Поршень — деталь цилиндрической формы, совершающая возвратно-поступательное
движение внутри цилиндра и служащая для превращения изменения давления газа,
пара или жидкости в механическую работу, или наоборот —
возвратно-поступательного движения в изменение давления. В поршневом механизме,
в отличие от плунжерного, уплотнение располагается на цилиндрической поверхности
поршня, обычно в виде одного или нескольких поршневых
колец.
Поршень подразделяется на три части, выполняющие различные
функции:
1) днище
2) уплотняющая часть
3) направляющая часть
(юбка)
Для передачи усилия от поршня (или наоборот) может использоваться
шток, либо кривошип, который соединяется с поршнем с помощью пальца. Другие
способы передачи усилия используются реже. В некоторых случаях шток может играть
роль направляющего устройства, в этом случае юбка не нужна.
Поршень
может быть односторонним или двухсторонним. В последнем случае поршень имеет два
днища.
1) Днище.
Форма днища зависит от выполняемой поршнем
функции. К примеру, в двигателях внутреннего сгорания форма зависит от
расположения свечей, форсунок, клапанов, конструкции двигателя и других
факторов. При вогнутой форме днища образуется наиболее рациональная камера
сгорания, но в ней более интенсивно происходит отложение нагара. При выпуклой
форме днища увеличивается прочность поршня, но ухудшается форма камеры сгорания.
В некоторых двухтактных двигателях днище поршня выполняется в виде
выступа-отражателя для направленного движения продуктов сгорания при продувке.
Расстояние от днища поршня до канавки первого компрессионного кольца называют
огневым поясом поршня. В зависимости от материала, из которого сделан поршень,
огневой пояс имеет минимально допустимую высоту, уменьшение которой может
привести к прогару поршня вдоль наружной стенки, а также разрушению посадочного
места верхнего компрессионного кольца.Функции уплотнения, выполняемые поршневой
группой, имеют большое значение для нормальной работы поршневых двигателей. О
техническом состоянии двигателя судят по уплотняющей способности поршневой
группы. Например, в автомобильных двигателях не допускается, чтобы расход масла
из-за угара его вследствие избыточного проникновения (подсоса) в камеру сгорания
превышал 3% от расхода топлива. При выгорании масла наблюдается повышенная
дымность отработавших газов и двигатели снимаются с эксплуатации вне зависимости
от удовлетворительности мощностных и других его показателей.
2)
Уплотняющая часть.
Днище и уплотняющая часть образуют головку поршня. В
уплотняющей части поршня располагаются компрессионные и маслосъёмные кольца. В
некоторых конструкциях поршней из алюминиевых сплавов в его головку залит ободок
из коррозионностойкого чугуна (нирезиста), в котором прорезана канавка для
верхнего наиболее нагруженного компрессионного кольца. Нирезистовую вставку под
верхнее поршневое кольцо имеют, в частности, поршни двигателей, выпускаемых ТМЗ
(Тутаевский моторный завод). Благодаря этому значительно увеличивается
износостойкость поршня. Кольцевые каналы для маслосъемных колец выполняются со
сквозными отверстиями, через которые масло, снятое с зеркала цилиндра, поступает
внутрь поршня и стекает в поддон картера двигателя.
3) Направляющая
часть.
Юбка поршня (тронк) является его направляющей частью при движении в
цилиндре и имеет два прилива (бобышки) для установки поршневого пальца. Так как
масса поршня у приливов оказывается большей, чем в других частях юбки,
температурные деформации при нагреве в плоскости бобышек также будут
наибольшими. Для снижения температурных напряжений поршня с двух сторон, где
расположены бобышки, с поверхности юбки, удаляют металл на глубину 0,5-1,5 мм.
Эти углубления, улучшающие смазывание поршня в цилиндре и препятствующие
образованию задиров от температурных деформаций, называются «холодильниками». В
нижней части юбки также может располагаться маслосъемное
кольцо.
Материалы.
К материалам,
применяемым для изготовления поршней автотракторных двигателей, предъявляются
следующие требования:
высокая механическая прочность;
малая
плотность;
хорошая теплопроводность;
малый коэффициент линейного
расширения;
высокая коррозионная стойкость;
хорошие антифрикционные
свойства.
Для изготовления поршней применяются серые чугуны и алюминиевые
сплавы.
Чугун.
Достоинства
Поршни из чугуна
прочны и износостойки.Благодаря небольшому коэффициенту линейного расширения они
могут работать с относительно малыми зазорами, обеспечивая хорошее уплотнение
цилиндра.
Недостатки
Чугун имеет довольно большой удельный вес. В связи с
этим область применения чугунных поршней ограничивается сравнительно тихоходными
двигателями, в которых силы инерции возвратно движущихся масс не превосходят
одной шестой от силы давления газов на днище поршня.
Чугун имеет низкую
теплопроводность, поэтому нагрев днища у чугунных поршней достигает 350—400 °C.
Такой нагрев нежелателен особенно в карбюраторных двигателях, так как он служит
причиной возникновения калильного зажигания.
Алюминий[править
Подавляющее
большинство современных автомобильных двигателей имеют алюминиевые
поршни.
Достоинства
Достоинства алюминиевых
поршней:
малая масса (как минимум на 30 % меньше по сравнению с
чугунными);
высокая теплопроводность (в 3-4 раза выше теплопроводности
чугуна), обеспечивающая нагрев днища поршня не более 250 °C, что способствует
лучшему наполнению цилиндров и позволяет повысить степень сжатия в бензиновых
двигателях;
хорошие антифрикционные свойства.
Недостатки
Недостатками алюминиевых поршней
являются:
большой коэффициент линейного расширения (примерно в 2
раза больше, чем у чугуна), значительное снижение механической прочности при
нагреве (повышение температуры до 300 °C приводит к снижению механической
прочности алюминия на 50-55 % против 10 % у чугуна).
Недопустимые для
нормальной работы двигателя зазоры между стенками цилиндров и алюминиевыми
поршнями устраняются конструктивными мероприятиями, основными из которых
являются:
придание юбке поршня овальной или овально-конусной
формы;
изоляция тронковой (направляющей) части поршня от наиболее нагретой
его части (головки);
косой разрез юбки по всей длине, обеспечивающий
пружинящие свойства стенок;
Т- и П-образные прорези в юбке поршня не на
полную её длину в сочетании с её овальностью;
компенсационные вставки,
ограничивающие тепловое расширение юбки в плоскости качания
шатуна.
