Поршни современных двигателей / Ремонт двигателей

Не будет преувеличением сказать, что поршень — наиболее ответственная и специфичная деталь в современном двигателе. Он должен быть легким и прочным, способным выдерживать значительные механические нагрузки и тепловые удары, а кроме того, обладать высокой износостойкостью рабочих поверхностей, низким трением при минимально возможном зазоре в цилиндре.

Последнее требование особенно важно для хорошей герметичности, возможности избежать прорыва газов из камеры сгорания в картер и поступления масла в обратном направлении. Иными словами — для минимального расхода масла с одновременным отсутствием шума (стука) поршня о стенки.

И это только часть проблем, которые приходится решать при конструировании и производстве поршней для конкретных двигателей. В целом получается, что поршень как бы концентрирует технические новшества, заложенные в конструкцию мотора. Тут можно перефразировать известное выражение древних: «Покажи мне только поршень, и я скажу, что это за двигатель».

Словом, разработка и изготовление современных поршней — задача особая. На Западе их производством давно занимаются не изготовители автомобилей, а специализированные фирмы. У них накоплен необходимый опыт и создана соответствующая техническая база, без чего невозможно получить надежный результат. В мире существует несколько фирм такого рода, но наибольшую известность по праву получила немецкая марка «Мале» (Mahle).

Фирма Mahle существует с 1920 года. Название она получила по фамилии своих основателей — братьев Мале. Затем последовали десятилетия непрерывного совершенствования, развития и роста. Сегодня Mahle — это целая группа специализированных компаний, которая так и именуется — Mahle Group. Так, производством поршней, цилиндров и блоков цилиндров занимается концерн Mahle GmbH, привлекший дочерние и долевые фирмы США, Мексики, Бразилии, Испании, Франции и Южной Кореи. Туда же входят известные фирмы Mondial Piston (Испания) и Konig KG GmbH (Австрия). Помимо этого, в группу Mahle входят компании, производящие детали двигателей, включая поршневые пальцы, клапаны и др. , а также фильтры (в том числе известная фирма Knecht).

Фирма Mahle приобрела свою мировую известность в основном успехами в разработке и производстве поршней для двигателей всех типов — от маленьких мотоциклетных до мощных, в десятки тысяч киловатт, судовых дизелей. Особенности конструкции и технологии изготовления поршней, выпускавшихся фирмой Mahle, — это этапы развития не только самой фирмы, но и всего мирового моторостроения. Они интересны для всех любителей техники, но особенно для тех, кто так или иначе связан с ремонтом автомобильных двигателей.

Известно, что поршни автомобильных двигателей изготавливаются из легких алюминиевых сплавов. Однако не все знают, что именно Mahle первой в Европе освоила серийное производство поршней из сплава алюминия с кремнием (1926 г.). При этом специальные поршневые сплавы «Mahle 124» с 11-13% кремния (1933 г.) и «Mahle 138» с 17-19% кремния (1937 г.) стали классическими для производителей поршней и сегодня применяются не менее широко.

В 1935 году Mahle впервые начала выпуск поршней со специальным профилем наружной поверхности: вместо цилиндрической формы поршень приобрел овальную и бочкообразную. Такая конфигурация оптимальна, поскольку в реальных условиях овальный и бочкообразный поршень, нагреваясь неравномерно (температура днища, омываемого горячими газами, существенно больше температуры юбки, охлаждаемой при контакте со стенками цилиндра), принимает форму, близкую к цилиндрической. В то же время небольшое заужение нижней части юбки создает гидродинамический эффект (своего рода подъемную силу) при движении поршня вниз — он как бы всплывает на масляной пленке. Найденные формы позволили уменьшить зазор в цилиндре без опасности заклинивания, снизить шум двигателя и повысить долговечность цилиндропоршневой группы. Они сохранились и у поршней самых современных двигателей. Правда, у них вдобавок появился еще и микрорельеф (микроканавки на наружной поверхности глубиной порядка 5 мкм), создающий дополнительную подъемную силу при движении в цилиндре.

С 1926 года Mahle для компенсации теплового расширения поршней использует биметаллический эффект: стальные терморегулирующие вставки внутри поршня при нагревании препятствуют температурному расширению, позволяя держать малый зазор между поршнем и цилиндром. Эту же задачу решают и пазы в верхней части юбки поршня (в канавке маслосъемного кольца или под ней), которые препятствуют распространению тепла от верхней части поршня, нагретой горячими газами, в юбку. Из-за этого температура стенок юбки уменьшается, что также препятствует тепловому расширению поршня. Описанная комбинированная конструкция — со вставками и пазами — получила название Autothermik и успешно применялась фирмой Mahle с 1930 года для поршней многих автомобильных двигателей.

Схема только с пазами (без стальных вставок) хотя и позволяет несколько уменьшить массу поршня, но заметно уступает схеме Autothermik по тепловому расширению. В настоящее время она применяется редко, в основном на двигателях малого рабочего объема.

С ростом мощности и соответственно нагрузок на поршень от пазов на юбке вообще пришлось отказаться, поскольку они ощутимо ослабляют деталь. Поэтому с 1955 года как на бензиновых, так и на дизельных двигателях широко используется конструкция со стальными вставками без пазов, получившая название Autothermatik. Кстати, поршни такого типа имеют все вазовские двигатели.

Дальнейшее развитие порш-ней — конструкция Duotherm, применяемая в основном на бензиновых двигателях с 1970 года. Здесь «управление» тепловым расширением юбки осуществляется как с помощью биметаллического эффекта, так и расширением верхней части поршня. Вследствие этого схема Duotherm по тепловому расширению лучше предыдущих схем, но несколько уступает по прочности схеме Autothermatik.

В последние годы поршни без стальных вставок и пазов (с «жесткой» юбкой) снова оказались в центре внимания. Автомобильные двигатели последнего поколения, многие из которых имеют алюминиевый блок цилиндров, потребовали облегчения поршней без ухудшения их тепловых, прочностных и других эксплуатационных характеристик. Это оказалось возможным, если перейти на материалы с повышенным содержанием кремния (включая сплав «Mahle 244» с 23-26% кремния). Одновременно были разработаны более эффективные методы получения заготовок поршней, в частности вместо литья под давлением — штамповкой (ковкой) и «жидкой» штамповкой. В результате поршни двигателей последних моделей имеют достаточно простую форму, низкую массу, высокую прочность и износостойкость, обеспечивая при этом минимальный шум двигателя.

Особо следует остановиться на конструкции поршней для дизельных двигателей. Как известно, дизель характеризуется очень высокой степенью сжатия (до 22-24 против 9-10 у бензинового двигателя) и соответственно большими силовыми и тепловыми нагрузками на детали, включая поршень. Его совершенствование опять-таки хорошо иллюстрируется цепочкой разработок фирмы Mahle.

Еще в 1931 году Mahle впервые применила чугунную вставку канавки для верхнего кольца, что позволило заметно увеличить ресурс дизельного двигателя. Эта конструкция с успехом применяется и по сей день, хотя с 1974 года (а особенно в последнее время) для упрочнения верхней канавки все чаще применяют износостойкие покрытия.

Обычно такое покрытие имеет толщину 40 — 120 мкм и делается по всему днищу поршня с «заходом» в канавку верхнего кольца, одновременно защищая края днища поршня от перегрева. Покрытие представляет собой так называемое твердое анодирование, то есть термохимическое преобразование верхнего слоя алюминиевого сплава в твердую керамику (окись алюминия Al2O3). Кстати, подобное покрытие, но меньшей толщины (обычно 10 — 15 мкм), используют и на поршнях высокофорсированных бензиновых двигателей с наддувом. Здесь помимо уменьшения износа верхней канавки ставится цель защиты днища поршня от разрушения детонацией.

В поршнях современных дизелей с наддувом нередко применяют так называемое внутреннее охлаждение, которое уменьшает температуру днища на 30-80°С. Оно состоит в подаче масла из системы смазки через форсунку во внутреннюю кольцевую полость поршня, расположенную около пояса поршневых колец. Очевидно, что изготовление поршня с подобным кольцевым отверстием требует специальной технологии.

Кроме этих особенностей, в последних конструкциях автомобильных дизелей с непосредственным впрыском топлива в цилиндр, отличающихся очень высокой нагрузкой на поршень, появилась и другая особенность. В бобышках поршня здесь устанавливают бронзовые втулки в отверстия для поршневого пальца, а сам палец делают волнистым с плавным уменьшением диаметра на 10-40 мкм вблизи краев отверстий поршня и шатуна. Такие решения обеспечивают долговечность соединения поршня с пальцем там, где традиционные конструкции и материалы уже не работают.

Среди достижений фирмы, касающихся дизелей, нельзя не отметить поршни с армированием керамическими волокнами типа Liquostatik, а также поршни типа Ferrotherm, состоящие из двух частей — уплотняющей и направляющей. На подходе и другие новинки.

Большинство поршней традиционно покрывается тонким (порядка 5 мкм) слоем свинца, олова или цинка. Покрытие препятствует задиру юбки на нерасчетных режимах, например при запуске и прогреве, когда условия смазки ухудшены. В последние годы на юбку поршней стали наносить покрытие типа Grafal, которое представляет собой графит со специальным наполнителем, обеспечивающим прочное сцепление со стенкой юбки. Покрытие имеет толщину 15-30 мкм и существенно влияет на износостойкость поршня.

Для V-образных двигателей с алюминиевыми блоками цилиндров и их поршней фирма разработала специальные технологии и материалы. Так, поршни имеют покрытие типа Ferrostan (1975 г.), представляющее собой слой железа толщиной 12-20 мкм, покрытый сверху тонким (1-2 мкм) слоем олова. Блок цилиндров отливают по специальной технологии Silumal из алюминиевого сплава «Mahle 147» (17% кремния, 4% меди) с осаждением повышенного количества кремния вблизи цилиндров. После обработки поверхность цилиндров травят соляной кислотой, при этом алюминий «уходит» с поверхности и там остается чистый кремний. Таким образом, пара материалов в двигателях с такими блоками цилиндров как бы обратна привычной: «железный» поршень работает в «алюминиевом» цилиндре. Этим достигается исключительная износостойкость пары (в комплекте с хромированными поршневыми кольцами), а также низкий уровень шума из-за очень малого зазора в цилиндре (порядка 0,01 мм). Такие блоки теперь применяют самые именитые фирмы (V8 — «Мерседес», «Ауди», «Порше»; V12 — «Мерседес» и БМВ).

Следует упомянуть также успехи Mahle в создании специальных износостойких покрытий цилиндров, в частности Chromal (1951) и Nikasil (1967). Chromal — это хромовое покрытие толщиной 0,06-0,08 мм, осаждаемое электрохимическим способом на алюминиевый цилиндр. Nikasil состоит из никеля с включением мелких (размером около 3 мкм) частиц карбида кремния; такое покрытие имеет наивысшую износостойкость. Это определило использование алюминиевых гильз цилиндров с покрытием Nikasil для двигателей гоночных автомобилей.

Здесь уместно заметить, что Mahle — основной производитель поршней и гильз цилиндров для автомобилей «Формулы 1» (F1). Подавляющее большинство команд, включая Феррари, Вильямс — Рено, Бенеттон-Рено, МакЛарен — Мерседес и другие, использует именно эти комплектующие. Поршень двигателя F1 должен оставаться работоспособным при частоте вращения до 17000 мин-1, поэтому он отличается предельно низкой массой и малой высотой, изготавливается «жидкой» штамповкой и имеет, как правило, внутреннее охлаждение, причем на последних модификациях используют только два поршневых кольца.

Сегодня фирма Mahle выпускает поршневые группы (комплекты «поршень — поршневые кольца — поршневой палец») для подавляющего большинства моделей и модификаций автомобилей европейского производства. Перечень марок впечатляет: «Мерседес», БМВ, «Фольксваген», «Ауди», «Опель», «Рено», «Пежо», «Ситроен», «Фиат» и многие другие. Эта продукция Mahle идет как для конвейерной сборки, так и в запасные части. Достаточно велика номенклатура поршней и для двигателей японских машин. Не забыты российские потребители: фирмой Mahle освоены и уже продаются на нашем рынке поршневые группы и кольца для двигателей ВАЗ и ГАЗ.

Несмотря на огромную массу выпускаемых деталей (в последние годы к ним прибавились поршневые кольца и подшипники коленчатых валов), фирма выполняет и индивидуальные заказы. Например, здесь могут изготовить поршни для новых двигателей в единичных количествах. Имея серьезную исследовательскую, конструкторскую и производственную базу, Mahle может спроектировать и сделать поршень для любого двигателя, удовлетворяющий всем необходимым требованиям, будь то низкий расход топлива и масла, малый выброс токсичных веществ с выхлопными газами, невысокий шум, максимально возможные мощность и долговечность двигателя. При этом будут выбраны оптимальные сочетания материала, конструкции, геометрии и покрытий поршня, необходимые для выполнения поставленных условий.

Интересно, что у фирмы можно заказать и любые поршни, которые когда-либо изготавливались фирмой Mahle: со времени ее основания сохраняются все формы для отливки.

Из чего делают современные двигатели: новые материалы на службе автопроизводителей

На протяжении многих десятков лет моторы изготавливали из самых обычных материалов — стали, чугуна, меди, бронзы, алюминия. Совсем немного пластика, иногда какие-то мелкие элементы, вроде корпусов карбюраторов, — из магниевых сплавов. На волне тенденции к всемерному облегчению конструкций и увеличению мощности при улучшении экологической составляющей состав материалов с тех времен заметно изменился. Из чего же сегодня делают двигатели? Разбираемся.

Большая часть автовладельцев наверняка знает главный тренд современного автомобилестроения: увеличение мощности двигателя при постоянном уменьшении его объема и массы. Секрет такого сочетания кроется в том числе в новых материалах и конструктивах. Ну и, разумеется, тщательной проработке всех элементов силового агрегата, а также уже не скрываемом отсутствии избыточных (читай: невыгодных) запасов прочности.

Как ни странно, всевозможные нанотрубки и прочий хай-тек, о котором постоянно говорят в СМИ, в моторостроении на самом деле почти не применяются. В серийных моторах самыми дорогими и сложными материалами являются кремнийникелевые покрытия, металлокерамический композит (например, известный как FRM у Honda), различные полимерно-углеродные композиции и постепенно появляющиеся в серийных двигателях титановые сплавы, а также сплавы с высоким содержанием никеля, например Inconel. В целом же двигателестроение остается очень консервативной областью машиностроения, где смелые эксперименты в серийном производстве не приветствуются.

Прогресс обеспечивается в основном «тонкой настройкой» и применением давно известных технологий по мере их удешевления. Основная масса серийных агрегатов состоит в основном из чугуна, стали и алюминиевых сплавов — по сути, самых дешевых материалов в машиностроении. Однако тут все же есть место для новых технологий.

Самая крупная деталь любого мотора — блок цилиндров. Она же самая тяжелая. Долгие десятки лет основным материалом для блоков служил чугун. Он достаточно прочен, хорошо льется в любую форму, его обработанные поверхности обладают высокой износостойкостью. Список достоинств включает и невысокую цену. Современные моторы небольшого рабочего объема по-прежнему льются из чугуна, и вряд ли в ближайшее время индустрия полностью откажется от этого материала.

Основная задача в совершенствовании сплавов чугуна — это сохранение высокой твердости поверхности при улучшении его вспомогательных качеств, иначе это может привести к необходимости использования чугунных же гильз для блока цилиндров из более износостойкого сплава. Так изредка делают, но в основном на грузовых моторах, где эта технология финансово оправданна.

Алюминий в качестве материала блока применяется также очень давно и совершенствуется примерно в том же направлении. Усилия направлены в основном на улучшение возможностей его обработки, на снижение коэффициента расширения при сохранении необходимой пластичности материала, повышение необходимых аспектов прочности сплавов.

Также развиваются технологии использования вторичного алюминия низкой очистки. Для таких сплавов применяются технологии, отличные от литья, причем налицо тенденция к изготовлению из алюминия блоков цилиндров более компактных моторов. Например, двигатель Volkswagen серии EA211 сегодня имеет алюминиевый блок, который оказался на 40% легче чугунного.

Магниевые сплавы значительно менее популярны. Они легче алюминиевых, но имеют значительно более низкую коррозийную стойкость, не переносят контакта с горячей охлаждающей жидкостью, со стальными крепежными деталями повышенной температуры. На рядных шестицилиндровых блоках моторов BMW серий N52 и N53, например, из магниевого сплава выполнена только внешняя часть блока, «рубашка» системы охлаждения. Для сравнительно длинного блока шестицилиндрового мотора это дает выигрыш в массе порядка 10 кг по сравнению с цельноалюминиевой конструкцией. Также магниевые сплавы используют для блок-картеров моторов с отъемными цилиндрами. В основном это двигатели мотоциклов.

Компоненты двигателя

Если с самой большой деталью мотора новые технологии и материалы не очень «дружат» в целом, то в частностях возможны интересные сюрпризы. Гильзы цилиндров у любого блока являются точкой приложения всех новейших технологий и материалов. Высокопрочный чугун, методы поверхностного упрочнения алюминиевых высококремнистых сплавов, гальванические покрытия на основе сплава карбида кремния с никелем, металлокерамические матрицы и стальное напыление широко используются даже на серийных моторах. Про чугун и высококремнистый алюминий говорить не будем, все же сами технологии не только старые, но и массовые. А вот про остальные материалы лучше рассказать чуть подробнее.

Упрочненные чугунные гильзы по технологии CGI (Compacted Graphite Iron) появились для реализации экстремально высокой степени форсирования у дизельных моторов. Этот чугун сильно отличается от распространенного серого чугуна. У него на 75% выше прочность на разрыв, на 40% выше модуль упругости, и он в два раза устойчивее к знакопеременным нагрузкам. А его сравнительно невысокая стоимость и прочность позволяют создавать литые чугунные блоки с массой меньше, чем у алюминиевых. Но в основном его применение ограничено гильзами и коленчатыми валами. Гильзы получаются очень тонкими, теплопроводными и при этом столь же технологичными и надежными, как обычные гильзы из чугуна. А коленчатые валы по прочности соперничают с коваными стальными при заметно меньшей себестоимости.

Покрытие по технологии Nicasil, в общем-то, не редкость и далеко не новинка, но оно остается одним из самых высокотехнологичных и перспективных в своей сфере. Изобрели его еще в 1967 году для роторно-поршневых двигателей, и засветиться в массовом автомобилестроении оно успело. Porsche его применял для гильз цилиндров с 1970-х, а в 1990-е его попытались применить и на более массовых моторах, например в BMW и Jaguar, но недостатки технологии и высокая цена заставили отказаться от него в пользу более дешевых методов поверхностного упрочнения высококремниевых сплавов, например по технологии Alusil.

Причем более вероятной причиной отказа является как раз повышенная стоимость блоков цилиндров с этим покрытием, связанная с низкой технологичностью процесса гальванического нанесения и высоким процентом не выявляемого сразу брака, который потом успешно списали на высокосернистые бензины.

Тем не менее это покрытие все еще остается лучшим выбором для создания рабочей поверхности в любом мягком металле, потому под различными торговыми наименованиями применяется в массовом и особенно гоночном двигателестроении. Например, под маркой SCEM в моторах Suzuki. Его недостатки в основном связаны с очень высокой стоимостью обработки и слабой приспособленностью к массовому производству при использовании с крупными многоцилиндровыми блоками.

Металлокерамическая матрица (MMC), более известная как FRM в моторах Honda, — еще один оригинальный и интересный материал. Например, двигатель на суперкаре NSX имел гильзы, выполненные по такой технологии. Опять же технология далеко не новая, но, как и материал, очень перспективная. Покрытие типа Nicasil тоже относится к MMC, но его приходится наносить гальваническим методом, и в качестве матрицы выступает достаточно твердый никель.

В технологии FRM материалом матрицы служит алюминий, а MMC получается в процессе заливки гильзы из волокнистого материала на основе карбоновой нити в алюминиевый блок. Использование углеродного волокна более технологично. К тому же матрица получается намного более толстой, чуть более мягкой, намного более упругой и абсолютно интегрированной в материал блока. Отслоение, как это происходило с Nicasil, попросту невозможно. Задиры и локальные повреждения в силу структуры материала ему почти не страшны, а в случае износа цилиндр можно расточить благодаря большому запасу по толщине.

Минусы у такого покрытия тоже имеются. Во-первых, немалая цена, во-вторых, жесткое отношение к поршневым кольцам, поскольку его структура плохо «настраивается». Тут не создать полноценной сетки хона, правда, масло хорошо удерживается в волокнах и без того. Края волокон очень жесткие, и даже сверхтвердые кольца имеют ограниченный ресурс, а поршень в местах контакта интенсивно изнашивается при малейшем биении, что подразумевает использование поршней с минимальным зазором и очень короткой юбкой. К тому же покрытие очень маслоемкое. В итоге у моторов постоянно наблюдался повышенный расход масла, что на определенном этапе не позволило выполнять жесткие экологические требования.

Впрочем, сейчас эта проблема уже не актуальна, новые катализаторы и новые поколения малозольных масел позволяют об этом не беспокоиться. Ну и, разумеется, цена нанесения покрытия такого типа заметно выше, чем у алюсила или чугунных гильз, но все же меньше, чем у Nicasil-подобных материалов.

Покрытия MMC разных типов также используются в целом ряде деталей двигателей. Например, в седлах клапанов в ГБЦ, упрочнениях крайних постелей распредвалов, особо нагруженных местах креплений элементов конструкции. Это позволяет широко применять цельноалюминиевые детали и снижать массу конструкции за счет упрощения. Некоторые детали двигателей могут иметь крупные элементы из MMC, например клапаны. Но это и сейчас удел не серийных конструкций.

Титановые сплавы также давно пытаются использовать в конструкции машин. В двигателях этот прочный, легкий и очень эластичный материал с превосходной химической стойкостью применяется очень ограниченно в силу высокой стоимости. Но можно найти серийные конструкции с деталями из титана. Титановые шатуны, например, давно устанавливаются в моторах Ferrari и тюнинговом подразделении AMG. Еще титан — неплохой выбор для пружин, шайб, рокеров и прочих элементов ГРМ, деталей теплообменников EGR, а также разных крепежных элементов. Кроме того, он используется для производства рабочих элементов высокопроизводительных турбин, а иногда —— для производства клапанов и даже поршней.

Теоретически детали из высококремнистых титановых сплавов с высоким содержанием интерметаллидов и сицилидов могут применяться в двигателях, но у большинства титановых сплавов наблюдается серьезная потеря прочности уже при температурах свыше 300 градусов — изменение пластичности в больших пределах и большой коэффициент расширения, что не позволяет создавать из них долговечные детали с низкой массой. Ограниченное применение имеет в двигателестроении и 3D-печать из титановых сплавов, например для создания выпускных систем на спорткарах.

А вот покрытия из нитрида титана — одни из самых популярных средств упрочнения поршневых колец. Этот материал отлично работает по кремниевому упрочненному слою гильз цилиндров. Его же используют как напыление на фаски клапанов, в том числе титановых, на торцы толкателей клапанного механизма и другие узлы двигателя. Начиная с 1990-х годов использование этого метода упрочнения неуклонно возрастает, и он вытесняет хромирование, азотирование и ТВЧ-закалку. Также нитрид титана является перспективным типом покрытия для гильз цилиндров: он может наноситься методом PA-CVD (плазмохимическое осаждение из газовой фазы), а значит, такие технологии могут стать серийными в ближайшее время, если будет спрос на новые износостойкие покрытия цилиндров.

Уже упомянутая 3D-печать также активно применяется для создания высокопрочных и высокоточных жаростойких деталей сплав Inconel. Это семейство никельхромовых жаростойких сплавов давно служит материалом для создания выпускных клапанов, верхних компрессионных колец, пружин и даже выпускных коллекторов, корпусов турбин и крепежного материала для высокотемпературного применения.

В последние годы, в связи с развитием технологий 3D-печати и активным использованием в них Inconel-сплавов, мелкосерийные ДВС все чаще обзаводятся деталями из этого очень перспективного материала. Рабочий диапазон деталей из него минимум на 150–200 градусов выше, чем у самых жаростойких сталей, и доходит до 1200 градусов. Как материал упрочнения сплавы Inconel используются серийно уже достаточно давно, так, в моторах Mercedes-Benz покрытие из Inconel применяется на моторах серий M272/M273.

Пластмассы также продолжают внедрять в конструкции двигателей. Выполненные из пластика элементы системы впуска и охлаждения — дело уже привычное. Но дальнейшее расширение номенклатуры маслостойких и теплостойких пластмасс с низким короблением позволило создать пластмассовые картеры ДВС, клапанные крышки, направляющие, корпуса малых конструкций внутри двигателя. Концепты моторов с блоком цилиндров из пластмассы, а точнее, из полимерно-углеродных композиций, уже были представлены публике. При незначительно меньшей прочности, чем у легких сплавов, пластик в производстве обходится дешевле и значительно лучше перерабатывается.

Каков итог?

Изучение вопроса применяемости материалов в двигателестроении показывает четкую направленность: для снижения массы и улучшения других характеристик применение каких-то суперматериалов либо не особо требуется, либо невозможно в принципе в силу физических и химических свойств. Развитие технологий идет путем эволюционным — усовершенствования как самого производства, так и традиционных материалов, реорганизации рабочего процесса и конструкторской оптимизацией. Так что даже в среднесрочной перспективе мы вряд ли увидим революцию в производстве ДВС, скорее речь будет идти о постепенном отказе от этого типа двигателя в принципе в пользу электротехнологий, хотя и там пока не наблюдается бурного технологического прорыва.

Гидравлический поршень и другие элементы гидроцилиндра

В гидравлических системах мобильных машин и промышленного оборудования широко применяются гидроцилиндры – в качестве источника привода или исполнительных механизмов.

Существуют поршневые, плунжерные, телескопические и другие цилиндры, имеющие свои конструктивные особенности. Первые – самые распространенные, они просты и удобны, эффективны в самых различных сферах эксплуатации.

Неотъемлемой частью поршневого гидроцилиндра является та деталь, по которой он получил свое название – гидравлический поршень.

Под воздействием рабочей жидкости, поступающей в полость цилиндра, он совершает направленное возвратно-поступательное движение с определенной скоростью, которая зависит, в основном, от скорости нагнетания жидкости. В результате перемещения поршня гидравлическая энергия преобразовывается в механическую – достигается основная цель работы гидроцилиндра.

Поршень является основным рабочим звеном гидроцилиндра. В качестве передатчика усилия поршня выступает шток, соединенный с ним посредством пальца.

Ход поршня ограничивается крышками цилиндра, в которых имеются отверстия для подвода рабочей жидкости. Жесткий контакт поршня и крышек предотвращают демпферы (тормозные устройства).

Поршень и шток образуют в рабочей камере две полости: соответственно поршневую и штоковую. Первая ограничена поверхностями корпуса и поршня, вторая – поверхностями корпуса, поршня и штока.

Полости гидравлического цилиндра должны быть герметичными, поэтому на поршень устанавливаются специальные уплотнения – манжеты из маслостойкой резины, которые препятствуют протеканию рабочей жидкости. При одновременно высоком давлении со стороны штока и поршневой полости устанавливается две манжеты, если давление оказывается с одной стороны – одна.

Корпус гильзы, поршень и шток испытывают значительные нагрузки, поэтому изготавливаются из металла.

Поршни, контактирующие с внутренними стенками гильзы всей поверхностью, выполняются из латуни, фторопласта или бронзы – материалов с антифрикционными свойствами. Поршни, оснащенные специальными направляющими и уплотняющими кольцами – как правило, стальные.

К поршневым гидроцилиндрам предъявляется ряд требований:

• Поршни должны передвигаться равномерно и плавно по всей длине хода
• Штоки не должны подвергаться боковым нагрузкам, так как это может привести к быстрому изнашиванию уплотнений, поршней и рабочей поверхности цилиндра
• Не допускается наружных утечек рабочей жидкости через неподвижные уплотнения; на подвижных поверхностях возможно наличие масляной пленки без каплеобразования
• Внутренние перетечки жидкости из одной полости цилиндра в другую должны быть минимальными (существует определенная техническая норма)
• Для предотвращения попадания грязи и пыли в полости цилиндров необходимо применять грязесъемники
• Рабочие поверхности деталей цилиндра должны быть устойчивыми к коррозии и износу, лучше, если они будут иметь защитные покрытия

Последнее требование актуально для многих производителей деталей гидравлического оборудования. Проблема усиленного износа цилиндров и поршней решается применением специальных конструкционных материалов и нанесением на них антифрикционных покрытий.

Эти материалы выпускаются как за рубежом, так и в России. В нашей стране разработкой и производством покрытий занимается компания «Моденжи».

Покрытия совмещают функции сухой смазки, облегчающей скольжение трущихся поверхностей, и защитного материала, предотвращающего деформацию и фрикционный износ деталей.

В целях продления работоспособности гильз гидроцилиндров, гидравлических поршней, штоков используется антифрикционное покрытие MODENGY 1006. Под резиновые уплотнения рекомендуется наносить покрытие MODENGY 1010, совместимое с полимерами и эластомерами.

Оба состава характеризуются хорошими антикоррозионными свойствами, работоспособностью в широком диапазоне температур, длительным сроком службы.

Поршневые цилиндры подразделяются на несколько разновидностей:

• По направлению действия рабочей жидкости – цилиндры одностороннего и двустороннего действия
• По числу штоков – цилиндры с односторонним и двусторонним штоком
• По виду выходного звена – цилиндры с подвижным штоком и подвижным корпусом

В гидроцилиндрах одностороннего действия выдвижение штока осуществляется за счет создания давления рабочей жидкости в поршневой полости, а возврат в исходное положение происходит от усилия пружины.

Некоторые устройства не содержат возвратного элемента, так как производят возврат за счет действия приводимого механизма, другого гидроцилиндра или силы тяжести поднятого груза. Такой принцип действия применяется в бутылочных домкратах.

В цилиндрах двустороннего действия усилие на штоке создается как при прямом, так и при обратном ходе поршня – за счет создания давления рабочей жидкости соответственно в поршневой и штоковой полостях.

При прямом ходе поршня усилие на штоке больше, а скорость его движения меньше, чем при обратном ходе – из-за разницы в площадях, к которым приложена сила давления рабочей жидкости. Гидроцилиндры двустороннего действия осуществляют, например, подъем-опускание отвала многих бульдозеров.

Если необходимо создать одинаковые усилия или одинаковые скорости перемещения выходных звеньев, используются гидроцилиндры с двухсторонним штоком. В них один поршень связан с двумя штоками. В современной технике применяются две разновидности конструкций такого типа: с закрепленным цилиндром и с закрепленным штоком.

Существуют телескопические гидроцилиндры одностороннего и двустороннего действия. Такие устройства состоят из нескольких цилиндров, размещенных в полости друг друга. При сравнительно малых размерах они имеют большой ход штока, поэтому очень эффективны.

Для привода рабочих органов мобильных машин наиболее широко применяют поршневые гидроцилиндры двухстороннего действия с односторонним штоком

Для поршневых гидроцилиндров установлены следующие основные параметры:

• Геометрические: диаметр поршня (гильзы), диаметр штока, ход поршня
• Гидравлические: номинальное рабочее давление, расход рабочей жидкости
• Номинальные: усилие, развиваемое гидроцилиндром; скорость перемещения штока

Ряды нормальных диаметров поршней и штоков гидроцилиндров устанавливает ГОСТ 6540-68.

Наиболее распространенные диаметры: поршня – 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 320, 400, 500, 620, 800 мм; штока – 4, 5, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800 мм.

У нормализованных цилиндров ход, т.е. величина максимально возможного перемещения поршня со штоком, не превышает 10 мм.

Номинальное рабочее давление – это давление, при котором гидроцилиндр работает в расчетном режиме, сохраняя заявленные производителем параметры. Величина давления в гидроцилнре определяется значением нагрузки, при этом она может быть ограничена настройками предохранительного или редукционного клапана. В отсутствии нагрузки давление в цилиндре обуславливается только потерями на трение.

Усилие, развиваемое гидроцилиндром, пропорционально давлению и эффективной площади, на которую воздействует жидкость.

Скорость перемещения штока определяется величиной расхода жидкости, поступающей в гидроцилиндр, и его эффективным диаметром.

Размеры поршней: описание, характеристика, размерная сетка

Поршень — основная деталь насосов, компрессоров и поршневых двигателей внутреннего сгорания, служащая для преобразования энергии сжатого газа в энергию поступательного движения (в компрессорах — наоборот). Для дальнейшего преобразования энергии в крутящий момент служат остальные детали КШМ — шатуны и коленчатый вал. Первый поршневой ДВС создан французским инженером Ленуаром в 1861 году, до этого поршни применялись в паровых машинах и насосах.

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.

Технические данные

При расточке блока и установке поршней в блок цилиндров, требуется следовать рекомендациям производителя поршней по обработке цилиндров, монтажу и установке деталей цилиндропоршневой группы. Основная информация нанесена на верней части поршня. Если какая-либо информация не указана производителем поршней, ни на упаковке, ни на самом поршне, то необходимо следовать рекомендациям производителя автомобиля.

Размер поршня. Некоторые производителей поршней наносят на днище поршня размер самого поршня в сотых долях миллиметра, этот контрольный параметр позволяет проверить качество изготовления поршней и точность размеров, пред непосредственной установкой. Например: 83.93. Это означает, что в измеряемых точках размер поршня не превышает указанного размера (с учетом поля допуска). Измерение следует производить при температуре поршня (+20 градусов), с помощью микрометра или аналогичного измерительного инструмента, с точностью измерения до одной сотой доли миллиметра (0,01мм).

Монтажный зазор. Для того, что бы обеспечить уплотнение рабочей полости цилиндра и минимальную работу трения поршня, а так же предотвратить горячий поршень от заклинивания, между поршнем и стенкой цилиндра предусматривается монтажный (температурный) зазор ( Sp ). При повышенном зазоре между поршнем и стенкой цилиндра работа двигателя заметно ухудшается — имеет место прорыв газов в картер двигателя, ухудшается из-за этого качество масла, закоксовываются кольца и снижается мощность двигателя. Величина этого зазора задается производителем поршней для начальной температуры деталей цилиндропоршневой группы (обычно +20 градусов), и зависит в основном от разности температур, массы поршня и свойств материалов соприкасающихся деталей. Пример: Sp=0.04. Это означает, что зазор между поршнем (по максимальному размеру юбки поршня) и цилиндром должен быть 0,04 мм (с учетом поля допуска).

Товарный знак. Каждый серьезный производитель поршней маркирует свою продукцию своим фирменным товарным знаком. Во-первых, это часть борьбы с подделок своей продукции, а во-вторых демонтировав при ремонте старый поршень сразу становится возможным идентифицировать его, с помощью номера отливки на днище поршня.

Направление установки. Поршни современных двигателей имеют строго определенное положение в двигателе, в частности, это связано с тем ось поршневого пальца имеет некоторое смещение, относительно центрально оси симметрии поршня. Это сделано для уменьшения шума при работе двигателя, а точнее ударных нагрузок на стенки цилиндра при перекладке поршня в крайнем положении. Как правило, производители используют два способа изображения направления установки— (для двигателей, размещаемых спереди и сзади автомобиля). На днище наносится либо стрелка, указывающее направление передней части автомобиля (направление движения), либо схематично изображается коленчатый вал с маховиком.

Опытные мотористы часто сталкиваются в своей работе с трудностью, когда в ремонт поступает очень старый автомобиль, и нет какой-либо возможности точно идентифицировать тип его двигателя. Часто просто бывает не корректная информация в документах, на автомобиль, например, ошибка (опечатка) в VIN коде или в графе «ТИП ДВИГАТЕЛЯ». Но ремонтировать нужно, и необходимо правильно подобрать ремонтные поршни.

Тогда на помощь приходит информация о номере отливки на внутренней части поршня. Следует извлечь поршень из блока цилиндров, очистить от нагара внутреннюю полость и прочесть отлитые цифры и буквы. Подобный способ подходит не для всех поршней, но основные поставщики конвейеров европейских автомобилей MAHLE, Kolbenschmidt, AE, Nural позволяют расшифровать эти данные.
Что же такое «номер отливки»? Поршни, имеющие одинаковые основные параметры, изготавливаются на одном и том же технологическом оборудовании (в частности в одной литьевой форме), затем подвергаются последующей механической обработке в зависимости от требуемого ремонтного размера и модификации. То есть для поршней имеющие STD и ремонтные размеры номера отливок совпадают. Как правило, одному номеру отливки соответствуют несколько поршней на один двигатель, это стандартный поршень и его последующие ремонты. Но есть исключения (когда номер отливки совпадет с несколькими модификациями поршня) тогда необходимо замерить контролируемые геометрические параметры.

Как расшифровать? Мы рекомендуем проверять ваши номера отливок через бумажные каталоги соответствующих производителей. Помимо этого, вы можете расшифровать эти данные и с помощью on-line каталогов наших поставщиков.

Следует определить изготовителя старого поршня по торговой маркировке, а затем, используя его каталог (бумажный или электронный) ввести найденный номер. Значение номера отливки необходимо вводить непосредственно в поле поиска по артикулу детали (Artikel #) или поиска по замене номера (Reference No:). Не забывайте проверять полученные результаты по основным геометрическим размером со старыми деталями.

Поршневые кольца. Устройство, виды, функции поршневых колец

Содержание страницы

• 1. Требования к поршневым кольцам
• 2. Основные функции поршневых колец
  • 2.1. Уплотнение от прорыва отработанных газов
  • 2.2. Съем и распределение масла
  • 2.3. Отвод тепла
• 3. Типы поршневых колец
  • 3.1. Компрессионные поршневые кольца
    • Цилиндрические компрессионные поршневые кольца
    • Конические кольца – компрессионные поршневые кольца с маслосъемной функцией
    • Скребковые кольца
    • Кольца трапециевидного сечения
  • 3.2. Маслосъемные поршневые кольца
    • Назначение
    • Коробчатые маслосъемные поршневые кольца
    • Типы конструкции
    • Маслосъемные поршневые кольца из 2-х частей (конструкция с пружинным расширителем)
    • Маслосъемные поршневые кольца из 3-х частей
  • 3.3. Типичная комплектация поршня кольцами
  • 3.4. Наиболее подходящее поршневое кольцо
• 4. Поршневое кольцо: термины
• 5. Конструкция и форма поршневых колец
  • 5.1. Материалы для изготовления поршневых колец
  • 5.2. Материалы для покрытия pабочей поверхности
    • 5.2.1. Молибденовые покрытия
    • 5.2.2. Гальванические покрытия
      • Хромовые покрытия
      • Покрытия CK (Хромовая керамика) И DC (Diamond coated)
      • Покрытия PVD
  • 5.3. Отслаивание покрытий
  • 5.4. Обработка рабочих поверхностей (обтачивание, притирка, шлифование)
  • 5.5. Выпуклая форма рабочей поверхности
  • 5.6. Обработка поверхностей
• 6. Назначение и свойства
  • 6.1. Тангенциальное напряжение
  • 6.2. Распределение радиального давления
  • 6.3. Увеличение давления прижима под действием давления сгорания
  • 6.4. Специфическое давление прижима
  • 6.5. Тепловой зазор
  • 6.6. Уплотнительные поверхности поршневых колец
  • 6.7. Дросселирующая щель и прорыв газов
  • 6.8. Зазор кольца по высоте
  • 6. 9. Скручивание колец
    • Скручивание колец в условиях эксплуатации
  • 6.10. Способность поршневых колец прилегать к стенкам цилиндров
  • 6.11. Движения поршневых колец
    • Вращение колец
    • Вращение вокруг оси
    • Радиальное движение
    • Скручивание колец

1. Требования к поршневым кольцам

Поршневые кольца для двигателей внутреннего сгорания должны отвечать всем требованиям, предъявляемым к динамическому линейному уплотнению. Они должны не только выдерживать термические и химические нагрузки, но и выполнять ряд функций. Кроме того, они должны обладать следующими свойствами:

Функции поршневых колец

• Предотвращение (за счет уплотнения) прорыва газов из камеры сгорания в картер, во избежание снижения давления газов и, следовательно, мощности двигателя
• Уплотнение, т. е. предотвращение попадания смазывающего масла из кривошипной камеры (картера) в камеру сгорания
• Обеспечение наличия на стенке цилиндра масляной пленки точно заданной толщины
• Распределение смазочного масла по стенке цилиндра
• Стабилизация движения поршня (качание поршня) – особенно на холодном двигателе и большом зазоре между поршнем и цилиндром
• Передача тепла (отвод тепла) от поршня к цилиндру

Свойства поршневых колец

• Низкое трение во избежание существенных потерь мощности двигателя
• Высокая износостойкость и сопротивление термомеханической усталости, химическим нагрузкам и горячей коррозии
• Поршневое кольцо не должно вызывать чрезмерный износ цилиндра, иначе значительно сокращается срок службы двигателя.
• Длительный срок службы, эксплуатационная надежность и эффективность затрат в течение всего времени эксплуатации

2. Основные функции поршневых колец

2.1. Уплотнение от прорыва отработанных газов

Основной функцией компрессионных поршневых колец является предотвращение прорыва газов между поршнем и стенками цилиндра в картер. В большинстве двигателей это достигается за счет использования двух компрессионных поршневых колец, образующих лабиринт для газов.

В силу конструктивных особенностей, поршневые кольца для двигателей внутреннего сгорания не обеспечивают 100%-ого уплотнения, поэтому в картер всегда проникает небольшое количество газов. Это нормальное явление, полностью исключить прорыв газов невозможно в связи с особенностями конструкции колец.

Однако в любом случае необходимо избежать чрезмерного прорыва горячих отработанных газов между поршнем и стенкой цилиндра. Иначе это повлекло бы за собой снижение мощности, повышенный нагрев компонентов и прекращение смазывания. Всё это отрицательно сказалось бы на сроке службы и работе двигателя. Различные уплотняющие и прочие функции колец, а также возникающий прорыв газов будут подробнее рассмотрены ниже.

Уплотнение от прорыва отработанных газов.

2.2. Съем и распределение масла

Поршневые кольца не только обеспечивают герметичность между камерой сгорания и полостью картера, но и регулируют толщину масляной пленки. Кольца равномерно распределяют масло по стенке цилиндра. Съем избыточного количества масла осуществляется в основном маслосъемным поршневым кольцом (3-е кольцо), а также комбинированным компрессионным/скребковым кольцом (2-е кольцо).

Съем и распределение масла

2.3. Отвод тепла

Еще одна важная функция поршневых колец заключается в регулировании температуры поршня. Основная часть (около 70 %) тепла, поглощенного поршнем при сгорании топлива, отводится через поршневые кольца к цилиндру. Решающую роль при этом играют компрессионные поршневые кольца.

Отсутствие постоянного отвода тепла поршневыми кольцами привело бы к образованию на поршне задиров или даже к расплавлению поршня всего за несколько минут. В связи с этим очевидно, что поршневые кольца всегда должны иметь оптимальный контакт со стенкой цилиндра. Некруглости цилиндра или блокирование поршневых колец в кольцевых канавках (нагарообразование, грязь, деформация) с течением времени приводят к повреждениям поршня, вызванным перегревом из-за недостаточного отвода тепла.

Отвод тепла

3. Типы поршневых колец

3.1. Компрессионные поршневые кольца

Цилиндрические компрессионные поршневые кольца

Цилиндрическое компрессионное кольцо

Цилиндрическое компрессионное кольцо с внутренней фаской

Цилиндрическое компрессионное кольцо с внутренним углом

Цилиндрическое компрессионное кольцо

Цилиндрические компрессионные поршневые кольца – это кольца, имеющие прямоугольное поперечное сечение. У таких колец боковые поверхности параллельны друг другу. Данный тип компрессионных поршневых колец является самым простым и наиболее распространенным. В настоящее время кольца этого типа используются преимущественно в качестве первого компрессионного кольца во всех бензиновых, а иногда и в дизельных двигателях легковых автомобилей. Наличие внутренних фасок и углов вызывает скручивание колец в установленном (напряженном) состоянии. Фаска или внутренний угол, расположенные по верхней кромке, вызывают «положительное скручивание кольца». Более подробное описание воздействия скручивания колец приводится в 6. «Скручивание колец».

Конические кольца – компрессионные поршневые кольца с маслосъемной функцией

Коническое кольцо

Коническое кольцо с нижней внутренней фаской

Коническое кольцо с нижним внутренним углом

ЗАМЕЧАНИЕ

Конические кольца используются на двигателях любых типов (бензиновых и дизельных, для легковых и грузовых автомобилей) и устанавливаются, как правило, во вторую кольцевую канавку.

Эти кольца выполняют двойную функцию. Они помогают компрессионному кольцу в противодействии прорыву газов, а маслосъемному кольцу – в регулировании толщины масляной пленки.

Рабочая поверхность конических колец (Рис. 2) имеет коническую форму. В зависимости от исполнения, угловое отклонение рабочей поверхности в сравнении с кольцом прямоугольного сечения составляет от 45 до 60 угловых минут. Благодаря такой форме новое коническое кольцо контактирует с поверхностью цилиндра только по нижней кромке. По этой причине в данной области возникает высокое механическое давление на поверхность и происходит желаемый съем материала. В результате этого запланированного износа, возникающего в период приработки, уже после непродолжительной эксплуатации образуется идеально закругленная кромка, которая обеспечивает оптимальное уплотнение. За период эксплуатации в несколько сотен тысяч км pабочая поверхность кольца теряет коническую форму, и коническое кольцо начинает выполнять функцию кольца прямоугольного сечения. Обладая теперь свойствами кольца прямоугольного сечения, бывшее коническое кольцо по-прежнему обеспечивает надежное уплотнение. По причине того, что газы оказывают давление на кольцо также спереди (из-за проникновения газов в зазор между цилиндром и рабочей поверхностью поршневого кольца), усиление действия давления газов несколько снижается. За счет этого во время приработки кольца незначительно уменьшаются давление прижима и степень износа.

Конические кольца выполняют не только функцию компрессионных поршневых колец, но и обладают хорошими маслосъемными свойствами. Этому способствует смещенная внутрь верхняя кромка кольца. При движении поршня вверх, от нижней к верхней мертвой точке, кольцо скользит по масляной пленке. Под действием гидродинамических сил (образование масляного клина) кольцо слегка отходит от поверхности цилиндра. При движении поршня в обратном направлении кромка кольца проникает глубже в масляную пленку и таким образом снимает слой масла, отводя его в сторону картера. На бензиновых двигателях конические кольца устанавливаются также в первую кольцевую канавку. Фаска или внутренний угол, относительно нижней кромки, вызывают отрицательное скручивание кольца (смотри 6. «Скручивание колец»).

Давление газов на коническое кольцо

Скребковые кольца

Скребковое кольцо

У скребкового кольца, обеспечивающего как уплотнение от прорыва газов, так и съем масла, нижняя кромка рабочей поверхности имеет прямоугольную или скругленную проточку. В этой проточке скапливается определенное количество масла, которое затем стекает обратно в масляный поддон.

Раньше скребковые кольца имели прямоугольное сечение и устанавливались в качестве второго компрессионного поршневого кольца на многих моделях двигателей.

В настоящее время, вместо скребковых колец прямоугольного сечения используют преимущественно конические скребковые кольца. Скребковые кольца устанавливают также на поршнях для компрессоров пневматических тормозных систем, главным образом в качестве первого компрессионного поршневого кольца.

Коническое скребковое кольцо

Коническое скребковое кольцо является усовершенствованным типом скребкового кольца прямоугольного сечения. За счет конической pабочей поверхности улучшается процесс съема масла. В случае использования поршневых компрессоров, конические скребковые кольца устанавливают не только во вторую, но и в первую кольцевую канавку.

Коническое скребковое кольцо с закрытым стыком

У некоторых конических скребковых колец скругленная проточка не доходит до стыкового конца, благодаря чему улучшается функция уплотнения от прорыва газов. Тем самым, по сравнению с традиционными коническими скребковыми кольцами, такие кольца обеспечивают уменьшение прорыва газов в картер (см. также  6. «Тепловой зазор»).

Кольца трапециевидного сечения

Кольцо симметричного трапециевидного сечения

У колец симметричного трапециевидного сечения обе боковые поверхности расположены не параллельно друг другу, а под наклоном, в результате чего поперечное сечение приобретает форму трапеции. Угол наклона составляет, как правило, 6 °, 15 ° или 20 °.

Кольцо несимметричного трапециевидного сечения

У колец несимметричного трапециевидного сечения нижняя боковая поверхность не имеет угла наклона и расположена перпендикулярно рабочей поверхности.

Кольца трапециевидного или несимметричного трапециевидного сечения используются для предотвращения нагарообразования и, следовательно, заклинивания колец в кольцевых канавках. При наличии очень высокой температуры внутри поршневой канавки велика вероятность образования нагара из-за воздействия этой температуры на имеющееся в канавке масло. При этом у дизельных двигателей возможно образование не только масляного нагара, но и сажи. Наличие сажи ускоряет скопление отложений в кольцевой канавке. Если бы в результате накопления отложений произошло заклинивание поршневых колец в канавках, то горячие отработанные газы беспрепятственно проникли бы через зазор между поршнем и стенкой цилиндра и вызвали бы перегрев поршня. Это привело бы к расплавлению головки поршня и его серьезным повреждениям.

По причине действия повышенных температур и образования сажи, кольца трапециевидного сечения устанавливаются преимущественно на дизельных двигателях, в самой верхней кольцевой канавке, а иногда и во второй кольцевой канавке.

ВНИМАНИЕ!

Кольца (симметричного и несимметричного) трапециевидного сечения нельзя устанавливать в обычные прямоугольные канавки. Кольцевые канавки поршня, в которые необходимо установить кольца трапециевидного сечения, всегда должны иметь соответствующую форму.

Функция очистки: благодаря особенностям формы колец трапециевидного сечения и их движению в кольцевой канавке за счет качания поршня происходит механическое измельчение нагара.

3.2. Маслосъемные поршневые кольца

Назначение

Конструкция маслосъемных поршневых колец позволяет распределять масло по стенке цилиндра и снимать с нее избыточное масло. Для улучшения функций уплотнения и съема масла, маслосъемные поршневые кольца оснащаются, как правило, двумя маслосъемными рабочими поясками. Каждый их этих рабочих поясков снимает со стенки цилиндра избыточное масло. Таким образом, как у нижней кромки маслосъемного поршневого кольца, так и между рабочими поясками скапливается определенное количество масла, которое необходимо удалить из области кольца. Поскольку при движении поршня он качается внутри цилиндра, функция уплотнения выполняется тем лучше, чем ближе друг к другу расположены рабочие пояски кольца.

Маслосъемное поршневое кольцо

Прежде всего, масло, снимаемое верхним рабочим пояском и скапливающееся между обоими поясками, подлежит удалению из этой зоны, так как иначе оно может проникать в область над маслосъемным поршневым кольцом, что потребует его съема вторым компрессионным кольцом. Для этой цели коробчатые маслосъемные кольца и маслосъемные кольца из 2-х частей имеют между рабочими поясками продольные прорези или отверстия. Через эти отверстия в самом кольце масло, снимаемое верхним рабочим пояском, выводится на обратную сторону кольца.

 ЗАМЕЧАНИЕ

У двухтактных двигателей поршень смазывается маслом, содержащимся в топливной смеси. Поэтому из конструктивных соображений можно отказаться от использования маслосъемного поршневого кольца.

Оттуда дальнейший отвод снятого масла может осуществляться разными способами. Один из этих способов предусматривает отвод масла через отверстия в поршневой канавке к внутренней поверхности поршня, чтобы оно могло стекать обратно в масляный поддон. При наличии так называемых поверхностных пазов (cover slots) (Рис. 1) снятое масло выводится обратно на наружную поверхность поршня через расположенную вокруг бобышки выемку. Также используется комбинированный вариант, когда масло отводится сразу обоими способами.

Оба этих способа отвода масла надежно зарекомендовали себя и успешно используются, в зависимости от формы поршня, процесса сгорания топлива или цели применения. Теоретически сложно дать общий ответ, какой из этих способов лучше. По этой причине, выбор оптимального способа для конкретного поршня зависит от результатов различных практических испытаний.

Коробчатые маслосъемные поршневые кольца

Маслосъемное поршневое кольцо

В современном моторостроении коробчатые маслосъемные поршневые кольца больше не используются. Их упругость обеспечивается только за счет собственного поперечного сечения. Поэтому такие кольца относительно более жесткие, имеют меньшую подвижность и менее плотно прилегают к стенке цилиндра, вследствие чего их уплотняющая способность хуже, чем у маслосъемных поршневых колец, состоящих из нескольких частей.

Коробчатые маслосъемные кольца с прорезями изготавливают из серого чугуна.

Типы конструкции

Маслосъемное коробчатое кольцо с прорезями

Это самое простое исполнение с прямоугольными маслосъемными рабочими поясками и прорезями для отвода масла.

Маслосъемное коробчатое кольцо со сходящимися фасками

В отличие от маслосъемного кольца с прорезями, у этого кольца с кромок рабочих поясков сняты фаски, благодаря чему улучшается давление на поверхность.

Маслосъемное коробчатое кольцо с параллельными фасками

У рабочих поясков этого кольца фаски сняты только с кромок в направлении камеры сгорания. Это позволяет улучшить процесс съема масла при движении поршня вниз.

Маслосъемные поршневые кольца из 2-х частей (конструкция с пружинным расширителем)

Такие маслосъемные поршневые кольца состоят собственно из самого кольца (кольцевой детали) и расположенной за ним спиральной пружины. Поперечное сечение кольца намного меньше, чем у коробчатого маслосъемного поршневого кольца. Это придает кольцу относительную гибкость и позволяет ему оптимально прилегать к стенке цилиндра. Канавка для пружинного расширителя, расположенная на внутренней стороне кольца, имеет либо полукруглую, либо V-образную форму.

Упругость как таковая обеспечивается за счет спиральной нажимной пружины из жаропрочной пружинной стали. Она расположена внутри кольца и прижимает его к стенке цилиндра. Во время эксплуатации пружина плотно прилегает к обратной стороне кольца, образуя с ним единое целое. Хотя пружина в кольце не прокручивается, всё кольцо в целом – так же, как и другие кольца – свободно вращается в кольцевой канавке. У состоящих из 2-х частей маслосъемных поршневых колец радиальное давление всегда распределяется симметрично, так как давление прижима имеет одинаковую величину по всей окружности спиральной пружины.

Шлифование пружин по наружному диаметру, более плотное расположение витков в области замка поршневого кольца и защита тефлоновой оболочкой позволяют увеличить срок службы пружин. За счет этих мер уменьшается износ от трения между кольцом и спиральной пружиной. Собственно кольца маслосъемных колец из двух частей изготавливают из серого чугуна или стали.

ЗАМЕЧАНИЕ

У состоящих из нескольких частей маслосъемных поршневых колец зазор в замке ненапряженного кольца, т. е. расстояние между стыковыми концами самого кольца в демонтированном состоянии, без установленной внутри пружины-расширителя, является незначительным. В особенной степени это касается стальных колец, у которых данный зазор может быть равным нулю. Это не является дефектом или основанием для рекламации.

Маслосъемное коробчатое кольцо с прорезями и пружинным расширителем

Самый простой тип конструкции, обеспечивающий более эффективное уплотнение в сравнении с обычным коробчатым маслосъемным кольцом с прорезями.

Маслосъемное коробчатое кольцо с параллельными фасками и пружинным расширителем

Кольцо имеет такую же форму рабочей поверхности, как и у обычного коробчатого маслосъемного кольца с параллельными фасками, однако обеспечивает более эффективное уплотнение.

Маслосъемное коробчатое кольцо со сходящимися фасками и пружинным расширителем

Кольцо имеет такую же форму рабочей поверхности, как и у обычного коробчатого маслосъемного кольца со сходящимися фасками, однако обеспечивает более эффективное уплотнение. Маслосъемные поршневые кольца этого типа находят самое широкое применение. Их можно использовать на любых моделях двигателей.

Маслосъемное коробчатое кольцо со сходящимися фасками, пружинным расширителем и хромированными рабочими поясками

Это кольцо имеет такие же свойства, как у традиционного коробчатого маслосъемного кольца со сходящимися фасками и пружинным расширителем, однако отличается повышенной износостойкостью и, следовательно, более длительным сроком службы. Поэтому оно оптимально подходит для дизельных двигателей.

Маслосъемное коробчатое кольцо со сходящимися фасками и пружинным расширителем, изготовленное из азотированной стали

Это кольцо изготавливается из профильной листовой стали и со всех сторон покрыто износозащитным слоем. Оно отличается очень высокой гибкостью и ломается реже, чем указанные выше кольца из серого чугуна. Отвод масла из полости между рабочими поясками осуществляется через круглые штампованные отверстия. Маслосъемные поршневые кольца этого типа используются преимущественно на дизельных двигателях.

Маслосъемные поршневые кольца из 3-х частей

Данные маслосъемные кольца состоят из 3-х частей: двух тонких стальных пластинок (колец) и распорной пружинырасширителя, прижимающей кольца к стенкам цилиндра. Маслосъемные поршневые кольца со стальными пластинками либо имеют хромированные рабочие поверхности, либо со всех сторон обработаны азотированием.

Последние отличаются повышенной износостойкостью как в области pабочей поверхности, так и в месте контакта пружины-расширителя и пластинок (вторичный износ).

Состоящие из 3-х частей маслосъемные поршневые кольца оптимально прилегают к стенкам цилиндров и находят применение преимущественно в бензиновых двигателях легковых автомобилей.

Маслосъемное поршневое кольцо из 3-х частей

3.3. Типичная комплектация поршня кольцами

Комплексные требования, предъявляемые к поршневым кольцам, не могут быть выполнены при использовании только одного поршневого кольца. Это можно осуществить только с помощью нескольких поршневых колец различных типов. В современном автомобильном моторостроении устоявшимся решением является комбинация из компрессионного поршневого кольца, комбинированного компрессионного и маслосъемного поршневого кольца и отдельного маслосъемного поршневого кольца. Поршни с более чем тремя кольцами встречаются сегодня сравнительно редко.

1. Компрессионное поршневое кольцо
2. Комбинированное компрессионное и маслосъемное поршневое кольцо
3. Маслосъемное поршневое кольцо

3.4. Наиболее подходящее поршневое кольцо

Не существует ни лучшего поршневого кольца, ни лучшей комплектации поршня кольцами. Каждое поршневое кольцо является «специалистом» в своей области. В конечном счете, любое исполнение и сочетание колец представляют собой компромисс для удовлетворения абсолютно разным и отчасти противоположным требованиям. Изменение в отношении хотя бы одного поршневого кольца может нарушить баланс работы всего комплекта колец.

Окончательный подбор поршневых колец для двигателя новой конструкции всегда осуществляется как на основании результатов интенсивных тестов на испытательном стенде, так и с учетом нормальных условий эксплуатации.

Приведенная ниже таблица не претендует на полноту, однако показывает в целом, как различные характеристики колец отражаются на их различных функциях.

• благоприятное действие – положительно
• среднее действие – нейтрально
• неблагоприятное действие – отрицательно

4. Поршневое кольцо: термины

1. Зазор в замке ненапряженного поршневого кольца
2. Стыковые концы
3. Спинка кольца (напротив стыковых концов)
4. Рабочая поверхность кольца
5. Боковая поверхность кольца
6. Внутренняя поверхность кольца
7. Тепловой зазор (зазор в холодном состоянии)
8. Диаметр цилиндра
9. Радиальная толщина стенки
10. Осевой зазор
11. Высота поршневого кольца
12. Диаметр цилиндра
13. Внутренний диаметр канавки
14. Высота канавки
15. Радиальный зазор

5. Конструкция и форма поршневых колец

5.1. Материалы для изготовления поршневых колец

Материалы для изготовления поршневых колец подбираются с учетом антифрикционных свойств и условий, при которых поршневые кольца должны работать. Высокая эластичность и коррозионная стойкость важны так же, как и высокая устойчивость к повреждениям при экстремальных условиях эксплуатации. Серый чугун до сих пор является основным материалом, из которого изготавливаются поршневые кольца. С трибологической точки зрения, серый чугун и содержащиеся в нем графитовые включения обеспечивают оптимальные свойства при работе в аварийном режиме (сухое смазывание графитом).

Эти свойства важны особенно тогда, когда прекращается смазывание моторным маслом и масляная пленка уже разрушена. Кроме того, графитовые жилки в структуре кольца служат в качестве масляных резервуаров и противодействуют разрушению масляной пленки при неблагоприятных условиях эксплуатации.

Процесс литья поршневых колец

Используемые материалы на основе серого чугуна

• Чугун с пластинчатой структурой графита (чугун с пластинчатым графитом), легированный и нелегированный
• Чугун с глобулярной структурой графита (чугун с шаровидным графитом), легированный и нелегированный

В качестве стальных материалов используются хромистая сталь с мартенситной микроструктурой и пружинная сталь. Для повышения износостойкости поверхность материалов подвергают упрочнению. Это осуществляется, как правило, путем азотирования.*

*В технической литературе под термином азотирование понимается процесс обогащения азотом (подачи азота) с целью упрочнения поверхности стали. Азотирование выполняется, как правило, при температуре от 500 до 520 °C; время обработки составляет от 1 до 100 часов. В результате диффузии азота на поверхности заготовки образуется очень твердый поверхностный связующий слой из нитрида железа. В зависимости от времени обработки, он может достигать толщины в 10–30 мкм. Наиболее распространенными методами являются азотирование в соляной ванне (например, коленчатых валов), газовое азотирование (поршневых колец) и плазменное азотирование.

5.2. Материалы для покрытия pабочей поверхности

С полным покрытием рабочей кромки

 С покрытием центра рабочей кромки

 С частичным покрытием рабочей кромки

На рабочие пояски или pабочие поверхности поршневых колец можно нанести покрытия, улучшающие трибологические свойства. При этом первоочередное значение отводится повышению износостойкости, а также обеспечению смазывания и уплотнения в экстремальных условиях. Материал покрытия должен быть совместим как с материалами, из которых изготовлены поршневое кольцо и стенка цилиндра, так и со смазывающей средой. Нанесение покрытий на рабочие поверхности поршневых колец находит широкое применение. На поршневые кольца серийных двигателей часто наносят покрытия из хрома, молибдена и феррооксида.

Трибология (греч.: учение о трении) изучает порядок взаимодействия поверхностей тел, движущихся относительно друг друга. Эта наука занимается описанием трения, износа и смазывания.

5.2.1. Молибденовые покрытия

Во избежание следов прижога рабочая поверхность компрессионных (не маслосъемных) поршневых колец может быть наполнена молибденом или полностью им покрыта. Для этого используются методы как газопламенного, так и плазменного напыления. Благодаря высокой температуре плавления молибдена (2620 °C) обеспечивается чрезвычайно высокая термостойкость. Кроме того, технология нанесения покрытий приводит к образованию пористой структуры материала. В микропустотах, образующихся при этом на рабочей поверхности кольца (Рис. 2), может скапливаться моторное масло. За счет этого обеспечивается наличие моторного масла для смазывания рабочей поверхности кольца даже при экстремальных режимах эксплуатации.

Свойства

• Высокая термостойкость
• Оптимальные свойства при работе в аварийном режиме
• Мягче хрома
• Износостойкость ниже, чем у колец с хромовым покрытием (повышенная восприимчивость к загрязнениям)
• Повышенная восприимчивость к вибрациям поршневого кольца (из-за этого возможно крошение молибдена при экстремальных нагрузках, например, при детонационном сгорании и прочих нарушениях режима сгорания)

5.2.2. Гальванические покрытия

Хромовые покрытия

Большинство хромовых покрытий наносится гальваническим способом.

Свойства

• Длительный срок службы (износостойкость)
• Твердая, устойчивая поверхность
• Снижение износа цилиндров (примерно на 50 % в сравнении с поршневыми кольцами без покрытия)
• Высокая устойчивость к появлению следов прижога
• Свойства при работе в аварийном режиме хуже, чем у молибденовых покрытий
• По причине высокой износостойкости приработка длится дольше, чем у неармированных поршневых колец, маслосъемных поршневых колец со стальными пластинками или маслосъемных поршневых колец U-Flex.

Покрытия CK (Хромовая керамика) И DC (Diamond coated)

Данные покрытия состоят из нанесенного гальваническим способом слоя хрома с сеткой микротрещин, в которые прочно внедрены твердые материалы. В качестве заполнителя используются керамика (CK) или микроалмазы (DC).

Свойства

• Минимальные потери на трение благодаря чрезвычайно гладкой поверхности
• Максимальная износостойкость и длительный срок службы за счет заполнения твердыми материалами
• Высокая устойчивость к появлению следов прижога
• Незначительный самоизнос слоя, нанесенного на поршневое кольцо, при сохранении незначительного износа цилиндра

Покрытия PVD

PVD, сокращенно от «Physical Vapour Deposition» (физическое осаждение из парообразной фазы), – это вакуумная технология нанесения покрытий, при которой слои из высокопрочных материалов (CrN, нитрид хрома (III)) напрямую напыляются на поверхность поршневых колец.

Свойства

• Благодаря чрезвычайно гладкой поверхности, потери на трение сводятся к минимуму.
• За счет очень тонкой и плотной структуры слоя высокой твердости обеспечивается очень высокая износостойкость.
• Ввиду высокой износостойкости контур кольца сохраняется на протяжении более длительного времени эксплуатации. Это позволяет, к примеру, дополнительно снизить упругость маслосъемного поршневого кольца с покрытием PVD, что дает значительные преимущества в отношении потерь на трение.

5.3. Отслаивание покрытий

В некоторых случаях происходит отслаивание напыленных на рабочие поверхности слоев молибдена и феррооксида. Причиной этого являются, главным образом, ошибки при монтаже поршневых колец (слишком сильное растягивание при установке на поршень или деформирование колец, как показано на Рис. 1). При неправильной установке кольца на поршень покрытие отслаивается только в области спинки кольца (Рис. 2). Отслаивание покрытия на стыковых концах указывает на вибрацию поршневого кольца в результате нарушения режима сгорания (например, при детонационном сгорании).

Рис. 1. Пeрeкручивание и растягивание поршневых колец при установке на поршень

Рис. 2. Отслаивание покрытия в области спинки кольца

5.4. Обработка рабочих поверхностей (обтачивание, притирка, шлифование)

Рабочие поверхности неармированных поршневых колец из чугуна обрабатывают, как правило, только путем тонкого обтачивания. По причине быстрой приработки неармированных колец, их рабочие поверхности не подвергают притирке или шлифованию. Снабженные покрытием или закаленные рабочие поверхности колец либо шлифуют, либо притирают. Это связано с их высокой износостойкостью, из-за которой потребовалось бы слишком много времени на то, чтобы рабочие поверхности колец приобрели скругленную форму и начали обеспечивать надлежащее уплотнение. Возможными последствиями стали бы потеря мощности и высокий расход масла.

Станок для обработки рабочих поверхностей

5.5. Выпуклая форма рабочей поверхности

Еще одна причина обработки притиркой или шлифованием связана с формой pабочей поверхности. У (неармированных) поршневых колец прямоугольного сечения pабочая поверхность спустя некоторое время приобретает выпуклую форму (Рис. 1), что связано с их возвратнопоступательным движением и движением в канавках (скручивание колец). Это положительно отражается на создании масляной пленки и сроке службы колец.

Рис. 1. Образование выпуклости под действием износа в период приработки

Рабочим поверхностям поршневых колец с покрытием придают слегка выпуклую форму еще в процессе изготовления. Благодаря этому не требуется их дополнительная приработка до желаемой формы. Это предотвращает усиленный износ в период приработки и, следовательно, повышенный расход масла. По причине точечного прилегания рабочей поверхности кольца достигается повышенное специфическое давление прижима к стенке цилиндра, благодаря чему улучшается уплотнение от прорыва газов и поступления масла. Кроме того, снижается риск образования кромочного контакта из-за еще пока острых кромок колец. Кромки колец с хромовым покрытием всегда сглаживают, чтобы предотвратить продавливание масляной пленки во время приработки. При неоптимальной конструкции кольца, твердое хромовое покрытие могло бы привести к значительному износу и повреждениям стенки цилиндра, выполненного из гораздо более мягкого материала.

Рабочие поверхности колец симметричной выпуклой формы (Рис. 2), образовавшейся в результате приработки или выполненной еще на стадии изготовления, обладают оптимальными антифрикционными свойствами и создают масляную пленку заданной толщины. Благодаря симметричной выпуклости, толщина масляной пленки при возвратно-поступательном движении поршня остается одинаковой. Силы, действующие на кольцо и обеспечивающие его скольжение по масляной пленке, одинаковы при движении поршня в обоих направлениях.

Рис. 2. Рабочая поверхность кольца симметричной выпуклой формы

Если выпуклость создается еще в процессе изготовления, то существует возможность придания ей асимметричной формы для улучшения контроля расхода масла. В этом случае наивысшая точка выпуклости будет располагаться не по середине pабочей поверхности, а немного ниже (Рис. 3).

Рис. 3. Рабочая поверхность кольца асимметричной выпуклой формы

Асимметричное разделение pабочей поверхности позволяет формировать разные поверхности скольжения кольца при его возвратно-поступательном движении. При движении вверх кольцо, из-за увеличенной площади рабочей поверхности в верхней части, сильнее выталкивается маслом («кольцо всплывает»), в результате чего со стенки цилиндра снимается меньше масла. При движении вниз уменьшенная площадь в нижней части способствует тому, что кольцо меньше «всплывает» и, соответственно, снимает больше масла (Рис. 4 и 5). Таким образом, кольца с рабочими поверхностями асимметричной выпуклой формы позволяют также контролировать расход масла, особенно при неблагоприятных условиях эксплуатации в дизельных двигателях. Такие условия возникают, например, в результате продолжительной работы на режиме холостого хода после работы на режиме полной нагрузки, когда при последующем нажатии на педаль акселератора часто происходит выброс масла в выпускную систему и образование синего дыма.

Рис. 4. Сильное «всплывание» при движении вверх

Рис. 5. Слабое «всплывание» при движении вниз

5.6. Обработка поверхностей

В зависимости от исполнения, поверхности поршневых колец могут либо остаться необработанными, либо быть подвергнуты фосфатированию или омеднению. Это влияет только на антикоррозионные свойства колец. Новые необработанные кольца хотя и имеют красивый блеск, но абсолютно не защищены от образования ржавчины. Кольца, подвергнутые фосфатированию, имеют черную матовую поверхность и защиту от образования ржавчины за счет нанесенного на них слоя фосфата.

Омедненные кольца тоже хорошо защищены от ржавчины и имеют некоторую защиту от образования следов прижога в период приработки. Медь обладает определенным сухим смазочным эффектом, улучшая свойства при работе в аварийном режиме во время периода приработки.

Обработка поверхностей колец не имеет, однако, никакого влияния на их функциональность. Поэтому цвет поршневого кольца не является показателем его качества.

6. Назначение и свойства

6.1. Тангенциальное напряжение

Диаметр поршневых колец в свободном состоянии превышает диаметр установленных в цилиндр колец. Это необходимо для того, чтобы после установки кольца оказывали требуемое давление прижима по всей окружности цилиндра.

На практике сложно измерить давление прижима в цилиндре. Поэтому диаметральная сила, прижимающая кольцо к стенке цилиндра, определяется с помощью формулы, исходя из тангенциальной силы. Под тангенциальной силой понимают силу, необходимую для сжатия стыковых концов до образования теплового зазора

(Рис. 1). Тангенциальную силу измеряют с помощью гибкой стальной ленты, которую обматывают вокруг кольца. Эту ленту затягивают до тех пор, пока не достигается заданный тепловой зазор поршневого кольца. После этого значение тангенциальной силы считывают по динамометру. Если речь идет о маслосъемных поршневых кольцах, то измерение всегда выполняют с установленной пружиной-расширителем. Чтобы обеспечить точность измерений, измерительный прибор подвергают вибрации, что позволяет пружине-расширителю принять свое естественное положение за кольцом. Если измерения проводятся на состоящих из 3-х частей кольцах с пружиной и стальными пластинками, то в связи с их конструкцией требуется дополнительная осевая фиксация всего кольца, так как иначе стальные пластинки сместятся в сторону и измерение станет невозможным. На Рис. 1 схематически показан процесс измерения тангенциальной силы.

ЗАМЕЧАНИЕ

В результате радиального износа, вызванного полусухим трением или длительной эксплуатацией, поршневые кольца утрачивают тангенциальное напряжение. Поэтому измерять это напряжение имеет смысл только у новых колец с еще полным поперечным сечением.

Рис. 1. Измерение тангенциальной силы

6.2. Распределение радиального давления

Радиальное давление зависит от модуля эластичности материала, зазора в замке ненапряженного поршневого кольца и, не в последнюю очередь, от поперечного сечения кольца. Различают два основных вида распределения радиального давления. Самым простым видом является симметричное распределение радиального давления (Рис. 2). Оно встречается, прежде всего, у составных маслосъемных поршневых колец, состоящих из собственно упругого кольца или стальных пластинок с относительно низким внутренним напряжением. Установленная внутри пружина-расширитель прижимает кольцо или, соответственно, стальные пластинки к стенке цилиндра. В результате того, что пружина-расширитель в сжатом состоянии (после установки) прижимается к обратной стороне кольца или стальных пластинок, радиальное давление распределяется симметрично.

Рис. 2. Симметричное распределение радиального давления

У компрессионных поршневых колец четырехтактных ДВС используется не симметричное распределение радиального давления, а грушевидное (позитивно-овальное), которое препятствует вибрации стыковых концов колец на высоких оборотах (Рис. 3). Вибрация всегда начинается на стыковых концах и передается от них к кольцу по всей его окружности. Под действием увеличенного усилия прижима, стыковые концы поршневого кольца сильнее прижимаются к стенке цилиндра, благодаря чему вибрация кольца эффективно снижается или прекращается.

Рис. 3. Позитивно-овальное распределение радиального давления

6.3. Увеличение давления прижима под действием давления сгорания

Гораздо более важным, чем внутреннее напряжение колец, является увеличение давления прижима, образующееся в результате сгорания смеси во время работы двигателя.

До 90 % общего усилия прижима первого компрессионного поршневого кольца создается за счет давления сгорания во время такта рабочего хода. Как показано на Рис. 1, компрессионное поршневое кольцо подвергается действию этого давления с задней стороны и сильнее прижимается к стенке цилиндра. Увеличенное усилие прижима воздействует главным образом на первое компрессионное кольцо и в меньшей степени на второе компрессионное кольцо.

Давление газов на второе поршневое кольцо может регулироваться за счет изменения теплового зазора первого компрессионного поршневого кольца.

Рис. 1. Увеличение давления прижима

При небольшом увеличении этого зазора, давление сгорания, действующее на обратную сторону второго компрессионного поршневого кольца, повышается, что также приводит к усилению прижима. При увеличении количества компрессионных поршневых колец, дальнейшего увеличения давления прижима под действием давления образующихся при сгорании газов, начиная со второго кольца, не происходит.

Маслосъемные поршневые кольца работают только за счет своего внутреннего напряжения. Ввиду особой формы этих колец, давление газов не вызывает увеличения усилия прижима. Кроме того, распределение силы на поршневом кольце зависит от формы рабочей поверхности поршневого кольца. У конических колец и шлифованных компрессионных поршневых колец выпуклой формы давление газов действует также в зазоре между рабочей поверхностью поршневого кольца и стенкой цилиндра, противодействуя давлению газов за поршневым кольцом (см. главу 1.3.1 «Компрессионные поршневые кольца»).

Осевое усилие, прижимающее компрессионное поршневое кольцо к нижней боковой поверхности канавки, возникает только за счет давления газов. Внутреннее напряжение колец в осевом направлении не действует.

ЗАМЕЧАНИЕ

Во время работы на режиме холостого хода, из-за снижения степени наполнения цилиндров наблюдается уменьшение усилия прижима колец. Это особенно заметно у дизельных двигателей. Двигатели, которые долго работают на холостом ходу, имеют повышенный расход масла, так как из-за снижения воздействия давления газов ухудшается процесс съема масла. Часто после длительной работы на режиме холостого хода и последующего нажатия на педаль акселератора, двигатели выбрасывают из выхлопной трубы клубы синего дыма. Это связано со скоплением масла в цилиндрах и в выпускной системе и его сгоранием после нажатия на педаль акселератора.

6.4. Специфическое давление прижима

Рис. 2 и Рис. 3. Упругость кольца и специфическое усилие прижима

Специфическое давление прижима зависит от упругости кольца и площади его прилегания к стенке цилиндра.

Удвоение значения специфического усилия прижима возможно двумя способами: либо за счет удвоения значения упругости кольца, либо путем уменьшения вдвое площади прилегания кольца в цилиндре. На Рис. 2 и Рис. 3 видно, что результирующее усилие (специфическое усилие прижима = усилие × площадь), действующее на стенку цилиндра, всегда остается неизменным, несмотря на то, что упругость кольца увеличивают или, соответственно, уменьшают вдвое.

ВНИМАНИЕ!

При оценке давления прижима и уплотняющих свойств недостаточно учитывать только упругость кольца. Сравнивая поршневые кольца, всегда необходимо обращать внимание также на площадь pабочей поверхности.

На новых двигателях всё чаще устанавливают более плоские кольца, чтобы уменьшить внутреннее трение в двигателе. Это возможно, однако, только за счет уменьшения эффективной площади контакта кольца со стенкой цилиндра. При уменьшенной вдвое высоте кольца снижаются также вдвое упругость поршневого кольца и, следовательно, трение.

Поскольку оставшееся усилие действует на уменьшенную площадь, специфическое давление прижима на стенку цилиндра (усилие × площадь) при уменьшенных вдвое площади и упругости остается таким же, как и при увеличенных вдвое площади и упругости.

6.5. Тепловой зазор

Тепловой зазор (Рис. 1) – это важная особенность конструкции, необходимая для обеспечения надлежащей работы поршневых колец. Его можно сравнить с зазором в приводе впускных и выпускных клапанов. При нагреве компонентов из-за естественного теплового расширения происходит увеличение их длины или, соответственно, диаметра. В зависимости от разности рабочей температуры и температуры окружающей среды, требуется определенный зазор в холодном состоянии, чтобы обеспечить надлежащую работу при рабочей температуре.

Рис. 1. Тепловой зазор в смонтированном состоянии

Основным условием для корректной работы поршневых колец является их свободное вращение в канавках.

Заклиненные в канавках поршневые кольца не обеспечивают ни уплотнения, ни отвода тепла. Тепловой зазор, который должен всё ещё присутствовать и при рабочей температуре, гарантирует, что окружность расширенного под действием тепла поршневого кольца всегда будет меньше окружности цилиндра. Если, в результате теплового расширения поршневого кольца, тепловой зазор полностью исчезнет, то его стыковые концы начнут давить друг на друга. При дальнейшем увеличении такого давления произойдет деформация поршневого кольца, вызванная увеличением длины его окружности в результате нагрева. Поскольку при тепловом расширении поршневое кольцо не имеет возможности раздвигаться в радиальном направлении, увеличение длины его окружности может быть скомпенсировано только в осевом направлении. На Рис. 2 показано, как деформируется кольцо при недостаточном пространстве в цилиндре.

Рис. 2. Деформация поршневого кольца при рабочей температуре

Приведенные ниже вычисления на примере поршневого кольца диаметром 100 мм показывают, как изменяется длина его окружности при рабочей температуре.

В данном примере для обеспечения надлежащей работы кольца требуется тепловой зазор не менее 0,6 мм. Однако, в результате нагрева при рабочей температуре происходит не только расширение поршня и поршневых колец, но также увеличивается внутренний диаметр цилиндра.

По этой причине тепловой зазор может быть немного меньше рассчитанного. Тем не менее, под действием тепла диаметр цилиндра увеличивается в гораздо меньшей степени, чем поршневое кольцо. Это объясняется тем, что, во-первых, структура блока цилиндров жестче, чем у поршня. Во-вторых, поверхность цилиндра нагревается не так сильно, как поршень с поршневыми кольцами.

К тому же, внутренний диаметр цилиндра увеличивается неравномерно по всей рабочей поверхности цилиндра. Под действием теплоты сгорания верхняя часть цилиндра расширяется сильнее, чем нижняя. В результате неравномерного теплового расширения цилиндра происходит отклонение от цилиндрической формы, которая слегка принимает форму воронки (Рис. 3).

Рис. 3. Цилиндр в форме воронки при рабочей температуре

6.6. Уплотнительные поверхности поршневых колец

Поршневые кольца обеспечивают уплотнение не только со стороны pабочей поверхности, но и в области нижней боковой поверхности. Рабочая поверхность кольца отвечает за уплотнение между кольцом и стенкой цилиндра, а нижняя боковая поверхность канавки служит для уплотнения обратной стороны кольца. Поэтому требуется плотное прилегание кольца не только к стенке цилиндра, но и к нижней боковой поверхности канавки поршня (Рис. 1). При отсутствии плотного прилегания, масло или отработанные газы могут проникать через обратную сторону кольца.

Приведенные рисунки наглядно показывают, что в результате износа (из-за загрязнений или длительной эксплуатации) больше не обеспечивается уплотнение обратной стороны кольца и через поршневую канавку поступает большее количество газов и масла. Поэтому устанавливать новые кольца в изношенные канавки не имеет смысла. Неровности на боковой поверхности канавки препятствуют плотному прилеганию кольца, а увеличенная по высоте канавка позволяет кольцу перемещаться в больших пределах. Из-за увеличения зазора по высоте нарушается правильное расположение кольца в канавке, в результате чего кольцо гораздо легче отделяется от нижней боковой поверхности канавки, происходит откачка масла (Рис. 2 и Рис. 3), возникает вибрация кольца и ухудшается уплотнение. Кроме того, pабочая поверхность кольца приобретает чрезмерно выпуклую форму. Это приводит к увеличению толщины масляной пленки и повышению расхода масла.

Рис. 1. Уплотнение за счет нижней боковой поверхности канавки

Рис. 2. Такт впуска

Рис. 3. Такт сжатия

6.7. Дросселирующая щель и прорыв газов

Поскольку конструкция используемых в моторостроении поршневых колец не обеспечивает 100%-ого уплотнения, возникает прорыв так называемых картерных газов.

Отработанные газы через мельчайшие зазоры, имеющиеся в области поршней и поршневых колец, проникают в картер двигателя. При этом количество проникающих газов определяется по размерам дросселирующего окна (x и y на Рис. 4), которые следуют из значений теплового зазора и половины рабочего зазора поршня. В действительности, дросселирующее окно, в отличие от изображенного на рисунке, ничтожно мало.

Рис. 4. Дросселирующее окно

В качестве ориентира, максимальное значение количества прорывающихся газов принимают равным 0,5 % от количества потребляемого двигателем воздуха. Количество газов, прорывающихся в картер во время работы двигателя, зависит от положения поршневых колец. Если тепловые зазоры первого и второго компрессионных поршневых колец располагаются в кольцевых канавках друг над другом, то прорыв газов слегка увеличивается.

В процессе работы двигателя такая ситуация повторяется регулярно, так как кольца совершают в канавках несколько оборотов в минуту. Если же тепловые зазоры колец оказываются на противоположных сторонах поршня, то из-за увеличения пути через уплотняющий лабиринт прорыв газов слегка уменьшается. Отработанные газы, проникающие в картер, отводятся системой вентиляции картера обратно во впускной тракт и далее попадают в камеры сгорания. Необходимость такого решения вызвана тем, что эти газы вредны для здоровья. В результате повторного сгорания в двигателе они обезвреживаются. Вентиляция также необходима для снижения давления в картере, иначе избыточное давление в его полости приводило бы к увеличению утечек масла через уплотнительные сальники коленчатого вала двигателя.

Повышенный прорыв газов связан либо со значительным износом поршневых колец в результате их длительной эксплуатации, либо с наличием трещин в днище поршня, через которые отработанные газы проникают в картер. Кроме того, нарушение геометрии цилиндров также приводит к увеличению прорыва газов в картер.

На стационарных двигателях или на двигателях, установленных на испытательном стенде, прорыв газов постоянно измеряется, контролируется и используется в качестве показателя, предупреждающего о возникновении повреждений в двигателе. Если измеренное количество прорывающихся газов превышает максимально допустимое значение, двигатель автоматически отключается. Это позволяет избежать серьезных и дорогостоящих повреждений двигателя.

6.8. Зазор кольца по высоте

Рис. 1. Зазор кольца по высоте

Зазор кольца по высоте (Рис. 1) не является результатом износа кольцевой канавки. Это важный функциональный параметр, обеспечивающий правильное функционирование поршневых колец. Благодаря наличию зазора у кольца по высоте, возможно его свободное вращение в кольцевой канавке.

Величина зазора должна быть достаточной, чтобы кольцо не заклинивало при рабочей температуре и чтобы давление сгорания, действующее в канавке на обратную сторону кольца, было достаточным.

С другой стороны, зазор кольца по высоте не должен быть слишком большим, так как иначе снижается стабильность положения кольца в осевом направлении. В результате этого усиливается склонность кольца к вибрации и чрезмерному скручиванию. Это приводит к неблагоприятному износу поршневых колец (чрезмерная выпуклость рабочей поверхности) и повышенному расходу масла.

6.9. Скручивание колец

Наличие у поршневых колец внутренних углов или фасок приводит к скручиванию колец в напряженном, установленном состоянии. Кольца в ненапряженном состоянии (на поршне, не установленном в двигатель) не скручиваются (Рис. 2) и ровно лежат в кольцевых канавках.

Установленное в двигатель кольцо, т. е. кольцо в напряженном состоянии, отклоняется в более слабую сторону, где из-за наличия внутренней фаски или внутреннего угла материала меньше. Происходит скручивание кольца.

В зависимости от расположения фаски или угла – у нижней или верхней кромки – различают положительное или отрицательное скручивание кольца (Рис. 3 и 4).

Рис. 2. Поршневые кольца в ненапряженном состоянии: скручивание пока отсутствует

Рис. 3. Положительное скручивание кольца

Рис. 4. Отрицательное скручивание кольца

Скручивание колец в условиях эксплуатации

Положительное и отрицательное скручивание колец проявляется тогда, когда на кольцо не действует давление сгорания (Рис. 5). Как только давление сгорания начинает действовать в кольцевой канавке, поршневое кольцо плотно прижимается к её нижней боковой поверхности, за счет чего улучшается контроль расхода масла (Рис. 6).

Кольца прямоугольного сечения (цилиндрические кольца) и конические кольца с положительным скручиванием всегда обладают хорошими маслосъемными свойствами. При возникновении трения о стенку цилиндра во время движения поршня вниз такие кольца всё-таки могут слегка отделиться от нижней боковой поверхности канавки, что приведет к проникновению в зазор масла и повышению его расхода.

Кольцо с отрицательным скручиванием обеспечивает уплотнение кольцевой канавки по нижней боковой поверхности снаружи и по верхней боковой поверхности внутри. За счет этого блокируется проникновение в канавку масла. Таким образом, кольца с отрицательным скручиванием способствуют снижению расхода масла, особенно на режимах частичной нагрузки и при наличии разрежения в камере сгорания (режим принудительного холостого хода). У конических колец с отрицательным скручиванием угол наклона pабочей поверхности примерно на 2° больше, чем у обычных конических колец. Это необходимо по причине того, что из-за отрицательного скручивания угол наклона частично уменьшается.

Рис. 5. Отсутствие давления сгорания

Рис. 6. Наличие давления сгорания

6.10. Способность поршневых колец прилегать к стенкам цилиндров

Под способностью поршневого кольца прилегать к стенкам цилиндра понимают его адаптацию к форме стенки цилиндра для обеспечения эффективного уплотнения. Эта способность зависит от эластичности коробчатого кольца (у маслосъемных поршневых колец из 2-х частей) или, соответственно, стальных пластинок (у маслосъемных поршневых колец из 3-х частей), а также от давления прижима кольца/кольцевой детали к стенке цилиндра.

При этом способность кольца прилегать к стенке цилиндра тем лучше, чем эластичнее кольцо/кольцевая деталь и чем выше давление прижима. Высокие кольца и кольца с большим поперечным сечением обладают высокой жесткостью, а также вызывают увеличение сил инерции во время работы по причине большей массы. Поэтому их способность прилегать к стенкам цилиндров хуже, чем у более плоских колец и колец с малым поперечным сечением и, следовательно, с уменьшенными силами инерции.

Оптимальную способность прилегать к стенкам цилиндров имеют маслосъемные поршневые кольца из 2-х или 3-х частей, поскольку они состоят из очень гибкой кольцевой детали или очень гибких стальных пластинок, без необходимости при этом обладать высокой упругостью.

Как уже было описано, усилие прижима маслосъемных поршневых колец, состоящих из 2-х или 3-х частей, обеспечивается за счет соответствующей пружины-расширителя. Кольцевая деталь и стальные пластинки обладают высокой гибкостью и легко адаптируются.

Хорошая способность поршневых колец прилегать к стенкам цилиндров особенно важна тогда, когда отверстия цилиндров теряют круглую форму. Это происходит в результате деформаций (тепловых и механических) или ошибок при ремонтной обработке и монтаже.

Рис. 1. Плохая способность кольца прилегать к стенке цилиндра

6.11. Движения поршневых колец

Вращение колец

Для того, чтобы обеспечивалась успешная приработка и дальнейшее оптимальное уплотнение, поршневые кольца должны свободно вращаться в кольцевых канавках. Вращение колец возникает как благодаря хонингованию (перекрестное шлифование), так и в результате качания поршней в верхней и нижней мертвых точках. При малых углах хонингования кольца вращаются медленнее, при больших углах частота их вращения увеличивается. Кроме того, вращение колец зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Для общего представления: поршневые кольца совершают в среднем от 5 до 15 оборотов в минуту.

В двухтактных двигателях кольца заблокированы от вращения. Это позволяет избежать попадания стыковых концов в газовые каналы. Двухтактные двигатели используются преимущественно на двухколесных транспортных средствах, в садовых инструментах и т. п. В этом случае допускается, что блокировка вращения колец приводит к их неравномерному износу, возможному нагарообразованию в кольцевых канавках и сокращению срока службы. Данное исполнение в любом случае рассчитано на более короткий срок службы двигателя. К пробегу автомобилей с обычным четырехтактным двигателем предъявляются гораздо более высокие требования.

Смещение замков поршневых колец на 120° относительно друг друга во время монтажа служит только для улучшения запуска нового двигателя. В процессе последующей эксплуатации поршневые кольца могут занимать в кольцевых канавках любое положение, если их вращение не блокируется преднамеренно, путем конструктивных изменений (двухтактные двигатели).

Вращение вокруг оси

В идеальном случае кольца должны прилегать к нижним боковым поверхностям канавок. Это важно для обеспечения уплотняющей функции колец, так как они уплотняют не только в области рабочих поверхностей, но и в области нижних боковых поверхностей. Нижняя боковая поверхность канавки уплотняет от проникновения газов или масла на обратную сторону кольца. Рабочая поверхность поршневого кольца уплотняет его переднюю сторону, прилегающую к стенке цилиндра (см. главы, начиная с 1.6.6 «Уплотнительные поверхности поршневых колец»).

В результате возвратно-поступательного движения поршня и изменения направления его движения, на кольца воздействуют также силы инерции, из-за которых кольца отделяются от нижних боковых поверхностей канавок. Вызванное силами инерции отделение поршневых колец от нижних боковых поверхностей канавок сдерживается имеющейся внутри канавок масляной пленкой. Проблемы здесь возникают в основном тогда, когда кольцевые канавки и, следовательно, зазоры колец по высоте, увеличиваются в результате износа. Это приводит к отделению кольца от поверхности прилегания к поршню и к его вибрации, которая начинается на стыковых концах. В результате поршневое кольцо перестает уплотнять, и расход масла увеличивается.

Это происходит, прежде всего, во время такта впуска, когда при движении поршня вниз и образовании разрежения в камере сгорания, кольцо отделяется от дна канавки и масло, проникшее к задней стороне кольца, всасывается в камеру сгорания. В процессе выполнения трех остальных тактов кольца прижимаются к канавкам нижней боковой поверхностью под действием давления в камере сгорания.

Радиальное движение

В принципе, кольца совершают радиальные движения не сами по себе, а в результате движения поршня внутри цилиндра, при котором он соприкасается то с одной, то с другой стенкой цилиндра (перекладка поршня). Это происходит как в верхней, так и в нижней мертвых точках положения поршня. В результате кольца совершают в кольцевых канавках радиальное движение. Это приводит к измельчению образовавшегося слоя масляного нагара (особенно при использовании колец трапециевидного сечения), а также к вращению колец, обработанных перекрестным шлифованием.

Радиальное движение поршневого кольца

Скручивание колец

В результате действия сил инерции, скручивания колец и наличия зазоров по высоте, кольца совершают движения, показанные стрелками на рисунках. Как описано в 5.5 «Выпуклая форма рабочей поверхности», рабочая поверхность поршневых колец приобретает со временем выпуклую форму.

Скручивание кольца

Часть2. Монтаж и сервис поршней, поршневых колец, цилиндров двигателя

Просмотров:
10 468

Производство поршневых колец и гильз цилиндров GOETZE на ведущем заводе Federal-Mogul в Сапанке (Турция)

В одном из предыдущих номеров журнала autoExpert мы писали, как и какие поршни Nural производятся на заводе корпорации Federal-Mogul в турецком городе Арсланбей. В том же туре мы посетили и завод по производству поршневых колец и гильз GOETZE. Итак, о производстве этих высокотехнологичных деталей — в подробностях…

Federal-Mogul Sapanca
Завод в Сапанке был построен в 1976 году. В 1979 он подписал лицензионное соглашение с немецкой компанией Goetze (эта марка — «старейшина» в семействе автомобильных компонентов, ее родословная ведется с 1887 года, и первое в Европе хромированное поршневое кольцо было именно марки GOETZE). В 1982 на заводе в Сапанке запустили производство поршневых колец и гильз, а с 1987 началась череда приобретений и инвестиций. Сначала завод был приобретен компанией Goetze, позже были внутренние турецкие инвестиции, а в 1998 предприятие покупает трансконтинентальная корпорация Federal-Mogul, сохранив марку Goetze. В 2008 завод был подвергнут основательной реорганизации и модернизации, что помогло предприятию соответствовать требованиям, которые выдвигают ведущие производители автомобилей.

Это — ведущий завод корпорации Federal-Mogul по производству гильз для грузового транспорта, несмотря на то, что конструкторское бюро находится в Буршайде, Германия. Это самое высокотехнологичное в Европе производство поршневых колец и гильз цилиндров. Завод имеет все необходимые сертификаты качества и множество наград от производителей. Заказчиками продукции являются как самые именитые производители двигателей — Audi, BMW, Ford, Renault, Mercedes-Benz, Smart, Aston Martin, Volkswagen, Fiat, Alfa Romeo, Honda, Iveco, PSA (Peugeot-Citroen), Nissan, Isuzu, MTU, CNH, MAN, Volvo Truck, так и компании-конкуренты Federal-Mogul.

Марка GOETZE берет свое начало в 1887 г. Основанная Фридрихом Вильгельмом Гетцем в г. Буршайде, Германия как небольшая мастерская, занимавшаяся изготовлением медных уплотнений для паровых вентилей. Компания быстро развивалась, и к началу 20 столетия компания «Friedrich Goetze» имела в штате прядка 100 человек и специализировалась на производстве поршневых колец, медных и медно-асбестовых уплотнений и других технических прокладок, славившихся качеством на всю Германию. На сегодняшний день Goetze является одним из самых известных имен в автомобильной промышленности. С 1998 года маркой и ее производственными мощностями владеет компания Federal-Mogul, поставляя на первую комплектацию технически передовые компоненты, позволяющие значительно снизить расход топлива, масла и вредные выбросы в атмосферу. Компоненты для вторичного рынка полностью соответствуют характеристикам деталей OE: поршневые кольца, гильзы цилиндров, болты головки блока цилиндров и широкий ассортимент уплотнений, начиная от сальников клапанов и заканчивая полными комплектами прокладок и уплотнений для ремонта двигателя.

Производительность завода — 7 миллионов гильз цилиндров, 25 миллионов поршневых колец и 15 миллионов вставок в поршни для верхнего поршневого кольца.

Завод производит три типа гильз — два типа «сухих» и один «мокрый», и все виды поршневых колец с несколькими типами покрытия: хромированные, хром-молибденовые и хром-керамические. Предприятие — с полным циклом производства. Процесс изготовления и поршневых колец, и гильз начинается с литья.

Сколько заводов Federal-Mogul в Турции?
Есть еще четвертый завод Federal-Mogul в Турции — кроме этого и двух по производству поршней. На нем производят только гильзы одного типа по технологии S-cast для последующего производства блоков цилиндров. Он работает исключительно на конвейеры автопроизводителей.

Цех литья

Заготовки (трубы) для гильз отливаются в металлических формах по 2 метра длиной, у которых температура плавления выше, чем у расплавленного металла гильзы.

Заготовки для колец отливают методом стопочной заливки на карусельной машине, когда несколько литейных форм располагаются горизонтально одна над другой. Внутренняя поверхность форм — из специального песка с добавкой химических элементов, чтобы придать ему определенные свойства и не допустить разрушения, а также для облегчения отделения отливки от формы. Формы для гильз также используются только со специальным покрытием.

Далее готовые отливки (заготовки для гильз перемещаются с поста на пост тщательно защищенными от пыли «руками» роботов KUKA), очищаются, распиливаются и поступают в свои цеха для последующей механической обработки. Но заготовки для колец перед этим еще проходят термическую обработку в печах для увеличения или уменьшения твердости в зависимости от требований технологии.

Контроль качества материалов
Заложить в плавильную печь идеальное количество ингредиентов с идеальным качеством — не реально, ведь для каждой позиции сырья (металл, прочее…) есть минимум два одобренных поставщика, да и сырье имеет допуски. Поэтому в лаборатории при литейном цехе приходится проверять образцы, взятые из печи прямо во время «варки» сплава и корректировать его состав добавлением необходимых химических элементов, чтобы получить материал нужного качества. После того, как он готов, здесь проверяют его физические и химические свойства. Делается спектральный анализ, анализ на твердость, на прочность, на разрыв.

Весь процесс варки партии занимает часа три, а измерения образцов — минут пять. Все очень оперативно.

В нашем присутствии испытали металл для производства гильз на разрыв — при норме в 3200 кг разрыв произошел при усилии 3450 кг.

Отлитые заготовки после первичной механической обработки еще в литейном цеху разрезаются на несколько пока еще крупных частей, собираются в кассеты и поступают в цех, где им предстоит стать готовой продукцией после ряда токарных и других операций впечатляющей сложности.

Сначала делается обработка боковых сторон, а потом — внутренней и наружной стороны.

Самый первый этап — блок-упаковка из колец обрабатывается одновременно двумя резцами изнутри и снаружи. Наружный резец при этом придает наружной грани уже готовую рабочую конфигурацию. При этом вращение происходит эксцентрично. В итоге эта промежуточная заготовка получается не только овальной формы, а и с разной толщиной кольца, чтобы, когда кольцо разрежется, тангенциальные силы, которые распирают кольцо в цилиндре, были одинаковыми. А вырезав впоследствии небольшую часть кольца в нужном месте — получают кольцо, которое после сжатия до соприкосновения торцов будет иметь форму идеальной окружности, соответствующей форме гильзы. Вот так все сложно и просто одновременно!

Пока не придана форма рабочей поверхности кольца — сечение у кольца прямоугольное.

Далее происходит обработка торцов кольца в месте разреза. Точностью обработки торцов задаются размеры теплового зазора колец.

Кольца. Дебри механообработки
Поршневые кольца работают в жесточайших условиях и агрессивной среде, давление на поршень достигает показателей порядка 100 кг/см2, температура горения топливовоздушной смеси достигает 1400 градусов, на кольцо действуют огромные нагрузки, хуже чего только то, что эти нагрузки знакопеременные в связи с характером движения поршня. И в этих условиях поршневые кольца должны не просто сохранять заданные им качества, но и не могут даже просто вибрировать, ведь такая вибрация ведет к прорыву газов в картер двигателя и может закончиться поломкой колец. Малый размер колец наряду со столь жестким перечнем требований к ним как раз и приводит к тому, что само по себе изготовление поршневых колец сродни искусству, а изготовление качественных колец в массовом порядке требует серьезной технической базы и квалифицированного персонала.

Далее необходимо нанести гальваническое покрытие на рабочую поверхность колец. Именно на рабочую поверхность, боковые поверхности остаются без покрытия. Чтобы выполнить такую операцию, кольца снова собирают в пакеты, нанизывая их на шест с резьбой, края закрывают шайбами, сжимают кольца до соприкосновения торцов и стягивают гайками всю эту конструкцию-тубус. При этом перед сжатием торцы кольца в разрезе покрываются специальным лаком, чтобы заполнить возможные микрорасстояния и получить гарантированно герметичную конструкцию. После зачистки от высохших подтеков лака эта герметичная упаковка погружается в гальваническую ванную для нанесения покрытия, которое таким образом образуется только на рабочей поверхности колец.

Далее следуют различные токарные операции по приданию кольцам нужного сечения, а в конце их снова собирают в кассеты, вставляют в специальные гильзы и подвергают то ли притирке, то ли шлифованию поверхности после хромирования — как хотите, так и называйте этот процесс, похожий на хонингование цилиндров.

В маслосъемных кольцах сверление маслоотводящих отверстий происходит одновременно 48 сверлами, при необходимости станок может быть перенастроен на 72 сверла! Кольца подаются в станок по-одному.

В целом, основные операции такие. Кольцо готово.
Среди потребителей бытует мнение, что большее кольцо более дорогое по цене, потому что в нем материалов больше. Нам объяснили, что в себестоимости кольца стоимость материалов 3-5%, все остальное — стоимость обработки и гальванического покрытия. Соответственно, кольцо дешевле доработать, если возможно, чем тратиться на гальванику для нового кольца.

О цветной маркировке колец
Специалисты на СТО часто говорят, что поскольку в оригинальной упаковке кольца с цветной маркировкой — то дайте нам такие же! Однако цветная маркировка ничего не имеет общего с качеством. Оказывается, она наносится исключительно по запросу ОЕ-производителей для нужд по отслеживанию продукции.

Еще кольца, устанавливаемые при первичной комплектации, не имеют фосфатирования, а в афтемаркете — имеют, потому что это покрытие защищает от коррозии, на случай, если на складах клиентов не будут соблюдены правила хранения.

В афтемаркете можно встретить кольца без фосфатирования — некоторые торговые марки-упаковщики с целью удешевления просят завод произвести кольца без фосфортирования.

Семь раз отмерь… и раз продай
Непосредственно в производственном цеху проводится четыре операции проверки: проверка закрытого замка, проверка правильного позиционирования (определяется правильная верхняя сторона кольца), проверка высоты кольца и проверка правильности лазерной маркировки кольца.

Интересно было увидеть, как решен вопрос сортировки колец при проверке. Машина напомнила сказку про Илью Муромца, у которого от камня вело три дороги: направо пойдешь — в утиль попадешь, налево — в доработку, прямо — в упаковку. Три пути указывают три сопла со сжатым воздухом с углами друг относительно друга в 45 градусов. В зависимости от результата проверки кольцо сдувается одним из сопел.

Мы поинтересовались, сколько обычно бывает бракованных колец. Нам ответили, что иногда ноль, иногда 10-20 на 1000 шт.

Финальный контроль качества продукции происходит в отдельном помещении, где за столами работают несколько десятков человек и визуально проверяют ВСЕ кольца. Сотрудники, выполняющие эту работу — только женщины. Почему женщины? Они более щепетильные и внимательные в такой монотонной работе. Процедура полного визуального контроля всего кольца подробно описана системой сертификации ISO. Процент брака на визуальном контроле — еще 2%. Согласитесь, такой процент испортил бы репутацию бренду.

В самом конце все кольца еще раз проверяются автоматическим устройством для дополнительного контроля правильной маркировки верхней поверхности кольца.

Кольца и вызовы автопрома
Материалы и технологии, применяемые при создании двигателей, таят немало резервов для повышения топливной экономичности автомобиля и снижения эмиссии отработавших газов, в частности, выбросов CO2. В Federal-Mogul заявляют, что знают, как использовать эти резервы.

Точнейшая геометрия для сопрягающей посадки поршня в цилиндр, стойкость к непрерывно растущим температурам, давлению, динамическим нагрузкам, минимизация трения и износа сопрягаемых пар — все это лежит на них, кольцах. А значит, они тоже требуют инновационных решений и прецизионных технологий.

Нормативы стремительно стареют и технологии просто обязаны опережать их. Всем известный пример: топливо, служившее естественным смазочным материалом, перестает быть таковым. Причина — в резком снижении содержания серы в угоду экологическим показателям. Значит, сегодняшние поршневые кольца обязаны работать при меньшем количестве смазки. И это при непрерывном росте мощности, снимаемой с единицы объема двигателя!

Эти и многие другие противоречия на предприятиях Federal-Mogul разрешают более 200 ученых, инженеров и других специалистов, занимающихся разработкой и испытанием поршневых колец. Работа ведется по нескольким направлениям. Магистральными являются два: совершенствование геометрии и разработка новых материалов для колец и для их покрытий.

Свойства, необходимые для материала кольца и его покрытия, могут существенно отличаться от двигателя к двигателю, поэтому эффективным методом является оптимизация каждого элемента в отдельности. Для поршневых колец компания Federal-Mogul разработала ряд уникальных материалов и вариантов покрытия, которые уменьшают трение и повышают долговечность.

Обычно для изготовления поршневых колец дизельных ДВС используется высокопрочный мартенситный серый чугун с шаровидным графитом. Он достаточно пластичен и имеет предел прочности (временное сопротивление) около 1200 МПа. Новый литейный стальной сплав GOE70, разработанный инженерами Federal-Mogul, имеет мартенситную основу с включениями карбида хрома и может похвастать пределом прочности не менее 1800 МПа. Подвергнутый азотированию, этот материал приобретает высокую износостойкость и твердость поверхности по Виккерсу 1300 HV.

Поршневые кольца. Функции и требования

Основное назначение поршневых колец — уплотнение: обеспечить, чтобы высокая температура и давление, возникающие в процессе сгорания топлива, оставались в камере сгорания, а масло не попадало туда. Кроме того, кольцо должно отводить тепло от поршня и регулировать процесс смазки.

Обычно комплект состоит из трех колец:
1. Верхнее компрессионное кольцо часто изготавливается из стали, чугуна с шаровидным графитом и литейного чугуна, эти кольца удерживают топливовоздушную смесь в камере сгорания.
2. Второе компрессионное кольцо обычно изготавливается из чугуна с шаровидным графитом и литейного чугуна, эти кольца выполняют двойную функцию: они играют роль как компрессионного, так и маслосъемного кольца.
3. Маслосъемное кольцо может изготавливаться из чугуна с шаровидным графитом и литейного чугуна, однако для многоэлементных колец используется сталь. Эти кольца регулируют количество масла, необходимого для смазки верхнего и второго колец.

Тенденции в технологиях создания поршневых колец
• Уменьшение ширины кольца — из-за уменьшения размеров двигателей, облегчения поршней и снижения расстояния от днища поршня до оси поршневого пальца.
• Снижение веса колец — для повышения оборотов и устойчивости двигателя.
• Снижение напряжения в кольцах — из-за необходимости уменьшить потери на трение.
• Металлургические аспекты производства колец — существует тенденция к использованию высокопрочных сплавов, таких как чугун с шаровидным графитом и сталь. Это позволяет противостоять высоким температурам, возникающим при сгорании обедненного топлива, и из-за более высокого расположения колец на поршне для снижения выбросов в атмосферу.

Покрытие рабочих поверхностей
Хромирование, CR. Электроосажденное твердое хромовое покрытие сочетает в себе прекрасную износоустойчивость с высокой устойчивостью к задирам. Этим объясняется превосходство хромированных колец по сравнению с кольцами без покрытия и кольцами с обработанной поверхностью.

Молибденовое покрытие, MOL, MO. Чтобы не допустить задиров, края кольца покрывают молибденом. Такое решение продемонстрировало превосходные результаты. Молибден отличается очень высокой температурой плавления (2620°C) и хорошей теплопроводностью — эти показатели определяют его высокую устойчивость к задирам и износу.

Плазменное напыление, PS. Все большее распространение получает плазменное напыление, обладающее высокой прочностью, высокой устойчивостью к износу, задирам и разломам, и при этом вызывающее лишь незначительный износ цилиндра.

Фосфатирование, P. Этот процесс используется для ускорения и улучшения приработки колец. На поверхности кольца с помощью химической обработки создаются кристаллы фосфатов. Также фосфатирование используется для защиты от коррозии.

Азотирование, NT. Азотирование поверхности позволяет уменьшить износ стальных компрессионных колец и стальных кромок маслосъемных колец.

Хром-керамическое покрытие, CK. Покрытие CK выдерживает более высокие тепловые и механические нагрузки по сравнению с существующими хромовыми, молибденовыми и плазменными покрытиями, хотя эти проверенные и испытанные покрытия не теряют своей актуальности.

Хром-алмазное покрытие, CD. Алмазные нанокристаллы, обладающие специфическими комбинированными свойствами и размерами, внедряются в твердую рабочую поверхность из хрома. По сравнению с другими покрытиями такая рабочая поверхность кольца отличается пониженным износом и значительно более высокой устойчивостью к задирам.

LKZ. Чудеса от геометрии

Говоря об оптимизации геометрии маслосъемного кольца, в первую очередь нужно сказать о разработке Goetze, названой LKZ. Это кольцо имеет особую ступенчатую конструкцию рабочей кромки, результатом чего стало уменьшение сопротивления при движении поршня во время такта сжатия, что снижает насосные потери. А вот в такте расширения масло со стенки цилиндра сбрасывается в картер гораздо эффективнее, чем при использовании стандартного кольца. В результате масла в камеру сгорания попадает гораздо меньше, нагар на свечах практически не образуется.

Маслосъемное кольцо Goetze LKZ

Кольца Goetze LKZ могут сократить расход масла до 50% и уменьшить трение до 15% по сравнению с лучшими двухкомпонентными кольцами традиционной конструкции.

Комплекты с маслосъемными кольцами Goetze LKZ могут выпускаться с компрессионными кольцами, имеющими различные покрытия рабочей поверхности: хром-керамическое покрытие CKS, алмазное покрытие GDC, покрытие методом конденсации из паровой фазы PVD, а также DLC (алмазоподобное углеродное покрытие).

Покрытия эффективно защищают поверхность кольца от царапин. При этом износ становится минимальным, и маслосъемное кольцо может правильно функционировать в течение всего срока службы двигателя

Изначально инновационное кольцо LKZ создавалось для требовательных дизельных ДВС, а сейчас используется и в бензиновых двигателях с непосредственным впрыском топлива. Эти кольца рекомендуется использовать для замены оригинальных комплектующих при ремонте для восстановления исходных характеристик работоспособности двигателя.

Кольцо Goetze LKZ стало обладателем престижной премии Autimotive News PASE 2011, став лучшим в своей категории. Премия получена за инновации в новых изделиях, деталях или системах, играющих важную роль на рынке и изменивших правила игры в автомобильной промышленности.

Покрытия от GOETZE
Напомним, что требования к свойствам основного материала кольца и его поверхностного слоя сильно отличаются. Основной материал обеспечивает прочность и термостойкость, а покрытие минимизирует трение и износ — как самого кольца, так и сопрягаемой пары.

Начнем с хром-керамического покрытия, по стандартам компании Federal-Mogul именуемого CKS. Оно было разработано специально для дизелей с целью повышения долговечности цилиндропоршневой группы. Результатом явилось снижение износов колец и стенок цилиндров, а также отсутствие задиров.

Хром-керамическое покрытие — очень специфическое композитное покрытие, состоящее из матричного слоя хрома и оксида алюминия. Этот материал был создан в результате долгих лет исследований и разработок инженерами компании Federal-Mogul. Эта глобально запатентованная технология покрытия может быть определена как твердые керамические частицы, внедренные в микротрещины хромового покрытия.

Благодаря превосходному качеству и долговечности, обусловленными специальными технологиями электролиза, CKS предпочтительны, в основном, в дизельных двигателях большой мощности и высокой производительности. Частицы оксида алюминия, внедренные в структуру полотна микротрещины, обеспечивают лучшую производительность и износостойкость даже при экстремальных температурах.

По сравнению с классическим покрытием из твердого хрома, сопротивление износу кольца с CKS удваивается. Температура плавления и твердость кольца с CKS очень высока. Именно поэтому CKS не только обеспечивают двигателю более длительный срок службы, но и за счет расширения возможностей проектирования позволяют улучшить сжигание, что снижает уровень выбросов.

Эта разработка — хром-керамическое покрытие — послужила отправной точкой для технологии хром-алмазного покрытия от GOETZE — Goetze Diamond Coating — сокращенно GDC, которая обеспечивает исключительно хорошую фиксацию внедренных твердых частиц для обеспечения еще более твердой поверхности. Характеристики износостойкости хром-алмазного покрытия в четыре раза выше, чем у обычных твердых хромовых покрытий, и в два раза лучше, чем у хром-керамических покрытий.

Это решение открыло новые перспективы для создания следующего поколения компактных, но мощных дизелей, и позволило увеличить интервалы между техническим обслуживанием.

При этой технологии гильза имеет больший, чем при других технологиях, износ за счет очень твердого покрытия колец. Казалось бы, зачем использовать такую технологию, если увеличивается износ? Смысл заключается в том, что, несмотря на повышенный износ гильзы, суммарный износ колец и гильзы намного меньше износа при применении других технологий — за счет этого значительно увеличивается срок службы двигателя. На приведенной диаграмме показан износ различных гальванических покрытий кольца и рабочей поверхности гильзы.

Дальнейшее развитие технологий CKS и GDC привело к структурированным хромовым покрытиям — SCKS и SGDC. Они наносятся на поверхность с помощью специального целенаправленного воздействия. В итоге эти структуры имеют запрограммированные углубления или канавки глубиной до 50 мкм и могут хранить смазку во время работы. Это снижает трение и, следовательно, еще больше уменьшает расход масла.

Эти технологии в значительной степени оправдали ожидания инженеров компании Federal-Mogul и в настоящее время тестируются несколькими производителями двигателей.

Позже у Goetze появилось покрытие третьего поколения, названное CarboGlide. Здесь уже сформировалась многослойная алмазная структура, модифицированная особым композитом, содержащим вольфрам и другие ингредиенты. CarboGlide позволил отыграть 18-20% потерь на трение, сэкономить до 1,5% топлива. Толщина покрытия увеличилась почти втрое — до 10 микрон, по сравнению c лучшим покрытием того времени.

Новейшая технология покрытия поршневых колец, разработанная Federal-Mogul — это DuroGlide. Она объединила два инновационных решения — по «архитектуре» слоя и методу его нанесения.

Здесь также используется многослойная структура с применением молибдена и «хитрых» композитов. В основе покрытия — комбинация алмазно-графитовых ингредиентов и некристаллического (аморфного) углерода.

Покрытие обладает, казалось бы, противоречивыми свойствами (все — благодаря аллотропным «зеркалам» углерода). С одной стороны, это высокая твердость и стойкость к износу. Кстати, в сравнении даже с лучшими покрытиями она увеличилась вдвое. Что, впрочем, неудивительно — ведь доля алмазной составляющей возросла на 50%.

С другой стороны, этот слой улучшает смазываемость поверхностей и действует как физически и химически инертный барьер, предотвращающий непосредственный контакт сопряженных поверхностей в режиме граничной смазки.

Слой стал еще гораздо большей толщины — до 20 мкм. Для такого рода покрытий это необычайно много. Не будет ли отслоения? Не будет, уверяют разработчики. Дело в том, что нанесение покрытия производится комбинированным способом — оптимальным сочетанием конденсации из паровой фазы (PVD — physical vapour deposition) и плазменного осаждения.

В ходе испытаний кольца с покрытием DuroGlide продемонстрировали уникальную долговечность, обеспечив уменьшение расхода топлива на 1,5% — для легковых автомобилей это означает снижение выбросов CO2 на 3 г/км.

Вице-президент и главный инженер подразделения Federal-Mogul Powertrain Джиан Мария Оливетти считает DuroGlide настоящим техническим прорывом.

Гильзы цилиндров. Дорого — не значит маркетинг…
Как и при производстве поршневых колец, гильза проходит множество этапов обработки. Операций очень много, совокупная стоимость оборудования, участвующего в производстве одной гильзы, очень высокая, времени на производство одной гильзы также уходит гораздо больше, чем, например, при производстве кольца, поэтому высокая стоимость качественной гильзы для клиента — это не маркетинг, а суровая реальность…

Гильза может точиться как в горизонтальном, так и в вертикальном положении. Однако в вертикальном — точность обработки выше. Но станки для горизонтальной обработки — стоят в 1,5-2 раза дешевле.

Безрассудством на предприятии не страдают — оборудование покупается сообразно требуемой заказчиком точности обработки. Для клиентов, требующих высочайшие допуски, на заводе не экономят и покупают оборудование «с запасом» — четыре высокоточных станка для вертикальной обработки обошлись в 2,5 млн евро. Но если заказчику гильз (например, переупаковщик) высокие допуски не нужны, то можно купить оборудование и подешевле. Для линии, выпускающей такой тип гильз, четыре станка обошлись «всего» в миллион.

При планировании любой линии, при каждом проекте на заводе скрупулезно оценивают, в какой компании купить станки — более дорогие немецкие, или японские — подешевле. Ведь срок окупаемости и выход в режим зарабатывания прибыли тоже важен.

Есть еще нюансы. Мурат Турут (Murat Turut), директор завода, раскрывает тонкости. К стоимости станков нужно добавлять стоимость эксплуатации: на более дорогие станки можно установить собственную систему, которая использует операционные базы Siemens. Но те, которые более дешевые, обслуживаются исключительно силами компании, в которой купили, что и стоит дорого, и по итогу может обойтись дороже. Да и доставка машин очень долгая — 4 месяца, что замораживает оборотные средства.

Мурат Турут (Murat Turut), директор завода, до занимаемой должности работал главным инженером по качеству, общий стаж работы на предприятии 9 лет: «Чтобы гарантировать соответствие всех произведенных гильз высочайшим стандартам в отрасли, в компании Federal-Mogul используется самое передовое высококачественное производственное и измерительное оборудование, позволяющее контролировать и соблюдение допусков, и процесс хонингования. Не менее тщательно проведенные замеры уже после производства позволяют подтвердить заказчику получение заданных размеров, формы и качество обработки поверхности. Но самое главное — мы гордимся тем, что наша компания может предложить требовательному клиенту полный комплект, включающий гильзу, поршень и поршневые кольца, идеально соответствующие друг другу, т.к. является разработчиком и экспертом во всех трех областях».

Все измерительные приборы и инструменты для линий производства гильз разрабатываются на этом заводе. Некоторые очень сложные измерительные системы разрабатываются совместно — производителем измерительной техники и командой завода. Завод обладает такой компетенцией, поэтому и считается ведущим производственным предприятием среди подобных у Federal-Mogul.

Для всей продукции, на всех производственных процессах проверяется 100% параметров. Каждый результат измерения записывается на электронный носитель, потом этими данными, при необходимости, можно обмениваться или изучать.

Перед этапом хонингования гильза проходит демагнитизацию. Нам показали работу самого нового современного станка для хонингования гильз для двигателей грузовых автомобилей. Каждый режущий инструмент на нем сам себя диагностирует и останавливает обработку при достижении требуемого результата. Первый процесс — предварительное хонингование, потом — финальное. И третий этап — кинематическая система контроля качества. За счет воздуха она проверяет правильность соответствия хонингования. Специальный прибор опускается в гильзу, и за счет измерения потока воздуха измеряется правильность размеров и правильность хонингования.

На основании измерения воздухом система сама дает себе необходимую команду: хонинговать больше или меньше — сама себя адаптирует. Цена этого станка более — 1,3 млн. евро.

Самая производительная и, соответственно, самая дорогая система на заводе при любой операции с гильзой выглядит следующим образом. На станке устанавливается не одна гильза, а две. Одна служит эталоном, которую станок измеряет, а обрабатывает — вторую гильзу. Поменял эталон — и система уже работает по нему. Очень удобно и быстро. При необходимости таким образом можно хоть каждый час вносить изменения в производственный процесс — не вносишь данные, а просто ставишь новый цилиндр. Образцы стоят на полках рядом.

В дальнейшем каждая гильза проверяется методом неразрушающего контроля посредством пропускания электрического тока через стенку гильзы с целью определения качества металла по показателям пористости и проверки на наличие микротрещин.

В финале — лазерная маркировка: номер детали, код детали, номер партии. Фото- и видеокамеры проверяют, правильно ли она нанесена. Система позволяет наносить лазерную гравировку уникального кода на каждую гильзу и отправлять эти данные клиенту через интернет (применяется только для конвейерных поставок).

Гильзы для aftermarket’а

Federal-Mogul — один из крупнейших в мире производителей гильз блока цилиндров — только типов гильз свыше 200. И очевидно, что весь ассортимент компания не поставляет на OE. Часть артикулов делается только для вторичного рынка на тех же линиях, что и продукция для автопроизводителей.

Гибридные гильзы цилиндров
В гонке за облегчением двигателей их разработчики в свое время пришли к созданию моторов с алюминиевым блоком цилиндров, у которых последняя деталь была единым целым с блоком: гильза цилиндров была также алюминиевой с износостойким покрытием. Однако время показало, что сплавы на основе этого металла не очень хорошо противостоят высоким нагрузкам. В ответ на это инженеры Federal-Mogul разработали технологию производства гибридных гильз цилиндров, которые сделаны из двух металлов: снаружи — сплав алюминия с названием AlSi12, изнутри — чугун.

Чугун обеспечил высокую прочность и износостойкость гильз, а алюминий с наружной стороны предоставил лучший отвод тепла — коэффициент теплоотдачи увеличился на 30%. Гибридные гильзы выдерживают циклические нагрузки под давлением 200 бар, в то время как конструкция до этого не выдерживала и 100 бар. Кроме того, контакт гибридных гильз с алюминиевым блоком стал более надежным, так как алюминий контактирует с таким же алюминием. Благодаря наличию в зоне трения износостойкого чугуна с хорошими триботехническими свойствами и новой, разработанной инженерами Federal-Mogul системой хонинговальных рисок, ресурс двигателя увеличится, а расход масла на угар уменьшился — в высоконагруженных моторах — до 40%.

С 2014 года большой процент гильз цилиндров изготавливаются Federal-Mogul по гибридной технологии. Это особенно актуально для концепции downsizing, когда габариты двигателя уменьшаются, удельная мощность растет, а перегородки между цилиндрами становятся все более тонкими. Благодаря новой технологии производители двигателей могут выпускать блоки с перегородками толщиной всего 3 мм и не опасаться за разрушение двигателя.

Гильза цилиндра. Функции и требования

Условия работы
• Температура газов в камере сгорания >2000°C
• Температура охлаждающей жидкости 110°C
• Давление в камере сгорания ~230 бар
• Скорость движения поршня 27 м/с

Требования, предъявляемые к гильзе цилиндра и ее внутренней поверхности:
1. Выдерживать давление газов сгорания, осевую нагрузку,
создаваемую ходом поршня, а также механическую и
тепловую нагрузку в ходе работы двигателя.
2. Сохранять размеры в любых условиях эксплуатации.
3. Стойкость к износу.
4. Отвод тепла в систему охлаждения.

Сочетание гильзы с блоком цилиндров
1. Сухая гильза — отсутствие непосредственного контакта с охлаждающей жидкостью.
Конструкцией большого количества двигателей предусмотрена заливка при изготовлении в блок картера гильз, изготовленных из износостойкого материала.

Самое широкое распространение «сухие» гильзы получили в сфере капитального ремонта двигателя. Не «загильзованный» блок цилиндров современного двигателя имеет несколько, предусмотренных технологией, расточек с последующей установкой в него ремонтных поршней. Установка «сухих» гильз позволяет не менять блок двигателя даже после износа цилиндра, расточенного в последний ремонтный размер.

Производители гильз выпускают заготовки гильз, то есть ремонтные гильзы, имеющие запас по длине и внешнему диаметру, которые после токарной обработки запрессовываются с натягом в блок цилиндров. Такие гильзы, как правило, не имеют обработки внутренней поверхности. Они растачиваются и хонингуются только после установки гильзы в блок цилиндров. Поверхность блока цилиндров под установку тоже подвергается тщательной обработке: расточке и в некоторых случаях — хонингованию. Гильза с упором устанавливается в блок под давлением, с натягом (в среднем 0,03-0,04 мм), для гильз, не имеющих упора, натяг больше. Наружная поверхность «сухих» ремонтных гильз, как правило, подвергается шлифовке для увеличения плотности прилегания к блоку цилиндров.

Гильзы могут фиксироваться при установке верхним буртом, нижним буртом или вообще могут устанавливаться без упора. Некоторые производители изготавливают двигатели с тонкостенными стальными гильзами, имеющими покрытие из пористого хром-железа. Такие гильзы не подвергаются механической обработке и устанавливаются в блок цилиндров без натяга, с небольшим усилием, и удерживаются в блоке за счет прижатия широкого бурта гильзы головкой блока.

2. Мокрая гильза — непосредственный контакт с охлаждающей жидкостью. «Мокрые гильзы» цилиндров обеспечивают лучший отвод тепла, но двигатель с такими гильзами обладает меньшей жесткостью. Большое распространение эти гильзы получили на высоконагруженных двигателях в силу своей высокой ремонтопригодности.

Для предотвращения прорыва газов в охлаждающую жидкость и просачивания этой жидкости в цилиндр и картер двигателя «мокрые» гильзы комплектуются уплотнительными прокладками. Внутренняя поверхность гильз тщательно обрабатывается (хонингуется) еще на заводе.
3. Влажная (гибридная) гильза — одна часть гильзы находится в контакте с охлаждающей жидкостью, а другая часть — с блоком цилиндров.

Плато-вершинное хонингование рабочей поверхности гильзы
Метод окончательной обработки рабочей поверхности — нанесение микрорельефа в виде чередования впадин (масляных карманов) и выступов (плато). Обеспечивает удержание необходимого количества масла в зоне контакта трущихся поверхностей.

Запрессовываемая гильза Spray Fit Liner
Как аналог дорогостоящей технологии непосредственного напыления железосодержащего материала на стенки алюминиевого блока цилиндров компания Federal-Mogul разработала и успешно внедрила в производство передовую, более простую и менее затратную технологию запрессовки тонкой гильзы.

Внутренняя поверхность гильзы — сплав железа или же коррозионно стойкий материал с требуемыми трибологическими свойствами, толщина 0,5 мм. Внешняя поверхность — алюминиевый сплав с идентичными термо-физическими свойствами с алюминиевым блоком, толщина 0,8 мм. Выпускается с диаметрами от 20 до 300 мм.

Гильза практически идентична по эффективности теплоотвода по сравнению с технологией напыления стенок алюминиевого блока цилиндров, но с более высокой эффективностью теплоотвода по сравнению с обычными запрессовываемыми гильзами.

Гильзы из ультрапрочного материала
Передовая технология литья деталей из чугуна, разработанная компанией Federal-Mogul, способствует снижению расхода масла и трения в цилиндрах, а также позволяет повысить давление в камере сгорания.

Компания Federal-Mogul первой запустила серийное производство гильз цилиндров, изготовленных из ультрапрочного чугуна. Гильзы, созданные из специального чугуна с вермикулярным графитом (GOE330), показали снижение деформации на 27% при максимальном боковом давлении поршней (по сравнению с используемым сейчас чугуном). Из этого материала производятся гильзы диаметром от 100 до 190 мм.

«Деформация под нагрузкой ухудшает уплотнение между гильзой и поршневыми кольцами, что приводит к повышенному расходу масла и износу, — объяснил Жан-Мария Оливетти (Gian Maria Olivetti), директор по технологиям Federal-Mogul Powertrain. — Если повысить растяжение поршневых колец для компенсации, то одновременно с этим повысится трение и расход топлива. Разрабатывая новые материалы для гильз цилиндров, отличающиеся повышенной прочностью и твердостью, мы даем возможность нашим клиентам — производителям тяжелой техники — повысить максимальное давление в цилиндрах и сделать двигатели более эффективными. Кроме того, появляется возможность закладывать в конструкцию более тонкие гильзы, что позволяет уменьшить размеры силовых агрегатов».

Модуль упругости (модуль Юнга) материала GOE330 более чем на 15% выше, чем у применяемого в настоящее время материала для гильз высокопрочного чугуна, а усталостная прочность выше примерно на треть.

Главная лаборатория

Заводская лаборатория имеет два департамента. Один отвечает за оперативный контроль параметров в процессе обработки изделий, второй, собственно, и есть основа лаборатории, где работают не только с геометрическими размерами, а и со свойствами материалов.

Всего на заводе — 2440 измерительных приборов различной сложности и конструкции.

Один из аппаратов, заслуживающий внимания — 3D-сканер для проверки геометрических размеров известной марки Carl Zeiss. Его точность — 0,1 микрона (1/10000 мм). Как рассказал директор завода Мурат Турут, его приобрели с целью упрощения коммуникации с клиентами — чтобы иметь возможность сопоставлять данные и разговаривать на одном языке с ними, поскольку у многих из них есть такое же оборудование. 3D-сканер позволяет делать замеры в нескольких тысячах точек и фиксировать измерения в памяти. При любой претензии со стороны клиента на основании этих измерений делается презентация, которая помогает убедить клиента, что изделие завода находится в правильных размерах.

Все специализированные измерительные приборы для колец произведены в Буршайде, Германия.

Есть прибор для проверки поступающего на завод сырья на радиацию. Если обнаружат превышение допустимого фона — не пропускают.

Согласно системе ISO, на каждом измерительном приборе есть наклейка, на которой указана дата следующей калибровки. Для этого есть специальное оборудование, которое калибрует и отправляет данные на общий компьютер для хранения.

Процесс калибровки происходит в отдельном помещении, в котором 24 часа в сутки поддерживается заданная температура и влажность. Главный калибровочный набор — коробка 60х20 см с калибрами точностью 0,05 микрона! (у 3D-сканера Carl Zeiss точность — 0,1 микрона). Стоимость «коробочки» — примерно 15 тыс. евро.

Главный калибровочный прибор — немецкой компании Mahr, калибры — японской компании Mitutoyo. Самые именитые и дорогие марки.

Фундамент помещения лаборатории разграничен от фундамента завода, чтобы не передавались вибрации.

Лаборатория проводит также финальный аудит продукции для клиентов ОЕ. Когда партия товара подходит к финальному контролю, она блокируется системой SАP (системой управления заводом). И только после надлежащей проверки лаборатория снимает блокировку.

Александр Кельм, Киев — Sapanca — Киев

Опубликовано в журнале autoExpert №5 2017. Использование материалов возможно только со ссылкой на источник.

Дистрибьюторы GOETZE в Украине — см. по ссылке.

Читайте также другие статьи Federal-Mogul:
Кольца и гильзы Goetze. О производстве в подробностях, autoExpert №5 2017
Nural из Турции. Поршни завтрашнего дня, autoExpert №4 2017
Ferodo Eco-Friction. Зеленая безопасность, autoExpert №2 2017
Jurid по рецепту Federal-Mogul Motorparts, autoExpert №3 2016
Champion становится ближе, autoExpert №2 2016
Federal-Mogul Motorparts открывает «второй фронт» в Европе, autoExpert №4’2015

Современные материалы для поршней, производство и покрытия с UEM

Поршни имеют очень тяжелую жизнь, и поэтому они являются центром многих исследований и разработок в отрасли. Но чтобы по-настоящему понять и оценить то, что разрабатывается, мы должны иметь четкое представление об основах. United Engine & Machine — UEM Pistons — понимает это и недавно провела вебинар совместно с Ассоциацией производителей двигателей AERA, на котором Пим ван ден Берг, директор по продажам UEM, рассказывает об основах поршней и многом другом (так что обязательно выкроите немного времени, чтобы посмотреть приведенную выше запись целиком).

Литье или ковка

Когда дело доходит до производства поршней, существует два основных метода изготовления поршня: литье и ковка. Как большинство из вас, читающих это, вероятно, знают, при производстве, будь то поршень или гаечный ключ, кованая деталь прочнее, чем ее литой аналог. Хотя это верно и для поршней, литые поршни не только «достаточно хороши» в некоторых обстоятельствах, но и могут иметь преимущества по сравнению с коваными поршнями.

В то время как литые и кованые поршни обрабатываются в соответствии с их окончательными размерными характеристиками, два отдельных процесса создания незавершенной заготовки создают два изделия с явной разницей в прочности. Поковки прочнее, но в литых поршнях можно использовать сплавы со сверхвысоким содержанием кремния.

Литой поршень изготавливается путем заливки расплавленного металла в форму, где он принимает свой обычный размер и форму по мере того, как металл остывает и форму удаляют. Кованый поршень представляет собой кусок стержня, которому затем придают его общий размер и форму под интенсивным давлением ковочной машины, что гарантирует, что все молекулы в структуре поршня выстроены наиболее выгодным образом. Оба типа поршней будут подвергнуты окончательной обработке, чтобы привести поршень в соответствие с окончательными техническими характеристиками.

Однако при проектировании поршня самым первым соображением является область его применения. Это определит, требуется ли дополнительная прочность кованого поршня. «У нас есть компромисс, на который мы должны пойти, когда начинаем делать поршень», — говорит ван ден Берг. «Во-первых, мы смотрим на приложение, с которым ему придется столкнуться. Мы определяем, будем ли мы использовать литой поршень или кованый поршень». После принятия такого решения инженеры могут перейти к материалу, из которого будет изготовлен поршень.

Выбор сплава

«После того, как мы решили, должен ли поршень быть кованым или литым, я должен решить, нужна ли мне высокая пластичность за счет более высокой теплопроводности, или что-то более твердое, с лучшим износом. свойства и более низкое тепловое расширение», — объясняет ван ден Берг. Большинство поршней в рамках нашей области — автомобильных двигателей — будут изготовлены из алюминиевого сплава той или иной формы. Ключевым отличием в ассортименте материалов является количество кремния в сплаве. «Начнем с алюминиево-кремниевой основы. Кремний является ключевым элементом, используемым производителями поршней для улучшения характеристик, которых не может иметь алюминий».

Возможно, вы слышали термин «эвтектика» в той или иной форме по отношению к поршням. Проще говоря, заэвтектический в основном означает, что сплав имеет высокий процент кремния — до 20 процентов. Гипоэвтектика означает обратное, так как кремния в сплаве очень мало, а эвтектика является средней точкой, при содержании кремния в сплаве около 12,2%.

Если вы ищете литой поршень, предложения UEM варьируются от примерно 8-10% кремния в нижней части до более 16% в заэвтектической 390 литые алюминиевые поршни. «390 — это то, что обычно используется производителями оригинального оборудования в бензиновых двигателях. Вы можете использовать более узкие зазоры, и это хорошо работает при более высоких температурах», — объясняет ван ден Берг. «Здесь также будет жить большинство восстановленных двигателей. 390 — это просто хороший, прочный материал, из которого можно сделать хороший поршень во всех отношениях».

Эта инфографика содержит много информации. Помимо визуального выделения области, где могут сиять литые заэвтектические поршни, он также показывает несоответствие между коваными поршнями 4032 и 2618. Однако, как мы обсудим далее, передовые покрытия поршней могут сделать эти два сплава намного ближе друг к другу, компенсируя их недостатки.

Переходя к кованой стороне, два самых популярных сплава — 4032 и 2618 — находятся в эвтектической и доэвтектической зонах соответственно. Содержащий 12,2% кремния, 4032 зарекомендовал себя как прочный, универсальный материал для поршней, обладающий высокой износостойкостью и достаточной устойчивостью к тепловому расширению, чтобы быть достаточно тихим, чтобы его можно было терпеть на улице.

И наоборот, сплав 2618 содержит только 0,23% кремния, что делает его более термически расширяющимся, требующим большего зазора между поршнем и стенкой и связанного с ним шума. Его более высокая эластичность делает его отличным выбором для гоночных двигателей, которые будут испытывать большое давление наддува и давления в цилиндре, но компромиссом для этого является то, что он не такой износостойкий, поэтому, теоретически, имеет меньше смысла при интенсивном использовании. ежедневно управляемое приложение.

Покрытия могут заполнить зазор

Одним из вариантов расширения рабочего диапазона данного сплава являются современные покрытия поршней. «Раньше покрытия поршней использовались только для обкатки двигателя, но это уже не так», — объясняет ван ден Берг. «Покрытия могут преодолеть ограничения сплавов, справиться с проблемами, связанными с различными видами топлива, и улучшить эксплуатационные характеристики».

Увеличивая преимущества данного материала и компенсируя его недостатки, вы получаете конструкцию поршня, работающую и успешно работающую в условиях, о которых раньше никто и не слышал (например, 2618 используется в «уличных» условиях — но об этом подробнее в будущей статье). UEM использует ряд покрытий для решения конкретных задач.

Покрытие юбки M42 компании UEM наносится толщиной всего 0,0005 (полтысячной) дюйма, но оно может помочь уменьшить как шум от ударов поршня, так и износ юбки из-за трения цилиндров. Оба они помогают показанному здесь кованому поршню 2618 использоваться в приложениях, которые, возможно, обычно не рекомендовались для 2618 в прошлом.

Покрытие юбки поршня UEM, известное как M42, снижает трение, истирание юбки, а также шум поршня. «Наш M42 — это смесь графита, тефлона и молибдена, — говорит ван ден Берг. «Уменьшение шума от ударов поршня имеет решающее значение для двигателей, в которых используются датчики детонации. Как только вы активируете датчик детонации хлопком поршня, он может серьезно повредить вашу электронику и подачу топлива, и двигатель будет работать плохо».

UEM также предлагает металлокерамическое покрытие коронки, которое образует отражающий барьер, предотвращающий проникновение тепла через коронку в остальную часть системы. Что также удерживает тепло в камере, где оно используется для работы. Применительно к чему-то вроде кованого поршня 2618 в среде с очень высокой температурой камеры вы можете смягчить присущие сплаву высокие свойства теплопередачи.

Керамо-металлическое покрытие днища поршня может отражать тепло обратно в камеру, что помогает повысить эффективность и предотвратить попадание тепла в масло и вращающийся узел. В этой демонстрации пламя кислородно-пропановой смеси с температурой 4100 градусов удерживалось на головке поршня с покрытием и без покрытия в течение одинакового времени. Как видите, результаты говорят сами за себя.

Кроме того, предлагается истираемое покрытие из покрытий Line2Line, чтобы обеспечить сборку с нулевым зазором, а затем покрытие притирается к стенкам цилиндра, чтобы создать именно тот зазор между поршнем и стенкой, который необходим поршню. . И, наконец, твердые анодированные кольцевые кромки, которые представляют собой скорее обработку металла, чем покрытие, могут помочь поршням выжить в агрессивных средах с топливом. «[Твердое анодирование] препятствует абразивному износу, который мы наблюдаем при использовании некоторых экзотических видов топлива. Это также помогает уменьшить микросваривание поршневого кольца в экстремальных ситуациях», — говорит ван ден Берг.

В то время как эта статья касается только поверхности, полный вебинар идет немного глубже. Но, на самом деле, это всего лишь общий обзор производительности поршней в целом. Мы можем (и будем) посвящать целые статьи тому, чтобы сосредоточиться только на одном аспекте конструкции поршней, который был здесь затронут. Однако очевидно, что с развитием технологий параметры использования каждого сплава начинают размываться и накладываться друг на друга.

Различия материалов поршня 2618 и 4032

Переключить навигацию

Поиск

Перед выполнением отдельной операции обработки необходимо выбрать идеальный алюминиевый сплав. 2618 и 4032, два самых распространенных материала для поршней, имеют длинный список отличий, которые делают их наиболее подходящими для конкретных применений.

Кажется, чем больше вы знаете, тем большему предстоит научиться. Для обычного парня стандартные поршни отлиты, гоночные поршни откованы, а остальное не так важно. В мире Питера Пэна этого может быть достаточно, но оказывается, что технологии предлагают выбор, и стоит лучше узнать игроков, читая оценочную карту. В случае с коваными поршнями все сводится к несколько более сложному выбору лучшего из двух сплавов. Слишком много информации может быть неудобным в определенных ситуациях, но когда дело доходит до поршней, всегда полезно иметь больше деталей.

Материалы для поршней 2618 и 4032 поступают на завод JE Piston в виде прутка. Этот материал нарезается на шайбы и либо выковывается, чтобы приблизить его к окончательной форме, либо вырезается на станке с ЧПУ для формирования поршня-заготовки.

Мы должны начать это обсуждение с небольшой основы металлургии. Наш подход будет полностью сосредоточен на кованых поршнях. Эти произведения искусства не являются чистым алюминием. Вместо этого рабочие поршни изготавливаются из двух совершенно разных сплавов.

Сначала обратимся к сплаву 4032, представленному в большинстве поршней линейки JE SRP (Sportsman Racing Products). Этот сплав создается с высоким содержанием кремния – целых 12 процентов. Добавление кремния значительно снижает скорость расширения алюминия, а это означает, что с этим единственным добавлением к его смеси поршень теперь может работать с более узкими холодными зазорами.

Разбивка элемента  

9 00095 9 0008 6

9

. тысячи миль по дорогам с низкой нагрузкой. Помимо типичного износа, который вы можете наблюдать вдоль юбок поршня, наиболее критичное положение для максимальной производительности на самом деле находится в кольцевых канавках. Поршень 4032 будет поддерживать надлежащий зазор кольцевой канавки и уплотнение на протяжении большего пробега.

Рядом почти невозможно отличить сплавы 2618 и 4032. Поковка слева — 2618, а справа — 4032. Хотя они выглядят одинаково, свойства их материалов существенно различаются. Сплав

4032 можно использовать в спортивных и даже соревновательных приложениях с отличными результатами. Однако его пониженная пластичность делает сплав менее устойчивым к растрескиванию при экстремальных ударных нагрузках, таких как детонация или непредвиденный физический контакт, чем в случае со сплавом 2618. Но пусть это вас не пугает. По словам директора отдела исследований и разработок JE Дэйва Фусснера, были команды Pro Stock, которые экспериментировали с поршнями 4032, потому что сплав немного легче.

Piston Alloy Characteristics

Главное отличие поршневой линейки, представленной сплавом 2618Е, очень низким содержанием кремния. Это делает поршень из 2618 гораздо более податливым, что дает преимущества при работе с высокими нагрузками и нагрузками, например, с усилителями мощности (нагнетатели, турбокомпрессоры или закись азота).

См. полную линейку поршней JE

Однако более низкое содержание кремния также означает, что поршень имеет большую скорость линейного расширения, которая должна компенсироваться большими зазорами между поршнем и стенкой окружающей среды. Поршень 2618 расширяется на 15 процентов больше, чем версия 4032. Это, как мы уже упоминали, является причиной того, что поршень из 2618 требует большего зазора, и в результате он будет немного более шумным в холодном состоянии, в отличие от сопоставимой поковки из 4032.

В чрезвычайно требовательных гоночных приложениях, таких как эта сборка Toyota 2JZ, которая будет иметь наддув почти 100 фунтов на квадратный дюйм, сплав 2618 — это то, что нужно. Он более пластичен, что позволяет ему противостоять растрескиванию и выдерживать высокие температуры цилиндров.

Несмотря на различия в зазорах между поршнем и стенкой в ​​холодном состоянии, после достижения поршнями рабочей температуры сплавы 2618 и 4032 будут иметь одинаковые рабочие зазоры.

Более низкое содержание кремния в 2618 также делает поршень немного менее износостойким по сравнению с 4032. Для поршней, используемых в соревнованиях, это не имеет большого значения, поскольку они будут заменены в поисках предельной мощности задолго до значительного износа. представил.

2618 Alloy Pros and Cons

участки бурения. Процесс анодирования не является гальванопокрытием, он проникает в поверхность, а также добавляет слой окисленного алюминия, который намного тверже, чем исходный алюминий. Учитывая, что износ контактной поверхности кольца напрямую связан с кольцевым уплотнением, это может быть популярным вариантом для двигателей с длительным сроком службы, таких как способ улучшить эффективность герметизации цилиндра, о чем свидетельствует снижение скорости утечки.

Большая часть линейки SRP компании JE (Sportsman Racing Products) изготовлена ​​из сплава 4032. Это придает поршням исключительную прочность для уличных и некоторых гонок, сохраняя при этом дорожные качества (скорость износа, низкое расширение, низкий уровень шума).

Частью того, что делает любой металлический сплав прочнее, является процесс термообработки, который использует производитель. Каждый из этих сплавов требует несколько иного процесса, чтобы добиться максимальной производительности материала. Термическая обработка разбита на четырехэтапный процесс с предварительным нагревом, термообработкой раствором, которая удаляет примеси, закалкой водой и, наконец, процессом старения, при этом 2618 подвергается более длительному времени старения.

Слева — поршень 2618. Справа — шайба заготовки из алюминия 2618, которая еще не подвергалась механической обработке.

Хотя может показаться, что эти различия усложняют процесс принятия решения, каждый из этих двух сплавов действительно имеет тенденцию указывать на определенные преимущества для определенных приложений, поэтому семейство JE предлагает оба. Сплав 4032 предлагает не только меньшее расширение и более тихую работу при холодном пуске, но и превосходную прочность по сравнению с характеристиками длительного износа, что делает его отличным поршнем для уличного движения.

4032 Alloy Pros and Cons

Сплав 2618 известен своей превосходной жаропрочностью. Это делает его предпочтительным выбором для прямых гонок, особенно в длительных соревнованиях с полностью открытым дросселем. Это также может быть превосходным выбором для серьезного уличного электроснабжения. И, если рассматривается долгосрочный износ кольцевых канавок, вариант анодирования — отличный способ увеличить его производительность.

Этот цельный гоночный поршень идеально подходит для использования из сплава 2618. Он полностью обработан для абсолютной легкости и использует превосходные прочностные характеристики 2618.

Каждый сплав обладает разными характеристиками, но в какой-то момент преимущества более прочного, более ориентированного на гонки сплава 2618 делают решение довольно простым, если вы собираетесь участвовать в гонках. Если вы обнаружите, что колеблетесь между забором из сплава, хорошая новость заключается в том, что трудно принять неправильное решение.

Сплав поршня — это всего лишь одно из многих решений, которые вам придется принять на пути к сборке следующего двигателя. Но вооружившись нужной информацией, у этого двигателя есть отличный шанс развить большую мощность и одновременно вызвать улыбку на вашем лице.

АВТОРСКИЕ ПРАВА © 2022 JEPISTONS ВСЕ ПРАВА ЗАЩИЩЕНЫ. JE PISTONS ЯВЛЯЕТСЯ ЧАСТЬЮ СЕМЕЙСТВА БРЕНДОВ-ПОБЕДИТЕЛЕЙ ГОНОК

Сокращение выбора поршней — журнал Mopar Muscle Magazine

| Практическое руководство — двигатель и трансмиссия

Забивание дыры

Вы находитесь на том этапе своего проекта, когда пора приступить к сборке двигателя для вашего автомобиля. Вы ищете в Интернете, какие поршни и ремонтные комплекты доступны, но первое, что вы обнаружите, это то, что существует множество вариантов, когда дело доходит до поршней. Решение может быть пугающим, и, вероятно, поэтому мы получаем много писем от читателей, которые спрашивают, какие поршни им следует использовать в своем двигателе. Поскольку вы, ребята, спросили, мы решили собрать эту статью о выборе поршня и о том, как выбрать то, что подходит для вашего индивидуального применения. У нас нет возможности определить, какой поршень, по вашему мнению, будет лучшим, но следует иметь в виду, что выбранный вами поршень подвергается сильным взрывам, чрезвычайно высоким температурам, и если ваш двигатель работает неправильно, ситуации, которые сродни удару кувалдой по вашему поршню.

Автомобильные поршни — это необычный образец дизайна. В течение нескольких секунд они подвергаются температуре, достигающей 1000 градусов во время сгорания, только для того, чтобы немедленно подвергнуться струе холодного воздуха при каждом такте впуска. Они достигают скорости около 7000 об/мин и должны выдерживать боковые нагрузки, которые пытаются протолкнуть его через стенку цилиндра. Сказать, что поршень подвергается насилию, это ничего не сказать. Итак, как они выживают? Если они используются в неправильном приложении, они не работают. Возьмем, к примеру, если вы устанавливаете стандартный литой поршень в системе, где давление в цилиндре будет выше, чем на стандартном, из-за турбокомпрессора, нагнетателя или закиси азота. Вы можете быть уверены, что вы увидите, как внутренности вашего двигателя станут внешними. Но почему? Чтобы полностью понять, нам нужно объяснить, что представляют собой разные поршни, и когда нужно использовать какой из них.

Определение целей по мощности

Одним из важных факторов, который следует учитывать при выборе поршня, является баланс между прочностью и ценой. Прежде чем вы сможете решить, какой тип поршня нужен вашему двигателю, вам нужно знать, какую мощность вы планируете развивать, прежде чем покупать поршни. Очевидно, что чем больше мощности вы вкладываете в свой двигатель, тем дороже будет стоить требуемый поршень. То, как вы решите использовать эту силу, также является огромным фактором. Вы будете использовать закись азота? Может быть, воздуходувка в вашем будущем. Это все аспекты, которые необходимо учитывать.

Литой, заэвтектический и кованый

Два наиболее популярных способа изготовления поршня: литой или кованый поршень. Мы все слышали, как эти номенклатуры применяются к поршням, но что они означают — в чем разница? Разница заключается в том, как на самом деле изготовлен поршень. Литой поршень сделан так, как он назван. В процессе литья расплавленный алюминиевый сплав заливают в форму, которая при охлаждении после заполнения образует поршневую «заготовку». Литье поршня имеет несколько преимуществ перед ковкой при производстве. Литейная оснастка обычно предназначена для получения почти чистой отливки. Эта форма, близкая к чистой, сводит к минимуму общую требуемую чистовую обработку, снижая ее стоимость. Литые поршни также обладают отличными износостойкими и термическими характеристиками. Это обеспечивает длительный срок службы кольцевой кромки и юбки, а также возможность сохранять более узкие зазоры боковых стенок для бесшумной работы. Основным недостатком использования литых поршней является то, что литой алюминий имеет ограниченную пластичность. Пластичность – это способность твердого материала деформироваться под действием растягивающих усилий. Это означает, что перенапряженный литой поршень может выйти из строя быстрее.

Когда дело доходит до выбора литых поршней для вторичного рынка, выбор начинается с того, что мы будем называть недорогими сменными поршнями. Эти поршни считаются прямой заменой и обычно имеют вес, близкий к весу стандартных поршней. Это сделано для того, чтобы «по идее» не нужна была балансировка при перестроении. Если вы строите двигатель, ориентированный на производительность, эти поршни не для вас. С поршнями в стиле оригинальной замены вы можете забыть о таких функциях, как прорези клапанов для зазора, чтобы работать с распредвалами выше, чем стандартные. Также будет трудно получить адекватную высоту сжатия для создания любой разумной степени сжатия. Если вы строите с надеждой на получение высокопроизводительного двигателя, эти поршни почти всегда являются рискованной покупкой. Но, если вы строите двигатель с низкими оборотами для ежедневного вождения, это может быть именно то, что вы ищете.

Заэвтектический вариант, который многие считают несколько более эффективным с точки зрения производительности, чем литые поршни. Слово заэвтектический получило свое название от алюминиевого сплава, используемого в процессе производства. В то время как в литых поршневых сплавах используется кремний, который повышает износостойкость, долговечность и тепловые характеристики алюминия, существует предел того, сколько кремния можно использовать, чтобы он равномерно распределялся без образования больших узлов кремния. Этот уровень, называемый точкой эвтектики, составляет около 12 процентов. Заэвтектический означает превышение этого уровня кремния над нормальным количеством, которое можно просто смешать с металлом. Заэвтектический алюминий обычно содержит 16-18 процентов кремния в сплаве. Хотя заэвтектические поршни по-прежнему представляют собой литые поршни, добавление этого дополнительного силиконового материала дает несколько преимуществ по сравнению с обычными литыми поршнями. Во-первых, поршень по своей природе прочнее, с повышенными тепловыми характеристиками, смазывающей способностью и стойкостью к истиранию. Он также более устойчив к коррозии, имеет более контролируемые характеристики расширения и лучшую жаропрочность. Хотя они прочнее обычного литого поршня, при выходе за предел прочности они сломаются так же, как и обычный литой поршень. Литые и заэвтектические поршни идеально подходят для двигателей, которые часто эксплуатируются на улицах, а лишь изредка посещают дрэг-стрип по выходным. При добавлении усилителя мощности, такого как закись азота, турбонаддув или нагнетатель, мы рекомендуем избегать использования литых или заэвтектических поршней.

Кованые поршни всегда считаются улучшенной версией литых и заэвтектических поршней. Они по своей природе имеют металлургические характеристики, которые отличаются от их литых аналогов. Причина этого в том, что вместо плавления и заливки в форму заготовки для кованых поршней создаются из заготовки экструдированного алюминиевого сплава. Эта заготовка подвергается очень сильному давлению, так как сплав прессуется в тяжелые ковочные штампы, которые создают грубую форму поршня — заготовку поршня. Этот процесс ковки приводит к более плотному и пластичному поршню. Но, поскольку штамп выполнен из двух зеркальных половинок, это исключает возможность оформления внутренней области в сырой поковке. Из-за этого кованая заготовка поршня требует гораздо большей обработки для создания настоящего поршня. Но этот более плотный и пластичный материал означает, что кованый поршень по своей природе прочнее и более щадящий, когда его пределы превышены.

Еще одно решение, которое следует учитывать, заключается в том, что в кованых поршнях используются различные сплавы. Наиболее распространены сплавы 2618 (алюминий с низким содержанием кремния) и 4032 (сплав с содержанием кремния около 11 процентов). Сплав 4032 является более жестким материалом и имеет меньшую теплопроводность и скорость расширения. Он также содержит большое сопротивление износу. 4032, как правило, является предпочтительным сплавом для уличного/полосного применения. Он выбран из-за возможности более плотного зазора между поршнем и стенкой, полученного за счет более низкой скорости расширения. Еще одним преимуществом является более длительный срок службы юбки и кольцевого ремня, обеспечиваемый большей износостойкостью сплава с более высоким содержанием кремния.

Сплав 2618 имеет низкое содержание кремния. Несмотря на то, что он отказывается от некоторых преимуществ, полученных от кремния, обычно считается лучшим материалом для поршней для жестоких тотальных гонок. Сплав с низким содержанием кремния имеет более высокую плотность и предел прочности на растяжение, чем 4032, и обладает гораздо большей пластичностью и сопротивлением разрушению. Поршень из сплава 2618 можно расплющить до того, как он сломается. Высокий показатель теплопроводности сплава 2618 позволит передавать больше тепла юбкам. Имейте в виду, что более высокая скорость расширения этого материала обычно означает значительно больший зазор отверстия (поршень-боковина). Поршень 2618 более подвержен износу в области колец и юбок. Поршни из сплава 2618 предназначены для гоночных поршней. Не устанавливайте их в свой автомобиль или грузовик и не рассчитывайте проехать более 100 000 миль. Если план требует серьезной закиси азота, наддува или оборотов, а пуленепробиваемость — это то, что вам нужно, поршень 2618 — правильный выбор. Современные технологии обработки и проектирования привели к созданию более сложных конструкций юбок. Производители, воспользовавшись этими достижениями, смогли значительно уменьшить зазор канала ствола по сравнению с традиционными требованиями.

Зазор между поршнем и стенкой цилиндра

Независимо от того, какой поршень вы выберете, зазор между поршнем и стенкой цилиндра является основным фактором при подгонке поршня к цилиндру. Рабочие характеристики как кованых, так и литых поршней значительно различаются в зависимости от конкретного материала и процессов, используемых при их изготовлении. Это означает, что не все литые поршни одинаковы. То же самое можно сказать и о кованых поршнях. При принятии решения о том, подходит ли определенный тип поршня для конкретного применения, стоит поговорить с производителем. Кованые поршни рекомендуются всякий раз, когда ожидаются высокие обороты, повышенная степень сжатия и будут использоваться усилители мощности. Юбки разной толщины будут расширяться с разной скоростью, даже в поршне одной и той же конструкции. Другими аспектами, влияющими на скорость расширения поршня, являются длина юбки поршня, толщина кольцевого ремня (область между верхней частью поршня и поршневым пальцем) и характеристики охлаждения двигателя. Все производители указывают номинальный зазор между поршнем и стенкой, которого они хотят придерживаться. В большинстве случаев производитель дорабатывает диаметр поршня, чтобы включить зазор для данного диаметра отверстия. Поршень диаметром 4,030 дюйма выйдет из коробки с диаметром 4,026 дюйма, если рекомендуемый зазор составляет 0,004 дюйма.

При рассмотрении сплавов и степени их теплового расширения помните, что все металлы имеют пороги. Хотя все поршни будут расширяться с заданной скоростью, есть также достижимые температуры, которых они могут достичь, что заставит их не следовать заданной «стандартной» скорости расширения. Поршни будут реагировать по-разному из-за различной массы, толщины и воздействия тепла. Хотя это и не заметно невооруженным глазом, большинство поршней не имеют «плоской» боковой стенки. Поршни имеют так называемую кулачковую форму или профиль. Форма кулачка — это конструкция юбки, которая делает ее продолговатой в том месте, где она скользит по стенке цилиндра. Если у вас более длинная юбка, это сделает форму вашего кулачка длиннее или короче в зависимости от используемой шкалы. По этой причине необходимо обязательно соблюдать рекомендации изготовителя по зазорам.

Покрытия поршней

Покрытия поршней помогают решить проблемы, связанные с износом, нагревом, трением и коррозией. Некоторые эксплуатационные покрытия включают керамические термобарьеры, сухую смазочную пленку, керамические покрытия для выхлопных газов, маслоотделяющие покрытия и несколько других покрытий для улучшения характеристик и/или долговечности высокопроизводительных деталей.

Поршни могут быть покрыты тремя различными типами покрытий: сухая смазка, термобарьер и маслоотделяющее покрытие. Термические барьерные покрытия помогают защитить верхнюю часть поршня от вредного теплообмена, минимизируя количество тепла, удерживаемого на поверхности поршня. Это покрытие также позволяет теплу на поверхности более равномерно перемещаться по поверхности, уменьшая горячие точки или даже отражая тепло в камеру для более эффективного сгорания топлива и меньшего теплового расширения из-за уменьшения поглощаемого тепла. Сухое пленочное покрытие обычно наносится на юбку поршня. Эта сухая пленка поможет уменьшить трение, а также предотвратит заедание во время первоначальной обкатки. На нижнюю сторону поршня можно нанести масляное покрытие. Это покрытие предназначено для более быстрого отталкивания масла, чем необработанная деталь.

Определить степень сжатия

Нельзя построить двигатель и не учитывать степень сжатия. Затем вам нужно будет определить, какие поршни сжатия лучше всего подходят для ваших целей. В этом разделе давайте удалим литой, заэвтектический и кованый аспекты и просто сосредоточимся на использовании. Общее эмпирическое правило заключается в том, что вы можете использовать более высокую степень сжатия для полностью моторных приложений без наддува, а при добавлении усилителей мощности, таких как турбонаддув или нагнетатель, вам нужна более низкая степень сжатия.

Популярные коэффициенты сжатия для автомобилей без наддува варьируются от 9,5:1 и выше. Опять же, более высокая степень сжатия сделает двигатель более отзывчивым и мощным, но также более склонным к проблемам с детонацией, если настройка будет неточной. Кроме того, при переходе на поршни с более высокой степенью сжатия обычно требуется бензин с более высоким октановым числом для предотвращения детонации. Популярные коэффициенты сжатия для двигателей с турбонаддувом или наддувом варьируются от 8,0:1 до 9,5:1. Чем выше степень сжатия, тем лучше должна быть ваша настройка, чтобы двигатель не детонировал.

Прежде чем выбирать поршни, вы должны знать желаемую высоту сжатия указанного поршня, чтобы вы могли получить фактическую степень сжатия для двигателя. Компрессионная высота – это расстояние между осевой линией отверстия поршневого пальца и верхней частью поршня. При использовании поршня с плоской вершиной это может быть простая математика. Но добавьте выемки для клапанов или «всплывающий» купол, и теперь вам нужно использовать голову. Объем купола поршня, как правило, публикует производитель, но если по какой-то причине вы используете поршни из встречных источников, вам нужно будет разобраться во всем самостоятельно. Для этого объем состоит из купола (материал над поверхностью поршня) за вычетом прорезей клапана. Это окончательное число будет либо отрицательным, либо положительным. Если объем купола больше объема вырезов (типично), то у вас положительная высота купола. Куполообразные поршни уменьшат объем камеры сгорания, поскольку купол занимает пространство над поверхностью поршня и в камере головки цилиндров. Для поршней с плоской вершиной рассматриваемый объем — это просто зазор над прорезью клапана, если он есть. Если поршни были подвергнуты массированию с помощью специальной резки или профилирования куполов, практически единственный способ точно получить кубический объем — это измерить купола напрямую.

Версия Speed ​​Reading: Сравнение материалов поршней

Поршни из литого алюминия

• Лучше всего подходят для стандартных двигателей.

• Более низкая цена.

• Типовой литой поршень расплавляют, а затем заливают в форму, имеющую форму готового изделия. Поршневые пресс-формы представляют собой постоянные штампы, сложно изготовленные из стальных профилей, состоящих из нескольких частей. Полученная отливка требует минимальной механической обработки. Литые поршни стоят дешевле и поэтому разработаны как экономичный вариант замены. По этой причине они не очень подходят для высокопроизводительных приложений.

Заэвтектические (литые) алюминиевые поршни

• Лучше всего подходят для двигателей мощностью до 600-650 л.с. в двигателях без наддува.

• Средняя цена.

• Заэвтектический поршень также представляет собой литой поршень, но с добавлением кремния (примерно 16 процентов), что делает его более твердым и износостойким вариантом стандартного литого поршня. Кремний сам по себе расширяется меньше, чем алюминий, потому что он также действует как изолятор, не позволяя алюминию поглощать такое же количество рабочего тепла, как стандартный литой поршень. Еще одним преимуществом добавления кремния является то, что поршень становится более твердым и менее подверженным задирам. Кроме того, более высокое содержание кремния в заэвтектических поршнях позволяет уменьшить зазоры между поршнем и боковой стенкой, улучшая герметичность сгорания из-за уменьшения раскачивания поршня при его перемещении в цилиндре.

• Из-за более высокого содержания кремния заэвтектический сплав является менее пластичным и менее щадящим при использовании с наддувом и/или закисью азота, что делает его наиболее подходящим для двигателей без наддува.

4032 Поршни из кованого алюминия

• Лучше всего подходят для двигателей мощностью до 1000 л.с. без наддува.

• Более высокая цена.

• Кованые поршни являются самыми прочными на рынке. Производственный процесс отличается от литого поршня, потому что алюминий не расплавляется, как в литом поршне. Вместо этого горячий алюминиевый слиток вдавливается в простую форму. В результате заготовка поршня требует более окончательной обработки, чем литой поршень, прежде чем он станет поршнем. Кованый сплав 4032 представляет собой сплав с высоким содержанием кремния (примерно 11 процентов) и низкими характеристиками расширения. Поршни, изготовленные из этого сплава, могут использовать более узкий зазор между поршнем и стенкой, что обеспечивает более плотное уплотнение с меньшим шумом и меньшим задиром, чем его двоюродный брат 2618. Этот меньший допуск предотвращает раскачивание поршня, создавая более стабильный поршень.

• Из-за более высокого содержания кремния 4032 является менее пластичным сплавом. Это означает, что он менее щадящий при использовании с форсированными и/или азотными приложениями. Они имеют более низкую устойчивость к детонации, что делает их наиболее подходящими для двигателей с минимальным наддувом или двигателей без наддува.

2618 Кованые алюминиевые поршни

• Лучше всего подходят для двигателей мощностью до 1200 л. с. и идеально подходят для двигателей с добавочной мощностью.

• Более высокая цена.

• Алюминиевый материал 2618 содержит мало кремния (примерно 2 процента). Этот сплав с низким содержанием кремния создает характеристики высокого расширения и является сплавом, который обычно используется в экстремальных условиях гонок. Из-за характеристики высокого расширения поршни 2618 спроектированы так, чтобы использовать больший зазор между поршнем и стенкой цилиндра. Это означает, что когда вы запускаете двигатель в холодном состоянии, можно услышать работу поршня, и это обычно называют «хлопком поршня». Как только двигатель прогревается, «хлопающий» шум стихает, когда поршень расширяется до нормального рабочего зазора.

• 2618 является более пластичным сплавом, и эта особенность дает более высокую стойкость к детонации. Эти характеристики позволяют поршню выдерживать некоторые из самых экстремальных условий, но долговечность в конечном итоге снижается после бесчисленных тепловых циклов.

Страницы трендов

• Лучшие электромобили — самые популярные модели электромобилей

• Сколько стоит Tesla? Вот разбивка цен

• Лучшие гибридные автомобили — модели гибридных автомобилей с самым высоким рейтингом

• Каждый электрический внедорожник, который вы можете купить в США в 2022 году

• Это самые топливные пикапы.

  • Лучшие электромобили — лучшие модели электромобилей

  • Сколько стоит Tesla? Вот разбивка цен

  • Лучшие гибридные автомобили — модели гибридных автомобилей с самым высоким рейтингом

  • Все электрические внедорожники, которые можно купить в США в 2022 году

  • Это самые экономичные пикапы, которые вы можете купить

  • Эти внедорожники предлагают лучший расход топлива

  Все Требуется знать о поршнях – Статья – Автомобиль и водитель

  РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

  Из октябрьского номера 9 2014 г. 0647 Автомобиль и водитель

  Кусочки алюминия внутри вашего двигателя живут в огненном аду. При полностью открытой дроссельной заслонке и 6000 об/мин поршень бензинового двигателя подвергается воздействию силы почти в 10 тонн каждые 0,02 секунды, поскольку повторяющиеся взрывы нагревают металл до более чем 600 градусов по Фаренгейту.

  В наши дни этот цилиндрический Аид горячее и интенсивнее, чем когда-либо, и для поршней, скорее всего, станет только хуже. Поскольку автопроизводители стремятся к повышению эффективности, производители поршней готовятся к будущему, в котором самые мощные безнаддувные бензиновые двигатели будут производить 175 лошадиных сил на литр по сравнению со 130 сегодняшними. С турбонаддувом и повышенной мощностью условия становятся еще более жесткими. За последнее десятилетие рабочая температура поршня поднялась на 120 градусов, а пиковое давление в цилиндре увеличилось с 1500 фунтов на квадратный дюйм до 2200 фунтов на квадратный дюйм.

  Поршень рассказывает историю о двигателе, в котором он находится. Коронка может показать отверстие, количество клапанов и то, впрыскивается ли топливо непосредственно в цилиндр. Тем не менее, конструкция и технология поршня также могут многое сказать о более широких тенденциях и проблемах, стоящих перед автомобильной промышленностью. Выдумывая максиму: как движется автомобиль, так работает и двигатель; и как движется двигатель, так движется и поршень. В поисках лучшей экономии топлива и снижения выбросов автопроизводители требуют более легких поршней с меньшим коэффициентом трения и выносливостью, чтобы выдерживать более жесткие условия эксплуатации. Именно эти три проблемы — долговечность, трение и масса — поглощают рабочие дни поставщиков поршней.

  Во многих отношениях развитие бензиновых двигателей идет по пути, проложенному дизелями 15 лет назад. Чтобы компенсировать 50-процентное увеличение пикового давления в цилиндре, некоторые алюминиевые поршни теперь имеют вставку из железа или стали для поддержки верхнего кольца. Самые горячие бензиновые двигатели скоро потребуют охлаждающей галереи или закрытого канала на нижней стороне головки, который более эффективен для отвода тепла, чем сегодняшний метод простого распыления масла на нижнюю часть поршня. Разбрызгиватели стреляют маслом в маленькое отверстие в нижней части поршня, которое питает галерею. Однако кажущаяся простой технология непроста в производстве. Создание полого канала означает отливку поршня из двух частей и их соединение трением или лазерной сваркой.

  На поршни приходится не менее 60 процентов трения двигателя, и улучшения здесь напрямую влияют на расход топлива. Снижающие трение пропитанные графитом смоляные накладки, нанесенные трафаретной печатью на юбку, теперь почти универсальны. Поставщик поршней Federal-Mogul экспериментирует с конической поверхностью маслосъемного кольца, что позволяет уменьшить натяжение кольца без увеличения расхода масла. Трение нижнего кольца может разблокировать до 0,15 лошадиных сил на цилиндр.

  Автопроизводители также жаждут новых покрытий, снижающих трение между деталями, которые трутся или вращаются друг о друга. Твердое и скользкое алмазоподобное покрытие, или DLC, перспективно для гильз цилиндров, поршневых колец и поршневых пальцев, где оно может устранить необходимость в подшипниках между пальцем и шатуном. Но это дорого и мало применимо в современных автомобилях.

  «[Производители] часто обсуждают DLC, но попадут ли они в серийные автомобили — это знак вопроса», — говорит Йоахим Вагенбласт, старший директор по разработке продуктов в Mahle, немецком поставщике автозапчастей.

  Все более сложное компьютерное моделирование и более точные методы производства также позволяют создавать более сложные формы. В дополнение к чашам, куполам и углублениям клапана, необходимым для обеспечения зазора и достижения определенной степени сжатия, асимметричные юбки имеют меньшую и более жесткую область на упорной стороне поршня для снижения трения и концентрации напряжений. Переверните поршень, и вы увидите конические стенки толщиной едва ли более 0,1 дюйма. Более тонкие стенки требуют более жесткого контроля за допусками, которые уже измеряются в микронах или тысячных долях миллиметра.

  Тонкие стены также требуют лучшего понимания теплового расширения объекта, который иногда должен нагреваться от нуля до нескольких сотен градусов за считанные секунды. Металл в вашем двигателе неравномерно расширяется при нагревании, поэтому оптимизация допусков требует опыта проектирования и точных возможностей обработки для создания небольших эксцентриситетов в деталях.

  «Ничто из того, что мы делаем, не является прямым или круглым, — говорит Кери Уэстбрук, директор по разработкам и технологиям в Federal-Mogul. «Мы всегда строим некоторую компенсацию».

  Поршни дизельных двигателей претерпевают собственную эволюцию по мере того, как пиковое давление в цилиндрах возрастает до 3600 фунтов на квадратный дюйм. Mahle и Federal-Mogul предсказывают переход от литого алюминия к поршням из кованой стали. Сталь плотнее алюминия, но в три раза прочнее, благодаря чему поршень более устойчив к более высоким давлениям и температурам без увеличения веса.

  Сталь позволяет заметно изменить геометрию за счет уменьшения высоты сжатия поршня, определяемой как расстояние от центра поршневого пальца до вершины головки. На эту площадь приходится 80 процентов веса поршня, поэтому короче обычно означает легче. Важно отметить, что более низкая компрессионная высота не только сжимает поршни. Это также позволяет использовать более короткий и легкий блок двигателя, поскольку высота платформы уменьшена.

  Mahle производит стальные поршни для передовых турбодизельных двигателей, таких как Audi R18 TDI, четырехкратный победитель Ле-Мана, и двигатель Mazda LMP2 Skyactiv-D. В конце этого года компания начнет поставки своих первых стальных поршней для серийного дизельного двигателя малой грузоподъемности — 1,5-литрового четырехцилиндрового двигателя Renault.

  Непреходящая актуальность двигателя внутреннего сгорания обусловлена ​​постоянной эволюцией его компонентов. Поршни не сексуальны. Они не такие модные, как литий-ионный аккумулятор, не такие сложные, как коробка передач с двойным сцеплением, и не такие интересные, как дифференциал с вектором крутящего момента. Тем не менее, после более чем столетия автомобильного прогресса поршни с возвратно-поступательным движением продолжают производить большую часть движущей силы.

  1. Ferrari F136

  Рой Ритчи, Марк Брэмли, Мишель Симари, Роберт Кериан, Международные грузовики, Stihl USA, производитель

  Применение: Ferrari 458 Italia (Показан) 99, 40650 Ferrari 458 (Показатель) 9, Ferrari 458 (Показатель) , Ferrari 458.

  Тип двигателя: DOHC V-8

  Рабочий объем: 274 ​​куб. дюйма, 4497 ​​см3

  Удельная мощность: 125,0 л.с./л

  Максимальная скорость двигателя: 9000 об/мин

  Отверстие: 3,70 дюйма

  Вес: 2,1 фунта

  2. Ford Fox

  ROY RITCHIE, MARK BRAMLEY, MICHEAL SIMARI , ROBERT KERIAN, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, THE MANUFACTURER

  Applications: Ford Fiesta (shown) , Focus

  Engine Type : с турбонаддувом, DOHC, рядный, три

  Рабочий объем: 61 куб. дюйм, 999 см3

  Удельная мощность: 123,1 л. с./л

  Максимальная частота вращения двигателя: 6500 об/мин

  Отверстие: 2,83 дюйма

  Вес: 1,5 фунта

  3. Cummins ISB 6.7

  ROY RITCHIE, MARK BRAMLEY, MICHEAL SIMARI , ROBERT KERIAN, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, THE MANUFACTURER

  Applications: Ram Heavy Duty (shown)

  Engine Type : рядный шестицилиндровый дизельный двигатель с толкателем и турбонаддувом

  Рабочий объем: 408 куб. дюймов, 6690 куб.см

  Удельная мощность: 55,3 л.с./л

  Максимальная скорость двигателя: 3200 об/мин

  Отверстие: 4,21 дюйма

  Вес: 8,9 фунта

  4. Ford Coyote

  ROY RITCHIE, MARK BRAMLEY, MICHEAL SIMARI , ROBERT KERIAN, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, THE MANUFACTURER

  Applications: Ford F-150, Mustang (shown)

  Тип двигателя: DOHC V-8

  Рабочий объем: 302 куб. дюйма, 4951 куб.см

  Удельная мощность: до 84,8 л.с./л

  Максимальная частота вращения двигателя: 7000 об/мин

  Отверстие: 3,63 дюйма

  Вес: 2,4 фунта

  5. Fiat Fire 1.4L Turbo

  РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

  Dodge Dart

  0; Фиат 500 Абарт (на фото) , 500 л, 500 Turbo

  Тип двигателя: с турбонаддувом, SOHC, рядный, четырехцилиндровый

  Рабочий объем: 83 куб. дюйма, 1368 см3

  Удельная мощность: до 117,0 л.с./л

  Максимальная скорость двигателя: 6500 об/мин

  Отверстие: 2,83 дюйма

  Вес: 1,5 фунта

  6. Cummins ISX15

  РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

  Области применения: большегрузные автомобили (показан International Prostar)

  Тип двигателя: рядный шестицилиндровый дизель SOHC с турбонаддувом

  Рабочий объем: 912 куб. дюймов, 14 948 куб.

  Удельная мощность: до 40,1 л.с./л

  Максимальная скорость двигателя: 2000 об/мин

  Отверстие: 5,39 дюйма

  Вес: 26,4 фунта

  7. Chrysler LA-серии Magnum V-10

  Рой Ритчи, Марк Брэмли, Мишель Симари, Роберт Кериан, Международные грузовики, Стихл США, производитель

  Приложения: Dodge Viper (показано)

  Тип двигателя: PLYPROD V-1249

  .

  Рабочий объем: 512 куб. дюймов, 8382 см3

  Удельная мощность: 76,4 л.с./л

  Максимальная скорость двигателя: 6400 об/мин

  Отверстие: 4,06 дюйма

  Вес: 9 шт.0650 2,8 фунта

  8. Ford Ecoboost 3,5L

  Рой Ричи, Марк Брэмли, Мишель Симари, Роберт Кериан, Международные грузовики, Stihl USA, производитель

  . (на фото) , Taurus SHO, Transit; Lincoln MKS, MKT, Navigator

  Тип двигателя: с двойным турбонаддувом DOHC V-6

  Рабочий объем: 213 куб. дюймов, 3496 куб. см

  Конкретный выход: до 105,8 л.с./л

  Максимальная скорость двигателя: 6500 об/мин

  Отверстие: 3,64 дюйма

  Вес: 2,6 фунта

  9. Toyota 2Ar-Fe

  Рой Ричи, Марк Брэмли, Мишель Симари, Роберт Кериан, Международные грузовики, Stihl USA, производитель

  Приложения: Scion TC (показано) ; Toyota Camry, RAV4

  Тип двигателя: DOHC, рядный, четыре

  Рабочий объем: 152 куб.дюйма, 2494 куб.см

  Удельная мощность: до 72,2 л.с./л

  Максимальная скорость двигателя: 6500 об/мин

  Отверстие: 3,54 дюйма

  Вес: 2,5 фунта

  10. STIHL MS441 Цепная пила

  Рой Ричи, Марк Брэмли, Мишель Симари, Роберт Кериан, Международные грузовики, STIHL USA, производитель

  Приложения: MS441 C-M Magnum Chain Saw (Показан)

  , MS441 C-M Magnum Saw Saw Saw (показано) 99999999 гг. Цепная пила C-MQ Magnum

  Тип двигателя: двухтактный одноцилиндровый

  Рабочий объем: 4 куб. дюйма, 71 см3

  Удельная мощность: 79,7 л.с./л.

  Максимальная скорость двигателя: 13 500 об/мин

  Отверстие: 1,97 дюйма

  Вес: 0,4 фунта

  11. Chrysler Hellcat 6.2L

  РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

  Применение: Dodge Challenger SRT Hellcat

  Тип двигателя: толкатель V-8 с наддувом

  Рабочий объем: 376 куб. дюймов, 6166 куб. см

  Удельная мощность: 114,7 л.с./л.

  Максимальная скорость двигателя: 6200 об/мин

  Отверстие: 4,09 дюйма

  Вес: 3,0 фунта

  РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

  По мере увеличения нагрузки на поршни растут и требования к шатунам. Более высокое давление сгорания приводит к большим нагрузкам на стержни, соединяющие поршни с кривошипом. За редким исключением экзотических деталей из титана, шатуны обычно либо изготавливаются из порошковой стали, прессуются и нагреваются в форме, либо выковываются из стальной заготовки для более высокопроизводительных приложений. Основным технологическим сдвигом является растрескивание крышек шатунов как для порошковых, так и для кованых шатунов. Раньше шатун и торцевая крышка шатуна изготавливались как отдельные детали. Стержни с треснутыми крышками выходят из формы как единое целое в форме накидного ключа. Конец шатунной шейки травится, а затем защелкивается пополам с помощью пресса. Полученная неровная поверхность улучшает выравнивание; обеспечивает более надежное соединение крышки со стержнем; и позволяет использовать более тонкий и легкий шатун в сборе.

  РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

  Неметаллические поршни: Керамика и композиты обеспечивают привлекательность более низкого теплового расширения, меньшего веса, более высокой прочности и жесткости по сравнению с алюминий. В 1980-х Mercedes-Benz использовал грант правительства Германии для создания двигателя 190E с поршнями из углеродного композита, который без проблем проехал 15 000 миль. В то время как технология надежна, производство было ограничивающим фактором. А 1990 Исследование НАСА показало, что обработка одного поршня из углерод-углеродной заготовки стоит 2000 долларов. Альтернативой был трудоемкий процесс ручной укладки.

  Роторы Ванкеля: Хорошо, хорошо, мы знаем, что это не возвратно-поступательный поршень, но чугунный треугольный ротор является аналогом поршня двигателя Ванкеля, потому что он преобразует энергию сгорания в крутящий момент. Пока новой Mazda RX не предвидится, нашей единственной надеждой на возрождение роторного двигателя остается Audi, которая дразнила нас расширителем диапазона Ванкеля в своей гибридной концепции Audi A1 e-tron 2010 года.

  Овальные поршни: В то время, когда двухтактные мотоциклетные двигатели были нормой, в 1979 году Honda представила на Всемирном Гран-при мотоциклов четырехтактный двигатель. Это один из самых странных двигателей в истории. Велосипед Honda NR500 GP был оснащен двигателем V-4 с углом V-образного сечения 100 градусов, овальными цилиндрами с восемью клапанами на каждом и двумя шатунами на поршень. Герметизация овальных поршней оказалась сложной задачей (первоначальный бизнес Соичиро Хонды заключался в поставке поршневых колец для Toyota), но это было одной из меньших забот команды. Велосипеды регулярно выбывали из гонок World GP и иногда не проходили квалификацию. В течение трех лет Honda вернулась к традиционному двухтактному гоночному двигателю.

  Двигатели с оппозитными поршнями: Дизельный двухтактный двигатель EcoMotors с оппозитными поршнями и оппозитными цилиндрами (OPOC) заявляет об улучшении эффективности на целых 15 процентов по сравнению с обычным двигателем с воспламенением от сжатия. Разместив камеру сгорания между двумя поршнями, компания устранила головки цилиндров и клапанный механизм, которые являются источниками значительных потерь тепла и трения. Двигатель OPOC с меньшим количеством деталей также должен быть дешевле и легче, если он не окажется на полке с фантастическим карбюратором Fish.

  Этот контент импортирован из OpenWeb. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

  Engine piston – x-engineer.org

  Table of Contents

  • Overview
  • Parts
  • Geometric characteristics
  • Mechanical load
  • Thermal load
  • Cooling
  • Types
  • Materials
  • Technologies
  • Frequently asked вопросы
  • Каталожные номера

  Обзор

  Поршень является компонентом двигателя внутреннего сгорания. Основная функция поршня заключается в преобразовании давления, создаваемого горящей воздушно-топливной смесью, в силу, действующую на коленчатый вал. В легковых автомобилях используются поршни из алюминиевого сплава, в то время как в коммерческих транспортных средствах также могут быть стальные и чугунные поршни.

  Поршень входит в состав кривошипно-шатунного привода (он же кривошипно-шатунный механизм ), который состоит из следующих компонентов:

  • поршень
  • поршневые кольца
  • шатун
  • коленчатый вал

  поршень :

  • способствует рассеиванию тепла образующегося при сгорании
  • обеспечивает уплотнение камеры сгорания, предотвращает утечку газа из него и проникновение масла в камеру сгорания
  • направляет движение шатуна
  • обеспечивает непрерывную смену газов в камере сгорания
  • создает переменный объем в камере сгорания камера

  Изображение: поршни Kolbenschmidt
  Кредит: Kolbenschmidt

  Назад

  Запчасти

  Форма поршня в основном зависит от типа двигателя внутреннего сгорания. Поршни бензиновых (бензиновых) двигателей имеют тенденцию быть легче и короче по сравнению с поршнями дизельных двигателей. Геометрия поршня имеет много тонкостей из-за сложности его рабочей среды, но основными частями поршня являются:

  • поршень головка , также называемая верх или головка : верхняя часть поршня, которая вступает в контакт с давлением газа в камере сгорания
  • кольцевой ремень : верхняя средняя часть поршня при расположении поршневых колец
  • бобышка пальца : это нижняя средняя часть поршня, в которой находится поршневой палец
  • юбка поршня : область под кольцевым поясом0516

  Изображение: поршневой штифт и оси юбки

  Изображение: Основные части поршня Кредит: [3]

  Где:

  . Где:

  .

  • стойки управления
  • фиксатор пальца
  • бобышка пальца
  • поршневой палец
  • поршневые кольца
  • юбка поршня

  Поршень соединен с шатуном через поршневой палец (7). Штифт позволяет поршню вращаться вокруг оси штифта. Штифт удерживается на месте в поршне стопорным зажимом штифта (5).

  После днища поршня идет кольцевой ремень (также называемый кольцевой зоной) (3). Большинство поршней имеют три кольцевые канавки, в которые устанавливаются поршневые кольца. Верхнее кольцо называется компрессионным кольцом , среднее — маслосъемным кольцом , а нижнее — маслосъемным кольцом . Компрессионное кольцо должно герметизировать камеру сгорания, чтобы предотвратить попадание внутренних газов в блок двигателя. Маслосъемное кольцо счищает масло со стенки цилиндра, когда поршень находится в такте рабочего хода или такте выпуска. Среднее кольцо выполняет комбинированную функцию обеспечения сжатия в цилиндре и удаления излишков масла со стенок цилиндра.

  Юбка поршня (8) удерживает поршень в равновесии внутри цилиндра. Обычно он покрыт материалом с низким коэффициентом трения, чтобы уменьшить потери на трение. В поршне отверстие пальца или бобышка (6) содержит поршневой палец (7), который соединяет поршень с шатуном.

  Вернуться назад

  Геометрические характеристики

  Поршни должны исправно работать в широком диапазоне температур от -30°C до 300-400°C. В то же время он должен быть достаточно легким, чтобы иметь низкую инерцию и обеспечивать высокие обороты двигателя. Есть несколько геометрических характеристик поршня, которые представлены ниже.

  Овальность поршня

  Из-за процесса сгорания температура внутри цилиндров двигателя достигает сотен градусов Цельсия. Поршень является одним из основных компонентов, который поглощает часть вырабатываемого тепла и отдает его моторному маслу. Поскольку ось поршневого пальца содержит больше материала, чем ось юбки, тепловое расширение вдоль оси пальца немного больше, чем тепловое расширение вдоль оси юбки. По этой причине поршень имеет овальную форму, диаметр по оси штифта на 0,3-0,8 % меньше диаметра по оси юбки [6].

  Изображение: Овальность поршня

  Коническая форма поршня

  Форма поршня не является идеальным цилиндром. При низкой температуре зазор между поршнем и цилиндром двигателя больше, чем при высокой температуре. Кроме того, зазор не является постоянным по длине поршня, он меньше вокруг верхней части поршня по сравнению с областью юбки поршня. Это сделано для того, чтобы обеспечить большее тепловое расширение головки поршня, поскольку она содержит больший объем металла.

  Image: Piston clearance (conical shape)

  Image: Piston thermal expansion (if cylindrical shape)

  Piston pin offset

  The piston movement inside the cylinder has 3 degrees свободы, 1 первичная и 2 вторичная:

  • по вертикальной оси цилиндра, между верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ) (первичная, ось y)
  • вокруг оси пальца (вторичная, угол α)
  • вдоль оси юбки (вторичная, ось x)

  Первичное движение создает крутящий момент на коленчатом валу, это желательно с механической точки зрения. Второстепенные движения происходят из-за комбинации нескольких факторов: двунаправленного движения шатуна и зазора между поршнем и цилиндром. Оба вторичных движения вызывают трение о стенки цилиндра, а также шум, вибрацию (хлопки поршня).

  Изображение: Упор поршня и смещение штифта

  Когда коленчатый вал вращается по часовой стрелке, левая сторона цилиндра называется упорной стороной (TS) , а противоположная сторона известна как противодействующая сторона (ATS) . Удары поршня могут происходить с любой стороны цилиндра. Стук поршня возбуждает блок двигателя и проявляется в виде поверхностных вибраций, которые со временем излучаются в виде шума вблизи двигателя [9]. Еще одним неудобством является то, что при движении поршня через ВМТ и ВТЦ на коленчатый вал создается повышенная нагрузка, поскольку поршень совмещен с центром вращения коленчатого вала.

  Смещение поршневого пальца — это несоосность между центром отверстия под поршневой палец и центром коленчатого вала. Имея его в конструкции, он улучшает шумовые характеристики двигателя за счет стука поршня в ВМТ. Это основная проблема NVH (шум, вибрация и резкость) для инженеров-технологов, которые хотят устранить тревожные шумы везде, где это возможно. Вторая причина заключается в повышении мощности двигателя за счет снижения внутреннего трения на ТС и САР.

  Смещение штифта снижает механическое напряжение, возникающее в шатуне, когда он достигает ВМТ или НМТ, поскольку шатуну не приходится толкать поршень в противоположном направлении в конце хода. Это смещение заставляет стержень двигаться по дуге в ВМТ и НМТ.

  Назад

  Механическая нагрузка

  Поршень – это деталь двигателя внутреннего сгорания (ДВС) , которая должна выдерживать наибольшую механическую и термическую нагрузку. Из-за поршня мощность ДВС ограничена. В случае очень высокой термической или механической нагрузки поршень выходит из строя первым компонентом (по сравнению с блоком цилиндров, клапанами, головкой блока цилиндров). Это связано с тем, что поршень должен представлять собой компромисс между массой и устойчивостью к механическим и термическим нагрузкам.

  Циклическое нагружение поршня за счет [6]:

  • силы газа от давления в цилиндре
  • силы инерции от колебательного движения поршня и
  • боковой силы от опоры силы газа наклонным шатуном, а сила инерции колеблющегося шатуна

  определяет механическую нагрузку .

  Вертикальные силы, действующие на поршень, состоят из: сил давления , создаваемых расширяющимися газами, и сил инерции , создаваемых собственной массой поршня [10].

  \[F_{p}=F_{газ}+F_{инерия}\]

  Силы инерции намного меньше сил давления и имеют наибольшую интенсивность, когда поршень меняет направление, в ВМТ и НМТ.

  Изображение: Напряжение по Мизесу и механическая деформация поршня1179 Авторы и права: [7]

  Вышеупомянутые поршневые усилия рассчитаны с использованием передовых методов анализа методом конечных элементов для алюминиевого поршня, используемого в легковых автомобилях с дизельным двигателем [7].

  Процесс сгорания имеет разные характеристики для дизельного и бензинового ДВС. В дизельном двигателе пиковое давление газа при сгорании может достигать 150–160 бар. В бензиновом двигателе максимальное давление ниже 100 бар. Из-за более высокого давления дизельные поршни должны выдерживать более высокие механические нагрузки.

  Чтобы безотказно работать в таких суровых условиях, поршни дизельных двигателей имеют большую массу, большую прочность и большую массу. Недостатком является более высокая инерция, более высокие динамические усилия, поэтому более низкие максимальные обороты двигателя. Одной из причин, по которой дизельные двигатели имеют более низкую максимальную скорость (около 4500 об/мин) по сравнению с бензиновыми двигателями (около 6500 об/мин), являются более тяжелые механические компоненты (поршни, шатуны, коленчатый вал и т. д.).

  Вернуться назад

  Термическая нагрузка

  Головка поршня находится в непосредственном контакте с горящими газами внутри камеры сгорания, поэтому она подвергается высоким термическим и механическим нагрузкам . В зависимости от типа двигателя (дизельный или бензиновый) и типа впрыска топлива (прямой или непрямой) днище поршня может быть плоским или содержать чашу .

  Тепловая нагрузка от температуры газа в процессе сгорания также является циклической нагрузкой на поршень. Он действует в основном во время такта расширения на стороне камеры сгорания поршня. В остальных тактах, в зависимости от принципа действия, тепловая нагрузка на поршень снижается, прерывается или даже оказывает охлаждающее действие при газообмене. Как правило, теплопередача от горячих продуктов сгорания к поршню происходит в основном за счет конвекции, и лишь незначительная часть возникает за счет излучения.

  Изображение: Рабочая температура поршня
  Авторы и права: [3]

  Тепло, выделяющееся при сгорании, частично поглощается поршнем. Большая часть тепла передается через кольцевую часть поршня (около 70%). Юбка поршня отводит 25% тепла, а остальное передается поршневому пальцу, шатуну и маслу. Более высокая частота вращения двигателя означает более высокую температуру поршня . Это происходит потому, что накопленное тепло не успевает рассеяться между двумя последовательными циклами горения. В то же время более высокая нагрузка на двигатель означает более высокую температуру поршня, потому что происходит большее сгорание воздушно-топливной смеси, которая выделяет больше тепла.

  Изображение

  Изображение: Распределение температуры в поршне бензинового двигателя Кредит: [6]	Изображение: Распределение температуры в поршне дизельного двигателя с каналом охлаждения Кредит: [6]
  0 9 : Тепловая нагрузка на поршень Авторы и права: [7]

  По отношению к такту расширения продолжительность действия тепловой нагрузки от сгорания очень мала. Поэтому лишь очень небольшая часть массы поршня вблизи поверхности со стороны сгорания подвергается циклическим колебаниям температуры. Таким образом, почти вся масса поршня достигает квазистатической температуры, которая, однако, может иметь значительные локальные колебания.

  Назад

  Охлаждение

  По мере увеличения удельной мощности в современных двигателях внутреннего сгорания поршни подвергаются возрастающим тепловым нагрузкам. Поэтому для обеспечения эксплуатационной безопасности чаще требуется эффективное охлаждение поршня.

  Изображение: 2009 Ecotec 2.0L I-4 VVT DI Turbo (LNF) Головка поршня и масляная форсунка
  Предоставлено: GM

  Температура поршня может быть снижена путем циркуляции масла через среднюю часть поршня. Этого можно добиться с помощью маслоструйных устройств, установленных на блоке цилиндров, которые впрыскивают моторное масло через отверстие, когда поршень находится близко к нижней мертвой точке (НМТ).

  Компания Tenneco Powertrain разработала новый стальной поршень для дизельных двигателей с «герметизированной на весь срок» камерой охлаждающей жидкости в днище, что позволяет поршням безопасно работать при температурах днища более чем на 100°C выше существующих ограничений.

  Изображение: технология охлаждения поршня EnviroKool
  Предоставлено: Tenneco

  Для формирования короны EnviroKool внутри поршня с помощью сварки трением создается встроенный охлаждающий канал, который затем заполняется высокотемпературным маслом и инертным газом. Эта камера постоянно герметизирована приваренной пробкой. Согласно Tenneco Powertrain, технология EnviroKool позволяет преодолеть температурные ограничения обычных открытых галерей, в которых в качестве теплоносителя используется смазочное масло.

  Вернуться назад

  Типы

  Геометрия поршня ограничена кубатурой ДВС. Поэтому основным путем повышения механической и термической стойкости поршня является увеличение его массы. Это не рекомендуется, поскольку поршень с большой массой имеет большую инерцию, что приводит к большим динамическим усилиям, особенно при высоких оборотах двигателя. Сопротивление поршня можно улучшить за счет оптимизации геометрии, но всегда будет компромисс между массой, механическим и термическим сопротивлением.

  На первый взгляд поршень кажется простым компонентом, но его геометрия довольно сложна:

  Изображение: техническое описание дизельного поршня Kolbenschmidt

  Условные обозначения:

  1. диаметр камеры сгорания
  2. днище поршня
  3. камера сгорания (чаша)
  4. кромка днища поршня
  5. Piston Top Land
  6. Кольцо для сжатия канавки
  7. Кольцевая земля
  8. Основание канавки
  9. Утопленное кольцевое кольцо
  10. Стоимость
  11. BERPAPER
  12. NOTED

  . канавка для стопорного кольца

  13. расстояние между бобышками поршня
  14. расстояние между бобышками поршня
  15. ступенчатая кромка
  16. диаметр поршня 90 °C относительно отверстия поршневого пальца
  17. piston pin bore
  18. bowl depth
  19. skirt
  20. ring zone
  21. piston compression height
  22. piston length
  23. oil cooler duct
  24. ring carrier
  25. bolt bush
  26. diameter measuring window
  27. crown camber

  Как видите, между дизельными и бензиновыми поршнями есть существенные различия.

  Поршни дизельных двигателей должны выдерживать более высокие давления и температуры, поэтому они больше, объемнее и тяжелее. Они могут быть изготовлены из алюминиевых сплавов, стали или их комбинации. Поршень дизеля содержит часть камеры сгорания в головке поршня. Из-за формы поперечного сечения головки поршня поршень дизельного двигателя также называют поршнем с головкой омега.

  Поршни бензиновых (бензиновых) двигателей легче, рассчитаны на более высокие обороты двигателя. Они изготавливаются из алюминиевых сплавов и обычно имеют плоскую головку. Бензиновые двигатели с непосредственным впрыском (DI) имеют специальные головки, чтобы направлять поток топлива в кувыркающемся движении.

  Ниже вы можете увидеть фотографии дизельных и бензиновых двигателей в высоком разрешении.

  Изображение: LS9 6,2 л V-8 поршень SC (алюминий, бензиновый/бензиновый двигатель с непрямым впрыском) Кредит: GM

  Изображение: Поршень Ecotec 2. 0L I-4 VVT DI Turbo (LNF) (алюминий, бензиновый/бензиновый двигатель с непосредственным впрыском) с кольцами (алюминий, дизель) Фото: Kolbenschmidt

  Изображение: Поршень из моностали (сталь, дизель) Кредит: Tenneco

  Вернуться назад

  Большинство материалов для поршней

  4 от алюминиевые сплавы . Это связано с тем, что алюминий легкий, имеет достаточную механическую прочность и хорошую теплопроводность. В грузовых автомобилях, предназначенных для тяжелых условий эксплуатации, используются поршни из стали , которые более устойчивы к более высоким давлениям и температурам в камере сгорания.

  Алюминиевые поршни изготавливаются из литых или кованых жаропрочных алюминиево-кремниевых сплавов. Существует три основных типа алюминиевых поршневых сплавов. Стандартный поршневой сплав представляет собой эвтектический сплав Al-12%Si, содержащий дополнительно прибл. по 1% Cu, Ni и Mg [3].

  Основные алюминиевые сплавы для поршней [3]:

  • эвтектический сплав (AlSi12CuMgNi): литой или кованый
  • заэвтектический сплав (AlSi18CuMgNi): литой или кованый
  • специальный эвтектический сплав (AlSi12Cu4Ni90Mg): только литой алюминиевый сплав имеет меньшую прочность, чем чугун, поэтому необходимо использовать более толстые секции, поэтому не реализуются все преимущества легкого веса этого материала. Кроме того, из-за более высокого коэффициента теплового расширения для алюминиевых поршней должны быть предусмотрены большие рабочие зазоры. С другой стороны, теплопроводность алюминия примерно в три раза выше, чем у железа. Это, вместе с большей толщиной применяемых профилей, позволяет алюминиевым поршням работать при температурах примерно на 200 °С ниже, чем чугунных [8].

    В некоторых случаях прочность и износостойкость поршней из алюминиевого сплава недостаточны для удовлетворения требований по нагрузке, поэтому используются черные материалы (например, чугун, сталь). Существует несколько методов использования черных металлов в производстве поршней:

    • в качестве местного армирования, вставки из черного металла (например, держатели колец)
    • в качестве удлиненных частей составных поршней (например, днище поршня, болты)
    • поршни, полностью изготовленные из чугун или кованая сталь

    Изображение: Композитный поршень для двигателя большой мощности – сечение Авторы: [8]

    79004 : Warstila

    Существует два типа черных металлов, используемых для поршней или компонентов поршней [6]:

    • чугун :
      • аустенитный чугун для держателей колец
      • cast iron with spheroidal graphite for pistons and piston skirts
    • steel
      • chromium-molybdenum alloy (42CrMo4)
      • chromium-molybdenum-nickel alloy (34CrNiMo6)
      • molibden-vanadium alloy (38MnVS6)

    Чугунные материалы обычно имеют содержание углерода > 2%. Поршни высоконагруженных дизелей и другие высоконагруженные детали двигателей и конструкций машин изготавливают преимущественно из сферолитного чугуна марки М-С70. Этот материал используется, например, для цельных поршней и юбок поршней в составных поршнях [6].

    Сплавы железа, обозначаемые как стали, обычно имеют содержание углерода менее 2%. При нагревании они полностью переходят в ковкий (пригодный для ковки) аустенит. Поэтому сплавы железа отлично подходят для горячей штамповки, такой как прокатка или ковка.

    Изображение: стальной поршень по сравнению с алюминиевым поршнем
    Авторы и права: Kolbenschmidt

    По сравнению с алюминиевыми поршнями стальные поршни обладают большей механической прочностью при гораздо меньших размерах. По этой причине они в основном предпочтительны для дизельных двигателей, которыми оснащаются грузовые автомобили.

    Назад

    Технологии

    Существует несколько передовых поршневых технологий, каждая из которых предназначена для повышения механической и/или термической стойкости, снижения коэффициента трения или снижения общей массы (сохраняя при этом механические и термические свойства ).

    Ниже вы можете найти примеры современных поршней, изготовленных компанией Kolbenschmidt , каждый из которых отличается своей технологией.

    Изображение: дизельный поршень с каналом охлаждения, втулкой болта и держателем кольца Кредит: Kolbenschmidt	Изображение: Поршень дизельного двигателя с шарнирно-сочлененной рамой с верхней частью из кованой стали и алюминиевой юбкой	Изображение: Залитые чугунные кольца-держатели во много раз увеличивают срок службы первой кольцевой канавки дизельных поршней. Kolbenschmidt является лидером в разработке склеивания кольцевых носителей Alfin Фото: Kolbenschmidt
    Изображение: Твердоанодированные кольцевые канавки предотвращают износ и микросваривание в поршнях бензиновых двигателей на юбке поршня. Они уменьшают трение внутри двигателя и обеспечивают хорошие аварийные характеристики. Покрытия LofriKS® также используются по акустическим причинам. Их использование минимизирует шум поршня. NanofriKS® является дальнейшим развитием испытанного покрытия LofriKS® и дополнительно содержит наночастицы оксида титана для повышения износостойкости и долговечности покрытия Фото: Kolbenschmidt
    Изображение: Юбки поршня с железным покрытием (Ferrocoat®) гарантируют надежную работу при использовании на алюминиево-кремниевых поверхностях цилиндров (Alusil®) (Hi-SpeKS®) повышают динамическую грузоподъемность ложа поршневого пальца, тем самым увеличивая долговечность поршня.0007 Tenneco Powertrain (ранее Federal Mogul) , каждая из которых имеет свои отличительные технологии. Изображение: поршень Elastothermic® (алюминиевый поршень для бензиновых/бензиновых легковых автомобилей) Особенности: – охлаждаемый канал поршня повышает мощность и расход топлива бензиновых двигателей уменьшенного размера – эластотермический канал охлаждения снижает температуру днища поршня на около 30°C – температура первой кольцевой канавки снижена примерно на 50°C, что, как следствие, снижает нагарообразование и износ канавок и колец для увеличения срока службы, низкого расхода масла и продувки на – снижение риска неконтролируемого сгорания, например, преждевременного зажигания на низкой скорости. температура обода камеры сгорания на 10 % ниже – передовые технологии бокового литья значительно улучшают структурную стабильность (даже в случае конструкций с тонкими стенками) – реструктуризация обода камеры сгорания и основания камеры сгорания может обеспечить до 100 % увеличение усталостной долговечности Предоставлено: Tenneco Powertrain (Federal Mogul). жесткие требования к двигателю на рынке двигателей большой мощности и промышленных двигателей, включая новое поколение давления зажигания двигателя, требуемое для дорожных правил Euro VI и выше. Прочная конструкция из кованых стальных профилей, сваренных инерцией, образующих большие охлаждающие галереи, позволяет поршням Monosteel выдерживать возрастающие механические нагрузки. Эволюция Monosteel включает в себя последние разработки для промышленных двигателей большого диаметра, а также использование тонкостенных легких поковок и литья для дизельных двигателей легковых автомобилей. Основные характеристики продукта: – большая закрытая структурная галерея с превосходным охлаждением обода чаши и кольцевой канавки, уменьшающая деформацию канавки и улучшающая контроль масла и газонепроницаемость – профилированное отверстие под палец без втулки – юбка во всю длину для стабильного поршня динамика, снижение риска кавитации гильзы и улучшение уплотнения кольца – процесс обеспечивает гибкость материала благодаря вариантам материала коронки для снижения коррозии или окисления и/или вариантам материала юбки для повышения технологичности. Предоставлено: Tenneco Powertrain (Federal Mogul). более эффективные конструкции двигателей, в том числе сниженный расход топлива и выбросы CO 2 . Оно сочетает в себе низкий износ и низкое трение в одном применении и снижает расход топлива на 0,8 % по сравнению с обычными покрытиями поршней. Основные преимущества: — совместим с существующими и усовершенствованными покрытиями цилиндров и может быть легко внедрен в серийное производство двигателей в качестве замены при эксплуатации — состав обеспечивает большую толщину, чем поршни с обычными покрытиями, обеспечивая дополнительную защиту — соответствует строгим экологическим стандартам ; не содержит токсичных растворителей – запатентованное усовершенствованное покрытие юбки поршня с твердыми смазочными материалами и армированием углеродными волокнами, специально разработанное для тяжелых условий работы с бензином – снижение трения в блоке силового цилиндра (поршень+кольца) на 10 % по сравнению со стандартными покрытиями, снижение расхода топлива/CO на 0,4 % прочность в современных бензиновых двигателях с непосредственным впрыском топлива – EcoTough® представляет собой запатентованное покрытие F-M Предоставлено: Tenneco Powertrain (Federal Mogul) служебный автомобиль) Усиление поршня DuraBowl® с частичным переплавлением кромок чаши: – предельное улучшение структуры алюминиевого материала, созданное путем локального повторного плавления с использованием технологии TIG – до 4 раз повышенная долговечность в двигателях с высокой удельной мощностью по сравнению с поршнями без камеры повторное плавление. Позволяет использовать формы камеры сгорания, подвергающиеся высоким нагрузкам – процесс F-M DuraBowl® расширяет пределы алюминиевых поршней в самых сложных условиях за счет увеличения усталостной прочности (циклов) поршня Предоставлено: Tenneco Powertrain (Federal Mogul) Изображение: сверхлегкие поршни Elastoval II (алюминиевый поршень для бензиновых/бензиновых легковых автомобилей) Усовершенствованная технология бензиновых поршней Elastoval® II основана на: – наклонные боковые панели – легкая конструкция опоры для штифтов – тонкие стенки 2,5 мм – оптимизированная площадь юбки и гибкость – высокопроизводительный сплав F-M S2N Особенности и преимущества: – снижение веса на 15 % по сравнению с бензиновыми поршнями предыдущего поколения – удельная мощность до 100 кВт/л – оптимизированные шумовые и фрикционные характеристики Совместим с опцией держателя колец Alfin для повышения пикового давления в цилиндре и устойчивости к детонации Кредит : Tenneco Powertrain (Federal Mogul) Назад Часто задаваемые вопросы Для чего используются поршни? Поршни используются в двигателях внутреннего сгорания для передачи усилия на шатун и коленчатый вал, создавая таким образом крутящий момент двигателя. Поршни преобразуют давление газа из камеры сгорания в механическую силу. Что такое поршень и как он работает? Поршень — это деталь двигателя внутреннего сгорания, изготовленная из алюминия или стали, используемая для преобразования давления газа из камеры сгорания в механическую силу, передаваемую на шатун и коленчатый вал. Из чего сделан поршень? Поршень может быть изготовлен из цветного металла, алюминия (Al) или черного материала, например, из чугуна или из стали . Какие существуют два типа поршневых колец? Два типа поршневых колец: компрессионные кольца и маслосъемные кольца . Какие существуют два основных типа поршневых двигателей? Два основных типа поршневых двигателей: 9Поршни двигателя 0007 дизель и поршни двигателя бензин (бензин) . Функция материала, два основных типа поршня: поршень из алюминия и поршень из стали . Как долго должны служить поршни? Поршень должен служить в течение всего срока службы автомобиля при нормальных условиях эксплуатации (нормальная смазка, регулярное техническое обслуживание двигателя, отсутствие чрезмерных нагрузок, отсутствие чрезмерных температур). В нормальных условиях эксплуатации поршень должен прослужить не менее 300 000 км, а затем 500 000 км и более. Что вызывает появление отверстий в поршнях? Обычно аномально высокие температуры вызывают плавление поршней, а детонация двигателя может привести к растрескиванию поршней. Неисправные форсунки могут подавать в цилиндры чрезмерное количество топлива, что может привести к аномально высоким температурам сгорания и частичному расплавлению поршней. Как узнать, повреждены ли поршни? При повреждении поршня наиболее вероятными симптомами являются: потеря мощности из-за потери компрессии, чрезмерный дым в выхлопе или необычный шум двигателя. Можете ли вы починить сломанный поршень? Сломанный поршень ремонту не подлежит, его необходимо заменить. Поршень имеет очень жесткие геометрические допуски, которые, скорее всего, не могут быть соблюдены после ремонта. Кроме того, их механические и термические свойства будут изменены после ремонта, что приведет к дальнейшему повреждению. Сломанный поршень может привести к значительному повреждению блока цилиндров, шатуна, клапанов и т. д. и должен быть немедленно заменен. Можно ли водить машину с неисправным поршнем? Можно ездить с неисправным поршнем, но не рекомендуется. Повреждение поршня может привести к серьезному выходу из строя блока цилиндров, коленчатого вала, шатунов, клапанов и т. д. Если поврежденный поршень не заменить, это может привести к полному отказу двигателя. Повредит ли мой двигатель удар поршня? Стук поршня приведет к повреждению двигателя, оставленного без присмотра. Стук поршня в течение длительного времени повреждает гильзу цилиндра и сам поршень. Пропадает ли стук поршня при прогреве? Стук поршня частично исчезнет, ​​когда двигатель прогреется. Стук поршня возникает из-за чрезмерного износа гильзы цилиндра или самого поршня. Когда двигатель нагревается, поршень подвергается тепловому расширению, и зазор между поршнем и цилиндром уменьшается, что приводит к уменьшению ударов поршня. Можно ли ездить с лязгом поршня? Ездить с лязгом поршня можно, но долго ездить не рекомендуется. Стук поршня приведет к износу самого поршня и гильзы цилиндра. Стук поршня также может вызвать трещины в поршне, что может привести к полному отказу двигателя, если оставить его без присмотра. Что вызывает износ юбки поршня? Износ юбки поршня вызван отсутствием масляной смазки гильзы цилиндра. В нормальном рабочем состоянии система смазки разбрызгивает масло на цилиндры, чтобы избежать прямого контакта между юбкой поршня и цилиндром. При неисправности системы смазки или при недостаточном уровне масла на стенках цилиндров будет недостаточно масла, а юбка поршня будет значительно изнашиваться. Для любых вопросов, замечаний и запросов по этой статье используйте форму комментариев ниже. Не забудьте поставить лайк, поделиться и подписаться! Назад Ссылки [1] Клаус Молленхауэр, Гельмут Чёке, Справочник по дизельным двигателям, Springer, 2010. [2] Хироши Ямагата, Наука и технология материалов в автомобильных двигателях, Woodhead Publishing in Materials, Cambridge , England, 2005. [3] The Aluminium Automotive Manual, European Aluminium Association, 2011. [4] Heisler, Heinz, Vehicle and Engine Technology, Society of Automotive Engineers, 1999. [5] QinZhaoju et al, Моделирование термомеханического соединения поршня дизельного двигателя и междисциплинарная оптимизация конструкции, Case Studies in Thermal Engineering, Volume 15, Ноябрь 2019 г. [6] Испытания поршней и двигателей, Mahle GmbH, Штутгарт, 2012 г. [7] Скотт Кеннингли и Роман Моргенштерн, Термическая и механическая нагрузка в области камеры сгорания дизельных поршней AlSiCuNiMg легковых автомобилей; Рассмотрено с акцентом на расширенный анализ методом конечных элементов и методы инструментального тестирования двигателей, Federal Mogul Corporation, документ SAE 2012-01-1330. [8] Т.К. Garrett et al, The Motor Vehicle, 13th Edition, Butterworth-Heinemann, 2001. [9] N.Dolatabadi et al, Об идентификации случаев ударов поршня в двигателях внутреннего сгорания с использованием трибодинамического анализа, Mechanical Systems and Signal Processing, Volumes 58 –59, июнь 2015 г., страницы 308–324, Elsevier, 2014. [10] Клаус Молленхауэр и Гельмут Чёке, Справочник по дизельным двигателям, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2010. 2618 vs. 4032 Алюминиевые сплавы Кажется чем больше вы знаете, тем большему предстоит научиться. Для обычного парня стандартные поршни отлиты, гоночные поршни откованы, а остальное не так важно. В мире Питера Пэна этого может быть достаточно, но оказывается, что технологии предлагают выбор, и стоит лучше узнать игроков, читая оценочную карту. В случае с коваными поршнями все сводится к несколько более сложному выбору лучшего из двух сплавов. Слишком много информации может быть неудобным в определенных ситуациях, но когда дело доходит до поршней, всегда полезно иметь больше деталей. Мы должны начать это обсуждение с небольшой основы металлургии. Наш подход будет полностью сосредоточен на кованых поршнях. Эти произведения искусства не являются чистым алюминием. Вместо этого рабочие поршни изготавливаются из двух совершенно разных сплавов. Слева — поршень 2618. Справа — шайба заготовки из алюминия 2618, которая еще не подвергалась механической обработке. Сначала обратимся к сплаву 4032, представленному линейкой поршней JE SRP (Sportsman Racing Products). Этот сплав создается с высоким содержанием кремния – целых 12 процентов. Добавление кремния значительно снижает скорость расширения алюминия, а это означает, что поршень может работать с более узкими холодными зазорами и обеспечивает более тихую работу поршня при холодном двигателе. Неопытные энтузиасты часто принимают стук поршня холодного двигателя за смертельный стук штока, поэтому поршень с узкими зазорами работает очень тихо, что делает его отличным выбором для уличного двигателя. Материалы для поршней 2618 и 4032 поступают на завод JE Piston в виде прутка. Этот материал нарезается на шайбы и либо выковывается, чтобы приблизить его к окончательной форме, либо вырезается на станке с ЧПУ для формирования поршня-заготовки. Дополнительное содержание кремния также повышает долговечность этого сплава, что опять же делает его отличным выбором для дорожных двигателей, когда им приходится преодолевать тысячи километров по дорогам с низкой нагрузкой. Помимо типичного износа, который вы можете наблюдать вдоль юбок поршня, наиболее критичное положение для максимальной производительности на самом деле находится в кольцевых канавках. Одним из основных преимуществ стали 4032 является ее дополнительная износостойкость, которая поддерживает надлежащий зазор в кольцевой канавке и обеспечивает лучшее уплотнение на больших расстояниях. 9№ 0005 Этот сплав 4032 может использоваться в спортивных и даже соревновательных приложениях с отличными результатами. Однако его пониженная пластичность делает сплав менее устойчивым к растрескиванию при экстремальных ударных нагрузках, таких как детонация или непредвиденный физический контакт, чем в случае со сплавом 2618. Но пусть это вас не пугает. По словам директора JE по исследованиям и разработкам Дейва Фусснера, команды Pro Stock экспериментировали с поршнями 4032, потому что сплав немного легче. Основное отличие сплава 2618, представленного в поршневой линии JE Race, заключается в очень низком содержании кремния. Это делает поршень 2618 намного более податливым и дает преимущества при высоких нагрузках, в приложениях с высокими нагрузками, например, с добавками мощности, такими как нагнетатели, турбокомпрессоры или закись азота. Однако это более низкое содержание кремния также означает, что поршень имеет более высокую скорость линейного расширения, что должно быть компенсировано большими зазорами между поршнем и стенкой окружающей среды. По сути, поршень 2618 будет расширяться на 15 процентов больше, чем версия 4032. Это, как мы уже упоминали, является причиной того, что поршень из 2618 требует большего зазора, и в результате он будет немного более шумным в холодном состоянии, в отличие от сопоставимой поковки из 4032. Этот цельный гоночный поршень идеально подходит для использования из сплава 2618. Он полностью обработан для абсолютной легкости и использует превосходные прочностные характеристики 2618. Здесь уместно упомянуть, что, несмотря на различия в зазорах между поршнями и стенками в холодном состоянии, когда поршни достигают рабочей температуры, при одинаковой конструкции поршней сплавы 2618 и 4032 будут работать с очень похожими зазорами. Это еще раз подтверждает, почему поршень 2618 начинается с большего холодного зазора. Более низкое содержание кремния в 2618 также делает поршень немного менее износостойким по сравнению с 4032. Для поршней, используемых в соревнованиях, это не является важным соображением, поскольку они будут заменены в поисках максимальной мощности задолго до значительного износа. представил. Частью того, что делает любой металлический сплав прочнее, является процесс термообработки, который использует производитель. Каждый из этих сплавов требует несколько иного процесса, чтобы добиться максимальной производительности материала. Термическая обработка разбита на четыре этапа: предварительный нагрев, термообработка раствором на втором этапе для удаления примесей, закалка водой и, наконец, процесс старения, при этом 2618 подвергается более длительному процессу старения, чем 4032. Хотя может показаться, что эти различия усложняют процесс принятия решений, каждый из этих двух сплавов действительно имеет тенденцию указывать на определенные преимущества для определенных приложений, поэтому семейство JE предлагает оба. Сплав 4032 обеспечивает меньшее расширение и более тихую работу при холодном пуске, а также превосходную прочность по сравнению с характеристиками длительного износа, что делает его отличным уличным поршнем. В чрезвычайно требовательных гоночных приложениях, таких как эта сборка 2JZ Toyota, которая будет иметь наддув почти 100 фунтов на квадратный дюйм, сплав 2618 — это то, что нужно. Он более пластичен, что позволяет ему противостоять растрескиванию и выдерживать высокие температуры цилиндров. Сплав 2618 известен своей превосходной жаропрочностью. Это делает его предпочтительным выбором для гонок на выносливость, особенно в длительных соревнованиях с полностью открытой дроссельной заслонкой. Это также может быть превосходным выбором для серьезного уличного применения, и если рассматривается долгосрочный износ кольцевых канавок, вариант анодирования — отличный способ увеличить его производительность. Каждый сплав обладает разными характеристиками, но в какой-то момент преимущества более прочного, более ориентированного на гонки сплава 2618 делают решение довольно простым, если вы собираетесь участвовать в гонках. Если вы обнаружите, что колеблетесь между забором из сплава, хорошая новость заключается в том, что трудно принять неправильное решение. Большая часть линейки SRP компании JE (Sportsman Racing Products) изготовлена ​​из сплава 4032. Это придает поршням исключительную прочность для уличных и некоторых гонок, сохраняя при этом дорожные качества (скорость износа, низкое расширение, низкий уровень шума). Сплав поршня — это всего лишь одно из многих решений, которые вам придется принять на пути к сборке следующего двигателя. Но вооружившись нужной информацией, у этого двигателя есть отличный шанс развить большую мощность и одновременно вызвать улыбку на вашем лице. Эта статья спонсирована компанией JE Pistons. Чтобы узнать больше о поршневых технологиях, посетите https://blog.jepistons.com сегодня! Таблица 01 Разбивка элементов 2618 4032 Алюминий 93,7% Алюминий 85% Медь 2,3% Кремний 12,2% Магний 1,6% Магний 1,0% Железо 1,1% Медь 0,9% Никель 1,0% Никель 0,9% Кремний 0,18%     Титан 0,07%         Таблица 02 сплав и мин. 2618 PRO CON Более сильный шум поршня, когда холод (более широкие зазоры) больше проката без недостатков. Отличная жаропрочность         4032 Pro                                                     Con Excellent Wear Rate                        Less Ductile Quieter (tighter clearances)           Lower Strength at High Temperature Slightly lighter                                    Less Fatigue Resistant than 2618     Chart  03 Спецификации поршня из сплава Характеристики материала 4032 2618 Прочность на растяжение 55 000 фунтов на кв. дюйм 64 000 фунтов на кв. дюйм Предел текучести 46 000 фунтов на кв.