательное движение поршня вызывает значительные инерционные нагрузки в зонах прохода мертвых точек, где поршень изменяет направление движения на противоположное. Инерционные силы зависят от скорости перемещения поршня и его массы.
Поршень воспринимает значительные усилия: более 40 кН в бензиновых двигателях, и 20 кН – в дизелях. Контакт с горячими газами вызывает нагрев центральной части поршня до температуры 300…350 ˚С. Сильный нагрев поршня опасен возможностью заклинивания в цилиндре из-за температурного расширения, и даже прогоранием днища поршня.
Перемещение поршня сопровождается повышенным трением и, как следствие, изнашиванием его поверхности и поверхности цилиндра (гильзы). Во время движения поршня от верхней мертвой точки к нижней и обратно сила давления поверхности поршня на поверхность цилиндра (гильзы) изменяется и по величине, и по направлению в зависимости от такта, протекающего в цилиндре.
Максимальное давление поршень оказывает на стенку цилиндра при такте рабочего хода, в момент, когда шатун начинает отклоняться от оси поршня. При этом сила давления газов, передаваемая поршнем шатуну, вызывает реактивную силу в поршневом пальце, который в данном случае является цилиндрическим шарниром. Эта реакция направлена от поршневого пальца вдоль линии шатуна, и может быть разложена на две составляющие – одна направлена вдоль оси поршня, вторая (боковая сила) перпендикулярна ей и направлена по нормали к поверхности цилиндра.
Именно эта (боковая) сила и вызывает значительное трение между поверхностями поршня и цилиндра (гильзы), приводящее к их износу, дополнительному нагреву деталей и снижению КПД из-за потерь энергии.
Попытки уменьшить силы трения между поршнем и стенками цилиндра осложняются тем, что между цилиндром и поршнем необходим минимальный зазор, обеспечивающий полную герметизацию рабочей полости с целью не допустить прорыв газов, а также попадание масла в рабочее пространство цилиндра. Величина зазора между поршнем и поверхностью цилиндра лимитируется тепловым расширением деталей. Если его сделать слишком малым, в соответствии с требованиями герметичности, то возможно заклинивание поршня в цилиндре из-за теплового расширения.
При изменении направления движения поршня и процессов (тактов), протекающих в цилиндре, сила трения поршня о стенки цилиндра меняет характер – поршень прижимается к противоположной стенке цилиндра, при этом в зоне перехода мертвых точек поршень совершает удары по цилиндру из-за резкого изменения величины и направления нагрузки.
Конструкторам, при разработке двигателей, приходится решать комплекс проблем, связанных с описанными выше условиями работы деталей цилиндропоршневой группы:
Исходя из этого, к конструкции поршня предъявляются следующие требования:
Особенности конструкции поршня
Поршни современных автомобильных двигателей имеют сложную пространственную форму, которая обусловлена различными факторами и условиями, в которых работает эта ответственная деталь. Многие элементы и особенности формы поршня не заметны невооруженным глазом, поскольку отклонения от цилиндричности и симметрии минимальны, тем не менее, они присутствуют.
Рассмотрим подробнее – как устроен поршень двигателя внутреннего сгорания, и на какие хитрости приходится идти конструкторам, чтобы обеспечить выполнение требований, изложенных выше.
Поршень двигателя внутреннего сгорания состоит из верхней части – головки и нижней – юбки.
Верхняя часть головки поршня – днище непосредственно воспринимает усилия со стороны рабочих газов. В бензиновых двигателях днище поршня обычно делают плоским. В поршневых днищах дизелей часто выполняют камеру сгорания.
Днище поршня представляет собой массивный диск, который соединяется с помощью ребер или стоек с приливами, имеющими отверстия для поршневого пальца – бобышками. Внутренняя поверхность поршня выполняется в виде арки, что обеспечивает необходимую жесткость и теплоотвод.
На боковой поверхности поршня прорезаны канавки для поршневых колец. Число поршневых колец зависит от давления газов и средней скорости перемещения поршня (т. е. частоты вращения коленчатого вала двигателя) – чем меньше средняя скорость поршня, тем больше требуется колец.
В современных двигателях, наряду с ростом частоты вращения коленчатого вала, наблюдается тенденция к сокращению числа компрессионных колец на поршнях. Это обусловлено необходимостью уменьшения массы поршня с целью снижения инерционных нагрузок, а также уменьшения сил трения, отнимающих существенную долю мощности двигателя. При этом возможность прорыва газов в картер высокооборотистого двигателя считается менее актуальной проблемой. Поэтому в двигателях современных легковых и гоночных автомобилей можно встретить конструкции с одним компрессионным кольцом на поршне, а сами поршни имеют укороченную юбку.
Кроме компрессионных колец на поршне устанавливают одно или два маслосъемных кольца. Канавки, выполненные в поршне под маслосъемные кольца, имеют дренажные отверстия для отвода моторного масла во внутреннюю полость поршня при снятии его кольцом с поверхности цилиндра (гильзы). Это масло обычно используется для охлаждения внутренней поверхности днища и юбки поршня, а затем стекает в поддон картера.
Форма днища поршня зависит от типа двигателя, способа смесеобразования и формы камеры сгорания. Наиболее распространена плоская форма днища, хотя встречаются выпуклая и вогнутая. В некоторых случаях в днище поршня выполняют углубления для тарелок клапанов при расположении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ). Как упоминалось выше, в днищах поршней дизельных двигателей нередко выполняют камеры сгорания, форма которых может различной.
Нижняя часть поршня – юбка направляет поршень в прямолинейном движении, при этом она передает стенке цилиндра боковое усилие, величина которого зависит от положения поршня и процессов, протекающих в рабочей полости цилиндра. Величина бокового усилия, передаваемого юбкой поршня, значительно меньше максимального усилия, воспринимаемого днищем со стороны газов, поэтому юбка выполняется относительно тонкостенной.
В нижней части юбки у дизелей часто устанавливают второе маслосъемное кольцо, что позволяет улучшить смазывание цилиндра и уменьшить вероятность попадания масла в рабочую полость цилиндра. Для уменьшения массы поршня и сил трения ненагруженные части юбки срезают по диаметру и укорачивают по высоте. Внутри юбки обычно выполняются технологические приливы, которые используются для подгонки поршней по массе.
Конструкция и размеры поршней зависят главным образом от быстроходности двигателя, а также от величины и скорости нарастания давления газов. Так, поршни быстроходных бензиновых двигателей максимально облегчены, а поршни дизелей имеют более массивную и жесткую конструкцию.
Оригинальное решение, призванное снизить воздействие боковой силы, применили конструкторы двигателей фирмы «Фольксваген». Днище поршня в таких двигателях выполнено не под прямым углом к оси цилиндра, а немного скошено. По мнению конструкторов, это позволяет оптимальнее распределить нагрузку на поршень, и улучшить процесс смесеобразования в цилиндре при тактах впуска и сжатия.
Для того, чтобы удовлетворить противоречивые требования герметичности рабочей полости, предполагающие наличие минимальных зазоров между юбкой поршня и цилиндром, и предотвращения заклинивания детали в результате теплового расширения, в форме поршня применяют следующие конструктивные элементы:
Последнее условие выполнить непросто, поскольку поршень нагревается по всему объему неравномерно и имеет сложную пространственную форму – в верхней части его форма симметрична, а в районе бобышек и на нижней части юбки имеются ассиметричные элементы. Все это приводит к неодинаковой температурной деформации отдельных участков поршня при его нагреве во время работы.
По этим причинам в конструкции поршня современных автомобильных двигателей обычно выполняют следующие элементы, усложняющие его форму:
Очевидно, что на все эти ухищрения конструкторам приходится идти, чтобы придать поршню в нагретом до рабочих температур состоянии правильную цилиндрическую форму, обеспечив тем самым минимальный зазор между ним и цилиндром.
Наиболее эффективным способом предотвращения заклинивания поршня в цилиндре вследствие его теплового расширения при минимальном зазоре является принудительное охлаждение юбки и вставка в юбку поршня элементов из металла, имеющего низкий коэффициент температурного расширения. Чаще всего применяются вставки из малоуглеродистой стали в виде поперечных пластин, которые при отливке поршня помещаются в зону бобышек. В некоторых случаях вместо пластин применяются кольца или полукольца, заливаемые в верхнем поясе юбки поршня.
Температура днища алюминиевых поршней не должна превышать 320…350 ˚С. Поэтому для увеличения теплоотвода переход от днища поршня к стенкам делают плавным (в виде арки) и достаточно массивным. Для более эффективного теплоотвода от днища поршня применяют его принудительное охлаждение, брызгая на внутреннюю поверхность днища моторное масло из специальной форсунки. Обычно функцию такой форсунки выполняет специальное калиброванное отверстие, выполненное в верхней головке шатуна. Иногда форсунка устанавливается на корпусе двигателя в нижней части цилиндра.
Для обеспечения нормального теплового режима верхнего компрессионного кольца его располагают значительно ниже кромки днища, образуя так называемый жаровой или огневой пояс. Наиболее изнашиваемые торцы канавки под поршневые кольца часто усиливают специальными вставками из износостойкого материала.
В качестве материала для изготовления поршней широко применяют алюминиевые сплавы, основным достоинством которых является небольшая масса и хорошая теплопроводность. К недостаткам алюминиевых сплавов можно отнести невысокую усталостную прочность, большой коэффициент температурного расширения, недостаточную износостойкость и сравнительно высокую стоимость.
В состав сплавов кроме алюминия входят кремний (11…25%) и добавки натрия, азота, фосфора, никеля, хрома, магния и меди. Отлитые или отштампованные заготовки подвергают механической и термической обработке.
Значительно реже в качестве материала для поршней используют чугун, поскольку этот металл значительно дешевле и прочнее алюминия. Но, несмотря на высокую прочность и износостойкость, чугун обладает сравнительно большой массой, что приводит к появлению значительных инерционных нагрузок, особенно при изменении направления движения поршня. Поэтому для изготовления поршней быстроходных двигателей чугун не применяется.
Тест 2. Кривошипно-шатунный механизм
1. KШM ПРЕДНАЗНАЧЕН ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ШАТУНА ВО_____ ДВИЖЕНИЕ ВАЛА.
2. ШАТУН СОЧЛЕНЕН С ПОРШНЕМ ПРИ ПОМОЩИ ПОРШНЕВОГО ______.
Выберите номера всех правильных ответов
3. МАТЕРИАЛ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГОЛОВОК БЛОКА ЦИЛИНДРОВ:
2) углеродистая сталь;
3) легированная сталь;
4) алюминиевый сплав.
5) высокопрочная легированная сталь.
МАТЕРИАЛ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШАТУНОВ
7) углеродистая сталь;
8) легированная сталь;
9) алюминиевый сплав;
10) высокопрочная легированная сталь.
1) уплотнение камеры сгорания;
2) ограничение частоты вращения;
3) смещение оси поршневого пальца относительно оси цилиндра
С ЦЕЛЬЮ ИСКЛЮЧЕНИЯ
4) разноса двигателя;
5) прорыва газов в картер;
6) стука поршня о стенку цилиндра.
5. ГИЛЬЗА ЦИЛИНДРА МОКРОГО ТИПА, ТАК КАК ОНА:
1) контактирует с топливом;
2) омывается горячими газами;
3) смазывается моторным маслом;
4) запрессовывается в блок со смазкой;
5) омывается охлаждающей жидкостью.
6. БАЗОВОЙ ДЕТАЛЬЮ КШМ И ВСЕГО ДВИГАТЕЛЯ ЯВЛЯЕТСЯ:
7. ПОДВИЖНЫЕ ДЕТАЛИ КШМ:
10) пружины клапанов;
11) поршневые кольца;
12) прокладка головки блока.
8. НЕПОДВИЖНЫЕ ДЕТАЛИ КШМ:
10) пружины клапанов;
11) поршневые кольца;
12) прокладка головки блока.
9. ПРОРЕЗИ НА ЮБКЕ ПОРШНЯ ДЛЯ:
1) снижения нагрева;
2) уменьшения массы поршня;
3) увеличения прочности поршня;
4) компенсации теплового расширения;
5) отвода масла со стенок цилиндра.
10. МАССЫ РАЗЛИЧНЫХ ПОРШНЕЙ ДВИГАТЕЛЯ НЕ ДОЛЖНЫ ОТЛИЧАТЬСЯ БОЛЕЕ ЧЕМ НА:
11. ЗАМКИ ТРЕХ КОМПРЕССИОННЫХ КОЛЕЦ РАСПОЛАГАЮТ ПОД УГЛОМ ДРУГ К ДРУГУ:
12. СПОСОБЫ УПЛОТНЕНИЯ ГИЛЬЗЫ ЦИЛИНДРА
1) прокладкой головки блока;
2) асбестовым шнуром;
3) резиновыми кольцами;
4) самоподжимным сальником;
13. МАТЕРИАЛ АНТИФРИКЦИОННОГО СПЛАВА ВКЛАДЫШЕЙ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА:
3) свинцовистая бронза;
4) оловянистый алюминиевый сплав.
14. НОМЕРА ПОЗИЦИИ И НАЗВАНИЯ ЭЛЕМЕНТА КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА (РИС. 2.1):
Рис. 2.1. Коленчатый вал
Выберите номера всех правильных ответов
15. ОТВЕРСТИЯ В КОЛЕНЧАТОМ ВАЛУ ВЫПОЛНЯЮТСЯ ДЛЯ ПОДАЧИ К ШАТУННЫМ ПОДШИПНИКАМ:
16. КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ ФИКСИРУЕТСЯ ОТ ОСЕВОГО СМЕЩЕНИЯ:
1) стопорной шайбой;
2) упорными кольцами;
3) упорными вкладышами;
4) упорными шарикоподшипниками
5) центральной части;
6) носка или хвостовика.
17. МАТЕРИАЛ БЛОКА ЦИЛИНДРОВ:
4) алюминиевый сплав.
18. ТЕМПЕРАТУРА (» с) НАГРЕВА ПОРШНЯ В МАСЛЕ ПРИ ЕГО СБОРКЕ С ПАЛЬЦЕМ:
19. МАСЛОСЪЕМНОЕ КОЛЬЦО СЛУЖИТ ДЛЯ:
1) упрочения поршня;
2) снижения детонации;
3) уплотнения цилиндра;
4) уменьшения массы поршня;
5) снятия излишка масла со стенок;
6) уменьшения расхода масла на угар.
20. НОМЕРА ПОЗИЦИИ И НАЗВАНИЯ ЭЛЕМЕНТА ПОРШНЯ (РИС. 2.2):
IV. Уплотняющий пояс.
 |
21. КОЛЕНЧАТЫЕ ВАЛЫ ИЗГОТАВЛИВАЮТ ИЗ:
2) легированной стали;
3) низкоуглеродистой стали;
4) среднеуглеродистой стали;
5) модифицированного чугуна
22. ШЕЙКИ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА:
7) подвергают отпуску
8) придания товарного вида;
9) повышения жесткости вала; 10) повышения износостойкости.
Что такое поршневая группа: общая теория и поршни СТК
Поршневая группа двигателя включает в себя: поршень, поршневые кольца и поршневой палец.
Поршень, является наиболее важным элементом любого двигателя внутреннего сгорания.
Именно на эту деталь, выпадает основная нагрузка по преобразованию энергии расширяющихся газов в энергию вращения коленчатого вала. Свойства, которыми должен обладать поршень, трудно совместимы и технически тяжело реализуются.
Требования, которым должна соответствовать эта деталь:
Очертания поршня за более сто пятидесятилетнюю историю двигателя внутреннего сгорания мало изменились.
Устройство поршня
В конструкции поршня можно выделить несколько зон, каждая из которых, имеет свое функциональное назначение.
Если углубления на днище увеличивают объем камеры сгорания, то для уменьшения объема применяют вытеснители. Вытеснителем называют объем металла, который находится выше плоскости днища.
«Жаровым поясом» (огневым) называют расстояние от днища до канавки первого поршневого кольца. Чем ближе располагаются поршневые кольца к днищу, тем более высокой тепловой нагрузке они подвергаются, тем больше сокращается их ресурс.
Если конструкция изделия не будет предусматривать эффективный отвод тепла от днища, то это приведёт к его прогоранию.
По расчетам, через компрессионные кольца, передается до 60-70% выделенного тепла. Однако это требует плотного прилегания поршневых колец к цилиндру и к поверхностям канавок.
Головку поршня образуют днище и уплотняющая часть.
Расстояние от оси поршневого пальца до днища, называют компрессионной высотой поршня.
«Юбкой», называют нижнюю часть поршня. На этом участке находятся бобышки с отверстиями – место, куда устанавливается поршневой палец. Внешняя поверхность юбки, исполняет роль опорной и направляющей поверхности.
Юбка обеспечивает соосность положения детали к оси цилиндра блока. Кроме того, боковая поверхность юбки участвует в передаче к цилиндру возникающих поперечных усилий.
На поверхность юбки (или на все изделие) могут наноситься защитные покрытия улучающие прирабатываемость и снижающих трение.
Покрытие слоем олова позволяет сгладить неточности профиля и предотвратить наволакивание алюминия на поверхности цилиндра. Могут применяться покрытия созданные на основе графита и дисульфида молибдена.
Другой способ, снижающий потери на трение – нанесение на юбке канавок специального профиля. Глубина канавок составляет 0,01-0,015 мм. При движении, канавки не только удерживают масло, но и создают гидродинамическую силу, которая препятствует контакту со стенками цилиндра.
Одним из факторов, определяющих геометрию поршня, является необходимость снижения сил трения.
Для этого требуется обеспечение определенной толщины масляного слоя в зазоре между поршнем и стенками цилиндра. Причем маленький зазор повлечет за собой увеличение сил трения и как следствие повышение нагрева деталей и их ускоренный износ а возможно и заклинивание.
Слишком большой зазор, увеличит шумность двигателя, приведет к росту динамических нагрузок на сопрягаемые детали и будет способствовать их ускоренному износу. Поэтому величина зазора подбирается в соответствии с рекомендациями для конкретного типа двигателя.
В истории применения конструкций поршней для двигателей ВАЗ, просматриваются этапы влияния нескольких европейских конструкторских школ.
На первых моделях двигателей ВАЗ применяется «итальянская» конструкция. Поршни отличаются большой компрессионной высотой, широкой опорной поверхностью юбки. Поверхность изделия покрыта слоем олова.
В разработке последующих конструкций принимают участие немецкие компании. У поршней уменьшается компрессионная высота. На юбке применяется микропрофиль – специальный профиль канавок, для удержания смазки в зоне трения. Поршни моделей ВАЗ 21126 и ВАЗ 11194 получают Т-образный профиль и рассчитаны на установку «тонких» поршневых колец. Так внешне сравнивая модели от 2101 до 21126, можно получить представление об общих тенденциях совершенствования конструкции, основанных на новых научных разработках.
Когда речь заходит об отечественных машинах (ВАЗ, Приора и пр.) приходиться всерьёз рассматривать компанию СТК и её продукцию. Самара Трейдинг Компани (сокращённо – «СТК») не случайно стала одним из самых популярных производителей поршневых групп. Всё дело исключительно в производстве, ведь оно уникально в своём роде.
Самым сложным и, в то же время, важным технологическим процессом при изготовлении поршневых систем является литьё. Однородность и прочность материалов, жаростойкость и твёрдость – всё это играет важнейшую роль. Стоит какому-то коэффициенту отклонится на 1% и поршень застрянет в цилиндре, шатун может легко искривиться и даже заклинить, нарушив целостность и исправность всего силового агрегата.
Полуавтоматические устройства и специальные высокотехнологические станки позволяют компании СТК осуществлять литьё поршней на высочайшем уровне. Данной технологии нет равных, на протяжении долгих десятилетий и благодаря кропотливой работе инженеров фабрика создаёт самые качественные поршневые кольца и поршни. Несмотря на автоматизацию всех процессов, процедура изготовления каждого поршня контролируется людьми. Каждый продукт проходит целую линейку тестов.
Стоит лишь посетить любую станцию техобслуживания и задать вопрос автомеханику «Какой поршень идеально подойдёт отечественному автомобилю?», и вы услышите ответ: «СТК». Всё дело в том, что каждый механик желает выполнить работу так, чтобы клиент не возвращался к нему и не приходилось нарушать гарантийные обязательства.
Несмотря на лидирование компании СТК существуют и другие неплохие аналоги, например, Кострома-мотордеталь. В сравнении с китайскими и европейскими поршнями, Кострома хорошо показала себя в отечественных машинах, однако сама конструкция этого поршня не способна уберечь водителя от самой зловещей неисправности – столкновения поршня и клапанов.
Безвытковые Поршни СТК, содержащие специальные проточки, не влияют пагубно на клапана головки блока цилиндров. Поэтому в случае гидравлического удара, даже при срыве цепи газораспределительного механизма, когда поршни «летят» вверх, а клапана – вниз, исход их столкновения невозможен, если в двигатель установлены поршни СТК. Всё благодаря специальным канавкам, проточенным в головке каждого поршня – новшеству инженеров самарской компании.
Если ваш автомобиль уже давно б/у, его компрессия вас вовсе не радует и вы отлично понимаете, что настало время менять поршневую, помните: оптимальными для двигателя будут поршневые группы Самара Трейдинг Компани (СТК).
Более подробно про поршни СТК можно прочесть здесь и здесь.
Юбка поршня: возможные дефекты и их профилактика
При недостаточном уровне моторного масла на юбках поршней, которые работают в контакте со стенками цилиндра, образуются задиры и другие повреждения. В данной статье подробно рассматриваются их причины, а также способы профилактики.
Поршни являются основными рабочими элементов компрессоров, насосов и двигателей внутреннего сгорания. Главной функцией этих деталей является преобразование энергии сжатого газа в механическую.
Поршень, совершающий в цилиндре возвратно-поступательные движения, состоит из трех основных элементов. Днище воспринимает термические нагрузки и газовые силы. Уплотняющая часть защищает картер от прорыва газов. Направляющая часть служит для поддержания положения поршня в цилиндре, не допуская его раскачивания в самых нижних и верхних точках движения.
Днище и уплотняющая часть с маслосъемными и компрессионными кольцами составляет головку поршня, а вся нижняя направляющая часть – юбку.
Функции и конструкция юбки поршня
Юбка поршня обеспечивает его прямолинейное движение в цилиндре. Она также передает на его стенки боковое усилие, которое зависит от процессов, протекающих в рабочей полости, и положения поршня.
Боковые поверхности юбки также отводят тепло от поршня и его колец к цилиндру. Чем эти поверхности больше, тем лучше теплоотдача, а поршень меньше стучит при износе верхней головки шатуна и втулки.
Если юбка поршня слишком длинная, то его масса увеличивается, возрастает трение о стенки цилиндра, что является нежелательным, особенно в мощных двигателях спортивных автомобилей. Именно поэтому в некоторых силовых агрегатах ненагруженные части юбки срезаются по диаметру. Т-образные поршни вообще не имеют юбок, но из-за недостаточного смазывания у них часто возникают проблемы, которые связаны с повышенным трением.
В нижней части юбки поршней дизельных двигателей устанавливается дополнительно маслосъемное кольцо. Это обеспечивает улучшенное смазывание цилиндра и снижает вероятность попадания масла в его рабочую полость.
На юбках поршней имеются бобышки с отверстиями, в которых располагаются поршневые пальцы. Они соединены с днищем поршня массивными литыми ребрами. Так как в местах приливов вес материала больше, то от воздействия высоких температур в плоскости бобышек могут образовываться деформации.
Снизить термические нагрузки и напряжения в районе приливов позволяют прямоугольные углубления 0,5-1,5 мм – «холодильники». Их проделывают в процессе литья или фрезерования. Помимо охлаждения, они укорачивают поршневой палец и передают газовые силы ближе к оси шатуна. Это позволяет разгрузить днище поршня.
Ось пальца в большинстве поршней имеет смещение, что позволяет уравнять боковые давления на юбку в процессе работы. Именно поэтому монтаж детали производится по специальной метке, которая нанесена на днище поршня – стрелкой в сторону свободного конца коленвала.
Конусовидная форма юбки поршня позволяет сократить тепловой зазор без риска образования задиров. В районе днища ее диаметр меньше на несколько сотых миллиметра. Это нужно для того, чтобы расширение поршня при нагреве происходило равномерно.
Плоскость юбки, перпендикулярная оси поршневого пальца, имеет овальную форму, что позволяет компенсировать износ стенок, интенсивность которого выше там, где больше нагрузки – в плоскости движения шатуна.
Сегодня производители поршней для снижения износа, увеличения КПД и мощности двигателя еще на заводе обрабатывают поверхности деталей специальными покрытиями.
Сегодня такое покрытие возможно создать не только в заводских условиях. Российская компания «Моденжи» выпускает состав в аэрозольном баллоне – MODENGY Для деталей ДВС. Покрытие изготовлено на основе графита и дисульфида молибдена. Оно создает на поверхностях юбок защитный полимерный слой, предотвращающий образование задиров, снижающий трение и износ.
MODENGY Для деталей ДВС отличается низким коэффициентом трения, работает в широком диапазоне рабочих температур, а одного баллончика 250 мл хватает на обработку 1 м2 поверхности. Отверждение покрытия может происходить как при комнатной температуре, так и при нагреве.
Для очистки, обезжиривания и подготовки юбок поршней и других металлических поверхностей рекомендуется использовать Специальный очиститель-активатор MODENGY. Он удаляет загрязнения, обеспечивает высокую адгезию покрытия и увеличивает срок его службы.
Особенности поршней в форсированных двигателях
При определенной длине шатуна и окружности вращения коленчатого вала возникает риск его контакта с юбкой в самой нижней точке движения поршня. Это особенно актуально для фосированных силовых агрегатов. Решение данной проблемы – изменение хода поршня и расположения пальца, который соединяет шатун с поршнем.
В нижней части каждого цилиндра мощных ДВС находятся специальные контроллеры, которые препятствуют контакт шатуна и коленвала с блоком. В нижней части юбки имеется зазор, предотвращающий контакт поршня с шатуном при его вращении вокруг коленчатого вала.
При выставлении зазора между шатуном и юбкой очень важно соблюсти его постоянство по всем сторонам. В противном случае может произойти разбалансировка шатунно-поршневой группы деталей.
Виды повреждений юбки
Задиры на юбке поршня с двух сторон
Могут возникать вследствие перегрева двигателя. Причина – недостаточный зазор между внутренней поверхностью цилиндра и поршнем, а также нарушение процесса сгорания топлива.
Перегрев может быть вызван также недостатком или плохой циркуляцией охлаждающей жидкости, некорректной работой вентилятора, неправильной обработкой отверстия цилиндра.
Современные алюминиевые поршни под воздействием высоких температур расширяются в 2 раза больше, чем цилиндр из чугуна. Именно поэтому термическая нагрузка может стать причиной образования задиров на юбке.
Задир на юбке поршня со стороны наибольшей боковой нагрузки
При работе поршня возможно появление задиров на той его стороне, на которую воздействует наибольшая нагрузка. Причиной этого является недостаточное смазывание, вызванное низким уровнем масла, слишком долгим прогревом, засорением масляного канала в форсунке и/или шатуне.
При заливке в двигатель некачественного или неподходящего масла также может возникать усиленное трение поршня о стенки цилиндра.
Ребристый цилиндр ДВС с воздушным охлаждением может перегреться, например, из-за загрязненных охлаждающих ребер или сорванных дефлекторов.
В целях профилактики односторонних задиров следует следить за уровнем и качеством моторного масла, контролировать его давление, регулярно проверять пропускную способность масляных каналов в шатуне.
Несимметричное пятно контакта на юбке
Боковой увод поршня в цилиндре можно определить по состоянию жарового пояса юбки: с одной стороны он гладкий, а с другой загрязнен масляным нагаром. Это также свидетельствует о том, что зазор с одной стороны слишком велик, и через него проникают горячие газы, разрушающие масляную пленку.
Поршневые кольца при таких отклонениях вибрируют, перемещаются с перекосом и вызывают насосный эффект, который ведет к повышенному расходу масла.
Непараллельное расположение отверстий в большой и малой головке шатуна, его деформация и перекос его головки также вызывают боковой увод поршня.
Из-за выработки вкладышей гнездо коренного подшипника может иметь скошенную опору.
Избежать вышеописанных проблем позволяет соосная обработка шатуна, коленвала и гнезда коренного подшипника, а также их правильный монтаж. Важно следить за тем, чтобы на шатуне не было изгибов, болты головки цилиндра были затянуты в соответствии с указанными производителем параметрами. При установке двигателя следует обеспечивать чистоту и обязательно убирать остатки прокладочных материалов.
Задиры на нижней части юбки
Они возникают из-за недостаточного локального зазора между отверстием цилиндра и поршня, что свидетельствует о слишком тесном охвате гильзы. Причиной этого служит неправильно подобранное уплотнительное кольцо, применение дополнительных прокладок, смещение уплотнения.
Эту проблему можно решить путем правильного протягивания болтов головки. Монтаж гильз цилиндров мокрого типа сначала следует осуществлять без прокладок. Таким образом можно своевременно выявить недостаточный зазор.
Сильный износ юбки с матовой и шершавой поверхностью
Данная проблема возникает из-за повышенного расхода масла, недостаточной мощности двигателя и сложностей с его запуском. Шершавые борозды и участки на юбках сопровождаются образованием больших зазоров на поршневых кольцах, их осевым и радиальным износом.
Причиной таких повреждений является абразивный износ поршней. Загрязнения проникают в камеру сгорания из моторного масла при сильном износе третьего поршневого кольца или через систему впуска цилиндра, что свидетельствует о износе первого поршневого кольца.
Проверка состояния воздушного фильтра и герметичности системы впуска позволяет избежать таких проблем. Перед установкой двигателя нужно также очищать всасывающие трубы и картер двигателя от загрязнений.
Продольные глубокие борозды по всему диаметру и длине юбки
Они являются причиной утончения и ухудшения свойств масляной пленки из-за большого содержания топлива в масле. Это является следствием неправильно настроенной системы впрыска, которая при холодном пуске двигателя подает в камеру сгорания переобогащенную смесь.
Из-за загрязненного топливного фильтра могут неправильно работать инжекторные форсунки. По причине малого зазора поршень ударяет по головке цилиндра, тем самым провоцируя неконтролируемый впрыск форсунок.
Перебои в зажигании являются следствием малого давления сжатия по причине негерметичности прокладки ГБЦ или клапана, наличием большого зазора в верхней метровой точке между ГБЦ и днищем поршня, разрушения поршневых колец, неисправности свечей зажигания и общего износа двигателя.
Профилактика этих неисправностей заключается в правильной настройке системы впрыска, диагностике свечей зажигания и форсунок, своевременной замене топливных фильтров.