Из каких металлов изготавливаются поршни двигателя?

Все современные поршни двигателя изготовлены из алюминиевого сплава. Сплав ведет себя несколько иначе при использовании в зависимости от того, как изготовлен поршень, поэтому важно понимание процесса производства. До 1970-х годов тема литых и кованых поршней часто обсуждалась; с тех пор, достижения в области технологий сделали дебаты практически ненужными для повседневного водителя.

Материал Поршня Эволюция

В оригинальных двигателях внутреннего сгорания для изготовления поршней использовалась сталь. Алюминиевый сплав вступил во владение очень рано. Самые ранние алюминиевые поршни подвергались значительному расширению и сжатию из-за нагрева, и конструкция была разработана таким образом, чтобы стальные кольца — так называемые распорки — были отлиты в стенах, чтобы уменьшить проблему. Этот тип поршня был распространен до 1960-х годов, когда введение кремния в сплав сделало амортизацию избыточной. Большинство современных поршней изготавливаются с содержанием силикона около 25 процентов. Ранний алюминиево-силиконовый сплав был известен своей хрупкостью; случайное падение с высоты скамейки обычно приводило к появлению трещины, которая в лучшем случае была дорогой, а в худшем — невозможной для ремонта. Добавление никеля в сплав снижает хрупкость, но увеличивает отношение массы к массе.

Поршень Дизайн

Поршни имеют девять частей и секций. Вершина поршня должным образом называется венцом; ниже этого находятся кольцевые канавки, в которые установлены поршневые кольца. Поднятые области между кольцевыми канавками называются землями. Ниже кольца в сборе находится отверстие для поршневого пальца. Поршневой палец, называемый в промышленности «наручным пальцем», проходит через это отверстие и проходит через шатун. Вокруг поршневого пальца расположены выступы, которые поддерживают его концы. Нижняя часть поршня называется юбкой.

Литые поршни

Литой поршень отлит из расплавленного алюминиевого сплава, который втягивается вакуумом в стальные штампы; только минимальная обработка необходима, чтобы закончить полученный поршень. Процесс называется «гравитационное литье под давлением». Форма и толщина стенок полностью контролируются, но процесс стоит дорого.

Кованые поршни

Кованый поршень изготавливают вначале, помещая слиток из нагретого алюминиевого сплава в охватывающую форму; После этого в пресс-форму вынуждают поршня-самца штамповать металл в поршневую заготовку. Затем заготовка подвергается многим операциям обработки; Одна установка для ковки обычно производит заготовку, которая может быть обработана для поршней различных размеров, подходящих для самых разных автомобилей.

Сравнения

Литье было оригинальным методом изготовления поршней; ковка появилась позже как альтернатива. Процесс ковки сжимает молекулы сплава в венце, делая металл более плотным и, следовательно, способным противостоять экстремальным температурам. Это существенное преимущество, потому что заводная головка подвергается большему количеству тепла, чем любая другая часть двигателя, кроме свечи зажигания.

Практическое применение

Литые поршни выполнены в матрицах сложной формы, которые определяют их форму как внутри, так и снаружи; это позволяет получить равномерную и постоянную толщину стенки, которая сводит массу поршня к минимуму. Процесс установки штампов является дорогостоящим, поэтому литые поршни, как правило, изготавливаются только для нескольких применений и соответствуют огромным производственным требованиям. Кованые поршни после штамповки имеют сравнительно грубую внутреннюю форму, определяемую только плунжером, который вбивают в слиток, а затем втягивают. Это обычно означает, что требуется значительный поворот и ручная обработка. С помощью этого метода достигаются более жесткие допуски. По этим причинам рабочие поршни почти всегда кованые, а поршни OEM-спецификации отлиты.

Статьи по теме:

• Части поршневого двигателя
• Какие поршни использовать с турбо
• Какова цель блока двигателя?
• Как работает двигатель V8
• Подделанные Vs. Литые алюминиевые колеса
• Как освободить застрявшие поршневые кольца

Маркировка

Маркировка поршней позволяет судить не только об их геометрических размерах, но и материале изготовления, технологии производства, допустимом монтажном зазоре, товарном знаке производителя, направлении установки и многом другом. В связи с тем, что в продаже встречаются поршни как отечественного, так и импортного производства, то автовладельцы порой сталкиваются с проблемой расшифровки тех или иных обозначений. В данном материале собран максимум информации, позволяющий получить сведения об маркировке на поршне и разобраться что значат цифры, буквы и стрелки.

Номер отливки. Это цифры и буквы, схематически указывающие на геометрические размеры поршня. Обычно такие обозначения можно встретить на европейских машинах, для которых элементы поршневой группы изготавливают такие компании как MAHLE, Kolbenschmidt, AE, Nural и прочие. Справедливости ради стоит отметить, что отливку в настоящее время используют все реже. Однако если нужно идентифицировать поршень по этой информации, то для этого необходимо воспользоваться бумажным или электронным каталогом конкретного производителя.

Описание конструкций поршней судовых дизелей

Условия работы поршня тяжелые, так как он подвергается воздействию как механических нагрузок от давления газов и сил инерции, так и термических из-за необходимости отвода тепла от нагретой газами головки в охлаждающую среду. Кроме того, поршневые кольца и направляющая часть (тронк) работают на износ при повышенных температурах. Наконец, поршень передает усилия от расширения газов на шатун, а также должен обеспечивать надежное уплотнение камеры сгорания от пропуска газов и одновременно предохранять камеру сгорания от попадания в нее излишков масла, смазывающего втулку рабочего цилиндра.

Наиболее тяжелые условия работы поршневой группы имеют место у многооборотных форсированных по наддуву дизелей, в особенности двухтактного типа (в связи с их повышенной тепловой нагрузкой).

Таким образом, к конструкции поршня должны быть предъявлены следующие основные требования общего характера:

— надежное уплотнение полости цилиндра от пропуска газов;

— эффективный отвод тепла от головки, обеспечивающий нормальные температуры днища, стенок головки и поршневых колец;

— высокая износостойкость поршневых колец и направляющих поверхностей поршня;

— достаточно развитые опорные поверхности поршневого пальца, обеспечивающие получение умеренных удельных давлений (тронковые);

— минимально возможный вес поршневой группы при сохранении необходимой прочности и жесткости поршня;

— надлежащий выбор материалов головки и направляющей части, обеспечивающих надежную и длительную работу поршня;

— обеспечение надежной смазки направляющей части поршня, поршневых колец и пальца при минимальных, расходах масла;

— надежная защита с помощью маслосъемных колец от попадания излишков масла в полость рабочего цилиндра;

— эффективная система охлаждения головки поршня (где это необходимо) маслом в тронковых дизелях, а также маслом или водой в крейцкопфных;

— максимально возможный срок до первой переборки поршневой группы при эксплуатации дизеля.

Рис.1. Нагрузка на днище поршня (а

) и эпюры температур охлаждаемой конструкции по его толщине (
б
)

КОНСТРУИРОВАНИЕ ПОРШНЕЙ

В качестве охлаждающей среды в тронковых дизелях применяют исключительно масло, а в крейцкопфных – и масло, и воду.

Поршни тронковых дизелей изготовляют цельными или с отъемными головками. Преимуществом последней конструкции являются возможности: 1) выполнять головку из жаростойких материалов повышенной прочности; 2) заменять головку запасной в эксплуатации (если это потребуется).

Поршни крейцкопфных дизелей, в отличие от тронковых, не передают нормального давления на цилиндровую втулку. Благодаря этому можно устанавливать увеличенные зазоры между направляющей поршня и втулкой и, таким образом, устранять возможность заедания поршня при ненормальном нагреве.

2. Конфигурация днищ поршней определяется, в основном, системой смесеобразования и системой газообмена. При объемном смесеобразовании и непосредственном впрыске топлива стремятся к тому, чтобы камера сгорания и, следовательно, днище поршня имели конфигурацию, соответствующую количеству, направлению и форме топливных факелов. Во всех 4-тактных дизелях, а также 2-тактных с прямоточно-клапанной продувкой указанное выше требование выполняется, как правило, за счет соответствующей конфигурации днища поршня, так как днище крышек указанных типов двигателей имеет плоскую форму.

Наоборот, в 2-тактных двигателях с контурной продувкой пространство сжатия размещают между поршнем и крышкой или в самом корпусе крышки, поэтому днище поршня имеет чаще плоскую или слегка выпуклую форму.

Наконец, в 4-тактных двигателях с объемно-пленочным смесеобразованием (например, ЦНИДИ) почти вся камера сгорания помещается в самом поршне, что налагает дополнительные требования при конструировании поршня.

Для изготовления поршней используют чугун, алюминиевые и магниевые сплавы, а также сталь.

Наиболее часто применяют чугун и алюминиевые сплавы. Чугунные поршни имеют высокую прочность и износостойкость, и малый коэффициент линейного расширения. Однако вследствие сравнительно высокой плотности (~7,3 г/см3) чугунные поршни получаются тяжелыми и, как правило, применяются в тихоходных двигателях и в двигателях средней быстроходности.

Алюминиевые сплавы обладают меньшей прочностью и износостойкостью, чем чугун, но зато имеют значительно меньшую плотность (~2,9 г/см3). Поэтому поршень, изготовленный из алюминиевого сплава, несмотря на большую (для обеспечения необходимой прочности) толщину стенок, на 25—30% легче чугунного. В двигателях, работающих с большим числом оборотов, для уменьшения сил инерции поршни изготовляются преимущественно из алюминиевых сплавов. Теплопроводность алюминиевых сплавов в 3 – 4 раза выше чугуна, поэтому температура днища алюминиевых поршней ниже температуры днища чугунных.

Существенным недостатком алюминиевых сплавов является относительно большой коэффициент линейного расширения (в 2 – 2,5 раза больше, чем у чугуна), поэтому поршни из них надо устанавливать в цилиндре с большим зазором. Большие зазоры затрудняют пуск двигателя и вызывают стуки при работе непрогретого двигателя, а также при работе на малых нагрузках.

ОТВОД ТЕПЛА У ГОЛОВОК ПОРШНЕЙ

За время процесса сгорания – расширения к днищу поршня подводится тепло, интенсивность подвода которого зависит от температуры, плотности и степени завихрения заряда.

Наименее благоприятные условия подвода тепла – в дизелях с непосредственным распыливанием топлива, при котором отдельные зоны днища подвергаются местным перегревам. Наибольших значений удельный тепловой поток достигает у многооборотных 2-тактных дизелей с повышенными степенями наддува.

Наиболее простой способ отвода тепла (через поршневые кольца), применяемый у неохлаждаемых поршней, может быть использован только в тронковых дизелях с относительно невысокой цилиндровой мощностью , например, при чугунных поршнях 4-тактных дизелей э. л. с.,

а у 2-тактных
э. л. с.
соответственно при поршнях из алюминиевых сплавов в 4-тактных
э. л. с.,
а в 2-тактных
э. л. с.,
где принято условно, что тепловая нагрузка поршня у 2-тактных дизелей вдвое выше, чем у 4-тактных (при одинаковых индикаторных давлениях).

Отвод тепла у неохлаждаемых поршней осуществляется от головки к охлаждающей цилиндровую втулку воде – через поршневые кольца (60-75%) и тронковую часть поршня (25-40%).

Для получения равномерного распределения теплового потока и максимального снижения температуры днища, целесообразно увеличивать толщину днища примерно до величины , также толщину переходных сечений от центра днища к боковым стенкам головки, например, за счет выбора большего радиуса закругления (см. рис. 1). Этот способ отвода тепла с успехом используется у чугунных и у алюминиевых поршней.

Наибольшие температуры у поверхности днищ поршней из алюминиевых сплавов допускаются до 300-350°С, а для чугуна до 450-500°С; температура стенки под канавкой первого поршневого кольца во избежание его пригорания не должна превышать 200-220°С.

Основной недостаток указанного выше способа отвода тепла – увеличение радиального перепада температур и возрастание веса поршня.

3. Наиболее эффективным средством снижения температуры головки поршня, является охлаждение головок, применяемое не только при больших диаметрах цилиндров, но и при относительно малых диаметрах D

(менее 200
мм),
в связи со значительной форсировкой дизеля, как по наддуву, так и по числу оборотов.

Поршни большие и маленькие

Все задачи этой статьи – задачи, связанные с изопроцессами. Когда меняется объем – неизбежно меняется и давление, а если газ нагреть под поршнем – то давление останется тем же, а вот объем – нет.

Задача 1. Один конец цилиндрической трубки длиной 25 см и радиусом 1 см закрыт пробкой, а в другой вставлен поршень, который медленно вдвигают в трубку. Когда поршень подвинется на расстояние 8 см, пробка вылетает. Определите силу трения пробки о стенки трубки в момент вылета пробки. Атмосферное давление нормальное.

Когда мы будем вдвигать поршень (заметьте: медленно, следовательно, температура постоянна), то мы будем уменьшать объем воздуха между поршнем и пробкой, тем самым повышая его давление. На пробку действует сила трения и атмосферное давление, но! На поршень – тоже давит атмосфера, поэтому в этой задаче мы атмосферное давление не будем учитывать. Следовательно, сила трения равна силе давления воздуха внутри.

Когда пробка вылетит, мы подвинем поршень на . С учетом того, что начальный объем воздуха , а конечный – , можем составить уравнение Бойля-Мариотта:

Сила давления будет равна:

Ответ: сила трения равна 46,2 Н.

Задача 2. Два одинаковые сосуда, наполненные водородом, соединены трубкой, в которой находится столбик ртути. В одном сосуде температура водорода 0 °С, в другом – 20 °С. Сдвинется ли столбик ртути, если оба сосуда нагреть на 10 °С? В каком направлении?

Пусть давление в обоих сосудах было равно . После нагрева сосудов давление в первом станет равным , а во втором – . Примем объем сосудов постоянным и равным – как будто кто-то придерживает столбик ртути до поры. Тогда для первого сосуда:

А для второго:

То есть

Но , поэтому давление вырастет больше в первом, менее нагретом, сосуде, следовательно, столбик сместится в сторону более нагретого.

К задаче 3

Задача 3. В цилиндре под поршнем площадью 100 см находится 28 г азота при температуре 273 К. Цилиндр нагревается до температуры 373 К. На сколько поднимется поршень, если его масса равна 100 кг. Атмосферное давление нормальное.

На поршень снизу давит газ, а сверху – атмосфера. Кроме того, нужно учесть силу тяжести. Тогда

Газ занимает некоторый объем до того, как его начали подогревать. Этот объем можно определить:

Тогда начальная высота поршня равна

Затем газ нагреют, и при неизменном давлении он начнет расширяться. И займет новый объем – . По закону Гей-Люссака этот объем будет равен:

Высота положения поршня при этом

Найдем изменение высоты положения поршня. При этом, так как , то .

Ответ: поршень поднимется на 41,5 см.

Поршни. Условия работы, нагрузки.

5.0

01

Поршень служит для: • передачи силы давления газов на шатун (в тронковых дизелях) или на поршневой шток (в крейцкопфных дизелях), • передачи нормальной силы на стенку цилиндра (в тронковых дизелях), •образования камеры сгорания и обеспечения ее герметичности, • управления открытием и закрытием окон (в двухтактных дизелях). По конструктивному вьполнению различают поршни тронковых дизелей – цельные или составные, неохлаждаемые или охлаждаемые, и крейцкопфных дизелей – составные, охлаждаемые. Поршень состоит (рис.6.1, а) из головки 1 (верхней части с круговыми канавками для уплотнительных колец) и направляющей части – тронка 4 с канавками для маслосъемных колец (в тронковых дизелях) или юбки (в крейцкопфных дизелях). Внутри тронка имеются приливы – бобышки 2 с отверстиями для установки поршневого пальца 3.Головка поршня воспринимает давление газов и осуществляет газораспределение (в двухтактных дизелях), тронк выполняет роль ползуна, скользящего по стенке цилиндра, передает на нее нормальную силу и перекрывает выпускные и продувочные окна при положении поршня в ВМТ для предотвращения прорыва газов и продувочного воздуха в картер (в двухтактных дизелях). Юбка поршня в крейцкопфных дизелях обеспечивает его центровку в цилиндре и перекрывает окна при положении поршня в ВМТ (в двухтактных дизелях с неуправляемым выпуском). Во время работы дизеля поршень нагревается и расширяется больше, чем цилиндровая втулка. Для предотвращения заедания поршня предусматривают между ним и втулкой цилиндра тепловой зазор. Наиболее интенсивно нагревается головка поршня. Поэтому радиальный зазор 5 между головкой и втулкой устанавливают больше, чем между тронком (или юбкой) и втулкой. Для этого головку поршня изготавливают меньшего диаметра, чем тронк, или обрабатывают ее на конус (рис. 6.1,6). Зазор зависит от диаметра цилиндра, конструкции, материала и условий охлаждения поршня, его устанавливают опытным путем, так как при увеличении зазора возрастает температура газа и поршня над верхним поршневым кольцом (рис.6.1, в), ухудшая условия его работы. Зазор между тронком и втулкой должен обеспечивать только свободное перемещение поршня. Большой зазор вызывает стуки при переходе поршня через мертвые точки, так как нормальная сила изменяет свое направление и перекладывает поршень в цилиндре с одной стороны на другую. Кстати, появление глухих стуков свидетельствует об износе цилиндро-поршневой группы. У тронковых дизелей с чугунными поршнями диаметральный тепловой зазор (2 5) между головкой и втулкой обычно равен 0.006D, а между тронком и втулкой -0,001 D; для поршней из алюминиевых сплавов зазоры устанавливают приблизительно в 2 раза больше. Поршень подвергается воздействию больших механических и термических нагрузок.

Механические нагрузки возникают под действием силы давления газов и силы инерции. Сила давления газов Рг вызывает циклически повторяющуюся деформацию днища и стенки поршня (см. рис. 6.1, а), а сила инерции Р4стремится разорвать шпильки крепления головки или днища (в составных поршнях).

Термические нагрузки обусловлены непосредственным соприкосновением головки поршня с горячими газами (через поршень отводится 8-10% теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в цилиндре), тепловая нагрузка поршня резко возрастает при увеличении диаметра цилиндра D (квадратичная зависимость) и при переходе от четырехтактного (т = 2) к двухтактному (т = 1) циклу.

У тронковых дизелей при прочих равных условиях тепловая нагрузка поршня выше, чем у крейцкопфных, вследствие дополнительного нагрева тронка поршня от трения о стенку цилиндра. У двухтактных дизелей с контурной схемой газообмена неравномерный нагрев поршня приводит к значительной асимметрии температурного поля относительно его оси и возникновению дополнительных термических напряжений. У 2-х тактных дизелей с прямоточно-щелевой схемой газообмена большая тепловая нагрузка выпускного поршня обусловлена омыванием горячими газами не только днища поршня, но и всей боковой поверхности его головки. В лучших условиях работают поршни дизелей с прямоточно-клапанной продувкой, у которых поток продувочного воздуха хорошо и равномерно охлаждает головку поршня.

Сильный нагрев головки снижает ее прочность, а значительные перепады температур (осевой и радиальный) вызывают в днище поршня высокие термические напряжения, и головка деформируется (рис. 6.1, г). Термические напряжения и характер деформации существенно зависят от формы днища поршня. Если днище условно отделить от стенок головки поршня, то при линейном изменении температуры по толщине термические напряжения в днище не возникнут, а его свободная тепловая деформация выразится в увеличении наружного диаметра и изгибе в сторону газов. В реальных условиях свободной тепловой деформации днища препятствуют более холодные стенки головки поршня, и в местах соединения возникают изгибающие моменты М и сжимающие усилия Q (рис. 27, д.). В результате плоское днище и вогнутое будут изгибаться в сторону холодных поверхностей, и на горячих поверхностях днищ (со стороны газов) возникнут термические напряжения сжатия, усиливающиеся за счет циклически действующих механических нагрузок; холодные поверхности днищ под действием тепловых и механических нагрузок будут испытывать напряжения растяжения. Если во время работы дизеля температура днища достигнет значения, при котором возникает явление «криппа» (ползучести материала), то напряжения сжатия на горячей поверхности снимаются. После уменьшения нагрузки или остановки дизеля поршень охлаждается, и в нем возникают остаточные напряжения растяжения, которые могут вызвать трещины, прогрессирующие при дальнейшей работе дизеля с попеременными нагревами и охлаждениями поршня. В выпуклом днище поршня сила Q на плече / создает изгибающий момент, противоположный по знаку моменту М и обычно более значительный по значению. В результате на горячей поверхности выпуклого поршня возникнут напряжения растяжения. С учетом противоположного направления действия механических нагрузок от газовых сил выпуклая форма днища является наиболее целесообразной. У тронковых дизелей в результате действия силы давления газов на днище поршня (рис. 6.1, а), нормальной силы N на боковую поверхность (рис.6.1, е), нагрева от головки поршня и теплоты трения (рис. 6.1, ж) деформируется также тронк поршня. Вследствие неравномерного распределения металла по сечению тронка он принимает овальную форму с большей осью по оси поршневого пальца, который является как бы направляющей при деформации. В результате между цилиндровой втулкой в тронком может возникнуть натяг, что приведет к заеданию поршня. Поэтому в большинстве конструкций в районе бобышек с поверхности поршня снимается металл. У крейцкопфных дизелей юбка поршня разгружена от нормальной силы N, но она может касаться стенки цилиндра при большом зазоре в паре ползун-параллель, а также вследствие вибраций и разности давлений на боковую поверхность поршня со стороны выпуска и продувки в момент открытия выпускных окон (в двухтактных дизелях с контурной продувкой). Наибольшие термические напряжения от радиального перепада температур возникают в днищах неохлаждаемых, а от осевого – в днищах охлаждаемых поршней, хотя общий уровень тепловой нагрузки у последних ниже. У неохлаждаемых поршней теплота от головки отводится охлаждающей цилиндр водой (рис. 6.1, з) через поршневые кольца (60-80%) и тронк (20-40%). Некоторое количество теплоты отводится через поршневой палец к шатуну, а также передается картерным газам и масляному «туману».