Из каких металлов изготовлены поршни двигателя. Из чего состоит поршень

Часть 1 — Кривошипо-шатунный механизм

Итак, наша первая задача это понять, что же такое двигатель (Engine). Результатом работы двигателя является наличие крутящего момента на его коленчатом валу.

Двигатель состоит из двух механизмов:

1- Кривошипно-шатунный механизм (КШМ, Crank mechanism) предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре во вращательное движение коленчатого вала двигателя.

2 — Газораспределительный механизм (ГРМ, gas distribution mechanism) предназначен для своевременного снабжения двигателя горючей смесью, а так же для выпуска выхлопных газов.

В данной части разберём те детали двигателя, которые относятся к КШМ. Забегая вперёд, оглашу весь список тех деталей, из которых состоит КШМ. 

Итак, Кривошипно-шатунный механизм состоит из:

• Коленчатый вал
• Маховик
• Шатуны
• Поршни с кольцами и пальцами
• Блок цилиндров с картером
• Головки блока цилиндров,
• поддона картера двигателя

Если результатом работы является наличие крутящего момента на коленчатом валу, следовательно одна из деталей двигателей это Коленчатый Вал.

1. Коленчатый Вал(crankshaft)

Коленчатый вал представлен на рисунке снизу:

Коленчатый вал двигателя с маховиком состоит из:1 — коленчатый вал двигателя; 2 — маховик с зубчатым венцом;3 — шатунная шейка; 4 — коренная (опорная) шейка; 5 — противовес

Маховик (flywheel) — это массивный металлический диск, который крепится на коленчатом валу двигателя. маховик всегда пытается сохранить то состояние, из которого его выводят. Он долго набирает обороты, сглаживая тем самым скачки. Так же долго сбрасывает обороты. Короче говоря, благодаря своей инертности, создает плавность в переходах с одной частоты вращения на другую. Кроме того, его инертность играет роль аккумулятора эн

whatisvehicle.wordpress.com

Из каких металлов изготовлены поршни двигателя

Все современные поршни двигателя выполнены из алюминиевого сплава. Сплав ведет себя несколько иначе при использовании в соответствии с тем, как производится поршень, поэтому важно понимать процесс изготовления. До 1970-х годов тема броска по сравнению с коваными поршнями часто обсуждалась; с тех пор достижения в области технологий сделали дискуссию все, кроме излишней, повседневной.

Эволюция материала поршня

В оригинальных двигателях внутреннего сгорания сталь использовалась для изготовления поршней. Алюминиевый сплав занял очень рано. Самые ранние алюминиевые поршни были подвергнуты значительному расширению и сокращению из-за рабочего тепла, и конструкция была развита так, что стальные кольца, называемые стойками, были сформованы в стенах, чтобы уменьшить проблему. Этот тип поршня был распространен до 1960-х годов, когда введение кремния в сплав сделало излишним износ. Большинство современных поршней изготовлены из примерно 25% силикона. Ранний алюминиево-силиконовый сплав был известен своей хрупкостью; случайное падение одного из высоты скамейки обычно приводило к трещине, которая была в лучшем случае дорогой и в худшем случае невозможна для ремонта. Добавление никеля в сплав уменьшает хрупкость, но увеличивает отношение веса к массе.

Конструкция поршня

Поршни имеют девять частей и секций. Верхняя часть поршня правильно называется короной; ниже это кольцевые канавки, в которые установлены поршневые кольца. Приподнятые области между кольцевыми канавками называются землями. Ниже кольцевого узла находится отверстие поршня. Поршневой штифт, называемый «штырем запястья» в отрасли, говорит - проходит через это отверстие и проходит через шатун. Вокруг поршневого пальца расположены штыревые выступы, которые поддерживают его концы. Нижняя часть поршня называется юбкой.

Литые поршни

Литой поршень отформован из расплавленного алюминиевого сплава, который вытягивается вакуумом в стальные штампы; для завершения получаемого поршня необходима минимальная механическая обработка. Процесс называется «литье под действием силы тяжести». Форма и толщина стенки полностью контролируются, но процесс дорог.

Кованые поршни

Кованый поршень изготавливают первым, помещая слиток нагретого алюминиевого сплава в женскую форму; после этого в пресс-форму выталкивают баранку для штамповки металла в затвор поршня. Затем заготовка проходит множество операций механической обработки; единая ковка, как правило, создает заготовку, которая может быть обработана многочисленными размерами поршня для самых разных транспортных средств.

Сравнения

Литье было оригинальным методом производства поршней; ковка появилась позже в качестве альтернативы. Процесс ковки сжимает молекулы сплава на короне, делая металл более плотным и, следовательно, лучше выдерживает экстремальные температуры. Это является существенным преимуществом, поскольку коронка подвергается воздействию большего количества тепла, чем любая другая часть двигателя, кроме свечи зажигания.

Практическое применение

Литые поршни выполнены в замысловатых штампах, которые определяют их формы как внутри, так и снаружи; это позволяет обеспечить равномерную и постоянную толщину стенки, которая сдерживает массу поршня до минимума. Процесс установки штампов является дорогостоящим, поэтому литые поршни обычно изготавливаются только для нескольких применений и для удовлетворения крупных производственных требований. Кованые поршни имеют относительно грубую внутреннюю форму после штамповки, определяемую только тем, что баран вбивается в слиток, а затем убирается. Это обычно означает значительную поворачиваемость и ручную отделку. С помощью этого метода достигаются более жесткие допуски. По этим причинам рабочие поршни почти всегда подделываются, в то время как поршни OEM-spec отливаются. Купить инструмент для ремонта двигателя

Перевод itstillruns

toolshop.su

Тюнинг поршни, из чего делают, какие бывают.

Поршни должны противостоять очень высокой температуре и высокому давлению на протяжении всех четырех тактов. Поршни испытывают высокие нагрузки, особенно в форсированных и гоночных двигателях. Двигателя с турбо надувом, механическими нагнетателями или впрыском закиси азота, более требовательны к прочности поршня. Добавьте к этому возможность взрыва, и Вы спрашиваете слишком много от этих слизняков. При высокой форсировке двигателя, где поставлена задача добиться максимума мощности использование литых поршней недостаточно. Все детали поршня показаны на рисунке ниже. 

На примере поршень дизельного двигателя.

Производство поршней

Обычно OEM поршни изготавливают из эвтектического сплава, обеспечивающего точность литья, и имеют состав с высоким содержанием диоксида кремния. Такие поршни гораздо прочнее и стабильнее, чем обычные литые и их применение возможно до примерно 400 лошадиных сил.

Кованные поршни имеют более сложную технологию производства, но и обладают лучшими характеристиками. На первой стадии кусок горячего сплава алюминия подвергают ковке, а затем проводится механическая обработка для придания формы. Заготовка поршня попадает на станок ЧПУ, после чего получается высокоточная деталь. Кованные поршни стоят дороже в основном из-за большого количества отходов и обработки на ЧПУ станке.

Эти макеты показывают толщину металла поршня для турбо надуву (слева) и для впрыска закиси азота (справа)

Постройка двигателя, рассчитанного на высокую степень сжатия или использование надува подразумевает использование кованных поршней, способных лучше противостоять высоким температурам и повышенному давлению.

Вертикальные газовые отверстия

Эти небольшие, вертикальные дыры в донышке поршня по всему периметру позволяют давлению при сгорании топливной смеси проникать за первое компрессионное кольцо. Это увеличивает герметичность камеры сгорания но и повышает износ кольца (давление сильно прижимает кольцо к стенкам цилиндра). Во время работы, кроме рабочего хода, первое компрессионное кольцо подвергается обычному давлению, как в обычном поршне и соответственно меньшую силу трения, собственно в этих режимах нет необходимости сильно прижимать кольцо к цилиндру.

Такие схемы поршней часто применяются в драг рейсинге.

Вертикальные отверстия благодаря давлению в режиме рабочего хода, позволяют прижимать верхнее компрессионное кольцо к цилиндру, чтобы обеспечить лучшую герметичность.

Боковые газовые отверстия в канавках колец

Эти очень мелкие углубления, сделанные в верхней части канавки верхнего поршневого кольца по всей окружности поршня, что позволяет прижимать кольцо газами к нижней плоскости канавки поршневого кольца и увеличить тем самым герметичность.

Этот тип часто используется в кольцевых гонках.

Мелкие канавки от верхнего кольца до кромки дна поршня-жаровой пояс.

Крупно выполненные канавки, некоторые делают едва заметный жаровой пояс.

Некоторые поршни имеют серию узких канавок, нанесенных вокруг поршня между первым компрессионным кольцом и кромкой дна поршня. Эти углубления сделаны для уменьшения контактирующей площади с цилиндром, когда поршень находится в верхней или нижней мертвой точке. Так же эти канавки служат для гашения пламени на подходе к кольцу

 Компенсационная канавка

Компенсационная канавка выполняется на перемычке между компрессионными кольцами. Это углубление создает дополнительный объем для прорвавшихся газов через первое кольцо тем самым уменьшая давление между кольцами и это обеспечивает меньшее колебание первого кольца, оно лучше удерживается на дне своей канавки сохраняя герметичность камеры сгорания.

Так же посмотрите следующие материалы  конструктивные особенности Типы поршней

Поршневая группа. Состав функции. Основные требования к конструкции поршня. Конструктивная реализация указанных требований. Обоснование формы поршня.

Основные конструктивные элементы поршневого ДВС. Классификация поршневых двигателей. Компоновочные схемы поршневых двигателей. Комбинированные ДВС.

Кривошипно-шатунный механизм служит для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленвала. Он состоит из двух групп деталей: неподвижных и подвижных. К неподвижным деталям относятся: блок цилиндров, головки блока цилиндров, гильзы, крышка и картер маховика. К подвижным – поршни с кольцами и пальцами, шатуны, коленвал и маховик. Кривошипно-шатунный механизм может быть центральным, когда оси коленвала и цилиндров лежат в одной плоскости, или смещенным, когда оси коленвала и цилиндров лежат в разных плоскостях.

Механизм газораспределения предназначен для своевременного впуска в цилиндр горючей смеси и выпуска отработавших газов. Выполняются по двум конструктивным схемам: с верхним и нижним расположением коленвалов. Основные детали механизма газораспределения: впускные и выпускные клапана, коромысло, штанга, толкатель, распредвал.

Классификация поршневых двигателей.

1) По способу преобразования энергии давления газов во вращательное движение

a) поршневые двигатели с КШМ

b) РПД

c) кулисные

2) По роду применяемого топлива:

a) на жидком топливе

b) газовые

c) комбинированные

3) По способу осуществления рабочего цикла

a) 2-х тактные

b) 4-х тактные

4) По способу воспламенения рабочей смеси:

a) с воспламенением от сжатия

b) с принудительным воспламенением

5) По способу охлаждения цилиндра

a) жидкостного охл.

b) воздушного

6) По способу смесеобразования:

a) с внешним смесеобразованием

b) с внутренним смесеобразованием

7) По способу наполнения рабочего цилиндра:

a) без наддува

b) с наддувом

Наддув – увеличение наполнения цилиндра двигателя воздухом путем увеличения давления на впуске.

Комбинированные двигатели – это двигатели, состоящие из поршневой части и нескольких компрессионных машин, а также из устройств подвода и отвода тепла, объединенных общим рабочим телом.

Комбинированные двигатели бывают:

- с механической связью (рисунок а )

- с газовой связью (рисунок б )

Для схемы а) «+» мощность турбины и компрессора могут быть различны.

Поршневая группа. Состав функции. Основные требования к конструкции поршня. Конструктивная реализация указанных требований. Обоснование формы поршня.

Состав поршневой группы:

1. поршень

2. уплотнительные, маслосъемные кольца

3. палец (поршневой)

4. ограничитель осевого перемещения поршневого пальца.

Функции поршневой группы:

1. воспринимать усилия от давления газов и сил инерции и передает их на шатун.

2. передает боковое давление от нормальной силы на стенку цилиндра.

3. обеспечивает герметичность внутри цилиндра.

4. выполняет роль золотникового устройства.

Основные требования к конструкции поршня:

1) Обеспечение герметичности от пропуска газов.

2) Эффективный отвод тепла от днища поршня в стенку цилиндра.

3) Минимальная тепловосприимчивость во внешней поверхности днища.

4) Повышенная износостойкость.

5) Обеспечение минимального расхода масла.

6) Минимальная масса при достаточной жёсткости и прочности.

7) Макс. Срок работы до первой переборки.

Поршни бывают:

- цельные

- составные

по охлаждению:

- с охлаждающей головкой

- без охлаждающей головки

В составных поршнях отъёмная головка изготовлена из жаропрочного материала. Форма поршня и его основные размеры определяются в 1-ю очередь условиями отвода воспринимаемого им тепла. Часть тепла отводится на подогревание рабочей смеси.

Форма поршня.

Поршень должен иметь наиболее простую (цилиндрическую) форму и по возможности симметричную относительно оси.

Форма днища определяется способом смесеобразования:

1. Плоское днище – наиболее распространено в двигателях с внешнем смесеобразованием.

«+» простота изготовления (min площадь соприкосновения с горячими газами)

2. Вогнутое – имеет благоприятную форму камеры сгорания, приближенную к сферической, при

непосредственном впрыске.

3. Выпуклое днище – придает повышенную жесткость, менее склонен к образованию масленого нагара (используют в 2-х тактных двигателях) придает необходимое направление течения газов при продувке.

4. Клиновое днище – на ДВС с верхними клапанами

1. Фигурное днище – с внутреннем смесеобразованием и центральным расположением форсунки; эта форма согласована с конфигурацией топливных факелов. Топливо не попадает на стенку цилиндра: ¯ расход, ¯ разжижение масла в цил.
2. Камера сгорания выполнена в поршне – это обеспечивает

пленочное и объемно-пленочное смесеобразование.

1. Камера сгорания прикрытого типа – теплонапряженность самая высокая

А 4 5

6 7

RMAX необходим для: ­ теплоотвода, ¯напряжений

Распределение температуры в поршне. Анализ распределения температуры. Доли отвода тепла отдельными элементами поршня. Материалы поршней. Дефекты поршней. Конструктивные мероприятия по предотвращению указанных дефектов.

Тепловое состояние.

1. Участок с мах Т в центре днища представляет собой эллипс, вытянутый перпендикулярно оси поршневого пальца.
2. Основной теплоперепад имеет место между днищем и нижнем поршневым кольцом.
3. Падение Т в днище относительно невелико.
4. Юбка поршня имеет одинаковую температуру.

Алюминиевый поршень имеет меньшую температуру, чем чугунный при прочих равных условиях. Температура поршня с воздушным охлаждением на 30 -50% выше чем с водным.

Для изготовления поршней используют следующие материалы:

1. Серый ковкий чугун СЧ 24-44; СЧ28-48

для напряженных конструкций – ВЧ45 – высокопрочный чугун, обладает высокой износостойкостью и прочностью, низкий коэффициент линейного расширения.

2. Легкие литейные сплавы: Al 1, Al 10, Al 19 – хорошие литейные свойства, низкий коэффициент линейного расширения.

Деформируемые алюминиевые сплавы (ковкие сплавы) – АК2, АК4 (уменьшенная масса, высокая теплопроводность, высокая степень сжатия)

«+» алюминиевые сплавы менее склонны к нагарообразованию

«–» плохая работа на холодном двигателе, плохие механические качества, низкая теплостойкость, высокая стоимость.

3. Стали. Используются жаропрочные сплавы.

4. Титан. Сложно обрабатывать.

Дефекты поршней:

- перегрев поршня, сопровождается отпуском материала, ¯ механических свойств, ¯ твердости. Развиваются микротрещины, приводящие к выкрашиванию материала.

Выход: использовать материалы с высокой теплостойкостью.

- эрозия и коррозия поршня (днища) под действием горячих газов.

Выход: механическая обработка днища поршня, оксидирование, хромирование, никелирование.

- износ боковой поверхности (зависит от качества масла)

Поршневые кольца. Назначение, требования, классификация. Формы уплотнительных колец. Материалы поршневых колец. Влияние выбора материала на конструкцию кольца и поршневой группы.

Поршневые кольца предназначены для предотвращения прорыва газов между поршнем и стенкой цилиндра, а также для удаления лишнего масла со стенок цилиндра, препятствуя проникновению его в камеру сгорания. Кроме того, поршневые кольца отводят тепло от головки поршня к стенкам цилиндра.

По назначению подразделяются на:

- компрессионные

- маслосъемные

Около 50% механических потерь осуществляется через кольца.

Верхнее поршневое кольцо нагревается до 350-400 º, через него отводится самое большое количество тепла, оно работает в условиях плохой смазки.

Маслосъемные кольца: устанавливаются на поршне за компрессионными.

Они делятся на:

- однокромочные - двухкромочные - составные кольца

Однокромочные: «+» кромка, соскабливающая масло со стенок цилиндра, излишки масла через отверстия уйдут на смазку поршневого пальца.

Двухкромочные: «+» также содержит канал для удаления избытка масла.

Составные кольца: «+» при деформации ведут себя более гибко, сохраняют уплотняющие функции при перекосах.

Требования к поршневым кольцам:

1. плотное прилегание к поверхности цилиндра и опорным поверхностям канавок поршня (геом. услов.).

2. небольшое начальное давление (0,5-20 кг/см2) на стенку цилиндра (силовые условия).

-площадь контакта уменьшается, давление на стенку цилиндра увеличивается.

- «скребковый вид»

- «минутные кольца» быстрей прирабатываются

скручивающиеся кольца. деформации косого изгиба

- они во время работы скручиваются, больше ресурс, хуже уплотняющие свойства

- трапециевидные кольца, удаляет излишки масла со стенок цилиндра; зазор постоянно меняется по величине.

Уплотняющее действие поршневых колец

Уплотняющие действия достигаются:

1. прижатием колец к поверхности цилиндра.

2. в результате образования системы поршневых каналов и зазоров сложного лабиринта.

При сжатии поршневого кольца:

- за счет собственной силы упругости колец (0,5 - 30) кг/см2

- за счет давления газов проникающих через зазоры в канавку (30 - 40) кг/см2

Материалы поршневых колец: чугун, сталь.

Требования:

1. Механическая прочность при высоких температурах.

2. Износостойкость.

3. Низкий коэффициент трения при высоких температурах.

Чугун: серый (Ч), высокопрочный (ВЧ)

СЧ18-36; СЧ24-44…

Покрытие стальных колец:

-покрытие молибденом (очень дорого), азотирование (большая вредность), титановое покрытие + азотирование = нитрид титана (высокая твердость).

Сталь: Х12М; 65Г

Насосное действие уплотнительных колец. Мероприятия по предотвращению насосного эффекта. Уплотняющее действие поршневых колец. Замки поршневых колец. Назначение зазора в замке.

Насосные действия уплотнительных колец.

Компрессионные кольца не препятствуют попаданию масла в камеру сгорания и при сгорании выделять вредные вещества.

а) поршень движется от ВМТ к НМТ, кольца за счет силы инерции прижаты к верхним поверхностям каналов(происходит впуск). Масло соскабливается нижним кольцом со стенки цилиндра. За счет гидравлического подпора давление масла ‹

б) поршень дошел до НМТ и пошел вверх. Направление сил инерции изменилось и изменилось положение колец. Масло вытеснилось в область меньшего давления

в) поршень пришел в ВМТ и пошел вниз.

Т.о. масло постепенно попадает в камеру сгорания. Для предупреждения этого устанавливаются маслосъемные кольца.

Замки поршневых колец.

Зазоры в замкевыбираются следующим образом: ∆ = ∆` + ∆``

∆`` - гарантированный зазор; ∆`` = 0,1-0,2 мм он нужен для гарантированной работы кольца, в противном случае оно ломается. При нагреве до опр. Тº, внешняя окружность кольца удлиняется на πD·αК·∆tК

αК– коэффициент линейного расширения, диаметр цилиндра при этом увеличивается на πD·αЦ·∆tЦ , при этом зазор в замке уменьшается на

∆` = πD·( αК·∆tК - αЦ·∆tЦ)

∆ - холодный зазор; ∆` - горячий зазор.

Эффективным средством увеличения сил, прижимающих кольцо к цилиндру - применение расширителя.

Расширитель: они увеличивают срок службы поршневых

колец. Их ставят под последние или 2-3 кольца, маслосъемные

кольца.

poisk-ru.ru

Поршневая группа

vdvizhke.ru

Поршень

ПОРШЕНЬВ конструкции поршня принято выделять следующие элементы (рис. 5.1):

головку 1 и юбку 2. Головка включает днище З, огневой (жаровой) 4 и уплотняющий 5 пояса. Юбка поршня состоит из бобышек б и направляющей части.

На рис. 5.2 и 5.3 представлены наиболее типичные в настоящее время Конструкции поршней автотракторных двигателей различного типа.

Сложная конфигурация поршня, быстро меняющиеся по величине и направлению тепловые потоки, воздействующие на его элементы, приводят к неравномерному распределению температур по его объему и, как следствие, к значительным переменным по времени локальным термическим напряжениям и деформациям (рис. 5.4).

Теплота, подводимая к поршню через его головку, контактирующую с рабочем телом в цилиндре двигателя, отводится в систему охлаждения через отдельные его элементы в следующем соотношении, %: в охлаждаемую стенку цилиндра через компрессионные кольца - 60...70, через юбку поршня - 20...30, в систему смазки через внутреннюю поверхность днища поршня - 5...10. Поршень также воспринимает часть теплоты, выделяющейся в результате трения цилиндра и поршневой группы.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОСНОВНЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ ПОРШНЯПри проектировании поршня используются статистические данные по конструктивным параметрам его элементов, отнесенным к диаметру цилиндра 1) (рис. 5.5, табл. 5.1).

Высота поршня Н определяется в основном высотой головки h При малой Н существенно возрастает влияние на характер движения поршня несоблюдение при производстве и эксплуатации зазоров, допускаемых между его элементами и зеркалом цилиндра, что может интенсифицировать процессы перекладин, нарушение газо- и маслоуплотнения, повышенные износы стенок канавок компрессионных колец.

Высота головки поршня определяет его габариты и массу, в связи с чем ее выбирают минимально необходимой для обеспечения нормального температурного режима ее элементов. Особое внимание при этом обращается на температуру в зоне канавки верхнего компрессионного кольца и в бобышках поршня.

МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРШНЕЙДля изготовления поршней автотракторных ДВС в настоящее время в основном используют алюминиевые сплавы, реже серый или ковкий чугун, а также композиционные материалы.

Алюминиевые сплавы имеют малую плотность, что позволяет снизить массу поршня и, следовательно, уменьшить инерционны нагрузки на элементы цилиндропоршневой группы и КШМ. При этом упрощается также проблема уменьшения термического со противления элементов поршня, что в сочетании с хорошей теплопроводностью, свойственной данным материалам, позволяет уменьшать теплонапряженность деталей поршневой группы. К положительным качествам алюминиевых сплавов следует отнести малые значения коэффициента трения в паре с чугунными или стальными гильзами.

Однако поршням из алюминиевых сплавов присущ ряд серьезных недостатков, основными из которых являются невысокая усталостная прочность, уменьшающаяся при повышении температуры, высокий коэффициент линейного расширения, меньшая, чем у чугунных поршней, износостойкость, сравнительно большая стоимость.

В настоящее время при изготовлении поршней используют два вида силуминов: эвтектические с содержанием кремния 11...14% и заэвтектические - 17...25%.

Увеличение содержания Si в сплаве приводит к уменьшению коэффициента линейного расширения, к повышению термо- и износостойкости, но при этом ухудшаются его литейные качества и растет стоимость производства.

Для улучшения физико-механических свойств силуминов в них вводят различные легирующие добавки. добавка в алюминиево-кремниевый сплав до 6% меди приводит к повышению усталостной прочности, улучшает теплопроводность, обеспечивает хорошие литейные качества и, следовательно, меньшую стоимость изготовления. Однако при этом несколько снижается износостойкость поршня. Использование в качестве легирующих добавок натрия, азота, фосфора увеличивает износостойкость сплава. Легирование никелем, хромом, магнием повышает жаропрочность и твердость конструкции.

Заготовки поршней из алюминиевых сплавов получают путем отливки в кокиль или горячей штамповкой. После механической обработки они подвергаются термической обработке для повышения твердости, прочности и износостойкости, а также для предупреждения коробления при эксплуатации. Кованые поршни пока используются реже, чем литые.

Чугун в качестве материала для поршней по сравнению с алюминиевым сплавом обладает следующими положительными свойствами: более высокими твердостью и износостойкостью, жаропрочностью, одинаковым коэффициентом линейного расширения с материалом гильзы. Последнее позволяет существенно уменьшить и стабилизировать по режимам работы зазоры в сочленении юбка поршня — цилиндр. Однако большая плотность не позволяет использовать его широко для поршней высокооборотных автомобильных двигателей. Данный недостаток может быть частично нивелирован включением в структуру чугуна шаровидного графита, что позволяет отливать элементы поршня существенно меньшей толщины. Как следует из сказанного выше, ни силумины, ни чугун в полной мере не являются оптимальными материалами для изготовления поршней.

В связи с этим в настоящее время ведется активная работа по использованию для поршней керамических материалов, которые наилучшим образом отвечают требованиям, предъявляемым к материалам поршневой группы. Это малая плотность при высокой прочности, термо-, химико- и износостойкости, низкой теплопроводности и необходимом значении коэффициента линейного расширения.

Один из практических способов использования керамики состоит в изготовлении деталей поршня из металло- или полимерокомпозиционных материалов. Матрицей (основой) первого типа материалов является алюминий или магний, а в качестве наполнителя используют керамические и металлические порошки или волокла пористых материалов. Основу полимерокомпозиционных материалов составляют полимерные материалы с наполнителем из волокон углерода, стекла, порошков металлов или керамики. Они обладают малой плотностью, высокими антифрикционными свойствами и применяются для элементов с небольшими тепловыми нагрузками, например для изготовления юбки поршня.

Перспективным является армирование элементов поршня керамическими волокнами из оксида алюминия и диоксида кремния.

При содержании в основном материале до 40...50% оксида алюминия получается аморфное керамическое волокно с диаметром 2...3 мкм, успешно работающее при температуре 1200...1300°С. Если содержание оксида алюминия превышает 70%, получается структура волокна, приближающаяся к кристаллической, что способствует высокой термической стабильности изделия.

Основными проблемами, сдерживающими широкое использование керамики для изготовления поршней автотракторных двигателей, являются хрупкость, низкая прочность на изгиб, склонность к трещинообразованию и усталости, а также высокая стоимость.Материал поршня должен быть возможно малой плотности, иметь низкий коэффициент линейного расширения, обладать износостойкостью, высокой теплопроводностью, в том числе при повышенных температурах, иметь хорошую обрабатываемость. При этом важными являются комплексные характеристики материала, а не только отдельные его свойства. Так, уровень термических напряжений зависит от величины Еt и т.д. В зависимости от назначения двигателя и типа конструкции поршня могут быть применены различные материалы. Поршни двигателей многих типов, прежде всего автомобильных и тракторных, изготовляют из легких сплавов литьем в кокиль или штамповкой. В первом случае применяются эвтектические силумины типа 4Л25 (11-13% Si) и заэвтектические. содержащие присадки меди, никеля, магния и марганца. Поршни штампуют из сплавов АК4 и АК4-1, отличающихся высокими прочностными свойствами при повышенных темперах.

Несмотря на то, что масса поршней из алюминиевого сплава меньше массы поршней из чугуна, последний также применяется для изготовления поршней быстроходных двигателей. Из легированного серого и высокопрочного чугунов типов СЧ 24-СЧ 45 и ВЧ 45-5 изготовляют поршни форсированных тепловозных и среднеоборотных двигателей. При повышенной по сравнению с алюминиевыми сплавами температуре плавления чугуна устраняется обгорание кромок на поверхностях, обращенных к камере сгорания.

В составных поршнях для изготовления головки применяют жаростойкие стали типа 2ОХЗМВФ. На изготовление из стали переходят, если максимальная температура в наиболее нагретых зонах поршня превышает ориентировочно 450С. В ряде случаев (накладки поршней двухтактных двигателей) применяют высоколегированные жаропрочные стали. В табл. 11 приведены некоторые теплофизические и механические характеристики ряда материалов поршней с учетом зависимости их от температуры.

ua-referat.com

Функция поршня, требования

Функция поршня

Поршень как элемент механической передачи

В цилиндре двигателя энергия, находящаяся в топливе, быстро преобразовывается в высокую температуруи давление во время цикла сгорания. Высокая температура и давление возникаютв очень короткий период времени. Поршень, как движущаяся часть камеры сгорания,имеет задачу преобразования этой выпущенной энергии в механическую работу.

Базовая структура поршня - полый цилиндр, закрытый с одной стороны, образует дно поршня, кольцевой пояс, крепление пальца, юбку поршня. рисунок 1.1. Дно поршня принимает усилие расширяющихся газов в следствии сгорания топливной смеси, затем передается усилие на поршневой палец и через него на шатун, который передает усилие на коленчатый вал.

Рисунок 1.1: поршни бензинового двигателя

Рисунок 1.2: Силы на поршне

При движение поршня возникают различные силы в том числе и инерционные как самого поршня так и шатуна и образуют параллелограмм. Сила поршня Fk рисунок 1.2. При перемещении поршня сообщается сила между центрами поршневого пальца и шейки шатуна(сила шатуна Fst). дополнительной составляющий образующую параллелограмм силы -а именно, боковая Фс сила, также известная как нормальная сила. Эта сила прижимает юбку поршня

Рисунок 1.3:

Кривые силы

к стенке цилиндра. Во время цикла сгорания боковая сила изменяет направлениенесколько раз, прижимая поршень то к одной стенке цилиндра, то к другой. Рисунок 1.3 показывает силу поршня и боковые кривые силы.

Герметичность и теплоотдача

При перемещении поршень, вместе с поршневыми кольцами,должен обеспечивать достаточную герметичность камеры сгорания и противостоять прорыву газов через поршневые кольца а так же попадания масла в камеру сгорания. Эта задача должна выполняться с гидродинамическим явлением (об этом подробнее в теме о кольцах), то есть обязательно должна быть масляная пленка на поверхности цилиндра, обеспечивающая смазку юбки поршня. Поршневые кольца недолжны быстро изнашиваться.

Поршень должен эффективно рассеивать тепло полученное от сгорания топлива, теплоотдача происходит в большей степени через кольца, а так же юбку поршня, охлаждается и внутренняя часть поршня как воздухом из картера так и маслом, применяются дополнительные масляные каналы для охлаждения внутренней поверхности поршня. В общих чертах это выглядит так, позже разберем охлаждение подробнее.

Разнообразие задач

Самые важные задачи, которые должен выполнить поршень:

• Передача силы рабочего газа
• Выдерживать переменную нагрузку в цилиндре (воздействие возникающих сил)
• Сохранять рабочие плоскости
• Теплоотдача

• Выполнять рабочий ход, выпуск, впуск, сжатие (четырехтактные двигатели)

  • Завихрение смеси (посредством подходящей формы днища поршня)
• Управление впуском и продувкой (в двухтактных двигателях)

• Герметизировать камеру сгорания (поршневые кольца)

  Требования к поршню

  Выполнение различных задач таких как

• структурная прочность
• адаптируемость к эксплуатационным режимам
• низкое трение
• низкое изнашивание
• низкий вес с достаточной стабильностью формы
• низкое потребление масла

• низкий уровень загрязнения

  Сочетать все требования крайне сложно в виду использованных материалов и форм, чем- то приходится жертвовать. Оптимальное решение может очень отличайтесь для каждого отдельного случая.

• Температура поршня

enginepower.pro

• 
  Продольная тяга
• 
  Кшм 15
• 
  Строп это
• 
  Новый фиат добло
• 
  Мощность теплопередачи
• 
  Световая сигнализация
• 
  Крановые работы
• 
  Перевозка гусеничных экскаваторов
• 
  Определение тока
• 
  Устройство шатуна
• 
  Тяга продольная